一种IGBT模块封装结构及其制作方法与流程

一种igbt模块封装结构及其制作方法
技术领域
1.本发明涉及igbt模块封装领域，尤其涉及一种igbt模块封装结构，以及此igbt模块封装结构的制作方法。


背景技术：

2.由于igbt模块输入阻抗大，驱动功率小，控制电路简单，开关损耗小，通断速度快，工作频率高等特点,被广泛应用于工业、国防军工等传统产业领域，以及轨道交通、新能源汽车等战略性新型产业领域。
3.传统igbt模块多采用引线键合实现芯片之间的电气连接，但引线线长较大，引线电感大、耗损高，且承受振动能力较差，容易发生断裂，导致igbt模块的可靠性低。


技术实现要素：

4.本发明实施例的一个目的在于：提供一种igbt模块封装结构，其可靠性高。
5.本发明实施例的另一个目的在于：提供一种igbt模块封装结构制作方法，其生产效率高。
6.为达上述目的，本发明采用以下技术方案：
7.第一方面，提供一种igbt模块封装结构，包括：
8.底板，所述底板上依次层叠设置有基板和线路层，所述基板包括绝缘层和第一金属层，所述第一金属层位于所述绝缘层和所述线路层之间，所述第一金属层的上表面设置有凹槽，所述凹槽的槽口朝向所述线路层开设，所述凹槽内间隔设置有第一芯片和第二芯片，所述第一芯片和所述第二芯片均设置有顶部电极和底部电极，所述第一芯片和第二芯片的所述底部电极通过所述第一金属层与所述线路层上的第一连接端子电连接，所述第一芯片的所述顶部电极和所述第二芯片的一个所述顶部电极与所述线路层上的第二连接端子电连接，所述第二芯片的另一个所述顶部电极与所述线路层上的第三连接端子电连接；
9.外壳，所述外壳上设置有三个引线端子，三个所述引线端子分别与所述线路层上的所述第一连接端子、所述第二连接端子和所述第三连接端子电连接，所述外壳和所述底板连接且二者之间形成容纳腔，所述基板、所述第一芯片、所述第二芯片和线路层均位于所述容纳腔内。
10.作为igbt模块封装结构的一种优选方案，所述顶部电极上设置有第一孔，所述第一孔内填充有第二金属层，所述第二金属层和所述线路层电连接，所述第二金属层和所述第一孔的孔壁之间设置有导电材质的阻挡层。
11.作为igbt模块封装结构的一种优选方案，所述第二金属层和所述阻挡层之间设置有导电材质的过渡层。
12.作为igbt模块封装结构的一种优选方案，所述第二金属层上设置有焊球，所述第二金属层通过所述焊球与所述线路层电连接。
13.作为igbt模块封装结构的一种优选方案，所述顶部电极的上表面和所述第一金属
层的上表面平齐。
14.作为igbt模块封装结构的一种优选方案，所述基板包括第三金属层，所述第三金属层位于所述绝缘层和所述底板之间。
15.作为igbt模块封装结构的一种优选方案，包括功能元件，所述功能元件设置在所述线路层上，所述功能元件通过所述线路层与所述第一芯片和所述第二芯片电连接。
16.作为igbt模块封装结构的一种优选方案，所述凹槽内填充有第一填充层；和/或，
17.所述容纳腔内填充有第二填充层。
18.第二方面，提供一种igbt模块封装结构制作方法，用于制造上述的igbt模块封装结构，包括以下步骤：
19.将基板固定在底板上；
20.蚀刻所述基板的第一金属层的上表面以形成凹槽；
21.将第一芯片和第二芯片分别固定在所述凹槽内，使所述第一芯片和所述第二芯片的底部电极与所述第一金属层电连接；
22.在所述第一金属层的上表面形成线路层，使所述第一金属层和所述线路层上的第一连接端子电连接，所述第一芯片的顶部电极和所述第二芯片的一个所述顶部电极与所述线路层上的第二连接端子电连接，所述第二芯片的另一个所述顶部电极与所述线路层上的第三连接端子电连接；
23.将所述底板和外壳连接，并使所述外壳上的三个引线端子分别与所述线路层上的所述第一连接端子、所述第二连接端子和所述第三连接端子电连接。
24.作为igbt模块封装结构制作方法的一种优选方案，在所述顶部电极上形成第一孔，在所述第一孔内分别成型阻挡层、过渡层和第二金属层，然后在所述第二层金属层上加工焊球，通过所述焊球将所述第二金属层和所述线路层电连接。
