CN109786345B - 石墨烯基ipm模块的先进封装结构及加工工艺 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种石墨烯基IPM模块的先进封装结构及加工工艺，其结构包括IGBT芯片、快速恢复二极管芯片、驱动芯片、石墨烯基覆铜陶瓷基板、缓冲垫片、焊料层、焊球、塑封外壳、封装树脂、导热硅脂以及散热器。其中采用芯片倒装的先进封装形式，替换掉芯片之间以及芯片到基板的键合引线，从而实现IPM模块的双面散热，提升模块可靠性；同时采用高导热石墨烯材料增强基板局部热点的快速散热，从而降低IPM模块的最高温度，提升模块使用寿命。

Description

石墨烯基IPM模块的先进封装结构及加工工艺

技术领域

本发明属于半导体技术领域，具体涉及一种石墨烯基IPM模块的先进封装结构及加工工艺。

背景技术

智能功率模块(Intelligent Power Module，IPM)以IGBT为基础，内部集成了逻辑、控制、检测和保护电路，与普通IGBT相比，在系统性能和可靠性上均有很大的提高，同时由于IPM通态损耗和开关损耗都比较低，使散热器的尺寸减小，故整个系统的体积减小了很多，适应了功率器件的发展方向，越来越多的电力电子设备选择使用功率模块来代替分立元件。根据市调机构IHS Technology的预测，到2018年消费领域的年均复合增长率预计达到15.5％。面对当前市场对IPM在应用上的新需求，使得模块小型化、低功耗、完善的保护功能，以及更高的集成度等成为了功率器件厂商在技术开发上的重中之重。

然而IPM模块体积小、结构紧凑，内部含有多个功率器件，导致其功率密度很大，局部发热现象非常严重。对于IPM封装结构，温度是影响其可靠性的最主要因素，模块产生的热量如果不能及时排除，会导致模块内部温度过高，从而对IPM的电气、机械、腐蚀等各方面造成影响，最终导致模块失效。迫切需要对IPM模块的封装设计展开深入研究和优化，提出一种高效的散热封装方案。

发明内容

为了解决现有技术问题，本发明的目的在于克服已有技术存在的不足，提供一种石墨烯基IPM模块的先进封装结构及加工工艺，采用驱动芯片和功率芯片倒装的先进封装形式，使栅极驱动信号通过覆铜陶瓷基板(Direct Bonded Copper,DBC)与栅极相连接，替换掉芯片之间以及芯片到基板的键合引线，从而提升模块可靠性；同时将高热导率的石墨烯薄膜作为散热材料用于IPM模块的DBC衬板上，发挥其横向高导热能力，降低芯片工作时的最高温度，从而提升模块的使用寿命。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案。

一种石墨烯基IPM模块的先进封装结构，包括上石墨烯基覆铜陶瓷基板、下石墨烯基覆铜陶瓷基板及驱动芯片；所述上石墨烯基覆铜陶瓷基板是在上覆铜陶瓷基板的上铜层表面设计的石墨烯应用区域贴装氧化还原法制备好的石墨烯基薄膜得到，所述下石墨烯基覆铜陶瓷基板是在下覆铜陶瓷基板的上铜层表面设计的石墨烯应用区域用化学气相沉积法生长石墨烯薄膜得到；

所述驱动芯片的正面朝下通过焊球组连接到下石墨烯基覆铜陶瓷基板的上铜层上表面，驱动芯片的背面通过第一焊料层连接到第一缓冲垫片下表面；

所述第一缓冲垫片上表面通过第二焊料层与倒置的上石墨烯基覆铜陶瓷基板的上铜层表面相连接。

具体的，在上石墨烯基覆铜陶瓷基板上的石墨烯基薄膜厚度为50～60μm。

具体的，在下石墨烯基覆铜陶瓷基板上是用化学气相沉积法生长单层的石墨烯薄膜。

上述结构还可以包括：第一IGBT芯片和第一快速恢复二极管芯片，所述第一IGBT芯片和第一快速恢复二极管芯片的正面朝下通过第三焊料层连接到下石墨烯基覆铜陶瓷基板的上铜层表面；第一IGBT芯片和第一快速恢复二极管芯片的背面通过第一焊料层连接第二缓冲垫片；所述第二缓冲垫片通过第二焊料层和上石墨烯基覆铜陶瓷基板的上铜层表面连接。

上述结构还可以包括：第二IGBT芯片和第二快速恢复二极管芯片，所述第二IGBT芯片和第二快速恢复二极管芯片正面朝下通过第三焊料层连接到下石墨烯基覆铜陶瓷基板的上铜层表面；第二IGBT芯片和第二快速恢复二极管芯片的背面通过第一焊料层连接第三缓冲垫片；所述第三缓冲垫片通过第二焊料层和上石墨烯基覆铜陶瓷基板的上铜层表面连接。

