專(zhuān)利名稱(chēng)：一種功率電子器件雙面粘接結(jié)構(gòu)及制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及功率電子器件封裝技術(shù)領(lǐng)域，特別是一種芯片雙面粘接基板的結(jié)構(gòu)及方法，通過(guò)加入金屬管層調(diào)節(jié)芯片厚度不等及雙面粘接的殘余熱應(yīng)力，實(shí)現(xiàn)多芯片雙面粘接的電子器件。
背景技術(shù)：
目前國(guó)內(nèi)功率電子器件中，封裝型式主要為芯片與基板的的單面連接或雙面連接，連接方法主要是采用回流焊，導(dǎo)電膠或焊膏實(shí)現(xiàn)。芯片與基板的單面連接結(jié)構(gòu)中，熱量的傳遞方向主要是由芯片到基板的單方向傳遞，加之連接層的較大熱阻，散熱能力非常有限，大大限制了功率電子器件的封裝功率及芯片的工作效率。采用芯片直接雙面連接基板可大大提高散熱能力，但芯片承受應(yīng)力及殘余熱應(yīng)力較大，容易造成芯片碎裂損壞 而使功率電子器件失效，成品率低，不適于工業(yè)應(yīng)用及生產(chǎn)。多芯片封裝時(shí)，一是芯片受力更加不均勻?qū)е滦酒Э赡苄愿?，二是芯片厚度的不等無(wú)法采用直接雙面粘接結(jié)構(gòu)封裝功率電子器件。因此，這兩種方法的效率都不高且應(yīng)用范圍非常有限，不滿足當(dāng)今功率電子器件大功率封裝的要求。為此有必要研究新的方法或結(jié)構(gòu)，解決封裝中的各種難題，同時(shí)實(shí)現(xiàn)功率電子器件雙面粘接及多芯片大功率封裝。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于針對(duì)上述技術(shù)中的不足做出改進(jìn)，即本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題是提出一種功率電子器件雙面粘接的新結(jié)構(gòu)及新方法，這種結(jié)構(gòu)不僅能夠在增強(qiáng)芯片散熱能力的同時(shí)，改善芯片上殘余熱應(yīng)力分布，起到保護(hù)芯片的作用，而且能夠?qū)崿F(xiàn)不等厚度芯片的多級(jí)芯片封裝功率電子器件。為解決上述問(wèn)題，本發(fā)明提出新的技術(shù)方案，具體技術(shù)如下一種功率電子器件雙面粘接結(jié)構(gòu)，在芯片與一側(cè)基板之間設(shè)置有金屬管層，金屬管的數(shù)量大于等于2，金屬管間的中心間距P大于金屬管直徑D，金屬管長(zhǎng)度L小于等于芯片尺寸；兩塊基板上涂刷的連接材料尺寸大于等于芯片尺寸。所述的金屬管材料為銀或銅。所述的連接材料為焊膏或焊料。所述焊膏為納米銀焊膏或?qū)щ娿y膠，焊料為金錫焊料。所述的結(jié)構(gòu)包括一個(gè)上基板，一個(gè)下基板，三層連接材料，金屬管子以及若干個(gè)厚度任意不等的多種芯片組成，芯片厚度相差不超過(guò)所選金屬管子的管徑；上基板通過(guò)連接材料與芯片直接相連，芯片另一側(cè)通過(guò)連接材料與金屬管相連，金屬管又通過(guò)連接材料與下基板相連。本發(fā)明的功率電子器件雙面粘接結(jié)構(gòu)的制備方法，先在兩塊基板及芯片上分別涂刷焊膏或?qū)щ娔z，經(jīng)干燥后，再在其中一塊基板的連接材料上，粘接芯片未涂連接材料的一偵U，在芯片連接材料上排布金屬管，最后將附有連接材料的上基板連接到芯片與金屬管及下基板部分，完成芯片雙面粘接基板結(jié)構(gòu)；進(jìn)行連接材料的燒結(jié)成型，進(jìn)行壓力輔助燒結(jié)，將制成的芯片雙面冷卻結(jié)構(gòu)放入平板熱壓機(jī)內(nèi)，施加壓力使上下基板平行以便于下一步封裝，并同時(shí)進(jìn)一步使管子發(fā)生變形，管子橫截面變?yōu)榻茩E圓形。