一种功率器件及其制作方法

技术领域

涉及半导体器件领域，尤其涉及一种功率器件。

背景技术

IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor，绝缘栅双极型晶体管)模块主要应用在变频器的主回路逆变器及一切逆变电路，即DC/AC变换中，IGBT模块具有高频率、高电压、大电流、尤其是容易开通和关断的性能特点，是国际上公认的电力电子技术第三次革命的最具代表性的产品。IGBT器件有3个电极，分别是集电极、发射极、栅极，正常的情况下，栅极接收到外部的驱动信号时，IGBT器件的集电极和发射极导通，有大电流通过，当栅极没有接收到外部的驱动信号时，IGBT器件的集电极和发射极断开，大电流不能通过，IGBT模块这种阻断大电流通过的能力称为阻断特性，阻断特性可以通过电压和电流来衡量。

然而，IGBT模块在工作时往往会受到湿气的侵蚀，特别是在海上风电应用的场合更为明显。水汽或可移动离子侵入器件，引起终端区高场区发生电化学反应而产生漏电通道，进而导致IGBT模块阻断失效。

发明内容

根据本公开的一个方面，提供了一种功率器件，包括：半导体芯片和耐湿层，所述耐湿层包括第一绝缘层和第二绝缘层；其中，所述第一绝缘层位于所述半导体芯片的上方和侧方；所述第二绝缘层位于所述第一绝缘层上方。

根据一些实施例，所述耐湿层还包括：第三绝缘层和/或第四绝缘层；所述第三绝缘层和/或所述第四绝缘层位于所述第二绝缘层上方。

根据一些实施例，还包括：散热底板，所述半导体芯片位于所述散热底板上方。

根据一些实施例，还包括：侧框，所述侧框与所述散热底板连接并形成容纳空间，所述耐湿层位于所述容纳空间内。

根据一些实施例，所述耐湿层的材料为硅胶、环氧树脂或及其组合。

根据一些实施例，所述半导体芯片通过接合层与所述功率器件中的其他部件连接。

根据本公开的另一个方面，提供了一种功率器件的制作方法，包括：在功率器件的半导体芯片上方和侧方形成第一绝缘层；固化所述第一绝缘层；在所述第一绝缘层上形成第二绝缘层。

根据一些实施例，在所述第一绝缘层上形成第二绝缘层之后，还包括：在所述第二绝缘层上形成第三绝缘层和/或第四绝缘层。

根据一些实施例，在功率器件的半导体芯片上表面和侧表面上形成第一绝缘层之前，还包括：将所述半导体芯片形成于散热底板上；安装侧框，所述侧框与所述散热底板连接并形成容纳空间，所述第一绝缘层和所述第二绝缘层位于所述容纳空间内。

根据一些实施例，还包括：通过加热所述功率器件或抽真空固化所述第一绝缘层和第二绝缘层。

本公开通过在功率器件中加入绝缘层以增加耐湿层的耐湿性，从而避免引起终端区高场区发生电化学反应而产生漏电通道，进而提升功率器件的阻断性能。

根据在下文中所描述的实施例，本公开的这些和其它方面将是清楚明白的，并且将参考在下文中所描述的实施例而被阐明。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是一种半导体芯片的结构示意图；

图2是一种功率器件的截面结构示意图；

图3是根据本公开示例性实施例的半导体芯片的结构示意图；

图4是根据本公开示例性实施例的一个功率器件的截面结构示意图；

图5是根据本公开示例性实施例的一个功率器件的截面结构示意图；

图6是根据本公开示例性实施例的一个功率器件制作方法的工艺流程示意图；以及

图7是根据本公开示例性实施例的一个功率器件制作方法的工艺流程示意图。

具体实施方式

将理解的是，尽管术语第一、第二、第三等等在本文中可以用来描述各种元件、部件、区、层和/或部分，但是这些元件、部件、区、层和/或部分不应当由这些术语限制。这些术语仅用来将一个元件、部件、区、层或部分与另一个元件、部件、区、层或部分相区分。因此，下面讨论的第一元件、部件、区、层或部分可以被称为第二元件、部件、区、层或部分而不偏离本公开的教导。

