一种芯片抗辐照封装材料及抗辐照封装工艺

技术领域

本发明属于材料核工业用材料技术领域，尤其涉及一种芯片抗辐照封装材料及抗辐照封装工艺。

背景技术

随着时代的进步，我国在航空领域有了长足的发展，从载人飞船到火星探测，从天宫二号到北斗全球覆盖，越来越多的功率器件被带到太空中工作。但是在相较于一般的工作环境，太空中功率器件的可靠性非常重要，其中功率器件的封装技术对功率器件的可靠性能有极大的提升，功率器件的封装形式多种多样，其中塑料封装在成本、尺寸、重量等方面具有相当的优势，而随着塑料封装的可靠性在近年来有了很大的提升，因此塑封器件在航空领域得到了越来越多的关注，在太空中，除面临一般的可靠性失效外，塑封器件还会遇到高能粒子辐照带来的一系列问题，例如，长期在辐照环境中运行，塑封器件会遇到单粒子击穿效应、单粒子翻转效应和单粒子栅穿效应等，因此，提升塑封器件的抗辐照性能对于应用在航空航天领域中的塑封器件是非常必要的。

现有技术中抗辐照的技术方案有涂层法、元素掺杂法和外壳包裹法，涂层法需要在物体表面生成抗辐照层，在授权公告号为CN111118455B的专利文件中提出一种通过在氧化锆和硅钢间夹杂一层金属铬，以此在提高抗辐照能力的基础上，改善氧化锆层和硅钢间的连接性能，但是塑封器件主要由底部的铜基板和背部塑料两部分组成，目前涂层工艺多为氧化锆等金属氧化物，金属氧化物与塑封器件的塑料间不易形成有力连接，无法提升器件塑料部分的抗辐照性能。而元素掺杂法多为掺杂稀土元素和无机非金属单质材料，存在价格过高，性能相对较差的问题。最后的外壳包裹法需要在器件的外层额外增加一层结构，在低能辐照领域，外壳包裹虽大幅度提升了器件的抗辐射能力，但是却增加重量和体积，不利于航空航天集成化轻便化的要求。

发明内容

本发明所解决的技术问题在于提供一种芯片抗辐照封装材料及抗辐照封装工艺，通过将宽禁带半导体材料作为颗粒掺杂进塑料中，从而提升芯片整体的抗辐照性能和在太空环境下的可靠性。

本发明提供的基础方案：一种芯片抗辐照封装材料，其特征在于：在塑封料中掺杂宽禁带半导体颗粒，所述宽禁带半导体颗粒的重量占比在10％-75％之间。

本发明的原理及优点在于：本发明通过在塑封料中掺杂宽禁带半导体颗粒，利用宽禁带半导体材料具备抗辐照的能力，可以有效提升塑封料吸收辐照能量，从而提升芯片整体的抗辐照性能和在太空环境下的可靠性。因此，本发明的优点在于通过将宽禁带半导体材料作为颗粒掺杂进塑料中，从而提升芯片整体的抗辐照性能和在太空环境下的可靠性。

进一步，所述塑封料为环氧塑封料。

有益效果：环氧塑封料具有低成本、高生产效率以及合理的可靠性优点，是一种常用的封装材料。

进一步，所述宽禁带半导体颗粒为碳化硅宽禁带半导体颗粒或者氮化镓宽禁带半导体颗粒中的一种。

有益效果：碳化硅宽禁带半导体和氮化镓宽禁带半导体具有抗辐照能力，同时碳化硅和氮化镓还作为高热导系数材料，掺杂进塑封中，能有效提升芯片整体的散热能力。

进一步，所述宽禁带半导体颗粒粒径为10nm-50um。

有益效果：将宽禁带半导体颗粒的粒径控制在10nm-50um，对掺杂有宽禁带半导体颗粒的塑封料整体重量和外形无明显影响。

一种芯片抗辐照封装工艺，其特征在于：包括：

S1：在铜基板背面生长一层抗辐照层，在铜基板正面焊接芯片，同时将芯片和铜基板的引脚键合；

S2：称量塑封料和掺杂颗粒，将塑封料和掺杂颗粒置入预设好搅拌温度的模具中进行搅拌均匀，待搅拌时间结束后，得到塑封料复合材料；

S3：将搅拌均匀后的塑封料复合材料对S1中具有抗辐照层的芯片铜基板进行注塑压封，并将塑封后的芯片进行引脚电镀和去除毛刺与飞边。

原理和优点：本发明通过在塑封料中掺杂宽禁带半导体颗粒，利用宽禁带半导体材料具备抗辐照的能力，可以有效提升塑封料吸收辐照能量，从而提升芯片整体的抗辐照性能和在太空环境下的可靠性。同时在铜基板表面芯片背部生长一层抗辐照层，能够提升芯片器件背部的抗辐照能力。因此，本发明的优点在于通过将宽禁带半导体材料作为颗粒掺杂进塑料中，从而提升芯片整体的抗辐照性能和在太空环境下的可靠性，同时芯片器件的背部通过伸生长一层抗辐照层，提升芯片器件背部的抗辐照能力。

