專利名稱：一種功率電子器件雙面粘接結構的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及功率電子器件封裝技術領域，特別是一種芯片雙面粘接基板的結構，通過加入金屬管層調節芯片厚度不等及雙面粘接的殘余熱應力，實現多芯片雙面粘接的電子器件。
背景技術：
目前國內功率電子器件中，封裝型式主要為芯片與基板的的單面連接或雙面連接，連接方法主要是采用回流焊，導電膠或焊膏實現。芯片與基板的單面連接結構中，熱量的傳遞方向主要是由芯片到基板的單方向傳遞，加之連接層的較大熱阻，散熱能力非常有限，大大限制了功率電子器件的封裝功率及芯片的工作效率。采用芯片直接雙面連接基板可大大提高散熱能力，但芯片承受應力及殘余熱應力較大，容易造成芯片碎裂損壞而使功率電子器件失效，成品率低，不適于工業應用及生產。多芯片封裝時，一是芯片受力更加不均勻導致芯片失效可能性更大，二是芯片厚度的不等無法采用直接雙面粘接結構封裝功率電子器件。因此，這兩種方法的效率都不高且應用范圍非常有限，不滿足當今功率電子器件大功率封裝的要求。為此有必要研究新的方法或結構，解決封裝中的各種難題，同時實現功率電子器件雙面粘接及多芯片大功率封裝。
發明內容本實用新型的目的在于針對上述技術中的不足做出改進，即本實用新型要解決的技術問題是提出一種功率電子器件雙面粘接的新結構，這種結構不僅能夠在增強電子器件散熱能力的同時，改善芯片上殘余熱應力分布，起到保護芯片的作用，而且能夠實現不等厚度芯片的多級芯片封裝功率電子器件。為解決上述問題，本實用新型提出新的技術方案，具體技術如下一種功率電子器件雙面粘接結構，在芯片與一側基板之間設置有金屬管層，金屬管的數量大于等于2，金屬管間的中心間距P大于金屬管直徑D，金屬管長度L小于等于芯片尺寸；兩塊基板上涂刷的連接材料尺寸大于等于芯片尺寸。所述的金屬管材料為銀或銅。所述的連接材料為焊膏或焊料。所述焊膏為納米銀焊膏或導電銀膠，焊料為金錫焊料。所述的結構包括一個上基板，一個下基板，三層連接材料，金屬管子以及若干個厚度任意不等的多種芯片組成，芯片厚度相差不超過所選金屬管子的管徑；上基板通過連接材料與芯片直接相連，芯片另一側通過連接材料與金屬管相連，金屬管又通過連接材料與下基板相連。本實用新型的功率電子器件雙面粘接結構的制備方法，先在兩塊基板及芯片上分別涂刷焊膏或導電膠，經干燥后，再在其中一塊基板的連接材料上，粘接芯片未涂連接材料的一側，在芯片連接材料上排布金屬管，最后將附有連接材料的上基板連接到芯片與金屬管及下基板部分，完成芯片雙面粘接基板結構；進行連接材料的燒結成型，進行壓力輔助燒結，將制成的芯片雙面冷卻結構放入平板熱壓機內，施加壓力使上下基板平行以便于下一步封裝，并同時進一步使管子發生變形，管子橫截面變為近似橢圓形。所述的輔助燒結，燒結時間為5 15分鐘，泄壓后進一步燒結的燒結溫度大于熱壓溫度，燒結時間為5 10分鐘。進行連接材料的燒結成型過程中，進行壓力輔助燒結，將制成的芯片雙面冷卻結構放入平板熱壓機內，施加相應的壓力使上下基板平行以便于下一步封裝，并同時進一步使管子發生變形，管子橫截面變為近似橢圓形，以增大管子與芯片的接觸面積，增加熱導能力。壓力輔助燒結后進行進一步燒結以提高粘接強度，增加連接機械可靠性。在本實用新型中，鋪設的金屬管的長度L略小于對應方向的芯片長度以保證連接可靠和結構緊湊，金屬管的直徑D小于芯片對應寬度的1/4以便有足夠的接觸面積保證傳熱，同時也盡可能增加管數均衡芯片上的應力分布。金屬管間的中心間距P大于管外徑，以保證在壓縮變形階段，管子有足夠的空間產生變形而不破壞連接層，從而在使用過程中，管子層可小幅自由變形改善芯片承受應力狀況。此外，在上述技術方案中，芯片可為單片雙面封裝，僅改善應力分布狀況提高芯片壽命，也可為厚度相同的多片，改善各芯片及結構整體承受應力狀況。本方案最值得一提的優點是可以將多片不同厚度的芯片進行雙面粘接，厚度不等由各管層的不等變形來補充和調節，為功率電子器件向高功率密度及高集成度發展提供了方法，能解決當今電子封裝過程中的難題。
