CN116544127B - 一种具有大电流的功率器件的制备方法及连接结构 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种具有大电流的功率器件的制备方法及连接结构，具有大电流的功率器件的制备方法包括如下步骤：在基板上依次间隔铺设至少四个导电层，分别为第一导电层、第二导电层、第三导电层和第四导电层；其中，第二导电层上安装芯片，芯片上方安装有两个左右布设的芯片发射极，芯片发射极之间键合连接，并通过键合线分别连接至第一导电层和第三导电层；芯片下方安装有一个芯片门极，芯片门极通过键合线分别连接至第四导电层。通过所述具有大电流的功率器件的制备方法制备的功率器件连接结构，在相同DBC尺寸，芯片尺寸和键合线数量下，可达到增加一倍电流流通能力、提高电流密度的作用，实现了低成本高效益设计。

Description

一种具有大电流的功率器件的制备方法及连接结构
技术领域
本发明涉及芯片布局技术领域，尤其是涉及一种具有大电流的功率器件的制备方法及连接结构。
背景技术
在芯片制作过程中，诸如碳化硅，氮化镓Mosfet和二极管之类的宽禁带半导体的电流密度约为硅基IGBT，Mosfet和二极管的四倍或者更高，在这个前提下，需要调整合理布局以降低芯片正面接触电阻；而目前标准的键合线的方式和布局无法满足宽禁带半导体的需求，因为在相同通流面积下，相比较传统硅器件，宽禁带芯片只能放置一半的铝键合线，这就增加了接触电阻，键合线的温度也比较高，降低了可靠性。
为了解决通流能力问题有以下三种方法：方法一，使用铜键合线代替铝键合线，这样可以提高通流能力，但是需要对芯片正面进行处理，进行金属化或者使用Die-top-system（铜片烧结），目的是防止铜线键合时损坏芯片，但是工艺复杂，且费用昂贵，也需要特殊的加工设备；方法二，使用铜带，铜带与铜线相同，有较大的通流能力，但是也需要对芯片正面进行相应的处理，费用昂贵且工艺复杂，铜带还有更大的缺点，就是使用起来不灵活，因为铜带是无法进行角度扭转的，对产品设计布局要求更加严格；方法三，使用串联式连接，将两个芯片或多组芯片串联起来，这种情况下，键合线需要承受来自所有芯片的所有电流，键合线处于高电流密度，可靠性大幅降低。
现有技术总结如图3，基板901上依次间隔布设有三个导电层，分别为A导电层9、B导电层10及C导电层11；其中，A导电层9上安装有芯片902，芯片902上安装有两个芯片发射极903，芯片发射极903通过键合线905与B导电层10电连接；芯片902上还安装有芯片门极904，芯片门极904通过键合线905与C导电层11电连接；仅通过键合线905将芯片902与B导电层10连通，键合线905需要承受来自芯片902的所有电流，流通能力小，同时，增大了功率器件内部寄生电感与电阻。
因此，针对上述问题本发明急需提供一种具有大电流的功率器件的制备方法及连接结构。
发明内容
本发明的目的在于提供一种具有大电流的功率器件的制备方法，包括如下步骤：
在基板上依次间隔铺设至少四个导电层，分别为第一导电层、第二导电层、第三导电层和第四导电层；
在第二导电层上安装芯片，芯片上方安装至少两个间隔布设的芯片发射极，芯片发射极之间通过键合线连接，键合线还分别与第一导电层和第二导电层电连接；
在芯片上还安装有芯片门极，芯片门极通过键合线与第四导电层电连接。
优选地，基板为DBC板，DBC板上的绝缘层材质为氧化铝陶瓷、氮化铝陶瓷、氮化硅陶瓷中的一种。
优选地，第一导电层、第二导电层、第三导电层与第四导电层材质均为铜。
优选地，键合线为铝带、铝线、铜片或铜线中至少一种。
优选地，芯片包括MOSFET、二极管、IGBT、HEMT、晶体管或晶闸管中的一种。
优选地，相邻两导电层间的间隙宽度≥0.5mm。
本发明还提供了一种基于如上述中任一项所述的具有大电流的功率器件的制备方法制备的具有大电流的功率器件的连接结构，包括基板，基板上依次间隔铺设有至少四个导电层，分别为第一导电层、第二导电层、第三导电层和第四导电层；其中，第二导电层上安装有芯片，芯片上方安装有至少两个间隔布设的芯片发射极，芯片发射极之间键合连接，并通过键合线分别连接至第一导电层和第三导电层；芯片下方还安装一个芯片门极，芯片门极通过键合线与第四导电层电连接。
优选地，基板为DBC板，DBC板上的绝缘层材质为氧化铝陶瓷、氮化铝陶瓷、氮化硅陶瓷中的一种。
优选地，第一导电层、第二导电层、第三导电层与第四导电层材质均为铜。
优选地，相邻两导电层间的间隙宽度≥0.5mm。
本发明提供的一种具有大电流的功率器件的制备方法及连接结构与现有技术相比具有以下进步：