进一步，在S1中，所述抗辐照层材料为金属氧化物或金属单质或宽禁带半导体材料中的一种，所述抗辐照层厚度为1um-1mm，所述抗辐照层的区域面积为芯片的区域面积和铜基板的区域面积之间。

有益效果：金属氧化物或金属单质或宽禁带半导体材料能够提升芯片器件背部的抗辐照能力。

进一步，在S2中，所述塑封料为环氧塑封料，所述模具中的搅拌温度为150-220℃，所述搅拌时间为5-30min。

有益效果：环氧塑封料具有低成本、高生产效率以及合理的可靠性优点，是一种常用的封装材料，同时环氧塑封料在150-220℃的温度下，搅拌5-30分钟能够使其搅拌均匀。

进一步，所述掺杂颗粒为碳化硅宽禁带半导体颗粒或氮化镓宽禁带半导体颗粒中的一种，所述掺杂颗粒占总质量的10％-75％，所述掺杂颗粒的粒径为10nm-50um。

有益效果：碳化硅宽禁带半导体和氮化镓宽禁带半导体具有抗辐照能力，同时碳化硅和氮化镓还作为高热导系数材料，掺杂进塑封中，能有效提升芯片整体的散热能力。

附图说明

图1为本发明的流程图。

具体实施方式

下面通过具体实施方式进一步详细说明：

如图1所示，一种芯片抗辐照封装材料，称取塑封料和宽禁带半导体颗粒，在塑封料中掺杂宽禁带半导体颗粒，塑封料为环氧塑封料，宽禁带半导体颗粒为碳化硅宽禁带半导体颗粒或者氮化镓宽禁带半导体颗粒中的一种，宽禁带半导体颗粒的重量占比在1％-30％之间，宽禁带半导体的颗粒粒径为10nm-50um之间。

一种芯片抗辐照封装工艺，包括：

S1：在铜基板背面生长一层抗辐照层，在铜基板正面焊接芯片，并将芯片和铜基板的引脚键合；其中，抗辐照层材料为金属氧化物或金属单质或宽禁带半导体材料中的一种，抗辐照层厚度为1um-1mm，抗辐照层的区域面积为芯片的区域面积和铜基板的区域面积之间；

S2：称量塑封料和掺杂颗粒，将塑封料和掺杂颗粒置入预设好搅拌温度的模具中进行搅拌均匀，待搅拌时间结束后，得到塑封料复合材料；其中，塑封料为环氧塑封料，模具中的搅拌温度为150-220℃，搅拌时间为5-30min；掺杂颗粒为碳化硅宽禁带半导体颗粒或氮化镓宽禁带半导体颗粒中的一种，掺杂颗粒占总质量的10％-75％，掺杂颗粒的粒径为10nm-50um；

S3：将搅拌均匀后的塑封料复合材料对S1中具有抗辐照层的芯片铜基板进行注塑压封，并将塑封后的芯片进行引脚电镀和去除毛刺与飞边。

实施例一：

一种芯片抗辐照封装材料，称取2g塑封料和宽禁带半导体颗粒，在塑封料中掺杂宽禁带半导体颗粒，塑封料为环氧塑封料，宽禁带半导体颗粒为碳化硅宽禁带半导体颗粒，碳化硅宽禁带半导体颗粒的重量占比在20％，即碳化硅宽禁带半导体颗粒的重量为0.4g，碳化硅宽禁带半导体的颗粒粒径为10nm。

一种芯片抗辐照封装工艺，包括：

S1：在铜基板背面生长一层抗辐照层，在铜基板正面焊接芯片，同时将芯片和铜基板的引脚键合；其中，抗辐照层材料为氧化锆，抗辐照层厚度为1um，抗辐照层的区域面积为铜基板的区域面积；

S2：称量2g塑封料和掺杂颗粒，将塑封料和掺杂颗粒置入预设好搅拌温度的模具中进行搅拌均匀，待搅拌时间结束后，得到塑封料复合材料；其中，塑封料为环氧塑封料，模具中的搅拌温度为150℃，搅拌时间为5min；掺杂颗粒为碳化硅宽禁带半导体颗粒，碳化硅宽禁带半导体颗粒的重量占总重量的20％，即碳化硅宽禁带半导体颗粒的重量为0.4g，碳化硅宽禁带半导体颗粒的粒径为10nm；