所述的輔助燒結(jié)，燒結(jié)時(shí)間為5 15分鐘，泄壓后進(jìn)一步燒結(jié)的燒結(jié)溫度大于熱壓溫度，燒結(jié)時(shí)間為5 10分鐘。進(jìn)行連接材料的燒結(jié)成型過(guò)程中，進(jìn)行壓力輔助燒結(jié)，將制成的芯片雙面冷卻結(jié)構(gòu)放入平板熱壓機(jī)內(nèi)，施加相應(yīng)的壓力使上下基板平行以便于下一步封裝，并同時(shí)進(jìn)一步使管子發(fā)生變形，管子橫截面變?yōu)榻茩E圓形，以增大管子與芯片的接觸面積，增加熱導(dǎo)能力。壓力輔助燒結(jié)后進(jìn)行進(jìn)一步燒結(jié)以提高粘接強(qiáng)度，增加連接機(jī)械可靠性。在本發(fā)明中，鋪設(shè)的金屬管的長(zhǎng)度L略小于對(duì)應(yīng)方向的芯片長(zhǎng)度以保證連接可靠和結(jié)構(gòu)緊湊，金屬管的直徑D小于芯片對(duì)應(yīng)寬度的1/4以便有足夠的接觸面積保證傳熱，同時(shí)也盡可能增加管數(shù)均衡芯片上的應(yīng)力分布。金屬管間的中心間距P大于管外徑，以保證 在壓縮變形階段，管子有足夠的空間產(chǎn)生變形而不破壞連接層，從而在使用過(guò)程中，管子層可小幅自由變形改善芯片承受應(yīng)力狀況。此外，在上述技術(shù)方案中，芯片可為單片雙面封裝，僅改善應(yīng)力分布狀況提高芯片壽命，也可為厚度相同的多片，改善各芯片及結(jié)構(gòu)整體承受應(yīng)力狀況。本方案最值得一提的優(yōu)點(diǎn)是可以將多片不同厚度的芯片進(jìn)行雙面粘接，厚度不等由各管層的不等變形來(lái)補(bǔ)充和調(diào)節(jié)，為功率電子器件向高功率密度及高集成度發(fā)展提供了方法，能解決當(dāng)今電子封裝過(guò)程中的難題。


下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式
作進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明，其中圖I為本發(fā)明多芯片雙面粘接結(jié)構(gòu)一種實(shí)施方式的結(jié)構(gòu)組成示意圖；圖2為本發(fā)明的焊膏涂刷方法示意圖；圖3為本發(fā)明多芯片雙面粘接結(jié)構(gòu)的一種實(shí)施方式的燒結(jié)成型結(jié)構(gòu)俯視圖；圖4為本發(fā)明多芯片雙面粘接結(jié)構(gòu)一種實(shí)施方式的燒結(jié)成型結(jié)構(gòu)主視圖剖面圖；圖5為本發(fā)明多芯片雙面粘接結(jié)構(gòu)一種實(shí)施方式的燒結(jié)成型結(jié)構(gòu)的左視圖。圖6為本發(fā)明多芯片雙面粘接結(jié)構(gòu)另一種實(shí)施方式的燒結(jié)成型結(jié)構(gòu)主視示意圖。圖7為本發(fā)明多芯片雙面粘接結(jié)構(gòu)另一種實(shí)施方式的燒結(jié)成型結(jié)構(gòu)俯視示意圖。圖中1基板、2連接材料納米銀焊膏(燒結(jié)納米銀)、3薄芯片、4厚芯片、5金屬管
