CN104600037A - 多管芯大功率二极管外壳及其制作方法、芯片封装方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多管芯大功率二极管外壳及其制备方法、芯片封装方法，所述多管芯外壳包括：陶瓷框，框体内穿置多条微带线，框内侧设第一键合区，框外侧设多条引线；基板，设置在所述陶瓷框内侧底部，具有陶瓷基体，以及所述将所述陶瓷基体金属化的上侧表面和下侧表面，所述上侧表面形成多个隔离区以及第二键合区，所述隔离区用于容纳所述芯片。其制作方法采用高温共烧陶瓷工艺，利用在芯片基板下钎焊金属热沉和在陶瓷框上表面钎焊封接可伐焊环的结构，实现高散热和高可靠的多管芯封装，同时达到大电流和大功率性能要求。

Description

多管芯大功率二极管外壳及其制作方法、芯片封装方法

技术领域

本发明涉及半导体芯片封装技术领域，尤其涉及多管芯大功率二极管外壳及其制作方法、芯片封装方法。

背景技术

目前二极管封装外壳多为小电流或单芯片组低功率外壳，难以满足市场对二极管小型化、集成度、大电流、大功率及高可靠性的发展趋势。陶瓷-金属封装组件很好的糅合了这些趋势因素，因其结构可小型化、高可靠性以及优异的电、热性能的优点使其在二极管封装行业中获得了越来越多的应用，是二极管封装组件发展趋势之一。

传统的基于陶瓷-金属封装的二极管芯片外壳主要采用单芯片封装的方式，也就是说在一个陶瓷-金属外壳内只封装一个芯片。即使采用一个外壳内封装多个芯片，也存在成本高、可靠性低、灵活度低的问题。

发明内容

有鉴于此，为了解决上述技术问题，本发明主要目的在于提供一种多管芯大功率二极管外壳及其芯片封装方法，在1安培的大电流内可并行运行多组芯片，实现多管芯大功率二极管封装应用，结构可靠。

本发明一方面提供了一种多管芯大功率二极管外壳，包括：

陶瓷框，框体内穿置多条微带线，框内侧设第一键合区，框外侧设多条引线；

基板，设置在所述陶瓷框内侧底部，具有陶瓷基体，以及所述将所述陶瓷基体金属化的上侧表面和下侧表面，所述上侧表面形成多个隔离区以及第二键合区，所述隔离区用于容纳所述芯片。

进一步地，还包括热沉，用于放置所述陶瓷框与所述基板，其中，所述热沉与所述基板的所述下侧表面直接接触。

进一步地，所述基板的基体为高热导率的陶瓷基体，其下侧表面以及所述陶瓷框通过钎焊与所述热沉连接。

进一步地，还包括可伐焊环，所述可伐焊环通过钎焊固定在所述陶瓷框的上表面。

进一步地，所述微带线层厚度范围为10μm～12μm。

进一步地，所述陶瓷框以及所述基板的所述陶瓷基体为基于AlN高温共烧陶瓷工艺一体成型。

本发明另一方面提供了用于制作上述多管芯大功率二极管外壳，包括：采用高温共烧陶瓷工艺一体化形成陶瓷框以及陶瓷基体，利用在所述基板下侧表面钎焊金属热沉和在陶瓷框上表面钎焊封接可伐焊环。

本发明又一方面还提供了一种多芯片封装方法，包括：提供上述芯片封装组件以及多个芯片，所述多个芯片中的每一所述芯片通过焊接、键合或胶黏固定连接在所述基板的一对应所述隔离区。

进一步地，将所述多个芯片与所述封装外壳进行电连接包括用金丝将所述第一键合区与所述第二键合区进行电连接、用金丝将第二键合区与所述芯片封装组件的隔离区进行电连接中的一种或多种，通过金丝电连接所述第一键合区、二键合区或所述隔离区至所述微带线，通过所述微带线电连接至所述引线。

