一种高温碳化硅功率器件封装结构及其制备方法
【专利摘要】本发明实施例提供了一种高温碳化硅功率器件封装结构及制备方法，涉及半导体器件封装领域，可以有效地增强器件寿命，提高器件稳定性，同时降低成本，简化工艺。所述封装结构包括：金属正电极(1)、金属负电极(3)以及所述金属正电极(1)与所述金属负电极(3)之间的碳化硅功率器件(2)，粘结层上层导热金属层(4)，粘结层下层导热金属层(7)，封装基板(8)，粘结所述金属负电极(3)与所述封装基板(8)的粘结层(5)，在所述粘结层(5)中形成的多个导热窗口(6)，多个所述导热窗口(6)在所述粘结层(5)中分布成阵列结构；散热器(10)以及与封装基板(8)之间的粘合层(9)。封装外壳，以及外部引脚。
【专利说明】一种高温碳化硅功率器件封装结构及其制备方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及半导体器件封装领域，尤其涉及一种高温碳化硅功率器件封装结构及 其制备方法。
【背景技术】
[0002] 器件功率和器件功率密度会伴随着电子器件性能提升而增加，使得电子器件在性 能提升的同时面临着散热方面的严重挑战。对于碳化硅（SiC)高温器件和集成电路来说， 其工作温度高，稳定工作的温度范围大，在高温条件下具有相当的优越性，因此，研究它的 温度可靠性具有重要意义。
[0003] 商业化公司提供的碳化硅器件的结温一般不超过175°C，更近一步的提高工作温 度需要大力发展其高温封装结构和材料。有文献已经证明，基于碳化硅材料的功率器件能 正常工作在高于500°C，但是，今天为硅器件设计的封装技术有很大温度限制，在很多应用 场合中，例如航空航天等极端环境条件下，更对这种技术有强烈需求。发展这种高性能封 装，必须从封装结构及其材料入手进行研究，以满足碳化硅器件在高温下工作的需求。分立 功率器件在工业界具有很广的商用可选封装封装的选择取决于几个因素，包括裸芯片器件 的尺寸、最大的功耗和电路的应用。一个传统的分立功率器件封装技术常常采用铅或无铅 焊接合金把器件的一个端面贴合在热沉衬底上，另外的端面与铝线或金线键合在一起。因 为工艺简单，成本低的优势。这种封装技术在目前的功率电子封装中还是占主导地位。
[0004] 器件封装的热性能取决于器件和封装材料的几何形式与体热导率，选择使用的粘 结层材料的热导率远低于器件本身和散热基板，这往往削弱了碳化硅相比于传统半导体器 件在良好热特性方面的优势，对于高温领域的应用，其影响往往成为扩大芯片封装热阻、导 致器件热退化甚至热损坏的重要因素。
【发明内容】
[0005] 本发明的实施例提供一种高温碳化硅功率器件封装结构及其制备方法，可以有效 地增强器件寿命，提高器件稳定性，同时降低成本，简化工艺。
[0006] 为达到上述目的，本发明的实施例采用如下技术方案：
[0007] -种高温碳化硅功率器件封装结构，包括：
[0008] 金属正电极（1)、金属负电极（3)以及所述金属正电极（1)与所述金属负电极（3) 之间的碳化硅功率器件（2)，粘结层上层导热金属层（4)，粘结层下层导热金属层（7)，封装 基板（8)，粘结所述金属负电极（3)与所述封装基板（8)的粘结层（5)，在所述粘结层（5) 中形成的多个导热窗口（6)，多个所述导热窗口（6)在所述粘结层（5)中分布成阵列结构； 散热器（10)以及与封装基板（8)之间的粘合层（9);封装外壳，以及外部引脚。
[0009] 可选的，所述金属正电极（1)材料为Al/Ti、金属负电极（3)材料为Ni、粘结层（5) 为锡铅银焊料、导热窗口（6)材料为高热导率石墨。
[0010] 可选的，所述粘结层上层导热金属层（4)，粘结层下层导热金属层（7)是金属Cu或 金属Au材料。
[0011] 可选的，所述粘结层（5)中开有的导热窗口（2)的形状为圆柱体或者，所述粘结层 (5)中开有的导热窗口（2)的形状为长方体，或者，所述粘结层（5)中开有的导热窗口（2) 的形状为三棱柱体。
[0012] 可选的，多个所述导热窗口（2)在所述粘结层（5)中分布成对称阵列：5-6_5、 5-5-5、3-5-5-3、或不对称阵列 2-4-6-3。
[0013] 可选的，所述导热窗口（2)的厚度小于或等于粘结层（5)的厚度。