诸如“在…下面”、“在…之下”、“较下”、“在…下方”、“在…之上”、“较上”等等之类的空间相对术语在本文中可以为了便于描述而用来描述如图中所图示的一个元件或特征与另一个(些)元件或特征的关系。将理解的是，这些空间相对术语意图涵盖除了图中描绘的取向之外在使用或操作中的器件的不同取向。例如，如果翻转图中的器件，那么被描述为“在其他元件或特征之下”或“在其他元件或特征下面”或“在其他元件或特征下方”的元件将取向为“在其他元件或特征之上”。因此，示例性术语“在…之下”和“在…下方”可以涵盖在…之上和在…之下的取向两者。诸如“在…之前”或“在…前”和“在…之后”或“接着是”之类的术语可以类似地例如用来指示光穿过元件所依的次序。器件可以取向为其他方式(旋转90度或以其他取向)并且相应地解释本文中使用的空间相对描述符。另外，还将理解的是，当层被称为“在两个层之间”时，其可以是在该两个层之间的唯一的层，或者也可以存在一个或多个中间层。

本文中使用的术语仅出于描述特定实施例的目的并且不意图限制本公开。如本文中使用的，单数形式“一个”、“一”和“该”意图也包括复数形式，除非上下文清楚地另有指示。将进一步理解的是，术语“包括”和/或“包含”当在本说明书中使用时指定所述及特征、整体、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但不排除一个或多个其他特征、整体、步骤、操作、元件、部件和/或其群组的存在或添加一个或多个其他特征、整体、步骤、操作、元件、部件和/或其群组。如本文中使用的，术语“和/或”包括相关联的列出项目中的一个或多个的任意和全部组合，并且短语“A和B中的至少一个”是指仅A、仅B、或A和B两者。

将理解的是，当元件或层被称为“在另一个元件或层上”、“连接到另一个元件或层”、“耦合到另一个元件或层”或“邻近另一个元件或层”时，其可以直接在另一个元件或层上、直接连接到另一个元件或层、直接耦合到另一个元件或层或者直接邻近另一个元件或层，或者可以存在中间元件或层。相反，当元件被称为“直接在另一个元件或层上”、“直接连接到另一个元件或层”、“直接耦合到另一个元件或层”、“直接邻近另一个元件或层”时，没有中间元件或层存在。然而，在任何情况下“在…上”或“直接在…上”都不应当被解释为要求一个层完全覆盖下面的层。

本文中参考本公开的理想化实施例的示意性图示(以及中间结构)描述本公开的实施例。正因为如此，应预期例如作为制造技术和/或公差的结果而对于图示形状的变化。因此，本公开的实施例不应当被解释为限于本文中图示的区的特定形状，而应包括例如由于制造导致的形状偏差。因此，图中图示的区本质上是示意性的，并且其形状不意图图示器件的区的实际形状并且不意图限制本公开的范围。

除非另有定义，本文中使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本公开所属领域的普通技术人员所通常理解的相同含义。将进一步理解的是，诸如那些在通常使用的字典中定义的之类的术语应当被解释为具有与其在相关领域和/或本说明书上下文中的含义相一致的含义，并且将不在理想化或过于正式的意义上进行解释，除非本文中明确地如此定义。

下面对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

图1是一种半导体芯片的结构示意图。

示例性地，如图1所示，半导体芯片包括：下表面为集电极1，上表面边缘区域终端区2，中间区域元胞区3和绝缘膜4。

当包含半导体芯片的功率器件(例如，IGBT器件)处于关断状态时，需要保证集电极1到元胞区3之间在电压很大的情况下，电流仍然保持很小，否则会造成功率器件(例如，IGBT器件)失效。

然而，终端区2和元胞区3的交界处，是容易发生漏电的区域，因此，为了减小集电极1到元胞区3之间的漏电流，如图1所示，在半导体芯片的上表面涂覆一层绝缘膜4，绝缘膜4覆盖了终端区2的所有区域以及元胞区3的部分区域，增强终端区2和元胞区1之间的绝缘能力，从而降低了器件失效的可能性。

