CN104332446A - Dbc基板 - Google Patents

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任杰
王豹子
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Abstract

本发明公开了一种DBC基板，包括绝缘层以及形成于该绝缘层上的金属层，金属层包括2个第一IGBT芯片焊接区、2个第二IGBT芯片焊接区、2个FRD芯片焊接区以及键合区，IGBT芯片焊接区和FRD芯片焊接区对称分布于键合区的两侧，位于键合区一侧的IGBT芯片焊接区和FRD芯片沿纵向排列，键合区包括发射极引线键合区和栅极引线键合区，栅极引线键合区的顶端与第一IGBT芯片焊接区的中心所在的水平线相交或相切，栅极引线键合区的底端与第二IGBT芯片焊接区的中心所在的水平线相交或相切。本发明的DBC基板兼容栅极在IGBT芯片中间位置和四角位置两种芯片。

Description

DBC基板
技术领域
本发明属于电子制造领域，特别涉及一种DBC基板及应用该DBC基板的电子器件。
背景技术
对于功率型电子器件封装而言，基板除具备基本的布线（电互连）功能外，还要求具有较高的导热、绝缘、耐热、耐压能力与热匹配性能。因此，常用的MCPCB（金属核印刷电路板）难以满足功率型器件的封装散热要求；而对于LTCC和HTCC基板（低温或高温共烧陶瓷基板）而言，由于内部金属线路层采用丝网印刷工艺制成，易产生线路粗糙、对位不精准等问题。以DBC（直接键合铜-陶瓷基板）和DPC（直接镀铜-陶瓷基板）为代表的金属化陶瓷基板在导热、绝缘、耐压与耐热等方面性能优越，已成为功率型器件封装的首选材料，并逐渐得到市场的认可。
直接敷铜技术是利用铜的含氧共晶液直接将铜敷接在陶瓷上，其基本原理就是敷接过程前或过程中在铜与陶瓷之间引入适量的氧元素，在1065℃～1083℃范围内，铜与氧形成Cu-O共晶液，DBC技术利用该共晶液一方面与陶瓷基板发生化学反应生成CuAlO2或CuAl2O4相，另一方面浸润铜箔实现陶瓷基板与铜板的结合。直接敷铜陶瓷基板由于同时具备铜的优良导电、导热性能和陶瓷的机械强度高、低介电损耗的优点，所以得到广泛的应用。在过去的几十年里，敷铜基板在功率电子封装方面做出了很大的贡献，这主要归因于直接敷铜基板具有如下性能特点：热性能好、电容性能、高的绝缘性能、Si相匹配的热膨胀系数、电性能优越以及载流能力强。
DBC（Direct Bonded Copper）绝缘导热基板,具有热阻低、结合强度高,便于印制图形,可焊性好等优点,近十年来已广泛应用于诸如GTR、IGBT、MCT等电力电子模块中。DBC基板便于将微电子控制芯片与高压大电流执行芯片封装在同一模块之中,从而缩短和减少内部引线,提高了模块的可靠性并为功率模块智能化(Smart Power)创造了工艺条件,同时热阻的显著降低便于模块向更大的功率发展。
DBC基板表面覆铜层版图的设计，直接影响着器件的散热特性、绝缘特性、电特性的稳定性、封装工艺的简易性及器件使用的可靠性。因此，如何做好DBC基板表面覆铜层版图设计，是IGBT器件封装设计的关键技术之一。
IGBT器件封装中，DBC基板版图设计主要受到IGBT器件封装体积、包含IGBT芯片数量、IGBT芯片的尺寸大小和版图结构、IGBT器件的电连接形式及IGBT器件的电压电流容量等因素影响限制。
现有满足四片IGBT芯片、两片FRD芯片并联需要的DBC版图设计见图1所示，其中芯片的排布和相互连接见图2所示。该版图针对栅极在IGBT芯片四角的芯片结构设计，满足四片IGBT芯片、两片FRD芯片并联连接需要，能够满足器件封装的散热、导电、绝缘、电磁兼容参数要求。但不足在于该版图设计仅针对栅极在IGBT芯片四角的芯片结构设计，对于栅极在IGBT芯片中间位置的芯片结构，采用该版图主要存在如下问题：
（1）栅极引线键合区的长度较短，键合过程中出现栅极键合线和发射极键合线交叉，两者之间的线距较近，难以满足栅极和发射极键合线间距要求，使用中容易出现栅极失效问题，器件的使用可靠性存在潜在风险。
（2）芯片发射极引线键合区铜层面积过小，使得键合线堆叠严重，键合连接难度大，参图3所示。
有鉴于此，有必要提供一种新型的DBC基板。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明解决的技术问题是提供一种DBC基板及应用该DBC基板的电子器件，该DBC基板兼容栅极在IGBT芯片中间位置和四角位置两种芯片，不仅能够满足器件封装的散热、导电、电磁兼容参数要求，而且键合工艺简单。
为解决上述的技术问题，本发明的技术方案是这样实现的：
一种DBC基板，包括绝缘层以及形成于该绝缘层上的金属层，所述的金属层包括2个第一IGBT芯片焊接区、2个第二IGBT芯片焊接区、2个FRD芯片焊接区以及键合区，所述的第一IGBT芯片焊接区、第二IGBT芯片焊接区和FRD芯片焊接区对称分布于所述键合区的两侧，位于所述键合区一侧的第一IGBT芯片焊接区、第二IGBT芯片焊接区和FRD芯片沿纵向排列，且第二IGBT芯片焊接区位于第一IGBT芯片焊接区和FRD芯片之间，其中，所述的键合区包括发射极引线键合区和栅极引线键合区，所述的栅极引线键合区的顶端与所述第一IGBT芯片焊接区的中心所在的水平线相交或相切，所述的栅极引线键合区的底端与第二IGBT芯片焊接区的中心所在的水平线相交或相切。
作为本发明的进一步改进，所述的栅极引线键合区和发射极引线键合区相对的侧边平行且均设置为L形。
作为本发明的进一步改进，所述的金属层为铜层。
作为本发明的进一步改进，所述金属层为铜合金。
作为本发明的进一步改进，所述铜合金为铜锰合金、铜锌合金、铜铝合金、铜镁合金、铜锆合金或铜镍镁合金。
作为本发明的进一步改进，所述的绝缘层为陶瓷片。
作为本发明的进一步改进，所述的陶瓷片为氧化铝、氮化铝、氧化铍或碳化硅。
本发明还公开了一种电子器件，该电子器件包括上述任一所述的DBC基板及焊接于该DBC基板上的芯片。
与现有技术相比，本发明的DBC基板具有以下优点：