现有技术中，诸如碳化硅，氮化镓Mosfet和二极管之类的宽禁带半导体的电流密度约为硅基IGBT，Mosfet和二极管的4倍或者更高，标准的键合线的方式和布局仅连接芯片的一边到导电层上，键合线需要承受来自芯片的所有电流，降低了功率器件的可靠性；本发明提供了一种新的键合布局，芯片通过键合线，连接到芯片两边的导电层，两边的键合线都分担了芯片电流的一半；即在键合线数量不变的情况下，大大降低了工作时每根铝线的通流量，增加了可靠性，提高了功率器件的电流密度，实现了低成本高效益设计；同时，因为有两个并联路径连接到基板，因此阻抗降低了一半；此布局降低了寄生电感和电阻，从而可以实现更快的开关速度。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式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，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，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为本发明中所述具有大电流的功率器件连接结构图（俯视图）；
图2为本发明中所述具有大电流的功率器件连接结构图（立体图）；
图3为本发明中所述现有技术的功率器件连接结构图（俯视图）。
附图标记说明：
本发明
1、第一导电层；2、基板；3、第二导电层；4、第三导电层；5、第四导电层；6、芯片；7、芯片发射极；8、芯片门极；12、键合线；
现有技术
9、A导电层；10、B导电层；11、C导电层；901、基板；902、芯片；903、芯片发射极；904、芯片门极；905、键合线。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例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。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解所述术语在本发明中的具体含义。
本发明提供了一种具有大电流的功率器件的制备方法，包括如下步骤：
1）在基板2上依次间隔铺设至少四个导电层，分别为第一导电层1、第二导电层3、第三导电层4和第四导电层5；
2）在第二导电层3上安装芯片6，在芯片6上方安装至少两个间隔布设的芯片发射极7，芯片发射极7之间通过键合线12连接，键合线12还分别与第一导电层1和第二导电层2电连接；
3）在芯片6上还安装有芯片门极8，将芯片门极8通过键合线12与第四导电层5电连接。
本发明与现有技术对比（背景技术的图3方案），在基板2尺寸、芯片6尺寸与键合线12数量相同的前提下，通过改变基板2的版图与键合线12的键合位置，将芯片6通过键合线12分别与第一导电层1和第三导电层4连通，芯片6的电流可以通过键合线12分别向第一导电层1和第三导电层流动，大大提高了芯片6的电流的流通量，提高了功率器件的可靠性，提高了功率器件一倍的流通能力，可以降低功率器件内部寄生电感与电阻；芯片门极8通过键合线12与第四导电层5电连接，从而实现了器件的更快的开关速度。
在一些实施例中，基板2为DBC板，DBC板上的绝缘层材质为氧化铝陶瓷、氮化铝陶瓷、氮化硅陶瓷中的一种。
本实施例基板2作用在于承托四个导电层，DBC是一种陶瓷表面金属化技术，一共包含三层，中间为绝缘层，上下覆铜层，可作为芯片6的承载体，具有绝佳的绝缘性能及散热性能；其中绝缘层常用氧化铝陶瓷、氮化铝陶瓷、氮化硅陶瓷材质。
在一些实施例中，第一导电层1、第二导电层3、第三导电层4与第四导电层5材质均为铜。
本实施例中，铜作为一种优秀的导电材料，具有很高的导电率及较低的电阻率，这样可以减少能量损耗和热量产生，提高导电层导电效率；同时，铜具有出色的耐腐蚀性能，可确保导电层的长寿命和可靠性，提高功率器件的使用寿命。
在一些实施例中，键合线12为铝带、铝线、铜片或铜线中至少一种。
本实施例键合线12用于连接芯片发射极7与第一导电层1和第三导电层4，承受来自芯片6的电流，需要具备良好的导电性能；铝和铜作为优秀的导电材料，具有较高的导电率及较低的电阻率，可以减少能量损耗和热量产生，提高键合线12导电效率。
在一些实施例中，芯片6包括MOSFET、二极管、IGBT、HEMT、晶体管或晶闸管中的一种。
在一些实施例中，相邻两导电层间的间隙宽度≥0.5mm。
本实施例中，相邻导电层之间需有绝缘区，以防止线路短接，造成功率器件失效。
