CN108364913A - 一种用于碳化硅功率器件的无引线封装结构和制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于碳化硅功率器件的无引线封装结构和制备方法。本封装结构包括一个表面有开槽和通孔的圆形氮化铝基底、碳化硅功率器件、无引线薄膜电路、一个键合在氮化铝基底上的铜热沉和氮化铝封装盖子。本发明封装结构中没有的引线，不用担心引线可能引起的断路、虚接的不良情况。而且，氮化铝材料与碳化硅的热导率相近，器件在凹槽内固定，不会有过多的热应力，保证器件的可靠性。
Description
技术领域
本发明涉及一种碳化硅功率器件的封装结构，尤其涉及一种利用印刷技术制备的内部无引线，且带有铜热沉的封装结构和制备方法。
背景技术
功率半导体器件是指直接用于电源电路中电能转换或控制的电子器件。目前，功率半导体器件的主要材料是硅。但是，随着人们对电力的需求不断扩大，硅功率器件的使用条件已经达到极限，促使研究者寻找新的替代材料。碳化硅材料是第三代宽禁带半导体材料，与硅材料相比，具有高临界击穿电场(工作电压高)、高热导率、高电流密度和高工作温度等优势。高电流和高工作电压就意味着功率很高，器件的放热很大。高温下，器件很容易老化失灵，因此对于功率器件降低温度是重要任务。封装是半导体器件制备过程中，极其重要的一步。这是因为封装可以保护器件本体，可以支撑器件，提高器件的稳定性与可靠性。氮化铝有很高的热导率。很适合碳化硅功率器件的封装要求，而且二者的热膨胀系数相近，不会产生过多的热应力。另一方面，为了及时有效地进行散热，碳化硅器件的封装中经常利用铜热沉加快散热速度。
印刷电子技术是指利用印刷技术和分散在溶剂中的纳米材料，在平面上形成图形化的薄膜，最终形成电子元器件的制造过程。与传统的电子器件制造相对比，印刷电子技术具有薄度、柔性、成本低、绿色环保和能量利用效率高的特点，可以实现大批量和高速生产，有效降低生产成本。可用于印刷电子的印刷技术很多，例如，丝网印刷、喷墨打印、R2R(卷对卷)印刷、凹版印刷和气溶胶打印等技术，它们都有制备电子元器件的报道与文献，但是它们各有优点与不足。例如，丝网印刷可以在一定面积内，快速形成等高度的图案，但是不适合用于联接线与线。这是因为丝网印刷是接触式印刷，有可能破坏已经存在的图案。喷墨打印的操作最简便，但是由于墨水中的溶剂会形成咖啡环状的残留，且墨水一滴一滴的打印，形成图案的速率较慢。R2R印刷和凹版印刷更适合在柔性基底表面进行印刷。相比之下，气溶胶打印是利用气溶胶运载纳米粒子，是非接触式打印，更适合作为联接器件电极与外联电路，不会破坏器件的表面结构。
发明内容
本发明的目的在于提供一种不用担心引线可能引起的断路、虚接的不良情况，不会有过多的热应力，保证器件可靠性的用于碳化硅功率器件的无引线封装结构。
本发明的目的是这样实现的：该封装结构包括一个表面有凹槽和通孔的圆形氮化铝基底、碳化硅功率器件、无引线薄膜电路、一个键合在氮化铝基底上的铜热沉和氮化铝封装盖子，无引线薄膜电路设置在氮化铝基底上并连接外电路与碳化硅功率器件的电极，碳化硅功率器件固定在氮化铝基底上的凹槽内，碳化硅功率器件与氮化铝之间设置有导热胶隔离层，无引线薄膜电路与碳化硅功率器件在用一个平面内，氮化铝封装盖子设置在铜片外电极上方，氮化铝基底与铜热沉之间设置有氧化铝键合层，氮化铝基底的通孔上粘接有铜片外部电极。
本发明的另一目的在于提供一种制备上述封装结构的制备方法，它包括以下几个步骤：（1）利用数字控制机床(CNC)将氮化铝基底打通孔，并在表面开一个小槽；（2）将加工后的氮化铝基板氧化，并利用DBC过程，在氧气存在的条件下，将铜热沉与氧化铝进行键合；（3）酸洗去除多余的氧化铝层，露出氮化铝表面；（4）在通孔附近利用耐热陶瓷胶粘接铜片，使得铜片盖上通孔；（5）丝网印刷金浆料，在氮化铝表面形成电路图案并填充通孔，烧结后形成金薄膜电路；（6）将碳化硅器件固定在氮化铝表面的凹槽，器件与氮化铝之间用导热胶去除空气层；（7）利用气溶胶打印(Aerosol jet printing)打印金纳米材料层，联接外电路与器件的电极；（8）封装结构整体进行退火操作，温度300~400 oC退火，消除各层间的内部应力；（9）粘接氮化铝圆形盖子，形成一个封装结构。
