专利名称：一种碳化硅功率器件的封装方法
技术领域：
本发明涉及碳化硅功率器件封装领域，特别是涉及一种碳化硅功率器件的封装方法。
背景技术：
在汽车、家电、产业设备、网络通信、电力系统等多个领域，降低逆变器及变频器的 电力损失都是必要课题，而这其中功率半导体器件起着至关重要的作用。传统硅功率器件 的性能在很多方面都逼近了它的理论极限，从而导致在实际应用中很难满足电力电子系统 对功率开关器件在阻断电压、通态电流、工作频率，以及高效、高温等方面的新的需求。在这种情况下，基于碳化硅的第三代功率器件脱颖而出，凭借碳化硅材料优越的 物理性能，可大幅降低逆变器及变频器等电力转换类器件的损失，与硅元件相比，碳化硅元 件可将电力损失降至前者的一半以下，因此也被称为“重环保时代的关键元件”。自从碳化 硅功率肖特基二极管问世以来，围绕碳化硅功率器件的开发和应用日趋活跃，高品质、大直 径的碳化硅衬底和大幅改善的元件相继亮相，并成功应用于开关模式电源、燃料电动车逆 变器、空调变频器和太阳能发电系统等领域。在碳化硅功率器件生产中，功率模块封装技术尤为关键。功率模块封装技术从解 决模块的封装结构、模块内部芯片及其与基板的互连、各类封装材料的选取、制备的工艺流 程等问题出发，使系统中各种元器件之间互连所产生的不利寄生参数减到最小，模块电路 所产生的热量更易于向外散发，器件能承受使用时的环境应力的冲击，具有更大的电流承 载能力，使产品的整体性能、可靠性、功率密度得到提高。功率模块的封装按管芯或芯片的 组装工艺及安装固定方法的不同，主要分为压接结构、焊接结构和直接敷铜基板结构等。由于制造大电流碳化硅分立器件所需要的大尺寸晶片生长、外延技术目前还不甚 成熟，目前要实现单只晶圆的大面积器件仍非常困难。因此，以多芯片组合方式构成的高温 功率模块成为人们为满足大电流应用的需要而关注的对象。碳化硅功率器件的工作温度可达600°C，远高于硅功率器件的150°C。碳化硅功率 器件的高温工作能力使其在实际应用中能够充分发挥高频高功率的优势，但是，现有的模 块封装结构不能承受较高的温度，成为碳化硅功率器件应用的一大瓶颈。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是一种碳化硅功率器件的封装方法，该封装方法可有 效提高碳化硅功率器件的使用温度。本发明一种碳化硅功率器件的封装方法，选择覆铜的氮化铝作衬板材料，衬板上 设有一层钼片作为焊接面；选择镀镍的铝碳化硅作基板材料，该封装方法包括以下步骤 将碳化硅芯片焊接在衬板的焊接面上，将衬板焊接在基板上；将引线的一端与碳化硅芯片 的电极焊接，另一端与衬板上的电极焊接；将功率接线端子焊在衬板的电极上；安装管壳， 填充热膨胀缓冲层和密封剂，再安装管盖。
优选的，将碳化硅芯片焊接在衬板的焊接面上之前，该封装方法还包括采用超声 波清洗+化学清洗的方法清除基板和衬板表面的颗粒物质和离子杂质。优选的，将碳化硅芯片焊接在衬板的焊接面上具体为将材料为Au-20% Ge的焊 料均勻涂在衬板的焊接面上；采用回流焊技术将碳化硅芯片焊接在衬板的焊接面上。优选的，将衬板焊接在基板上具体为采用滴涂技术将材料为5Sn/95m3的焊料涂 在衬板的焊接面上；采用回流焊技术将衬板焊接在基板上。优选的，引线与碳化硅芯片电极和衬板电极的焊接采用点焊工艺，焊料选用 5Sn/95Pb0优选的，将功率接线端子焊在衬板的电极上具体为采用5Sn/92. 5Pb/2. 5Ag作为 焊料，将功率接线端子焊在衬板的电极上。优选的，所述密封剂为环氧树脂。优选的，所述热膨胀缓冲层为双组分硅胶。优选的，碳化硅芯片的面积与衬板焊接面的面积的比例低于1/2。 与现有技术相比，本发明具有以下优点本发明本发明很好的处理了热膨胀匹配问题，使碳化硅功率器件的设计使用温度 为250°C，远高于普通硅功率器件的125°C。本发明在接触面两侧尽量选择热膨胀系数相似 的材料，比如衬板材料氮化铝和钼片、基板的材料铝碳化硅、及碳化硅芯片的热膨胀系数接 近；在热膨胀系数相差过大的接触面之间增加热膨胀过渡层，比如在衬板与密封剂的接触 面之间热膨胀过渡层，这样有效防止由于收缩而导致的破裂，使碳化硅功率器件可以在较 高的温度下使用。
