立体集成阵列式整流二极管模组封装结构及方法

技术领域

本发明涉及立体集成阵列式整流二极管模组封装结构及方法，属于微电子器件封装技术领域。

背景技术

目前，功率整流二极管多为单管封装，在满足产品电性能指标要求下，产品需要多个单管器件叠加使用，导致产品体积大、安装工艺步骤多，兼容性设计要求高，此外传统的功率产品模块通常采用导电胶或者导电银浆作为芯片粘接材料，其导热导电性能较差，影响功率整流芯片性能，同时，传统功率器件外壳封装多为塑封产品，其耐温能力较差，无法实现气密性封装，从而不能长期使用在水、湿气含量较高的环境，以及太空、深海等军事应用的恶劣环境。

为此，需开发一种阵列式整流二极管模组封装结构及方法，以满足高可靠高性能阵列二极管封装应用需求。

发明内容

本发明解决的技术问题为：提供立体集成阵列式整流二极管模组封装方法，克服现有功率整流二极管单管封装体积大、电压小等缺陷，提供一种新型阵列式整流二极管封装技术方式，通过封装结构设计，芯片装配方式设计、封装工艺方案固化，实现一种阵列式整流二极管芯片封装方法，实现多芯片、小尺寸、高可靠、大电压的整流二极管阵列封装，且生产操作方便，易于批量化生产。

本发明解决的技术方案为：立体集成阵列式整流二极管模组封装方法，步骤如下：

(1)首先将外壳进行氮气烘烤，再将外壳进行氩等离子清洗；

(2)选取待封装的芯片为16个相同的整流二极管芯片，并选取焊接封接材料为纳米银膏焊料；

(3)在外壳(5)中安装芯片定位装置(6)，将外壳(5)内芯片安装区域划分为8个独立区域，外壳上对应的每个独立区域中设置壳体底座(51)，在每个独立区域中的壳体底座(51)上安装底层焊料(4)；在每个独立区域中，在底层焊料上叠放一个步骤(2)选取的整流二极管芯片，作为底层芯片(3)；在每个独立区域中底层芯片(3)上安装上层焊料(2)、在上层焊料(2)上安装一个步骤(2)选取的整流二极管芯片，作为上层芯片(1)，形成双层8路16个芯片的阵列器件，完成步骤(2)选取的16个相同的整流二极管芯片与壳体的装配；

(4)将步骤(3)的双层8路16个芯片的阵列器件，放入真空烧结炉，在氮气条件下以设定的升温速度V1升温至预设的温度T1保温t1时间后，抽真空，再次以设定的升温速度V2升温至预设的温度T2保温t2时间后，随炉冷却，完成器件烧结，去除芯片定位装置(6)，得到烧结后的双层8路16个芯片的阵列器件；

(5)将烧结后的双层8路16个芯片的阵列器件，置于键合机上通过互连材料(8)进行各个上层芯片(1)与外壳引出端(52)引线键合，完成烧结后的双层8路16个芯片的阵列器件和壳体(5)电性能互连，得到电性能互连的器件；

(6)将步骤(5)电性能互连的器件，放入平行缝焊设备，在外壳安装盖板(7)，进行外壳封口环(53)与盖板(7)封接，完成立体集成阵列式整流二极管模组封装，如图4所示；

优选的，芯片为硅基材料，正背面需进行金属化层涂覆，芯片尺寸小于2mm×2mm，实现不少于双层8路16个芯片叠层封装，8路是指8个独立区域。

优选的，外壳(5)包括：外壳基座(51)、外壳引出端(52)和外壳封口环(53)；

外壳引出端(52)位于外壳基座(51)底部，外壳封口环(53)位于外壳封口环(53)顶部；外壳基座(51、外壳引出端(52)和外壳封口环(53)一体成型，形成半封闭结构；