具体的，上石墨烯基覆铜陶瓷基板分别在对应驱动芯片、IGBT芯片、快速恢复二极管芯片背面的位置设计石墨烯应用区域，下石墨烯基覆铜陶瓷基板分别在对应IGBT芯片、快速恢复二极管芯片正面的位置设计石墨烯应用区域，且避开IGBT芯片的栅极区域。

上述结构还可以包括：

第一散热器，与所述上石墨烯基覆铜陶瓷基板的下铜层下表面通过导热硅脂层紧密贴合；

第二散热器，与所述下石墨烯基覆铜陶瓷基板的下铜层下表面通过第四焊料层紧密贴合；

所述第一散热器和第二散热器之间为塑封外壳，将除散热器外所有元件封装在内；塑封外壳内部采用封装树脂灌封。

一种石墨烯基IPM模块先进封装结构的加工工艺，包括以下步骤：

步骤1、制作石墨烯基覆铜陶瓷基板结构，包括：

步骤1.1、在第一覆铜陶瓷基板上铜层上表面设计的石墨烯应用区域贴装氧化还原法制备好的石墨烯基薄膜，烘干待用，得到上石墨烯基覆铜陶瓷基板；

步骤1.2、在第二覆铜陶瓷基板上铜层上表面设计的石墨烯应用区域用化学气相沉积法生长石墨烯薄膜，得到下石墨烯基覆铜陶瓷基板；

步骤2、在下石墨烯基覆铜陶瓷基板上表面需要贴装芯片的位置上分别涂覆第三焊料层以及放置焊球组，将第一IGBT芯片、第一快速恢复二极管芯片、第二IGBT芯片、第二快速恢复二极管芯片分别倒置贴装在下石墨烯基覆铜陶瓷基板上铜层上表面对应位置上，将驱动芯片倒置贴装在下石墨烯基覆铜陶瓷基板的上铜层的焊球组上；

步骤3、在驱动芯片、第一IGBT芯片、第一快速恢复二极管芯片、第二IGBT芯片以及第二快速恢复二极管芯片的背面涂覆第一焊料层；

步骤4、在上石墨烯基覆铜陶瓷基板上涂覆第二焊料层，分别贴装第一缓冲垫片、第二缓冲垫片和第三缓冲垫片；

步骤5、将步骤4得到的结构倒置贴装在步骤3得到的结构上，使得第一缓冲垫片、第二缓冲垫片、第三缓冲垫片与第一焊料层贴合；

步骤6、在第二散热器上表面涂覆第四焊料层，将步骤5得到的结构贴装在第四焊料层上表面，放入回流焊机进行焊接；

步骤7、在第一散热器上表面涂覆导热硅脂层，倒置贴装在上石墨烯基覆铜陶瓷基板下铜层下表面对应位置上，使得所有结构位于第一散热器和第二散热器之间；

步骤8、用塑封外壳将两个散热器之间所有结构封装起来，采用封装树脂作为封装材料在塑封外壳中进行注塑灌封，最后将整个结构放在烘箱内加热固化。

具体的，在步骤1.1贴装的石墨烯基薄膜厚度为50～60μm。

具体的，步骤1.2在下覆铜陶瓷基板上铜层上生长单层的石墨烯薄膜。

本发明具有如下优点：

1、本发明采用驱动芯片和功率芯片倒装的先进封装形式，将IGBT芯片的栅极通过DBC衬板与驱动芯片的输出信号端相连，替换掉芯片之间以及芯片到基板的键合引线，提升模块可靠性；