25.作为igbt模块封装结构制作方法的一种优选方案，所述焊球加工成型后，在所述凹槽填充第一填充层，之后再成型所述线路层。
26.作为igbt模块封装结构制作方法的一种优选方案，所述线路层成型后，将功能元件和所述线路层电连接，之后再将所述底板和所述外壳连接，并将所述外壳上的三个引线端子分别与所述线路层上的所述第一连接端子、所述第二连接端子、所述第三连接端子电连接。
27.作为igbt模块封装结构制作方法的一种优选方案，所述底板和所述外壳连接完成后形成容纳腔，在所述容纳腔内填充第二填充层。
28.本发明的有益效果为：通过在第一金属层上设置凹槽，将第一芯片和第二芯片设置在凹槽内，减小了igbt模块封装结构的尺寸，实现igbt模块集成的小型化；通过在第一金属层上设置线路层，将原有的引线结构取代为层状的线路结构，降低了线路的电感和内阻，减小了信号延迟，实现了芯片之间的低功耗和高速通讯，提高了igbt模块可靠性。
附图说明
29.下面根据附图和实施例对本发明作进一步详细说明。
30.图1为本发明实施例igbt模块封装结构的示意图。
31.图2至图7为本发明实施例igbt模块封装结构制作方法的步骤示意图。
32.图8为本发明实施例顶部电极的示意图。
具体实施方式
33.为使本发明解决的技术问题、采用的技术方案和达到的技术效果更加清楚，下面将结合附图对本发明实施例的技术方案作进一步的详细描述，显然，所描述的实施例仅仅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，本领域技术人员在没有作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。
34.如图1和图3所示，本发明提供的一种igbt模块封装结构，包括底板1，底板1上依次层叠设置有基板3和线路层10，基板3包括绝缘层302和第一金属层303，第一金属层303位于绝缘层302和线路层10之间，第一金属层303的上表面设置有凹槽，凹槽的槽口朝向线路层10开设，凹槽内间隔设置有第一芯片7和第二芯片8，第一芯片7和第二芯片8均设置有顶部电极16和底部电极17，第一芯片7的底部电极1701和第二芯片8的底部电极1702通过第一金属层303与线路层10上的第一连接端子1001电连接，第一芯片7的顶部电极1601和第二芯片8的一个顶部电极1602与线路层10上的第二连接端子1002电连接，第二芯片8的另一个顶部电极1603与线路层10上的第三连接端子1003连接，外壳14上设置有三个引线端子1401、1402和1403，引线端子1401、引线端子1402和引线端子1403分别与第一连接端子1001、第二连接端子1002和第三连接端子1003电连接，外壳14和底板1连接且二者之间形成容纳腔，基板3、第一芯片7、第二芯片8和线路层10均位于容纳腔内。通过在第一金属层303上设置凹槽，将第一芯片7和第二芯片8设置在凹槽内，减小了igbt模块封装结构的尺寸，实现igbt模块集成的小型化；通过在第一金属层303上设置线路层10，将原有的引线结构取代为层状的线路结构，降低了线路的电感和内阻，减小了信号延迟，实现了芯片之间的低功耗和高速通讯，提高了igbt模块可靠性。
35.具体地，本实施例中，第一芯片7为fwd芯片，第一芯片7上的底部电极1701为fwd芯片的阴极，第一芯片7上的顶部电极1601为fwd芯片的阳极，第二芯片8为igbt芯片，第二芯片8的底部电极1702为igbt芯片的集电极，第二芯片8的一个顶部电极1602为igbt芯片的发射极，第二芯片8的另一个顶部电极1603为igbt芯片的栅极，fwd芯片的阴极1701和igbt芯片的集电极1702通过第一金属层303与线路层10上的第一连接端子1001电连接，fwd芯片的阳极1601和igbt芯片的发射极1602与线路层10上的第二连接端子1002电连接，igbt芯片的栅极1603单独与线路层10上的第三连接端子1003电连接。本实施例中，一个第一芯片7和一个第二芯片8形成一芯片组，一个igbt模块封装结构内设置有一组芯片组，在其他实施例中，一个igbt模块封装结构内可以设置有多组芯片组。