图2是一种功率器件的截面结构示意图。示例性地，如图2所示，将绝缘层13填充到功率器件内部，从而起到阻尼减震、绝缘保护、阻挡湿气的作用。

示例性地，绝缘层13可以选用硅胶等材料。

为了理解绝缘层13的作用，下面将结合图2详细说明功率器件的结构。如图所示，双面金属包覆的第一覆盖层6、衬底7和第二覆盖层8是一体的，并且半导体芯片的下表面通过第一接合材料5连接于第一覆盖层6上，半导体芯片与第一覆盖层6的连接方式可以选择焊接或烧结等方式，本公开对此不作限定。

继续参考图2，第二覆盖层8通过第二接合材料9与散热器底板10连接。其中，第二覆盖层8与散热器底板10的连接方式也可以选用焊接或者烧结的方式等方式，本公开对此亦不作限定。

继续参考图2，塑料侧框11通过粘结剂12粘附在散热器底板10上，实现对内部电路结构的保护和初步密封，其中，粘结剂12可以选用胶水。

接下来，绝缘层13填充到功率器件(例如，IGBT器件)内部，起到阻尼减震、绝缘保护、阻挡湿气的作用。

示例性地，绝缘层13选用硅胶材料。

然而，考虑到塑料侧框11并非是完全密封的结构，因此，绝缘层13只能在一定程度上起到阻挡湿气的作用，一旦暴露在长时间的高湿环境下，湿气会透过绝缘层13，造成其耐湿性能下降。

并且，如图1所示的半导体芯片上表面的绝缘膜4吸收了湿气之后，绝缘能力会显著降低，进而导致半导体芯片的阻断能力下降。

图3是根据本公开示例性实施例的半导体芯片的结构示意图。

如图3所示，为了增强功率器件(例如，IGBT器件)中半导体芯片的阻断性能，提高功率器件(例如，IGBT器件)抵抗湿气侵蚀的能力，保证功率模块在高湿工况下有较高的可靠性，提出一种改进了的功率器件中包含的半导体芯片。

如图3所示，在半导体芯片元件的上表面涂覆耐湿耐压的绝缘材料以形成第二绝缘层14，需保证硅橡胶覆盖住半导体芯片的外围终端区2和元胞区3的部分区域，但不能涂覆到半导体芯片的中间区域，以免影响键合线与半导体芯片的键合连接。

示例性地，第二绝缘层14的绝缘材料14在液体状态下，被涂覆到半导体芯片上表面的绝缘膜4之上，并经过抽真空脱泡处理，去除绝缘材料内部的气泡，然后再将功率器件的半成品送入高温烘箱，使得绝缘材料完全固化，形成第二绝缘层14。因此，涂覆在半导体芯片上表面的第二绝缘层14，能够有效阻挡湿气对半导体芯片或绝缘膜4的侵蚀，保证芯片和绝缘膜4的绝缘性能，提高功率器件的阻断能力。

下面将结合图3和图4对功率器件的结构进行说明，图4是根据本公开示例性实施例的功率器件的截面结构示意图。

如图4所示的一种功率器件，包括：半导体芯片和耐湿层，所述耐湿层包括第一绝缘层13和第二绝缘层14；其中，所述第一绝缘层13位于所述半导体芯片的上方和侧方；所述第二绝缘层14位于所述第一绝缘层上方。