[0014] 一种上述的高温碳化硅功率器件封装结构的制备方法，其特征在于，所述方法包 括以下步骤：
[0015] 1)在碳化硅功率器件（2)的正反面分别金属化金属电极，形成金属正电极（1)和 金属负电极（3);
[0016] 2)分别在所述碳化硅功率器件（2)的金属负电极（3)和封装基板（8)上形成粘结 层上层导热金属层（4)和粘结层下层导热金属层（7)，制作金属层时采用金属薄膜制造方 法，所述金属薄膜制造方法为真空蒸镀法、磁控溅射法、离子镀法、直流溅射镀膜法、离子束 溅射镀膜法、射频溅射镀膜法、等离子增强化学气相沉积法、激光脉冲沉积法、脉冲等离子 体方法、脉冲激光方法、电子束蒸发法、电镀法中的一种或者几种方式；
[0017] 3)在步骤2)形成的所述的粘结层上层导热金属层（4)上制造石墨薄膜，采用含氢 等离子体对石墨进行各向异性刻蚀出权利要求6所述形状的导热窗口（6)，根据含氢等离 子体对石墨各个方向的刻蚀速度不一样的特性实现；
[0018] 4)将所述步骤3)中形成的器件通过形成的粘结层（5)贴装在粘结层下层导热 金属层（7)上，贴装方式主要有4种：共晶粘贴法、焊接粘贴法、导电胶粘贴法、玻璃胶粘贴 法；
[0019] 5)使用粘合剂粘合散热器（10)，在所述散热器（10)与所述封装基板（8)之间形 成粘合层（9)。
[0020] 上述技术方案提供的高温碳化硅功率器件封装结构及其制备方法，在粘结层中设 置具有高热导率的石墨材料形成的导热窗口阵列结构，通过碳化硅功率器件与基板排布导 热窗口阵列的方式在热导率相对较低的粘结层中设置通道，有效地将碳化硅功率器件产生 的热量从工作区导出，在散热基板结合高热导性能材质的鳍形散热片使得热量能够迅速散 发从而降低器件工作区的温度。
[0021] 本发明中提供的封装结构既保证了器件芯片与基板之间的有效接触，又解决了碳 化硅器件因粘结层热导率低导致器件损坏的问题，有效地增强器件寿命，提高器件稳定性， 同时降低成本，简化工艺。并且，本发明中提供的粘结层结构，能够推广到其他高温器件的 应用中去，以获得更优的器件性能。
[0022] 另外，本发明中还新添加了两层整层的导热金属层，加入两层金属导热层之后， 器件的金属负电极不再直接与封装基板接触，粘结层直接粘结上下导热金属层，新加导热 金属层的目的在于分散器件中心密度较为集中的热流，有提高各个导热窗口传输效率的作 用。
【专利附图】
【附图说明】
[0023] 图1为本发明实施例提供的一种高温碳化硅功率器件封装结构的主视图；
[0024] 图2为本发明实施例提供的一种封装结构中长方体导热窗口的阵列俯视分布图；
[0025] 图3为本发明实施例提供的一种封装结构中圆柱体导热窗口的阵列俯视分布图；
[0026] 图4为本发明实施例提供的一种封装结构中三棱柱体导热窗口的阵列俯视分布 图。
【具体实施方式】
[0027] 下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完 整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于 本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他 实施例，都属于本发明保护的范围。
[0028] 本发明实施例提供了一种高温碳化硅功率器件封装结构，如图1所示，包括：金属 正电极（1)、金属负电极（3)以及所述金属正电极（1)与所述金属负电极（3)之间的碳化硅 功率器件（2)，粘结层上层导热金属层（4)，粘结层下层导热金属层（7)，封装基板（8)，粘结 所述金属负电极（3)与所述封装基板（8)的粘结层（5)，在所述粘结层（5)中形成的多个导 热窗口（6)，多个所述导热窗口（6)在所述粘结层（5)中分布成阵列结构；散热器（10)以 及与封装基板（8)之间的粘合层（9)。封装外壳（图中未显示），以及外部引脚（图中未显 示）。
[0029] 本发明中所述碳化硅功率器件的金属正电极（1)作为器件的正向电压的连接层， 它要求有较好的导电性能。通常可以采用高功函数的金属材料（如金、铜、银、钼等），本发 明结构中采用铝/钛层实现，以保证有较好的欧姆接触。碳化硅功率器件的金属负电极（3) 作为器件负向电压的连接层，它要求具有较好的导电性能，一般采用金属镍来实现有效的 导电连接。
