双面微通道液冷功率半导体整晶圆平板压接封装结构

摘要

双面微通道液冷功率半导体整晶圆平板压接封装结构，包括：功率半导体晶圆、弹簧针、石墨片、发射极金属片、集电极金属片、上冷却板、下冷却板、陶瓷管壳，所述晶圆上下表面采用石墨片压接，发射极金属片和集电极金属片分别位于石墨片上作为引线端子引出晶圆的集电极和发射极，这些器件均密封封装在陶瓷管壳内，上冷却板和下冷却板分别压接在陶瓷管壳的顶部和底部，上冷却板和下冷却板中设有冷却微通道，在上冷却板中心位置压入弹簧针，引出晶圆的门极。本发明的优点是实现无引线连接，降低引线键合所产生的杂散电感和电容，提高了电流导通能力，导热性能、耐热冲击能力和可靠性，封装结构体积小，散热系数大，具有使用寿命长，智能监控的功能。

说明书

技术领域

本发明涉及一种半导体器件，特别涉及一种双面微通道液冷功率半导 体整晶圆平板压接封装结构。

背景技术

半导体器件尤其是大功率半导体器件广泛应用于电子电力领域。随着功 率半导体的发展，如何减小功率半导体的重量和体积以及解决随之而来的高 功率密度所带来的散热问题在行业内已经受到广泛关注。半导体器件的压接 封装形式以及高效的冷却结构设计成为器件重量和体积减少的关键因素。现 有大功率半导体器件存在以下不足：

一、普通功率半导体封装所占体积较大，封装时需要大量的引线邦定，带 来了寄生电感和寄生电容，从而增加了热量的产生以及提高了失效率， 并且受到单个芯片所能通过电流的限制无法承受更大的电流；

二、传统热沉结构在大功率器件中无法满足散热需求，并且需要较大体积 的热沉结构或采用水冷结构，而常规的水冷结构体积庞大；

三、传统的平板压接封装结构中，晶圆表面的压接材料多采用硬质金属材 料，为保证与晶圆表面的平整接触，对压接材料表面的平面度、粗糙 度等提出了极高的要求，并且在封装时对压接力的要求也有极其严格， 造成加工装配困难；在加工装配过程的瑕疵将会使接触面积减小，单 位面积的电流密度上升，热阻增大而影响到可靠性。

发明内容

本发明的目的是针对已有技术中存在的缺陷，供一种双面微通道液冷 功率半导体整晶圆平板压接封装结构。本发明包括：功率半导体晶圆、弹 簧针、石墨片、发射极金属片、集电极金属片、上冷却板、下冷却板、陶 瓷管壳，其特征在于所述功率半导体晶圆上下表面采用石墨片压接，发射 极金属片和集电极金属片分别位于石墨片上作为引线端子引出功率半导 体晶圆的集电极和发射极，石墨片、发射极金属片、集电极金属片和功率 半导体晶圆均密封封装在陶瓷管壳内，上冷却板和下冷却板分别压接在陶 瓷管壳的顶部和底部，上冷却板和下冷却板中设有冷却微通道，微通道内 的冷却液通过泵经实现循环冷却，在上冷却板中心位置和石墨片、发射极 金属片中心位置均设有一孔，压入弹簧针，弹簧针与功率半导体晶圆中心 位置的门极接触，弹簧针与上冷却板、发射极金属片、石墨片之间通过绝 缘材料隔离并密封。

所述石墨片在制造成型时预先埋入温度测量装置的温度温度传感器、 变测量装置的应变计，以便于测量使用过程中压接力的变化和功率半导体 晶圆温度的变化。

所述功率半导体晶圆表面采用较柔软的石墨片或钼片压接。具有受到 冲击、震动、热胀冷缩变形时能发生形变以保证压接紧密的力学特征。石 墨片或钼片表面可通过电镀绝缘高分子材料的方法制备绝缘图形的绝缘 层，来断开功率半导体晶圆因生产过程中产生的不合格区域的电接触，该 绝缘层的厚度在几微米至几十微米之间。

所述弹簧针在功率半导体晶圆中心位置引出门极，弹簧针通过绝缘材 料与石墨片、发射极金属片绝缘隔离。弹簧针为门极信号引出端，上下两 个金属片分别为发射极和集电极的引出端。