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对现有技术和实施例中所 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为本发明碳化硅功率器件的封装方法流程图；图2为衬板示意图；图3为基板示意图；图4为碳化硅芯片与衬板焊接示意图；图5为衬板与基板焊接示意图；图6为引线焊接示意图；图7为功率接线端子焊接示意图；图8为管壳、管盖安装示意图。
具体实施例方式为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实 施方式对本发明作进一步详细的说明。参见图1，示出本发明碳化硅功率器件的封装方法，具体包括以下步骤。
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步骤S101、选择直接覆铜的氮化铝(AlN)作为衬板材料，该衬板材料具有高的热 导率，热膨胀系数与碳化硅的相近。见图2，衬板21为长方形。选择镀镍的铝碳化硅(AlSiC)作为基板材料，该基板材料具有高导热率，热膨胀 系数与AlN衬板热膨胀系数接近。见图3，基板22为长方形，略大于衬板21。采用超声波清洗+化学清洗的方法清除基板22和衬板21表面的颗粒物质和离子 杂质。步骤S102、将碳化硅芯片焊接在衬板21上。选用Au-20% Ge作焊料，该焊料的 熔点Tm = 360°C，具有较好的可焊性；采用丝网印刷技术将焊料均勻涂在衬板21的焊接面 上，采用回流焊技术实现碳化硅芯片23与衬板21的焊接。见图4，多个碳化硅芯片23分两 组对称焊接在衬板21焊接面上。该焊接面可为钼片。步骤S103、将衬板21焊接在AlSiC基板22上。选用5311/95 作为焊料，该焊料 的熔点Tm = 308°C，较步骤S102使用焊料的熔点Tm低52°C。焊接时，采用滴涂技术将焊 料涂在衬板21的焊接面上，再采用回流焊技术实现衬板21与基板22的焊接(见图5)。步骤S104、焊接引线。见图6，采用引线M实现碳化硅芯片23正面电极的引出， 引线M的一端与碳化硅芯片23的电极焊接，另一端与衬板21上的镀镍铜电极焊接，焊料 选用5Sn/95Pb。该焊接工序为点焊，防止将前序焊接工序的焊层熔化。步骤S105、功率接线端子的焊接与弯折。选用材料为260黄铜的功率接线端子 25，该功率接线端子25具有较高的电导率和机械特性。见图7，将功率接线端子25焊在衬 板21的镀镍铜电极上，焊料采用5Sn/92. 5Pb/2. 5Ag，该焊料的熔点为Tm = 287比步骤 S103使用焊料的熔点Tm低21°C。弯折时，采用专用模具将功率接线端子25弯折成型。步骤S106、安装管壳沈，填充缓冲层和密封剂，再安装管盖27 (见图8)。缓冲层选 用双组分硅胶，该硅胶在250°C能长期保持弹性，并具有优良的电气性能和化学稳定性；密 封剂采用高温环氧树脂，它具有良好的耐高温性能以及机械支撑和绝缘作用；管壳26、管 盖27采用DAP塑料制成，其软化温度达到260°C以上，且具有良好的机械强度和绝缘能力。本发明封装方案结构紧凑，操作简单，它还具有很好的热循环能力和耐热疲劳能 力，同时电气连接性能也非常优越，因为设计过程中充分考虑了以下问题1.本发明很好的处理了热膨胀匹配问题，使碳化硅功率器件的设计使用温度为 2500C，远高于普通硅功率器件的125°C。设计方案中，在接触面两侧尽量选择热膨胀系数相 似的材料，比如衬板21材料AlN(热膨胀系数α =3. 9X10-6 ·Κ-1)与碳化硅芯片23(热 膨胀系数α =3.3Χ10-6·Κ_1)的热膨胀系数接近；在热膨胀系数相差过大的接触面之间 增加过渡层，比如在衬板21的材料AlN和钼片(热膨胀系数α =5. 4 X 10-6. Κ-1)与环 氧树脂(热膨胀系数α = 40X10-6 · Κ-1)的接触面之间填充了柔软的双组份硅胶，有效 防止由于收缩而导致的破裂；2.本发明采用独特的焊接方式，保证碳化硅功率器件的散热性能和电气性能， 提高焊层和焊点的耐高温性能、抗热冲击能力和热疲劳能力。设计方案中，采用了三次 焊接，第一次焊接采用的焊料为AU-20%Ge，通电Tm = 360°C ；第二次焊接采用的焊料为 5Sn/95Pb，熔点 ιι = 308°C，第三次焊接采用的焊料为 5Sn/92. 5Pb/2. 5Ag，熔点 ιι = 287°C ； 这些焊料都具有较好的可焊性和焊接强度，而且后工序采用的焊料熔点都比前一次低20°C 以上，这样保证了每次焊接时前工序焊层的坚固性和可靠性。