2、本发明以高导热石墨烯材料辅助基板散热，有助于解决芯片局部温度过高导致模块失效的问题，从而提升模块使用寿命，对于IPM模块的高效散热是非常有效的热管理方案。

附图说明

图1是本发明提出的石墨烯基IPM模块的先进封装结构示意图。

图2是本发明石墨烯在上DBC衬板上铜层的应用区域示意图。

图3是本发明石墨烯在下DBC衬板上铜层的应用区域示意图。

图4是本发明工艺实施步骤2中的芯片/互连层/基板结构示意图。

图5是本发明工艺实施步骤3中的缓冲垫片/焊料层/基板结构示意图。

图6是本发明工艺实施步骤5中所述结构的示意图。

图7是本发明工艺实施步骤6中所述结构的示意图。

图8是本发明工艺实施步骤7中的导热硅脂层/散热器结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

本发明提出了石墨烯基IPM模块的先进封装结构，总体包括IGBT芯片、快速恢复二极管(Fast Recovery Diode,FRD)芯片、驱动芯片、石墨烯基DBC衬板(即石墨烯基覆铜陶瓷基板)、缓冲垫片、焊料层、焊球、塑封外壳、封装树脂、导热硅脂以及散热器。其中，上石墨烯基DBC衬板17是在一块覆铜陶瓷基板的上铜层表面设计的石墨烯应用区域贴装氧化还原法制备好的石墨烯基薄膜得到，下石墨烯基DBC衬板18是在另一块覆铜陶瓷基板的上铜层表面设计的石墨烯应用区域用化学气相沉积法生长石墨烯薄膜得到。

其中，驱动芯片22的信号通过正面的焊球组24传输给下石墨烯基DBC衬板18的上铜层，参见图1。第一IGBT芯片11和第一FRD芯片21的背面通过第一焊料层13连接到第二缓冲垫片14，再通过第二焊料层15与上石墨烯基DBC衬板17的上铜层上表面相连接，第一IGBT芯片11和第一FRD芯片21的正面分别通过第三焊料层12连接到下石墨烯基DBC衬板18的上铜层上表面。

类似的，图1中第二IGBT芯片25和第二FRD芯片26的背面通过第一焊料层13连接到第三缓冲垫片27，再通过第二焊料层15与上石墨烯基DBC衬板17的上铜层上表面相连接，第二IGBT芯片25和第二FRD芯片26的正面分别通过第三焊料层12连接到下石墨烯基DBC衬板18的上铜层上表面。

下石墨烯基DBC衬板18的下铜层下表面通过第四焊料层16连接到第二散热器20上表面，上石墨烯基DBC衬板17的下铜层下表面通过导热硅脂层19连接到第一散热器10上表面。用塑料外壳28将驱动芯片22、第一IGBT芯片11、第一FRD芯片21、第二IGBT芯片25、第二FRD芯片26及上、下石墨烯基DBC衬板封装起来，采用封装树脂29作为注塑封装材料。

如图2，3，上石墨烯基覆铜陶瓷基板17分别在对应驱动芯片22、IGBT芯片、快速恢复二极管芯片背面的位置设计石墨烯应用区域111、112、113；由于驱动芯片22正面下方会有很多线路，不方便做石墨烯层，因此下石墨烯基覆铜陶瓷基板18只在对应IGBT芯片、快速恢复二极管芯片正面的位置设计石墨烯应用区域121、122，且避开IGBT芯片的栅极区域。图3可见，一个IGBT芯片和一个快速恢复二极管芯片分为一组，两组芯片及线路均匀排布在驱动芯片22周围。

本发明还提出了上述石墨烯基IPM模块先进封装结构的加工工艺，具体步骤为：

步骤1在第一DBC衬板的上铜层上表面设计有石墨烯应用区域111、112、113，如图2所示。由于上石墨烯基DBC衬板17是与驱动芯片和功率芯片的背面相连接，且中间隔有缓冲垫片，石墨烯材料在此处应用时热容量相比热传导系数更为重要，因此选择氧化还原法制备的50～60μm厚的石墨烯基薄膜贴装在图2所示区域111、112、113，烘干待用，得到上石墨烯基DBC衬板17。

在第二DBC衬板上铜层上表面设计有石墨烯应用区域121和122，如图3所示。由于下石墨烯基DBC衬板18是与功率芯片和驱动芯片的正面相连接，石墨烯材料在此处应用时需要较高的横向热传导系数，使基板上局部热点的热量迅速横向传开，因此选用化学气相沉积法在石墨烯应用区域生长单层的石墨烯薄膜，得到下石墨烯基DBC衬板18。

步骤2，在下石墨烯基DBC衬板18的上铜层上表面的功率芯片对应位置上涂覆100～110μm厚的第三焊料层12，并在驱动芯片22的对应位置上放置焊球组24，焊球采用锡银铜合金，直径约500±5μm。如图4所示，将第一IGBT芯片11、第一FRD芯片21、第二IGBT芯片25、第二FRD芯片26和驱动芯片22分别倒置贴装在下石墨烯基DBC衬板18的上铜层上表面的对应位置上。

步骤3在上石墨烯基DBC衬板17的上铜层上表面的对应位置上涂覆100～110μm厚的第二焊料层15，将第一缓冲垫片23、第二缓冲垫片14和第三缓冲垫片27分别贴装在上石墨烯基DBC衬板17的上铜层上表面，如图5所示。这里使用的缓冲垫片可以是0.8±0.05mm厚钼垫片或钼/银复合垫片等热膨胀系数较小的热应力缓冲材料。