36.具体地，线路层10包括线路结构和介质层，线路结构包括第一连接端子1001、第二连接端子1002和第三连接端子1003，介质层为绝缘材质，介质层可以为线路结构提供支撑，降低线路结构的加工难度。
37.参照图2至图7，本实施例中还提供了一种igbt模块封装结构制作方法，应用于制造上述的igbt模块封装结构，包括以下步骤：
38.将基板3固定在底板1上；
39.蚀刻基板3的第一金属层303的上表面以形成凹槽；
40.将第一芯片7和第二芯片8固定在凹槽内，使第一芯片7的底部电极1701和第二芯
片8的底部电极1702与第一金属层303电连接；
41.在第一金属层303的上表面形成线路层10，使第一金属层303和线路层10上的第一连接端子1001电连接，使第一芯片7的顶部电极1601和第二芯片8的一个顶部电极1602与线路层10上的第二连接端子1002电连接，使第二芯片8的另一个顶部电极1603与线路层10上的第三连接端子1003电连接；
42.将底板1和外壳14连接，并使外壳14上的引线端子1401、引线端子1402和引线端子1403分别与线路层10上的第一连接端子1001、第二连接端子1002和第三连接端子1003电连接。
43.具体地，先将第一芯片7和第二芯片8固定完成后，再在第一金属层303上形成线路层10，可以通过第一芯片7和第二芯片8的具体安装位置设计线路层10内的线路结构，降低第一芯片7和第二芯片8与线路层10的连接难度。
44.具体地，第一芯片7和第二芯片8水平排布在凹槽内，由于第一芯片7和第二芯片8可能具有不同的厚度，可以调整第一芯片7和第二芯片8所在凹槽区域的深度，保证第一芯片7和第二芯片8的顶面电极16均与第一金属层303的上表面平齐，这样可以使线路层10各处厚度一致，降低线路层10的布线难度。
45.具体地，igbt模块封装结构制作方法包括以下步骤：
46.步骤100、通过第一连接层2将底板1和基板3粘接,使基板3固定在底板1上；
47.步骤200、对基板3上的第一金属层303进行刻蚀挖槽，形成凹槽；
48.步骤300、将第一芯片7和第二芯片8分别通过第二连接层6焊接在凹槽的槽底上；
49.步骤400、在第一金属层303的上表面沉积金属和介质层，形成相应的形成线路层10；
50.步骤500、将外壳14和底板1连接。
51.其中，第一连接层2为胶浆等粘结性材料，这样可以保证基板3和底板1的连接强度；绝缘层302为氧化铝陶瓷、氮化铝陶瓷或氧化铍等具有高导热、高电绝缘、高机械强度以及低膨胀特点的材料；第二连接层6的材料为焊料，这样可以实现第一芯片7和第二芯片8与第一金属层303的电性连接。线路层10的厚度为80
‑
120μm，这样可以保证连接线路的连接强度
52.具体地，基板3包括第三金属层301，第三金属层301位于绝缘层302和底板1之间，通过第一连接层2将底板1与第三金属层301的粘结，实现基板3在底板1上的固定，第三金属层301可以提高基板3对第一芯片7和第二芯片8的散热效果。
53.参照图8，具体地，第一芯片7和第二芯片8的顶部电极16上设置有第一孔，在本实施例中，顶部电极16的尺寸为350
‑
400微米，第一孔的直径为80
‑
100微米，第一孔内填充有第二金属层5，第二金属层5和线路层10电连接，第二金属层5和第一孔的孔壁之间设置有导电材质的阻挡层15；第二金属层5的材质可以是铜、铝、金或者钨，阻挡层15的材质可以是钛、钽或者氮化钽，在本实施例中，第二金属层5的材质为铜，阻挡层15的材质为钛，通过设置铜质的第二金属层5，可以降低第一芯片7和第二芯片8与线路层10之间的焊接难度；使用时，在高温环境下，第二金属层5内的铜单质容易转化为铜离子，设置钛材质的阻挡层15可以避免第二金属层5内的铜离子向外扩散，保证第一芯片7和第二芯片8与线路层10之间的连接稳定性。