通过在第一绝缘层13的上表面再涂覆一层耐湿耐压的绝缘材料第二绝缘层14，能够保护半导体芯片终端的层(例如，PI层)不被湿气侵蚀，能够增强半导体芯片阻断力。

示例性地，第二绝缘层14的涂覆区域不影响功率器件内部键合线与芯片的键合连接。

示例性地，第二绝缘层14可以选择为硅橡胶材料，但不限于硅橡胶。

根据一些实施例，所述耐湿层还包括：第三绝缘层15和/或第四绝缘层(未图示)；所述第三绝缘层15和/或所述第四绝缘层位于所述第二绝缘层上方。

第二绝缘层14和第三绝缘层15叠层设置，能够进一步保护半导体芯片终端的层(例如，PI层)不被湿气侵蚀，能够增强半导体芯片的阻断性能。

示例性地，第三绝缘层15可以选择为环氧树脂。

示例性地，可以继续在第三绝缘层上设置第四绝缘层，以进一步增强耐湿层的性能，保证功率器件中的半导体芯片不被湿气侵蚀，增强半导体芯片的阻断性能。

根据一些实施例，还包括：散热底板10，所述半导体芯片位于所述散热底板上方。

根据一些实施例，还包括：侧框11，所述侧框11与所述散热底板10连接并形成容纳空间，所述耐湿层位于所述容纳空间内。

根据一些实施例，所述耐湿层的材料为硅胶、环氧树脂或及其组合。其中，第一绝缘层13、第二绝缘层14和第三绝缘层15的材料可以相同或不同，本公开对此不作限定。

根据一些实施例，所述半导体芯片通过第一接合层5与所述功率器件中的其他部件连接。

具体地，将半导体芯片元件设置在衬板的上表面金属层上，衬板材料可以选择为氮化铝陶瓷、氧化铝陶瓷或氮化硅陶瓷中的一种。

图5是根据本公开示例性实施例的功率器件的截面结构示意图。其中，第三绝缘层15位于第一绝缘层13的上方，且第二绝缘层14位于第三绝缘层15的上方，功率器件的其他部件与图4所示出的实施例相同，在此不再赘述。

根据附图4与附图5的比较可知，第二绝缘层14和第三绝缘层15的顺序可以调换，并且调换的耐湿层仍然能够有效阻挡湿气对半导体芯片或绝缘膜4的侵蚀，保证芯片和绝缘膜4的绝缘性能，进而提高功率器件的阻断能力。

根据本公开的另一个方面，如图6所示，提供了一种功率器件的制作方法，包括：S701，在功率器件的半导体芯片上方和侧方形成第一绝缘层；S702，固化所述第一绝缘层；S703，在所述第一绝缘层上形成第二绝缘层。

示例性地，在半导体芯片所在的空间内灌封第一绝缘层13，固化第一绝缘层13，并在第一绝缘层13上形成第二绝缘层14。通过在第一绝缘层13的上表面再涂覆一层耐湿耐压的绝缘材料第二绝缘层14，能够保护半导体芯片终端的层(例如，PI层)不被湿气侵蚀，能够增强半导体芯片阻断力。

其中，第一绝缘层13和第二绝缘层14所使用的绝缘材料可以是硅橡胶，但不限于硅橡胶。

根据一些实施例，在所述第一绝缘层上形成第二绝缘层之后，还包括：在所述第二绝缘层上形成第三绝缘层和/或第四绝缘层。

示例性地，在第二绝缘层14上覆盖第三绝缘层15。第二绝缘层14和第三绝缘层15叠层设置，能够进一步保护半导体芯片终端的层(例如，PI层)不被湿气侵蚀，能够增强半导体芯片的阻断性能。

示例性地，第三绝缘层15可以选择为环氧树脂。

根据一些实施例，在功率器件的半导体芯片上表面和侧表面上形成第一绝缘层之前，还包括：将所述半导体芯片形成于散热底板10上；安装侧框11，所述侧框11与所述散热底板10连接并形成容纳空间，所述第一绝缘层13和所述第二绝缘层14位于所述容纳空间内。

根据一些实施例，还包括：通过加热所述功率器件或抽真空固化所述第一绝缘层13和第二绝缘层14。

图7是根据本公开示例性实施例的功率器件制作方法的工艺流程示意图。具体地，如图7所示，包括步骤：

S701,将半导体芯片元件焊接在衬板的上表面金属层上，衬板为氮化铝陶瓷、氧化铝陶瓷或氮化硅陶瓷中的一种；

S702,在半导体芯片元件的上表面涂覆耐湿耐压的绝缘材料，该绝缘材料可以是硅橡胶，但不限于硅橡胶，需保证硅橡胶覆盖住半导体芯片的外围终端区2和元胞区3的部分区域，但不能涂覆到半导体芯片的中间区域，以免影响键合线与半导体芯片的键合连接，例如，形成第一绝缘层13；

