一種全銅互連的封裝集成裝置及制造方法與流程

本發(fā)明涉及互連封裝，具體涉及一種全銅互連的封裝集成裝置及制造方法。

背景技術：

1、隨著第三代半導體的發(fā)展，碳化硅(sic)功率器件正在逐漸取代硅(si)功率器件，在電網(wǎng)、新能源汽車、光伏等領域已有廣泛應用。目前sic功率器件的封裝形式有：1.沿用si功率器件的單面散熱型封裝，例如infineon的econo平板型封裝、34mm&62mm封裝等；2.單面直冷型封裝，例如infineon的hybridpack?drive、danfoss的dcm1000x、abb的roadpak等；3.雙面水冷型封裝，例如hitachi的card-like?module、delphi的viper等。

2、其中沿用的si功率器件封裝，具體可描述為：芯片通過軟釬焊焊接在基板上，基板軟釬焊焊接在銅底板上，芯片上表面源極通過鋁線連接基板，模塊通過把銅底板貼在散熱器上進行散熱，銅底板與散熱器之間涂導熱硅脂。由于sic功率器件高功率密度、高頻、高工作溫度等特性，沿用si功率器件的封裝形式不適用于sic，sic的優(yōu)勢不能很大限度地展現(xiàn)。

3、針對于sic功率器件，目前新能源汽車領域較為先進的封裝方案之一，具體描述為：芯片通過燒結銀燒結在基板上，基板與散熱器之間通過釬焊焊接，單面直接水冷散熱，芯片上表面源極也通過燒結銀連接一層銅箔，銅線打在銅箔上，連接源極與基板。這種封裝中目前存在的問題有：1.銅線鍵合引起的雜散電感較大，導致模塊開關速度放緩，使sic芯片不能充分發(fā)揮高速開關性能；2.基板與散熱器之間大面積釬焊焊接，焊層厚度大，連接質量差，界面熱阻大，影響模塊可靠性；3.芯片的雙面銀燒結層在大電流和高溫工作環(huán)境下，易發(fā)生電遷移，影響可靠性；4.基板和散熱器的大面積釬焊連接：大面積連接會產生較大翹曲，為彌補翹曲問題，焊料厚度超過100微米，過厚的焊料會使焊接層的連接強度降低，熱阻增加，影響散熱，現(xiàn)有用燒結銀代替釬焊焊料的解決方案，但此連接層需要至少100微米以上的厚度，使用燒結銀會使極大地增加成本。

4、雙面冷卻的封裝方案，用板/柱等結構替代傳統(tǒng)引線鍵合，能有效降低模塊的雜散電感，同時也為模塊增加一條散熱路徑，相比于單面散熱，可提升30％～50％的散熱能力。

5、基于這一技術背景，本發(fā)明研究了一種全銅互連的封裝集成裝置及制造方法。

技術實現(xiàn)思路

1、針對現(xiàn)有技術的不足，本發(fā)明提出一種全銅互連的封裝集成裝置及制造方法，該裝置采用銅夾互連結構，降低了雜散電感，并且有利于散熱和均溫；將mos管上下表面的燒結銀層替換為燒結銅層，極大降低電遷移的可能性，提升了封裝可靠性，降低了原料成本；基板與散熱器采用了大面積銅燒結連接，能夠減小翹曲度、降低界面熱阻，提高連接質量、可靠性、降低原料成本，簡化了工藝。

2、為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明第一方面提供一種全銅互連的封裝集成裝置，包括：

3、基板，包括依次接觸的上銅層、陶瓷層、下銅層，所述上銅層包括功率回路區(qū)域、控制回路區(qū)域、電極組裝區(qū)域，各個部分之間電絕緣，所述功率回路區(qū)域包括上橋功率回路區(qū)域、下橋功率回路區(qū)域，所述控制回路區(qū)域包括上橋控制回路區(qū)域、下橋控制回路區(qū)域，每個控制回路區(qū)域包括柵極電阻組裝區(qū)域與開爾文源極鍵合區(qū)域；

4、上橋功率mos管，漏極面與所述上橋功率回路區(qū)域的外表面通過燒結銅膏實現(xiàn)機械連接與電連接，源極面與第一銅夾通過燒結銅膏實現(xiàn)機械連接與電連接；

5、下橋功率mos管，漏極面與所述下橋功率回路區(qū)域的外表面通過燒結銅膏實現(xiàn)機械連接與電連接，且通過第一銅夾與所述上橋功率mos管的源極面實現(xiàn)電連接，源極面與第二銅夾通過燒結銅膏實現(xiàn)機械連接與電連接；

6、散熱器，設置于所述下銅層的外表面上；

7、所述上橋功率mos管和下橋功率mos管的漏極面、源極面位于相對面。

8、本發(fā)明第二方面提供一種上述的裝置的制造方法，包括：

9、功率mos管與基板互連：將銅膏印刷在功率回路區(qū)域的表面上，將功率mos管的漏極面放置在銅膏上，依次進行預熱、燒結形成連接功率mos管和基板的燒結銅層；