进一步地，还包括将多个芯片进行电连接，具体为：用引线将多个所述第二键合区与多个所述第一键合区进行电连接，再用金丝将多个所述第二封装组件的键合区进行电连接。

本发明的有益效果：本封装组件是一种散热性能优良的大功率芯片封装外壳，尤其是适用于大功率二极管封装外壳，可并行十只芯片，最大电流可达1安培；结构设计简单，主要采用AlN高温共烧陶瓷工艺，利用在芯片基板下钎焊金属热沉和在陶瓷框上表面钎焊封接可伐焊环的结构，实现高散热和高可靠的二极管封装，满足用户对大电流和大功率性能要求；腔内高热导率陶瓷基板及其金属热沉为芯片组提供散热优异、机械强度可靠的稳定工作环境，极大的满足了二极管用户对集成化、高可靠、大功率封装外壳的需求。

附图说明

图1为示意性示出本发明多管芯大功率二极管外壳的平面结构示意图；

图2为示意性示出本发明多管芯大功率二极管外壳的剖面结构示意图。

具体实施方式

为让本发明的上述和其它目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举优选实施例，并配合附图作详细说明如下。

在以下描述中，为了解释说明，提出许多具体的细节以提供对本发明的全面理解。但是显然，本发明能够实现为不具有这些具体细节。在其他情况中，已知结构和设备以框图形式示出，以避免不必要的对本发明的误解。

图1为示意性示出本发明多管芯大功率二极管外壳的平面结构示意图。图2为示意性示出本发明多管芯大功率二极管外壳的剖面结构示意图。结合参考图1、2，本发明提供一种多管芯大功率二极管外壳，包括：陶瓷框1，框体内穿置多条微带线(图未示)，优选地，所述微带线层厚度范围为10μm～12μm。框内侧设第一键合区8，框外侧设多条引线5；基板2，设置在所述陶瓷框1内侧底部，具有陶瓷基体，以及所述将所述陶瓷基体金属化的上侧表面和下侧表面，所述上侧表面形成多个隔离区6以及第二键合区7，所述隔离区6用于容纳所述芯片(图未示)。

进一步地，还包括热沉3，用于放置所述陶瓷框1与所述基板2，其中，所述热沉3与所述基板2的所述下侧表面直接接触。其中，所述基板2的基体为高热导率的陶瓷基体，其下侧表面以及所述陶瓷框通过钎焊与所述热沉3连接。

进一步地，还包括可伐焊环4，所述可伐焊环4通过钎焊固定在所述陶瓷框1的上表面。

框体内穿设微带线的陶瓷框1，其作用在于安装芯片提供环境隔离、机械保护、及封装承载作用，同时作为微带线的承载介质，实现腔内外电路的传输和信号传递；腔内芯片基板2，芯片区通过焊接、键合、胶黏等形式和芯片组连接实现多管芯并行，第一、二键合区7、8和瓷框内部微带线通过金丝键合实现电路互联；金属热沉3，通过和高热导率的氮化铝基体、及氧化铝瓷框钎焊互联，实现大功率应用的高散热性及结构高可靠性；可伐焊环4，可满足用户封装要求，实现高可靠气密封装；引线5通过焊接、键合、胶黏等形式实现芯片封装组件表贴应用,可满足自动焊、手工钎焊等工艺需求。

作为本发明的一具体实施例，本发明提供的封装组件主要是基于AlN高温共烧陶瓷技术的新型多管芯大功率二极管陶瓷-金属封装外壳，其包括内置微带线的AlN陶瓷框、金属热沉、腔内芯片基板(AlN)、焊环、引线，与芯片通过直接焊接、键合或胶黏等连接形式实现多管芯的大功率二极管应用封装外壳；该二极管封装外壳，共管堆十只芯片组，每只芯片的工作电压可高达100V，电流高达1安培。其特征是实现方法包括如下步骤：

陶瓷腔内置芯片基板、其结构是上表面金属化十个隔离芯片区，实现10组芯片的并行管堆，同时在芯片区附近设置键合区，和瓷框内部微带线通过金丝键合实现电路互联；下表面完全金属化，实现和金属热沉的互联；