以下結合附圖對本實用新型的具體實施方式
作進一步詳細說明，其中圖I為本實用新型多芯片雙面粘接結構一種實施方式的結構組成示意圖；圖2為本實用新型的焊膏涂刷方法示意圖；圖3為本實用新型多芯片雙面粘接結構的一種實施方式的燒結成型結構俯視圖；圖4為本實用新型多芯片雙面粘接結構一種實施方式的燒結成型結構主視圖剖面圖；圖5為本實用新型多芯片雙面粘接結構一種實施方式的燒結成型結構的左視圖。圖6為本實用新型多芯片雙面粘接結構另一種實施方式的燒結成型結構示意圖。圖7為本實用新型多芯片雙面粘接結構另一種實施方式的燒結成型結構俯視示意圖。圖中1基板、2連接材料納米銀焊膏(燒結納米銀)、3薄芯片、4厚芯片、5金屬管具體實施方式
以下結合附圖，對本實用新型的具體實施方式
作詳細說明。如圖I 6所示采用了如下一種新方法實現功率電子器件雙面粘接，即在芯片與一側基板之間鋪設金屬管層，金屬管直徑D，中心間距P和金屬管長度L可以根據芯片尺寸及使用要求進行選擇和調節，金屬管材料為軟金屬材料。結構包括一個上基板，一個下基板，三層連接材料，若干個厚度可不等的芯片以及金屬管子。上基板通過連接材料與芯片直接相連，芯片另一側通過連接材料與金屬管相連，金屬管又通過連接材料與下基板相連。先在兩塊基板及芯片上分別涂刷焊膏或導電膠，經干燥后再在其中一塊基板的連接材料上粘接芯片未涂連接材料的一側，在芯片連接材料上排布金屬管，最后將附有連接材料的上基板連接到芯片與金屬管及下基板部分，完成芯片雙面粘接基板結構。進行連接材料的燒結成型過程中，進行壓力輔助燒結，將制成的芯片雙面冷卻結構放入平板熱壓機內，施加相應的壓力使上下基板平行以便于下一步封裝，并同時進一步使管子發生變形，管子橫截面變為近似橢圓形，以增大管子與芯片的接觸面積，增加熱導能力。壓力輔助燒結后進行進一步燒結以提高粘接強度，增加連接機械可靠性。在本實用新型中，鋪設的金屬管的長度L略小于對應方向的芯片長度以保證連接可靠和結構緊湊，金屬管的直徑D小于芯片對應寬度的1/4以便有足夠的接觸面積保證傳熱，同時也盡可能增加管數均衡芯片上的應力分布。金屬管間的中心間距P大于管外徑，以保證在壓縮變形階段，管子有足夠的空間產生變形而不破壞連接層，從而在使用過程中，管子層可小幅自由變形改善芯片承受應力狀況。實施例I由圖I所示結構組成部件圖可知該多組芯片雙面粘接結構包含面積50x50mm2厚I. 2mm上下兩個DBC基板I，三層初始厚度為90um的納米銀焊膏2，兩組面積13. 5x13. 5mm2芯片薄芯片3-IGBTs，厚0. 35mm及厚芯片4-Diodes厚0. 50mm,以及外徑I. 6_，壁厚
0.3mm,長約10mm金屬管5.該結構的封裝程序為I.在上下兩個基板上分別貼膠帶，然后涂刷略大于芯片面積的納米銀焊膏，焊膏涂刷厚度為90um，如圖2所示；2.將涂刷好納米銀焊膏的基板放在加熱臺上干燥，干燥溫度為70°C，時間為10分鐘。3.經干燥后在圖I所示的下基板上鋪設銀管層，管子中心間距分別為1.93mm和I. 95mm,上方對應薄芯片的管子中心間距為I. 93mm,對應厚芯片的管子中心間距為
1.95mm.4.上基板上納米銀焊膏經在加熱臺上干燥后，分別將兩組芯片如圖3所示對角排布，粘結在上基板上。5.分別在連接于上基板上的四個芯片表面涂刷納米銀焊膏涂刷方法同圖2所示，焊膏初始厚度為90um。6.將下基板粘結好的銀管層結構粘接到芯片表面，組成如圖I和圖4順序結構。7.將粘結好的雙面粘接結構放入水平熱壓機中進行熱壓及焊膏初步燒結，熱壓溫度為225°C，熱壓時間為10分鐘，壓力為3MPa。熱壓結束后結構如圖4所示。8.將雙面粘接結構移至加熱臺進行進一步燒結成型，燒結溫度300°C，燒結時間10分鐘。9.燒結完畢后，將結構隨爐冷卻至室溫。