底层芯片(3)与外壳基座(51)采用底层焊料(4)连接，所用焊料为AuSn或PbSnAg成分预成型固态焊料片或者纳米银膏焊料。

优选的，对芯片实现多层多路叠层封装时，通过芯片定位装置(6)，实现焊片与芯片在外壳中快速、精确定位，叠层偏移量小于10％。

优选的，芯片定位装置(6)为鱼骨状加工件，材料为石墨。

优选的，通过芯片定位装置(6)进行焊片与芯片定位，芯片安装采用粘片机进行，芯片装片要求为：在外壳(5)中安装芯片定位装置(6)、再安装底层焊料(4)、在底层焊料上安装底层芯片(3)、在底层芯片上安装上层焊料(2)、在上层焊料上安装上层芯片(1)。

优选的，底层芯片与外壳基座连接采用的焊料，具体为：采用AuSn或PbSnAg固态焊片共晶焊接温度范围为320℃～350℃，焊接时间为30s～150s，焊接氛围为真空。

优选的，外壳与盖板通过平行缝焊连接外壳材料为陶瓷外壳，盖板为金属盖板，外壳与盖板封接为气密性封接，封接后内部水汽含量≤5000ppm。

优选的，上层芯片(1)与外壳采用金属线连接，金属线材料为金丝或者硅铝丝，丝径≤75μm。

优选的，立体集成阵列式整流二极管模组封装结构，包括：上层芯片(1)、上层焊料(2)、底层芯片(3)、底层焊料(4)、外壳(5)、盖板(7)、互连材料(8)；

外壳(5)包括：外壳基座(51)、外壳引出端(52)和外壳封口环(53)；

外壳引出端(52)位于外壳基座(51)底部，外壳封口环(53)位于外壳封口环(53)顶部；外壳基座(51、外壳引出端(52)和外壳封口环(53)一体成型，形成半封闭结构；

底层芯片(3)与外壳基座(51)采用底层焊料(4)连接，上层芯片(1)与外壳引出端(52)采用互连材料(8)连接；上层芯片(1)与底层芯片(3)通过上层焊料(2)连接；外壳封口环(53)与盖板(7)通过平行缝焊连接。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明提供了一种立体集成阵列式整流二极管模组封装结构，具有体积小、质量轻、集成度高、可靠性高、空间适用性好等优点，可替代传统分立整流二极管器件，大幅度节省空间、简化系统电路布局。

(2)本发明提供了一种立体集成阵列式模组芯片装片方法，通过设置定制工装，实现功率芯片快速安装，装片精度高，小尺寸组件多层叠层偏移量控制在5％以内，极大提升生产效率和工艺可实现性。

(3)本发明提供了一种立体集成芯片焊接方法，通过纳米银焊料烧结实现16个芯片一次焊接，焊接工艺稳定，焊接后器件焊接效果好，双层芯片焊接区空洞率小于10％，结合牢固。

(4)本发明提供了立体集成阵列式整流二极管模组封装结构及方法，通过双芯片叠层立体封装，实现的600V 8路立体集成整流阵列器件封装生产，大幅提高单只整流二极管器件耐压能力。

(5)本发明一种新型阵列式整流二极管模组立体集成封装方法，特别适用于小尺寸、多芯片、高压二极管等产品的气密性、高密度、高精度封装。

(6)本发明提供了一种大功率器件芯片低温焊接的技术方法，实现小体积腔体空间内部集成双层16个芯片封装。

附图说明

图1为本发明立体集成阵列整流二极管模组封装结构侧面剖面图；

图2为本发明立体集成阵列整流二极管模组封装结构俯视图；

图3为本发明芯片定位工装示意图；

图4为本发明立体集成阵列整流二极管模组剖面图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细描述。

本发明为立体集成阵列式整流二极管模组封装结构及方法，其主要选用高可靠陶瓷外壳及金属盖板为封装材料，首先在外壳基座内部通过芯片定位装置进行焊片及芯片高精度安装，通过焊接实现芯片与外壳基座焊接，再通过硅铝丝实现芯片与外壳互连连接，最后通过平行缝焊实现金属盖板与外壳密封封装。本发明方法的应用，实现了立体阵列式整流二极管封装，大大提高整流二极管应用范围，纳米银膏和平行缝焊多温度梯度焊接方式可以起到优良的散热以及高可靠气密性封装，拓宽了器件应用场景。