[0030] 本发明中导热窗口（6)材料为石墨。所述石墨的导热系数约是铜的4倍，是锡铅 银焊料的近20倍，在石墨晶体中，同层的碳原子以sp2杂化形成共价键，每一个碳原子以三 个共价键与另外三个原子相连。六个碳原子在同一个平面上形成了正六连连形的环，伸展 成片层结构，这里C-C键的键长皆为142pm，这正好属于原子晶体的键长范围，因此对于同 一层来说，它是原子晶体。在同一平面的碳原子还各剩下一个P轨道，它们相互重叠。电子 比较自由，相当于金属中的自由电子，所以石墨能导热和导电，这正是金属晶体特征。因此 也归类于金属晶体。石墨晶体中层与层之间相隔340pm，距离较大，是以范德华力结合起来 的，即层与层之间属于分子晶体。但是，由于同一平面层上的碳原子间结合很强，极难破坏， 所以石墨的熔点也很高，化学性质也稳定。鉴于它的特殊的成键方式，不能单一的认为是单 晶体或者是多晶体，按现代的表述方式，认为石墨是一种混合晶体。石墨由于其特殊结构， 而具有如下特殊性质：1)耐高温性：石墨的熔点为3850±50°C，沸点为4250°C，即使经超高 温电弧灼烧，重量的损失很小，热膨胀系数也很小。石墨强度随温度提高而加强，在2000°C 时，石墨强度提高一倍。2)导电、导热性：石墨的导电性比一般非金属矿高一百倍。导热性 超过钢、铁、铅等金属材料。石墨能够导电是因为石墨中每个碳原子与其他碳原子只形成3 个共价键，每个碳原子仍然保留1个自由电子来传输电荷。3)化学稳定性：石墨在常温下 有良好的化学稳定性，能耐酸、耐碱和耐有机溶剂的腐蚀。
[0031] 本发明中所述，粘结层（5)内导热窗口（6)的形状有图2、图3和图4三种不同的 形状，图2所示的俯视图中，所述粘结层（5)中开有的导热窗口（6)的形状为圆柱体。图3 所示的俯视图中，所述粘结层（5)中开有的导热窗口（6)的形状为长方体。图4所示的俯 视图中，所述粘结层（5)中开有的导热窗口（6)的形状为三棱柱体。
[0032] 图2-图4所示的三种窗口都能有效地将工作区产生的耗散热量传导至散热器 (10)进行散热。
[0033] 如图2-图4所示，多个所述导热窗口（6)在所述粘结层（5)中分布成对称阵列： 5-6-5,即如图2-图4所不，共设置有3列导热窗口，前后两列中每列都设置5个导热窗口 (6)，中间一列设置有6个导热窗口（6)。
[0034] 当然，所述导热窗口的阵列分布方式可以根据需要进行其它设计，例如，设计为 5-5-5、3-5-5-3、或不对称的2-4-6-3等等，在此并不做限制。
[0035] 碳化硅功率器件（2)工作时，热量从碳化硅功率器件（2)处传来，热量通过导热窗 口（6)最终传导到散热器（10)上，导热窗口（6)到散热器（10)的散热翅片传递的过程中 保证热量传输更加充分的进行。
[0036] 在本发明提供的结构中，所述导热窗口（6)的厚度小于或等于粘结层（5)的厚度， 以保证粘结可靠性。
[0037] 需要说明的是，上述提供的封装结构，其不但可以用于与碳化硅器件模块一体封 装，还可以用于与其他半导体功率器件一体封装，从而达到高散热效果的提升。
[0038] 本发明实施例还提供了一种上述封装结构的制备方法，参考图1所示的结构，所 述方法包括以下步骤：
[0039] 1)在碳化硅功率器件（2)的正反面分别金属化金属电极，形成金属正电极（1)和 金属负电极（3)。
[0040] 2)分别在所述碳化硅功率器件⑵的金属负电极（3)和封装基板⑶上形成粘结 层上层导热金属层（4)和粘结层下层导热金属层（7)，制作金属层时采用金属薄膜制造方 法，所述金属薄膜制造方法为真空蒸镀法、磁控溅射法、离子镀法、直流溅射镀膜法、离子束 溅射镀膜法、射频溅射镀膜法、等离子增强化学气相沉积法、激光脉冲沉积法、脉冲等离子 体方法、脉冲激光方法、电子束蒸发法、电镀法中的一种或者几种方式。
[0041] 3)在步骤2)形成的所述的粘结层上层导热金属层（4)上制造石墨薄膜，采用含氢 等离子体对石墨进行各向异性刻蚀出权利要求6所述形状的导热窗口（6)，根据含氢等离 子体对石墨各个方向的刻蚀速度不一样的特性实现。