依照上述順序封裝燒結完成之后，即可得到如圖3，4和5所示的結構。圖3所示為為減小不等厚度芯片引起的封裝的應力場分布不均情況而采用的芯片中心對稱分布方式。其中，芯片之間的間距可根據實際使用進行調整。在本實施方案中，各芯片間距均為11mm。圖4是該多組芯片雙面粘接結構的全剖主視圖。如圖所示，經熱壓燒結成型的結構中，首先上下基板均為相互平行且垂直于重力方向的平面。其次，銀管子均發生了形變，且不同厚度芯片下的銀管層分別產生了不同程度的形變，彌補了芯片厚度不等帶來的封裝困難。第三，變形后的管子與管子之間仍有空隙，保證了管子仍可發生形變，以釋放芯片承受的殘余熱應力及其后期正常工作中可能產生的應力，充分提高了結構及芯片工作的可靠性。第四，變形后的管子與銀焊膏及芯片的接觸面積增大，有效保證了芯片上產生熱量的快速傳導，彌補了增加管層對結構導熱的削弱。圖5所示為成型后結構的左視圖。由圖可看出管子長度IOmm小于芯片長度13. 5mm，在本具體實施方案中其主要目的是在保證可靠性的基礎上方便粘接，保持結構緊湊。實施例2 結構組成及封裝程序等條件同具體實施方式
1，不同的是將

圖1、4和5中的金屬管5材料為純銅材料。實施例3 結構組成及封裝程序等條件同具體實施方式
1，不同的是DBC基板面積為20x50mm2,兩個面積及厚度均不等的芯片芯片3,厚0. 35mm,大小為15mmxl5mm,芯片4厚0. 50mm,大小為10mmx5mm,如圖6及圖7所不。圖6所示為本具體實施方式
成型后結構的正視圖。由圖可看出芯片3與芯片4厚度與寬度不等，本具體實施方案主要用于封裝厚度及尺寸均不同的多組芯片。圖7所示為本具體實施方式
成型后結構的俯視圖。由圖可看出芯片3與芯片4平面尺寸的不等，同時也可看出，無論芯片是正方形還是長方形，本實用新型均可適用。本實用新型不局限于上述具體實施方式
，只要雙面封裝結構中運用了管子層匹配厚度不等及改善應力分布狀況，不論封裝多少芯片，基板芯片焊膏及管子采用什么材料，各幾何尺寸、封裝尺寸及結構尺寸如何選擇，采用何種形狀，均落在本實用新型的保護范圍之中。
權利要求1.一種功率電子器件雙面粘接結構，其特征是在芯片與一側基板之間設置有金屬管層，金屬管的數量大于等于2，金屬管間的中心間距P大于金屬管直徑D，金屬管長度L小于等于芯片尺寸；兩塊基板上涂刷的連接材料尺寸大于等于芯片尺寸。
2.如權利要求I所述的結構，其特征是所述的金屬管材料為銀或銅。
3.如權利要求I所述的結構，其特征是所述的連接材料為焊膏或焊料。
4.如權利要求2所述的結構，其特征是所述焊膏為納米銀焊膏或導電銀膠，焊料為金錫焊料。
5.如權利要求I所述的結構，其特征是所述的結構包括一個上基板，一個下基板，三層連接材料，金屬管子以及若干個厚度任意不等的多種芯片組成，芯片厚度相差不超過所選金屬管子的管徑；上基板通過連接材料與芯片直接相連，芯片另一側通過連接材料與金屬管相連，金屬管又通過連接材料與下基板相連。
專利摘要本實用新型公布了一種功率電子器件雙面粘接結構。在芯片與一側基板之間設置有金屬管層，金屬管的數量大于等于2，金屬管間的中心間距P大于金屬管直徑D，金屬管長度L小于等于芯片尺寸；兩塊基板上涂刷的連接材料尺寸大于等于芯片尺寸。該方法是通過在芯片與一側基板連接處加入銀管層來實現。芯片與基板，芯片與銀管以及銀管與基板之間均采用納米銀焊膏粘接。由于芯片厚度不等造成的封裝困難。加入銀管層，使得芯片上的應力分布更加均勻；銀管易于變形的特點，釋放芯片工作過程中產生的應力，起到保護芯片的作用。芯片雙面粘接基板結構可同時實現多芯片封裝，及不等厚度芯片封裝等，提高了結構的封裝功率、熱性能及可靠性。
文檔編號H01L23/00GK202796905SQ20122051655
公開日2013年3月13日 申請日期2012年10月9日 優先權日2012年10月9日
發明者梅云輝, 連嬌愿, 陸國權, 陳旭 申請人:天津大學