充。導(dǎo)熱封裝材料5除了密封芯片之外，還促進了散 熱，降低了熱分布不均勻?qū)е碌臒釕?yīng)力。
[0034] 實施例2 :
[0035] 如圖2所不，有一個頂部基板1，一個波紋金屬板襯墊2, 一層導(dǎo)熱封裝材料5,兩層 連接材料6,以及一個與底部基板4連接的芯片3。與圖1中的波紋金屬板2不同，波紋金 屬板2的橫截面具有起伏的直線段。同樣地，在頂部基板1，波紋金屬板2和芯片3之間的 各種間隙都填充有導(dǎo)熱封裝材料5。
[0036] 在本實施例中，波紋金屬薄板的厚度為t，周期長度為p，凹槽的深度為h。可以改 變t，p和h以適應(yīng)各種器件。周期p可以是不對稱的，目的是盡可能的增大與芯片的接觸 面積。
[0037] 實施例3 :
[0038] 圖3A所示，在本實施例中，有一個頂部基板1，一個底部基板4, 一個芯片3, 一層導(dǎo) 熱封裝材料5,兩層連接材料6,以及多個作為襯墊的金屬管2。金屬管2用連接材料與芯片 3和頂部基板1連接。芯片3也用連接材料6與底部基板4連接。周期長度為p，高度為h， 長度為1。金屬管2的橫截面是圓形的，內(nèi)徑為ID 1，外徑為ODp
[0039] 實施例4 :
[0040] 圖3B所示。在本實施例中，有一個頂部基板1，多個變形金屬管2,一層導(dǎo)熱封裝 材料5,兩層連接材料6, 一個芯片3和一個底部基板4。金屬管用夾具和液壓機壓制，使其 橫截面成為橢圓形，在一個方向上伸長并在垂直于伸長方向的方向上縮短。金屬管周期長 度為P，高度為h，長度為1。金屬管2在伸長方向上的內(nèi)徑為1?，外徑為0?，金屬管2在 縮短方向上的內(nèi)徑為ID s，外徑為0DS。ID^ID產(chǎn)ODyODs，比值都在100 :1到1. 5 :1之間， 優(yōu)選的范圍是從50 :1到2 :1，最優(yōu)選的范圍是從10 :1到2 :1。
[0041] 實施例5:
[0042] 圖3C所示，展示了圖3B中所述實施例的一個變體。在這種情況下，襯墊2是多個 扁平的金屬管，位于頂部基板1和連接在底部基板4上的芯片3之間。
[0043] 實施例6 :
[0044] 如圖4A所示，有一個底部基板4, 一個芯片3, 一層導(dǎo)熱封裝材料5,兩層連接材料 6,多個實心金屬圓柱襯墊2和一個頂部基板1。用連接材料將實心金屬圓柱2連接到頂部 基板1和芯片3之間。同樣地，采用連接材料將實心金屬圓柱2與頂部基板1連接。襯墊 周期長度為p，高度為h，長度為1。實心金屬圓柱2的直徑Sd 1。所述實心金屬圓柱可以 是金屬棒或金屬絲。
[0045] 實施例7 :
[0046] 圖4B展示了圖4A所述實施例的一個變體。其中，實心金屬圓柱2的橫截面被壓 縮成橢圓形。扁平的實心金屬圓柱2連接在頂部基板1和芯片3之間。襯墊周期為p，高 度為h，長度為1。實心金屬圓柱2的在伸長方向上的直徑為，在縮短方向上的直徑為D s。 DyDs的值范圍在100 :1到1. 5 :1之間，優(yōu)選的范圍在50 :1到2 :1之間，最優(yōu)選的范圍在 10 :1到2 :1之間。
[0047] 實施例8 :
[0048] 圖4C展示了一系列扁平的實心金屬圓柱2,位于頂部基板1和安裝在底部基板4 上的芯片3之間。
[0049] 實施例9 :
[0050] 如圖5所示，實心金屬棒或金屬絲可被彎曲成各種二維結(jié)構(gòu)，例如線圈形狀和各 種蛇形形狀。圖5A展示了用一個橢圓形彎曲的實體2作為襯墊，所有襯墊都被固定在芯片 3的上面，芯片3連接在底部基板4的上面。圖5B是圖5A所示的實施例的另一個視圖，其 中彎曲實體2固定在頂部基板1和芯片3之間。
[0051] 可使用夾具和液壓機將實心金屬圓柱壓制成橢圓形的橫截面，在一個方向上伸 長，即伸長方向，在垂直于上述伸長方向上縮短，即縮短方向?？梢哉{(diào)整波紋的周期，以適應(yīng) 連接表面的接觸位置。在彎曲的實心圓柱和頂部基板的間隙，以及彎曲的實心圓柱和芯片 的間隙，都填充有導(dǎo)熱封裝材料，以促進散熱并降低熱分布不均勻產(chǎn)生的熱應(yīng)力。
[0052] 實施例10 :
