一种基于衬底凹槽设计的高过载能力功率模块

技术领域

本发明涉及半导体器件技术领域，尤其涉及一种基于衬底凹槽设计的高过载能力功率模块。

背景技术

电力电子系统中，存在短时过载工况。例如，电网系统黑启动模式下的浪涌电流为额定电流的3倍且持续4.4s；电动汽车在满载启动和加速爬坡阶段，加速爬坡阶段，电机输出转矩大，为了保证电机的动态性能，电机控制器此时可能直接处于1.5倍持续10s甚至更长时间的短时过载状态；电力系统继电保护动作时，故障电流为额定电流的2倍持续时间为0.12s。

功率器件的总损耗主要由开关损耗和导通损耗两部分组成：P

功率器件的短时过载能力与芯片结构、封装结构和栅极驱动状态有关。根据功率模块Cauer热网络模型，如图1所示，在功率模块运行过程中，结温由功率损耗和结壳热阻的乘积决定，功率模块结壳热阻由其各层材料的RC热网络模型构成：

其中Z

重庆大学提出通过在传统功率模块中填充相变材料的方法提升其短时过载能力，如图2所示，该功率模块包括基板，陶瓷覆铜板，相变模块和功率端子；基板上表面呈长方形，多块陶瓷覆铜板分别设置在基板上，陶瓷覆铜板之间通过铜排连接；相变模块设置在陶瓷覆铜板上，多块功率端子设置在功率端子安装端上；相变模块包含传热增强框架和密封盖，传热增强框架里面填充有相变材料；密封盖的外表面还焊接有功率半导体芯片。该技术通过提高功率模块瞬时热容以抑制过载工况下功率模块结温。但是，传统功率模块等效热容低、等效暂态热阻大，短时过载能力不足，难以满足电力电子系统实际运用需求，易发生热失效造成系统运行崩溃等安全问题。而且上述相变功率模块将相变材料填充于芯片与陶瓷覆铜板间，增大了功率模块正常工作时热阻，传热增强框架温度升高时与芯片间将会产生热应力可能损坏芯片，且其工艺难度大实现较为困难，所需相变材料成本较高，制作实施成本高。

需要说明的是，在上述背景技术部分公开的信息只用于加强对本公开的背景的理解，因此可以包括不构成对本领域普通技术人员已知的现有技术的信息。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺点，提供了一种基于衬底凹槽设计的高过载能力功率模块，解决了传统功率模块存在的不足。

本发明的目的通过以下技术方案来实现：一种基于衬底凹槽设计的高过载能力功率模块，它包括芯片外延层以及设置在外延层下方的芯片衬底，在所述衬底的底面等间距且均匀分布的蚀刻有凹槽阵列，同时对挖槽后的衬底底面通过金属化处理沉积多层金属层；

在每个凹槽内填充有高比热容的金属材料，通过金属材料快速吸收功率模块短时过载时所产生的热量，增强功率模块的过载能力，并通过焊料焊接陶瓷覆铜基板于每个凹槽的开口处，实现芯片与外部电路的电气连接。

所述凹槽刻蚀的深度小于所述芯片衬底厚度的50％，所述凹槽开口的拐角处蚀刻有圆弧倒角，以减小功率模块升温后芯片衬底与凹槽内所填充金属材料之间的热应力。

所述凹槽的形状包括矩形槽或者方形槽或者正六边形槽，最外侧凹槽边界与所述芯片衬底边界之间的距离为05.mm-5mm，两个凹槽之间的间隙大于凹槽宽度的两边以上，以减功率模块升温后芯片衬底与凹槽内所填充金属材料之间的热应力作用，避免芯片损坏。

所述矩形槽宽度为10微米至50微米，两个矩形槽之间的间距为150微米至200微米；

所述方形槽宽度为20微米至60微米，两个方形槽之间的间距为100微米至150微米；

所述正六边形槽宽度为20微米至60微米，两个正六边形槽之间的间距为100微米至150微米；

每个凹槽均匀分布在所述芯片衬底上，避免芯片衬底未填充金属材料出升温严重，以减小未填充金属材料处的热应力与填充金属材料处的热应力差距。

对挖槽后的芯片衬底底面通过金属化处理，从上到下依次沉积有钛、镍和银三层金属材料，三层金属材料的总体厚度为0.1微米至2微米。

对挖槽后的芯片衬底底面通过金属化处理，从上到下依次沉积有钛、镍、钛和银四层金属材料，四层金属材料的总体厚度为0.1微米至2微米。

所述凹槽内所填充的金属材料包括钼或铜或银；所述凹槽内壁上涂抹有单层石墨烯，以增加凹槽与内部填充金属材料之间的导热性。

本发明具有以下优点：一种基于衬底凹槽设计的高过载能力功率模块，在芯片衬底内填充金属材料，提高芯片瞬时热容，由于所填充的部位在芯片内部，因此能够极快地响应功率模块过载时产生的大量热量。