10、基板與散熱器互連：將銅膏印刷在散熱器表面上，將基板的下銅層放置銅膏上，依次進行預熱、燒結形成連接基板與散熱器的大面積燒結銅層；

11、功率mos管與銅夾互連：將銅膏印刷在第一銅夾與第二銅夾的所有底面，將第一銅夾的長方形凸出端對準各個上橋功率mos管的源極面，另一側底面的外側邊沿對準下橋功率回路區(qū)域的底邊，將第二銅夾的長方形凸出端對準下橋功率mos管的源極面，依次進行預熱、燒結形成上下橋功率mos管互連的燒結銅層

12、本發(fā)明的技術效果包括：

13、(1)本發(fā)明提出的全銅互連的封裝集成裝置，采用銅夾互連結構，降低了雜散電感，并且有利于散熱和均溫；將mos管雙面銀燒結層替換為雙面銅燒結層，極大降低電遷移的可能性，提升了封裝可靠性，降低了原料成本；基板與散熱器采用了大面積銅燒結連接，能夠減小翹曲度、降低界面熱阻，提高連接質量、可靠性、降低原料成本，簡化了工藝。

14、(2)本發(fā)明提出的全銅互連的封裝集成裝置，利用銅夾技術替代銅線鍵合技術，解決了銅線鍵合技術方案中高雜散電感的問題，可有效降低換流回路雜散電感至3～4nh，有助于開關性能的提升，同時還能傳導熱量從功率mos管散出，為功率mos管增加一條散熱路徑，有效提升了模塊的散熱能力并且具有均溫效果，各功率mos管溫度均勻對功率mos管均流也產生一定的促進效果。

15、(3)本發(fā)明提出的全銅互連的封裝集成裝置，互連銅夾還可以與功率端子集成，減少了集成的部件，減少了部件數(shù)量與工藝步驟，降低了工藝成本。

16、(4)本發(fā)明提出的全銅互連的封裝集成裝置，雙面銅燒結替代雙面銀燒結技術方案，解決了雙面銀燒結技術方案中銀材料易發(fā)生電遷移，影響可靠性的問題，在大電流和高溫的工作條件下，銅材料更不易發(fā)生電遷移，提升了可靠性，同時成本較銀材料更低。

17、(5)本發(fā)明提出的全銅互連的封裝集成裝置，利用大面積銅燒結取代大面積釬焊焊接技術方案，解決了過厚的大面積釬焊焊層連接強度不強、熱阻大、可靠性差的問題，無壓燒結銅剪切強度能達到40mpa以上，有壓燒結銅剪切強度能達到100mpa以上的剪切強度，且熱阻更??；與燒結銀相比，性能類似或更優(yōu)，原料成本更低，與雙面銅燒結技術相結合，還能降低工藝成本。

18、本發(fā)明的其它特征和優(yōu)點將在隨后具體實施方式部分予以詳細說明。

技術特征：

1.一種全銅互連的封裝集成裝置，其特征在于，包括：

2.根據(jù)權利要求1所述的裝置，其特征在于，所述上銅層呈長方形狀；

3.根據(jù)權利要求2所述的裝置，其特征在于，所述上橋功率mos管包括兩組上橋mos管，每組上橋mos管包括四個上橋mos管，該四個上橋mos管呈一字型排布且平行于所述長方形的長邊；

4.根據(jù)權利要求3所述的裝置，其特征在于，所述第一銅夾的側端面呈凸字上半部分形狀；

5.根據(jù)權利要求4所述的裝置，其特征在于，還包括第二銅夾；

6.根據(jù)權利要求5所述的裝置，其特征在于，所述π/π字型的橫邊兩端對稱設置一對dc+端子；

7.根據(jù)權利要求6所述的裝置，其特征在于，所述電極組裝區(qū)域共設置有控制端子，控制端子包括熱敏電阻ntc控制端子、下橋mos管柵極控制端子、下橋mos管控制源極端子、上橋mos管控制源極端子、上橋mos管柵極控制端子以及上橋mos管漏極感應端子；

8.一種權利要求1-7中任意一項所述的裝置的制造方法，其特征在于，包括：

9.根據(jù)權利要求8所述的方法，其特征在于，還包括：

10.根據(jù)權利要求9所述的方法，其特征在于，連接第一銅夾、第二銅夾所用的銅膏的厚度為10～100微米，其余步驟所用銅膏厚度為100～200微米；

技術總結
本發(fā)明公開一種全銅互連的封裝集成裝置及制造方法，包括：基板，包括依次接觸的上銅層、陶瓷層、下銅層，上銅層包括功率回路區(qū)域、控制回路區(qū)域、電極組裝區(qū)域，各個部分之間電絕緣；上橋功率MOS管，漏極面與上橋功率回路區(qū)域外表面貼合并與之電連接；下橋功率MOS管，漏極面與下橋功率回路區(qū)域外表面貼合并與之電連接，且通過第一銅夾與上橋功率MOS管的源極面電連接；散熱器，設置于下銅層的外表面上；上橋功率MOS管和下橋功率MOS管的漏極面、源極面位于相對面。本發(fā)明采用銅夾互連降低了雜散電感，有利于散熱和均溫；MOS管的采用雙面燒結銅層，極大降低電遷移；基板與散熱器采用了大面積銅燒結連接，提高了可靠性，簡化了工藝。

技術研發(fā)人員：劉朝輝,閆海東,張亞昆,吳新科,師帥,盛況
受保護的技術使用者：北京國家新能源汽車技術創(chuàng)新中心有限公司
技術研發(fā)日：
技術公布日：2024/12/30