S3：将搅拌均匀后的塑封料复合材料对S1中具有抗辐照层的芯片铜基板进行注塑压封，并将塑封后的芯片进行引脚电镀和去除毛刺与飞边；

S4:对S3中塑封好的器件进行1M rad剂量的辐照试验，该器件电性能与未掺杂器件相比，退化幅度为后者的88％。

实施例二：

一种芯片抗辐照封装材料，称取2g塑封料和宽禁带半导体颗粒，在塑封料中掺杂宽禁带半导体颗粒，塑封料为环氧塑封料，宽禁带半导体颗粒为碳化硅宽禁带半导体颗粒，碳化硅宽禁带半导体颗粒的重量占比在10％，宽禁带半导体的颗粒粒径为200nm。

一种芯片抗辐照封装工艺，包括：

S1：在铜基板背面生长一层抗辐照层，在铜基板正面焊接芯片，同时将芯片和铜基板的引脚键合；其中，抗辐照层材料为氧化锆，抗辐照层厚度为100um，抗辐照层的区域面积为铜基板的区域面积；

S2：称量2g塑封料和掺杂颗粒，将塑封料和掺杂颗粒置入预设好搅拌温度的模具中进行搅拌均匀，待搅拌时间结束后，得到塑封料复合材料；其中，塑封料为环氧塑封料，模具中的搅拌温度为200℃，搅拌时间为20min；掺杂颗粒为碳化硅宽禁带半导体颗粒，碳化硅宽禁带半导体颗粒的重量占总重量的10％，碳化硅宽禁带半导体颗粒的粒径为200nm；

S3：将搅拌均匀后的塑封料复合材料对S1中具有抗辐照层的芯片铜基板进行注塑压封，并将塑封后的芯片进行引脚电镀和去除毛刺与飞边；

S4:对S3中塑封好的器件进行1M rad剂量的辐照试验，该器件电性能与未掺杂器件相比，退化幅度为后者的95％。

实施例三：

一种芯片抗辐照封装材料，称取2g塑封料和宽禁带半导体颗粒，在塑封料中掺杂宽禁带半导体颗粒，塑封料为环氧塑封料，宽禁带半导体颗粒为碳化硅宽禁带半导体颗粒，碳化硅宽禁带半导体颗粒的重量占比在35％，宽禁带半导体的颗粒粒径为5um。

一种芯片抗辐照封装工艺，包括：

S1：在铜基板背面生长一层抗辐照层，在铜基板正面焊接芯片，同时将芯片和铜基板的引脚键合；其中，抗辐照层材料为氧化锆，抗辐照层厚度为1mm，抗辐照层的区域面积为铜基板的区域面积；

S2：称量2g塑封料和掺杂颗粒，将塑封料和掺杂颗粒置入预设好搅拌温度的模具中进行搅拌均匀，待搅拌时间结束后，得到塑封料复合材料；其中，塑封料为环氧塑封料，模具中的搅拌温度为220℃，搅拌时间为30min；掺杂颗粒为碳化硅宽禁带半导体颗粒，碳化硅宽禁带半导体颗粒的重量占总重量的35％，碳化硅宽禁带半导体颗粒的粒径为5um；

S3：将搅拌均匀后的塑封料复合材料对S1中具有抗辐照层的芯片铜基板进行注塑压封，并将塑封后的芯片进行引脚电镀和去除毛刺与飞边；

S4:对S3中塑封好的器件进行1M rad剂量的辐照试验，该器件电性能与未掺杂器件相比，退化幅度为后者的69％。

实施例四：

一种芯片抗辐照封装材料，称取2g塑封料和宽禁带半导体颗粒，在塑封料中掺杂宽禁带半导体颗粒，塑封料为环氧塑封料，宽禁带半导体颗粒为氮化镓宽禁带半导体颗粒，氮化镓宽禁带半导体颗粒的重量占比在35％，宽禁带半导体的颗粒粒径为10nm。

一种芯片抗辐照封装工艺，包括：

S1：在铜基板背面生长一层抗辐照层，在铜基板正面焊接芯片，同时将芯片和铜基板的引脚键合；其中，抗辐照层材料为氮化镓，抗辐照层厚度为1um，抗辐照层的区域面积为芯片的区域面积；