内置穿墙的微带线通过微带线键合区和外部引线及内部芯片组互联，实现多芯片组与外界电路的传输和信号传递，微带线采用电性能优异的金属化浆料实现，满足大电流的传输；

芯片基板通过采用高热导率的陶瓷基体并和金属热沉钎焊互联，实现大功率应用的高散热性及结构高可靠性；

多管芯大功率二极管陶瓷-金属封装外壳采用常规的高温共烧陶瓷工艺及传统的钎焊工艺技术，满足其结构高可靠性。

所述的多管芯大功率二极管金属-陶瓷封装外壳主体由AlN高温共烧陶瓷构成，瓷框陶瓷具有稳定的介电常数、优异的机械强度、较小的热膨胀系数及耐高温性能，和金属封接可实现低应力的高可靠封装，基板陶瓷具有高热导性，满足大功率二极管封装应用。

所述的多管芯大功率二极管金属-陶瓷封装外壳可满足用户大电流应用要求，实现封装组件高可靠气密封装。

本多管芯大功率二极管封装外壳，为芯片组提供了9.70mm×4.20mm×1.80mm安装空间，可进行10组芯片的并行管堆；能承载最大1安培电流，实现芯片与外部电路的传输、信号传递及环境隔离；具有引线结构，可实现封装组件表贴式封装。

本发明还提供了使用上述实施例外壳封装多芯片的方法，包括：提供上述大功率二极管外壳以及多个芯片，所述多个芯片中的每一所述芯片通过焊接、键合或胶黏固定连接在所述基板的一对应所述隔离区。

进一步地，将所述多个芯片与所述二极管外壳进行电连接包括用金丝将所述第一键合区与所述第二键合区进行电连接、用金丝将第二键合区与所述芯片封装组件的隔离区进行电连接中的一种或多种，通过金丝电连接所述第一键合区、二键合区或所述隔离区至所述微带线，通过所述微带线电连接至所述引线。

进一步地，还包括将多个芯片进行电连接，具体为：用引线将多个所述第二键合区与多个所述第一键合区进行电连接，再用金丝将多个所述第二封装组件的键合区进行电连接。

本发明还提供了上述实施例多管芯大功率二极管外壳的制作方法，包括如下步骤：

1)内置微带线的陶瓷框1通过内置金属化微带线及键合区的生瓷带一体化烧结工艺方式实现，具有实现键合区之间大电流的穿墙互联作用及承担键合区焊接质量指示的作用，同时为芯片提供环境隔离的安装空间；

2)多管芯大功率二极管外壳，内置的芯片基板通过金属化隔离的芯片区和金丝键合区，实现10管堆芯片平行应用及电路互联作用；

3)芯片基板通过采用高热导率的基体并和金属热沉钎焊互联，实现大功率应用的高散热性及结构高可靠性；

4)多管芯大功率二极管外壳采用常规的高温共烧陶瓷工艺及传统的钎焊工艺技术。

使用的AlN陶瓷生瓷一体化微带线金属化浆料为引进后再优化工艺，不仅实现可焊接金属化浆料与陶瓷基体在高温烧结收缩时相匹配，同时实现微带线的低电阻性。

所述AlN陶瓷生瓷基板及生瓷框的制备设备包括以下四个部分，球磨机用于配置所需组分均匀生瓷带浆料，后续通过流延机、印刷机、层压机及生瓷切割机制备尺寸精确的生瓷基板和生瓷框。

实施例1

本发明的多管芯大功率二极管外壳的制备方法是采用高温共烧陶瓷生产工艺和钎焊工艺技术。通过在尺寸为180mm×180mm×0.2mm精确且致密的AlN生瓷带上，利用精密导体浆料印刷，阻断浆料印刷等工艺制出所需要的电路图形和可焊接金属化层，精密印刷布线线条宽度最小达100μm，布线间距最小达150μm；利用激光开腔、叠片等工艺制出所需要特定腔体及形状的生瓷片；通过高精度温控炉在一定烧结工艺条件下高温烧结成型出规定形状的高温共烧陶瓷基板和陶瓷框架；通过钎焊工艺实现陶瓷组件和金属组件之间的互连，实现高可靠表贴型且满足大功率应用的二极管陶瓷-金属封装组件。

