基于低感叠层电路的高频功率芯片封装方法

本发明涉及一种功率芯片封装方法，特别是涉及一种基于低感叠层电路的高频功率芯片封装方法。

背景技术：

1、第三代半导体材料与传统硅基材料相比，具有更高的禁带宽度、击穿强度以及电子饱和漂移速率，由第三代半导体材料制成的功率芯片具有更为优异的高频、高压和高温性能，在电动汽车、电力系统、轨道交通和新能源发电等领域具有不可替代的优势。推进第三代半导体功率芯片的应用，有助于全面提升电子电力系统的效率与性能，

2、第三代半导体功率芯片的优异特性对电子封装技术提出了更高的要求，但大多商用功率模块仍然采用基于陶瓷覆铜板与金属键合线的传统封装方式，传统功率模块内部的杂散电感超过20nh，容易造成严重的电压过冲和振荡，也可能导致损耗增加及电磁干扰等问题，难以发挥第三代半导体功率芯片高开关频率的优势。

3、为了满足功率模块封装对低电感的需求，siemens提出了一种板级平面互连封装方法，其特点是：功率芯片焊接在陶瓷基板上后应在顶部覆盖高可靠性绝缘膜，并在需要电气互连的区域用激光在绝缘薄膜上预留过孔使其与芯片正面电极相通，最后利用磁控溅射等薄膜沉积方法实现过孔的金属化，再利用光刻技术刻蚀出顶部电路图形，最终以平面互连结构取代键合线，使模块内部的寄生电感降低50％。

4、此外，研究人员还采用构建叠层电路的方法，利用磁场相消原理降低功率模块内部的寄生电感。日本nissan公司和sanken公司研制的多层陶瓷基板技术、瑞士eth公司和德国fraunhofer公司提出的印制电路板技术、德国semikron公司和美国ge公司采用的柔性电路板技术，均是利用电路叠层技术的典型案例。采用多层陶瓷基板、柔性电路板和印制电路板技术等控制电流路径，构造电路叠层，利用磁场相消原理，能够将功率模块寄生电感控制在5nh以下。

5、根据以上研究现状可知，在后续的工艺改进措施中，板级封装虽采用平面互连布线方法大大降低了互连结构的寄生电感，但一般只采用单层平面布线结构，即芯片顶部仅有一层电路层，无法实现多层电路的磁场相消效应以在电路布局方面进一步改善寄生电感水平；而多层垂直电路结构(两层及以上电路层)目前仅有多层印制电路板、多层陶瓷基板等结构，这类封装方案大都采用烧结或焊接的方式完成功率芯片与多层电路间的连接，且电气过孔的构建对需对基板进行打孔处理，以上封装技术一般存在生产效率低，工艺难度及成本较高等问题，虽能够在电路布置层面有效降低回路的寄生电感，但并不利于叠层封装技术的实际生产应用。

6、因此，亟需开发一种更好的适用于高频功率芯片的叠层电路封装方法，以有效结合上述两种封装方案的优点，在降低功率模块寄生电感水平的同时，实现更高效、成本更低的封装工艺。

技术实现思路

1、为了解决现有技术存在的问题，本发明提出了一种新型的基于低感叠层电路的高频功率芯片封装方法。

2、为实现本发明目的，本发明所提供的技术方法：

3、一种基于低感叠层电路的高频功率芯片封装方法，包括以下步骤：

4、(1)在功率衬底上制作第一电路层，第一电路层分上桥第一电路层与下桥第一电路层，第一电路层的厚度为0.1～0.5mm；

5、(2)将功率芯片贴装在第一电路层，功率芯片分为上桥功率芯片与下桥功率芯片，分别贴装于上桥第一电路层与下桥第一电路层；

6、(3)在功率芯片和第一电路层上面制作第一绝缘层，第一绝缘层应覆盖模块顶部整面，绝缘层厚度为100-200μm；

7、(4)除去上桥功率芯片顶部及上下桥电气连接位置处的第一绝缘层，露出第一绝缘层上桥源极连接窗口与上下桥连接窗口；

8、(5)在第一绝缘层表面制作第二电路层，第二电路层连接第一绝缘层的上桥源极连接窗口与上下桥连接窗口，实现上桥功率芯片与下桥第一电路层之间的电气连接，第二电路层的厚度为0.1～0.5mm；