在电子封装领域，传统分立整流二极管器件为单芯片封装结构，目前产品技术成熟，但随着新一代电源系统，特别是在航天、航空等国防军事领域，器件向小型化、轻量化、低功耗、高功率密度方向发展需求明确，单管结构器件耐压能力小，多器件串联又增加系统重量和尺寸，因此急需开发集成化封装整流二极管。

本发明的功率整流阵列封装结构具有体积小、质量轻、集成度高、可靠性高、空间适用性好等优点，可替代传统分立整流二极管器件，解决单管器件耐压低，体积大等关键问题，大幅度节省空间、简化系统电路布局。此外通过双芯片叠层立体焊接，可在小体积腔体空间内集成双层多芯片，实现立体集成整流阵列器件封装，大幅提升器件生产效率，节约封装用外壳。

立体集成阵列式整流二极管模组封装方法，优选方案步骤如下：

(1)首先将外壳进行氮气烘烤，再将外壳进行氩等离子清洗；优选方案如下：所用氮气烘烤条件优选为150℃/60min，氮气流量优选为60SCFH；氩等离子清洗采用功率优选设定为300W，氩流量优选为60SCCM,清洗时间优选设定为120s。

(2)选取待封装的芯片为16个相同的整流二极管芯片，并选取焊接封接材料为纳米银膏焊料，优选将纳米银膏在室温缓释1小时，将缓释后纳米银膏装入粘片机中。

(3)在外壳(5)中安装芯片定位装置(6)，如图3所示，将壳体(5)内芯片安装区域划分为8个独立区域，在每个独立区域中的壳体上安装底层焊料(4)；在每个独立区域中在底层焊料上叠放一个步骤(2)选取的整流二极管芯片，作为底层芯片(3)；在每个独立区域中底层芯片(3)上安装上层焊料(2)、在上层焊料(2)上安装一个步骤(2)选取的整流二极管芯片，作为上层芯片(1)，形成双层8路16个芯片的阵列器件，完成步骤(2)选取的16个相同的整流二极管芯片与壳体的装配；

(4)将步骤(3)的双层8路16个芯片的阵列器件，放入真空烧结炉，在氮气条件下以设定的升温速度V1升温至预设的温度T1保温t1时间后，抽真空，再次以设定的升温速度V2升温至预设的温度T2保温t2时间后，随炉冷却，完成器件烧结，去除芯片定位装置(6)，得到烧结后的双层8路16个芯片的阵列器件；优选方案步骤如下：

将步骤(3)的双层8路16个芯片的阵列器件，放入真空烧结炉，优选进行充氮/抽真空洗气2次，优选在氮气条件下以40℃/min升温至优选的150℃，优选保温1小时时间后，抽真空，再次以优选的20℃/min升温至优选的250℃保温2小时时间后，随炉冷却，完成器件烧结。

(5)将烧结后的双层8路16个芯片的阵列器件，置于键合机上进行各个上层芯片(1)与外壳引出端(52)引线键合，完成烧结后的双层8路16个芯片的阵列器件和壳体(5)电性能互连，得到电性能互连的器件；优选方案步骤如下：

将烧结后的双层8路16个芯片的阵列器件取出，用镊子取出芯片定位装置，将双层8路16个芯片的阵列器件置于键合机上进行引线键合，所用键合互连材料(8)优选为32μm硅铝丝，键合功率优选为50，键合压力优选为60，键合时间优选为20ms，完成芯片电性能引出互连。

(6)将步骤(5)电性能互连的器件，放入平行缝焊设备，在外壳安装盖板(7)，进行外壳封口环(53)与盖板(7)封接，完成立体集成阵列式整流二极管模组封装。如图4所示，优选方案步骤如下：