附图说明

图1为传统功率模块的模型结构示意图；

图2为相变功率模块的结构示意图；

图3为本发明芯片衬底的结构示意图；

图4为本发明芯片衬底的凹槽开设圆弧倒角的示意图；

图5为本发明芯片衬底的金属填充示意图；

图6为本发明的凹槽形状示意图；

图7为晶圆划片的芯片衬底槽型示意图。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下结合附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的保护范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。下面结合附图对本发明做进一步的描述。

如图3所示，本发明具体涉及一种基于衬底凹槽设计的高过载能力功率模块，将SiC MOSFET芯片衬底结构进行挖槽处理用于填充高比热容金属材料，如钼、铜或银等，以提高SiC MOSFET芯片瞬时热容从而增强功率模块过载能力。与此同时，挖槽后的衬底同样需要进行金属化处理，即物理气相沉积钛/镍/银三层金属，或者物理气相沉积钛/镍/钛/银四层金属；图3中预留部分为所挖槽型，用以填充钼、铜或银等金属材料。填充方式如图5所示，金属材料填充在所挖槽型中，而后通过焊料焊接于陶瓷覆铜基板(Direct BondingCopper，DBC)，陶瓷覆铜板与半导体芯片之间经由无铅焊料通过真空回流焊接工艺连接，实现芯片与外部电路的电气连接。由于金属材料十分接近芯片，因此本发明技术方案能够快速吸收功率模块短时过载时所产生的热量，具有更快的温度响应速度。

进一步地，如图3所示，槽型为自衬底底面向上的方形槽，槽深应小于SiC MOSFET芯片衬底厚度的50％，一般为几十至几百微米，以保证衬底的基本作用，即机械支撑和耐压增强作用。如图4所示，槽接近于衬底底面的边角可留有一定的弧度，以减小升温后芯片衬底与所填充金属间的热应力。

如图6所示，衬底所挖槽为可为矩形槽、方形槽及正六边形槽等槽型，其中灰色区域为所挖槽型，白色部分为两槽之间间隙。所挖槽边界与芯片衬底边界距离为0.5mm至5mm。矩形槽宽度为10微米至50微米，两矩形槽间间距为150微米至200微米；方形槽宽度为20微米至60微米，两方形槽间间距为100微米至150微米；正六边形槽宽度为20微米至60微米，两正六边形槽间间距为100微米至150微米，排布方式为蜂巢型。两槽间所留空隙应为槽宽2倍以上，以减小金属间热应力作用，避免导致芯片损坏。各槽均匀分布于衬底上，以避免芯片未填充金属处升温严重，导致其热应力过大。所挖槽壁可涂抹以增强导热的材料，如单层石墨烯。

其中，凹槽内所填充的金属材料包括钼或铜或银，钼或铜或银材料经焊料层与陶瓷覆铜基板连接。

进一步地，每个凹槽内填充的金属材料的类型或者分量不一定一样，各个凹槽可根据芯片发热特点分布，在芯片发热严重区域的凹槽内填充更多金属材料或者导热性更好的金属材料，以增加该区域的导热性。

如图7所示，其中图7a为晶圆划片后得到均匀分布的芯片，此时芯片正面为其有源区和终端区，所挖凹槽的芯片衬底在底面，由于在实际工程中，衬底在芯片下方，紧贴晶圆，不便于将芯片反转而挖槽，因此可选择在晶圆背面直接挖槽。晶圆背面所挖槽型可与前述类似，为矩形、方形或正六边形，图7b为某一个芯片的槽型示意图，其中灰色区域为所挖槽型，白色部分为两槽之间间隙。

本发明技术方案通过改进功率模块芯片封装结构，优化芯片衬底槽型和布局，提高了功率模块过载能力。相较于传统的方法，该方法在芯片衬底内填充金属材料，提高芯片瞬时热容，由于所填充的部位在芯片内部，因此能够极快地响应功率模块过载时产生的大量热量。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。