[发明专利]包括两片带有多个半导体芯片和电子元件的衬底的功率电子封装件

说明书

发明领域

本发明主要涉及一种功率电子封装件，其包括两片带有多个半导体芯片和电子元件的衬底。

技术背景

高性能的功率电子器件在电压、电流和功率等级方面继续取得重大进展。但是，性能越高，随之而来就是功率耗散等级越高，这会给电气互连、冷却和机械完整性施加很大的压力。封装功率电子器件的传统方法是使用装在一张板上或一片衬底上分立的封装器件，或使用混合模块，其中，无遮掩的芯片装配在衬底上且通过引线接合而连接至衬底，因此，传统技术具有明显的性能局限性。分立的封装件可以是塑模的、金属密封的外壳或密封的陶瓷载体，且封装件包含一个通过引线接合至塑料封装引线框的功率芯片。无遮掩的功率芯片焊接至衬底上的焊盘，导热路径通过这些接合部位、通过衬底、通过粘合膏或导热膏通往冷却结构。导热接合部位的数量以及衬底和接合部位材料的差导热性，使得结到环境(junction-to-ambient)热阻过高，该结构限制了器件的工作并使结温度超出了限度。这些热效应还可能导致设计者将器件分开，以便增加热量扩散，但付出的代价却是使模块尺寸更大、电气寄生效应更大和装配件更昂贵。

功率半导体，如功率JEET、MOSFE、IGBT和二极管，是用于控制大电流的器件，所以，它们产生大量的热。因此，因此，当将这些半导体芯片构建在封装件中时，应达到足够的冷却性能(热辐射)。传统的功率模块技术包括将多个半导体芯片构建在一个封装件中，其使用由导热性陶瓷制成的绝缘衬底。多个半导体芯片装配在该绝缘衬底上，半导体芯片的下方主表面上设置的主电极通过软焊料连接到设置在绝缘衬底上的厚铜膜。IGBT芯片的上方表面上设置的主电极和控制电极通过引线接合，连接到设置在绝缘衬底上的厚膜铜。绝缘衬底焊接至铜制的热辐射基板。采用这种方法，半导体芯片产生的热量通过设置在半导体芯片下表面一侧的绝缘衬底辐射出去。采用这种传统技术，热量仅仅通过每个半导体芯片的一个表面向外辐射，所以，提高热辐射性能和降低功率模块的构造尺寸是有限的。

在未来，需要一种先进的封装技术，其能解决导热和机械性能需求，同时提供高电气性能的互连结构，以用于目标指向如军事、航空、医疗和工业电子应用领域的功率电子器件。这些应用领域都在趋向具有更高电压、更高电流、更高功率耗散和更快切换速度的半导体，这些器件超出了传统封装方法的电气、机械和导热能力。这种先进的封装技术应将带有一面冷却路径的低性能陶瓷衬底上的线接管芯替换成直接的双面冷却、基于金属的互连结构。例如，这种构造是电绝缘且导热的双面预封装部件(美国专利申请No.2003/0132511)。混合技术利用金属隔离片和引线连接与半导体芯片进行电气连接。使用隔离片能够消减半导体芯片之间的厚度差异，并为功率模块的双面冷却提供了导热路径(美国专利申请No.2003/0090873)。在该预封装部件中，模压的(stamped)引线单元、接触电极、半导体芯片等位于一对陶瓷衬底部件中间。再例如，这种结构是高稳定性铜石墨导体衬底功率器件封装(IEEE第44届年度国际可靠性物理讨论会，圣何塞，2006，第613页)。在这种封装件的结构中，IGBT和二极管芯片插在两片铜石墨导体衬底中间，金凸块和焊料凸块用于进行平面化和互连，第二铜石墨层用于进行最上层互连和双面去热。但是，在引线接合没有消除固有应力的情况下，双面结构需要非常仔细地选择材料，以消除接合部位处的膨胀不匹配，同时针对导电和导热提供高导通性。传热层的热膨胀系数的降低，不仅提供可靠的接合部位，而且，由于电绝缘层上应力的降低而能够使用非常薄的AIN绝缘体，从而进一步改善热传输。在这种配置下，为了在IGBT和二极管芯片的电极和电极之间获得电气互连，这些半导体芯片插在两片铜石墨导体衬底中间，金凸块和焊料凸块用于进行平面化。但是，在半导体芯片的上侧，由于上侧的电极和上方绝缘衬底上设置的电极通过金属凸块连接，所以，连接区域较小。因此，存在电阻较大的问题，这不利于获得大电流，并且，半导体芯片产生的热量不易传输到绝缘衬底，因此热辐射性能较差。此外，该封装设计需要外部的连接总线接合以及半导体芯片接合。在这种非对称的设计布图中，很难控制在完全装配过程后在封装件中实现均匀的应力分布，从而会导致半导体芯片上的应力太大。带有MOS栅极结构的IGBT和MOSFET等半导体芯片具有易受应力影响的特点。

发明内容

针对上述问题，本发明的一个目的是提供一种功率电子封装件，其包括两片带有多个半导体芯片和电子元件的衬底。