一种功率模组及其制作方法、功率设备与流程

本技术涉及半导体，更为具体地，涉及一种功率模组及其制作方法、功率设备。

背景技术：

1、晶圆的背面金属(简称背金)一般是由钛/镍/银(即ti/ni/ag)或者钛/镍/金(即ti/ni/au)组成，其中，ti是半导体和金属的粘结层；ni是焊接扩散层；ag或au是焊接湿润性层，能够起到防止ni层氧化的作用。硅晶圆(即sic wafer)常用激光切割，但在激光切割时，容易导致背金烧蚀，裸露出sic半导体，sic没有可焊性，因此裸露出的sic不能焊接。

2、后续对芯片进行塑封处理形成功率模组，在塑封后的功率模组中，塑封料进入不可焊间隙(即背金烧蚀层所在的区域)，形成填充塑封料的区域，在后续使用过程中，温度变化会导致不可焊间隙的塑封料对芯片的背面产生循环拉压应力，使接合部快速失效，从而使得芯片和功率模组失效。

技术实现思路

1、本技术提供一种功率模组及其制作方法、功率设备，能够避免功率模组失效，提高功率模组的稳定性。

2、第一方面，提供了一种功率模组，所述功率模组包括：芯片本体、第一电极层和金属保护层，其中：所述第一电极层与所述芯片本体连接，所述第一电极层在第一平面上的投影位于所述芯片本体在所述第一平面上的投影范围内，所述第一平面平行于所述芯片本体与所述第一电极层的接触面；所述金属保护层包覆在所述第一电极层的四周，所述金属保护层靠近所述芯片本体的一面与所述芯片本体接触。

3、在一种可能的实现方式中，所述芯片本体在所述第一平面上的投影不超过所述第一电极层与所述金属保护层形成的整体在所述第一平面上的投影范围。

4、应理解，将晶圆切割形成芯片时，在芯片的背金(即第一电极层)可能会发生烧蚀，从而会使得第一电极层的四周形成缺口部，该缺口部无材料填充，芯片本体会裸露。本技术实施例中的金属保护层可以填充第一电极层的四周的缺口部，使得芯片本体与第一电极层的接触面不会裸露。也就是说，金属保护层能够包覆在第一电极层的四周并与芯片本体接触，使得芯片背面不会发生裸露，从而在芯片长期运行过程中，发生温度变化时，由于金属保护层与第一电极层的热膨胀系数差异较小，因此产生循环拉压应力较小，从而能够避免芯片和功率模组失效，提高芯片和功率模组的稳定性。

5、在一种可能的实现方式中，所述芯片本体的材料为碳化硅(即sic)，sic可提高芯片的工作频率，在满足相同工作频率的情况下可减少芯片体积，从而将芯片封装成功率模组时，可预留更多的空间安装功率模块中的其他电子元器件。

6、在一种可能的实现方式中，所述第一电极层为ni/ag、ni/au、ti/ni/ag、ti/ni/au、ti/niv/ag、ti/niv/au、ni(p)/pd/au、ni(p)/pd/ag、ni(p)/au或ni(p)/ag中的任意一种，其中，ni(p)表示在ni元素中掺杂p元素，niv是指ni元素和v元素的合金。

7、示例性的，所述第一电极层可以由钛/镍/银(即ti/ni/ag)或者钛/镍/金(即ti/ni/au)组成，其中，ti是半导体和金属的粘结层；ni是焊接扩散层；ag或au是焊接湿润性层，能够起到防止ni层氧化的作用。

8、在一个示例中，所述功率模组还包括覆金属层基板，所述覆金属层基板连接在所述第一电极层远离所述芯片本体的一侧，且与所述金属保护层接触。其中，所述覆金属层基板可以为覆铜陶瓷基板、活性金属焊接基板或绝缘金属基板等，在此不作限定。应理解，所述覆金属层基板可以采用覆铜陶瓷基板，也就是说，所述覆金属层基板可以由陶瓷基板两面覆铜层形成。