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖，對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式
作詳細(xì)說(shuō)明。如圖I 6所示采用了如下一種新方法實(shí)現(xiàn)芯片雙面粘接，即在芯片與一側(cè)基板之間鋪設(shè)金屬管層，金屬管直徑D，中心間距P和金屬管長(zhǎng)度L可以根據(jù)芯片尺寸及使用要求進(jìn)行選擇和調(diào)節(jié)，金屬管材料為軟金屬材料。結(jié)構(gòu)包括一個(gè)上基板，一個(gè)下基板，三層連接材料，若干個(gè)厚度可不等的芯片以及金屬管子。上基板通過(guò)連接材料與芯片直接相連，芯片另一側(cè)通過(guò)連接材料與金屬管相連，金屬管又通過(guò)連接材料與下基板相連。
先在兩塊基板及芯片上分別涂刷焊膏或?qū)щ娔z，經(jīng)干燥后再在其中一塊基板的連接材料上粘接芯片未涂連接材料的一側(cè)，在芯片連接材料上排布金屬管，最后將附有連接材料的上基板連接到芯片與金屬管及下基板部分，完成芯片雙面粘接基板結(jié)構(gòu)。進(jìn)行連接材料的燒結(jié)成型過(guò)程中，進(jìn)行壓力輔助燒結(jié)，將制成的芯片雙面冷卻結(jié)構(gòu)放入平板熱壓機(jī)內(nèi)，施加相應(yīng)的壓力使上下基板平行以便于下一步封裝，并同時(shí)進(jìn)一步使管子發(fā)生變形，管子橫截面變?yōu)榻茩E圓形，以增大管子與芯片的接觸面積，增加熱導(dǎo)能力。壓力輔助燒結(jié)后進(jìn)行進(jìn)一步燒結(jié)以提高粘接強(qiáng)度，增加連接機(jī)械可靠性。在本發(fā)明中，鋪設(shè)的金屬管的長(zhǎng)度L略小于對(duì)應(yīng)方向的芯片長(zhǎng)度以保證連接可靠和結(jié)構(gòu)緊湊，金屬管的直徑D小于芯片對(duì)應(yīng)寬度的1/4以便有足夠的接觸面積保證傳熱，同時(shí)也盡可能增加管數(shù)均衡芯片上的應(yīng)力分布。金屬管間的中心間距P大于管外徑，以保證在壓縮變形階段，管子有足夠的空間產(chǎn)生變形而不破壞連接層，從而在使用過(guò)程中，管子層 可小幅自由變形改善芯片承受應(yīng)力狀況。實(shí)施例I由圖I所示結(jié)構(gòu)組成部件圖可知該多組芯片雙面粘接結(jié)構(gòu)包含面積50x50mm2厚I. 2mm上下兩個(gè)DBC基板I，三層初始厚度為90um的納米銀焊膏2，兩組面積13. 5x13. 5mm2芯片薄芯片3 — IGBTs，厚O. 35mm及厚芯片4一Diodes厚O. 50mm,以及外徑I. 6mm,壁厚
0.3mm,長(zhǎng)約IOmm銀管子5.該結(jié)構(gòu)的封裝程序?yàn)镮.在上下兩個(gè)基板上分別貼膠帶，然后涂刷略大于芯片面積的納米銀焊膏，焊膏涂刷厚度為90um，如圖2所示；2.將涂刷好納米銀焊膏的基板放在加熱臺(tái)上干燥，干燥溫度為70°C，時(shí)間為10分鐘。3.經(jīng)干燥后在圖I所示的下基板上鋪設(shè)銀管層，管子中心間距分別為1.93mm和I. 95mm,上方對(duì)應(yīng)薄芯片的管子中心間距為I. 93mm,對(duì)應(yīng)厚芯片的管子中心間距為