本发明首先利用数字控制机床(CNC)在氮化铝基底表面开槽打通孔，再加热氮化铝，在氮化铝材料表面制备一层氧化铝层；利用Direct bond copper technology (DBC)方法，将氧化铝层与铜热沉的平面部分键合，形成一个复合体结构；再利用酸洗的方法，去除氮化铝底板剩余的氧化铝层；在通孔周围利用陶瓷胶粘接铜片，使得铜片封住通孔；再以丝网印刷的电路图案并填充通孔，浆料中的纳米材料是金纳米颗粒，退火蒸发溶剂后，再烧结形成纳米金薄膜电路；将碳化硅功率器件放入凹槽内固定，器件电极与外联电路之间的沟道，利用气溶胶打印金纳米材料进行填充，退火后完成联接；最后，利用陶瓷胶粘接氮化铝封装盖，完成封装结构的制备过程。
本发明还有这样一些特征：
1、所述的利用数字控制机床制备过程中，通孔的直径2 mm，氮化铝基底是碳化硅器件厚度的2倍，小槽的深度等于碳化硅器件的厚度，保证器件的电极与氮化铝表面的外联电路的金薄膜在同一高度内。
2、所述的铜热沉的键合过程中，铜热沉与未开槽的氧化铝表面进行键合，并且铜热沉中心线与小槽中心线重合。
3、所述的铜片粘接过程中，保证粘接剂不进入通孔，铜片表面封住通孔本身。铜片封住通孔后，露出圆形封装盖子以外2 cm。
4、所述的铜热沉过程中，铜齿表面经过处理，表面生成了铜纳米线层，增加了散热比表面积。铜齿的长宽高是都是碳化硅器件尺寸的两倍。
5、所述的丝网印刷过程中，金浆料中金的粒子的直径在0.1 ~ 0.3 µm范围内。浆料的真空烧结温度在600 ~ 700 oC范围内，烧结时间是120 oC下10 mins, 600~700 oC下15mins，然后自然降温至室温。丝网的材质是钢丝，线的直径是30 µm，丝网的目数是200 ~300目。 形成的金薄膜厚度约 80 ~ 100 µm范围内。
6、所述的碳化硅器件固定过程中，器件底部旋涂了一层导热胶，去除器件与凹槽底部间的空气层增加热传导。器件放置在凹槽内，可以牢固地固定器件，防止器件移动造成断路。
7、所述的封装结构的退火中，升温2 h，在300~400 oC范围内保温3 h，自然降温5h，共计10 h，以消除各个薄膜间的内部应力。
8、所述的氮化铝封盖的粘接中，氮化铝盖子利用耐热陶瓷胶粘接在氮化铝基底的侧壁，在器件和电路表面形成一个密闭的防水并防其它气氛进入的空间。
9、所述的丝网印刷浆料中，金纳米材料的固含量60% ~ 80%, 形成纳米金层的宽度近似等于器件电极的宽度。
10、用于腐蚀氧化铝的酸类，可是盐酸、硫酸、硝酸等强酸的水溶液，也可以是酸性的上述酸盐的缓冲液。pH值在2~3的范围内。
11、铜热沉的锯齿表面上的铜纳米线的制备过程中，利用了具有纳米孔的挡板和电化学方法。
12、气溶胶打印过程中，金纳米粒子墨水的密度1.6 g/ml, 固体含量 40 ~ 50%，粘度6 ~ 10 cP。联接器件电极与外联电路的联接层要覆盖整个器件电极，并要覆盖外联电路的的金线，在金线表面以上再形成10 ~ 20 µm金薄膜。
本发明的有益效果有：
1、氮化铝与铜热沉间是键合，生成了新的化合物，并形成了化学键。 因此，比利用界面导热材料去除空气层更有利于热传递。
2、铜热沉表面也是有纳米线结构覆盖，也会增加铜热沉的散热比表面积，改善在空气中的散热效果。
3、利用丝网印刷和气溶胶打印两种方法并用，同时兼顾了电路形成的效率与联接器件时的安全性与可靠性，保证器件表面不被破坏或扰动。
4、 此封装结构中没有的引线，不用担心引线可能引起的断路、虚接的不良情况。而且，氮化铝材料与碳化硅的热导率相近，器件在凹槽内固定，不会有过多的热应力，保证器件的可靠性。
附图说明
图1为碳化硅功率器件封装结构的示意图；
图2为Na-GA3C11 的分子结构与纳米结构单体示意图；
图3为Na-GA3C11的分子结构与具有纳米孔的自组装薄膜示意图。
具体实施方式
实施例 1