步骤4在第一IGBT芯片11、第一FRD芯片21、第二IGBT芯片25、第二FRD芯片26和驱动芯片22背面分别涂覆100～110μm厚的第一焊料层13。

此处步骤2和步骤3没有先后顺序。

步骤5将步骤3所述结构倒置贴装在步骤4所述结构上，使得缓冲垫片分别与芯片上的第一焊料层13贴合，如图6所示。

步骤6在第二散热器20上表面的对应位置上涂覆100～110μm厚的第四焊料层16，将步骤5所述结构贴装在第四焊料层16上表面，如图7所示，所有信号引出端通过100～110μm厚焊料加装在引线框架上(图中未画出)，放入回流焊机按照预设的温度曲线进行焊接。焊接温度条件可以根据实际效果设计。

步骤7在第一散热器10上表面涂覆50±5μm厚的导热硅脂层19，如图8所示，倒置贴装在上石墨烯基DBC衬板17的下铜层下表面对应位置上，使得所有结构位于第一散热器10和第二散热器20之间。

步骤8用塑料外壳28将第一散热器10和第二散热器20之间所有结构封装起来，采用封装树脂29进行注塑灌封，将图1所示的整个结构放在烘箱内以3℃/min的升温速度，从室温升到80℃，保温30分钟，再升温到120℃下保温1小时进行固化。固化条件可根据实际效果调整。

以上流程是同时包含第一IGBT芯片11、第一FRD芯片21、第二IGBT芯片25、第二FRD芯片26的情况，如果只包含单组IGBT芯片和FRD芯片，只需删除另一组IGBT芯片和FRD芯片及其关联结构的贴装工艺即可，也就是删除涉及附图标记25-27的部分。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种石墨烯基IPM模块的先进封装结构，其特征是，包括上石墨烯基覆铜陶瓷基板（17）、下石墨烯基覆铜陶瓷基板（18）及驱动芯片（22）；所述上石墨烯基覆铜陶瓷基板（17）是在上覆铜陶瓷基板的上铜层表面设计的石墨烯应用区域贴装氧化还原法制备好的石墨烯基薄膜得到，所述下石墨烯基覆铜陶瓷基板（18）是在下覆铜陶瓷基板的上铜层表面设计的石墨烯应用区域用化学气相沉积法生长石墨烯薄膜得到；

所述驱动芯片（22）的正面朝下通过焊球组（24）连接到下石墨烯基覆铜陶瓷基板（18）的上铜层上表面，驱动芯片（22）的背面通过第一焊料层（13）连接到第一缓冲垫片（23）下表面；

所述第一缓冲垫片（23）上表面通过第二焊料层（15）与倒置的上石墨烯基覆铜陶瓷基板（17）的上铜层表面相连接；

还包括：第一IGBT芯片（11）和第一快速恢复二极管芯片（21），所述第一IGBT芯片（11）和第一快速恢复二极管芯片（21）的正面朝下通过第三焊料层（12）连接到下石墨烯基覆铜陶瓷基板（18）的上铜层表面；第一IGBT芯片（11）和第一快速恢复二极管芯片（21）的背面通过第一焊料层（13）连接第二缓冲垫片（14）；所述第二缓冲垫片（14）通过第二焊料层（15）和上石墨烯基覆铜陶瓷基板（17）的上铜层表面连接；

还包括：第二IGBT芯片（25）和第二快速恢复二极管芯片（26），所述第二IGBT芯片（25）和第二快速恢复二极管芯片（26）正面朝下通过第三焊料层（12）连接到下石墨烯基覆铜陶瓷基板（18）的上铜层表面；第二IGBT芯片（25）和第二快速恢复二极管芯片（26）的背面通过第一焊料层（13）连接第三缓冲垫片（27）；所述第三缓冲垫片（27）通过第二焊料层（15）和上石墨烯基覆铜陶瓷基板（17）的上铜层表面连接；

上石墨烯基覆铜陶瓷基板（17）分别在对应驱动芯片（22）、IGBT芯片、快速恢复二极管芯片背面的位置设计石墨烯应用区域，下石墨烯基覆铜陶瓷基板（18）分别在对应IGBT芯片、快速恢复二极管芯片正面的位置设计石墨烯应用区域，且避开IGBT芯片的栅极区域。