所述上冷却板、下冷却板采用绝缘高导热率材料制造，以防止上冷却 板、下冷却板导电并可高效散热。上冷却板、下冷却板中的微通道为分立 型结构。所述微通道中内置有流量传感器，可以监测冷却液的流量变化。

本发明的优点是：

一、采用的功率半导体晶圆的平板压接封装，封装器件为一个完整的功率 半导体晶圆，无任何金属或非金属材料之间的强制性键合，解决了传统多 芯片功率半导体模块中由于各种封装材料热膨胀系数差异造成的邦定线或 焊接界面热机械疲劳失效的问题，提高了IGBT器件的长期可靠性。

二、由于采用石墨片作为缓冲层，石墨材料较为柔软，因此可以紧密贴合 在功率半导体晶圆表面，避免了因功率半导体晶圆表面微观结构不平整或 石墨表面加工不平整而导致的接触间隙，使两者可以紧密的贴合在一起； 并且可防止器件在工作时受到冲击、震动、热胀冷缩等而产生变形甚至芯 片受损；

三、通过在石墨片或钼片上制备高分子绝缘图形，可以断开功率半导体晶 圆在生产过程产生的不合格区域，提高了容错性，降低了对功率半导体晶 圆的要求，提高了对功率半导体晶圆的利用率。

四、双面微通道液冷技术的采用，使得器件的散热效率更高，使功率器件 可通过更大的电流或工作在更高的频率，使其具有体积小、散热系数大、 可集成功率高的优点。

五、该封装结构具有智能监控功能，可以实时监测工作状态下的器件温度、 压接力的变化、冷却液流量的变化，提高了器件的可靠性，并延长器件的 使用寿命，方便用户使用。

附图说明

图1本发明的结构分解示意图；

图2本发明的结构示意图；

图3本发明的上冷却板俯视结构示意图；

图4本发明的上冷却板立体结构示意图；

图5本发明的下冷却板俯视结构示意图；

图6是本发明的下冷却板立体结构示意图。

图中1弹簧针，2弹簧针绝缘密封材料，3上冷却板，4上金属片，5石 墨片，6功率半导体晶圆，7石墨片，8下金属片，9陶瓷管壳，10下冷却 板。

具体实施方式

下面结合附图进一步说明本发明的实施例：

公知的功率半导体晶圆通常含几十至几百个相同的半导体芯片，每个 芯片又由成千上万个相同的单元并联而成，每个单元的发射极、门极和集 电极都通过金属或多晶硅膜分别连在一起。然而在实际生产制造过程中， 很难保证一个完整的晶圆上每个细小的单元都完全合格，不合格的单元如 果继续使用将导致整个晶圆失效。因此在制造晶圆时如有少量不合格单元， 可在制造过程中将其隔离，并在晶圆表面将失效区域标识出，然后在石墨 片对应的部位制备高分子绝缘图形，断开失效区域，这样提高了容错性， 降低了对晶圆生产的要求，提高了晶圆的利用率。

参见图1～图2，本实施例的功率半导体晶圆6上下表面采用较柔软的 石墨片5、7压接，石墨片5、7在制造成型时内置应变计及温度传感器， 可以实时监控压接力的变化和功率半导体晶圆表面温度的变化；在石墨片 5、7的另一面分别为上金属片(发射极金属片)4和下金属片(集电极金 属片)8，石墨片5、7、发射极金属片4、集电极金属片8和功率半导体晶 圆6均密封在陶瓷管壳9内，上金属片4和下金属片8分别有一端位于陶 瓷管壳外作为发射极和集电极的引线端子，上金属片4上方为上冷却板3， 下金属片8下方为下冷却板10，上冷却板3、下冷却板10内均加工有分立 型结构的微通道，参见图3～图6。在上冷却板3、下冷却板10的微通道内 置流量传感器，可以实时监控冷却液流量的变化；微通道内的冷却水或冷 却液通过泵经实现循环冷却，上冷却板3和下冷却板10均采用绝缘导热材 料制作，如AlN等材料，以上部件均通过压力接触的方式进行封装，在上 冷却板3中心位置和石墨片5、上金属片4中心位置均设有一孔，孔中压入 弹簧针1，弹簧针1穿过上冷却板3、上金属板片4和石墨片5与功率半导 体晶圆6的门极接触，引出门极输出端，弹簧针绝缘密封材料2套装在弹 簧针1之上，起到将弹簧针1与上金属片4和石墨片5绝缘的作用。