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步的说明：
结合图1，本实施例封装结构包括一个表面有开槽和通孔的氮化铝圆形基底1、碳化硅功率器件4、无引线薄膜电路5、一个键合在氮化铝基底上的铜热沉2和氮化铝封装盖子6。
制备铜纳米线的过程中，铜热沉2表面带有纳米孔的聚合物挡板，可以由自组装方法制备。例如，可以利用分子Na-GA3C11，如图2 所示，自组装形成具有纳米结构的单体。经过紫外光照射后，单体聚合形成有纳米孔的薄膜挡板结构。首先，将铜热沉依次用丙酮、乙醇和去离子水进行清洗，去除表面的有机物层。然后，将纳米结构单体，分散在水溶液中，形成悬浮液，并用超声振动使得粉末分散均一。用胶头滴管吸取这个悬浊液，分数次滴入铜热沉的锯齿的表面上吸附。经过紫外光照射后，形成具有纳米孔的聚合物挡板薄膜。将此铜热沉浸入电解液中，电解液是0.1 M CuSO4 + 1 M H2SO4 混合溶液。联接铜热沉电极与CHI660D电化学工作站，参比电极用Ag/AgCl，对电极用铂金片。利用循环伏安法，在聚合物挡板的纳米孔内制备铜纳米线。完成铜纳米线的制备后，将带有铜纳米线的热沉放入电炉中，300 oC进行退火2小时，纳米线退火的同时，烧尽聚合物挡板。
在氮化铝陶瓷底板1表面利用CNC制备两个通孔和一个凹槽结构。加工通孔时，要加工一定深度后，从另外一面加工，在中间部分打通孔洞，防止氮化铝陶瓷材料碎裂。将氮化铝底板放入电炉中，加热到1200 oC，保持温度8小时，在氮化铝表面制备一层氧化铝层。进行DBC键合操作，氧化铝与铜生成了CuAlO4化合物层，氮化铝底板与铜热沉形成了复合体。 再利用酸性溶液，去除复合体表面剩余的氧化铝层，露出氮化铝表面。将两个铜片盖在通孔表面，周围以陶瓷胶粘牢，形成两个铜片外部电极3。
丝网印刷过程中，首先要制备带有电路图案的印刷丝网。制备过程主要包括绷网、脱脂、烘干、剥离基片、曝光、显影、烘干、修版和封网等步骤，使得浆料在被刮后，通过丝网上通孔转移到基板上，形成电路的图案。丝网印刷用的浆料，分散剂是环己烷，表面活性材料是十二烷基苯磺酸钠。浆料中金纳米粒子的固含量 60%，平均直径是0.2 微米。将丝网放置在氮化铝表面以上一定的高度，丝网上面载着足够的金纳米浆料，利用刮刀刮着这些浆料通过丝网表面的图案区域时，一部分浆料透过丝网孔留在预定的氮化铝表面，同时充填了通孔并在氮化铝表面形成了无引线薄膜电路5。在真空炉内，烧结时间是120 oC下10mins, 600 oC下15 mins。形成的金纳米层的厚度约为100 µm。以碳化硅制备的功率肖特基二极管为例，将二极管固定在氮化铝表面的凹槽内部，二极管的正负极分别在器件的左右两方。无引线薄膜电路的金薄膜层与器件电极在用一个平面内，中间的沟道需要利用气溶胶打印金纳米粒子充填，形成了金薄膜7。用于气溶胶打印的金墨水的纳米材料是表面有己巯醇包裹的金纳米粒子，分散剂是松油醇。超声起雾后等待喷口气流稳定，纳米粒子的喷出速率基本恒定后，可以进行打印操作。一段时间后，沟道充填完毕。移动喷头左右移动，让充填层覆盖器件电极整体和外联电路的线路表面，当覆盖层的厚度达到10 µm以上后停止打印，并进行真空退火处理。最后，由耐热陶瓷胶粘接氮化铝封盖6后即可完成此无引线的封装结构的制备过程。当器件的电极多于两个的时候，例如，封装功率晶体管时，在圆形的氮化铝基板上，合理安排各个通孔的距离，利用CNC加工三个通孔，并重复上述的键合、印刷与退火过程后，仍然可以得到此无引线的封装结构。
Claims (10)
1.一种用于碳化硅功率器件的无引线封装结构，其特征在于该封装结构包括一个表面有凹槽和通孔的圆形氮化铝基底、碳化硅功率器件、无引线薄膜电路、一个键合在氮化铝基底上的铜热沉和氮化铝封装盖子，无引线薄膜电路设置在氮化铝基底上并连接外电路与碳化硅功率器件的电极，碳化硅功率器件固定在氮化铝基底上的凹槽内，碳化硅功率器件与氮化铝之间设置有导热胶隔离层，无引线薄膜电路与碳化硅功率器件在用一个平面内，氮化铝封装盖子设置在铜片外电极上方，氮化铝基底与铜热沉之间设置有氧化铝键合层，氮化铝基底的通孔上粘接有铜片外部电极。