S703,将衬板半成品送入真空环境，以保证第一绝缘层13内部没有气泡；

S704,将衬板半成品送入高温烘箱或加热板，促使第一绝缘层13固化，与半导体芯片表面形成良好的粘附；

S705,利用键合机和铝线，将半导体芯片中间区域的电极引出，形成所需的电路连接；

S706,继续进行封装的后工序处理。

为了增加耐湿层的耐湿性，从而避免引起终端区高场区发生电化学反应而产生漏电通道，提升功率器件的阻断性能。可以对上述形成功率器件的步骤做进一步优化：

S801，将半导体芯片元件焊接在衬板的上表面金属层上，衬板为氮化铝陶瓷、氧化铝陶瓷或氮化硅陶瓷中的一种；

S802，利用键合机和铝线，将半导体芯片中间区域的电极引出，形成所需的电路连接；

S803，将衬板焊接在基板上，焊接母排，安装侧框11和管盖，灌封第一绝缘层13(例如，硅胶)；

S804，第一绝缘层13(例如，硅胶)固化之后，再在硅胶上层灌封一层耐湿耐压的绝缘材料，例如，第二绝缘层14，该绝缘材料可以是硅橡胶，但不限于硅橡胶；或者在硅胶固化之后灌封一层环氧树脂，例如第三绝缘层15，环氧树脂上层再灌封一层耐湿耐压的绝缘材料，例如，第二绝缘层，该绝缘材料可以是硅橡胶，但不限于硅橡胶。

S805，将衬板半成品送入高温烘箱或加热板，促使耐湿层的固化，且与耐湿层表面、功率器件侧框11内表面形成良好的粘附；

S806，继续进行封装的后工序处理。

根据本公开提出一种增强功率器件(例如，IGBT器件)阻断特性的方法，往半导体芯片元件的上表面涂覆一层耐湿耐压的绝缘材料，该绝缘材料可以是硅橡胶，但不限于硅橡胶，则可以保护芯片终端不被湿气侵蚀，能够增强芯片阻断性能。

值得注意的是，绝缘材料的涂覆区域应不影响功率器件内部键合线与芯片的键合连接。

根据本公开提出的一种增强功率器件阻断特性的方法，其可以在功率器件内部灌封一层耐湿耐压的绝缘材料，该绝缘材料可以是硅橡胶，但不限于硅橡胶，该绝缘材料可以灌封在硅胶层上，也可以灌封在环氧树脂层上等。

并且，为了将涂覆时是液体状态的绝缘材料进行处理，可以经过抽真空脱泡处理，固化之后，使其能与半导体芯片元件的上表面紧密粘附，形成一层保护芯片，阻挡湿气侵蚀的保护层。

由此可见，本公开中的耐湿耐压的绝缘材料选材简单，例如：有多种硅橡胶材料能够满足功率器件使用特性要求；并且，制作方法简单，可制造性高，成本较低；实现了以简单的选材，简单在制作方法实现显著阻挡湿气侵蚀功率器件内部芯片效果，并有效提升功率器件(例如，IGBT器件)在高湿环境下的寿命。

本公开提出的功率器件及其制作方法，可以增强功率器件(例如，IGBT器件)抵抗湿气侵蚀的能力，提升模块阻断性能和绝缘性能，在不改变模块其它结构和材料的前提下，降低功率器件(例如，IGBT器件)因漏电流过大导致失效的可能性，满足高电压等级功率器件(例如，IGBT器件)的阻断特性要求。

虽然在附图和和前面的描述中已经详细地说明和描述了本公开，但是这样的说明和描述应当被认为是说明性的和示意性的，而非限制性的；本公开不限于所公开的实施例。通过研究附图、公开内容和所附的权利要求书，本领域技术人员在实践所要求保护的主题时，能够理解和实现对于所公开的实施例的变型。在权利要求书中，词语“包括”不排除未列出的其他元件或步骤，不定冠词“一”或“一个”不排除多个，并且术语“多个”是指两个或两个以上。在相互不同的从属权利要求中记载了某些措施的仅有事实并不表明这些措施的组合不能用来获益。