54.具体地，第二金属层5和阻挡层15之间设置有导电材质的过渡层12，过渡层12的材料可以是铜、铜钛合金、钽或者氮化钽，在本实施例中，过渡层12的材质为铜钛合金，用于导电进行第二金属层5的填充电镀。
55.具体的，第二金属层5上设置有焊球4，第二金属层5通过焊球4与线路层10电连接。
56.具体地，凹槽内填充有第一填充层9，第一填充层9的材料为绝缘的硅胶、硅树脂或者环氧树脂。通过设置第一填充层9，可以避免第一芯片7和第二芯片8移位，同时，第一填充层9可以对线路层10起到支撑的作用，避免线路层10出现塌陷，避免器件出现断路现象。
57.具体地，igbt模块封装结构制作方法的步骤300和步骤400之间还包括：
58.步骤310、在顶部电极16上制作第一孔；
59.步骤320、在第一孔内依次成型阻挡层15、过渡层12和第二金属层5；
60.步骤330、在第二金属层5上加工焊球4，焊球4最高点和第一金属层303的上表面平齐；
61.步骤340、向凹槽填充第一填充层9，使第一填充层9的上表面和第一金属层303的上表面平齐。
62.具体地，先通过激光刻蚀或者深反应离子刻蚀在顶部电极16上成型第一孔，使用化学气相沉积或物理沉积的方式成型阻挡层15，然后通过喷涂或电镀的方式成型过渡层12，之后通过电镀、喷涂或印刷的方式成型第二金属层5，最后通过点涂或钢网印刷的方式在第二金属层5上成型焊球4。
63.具体地，线路层10上表面连接有功能元件11，功能元件11包括温度传感器、电流传感器以及驱动电路等元件，第一芯片7和第二芯片8通过线路层10和功能元件11实现电气连接。功能元件11的设置可以增加igbt模块的功能，使igbt模块可以适应不同的使用场景。
64.具体地，功能元件11设置有多个，至少两个功能元件11以堆叠的方式设置在线路层10的上表面，堆叠的功能元件11上设置有第二孔，第二孔内相应设置有第二金属层5、过渡层12和阻挡层15，相邻两个堆叠的功能元件11之间通过焊球4连接，功能元件11和线路层10之间也通过焊球4连接，这样可以提高功能元件11和线路层10的连接稳定性。
65.具体地，igbt模块封装结构制作方法的步骤400和步骤500之间还包括：
66.步骤410、在功能元件11上制作第二孔；
67.步骤420、在第二孔内依次成型阻挡层15、过渡层12和第二金属层5；
68.步骤430、在第二金属层5上加工焊球4，使用焊球4将多个功能元件11焊接，焊接完成的功能元件11通过焊球4与线路层10电连接。
69.具体的，首先通过激光刻蚀或者深反应离子刻蚀在功能元件11上成型第二孔，使用化学气相沉积或物理沉积的方式成型阻挡层15，然后通过喷涂或电镀的方式成型过渡层12，之后通过电镀、喷涂或印刷的方式成型第二金属层5，最后通过点涂或钢网印刷的方式在第二金属层上5成型焊球4。
70.具体地，外壳14和底板1形成的容纳腔内填充有第二填充层13，第二填充层13为有机硅导热胶、环氧树脂ab胶、聚氨酯胶、导热硅脂等导热效果较好的材料。设置第二填充层13，有利于加快第一芯片7和第二芯片8的散热效率；由于功能元件11凸出于线路层10的外表面，设置第二填充层13，可以对功能元件11形成支撑，避免出现断路现象。
71.具体地，igbt模块封装结构制作方法制作方法的步骤500之后还包括：
72.步骤600、向容纳腔内填充第二填充层13。
73.具体地，可以在外壳14上设置有灌胶孔，在负压真空的环境下对容纳腔进行灌胶填充形成第二填充层13，待填充作业完成后，可以对灌胶孔进行封堵。
74.综上，本发明提供的igbt模块封装结构通过在第一金属层上设置凹槽为第一芯片和第二芯片提供安装空间，减小了igbt模块封装结构的尺寸；设置线路层取代原有的引线结构，可以降低线路的电感和内阻，减小信号的延迟，实现芯片之间的低功耗和高速通讯，提高igbt模块可靠性；设置第一填充层，可以避免第一芯片和第二芯片出现移位，还可以对线路层起到支撑的作用，避免线路层出现塌陷；设置第二填充层，不仅有利于加快第一芯片和第二芯片的散热效率，还可以对功能元件形成支撑，避免出现断路现象。