1.95mm.4.上基板上納米銀焊膏經(jīng)在加熱臺(tái)上干燥后，分別將兩組芯片如圖3所示對(duì)角排布，粘結(jié)在上基板上。5.分別在連接于上基板上的四個(gè)芯片表面涂刷納米銀焊膏涂刷方法同圖2所示，焊膏初始厚度為90um。6.將下基板粘結(jié)好的銀管層結(jié)構(gòu)粘接到芯片表面，組成如圖I和圖4順序結(jié)構(gòu)。7.將粘結(jié)好的雙面粘接結(jié)構(gòu)放入水平熱壓機(jī)中進(jìn)行熱壓及焊膏初步燒結(jié)，熱壓溫度為225°C，熱壓時(shí)間為10分鐘，壓力為3MPa。熱壓結(jié)束后結(jié)構(gòu)如圖4所示。8.將雙面粘接結(jié)構(gòu)移至加熱臺(tái)進(jìn)行進(jìn)一步燒結(jié)成型，燒結(jié)溫度300°C，燒結(jié)時(shí)間10分鐘。9.燒結(jié)完畢后，將結(jié)構(gòu)隨爐冷卻至室溫。依照上述順序封裝燒結(jié)完成之后，即可得到如圖3，4和5所示的結(jié)構(gòu)。圖3所示為為減小不等厚度芯片引起的封裝的應(yīng)力場(chǎng)分布不均情況而采用的芯片中心對(duì)稱(chēng)分布方式。其中，芯片之間的間距可根據(jù)實(shí)際使用進(jìn)行調(diào)整。在本實(shí)施方案中，各芯片間距均為11mm。
圖4是該多組芯片雙面粘接結(jié)構(gòu)的全剖主視圖。如圖所示，經(jīng)熱壓燒結(jié)成型的結(jié)構(gòu)中，首先上下基板均為相互平行且垂直于重力方向的平面。其次，銀管子均發(fā)生了形變，且不同厚度芯片下的銀管層分別產(chǎn)生了不同程度的形變，彌補(bǔ)了芯片厚度不等帶來(lái)的封裝困難。第三，變形后的管子與管子之間仍有空隙，保證了管子仍可發(fā)生形變，以釋放芯片承受的殘余熱應(yīng)力及其后期正常工作中可能產(chǎn)生的應(yīng)力，充分提高了結(jié)構(gòu)及芯片工作的可靠性。第四，變形后的管子與銀焊膏及芯片的接觸面積增大，有效保證了芯片上產(chǎn)生熱量的快速傳導(dǎo)，彌補(bǔ)了增加管層對(duì)結(jié)構(gòu)導(dǎo)熱的削弱。圖5所示為成型后結(jié)構(gòu)的左視圖。由圖可看出管子長(zhǎng)度IOmm小于芯片長(zhǎng)度13. 5mm，在本具體實(shí)施方案中其主要目的是在保證可靠性的基礎(chǔ)上方便粘接，保持結(jié)構(gòu)緊湊。實(shí)施例2 結(jié)構(gòu)組成及封裝程序等條件同具體實(shí)施方式
1，不同的是將圖1、4和5中的金屬管 5材料為純銅材料。實(shí)施例3 結(jié)構(gòu)組成及封裝程序等條件同具體實(shí)施方式
1，不同的是DBC基板面積為20x50mm2,兩個(gè)面積及厚度均不等的芯片芯片3,厚O. 35mm,大小為15mmxl5mm,芯片4厚O. 50mm,大小為10mmx5mm,如圖6及圖7所不。圖6所示為本具體實(shí)施方式
成型后結(jié)構(gòu)的正視圖。由圖可看出芯片3與芯片4厚度與寬度不等，本具體實(shí)施方案主要用于封裝厚度及尺寸均不同的多組芯片。圖7所示為本具體實(shí)施方式
成型后結(jié)構(gòu)的俯視圖。由圖可看出芯片3與芯片4平面尺寸的不等，同時(shí)也可看出，無(wú)論芯片是正方形還是長(zhǎng)方形，本發(fā)明均可適用。本發(fā)明不局限于上述具體實(shí)施方式
，只要雙面封裝結(jié)構(gòu)中運(yùn)用了管子層匹配厚度不等及改善應(yīng)力分布狀況，不論封裝多少芯片，基板芯片焊膏及管子采用什么材料，各幾何尺寸、封裝尺寸及結(jié)構(gòu)尺寸如何選擇，采用何種形狀，均落在本發(fā)明的保護(hù)范圍之中。