本二极管陶瓷-金属封装外壳结构中，内置微带线层厚度在10μm～12μm范围；微带线线条印刷精度为±30μm。

本发明的高温共烧陶瓷(HTCC)技术是一种将高温烧结陶瓷浆料制成厚度精确且致密的生瓷带，在生瓷带上利用激光打孔、金属导体浆料及阻断浆料精密印刷及微孔注浆等工艺制出所需要的电路图形及互联结构，然后将多层生瓷带按互联关系层压一体化及后续高温共烧在1800℃高温以下范围内烧结成型出所需电气互联关系及形状结构器件的工艺技术。适用于氧化铝、氮化铝等性能优异的陶瓷材料制备，通常具有优良机械强度、较高的热导率，同时与硅等半导体材料具有相近的热膨胀系数，因此非常适合作为大功率、集成电路及功率模块等应用器件的封装组件。

本发明的所使用的材料和工艺没有进行详细的说明，因为这些没有被本发明所改变，并且这些实现的过程被本领域技术人员所熟知，本发明所公开的封装组件除了用于封装大功率二极管以外，还可以应用于其他大功率芯片的封装中。

以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种等同变换，这些等同变换均属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种多管芯大功率二极管外壳，包括：

陶瓷框，框体内穿置多条微带线，框内侧设第一键合区，框外侧设多条引线；

基板，设置在所述陶瓷框内侧底部，具有陶瓷基体，以及所述将所述陶瓷基体金属化的上侧表面和下侧表面，所述上侧表面形成多个隔离区以及第二键合区，所述隔离区用于容纳所述芯片。

2.根据权利要求1所述的多管芯大功率二极管外壳，其特征在于：还包括热沉，用于放置所述陶瓷框与所述基板，其中，所述热沉与所述基板的所述下侧表面直接接触。

3.根据权利要求2所述的多管芯大功率二极管外壳，其特征在于：所述基板的基体为高热导率的陶瓷基体，其下侧表面以及所述陶瓷框通过钎焊与所述热沉连接。

4.根据权利要求1所述的多管芯大功率二极管外壳，其特征在于：还包括可伐焊环，所述可伐焊环通过钎焊固定在所述陶瓷框的上表面。

5.根据权利要求1-4任一项所述的多管芯大功率二极管外壳，其特征在于：所述微带线层厚度范围为10μm～12μm。

6.根据权利要求1-4任一项所述的多管芯大功率二极管外壳，其特征在于：所述陶瓷框以及所述基板的所述陶瓷基体为基于AlN高温共烧陶瓷工艺一体成型。

7.一种多管芯大功率二极管外壳制备方法，用于制作如权利要求1-6任一项所述的多管芯大功率二极管外壳，包括：采用高温共烧陶瓷工艺一体化形成陶瓷框以及陶瓷基体，利用在所述基板下侧表面钎焊金属热沉和在陶瓷框上表面钎焊封接可伐焊环。

8.一种多管芯封装方法，包括：提供一如权利要求1-5任一项所述的多管芯大功率二极管外壳以及多个芯片，所述多个芯片中的每一所述芯片通过焊接、键合或胶黏固定连接在所述基板的一对应所述隔离区。

9.根据权利要求8所述的多管芯大功率二极管外壳，其特征在于：将所述多个芯片与所述封装组件进行电连接包括用金丝将所述第一键合区与所述第二键合区进行电连接、用金丝将第二键合区与所述芯片封装组件的隔离区进行电连接中的一种或多种，通过金丝电连接所述第一键合区、二键合区或所述隔离区至所述微带线，通过所述微带线电连接至所述引线。

10.根据权利要求8或9所述的芯片封装组件，其特征在于：还包括将多个芯片进行电连接，具体为：用引线将多个所述第二键合区与多个所述第一键合区进行电连接，再用金丝将多个所述第二封装组件的键合区进行电连接。