焊接层在高温下的抗热冲击和疲劳性能决定于焊料的熔点Tm紧密相关，采用的 熔点最低的焊料5Sn/92. 5Pb/2. 5Ag的Tm = 287°C，明显高于2500C0此外，选用的焊料都 具有可焊性好，润湿性好，抗疲劳能力强，蠕变强度高等特点。3.本发明在器件功耗较为严重的情况下，通过合理的散热设计使碳化硅芯片工作 在设计温度之下，并保证封装结构的安全。经过计算，如果采用水冷方式，并假设封装12个 IcmXlcm的碳化硅芯片，且芯片与钼片的面积比为1 2，器件的热阻约为0. 05K ·W-I ；按 照设计要求，芯片工作结温为250°C，假设环境温度为25°C，那么器件的散热能力为450W/ cm2,完全能够满足实际应用要求。本发明可广泛适用于碳化硅二端和三端功率器件。以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人 员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，也可以上述具体实施 方式的进行组合，这些改进、润饰及组合形成的技术方案也应视为本发明的保护范围。
权利要求
1.一种碳化硅功率器件的封装方法，其特征在于，选择覆铜的氮化铝作衬板材料，衬板 上设有一层钼片作为焊接面；择镀镍的铝碳化硅作基板材料，该封装方法包括以下步骤将碳化硅芯片焊接在衬板的焊接面上，将衬板焊接在基板上；将引线的一端与碳化硅芯片的电极焊接，另一端与衬板上的电极焊接；将功率接线端子焊在衬板的电极上；安装管壳，填充热膨胀缓冲层和密封剂，再安装管盖。
2.如权利要求1所述的封装方法，其特征在于，将碳化硅芯片焊接在衬板的焊接面上 之前，该封装方法还包括采用超声波清洗+化学清洗的方法清除基板和衬板表面的颗粒物质和离子杂质。
3.如权利要求1所述的封装方法，其特征在于，将碳化硅芯片焊接在衬板的焊接面上 具体为将材料为Au-20% Ge的焊料均勻涂在衬板的焊接面上；采用回流焊技术将碳化硅芯片焊接在衬板的焊接面上。
4.如权利要求1所述的封装方法，其特征在于，将衬板焊接在基板上具体为采用滴涂技术将材料为5Sn/95I^的焊料涂在衬板的焊接面上；采用回流焊技术将衬板焊接在基板上。
5.如权利要求1所述的封装方法，其特征在于，引线与碳化硅芯片电极和衬板电极的 焊接采用点焊工艺，焊料选用5Sn/95Pb。
6.如权利要求1所述的封装方法，其特征在于，将功率接线端子焊在衬板的电极上具 体为采用5Sn/92. 5Pb/2. 5Ag作为焊料，将功率接线端子焊在衬板的电极上。
7.如权利要求1所述的封装方法，其特征在于，所述密封剂为环氧树脂。
8.如权利要求1所述的封装方法，其特征在于，所述热膨胀缓冲层为双组分硅胶。
9.如权利要求1-8任一项所述的封装方法，其特征在于，碳化硅芯片的面积与衬板焊 接面的面积的比例低于1/2。
全文摘要
本发明涉及一种碳化硅功率器件的封装方法，选择覆铜的氮化铝作衬板材料，衬板上设有一层钼片作为焊接面；选择镀镍的铝碳化硅作基板材料，该封装方法包括以下步骤将碳化硅芯片焊接在衬板的焊接面上，将衬板焊接在基板上；将引线的一端与碳化硅芯片的电极焊接，另一端与衬板上的电极焊接；将功率接线端子焊在衬板的电极上；安装管壳，填充热膨胀缓冲层和密封剂，再安装管盖。本发明可有效提高碳化硅功率器件的使用温度。
文档编号H01L21/50GK102130020SQ20111000050
公开日2011年7月20日 申请日期2011年1月4日 优先权日2011年1月4日
发明者丁荣军, 刘博 , 刘国友, 吴煜东, 张明, 彭勇殿, 曾文彬, 罗海辉, 雷云 申请人:株洲南车时代电气股份有限公司