（1）本发明的DBC基板在宏观尺寸上没有变化（如：2个栅极针的焊接位置、2个主电极的焊接位置、六个芯片的焊接位置），可以继续使用目前的一次焊接工装进行焊接，避免造成不必要的浪费。
（2）增加了DBC基板靠近栅极针的铜层(栅极引出线的键合位置)的长度，使IGBT芯片的栅极位置和铜层栅极键合点的位置达到平行，减小键合线的跨度和键合点的角度，还可以避免的两个芯片在键合过程中栅极引出线和发射极引出线的交叉。
（3）增加了DBC基板发射极键合点铜层的长度，可以增大芯片发射极引出线的线间距离。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1所示为现有技术中DBC基板的结构示意图；
图2所示为现有技术中DBC基板上芯片与键合线的排布示意图（栅极在IGBT芯片四角）；
图3所示为现有技术中DBC基板上芯片与键合线的排布示意图（栅极在IGBT芯片中心）；
图4所示为本发明具体实施例中DBC基板的结构示意图；
图5所示为本发明具体实施例中DBC基板上芯片与键合线的排布示意图；
图6所示为本发明具体实施例中DBC基板上金属层相对于现有技术的改进区域（阴影部分）。
具体实施方式
本发明主要针对现有DBC版图设计不适合栅极在IGBT芯片中间位置的芯片结构使用问题，提出了一种兼容栅极在IGBT芯片中间位置和四角位置两种芯片结构的DBC版图设计，不仅能够满足器件封装的散热、导电、电磁兼容参数要求，而且键合工艺简单。
具体地，本发明实施例公开了一种DBC基板，包括绝缘层以及形成于该绝缘层上的金属层，所述的金属层包括2个第一IGBT芯片焊接区、2个第二IGBT芯片焊接区、2个FRD芯片焊接区以及键合区，所述的第一IGBT芯片焊接区、第二IGBT芯片焊接区和FRD芯片焊接区对称分布于所述键合区的两侧，位于所述键合区一侧的第一IGBT芯片焊接区、第二IGBT芯片焊接区和FRD芯片沿纵向排列，且第二IGBT芯片焊接区位于第一IGBT芯片焊接区和FRD芯片之间，其中，所述的键合区包括发射极引线键合区和栅极引线键合区，所述的栅极引线键合区的顶端与所述第一IGBT芯片焊接区的中心所在的水平线相交或相切，所述的栅极引线键合区的底端与第二IGBT芯片焊接区的中心所在的水平线相交或相切。
优选的，在上述DBC基板中，金属层为铜层或铜合金，所述铜合金为铜锰合金、铜锌合金、铜铝合金、铜镁合金、铜锆合金或铜镍镁合金；所述的绝缘层为陶瓷片，所述的陶瓷片为氧化铝、氮化铝、氧化铍或碳化硅。
本发明实施例还公开了一种电子器件，该电子器件包括上述DBC基板及焊接于该DBC基板上的芯片。
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详细的描述，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的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。
参图4和图5所示，DBC基板包括绝缘层11以及形成在绝缘层11上金属层12。
绝缘层11为陶瓷片，陶瓷片可以选自氧化铝、氮化铝、氧化铍或碳化硅。
金属层12的材质优选为铜，也可以为铜合金，当为铜合金时，优选为铜锰合金、铜锌合金、铜铝合金、铜镁合金、铜锆合金或铜镍镁合金。
金属层12包括2个第一IGBT芯片焊接区121、2个第二IGBT芯片焊接区122、2个FRD芯片焊接区123以及键合区124，第一IGBT芯片焊接区121、第二IGBT芯片焊接区122和FRD芯片焊接区123对称分布于键合区124的两侧，位于键合区124一侧的第一IGBT芯片焊接区121、第二IGBT芯片焊接区122和FRD芯片123沿纵向排列，且第二IGBT芯片焊接区122位于第一IGBT芯片焊接区121和FRD芯片123之间。
键合区124包括发射极引线键合区1241和栅极引线键合区1242，栅极引线键合区1242的顶端与第一IGBT芯片焊接区121的中心所在的水平线A相交或相切，栅极引线键合区1242的底端与第二IGBT芯片焊接区122的中心所在的水平线B相交或相切。参图5所示，IGBT芯片的栅极位置和铜层栅极键合点的位置达到平行甚至铜层栅极键合点的位置位于IGBT芯片的栅极位置所在水平线的上方，减小键合线的跨度和键合点的角度，还可以避免的两个芯片在键合过程中栅极引出线和发射极引出线的交叉
栅极引线键合区1242和发射极引线键合区1241相对的侧边平行且均设置为L形。具体地，发射极引线键合区1241沿纵向延伸，其与栅极引线键合区1242相邻的侧边为L形，且发射极引线键合区1241的上半部分宽度小于下半部分的宽度。栅极引线键合区1242沿纵向延伸，其与发射极引线键合区1241相邻的侧边设置为L形，且与发射极引线键合区1241的L形侧边平行。由于增加了DBC基板发射极引线键合区1241下半部分的宽度，可以增大芯片发射极引出线的线间距离。
本发明实施例设计的IGBT模块DBC基板在能够满足器件封装的散热、导电、绝缘、电磁兼容参数要求的情况下，在原DBC基板的基础上进行了一些工艺方面的改进。改进的面积结合图6所示，具体改进如下：
（1）在不影响栅极针焊接的前提下减小了DBC基板表面栅极针焊接处覆铜层的面积。
（2）增加了DBC基板和IGBT芯片栅极连接处的覆铜层的长度并对其做了优化设计。
（3）增加了DBC基板和IGBT芯片发射极及FRD芯片正极连接处的覆铜层的面积。
综上所述，本发明的DBC基板有以下优点：
（1）该DBC基板在宏观尺寸上没有变化（如：2个栅极针的焊接位置、2个主电极的焊接位置、六个芯片的焊接位置），可以继续使用目前的一次焊接工装进行焊接，避免造成不必要的浪费。
（2）增加了DBC基板靠近栅极针的铜层(栅极引出线的键合位置)的长度，使IGBT芯片的栅极位置和铜层栅极键合点的位置达到平行甚至铜层栅极键合点的位置位于IGBT芯片的栅极位置所在水平线的上方，减小键合线的跨度和键合点的角度，还可以避免的两个芯片在键合过程中栅极引出线和发射极引出线的交叉。
（3）增加了DBC基板发射极键合点铜层的长度，可以增大芯片发射极引出线的线间距离。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (8)