9、示例性的，覆金属层基板可以通过焊料焊接在第一电极层远离芯片本体的一侧。

10、焊料可选自锡焊料和铅焊料中的至少一种，锡焊料可选自snsb5、snsb8、snsbag、sac305、sac多元强化、snsb10中的至少一种，可根据需要来选择焊料的材料。其中，snsb5是指在sn元素中含重量百分数为5％的sb元素，snsb8是指在sn元素中含重量百分数为8％的sb元素，snsb10是指在sn元素中含重量百分数为10％的sb元素，sac306中的sac代表的是sn、ag、cu这三个金属元素，表示这个产品是由sn(锡)、ag(银)、cu(铜)三种金属成分组成的，其中，3代表含3％的ag，05代表含有0.5％的cu。sac多元强化在sn、ag、cu三种金属成分中还包括其他金属成分，以强化焊料的可靠性。

11、示例性的，当所述第一电极层与所述覆金属层基板之间通过焊料(如，snsb10)焊接时，所述第一电极层中与所述覆金属层基板焊接的金属层(如，ag或au)可能会熔融在焊料中，且所述第一电极层中的中间层(如，ni)对焊料有一定的阻焊作用，能够防止焊料上爬到与金属保护层发生反应。

12、需要说明的是，若在所述第一电极层远离所述芯片本体的一侧直接焊接覆金属层基板，则金属保护层采用具有阻焊作用的材质。例如，所述金属保护层的材质可以包括以下任一种：cu、ni、可伐合金。应理解，cu、ni和可伐合金具有阻焊作用，能够防止与焊料发生反应，从而熔融在焊料中。

13、在另一种可能的实现方式中，所述功率模组还包括第二电极层，所述第二电极层连接在所述第一电极层远离所述芯片本体的一侧，所述第一电极层与所述金属保护层形成的整体在所述第一平面上的投影不超过所述第二电极层在所述第一平面上的投影范围。

14、需要说明的是，所述第一电极层和所述第二电极层均具有导热和导电的能力，从而使得芯片本体产生的热量或电流能够从芯片本体传递到第一电极层、第二电极层后传递到覆金属层基板。

15、在一个示例中，所述第二电极层包括金属支撑层，所述金属支撑层与所述第一电极层的连接面上具有微纳米结构材质。所述金属支撑层能够支撑第一电极层，且具有导电、导热的作用。其中，所述金属支撑层的材质可以包括以下任一种：cu、ni、可伐合金。

16、应理解，通过对所述金属支撑层进行表面微米化处理或表面纳米化处理，从而使得金属支撑层与第一电极层连接面上具有微纳米结构材质(如，微米或纳米结构的cu、ni)，以提高金属支撑层与第一电极层的连接稳定性。

17、需要说明的是，表面微米化处理/表面纳米化处理是一种工艺，通过在材料表面上引入微米级别/纳米级别的结构、纹理或特征，从而改变材料的外观、性能或功能。这种处理可以用于不同类型的材料，包括金属、陶瓷、聚合物等，以实现各种目标。

18、在另一个示例中，所述第二电极层可以包括第一连接层和金属支撑层，所述第一连接层连接在所述第一电极层与所述金属支撑层之间。其中，所述第一连接层的材质可以包括以下任一种：微米或纳米结构的ag、cu、au、ni。

19、应理解，设置第一连接层是为了与第一电极层进行粘接固定，提高第二电极层与第一电极层之间的连接稳定性。设置金属支撑层可以防止焊料上爬到与金属保护层发生反应，金属支撑层能够支撑第一电极层和第一连接层，且具有导电、导热的作用。

20、在一些实施例中，所述第二电极层还包括第二连接层，所述第二连接层连接在所述金属支撑层远离所述第一连接层的一侧。其中，所述第二连接层的材质可以与所述第一连接层的材质相同。

21、应理解，所述第二连接层为焊接湿润性层，能够起到防止金属支撑层氧化的作用。应理解，焊接润湿性层可以是一种涂层或材料，通常涂覆在焊接表面上，以改善焊接过程中焊锡或焊料的润湿性能。润湿性层的主要作用是促进焊料在焊接表面上均匀分布，降低表面张力，从而实现更好的焊接连接。