[0042] 本发明中，所述采用含氢等离子体对石墨或石墨烯的表面进行各向异性刻蚀，是 利用了含氢等离子体和石墨在特定条件下反应进行的，该特定条件为：反应温度：230? 500°C，气压：0. 3?0. 4Torr，氢等离子体功率：80?100W，刻蚀速度：5nm/分钟。
[0043] 4)将所述步骤3)中形成的器件通过形成的粘结层（5)贴装在粘结层下层导热金 属层（7)上，贴装方式主要有4种：共晶粘贴法、焊接粘贴法、导电胶粘贴法、玻璃胶粘贴法。
[0044] 5)使用粘合剂粘合散热器（10)，在所述散热器（10)与所述封装基板（8)之间形 成粘合层（9)。
[0045] 以上所述，仅为本发明的【具体实施方式】，但本发明的保护范围并不局限于此，任何 熟悉本【技术领域】的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵 盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。
【权利要求】
1. 一种高温碳化硅功率器件封装结构，其特征在于，包括： 金属正电极（1)、金属负电极（3)以及所述金属正电极（1)与所述金属负电极（3)之 间的碳化硅功率器件（2)，粘结层上层导热金属层（4)，粘结层下层导热金属层（7)，封装基 板（8)，粘结所述金属负电极（3)与所述封装基板（8)的粘结层（5)，在所述粘结层（5)中 形成的多个导热窗口（6)，多个所述导热窗口（6)在所述粘结层（5)中分布成阵列结构；散 热器（10)以及与封装基板⑶之间的粘合层（9);封装外壳，以及外部引脚。
2. 根据权利要求1所述的结构，其特征在于，所述金属正电极（1)材料为Al/Ti、金属 负电极（3)材料为Ni、粘结层（5)为锡铅银焊料、导热窗口（6)材料为高热导率石墨。
3. 根据权利要求1所述的结构，其特征在于，所述粘结层上层导热金属层（4)，粘结层 下层导热金属层（7)是金属Cu或金属Au材料。
4. 根据权利要求1所述的结构，其特征在于，所述粘合层（9)为导热硅胶材料。
5. 根据权利要求1所述的结构，其特征在于，所述封装基板（8)为铜材料、氧化铝陶瓷 材料、氮化硅陶瓷材料、金刚石材料或者玻璃陶瓷材料中的一种。
6. 根据权利要求1所述的结构，其特征在于，所述粘结层（5)中开有的导热窗口（6)的 形状为圆柱体、长方体或三棱柱体。
7. 根据权利要求1-5任一项所述的结构，其特征在于，多个所述导热窗口（6)在所述粘 结层（5)中分布成对称阵列：5-6-5、5-5-5、3-5-5-3、或不对称阵列2-4-6-3。
8. 根据权利要求1-5任一项所述的结构，其特征在于，所述导热窗口（6)的厚度小于或 等于粘结层（5)的厚度。
9. 一种权利要求1-8所述的高温碳化硅功率器件封装结构的制备方法，其特征在于， 所述方法包括以下步骤： 1) 在碳化硅功率器件（2)的正反面分别金属化金属电极，形成金属正电极（1)和金属 负电极（3); 2) 分别在所述碳化硅功率器件（2)的金属负电极（3)和封装基板（8)上形成粘结层上 层导热金属层（4)和粘结层下层导热金属层（7)，制作金属层时采用金属薄膜制造方法，所 述金属薄膜制造方法为真空蒸镀法、磁控溅射法、离子镀法、直流溅射镀膜法、离子束溅射 镀膜法、射频溅射镀膜法、等离子增强化学气相沉积法、激光脉冲沉积法、脉冲等离子体方 法、脉冲激光方法、电子束蒸发法、电镀法中的一种或者几种方式； 3) 在步骤2)形成的所述的粘结层上层导热金属层（4)上制造石墨薄膜，采用含氢等离 子体对石墨进行各向异性刻蚀出权利要求6所述形状的导热窗口 ￠)，根据含氢等离子体 对石墨各个方向的刻蚀速度不一样的特性实现； 4) 将所述步骤3)中形成的器件通过形成的粘结层（5)贴装在粘结层下层导热金属层 (7)上，贴装方式主要有4种：共晶粘贴法、焊接粘贴法、导电胶粘贴法、玻璃胶粘贴法； 5) 使用粘合剂粘合散热器（10)，在所述散热器（10)与所述封装基板（8)之间形成粘 合层（9)。
【文档编号】H01L23/31GK104124217SQ201410339911
【公开日】2014年10月29日 申请日期:2014年7月17日 优先权日:2014年7月17日
【发明者】张艺蒙, 李家昌, 宋庆文, 王悦湖, 张玉明, 汤晓燕, 贾仁需 申请人:西安电子科技大学