9、(6)在第二电路层表面制作第二绝缘层，第二绝缘层应覆盖模块顶部整面，绝缘层厚度为100-200μm；

10、(7)除去控制端子连接窗口、正极功率端子连接窗口、输出功率端子连接窗口以及下桥源极连接窗口处的第二绝缘层，露出第二电路层各电气连接窗口；

11、(8)在第二绝缘层表面制作第三电路层，第三电路层实现正极功率端子与上桥第一电路层、下桥功率芯片与负极功率端子以及输出功率端子与下桥第一电路层之间的电气连接，第三电路层的厚度为0.1～0.5mm；

12、(9)在预设区域焊接正极功率端子、负极功率端子、输出功率端子与控制端子；

13、(10)在第三电路层表面制作第三绝缘层，第三绝缘层应覆盖模块顶部整面，绝缘层厚度为100～500μm；

14、(11)安装功率器件外壳。

15、为进一步实现本发明目的，优选地，上桥第一电路层与下桥第一电路层位置应位于上桥功率芯片与下桥功率芯片中间，设在下桥第一电路层上方。

16、优选地，所述控制端子连接窗口、正极功率端子连接窗口以及输出功率端子连接窗口分别位于控制端子、正极功率端子、输出功率端子所在位置，所述下桥源极连接窗口位于下桥功率芯片顶部。

17、优选地，所述功率衬底为陶瓷基板和金属基板；陶瓷基板是直接键合陶瓷基板、直接电镀陶瓷基板或活性金属焊接陶瓷基板，金属基板是采用切割、蚀刻或冲压工艺形成预设形状的铜质基板。

18、优选地，所述功率芯片为硅基功率芯片、碳化硅基功率芯片和氮化镓基功率芯片。

19、优选地，将功率芯片贴装在第一电路层上是通过钎焊、共晶焊、烧结或胶粘实现。

20、优选地，所述电路层的制作是采用化学镀、电镀、切割、蚀刻或冲压制作，电路层材料为铜质金属。

21、优选地，所述第一绝缘层、第二绝缘层、第三绝缘层的制作方法为注塑、刮涂、灌封或层压；绝缘层材料为环氧树脂、有机硅树脂、聚酰亚胺，或以环氧树脂、有机硅树脂、聚酰亚胺为基体的复合材料。

22、优选地，除去预设区域的第一绝缘层和除去预设区域的第二绝缘层是利用高能激光束照射被加工材料，使材料加热至汽化温度，蒸发形成孔洞，所使用的激光器为气体激光器、固体激光器、半导体激光器、光纤激光器和染料激光器的一种或组合。

23、优选地，在预设区域焊接功率端子与控制端子采用的焊接方式包括常规钎焊、激光焊接或超声波焊接。

24、先对于现有技术，本发明具有如下优点和有益效果：

25、1)本发明通过由第一、第二、第三电路层构建的叠层功率回路，使模块内部功率回路中的电流在不同电路层中的流向不同：在电流换向前后，正极功率端子、第一电路层、功率芯片、第二电路层中的电流流向与第三电路层、负极功率端子中的电流流向始终相反；根据磁场相消原理：如果相邻的两个通电导体中电流方向相反，则会抵消两个导体内一部分的电感，这使得回路整体的电感水平大大降低。

26、2)本发明中电路层的制作工艺基于平面互连封装技术，并结合了树脂激光打孔方法，无需对陶瓷基板进行焊接、烧结或钻孔，有效降低了技术的难度与成本；平面封装易于实现大批量生产制作，激光打孔则可实现电路的灵活设计，以上工艺可有效降低低感叠层电路的制造成本与量产阻力。

27、3)本发明高频功率芯片封装方法可以实现平面互连封装与叠层电路封装技术的良好结合，在降低工艺难度与成本、提高封装效率的前提下，能够有效的降低器件的寄生电感水平。