将步骤(5)电性能互连的器件，放入平行缝焊设备，采用功率优选为1200W，焊接压力优选为400g，脉冲60周期ms，脉冲宽度优选为15，完成器件盖板封接，采用平行缝焊可实现阵列器件气密性封接，保证器件高可靠应用。

优选的，芯片为硅基材料，正背面需进行金属化层涂覆，背面金属化材料优选为Ag，厚度优选为1μm，芯片(截面为矩形)尺寸优选为1.1mm×1.1mm(长×宽)，实现不少于双层8路16个芯片叠层封装，8路是指8个独立区域。

如图1和图2所示，优选的，外壳(5)包括：外壳基座(51)、外壳引出端(52)和外壳封口环(53)；外壳基座(51)、外壳引出端(52)和外壳封口环(53)依次由下至上排列；

外壳引出端(52)位于外壳基座(51)底部，外壳封口环(53)位于外壳封口环(53)顶部；外壳基座(51、外壳引出端(52)和外壳封口环(53)一体成型，形成半封闭结构；

底层芯片(3)与外壳基座(51)采用底层焊料(4)连接，所用焊料纳米银膏焊料。

优选的，对芯片实现多层多路叠层封装时，通过芯片定位装置(6)，实现焊片与芯片在外壳中快速、精确定位，上层和底层芯片叠层中心偏移量小于10％。

优选的，如图3所示，芯片定位装置(6)为鱼骨状加工件，加工件横向(62)与纵向(61)骨架围城半封闭区域为芯片装片区域，该区域面积不大于芯片面积的1.1倍，材料为石墨。

优选的，通过芯片定位装置(6)进行焊片与芯片定位，芯片安装采用粘片机进行，芯片装片要求为：在外壳(5)中安装芯片定位装置(6)、再安装底层焊料(4)、在底层焊料上安装底层芯片(3)、在底层芯片上安装上层焊料(2)、在上层焊料上安装上层芯片(1)。

优选方案为：立体集成阵列式整流二极管模组封装结构及方法，其通过芯片定位工装，可在小尺寸空间内集成16个芯片，通过纳米银实现双芯片叠层立体封装，从而实现的600V 8路立体集成整流阵列器件封装生产。

上述封装方法中，双芯片叠层立体封装包括外壳处理、芯片装配、芯片焊接、引线键合、外壳封帽，芯片焊接封接材料为纳米银材料，引线键合互连材料为硅铝丝，外壳盖板为镀金镍盖板。

优选方案为：所述外壳处理，首先将外壳优选进行150℃氮气烘烤，烘烤时间优选为30～60min，氮气流量优选不小于40SCFH，再将外壳进行等离子清洗，等离子清洗所用介质为氩，氩等离子清洗采用功率范围优选为200～400W，氩流量优选为不小于60SCCM，清洗时间范围优选为60～180s，确保外壳洁净度。

优选方案为：所述芯片装配，通过石墨工装实现芯片高精度装片，其步骤包括为：在外壳(5)中安装定位装置(6)、再安装底层焊料(4)、在底层焊料上安装底层芯片(3)、在底层芯片上安装上层焊料(2)、在上层焊料上安装上层芯片(1)，完成芯片装配。

优选方案为：所述的芯片焊接，将固定后的芯片与外壳放入真空烧结炉进行芯片焊接，纳米银烧结过程，纳米银活化温度范围优选在120℃～150℃，保温时间优选为30～60min，纳米银固化烧结条件优选为200～250℃，固化时间优选为1～3h，固化焊接后随炉冷却，完成器件芯片烧结。

优选方案为：所述的引线键合，将芯片焊接后器件进行芯片电性能引出键合，键合材料为硅铝丝或者金丝，硅铝丝直径优选为32μm，键合功率优选为10～50，键合压力优选为10～70，键合时间优选为5～35ms。