2.根据权利要求1所述的石墨烯基IPM模块的先进封装结构，其特征在于，在上石墨烯基覆铜陶瓷基板（17）上的石墨烯基薄膜厚度为50~60μm。

3.根据权利要求1所述的石墨烯基IPM模块的先进封装结构，其特征在于，在下石墨烯基覆铜陶瓷基板（18）上是用化学气相沉积法生长单层的石墨烯薄膜。

4.根据权利要求1-3任一项所述的石墨烯基IPM模块的先进封装结构，其特征在于，还包括：

第一散热器（10），与所述上石墨烯基覆铜陶瓷基板（17）的下铜层下表面通过导热硅脂层（19）紧密贴合；

第二散热器（20），与所述下石墨烯基覆铜陶瓷基板（18）的下铜层下表面通过第四焊料层（16）紧密贴合；

所述第一散热器（10）和第二散热器（20）之间为塑封外壳（28），将除散热器外所有元件封装在内；塑封外壳（28）内部采用封装树脂（29）灌封。

5.一种石墨烯基IPM模块的先进封装结构的加工工艺，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、制作石墨烯基覆铜陶瓷基板结构，包括：

步骤1.1、在第一覆铜陶瓷基板上铜层上表面设计的石墨烯应用区域贴装氧化还原法制备好的石墨烯基薄膜，烘干待用，得到上石墨烯基覆铜陶瓷基板（17）；

步骤1.2、在第二覆铜陶瓷基板上铜层上表面设计的石墨烯应用区域用化学气相沉积法生长石墨烯薄膜，得到下石墨烯基覆铜陶瓷基板（18）；

步骤2、在下石墨烯基覆铜陶瓷基板（18）上表面需要贴装芯片的位置上分别涂覆第三焊料层（12）以及放置焊球组（24），将第一IGBT芯片（11）、第一快速恢复二极管芯片（21）、第二IGBT芯片（25）、第二快速恢复二极管芯片（26）分别倒置贴装在下石墨烯基覆铜陶瓷基板（18）上铜层上表面对应位置上，将驱动芯片（22）倒置贴装在下石墨烯基覆铜陶瓷基板（18）的上铜层的焊球组（24）上；

步骤3、在驱动芯片（22）、第一IGBT芯片（11）、第一快速恢复二极管芯片（21）、第二IGBT芯片（25）以及第二快速恢复二极管芯片（26）的背面涂覆第一焊料层（13）；

步骤4、在上石墨烯基覆铜陶瓷基板（17）上涂覆第二焊料层（15），分别贴装第一缓冲垫片（23）、第二缓冲垫片（14）和第三缓冲垫片（27）；

步骤5、将步骤4得到的结构倒置贴装在步骤3得到的结构上，使得第一缓冲垫片（23）、第二缓冲垫片（14）、第三缓冲垫片（27）与第一焊料层（13）贴合；

所述第一IGBT芯片（11）和第一快速恢复二极管芯片（21）的正面朝下通过第三焊料层（12）连接到下石墨烯基覆铜陶瓷基板（18）的上铜层表面；第一IGBT芯片（11）和第一快速恢复二极管芯片（21）的背面通过第一焊料层（13）连接第二缓冲垫片（14）；所述第二缓冲垫片（14）通过第二焊料层（15）和上石墨烯基覆铜陶瓷基板（17）的上铜层表面连接；

所述第二IGBT芯片（25）和第二快速恢复二极管芯片（26）正面朝下通过第三焊料层（12）连接到下石墨烯基覆铜陶瓷基板（18）的上铜层表面；第二IGBT芯片（25）和第二快速恢复二极管芯片（26）的背面通过第一焊料层（13）连接第三缓冲垫片（27）；所述第三缓冲垫片（27）通过第二焊料层（15）和上石墨烯基覆铜陶瓷基板（17）的上铜层表面连接；

步骤6、在第二散热器（20）上表面涂覆第四焊料层（16），将步骤5得到的结构贴装在第四焊料层（16）上表面，放入回流焊机进行焊接；

步骤7、在第一散热器（10）上表面涂覆导热硅脂层（19），倒置贴装在上石墨烯基覆铜陶瓷基板（17）下铜层下表面对应位置上，使得所有结构位于第一散热器（10）和第二散热器（20）之间；

步骤8、用塑封外壳（28）将两个散热器之间所有结构封装起来，采用封装树脂（29）作为封装材料在塑封外壳（28）中进行注塑灌封，最后将整个结构放在烘箱内加热固化。

6.如权利要求5所述的石墨烯基IPM模块的先进封装结构的加工工艺，其特征在于，在步骤1.1贴装的石墨烯基薄膜厚度为50~60μm。

7.如权利要求5所述的石墨烯基IPM模块的先进封装结构的加工工艺，其特征在于，步骤1.2在下覆铜陶瓷基板上铜层上生长单层的石墨烯薄膜。