1.一种DBC基板，包括绝缘层以及形成于该绝缘层上的金属层，所述的金属层包括2个第一IGBT芯片焊接区、2个第二IGBT芯片焊接区、2个FRD芯片焊接区以及键合区，所述的第一IGBT芯片焊接区、第二IGBT芯片焊接区和FRD芯片焊接区对称分布于所述键合区的两侧，位于所述键合区一侧的第一IGBT芯片焊接区、第二IGBT芯片焊接区和FRD芯片沿纵向排列，且第二IGBT芯片焊接区位于第一IGBT芯片焊接区和FRD芯片之间，其特征在于：所述的键合区包括发射极引线键合区和栅极引线键合区，所述的栅极引线键合区的顶端与所述第一IGBT芯片焊接区的中心所在的水平线相交或相切，所述的栅极引线键合区的底端与第二IGBT芯片焊接区的中心所在的水平线相交或相切。
2.根据权利要求1所述的DBC基板，其特征在于：所述的栅极引线键合区和发射极引线键合区相对的侧边平行且均设置为L形。
3.根据权利要求1所述的DBC基板，其特征在于：所述的金属层为铜层。
4.根据权利要求1所述的DBC基板，其特征在于：所述金属层为铜合金。
5.根据权利要求4所述的DBC基板，其特征在于：所述铜合金为铜锰合金、铜锌合金、铜铝合金、铜镁合金、铜锆合金或铜镍镁合金。
6.根据权利要求1所述的DBC基板，其特征在于：所述的绝缘层为陶瓷片。
7.根据权利要求6所述的DBC基板，其特征在于：所述的陶瓷片为氧化铝、氮化铝、氧化铍或碳化硅。
8.一种电子器件，其特征在于：包括权利要求1至7任一所述的DBC基板及焊接于该DBC基板上的芯片。
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