[0053] 圖6展示了三種不同封裝結(jié)構(gòu)在穩(wěn)態(tài)下的溫度曲線的模擬結(jié)果。圖7A是對應(yīng)于 曲線a的封裝結(jié)構(gòu)示意圖。在這種封裝結(jié)構(gòu)中，用燒結(jié)納米銀作為連接材料6,將一個芯片 3與底部基板4連接在一起。多個金屬管襯墊2與芯片3的上表面相連。頂部基板1也用 燒結(jié)納米銀作為連接材料6與襯墊2連接。在圖6中，原點（即Z = 0)在底部基板4的底 部。圖6中的橫軸表示圖7A的結(jié)構(gòu)中的豎直方向。由虛線d包圍的區(qū)域表示圖7A中芯片 的位置。圖6的縱軸表示溫度。圖6所示的模擬結(jié)果（線a、線b和線c)的邊界條件，包括 一個作為熱源的100W的芯片，以及一個連接在底部基板4下面的10000W/m 2的熱沉，封裝 結(jié)構(gòu)的其余部分由空氣冷卻，對流熱通量為lOOW/m2。
[0054] 圖6中的線a對應(yīng)于圖7A中的封裝結(jié)構(gòu)。其中，金屬管與一個頂部基板1連接。 線b是類似于圖7B的封裝結(jié)構(gòu)，區(qū)別是沒有頂部基板1，即金屬管襯墊2暴露在空氣中。線 C也是類似于圖7A的封裝結(jié)構(gòu)，區(qū)別是沒有頂部基板1，并且用金屬絲代替金屬管作為襯墊 2。因此，對應(yīng)于線c的封裝結(jié)構(gòu)中的引線暴露在空氣中。
[0055] 如圖6所示，隨著底部基板4與芯片3的距離縮短，底部基板4在穩(wěn)態(tài)下的溫度升 高。在三種封裝結(jié)構(gòu)中，圖7A所示的封裝結(jié)構(gòu)的溫度升高值最小，因此具有最小的熱應(yīng)力。 此外，用金屬管作襯墊時，器件的溫度升高值比用金屬絲作襯墊時的溫度升高值小，這表明 用金屬管作襯墊能夠更有效地耗散在芯片區(qū)域產(chǎn)生的熱量。
[0056] 表1.不同封裝結(jié)構(gòu)的馮米塞斯應(yīng)力的計算機模擬結(jié)果
【主權(quán)項】
1. 一種功率模塊的三維封裝結(jié)構(gòu)，包括頂部基板、芯片、底部基板、導(dǎo)熱封裝材料和連 接材料，其特征是在芯片和頂部基板之間設(shè)置有一個或多個導(dǎo)電襯墊層。
2. 如權(quán)利要求1所述的結(jié)構(gòu)，其特征是襯墊層為波紋金屬板、金屬管、金屬線或金屬棒 的一種或組合。
3. 如權(quán)利要求1所述的結(jié)構(gòu)，其特征是襯墊層呈蛇形彎曲狀。
4. 如權(quán)利要求1所述的結(jié)構(gòu)，其特征是襯墊材料為鋁、銅、銀、金或上述金屬的合金。
5. 如權(quán)利要求1所述的結(jié)構(gòu)，其特征是在頂部基板與襯墊、底部基板與芯片中間設(shè)置 有連接材料層。
6. 如權(quán)利要求5所述的結(jié)構(gòu)，其特征是連接材料層為燒結(jié)納米銀。
7. 如權(quán)利要求1所述的結(jié)構(gòu)，其特征是導(dǎo)熱封裝材料為硅、增韌環(huán)氧樹脂、熱固性聚合 物、熱塑性聚合物、聚酰亞胺、氟聚合物、聚合物泡沫、金屬泡沫或金屬與聚合物復(fù)合材料。
8. 功率模塊的三維封裝結(jié)構(gòu)的封裝方法，其特征是用連接材料將襯墊固定在芯片與頂 部基板之間，襯墊在芯片和頂部基板的間隙中沿水平方向形成一層，使用導(dǎo)熱封裝材料將 芯片和頂部基板密封。
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種功率半導(dǎo)體模塊三維封裝的結(jié)構(gòu)和方法，包括頂部基板、芯片、底部基板、導(dǎo)熱封裝材料和連接材料，芯片和頂部基板之間設(shè)置有一個或多個導(dǎo)電襯墊層。用連接材料將襯墊固定在芯片與頂部基板之間，襯墊在芯片和頂部基板的間隙中沿水平方向形成一層，使用導(dǎo)熱封裝材料將芯片和頂部基板密封。導(dǎo)電襯墊是波紋金屬板、金屬管、金屬線或金屬棒。本發(fā)明利用連接材料將襯墊固定位置，連接材料可以是釬料、導(dǎo)電膠、低溫燒結(jié)的銀焊膏或燒結(jié)納米銀；結(jié)果表明，在功率模塊的封裝結(jié)構(gòu)中使用金屬襯墊，能夠通過促進散熱降低功率模塊的溫度和熱應(yīng)力。
【IPC分類】H01L23-373
【公開號】CN104779228
【申請?zhí)枴緾N201510174818
【發(fā)明人】梅云輝, 王美玉, 陸國權(quán), 李欣
【申請人】天津大學
【公開日】2015年7月15日
【申請日】2015年4月14日