优选方案为：所述的外壳封帽，将完成键合后器件进行外壳封帽，实现气密性封接，封帽材料为镀金镍盖板，采用平行缝焊技术进行封接，封接后内部水汽含量≤5000ppm。

优选方案为：立体集成阵列式整流二极管模组封装结构及方法，其封装组件包括外壳、金属盖板、16只二极管芯片、16片金属焊片、若干金属导线；芯片为硅基材料，正背面需进行金属化层涂覆，芯片尺寸小于2mm×2mm，封接结构为立体双层芯片封装结构，芯片与外壳基座采用焊料连接，芯片与外壳采用金属线连接，外壳与盖板通过平行缝焊连接，实现双层8路16个芯片叠层封装。

本发明进一步的优选方案如下：

立体集成阵列式整流二极管模组封装结构及方法，包括立体双层芯片封装结构和芯片叠加共晶焊接和气密性封装方法，优选方案步骤如下：

1)首先将外壳优选优选进行150℃/60min氮气烘烤，氮气流量优选为60SCFH，再将外壳进行氩等离子清洗优选为120s，氩流量优选为60SCCM，确保外壳洁净度。

2)选取合格整流二极管芯片，芯片(截面为矩形)尺寸优选为1.1*1.1mm，芯片焊接封接材料为纳米银。

3)芯片装配，通过石墨工装实现芯片高精度装片，其步骤包括为：在外壳(5)中安装定位装置(6)、再安装底层焊料(4)、在底层焊料上安装底层芯片(3)、在底层芯片上安装上层焊料(2)、在上层焊料上安装上层芯片(1)，完成芯片装配。

4)将装配后的芯片与外壳放入真空烧结炉，在氮气条件下优选以40℃/min升温至优选的150℃，优选保温1小时时间后，抽真空，再次以优选的20℃/min升温至优选的250℃保温2小时时间后，随炉冷却，取出实现芯片封接。

5)将完成芯片焊接后器件，于键合机上进行芯片引线键合，所用键合材料优选为32μm硅铝丝，键合功率优选为50，键合压力优选为60，键合时间优选为20ms，完成芯片电性能引出互连。

6)将完成引线键合后器件，放入平行缝焊设备，进行外壳与盖板封接。

通过本发明，可是实现双层8路16个芯片在陶瓷外壳气密性封装，实现的600V 8路立体集成整流阵列器件功能。

实现封装稳定性提高的方案：芯片纳米银烧结过程中，芯片面积为S

通过本发明完成立体集成阵列式整流二极管模组封装，通过芯片剪切试验、水汽含量测试试验均满足GJB548相关要求，且电测试性能一致性好，实现高可靠、小尺寸、高压600V整流二极管阵列模组封装。

具体试验结果如下表所示：

本发明提供了一种立体集成阵列式整流二极管模组封装结构，具有体积小、质量轻、集成度高、可靠性高、空间适用性好等优点，可替代传统分立整流二极管器件，大幅度节省空间、简化系统电路布局，本发明提供了一种立体集成阵列式模组芯片装片方法，通过设置定制工装，实现功率芯片快速安装，装片精度高，小尺寸组件多层叠层偏移量控制在5％以内，极大提升生产效率和工艺可实现性。

本发明提供了一种立体集成芯片焊接方法，通过纳米银焊料烧结实现16个芯片一次焊接，焊接工艺稳定，焊接后器件焊接效果好，双层芯片焊接区空洞率小于10％，结合牢固；本发明提供了立体集成阵列式整流二极管模组封装结构及方法，通过双芯片叠层立体封装，实现的600V 8路立体集成整流阵列器件封装生产，大幅提高单只整流二极管器件耐压能力。

本发明提供了一种大功率器件芯片低温焊接的技术方法，实现小体积腔体空间内部集成双层16个芯片封装；本发明一种新型阵列式整流二极管模组立体集成封装方法，特别适用于小尺寸、多芯片、高压二极管等产品的气密性、高密度、高精度封装。