22、在一些实施例中，所述金属保护层的材质可以与所述第一连接层的材质相同。即，所述金属保护层的材质可以包括以下任一种：微米或纳米结构的ag、cu、au、ni。应理解，金属保护层可以是通过第一连接层有压烧结形成的，因此，金属保护层的材质可以与第一连接层的材质相同。

23、在一些实施例中，所述第二连接层的材质可以与所述第一连接层的材质相同。即，所述第二连接层的材质可以包括以下任一种：微米或纳米结构的ag、cu、au、ni。

24、在一些实施例中，所述功率模组还包括覆金属层基板，所述覆金属层基板连接在所述第二电极层远离所述芯片本体的一侧。其中，所述覆金属层基板可以为覆铜陶瓷基板、活性金属焊接基板或绝缘金属基板等，本技术对此不作限定。

25、在一种可能的实现方式中，所述功率模组还包括封装件，所述封装件用于封装所述芯片本体、所述第一电极层、所述金属保护层、所述第二电极层和所述覆金属基板。应理解，封装后的功率模组可以通过导热介质层与散热器连接，从而使得芯片产生的热量能够传递给散热器，从而进行散热。

26、需要说明的是，本技术实施例中所涉及的连接方式包括但不限于焊接、烧结等方式。

27、第二方面，提供了一种功率模组的制作方法，包括：获取芯片和第二电极层，所述芯片包括芯片本体和与所述芯片本体连接的第一电极层，所述第一电极层在第一平面上的投影位于所述芯片本体在所述第一平面上的投影范围内，所述第一平面平行于所述芯片本体与所述第一电极层的接触面，所述芯片本体靠近所述第一电极层的一面至少有部分未被所述第一电极层覆盖；通过有压烧结工艺，将所述第二电极层烧结在所述第一电极层远离所述芯片本体的一侧，并将所述第二电极层与所述第一电极层连接的金属层沿第一方向挤压在所述第一电极层的周围，以形成金属保护层，所述第一方向垂直于所述第一平面，所述金属保护层包覆在所述第一电极层的四周，所述金属保护层靠近所述芯片本体的一面与所述芯片本体接触。

28、在一种可能的实现方式中，所述制作方法还包括：所述芯片本体在所述第一平面上的投影不超过所述第一电极层与所述金属保护层形成的整体在所述第一平面上的投影范围。

29、本技术实施例提供的制作方法，通过有压烧结的方式在第一电极层的周围形成金属保护层，金属保护层能够包覆在第一电极层的四周并与芯片本体接触，使得芯片背面不会发生裸露，从而在芯片长期运行过程中，发生温度变化时，由于金属保护层与第一电极层的热膨胀系数差异较小，因此产生循环拉压应力较小，从而能够避免芯片和功率模组失效，提高芯片和功率模组的稳定性。

30、在一种可能的实现方式中，所述制作方法还包括：在所述第二电极层远离所述芯片本体的一侧焊接或烧结覆金属层基板。

31、其中，所述覆金属层基板可以为覆铜陶瓷基板、活性金属焊接基板或绝缘金属基板等，在此不作限定。应理解，所述覆金属层基板可以采用覆铜陶瓷基板，也就是说，所述覆金属层基板可以由陶瓷基板两面覆铜层形成。

32、第三方面，提供了一种芯片，所述芯片包括：芯片本体、第一电极层和金属保护层，其中：所述第一电极层与所述芯片本体连接，所述第一电极层在第一平面上的投影位于所述芯片本体在所述第一平面上的投影范围内，所述第一平面平行于所述芯片本体与所述第一电极层的接触面；所述金属保护层包覆在所述第一电极层的四周，所述金属保护层靠近所述芯片本体的一面与所述芯片本体接触。