2.根据权利要求1所述的一种制备上述用于碳化硅功率器件的无引线封装结构制备方法，其特征在于它包括以下几个步骤：步骤1，利用数字控制机床将氮化铝基底打通孔，并在表面开一个小槽；步骤2，将加工后的氮化铝基板氧化，并利用DBC过程，在氧气存在的条件下，将铜热沉与氧化铝进行键合；步骤3，酸洗去除多余的氧化铝层，露出氮化铝表面；步骤4，在通孔附近利用耐热陶瓷胶粘接铜片，使得铜片盖上通孔；步骤5，丝网印刷金浆料，在氮化铝表面形成电路图案并填充通孔，烧结后形成金薄膜电路；步骤6，将碳化硅器件固定在氮化铝表面的凹槽，器件与氮化铝之间用导热胶去除空气层；步骤7，利用气溶胶打印金纳米材料层，联接外电路与器件的电极；步骤8，封装结构整体进行退火操作，温度300~400 oC退火，消除各层间的内部应力；步骤9，粘接氮化铝圆形盖子，形成一个封装结构。
3.根据权利要求2所述的一种用于碳化硅功率器件的无引线封装结构制备方法，其特征在于所述的步骤1中，通孔的直径2 mm，氮化铝基底是碳化硅器件厚度的2倍，凹槽的深度等于碳化硅器件的厚度。
4.根据权利要求3所述的一种用于碳化硅功率器件的无引线封装结构制备方法，其特征在于所述的步骤2中，铜热沉与未开槽的氧化铝表面进行键合，并且铜热沉中心线与小槽中心线重合；铜热沉过程中，铜齿表面经过处理，表面生成了铜纳米线层，增加了散热比表面积；铜齿的长宽高是都是碳化硅器件尺寸的两倍。
5.根据权利要求4所述的一种用于碳化硅功率器件的无引线封装结构制备方法，其特征在于所述的步骤4中，铜片粘接过程中粘接剂不进入通孔，铜片表面封住通孔本身；铜片封住通孔后，露出圆形封装盖子以外2 cm。
6.根据权利要求5所述的一种用于碳化硅功率器件的无引线封装结构制备方法，其特征在于所述的步骤5丝网印刷过程中，金纳米材料中金的粒子的直径在0.1 ~ 0.3 µm范围内；金纳米材料的固含量60% ~ 80%, 形成纳米金层的宽度近似等于器件电极的宽度浆料的真空烧结温度在600 ~ 700 oC范围内，烧结时间是120 oC下10 mins, 600~700 oC下15mins，然后自然降温至室温；丝网的材质是钢丝，线的直径是30 µm，丝网的目数是200 ~300目；形成的金薄膜厚度约 80 ~ 100 µm范围内。
7.根据权利要求6所述的一种用于碳化硅功率器件的无引线封装结构制备方法，其特征在于所述的步骤6碳化硅器件固定过程中，器件底部旋涂了一层导热胶，去除器件与凹槽底部间的空气层增加热传导。
8.根据权利要求7所述的一种用于碳化硅功率器件的无引线封装结构制备方法，其特征在于所述的步骤7气溶胶打印过程中，金纳米粒子墨水的密度1.6 g/ml, 固体含量 40 ~50%，粘度6 ~ 10 cP；联接器件电极与外联电路的联接层要覆盖整个器件电极，并要覆盖外联电路的的金线，在金线表面以上再形成10 ~ 20 µm金薄膜。
9.根据权利要求8所述的一种用于碳化硅功率器件的无引线封装结构制备方法，其特征在于所述的步骤8封装结构的退火中，升温2 h，在300~400 oC范围内保温3 h，自然降温5h，共计10 h，以消除各个薄膜间的内部应力。
10.根据权利要求9所述的一种用于碳化硅功率器件的无引线封装结构制备方法，其特征在于所述的步骤9所述的氮化铝封盖的粘接中，氮化铝盖子利用耐热陶瓷胶粘接在氮化铝基底的侧壁，在器件和电路表面形成一个密闭的防水并防其它气氛进入的空间。
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| PB01 | Publication | ||
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| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication | ||
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