S2：称量2g塑封料和掺杂颗粒，将塑封料和掺杂颗粒置入预设好搅拌温度的模具中进行搅拌均匀，待搅拌时间结束后，得到塑封料复合材料；其中，塑封料为环氧塑封料，模具中的搅拌温度为150℃，搅拌时间为5min；掺杂颗粒为氮化镓宽禁带半导体颗粒，氮化镓宽禁带半导体颗粒的重量占总重量的35％，氮化镓宽禁带半导体颗粒的粒径为10nm；

S3：将搅拌均匀后的塑封料复合材料对S1中具有抗辐照层的芯片铜基板进行注塑压封，并将塑封后的芯片进行引脚电镀和去除毛刺与飞边；

S4:对S3中塑封好的器件进行1M rad剂量的辐照试验，该器件电性能与未掺杂器件相比，退化幅度为后者的67.8％。

实施例五：

一种芯片抗辐照封装材料，称取2g塑封料和宽禁带半导体颗粒，在塑封料中掺杂宽禁带半导体颗粒，塑封料为环氧塑封料，宽禁带半导体颗粒为氮化镓宽禁带半导体颗粒，氮化镓宽禁带半导体颗粒的重量占比在15％，宽禁带半导体的颗粒粒径为500nm。

一种芯片抗辐照封装工艺，包括：

S1：在铜基板背面生长一层抗辐照层，在铜基板正面焊接芯片，同时将芯片和铜基板的引脚键合；其中，抗辐照层材料为氮化镓，抗辐照层厚度为500um，抗辐照层的区域面积为芯片的区域面积；

S2：称量2g塑封料和掺杂颗粒，将塑封料和掺杂颗粒置入预设好搅拌温度的模具中进行搅拌均匀，待搅拌时间结束后，得到塑封料复合材料；其中，塑封料为环氧塑封料，模具中的搅拌温度为200℃，搅拌时间为20min；掺杂颗粒为氮化镓宽禁带半导体颗粒，氮化镓宽禁带半导体颗粒的重量占总重量的15％，氮化镓宽禁带半导体颗粒的粒径为500nm；

S3：将搅拌均匀后的塑封料复合材料对S1中具有抗辐照层的芯片铜基板进行注塑压封，并将塑封后的芯片进行引脚电镀和去除毛刺与飞边；

S4:对S3中塑封好的器件进行1M rad剂量的辐照试验，该器件电性能与未掺杂器件相比，退化幅度为后者的91％。

实施例六：

一种芯片抗辐照封装材料，称取2g塑封料和宽禁带半导体颗粒，在塑封料中掺杂宽禁带半导体颗粒，塑封料为环氧塑封料，宽禁带半导体颗粒为氮化镓宽禁带半导体颗粒，氮化镓宽禁带半导体颗粒的重量占比在30％，宽禁带半导体的颗粒粒径为50nm。

一种芯片抗辐照封装工艺，包括：

S1：在铜基板背面生长一层抗辐照层，在铜基板正面焊接芯片，同时将芯片和铜基板的引脚键合；其中，抗辐照层材料为氮化镓，抗辐照层厚度为1mm，抗辐照层的区域面积为芯片的区域面积；

S2：称量2g塑封料和掺杂颗粒，将塑封料和掺杂颗粒置入预设好搅拌温度的模具中进行搅拌均匀，待搅拌时间结束后，得到塑封料复合材料；其中，塑封料为环氧塑封料，模具中的搅拌温度为220℃，搅拌时间为30min；掺杂颗粒为氮化镓宽禁带半导体颗粒，氮化镓宽禁带半导体颗粒的重量占总重量的30％，氮化镓宽禁带半导体颗粒的粒径为50um；

S3：将搅拌均匀后的塑封料复合材料对S1中具有抗辐照层的芯片铜基板进行注塑压封，并将塑封后的芯片进行引脚电镀和去除毛刺与飞边；

S4:对S3中塑封好的器件进行1M rad剂量的辐照试验，该器件电性能与未掺杂器件相比，退化幅度为后者的76.6％。

以上的仅是本发明的实施例，方案中公知的具体结构及特性等常识在此未作过多描述，所属领域普通技术人员知晓申请日或者优先权日之前发明所属技术领域所有的普通技术知识，能够获知该领域中所有的现有技术，并且具有应用该日期之前常规实验手段的能力，所属领域普通技术人员可以在本申请给出的启示下，结合自身能力完善并实施本方案，一些典型的公知结构或者公知方法不应当成为所属领域普通技术人员实施本申请的障碍。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明结构的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些也应该视为本发明的保护范围，这些都不会影响本发明实施的效果和专利的实用性。本申请要求的保护范围应当以其权利要求的内容为准，说明书中的具体实施方式等记载可以用于解释权利要求的内容。