如图1所示，本实施例还提供了一种基于如上述中任一项所述的具有大电流的功率器件的制备方法制备的具有大电流的功率器件的连接结构，包括基板2，基板2上依次间隔铺设至少四个导电层，分别为第一导电层1、第二导电层3、第三导电层4和第四导电层5；其中，第二导电层3上安装有芯片6，芯片6上方安装有至少两个间隔布设的芯片发射极7，芯片发射极7之间键合连接，并通过键合线12分别连接至第一导电层1和第三导电层4；芯片6下方安装有一个芯片门极8，芯片门极8通过键合线12与第四导电层5电连接。
本发明与现有技术对比（背景技术的图3方案），在基板2尺寸、芯片6尺寸与键合线12数量相同的前提下，通过改变基板2的版图与键合线12的键合位置，将芯片6通过键合线12分别与第一导电层1和第三导电层4连通，芯片6的电流可以通过键合线12分别向第一导电层1和第三导电层流动，大大提高了芯片6的电流的流通量，提高了功率器件的可靠性，提高了功率器件一倍的流通能力，可以降低功率器件内部寄生电感与电阻。
在一些实施例中，基板2为DBC板，DBC板上的绝缘层材质为氧化铝陶瓷、氮化铝陶瓷、氮化硅陶瓷中的一种。
本实施例基板2作用在于承托四个导电层，DBC是一种陶瓷表面金属化技术，一共包含三层，中间为绝缘层，上下覆铜层，可作为芯片6的承载体，具有绝佳的绝缘性能及散热性能；其中绝缘层常用氧化铝陶瓷、氮化铝陶瓷、氮化硅陶瓷材质。
在一些实施例中，第一导电层1、第二导电层3、第三导电层4与第四导电层5材质均为铜。
本实施例中，铜作为一种优秀的导电材料，具有很高的导电率及较低的电阻率，这样可以减少能量损耗和热量产生，提高导电层导电效率；同时，铜具有出色的耐腐蚀性能，可确保导电层的长寿命和可靠性，提高功率器件的使用寿命。
在一些实施例中，相邻两导电层间的间隙宽度≥0.5mm。
本实施例中，相邻导电层之间需有绝缘区，以防止线路短接，造成功率器件失效。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种具有大电流的功率器件的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
在基板（2）上依次间隔铺设至少四个导电层，分别为第一导电层（1）、第二导电层（3）、第三导电层（4）和第四导电层（5）；
在第二导电层（3）上安装芯片（6），在芯片（6）上方安装至少两个间隔布设的芯片发射极（7），芯片发射极（7）之间通过键合线（12）连接，键合线（12）还分别与第一导电层（1）和第三导电层（4）电连接；
在芯片（6）上还安装有芯片门极（8），将芯片门极（8）通过键合线（12）与第四导电层（5）电连接。
2.根据权利要求1所述的具有大电流的功率器件的制备方法，其特征在于，基板（2）为DBC板，DBC板上的绝缘层材质为氧化铝陶瓷、氮化铝陶瓷、氮化硅陶瓷中的一种。
3.根据权利要求2所述的具有大电流的功率器件的制备方法，其特征在于，第一导电层（1）、第二导电层（3）、第三导电层（4）与第四导电层（5）材质均为铜。
4.根据权利要求3所述的具有大电流的功率器件的制备方法，其特征在于，键合线（12）为铝带、铝线、铜片或铜线中至少一种。
5.根据权利要求4所述的具有大电流的功率器件的制备方法，其特征在于，芯片（6）包括MOSFET、二极管、IGBT、HEMT或晶闸管中的一种。
6.根据权利要求5所述的具有大电流的功率器件的制备方法，其特征在于，相邻两导电层间的间隙宽度≥0.5mm。
7.一种基于如权利要求1-6中任一项所述的具有大电流的功率器件的制备方法制备的具有大电流的功率器件的连接结构，其特征在于，
包括基板（2），基板（2）上依次间隔铺设有至少四个导电层，分别为第一导电层（1）、第二导电层（3）、第三导电层（4）和第四导电层（5）；其中，第二导电层（3）上安装有芯片（6），芯片（6）上方安装有至少两个间隔布设的芯片发射极（7），芯片发射极（7）之间键合连接，并通过键合线（12）分别连接至第一导电层（1）和第三导电层（4）；芯片（6）下方还安装有芯片门极（8），芯片门极（8）通过键合线（12）与第四导电层（5）电连接。
8.根据权利要求7所述的具有大电流的功率器件的连接结构，其特征在于，基板（2）为DBC板，DBC板上的绝缘层材质为氧化铝陶瓷、氮化铝陶瓷、氮化硅陶瓷中的一种。
9.根据权利要求8所述的具有大电流的功率器件的连接结构，其特征在于，第一导电层（1）、第二导电层（3）、第三导电层（4）与第四导电层（5）材质均为铜。
10.根据权利要求9所述的具有大电流的功率器件的连接结构，其特征在于，相邻两导电层间的间隙宽度≥0.5mm。
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