權(quán)利要求
1.一種功率電子器件雙面粘接結(jié)構(gòu)，其特征是在芯片與一側(cè)基板之間設(shè)置有金屬管層，金屬管的數(shù)量大于等于2，金屬管間的中心間距P大于金屬管直徑D，金屬管長(zhǎng)度L小于等于芯片尺寸；兩塊基板上涂刷的連接材料尺寸大于等于芯片尺寸。
2.如權(quán)利要求I所述的結(jié)構(gòu)，其特征是所述的金屬管材料為銀或銅。
3.如權(quán)利要求I所述的結(jié)構(gòu)，其特征是所述的連接材料為焊膏或焊料。
4.如權(quán)利要求2所述的結(jié)構(gòu)，其特征是所述焊膏為納米銀焊膏或?qū)щ娿y膠，焊料為金錫焊料。
5.如權(quán)利要求I所述的結(jié)構(gòu)，其特征是所述的結(jié)構(gòu)包括一個(gè)上基板，一個(gè)下基板，三層連接材料，金屬管子以及若干個(gè)厚度任意不等的多種芯片組成，芯片厚度相差不超過(guò)所選金屬管子的管徑；上基板通過(guò)連接材料與芯片直接相連，芯片另一側(cè)通過(guò)連接材料與金屬管相連，金屬管又通過(guò)連接材料與下基板相連。
6.權(quán)利要求I的功率電子器件雙面粘接結(jié)構(gòu)的制備方法，其特征是先在兩塊基板及芯片上分別涂刷焊膏或?qū)щ娔z，經(jīng)干燥后，再在其中一塊基板的連接材料上，粘接芯片未涂連接材料的一側(cè)，在芯片連接材料上排布金屬管，最后將附有連接材料的上基板連接到芯片與金屬管及下基板部分，完成芯片雙面粘接基板結(jié)構(gòu)；進(jìn)行連接材料的燒結(jié)成型，進(jìn)行壓力輔助燒結(jié)，將制成的芯片雙面冷卻結(jié)構(gòu)放入平板熱壓機(jī)內(nèi)，施加壓力使上下基板平行以便于下一步封裝，并同時(shí)進(jìn)一步使管子發(fā)生變形，管子橫截面變?yōu)榻茩E圓形。
7.權(quán)利要求6所述的制備方法，其特征是所述的輔助燒結(jié)，燒結(jié)時(shí)間為5 15分鐘，泄壓后進(jìn)一步燒結(jié)的燒結(jié)溫度大于熱壓溫度，燒結(jié)時(shí)間為5 10分鐘。
全文摘要
本發(fā)明公布了一種功率電子器件雙面粘接結(jié)構(gòu)及制備方法。雙面粘接結(jié)構(gòu)，在芯片與一側(cè)基板之間設(shè)置有金屬管層，金屬管的數(shù)量大于等于2，金屬管間的中心間距P大于金屬管直徑D，金屬管長(zhǎng)度L小于等于芯片尺寸；兩塊基板上涂刷的連接材料尺寸大于等于芯片尺寸。該方法是通過(guò)在芯片與一側(cè)基板連接處加入銀管層來(lái)實(shí)現(xiàn)。芯片與基板，芯片與銀管以及銀管與基板之間均采用納米銀焊膏粘接。由于芯片厚度不等造成的封裝困難。加入銀管層，使得芯片上的應(yīng)力分布更加均勻；銀管易于變形的特點(diǎn)，釋放芯片工作過(guò)程中產(chǎn)生的應(yīng)力，起到保護(hù)芯片的作用。芯片雙面粘接基板結(jié)構(gòu)可同時(shí)實(shí)現(xiàn)多芯片封裝，及不等厚度芯片封裝等，提高了結(jié)構(gòu)的封裝功率、熱性能及可靠性。
文檔編號(hào)H01L23/488GK102915985SQ201210381140
公開(kāi)日2013年2月6日 申請(qǐng)日期2012年10月9日 優(yōu)先權(quán)日2012年10月9日
發(fā)明者梅云輝, 連嬌愿, 陸國(guó)權(quán), 陳旭 申請(qǐng)人:天津大學(xué)