33、在一种可能的实现方式中，所述芯片本体在所述第一平面上的投影不超过所述第一电极层与所述金属保护层形成的整体在所述第一平面上的投影范围。

34、应理解，将晶圆切割形成芯片时，在芯片的四周可能会发生烧蚀，从而会使得第一电极层的四周形成缺口部，该缺口部无材料填充，芯片本体会裸露。本技术实施例中的金属保护层可以填充第一电极层的四周形成缺口部，使得芯片本体与第一电极层的接触面不会裸露。也就是说，金属保护层能够包覆在第一电极层的四周并与芯片本体接触，使得芯片背面不会发生裸露，从而在芯片长期运行过程中，发生温度变化时，由于金属保护层与第一电极层的热膨胀系数差异较小，因此产生循环拉压应力较小，从而能够避免芯片失效，提高芯片的稳定性。

35、在一种可能的实现方式中，所述芯片本体的材料为碳化硅(即sic)，sic可提高芯片的工作频率，在满足相同工作频率的情况下可减少芯片体积，从而将芯片封装成功率模组时，可预留更多的空间安装功率模块中的其他电子元器件。

36、在一种可能的实现方式中，所述第一电极层为ni/ag、ni/au、ti/ni/ag、ti/ni/au、ti/niv/ag、ti/niv/au、ni(p)/pd/au、ni(p)/pd/ag、ni(p)/au或ni(p)/ag中的任意一种，其中，ni(p)表示在ni元素中掺杂p元素，niv是指ni元素和v元素的合金。

37、示例性的，所述第一电极层可以由钛/镍/银(即ti/ni/ag)或者钛/镍/金(即ti/ni/au)组成，其中，ti是半导体和金属的粘结层；ni是焊接扩散层；ag或au是焊接湿润性层，能够起到防止ni层氧化的作用。

38、在一种可能的实现方式中，所述芯片还包括第二电极层，所述第二电极层连接在所述第一电极层远离所述芯片本体的一侧，所述第一电极层与所述金属保护层形成的整体在所述第一平面上的投影不超过所述第二电极层在所述第一平面上的投影范围。

39、在一种可能的实现方式中，所述金属保护层的材质可以与所述第一连接层的材质相同。即，所述金属保护层的材质可以包括以下任一种：微米或纳米结构的ag、cu、au、ni。

40、在一个示例中，所述第二电极层包括金属支撑层，所述金属支撑层与所述第一电极层连接面上具有微纳米结构材质。其中，所述金属支撑层的材质可以包括以下任一种：cu、ni、可伐合金。

41、应理解，通过对金属支撑层进行表面微米化处理或表面纳米化处理，从而使得金属支撑层与第一电极层连接面上具有微纳米结构材质(如，微米或纳米结构的cu、ni)，以提高金属支撑层与第一电极层的连接稳定性。

42、在另一个示例中，所述第二电极层可以包括第一连接层和金属支撑层，所述第一连接层连接在所述第一电极层与所述金属支撑层之间。其中，所述第一连接层的材质可以包括以下任一种：微米或纳米结构的ag、cu、au、ni。

43、应理解，设置第一连接层是为了与第一电极层进行粘接固定，提高第二电极层与第一电极层之间的连接稳定性。设置金属支撑层可以防止焊料上爬到与金属保护层发生反应，金属支撑层能够支撑第一电极层和第一连接层，且具有导电、导热的作用。

44、在一种可能的实现方式中，所述第二电极层还包括第二连接层，所述第二连接层连接在所述金属支撑层远离所述第一连接层的一侧。其中，所述第二连接层的材质可以与所述第一连接层的材质相同。

45、应理解，所述第二连接层为焊接湿润性层，能够起到防止金属支撑层氧化的作用。应理解，焊接润湿性层可以是一种涂层或材料，通常涂覆在焊接表面上，以改善焊接过程中焊锡或焊料的润湿性能。润湿性层的主要作用是促进焊料在焊接表面上均匀分布，降低表面张力，从而实现更好的焊接连接。

46、第四方面，提供了一种功率设备，所述功率设备用于交直流转换，所述功率设备包括电路板和如第一方面以及第一方面任一种实现方式中的功率模组，或者，所述功率设备包括电路板和如第二方面以及第二方面任一种实现方式制作而成的功率模组，所述功率模组设置于所述电路板上。

47、需要说明的是，第四方面的有益效果可以参考第一方面，在此不再赘述。