阅读说明：本技术 一种可引入双轴应变的igbt压接式压装结构 (IGBT compression joint type press mounting structure capable of introducing double-shaft strain ) 是由 吴汪然 朱浩 王耀辉 杨光安 汤鹏宇 孙伟锋 时龙兴 于 2019-09-11 设计创作，主要内容包括：本发明提出了一种可引入双轴应变的IGBT压接式压装结构,包含发射极金属电极板、发射极凸台、银片、下钼片、IGBT芯片、上钼片和集电极金属电极板。所述的下钼片为一侧是平面一侧为球面,其中面向芯片一侧为向外突出的球面,面向发射极电极板一侧为平面；所述的上钼片一侧为平面一侧为球面,其中面向芯片一侧为向内凹陷的球面,面向集电极电极板的一侧为平面。可通过调节上钼片与下钼片球面一侧的曲率,来改变压接在其中间IGBT芯片的曲率,在不损坏IGBT芯片的前提下,可使其获得不同大小的双轴应力,其中所述的IGBT芯片集电极应面向上钼片,而发射极与源极则面向下钼片。本发明可降低器件的导通压降并提升器件的电流能力。(The invention provides an IGBT compression joint type press mounting structure capable of introducing biaxial strain, which comprises an emitting electrode metal electrode plate, an emitting electrode boss, a silver sheet, a lower molybdenum sheet, an IGBT chip, an upper molybdenum sheet and a collector electrode metal electrode plate. One side of the lower molybdenum sheet is a plane, and the other side of the lower molybdenum sheet is a spherical surface, wherein the side facing the chip is an outward protruding spherical surface, and the side facing the electrode plate of the emitter electrode is a plane; one side of the upper molybdenum sheet is a plane, and the other side of the upper molybdenum sheet is a spherical surface, wherein the side facing the chip is an inwards-concave spherical surface, and the side facing the collector electrode plate is a plane. The curvature of the IGBT chip in the middle of the upper molybdenum sheet and the lower molybdenum sheet can be changed by adjusting the curvature of one spherical side of the upper molybdenum sheet and the lower molybdenum sheet, and the IGBT chip can obtain biaxial stress with different sizes on the premise of not damaging the IGBT chip, wherein the collector of the IGBT chip is supposed to face the upper molybdenum sheet, and the emitter and the source are supposed to face the lower molybdenum sheet. The invention can reduce the conduction voltage drop of the device and improve the current capability of the device.)

一种可引入双轴应变的IGBT压接式压装结构

技术领域

本发明涉及IGBT的封装领域，具体涉及一种可引入双轴应变的IGBT压接式压装结构。

背景技术

功率绝缘栅双极型晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor，以下简称IGBT)目前的封装工艺主要有压接型与焊接型两种。焊接性封装IGBT目前在国内外应用广泛，其中，封装结构内部各组件的固定以及互连键合引线是焊接的关键环节，这就需要焊接点两侧材料的热膨胀系数之差在合理的范围之内，以提高封装器件的可靠性。但是，随着芯片的长期工作，焊接点会出现热退化现象，由此在很大程度上会导致焊接点两侧的材料分离，从而导致焊接型封装的问题更加突出。

因此，压接型封装的IGBT逐渐受到了业内的关注。相比于焊接型封装的IGBT器件，其具有双面散热、更小的寄生电感及更高的可靠性等等，在高压大功率领域具有更大的优势。在压接型的封装结构中，IGBT的压装形式对封装可靠性、封装之后器件的性能等特性具有很大影响。虽然现有很多压接型压装IGBT的改善方法，但是这些改善都主要针对压装的可靠性以及其使用寿命，例如张升等人提出的一种大组件IGBT压装单元，其可以实现多级IGBT器件串联压接，并通过碟簧实现压力的长期保持和形变适应，使得IGBT符合各种工况下的压装标准，并有效的提升了器件的可靠性等等。并未涉及对封装的核心器件-IGBT单元作出改进。

根据实际工程需要，在现有的压接型压装IGBT的基础上，对压接型压装IGBT单元提出了更高的要求，即不改变器件的外部结构来使得IGBT单元要具有更低的导通压降及更优异电流特性。而在硅中引入应变可以改变硅的能带结构并提升载流子的迁移率，获得更优异的器件特性，例如，S.E.Thompson等人在“A logic nanotechnology featuringstrained-silicon”(IEEE Electron Device Letters，vol.25，pp.191-193，2004)一文中提出，n-MOSFET中使用SiN引入单轴张应变，在p-MOSFET中利用SiGe源漏与Si沟道晶格失配来引入单轴压应变可以极大地降低导通电阻；P.Bai等人在“A 65nm logic technologyfeaturing 35nm gate lengths，enhanced channel strain，8Cu interconnect layers，low-k ILD and 0.57μm 2SRAM cell”(IEEE International Electron Devices Meeting，2004，pp.657-660)一文中提出，在65nm技术结点采用第二代应变技术，分别使p-MOSFET与n-MOSFET中的应力提升了60％与80％，实现了更大的工作电流等等。目前已有应变工艺均在芯片制作过程中实现，在芯片内部引入应变，应变的引入过程复杂，因此，采用工艺诱发应力之外的方法对在芯片中引入应变，进一步改善器件的电压电流特性，具有重要意义。

发明内容

针对以上所述的压接型压装IGBT所存在的问题，本发明在保持原有压装形式-双面散热、更小的寄生电感及更高的可靠性的基础之上，提出了一种可引入双轴应变的IGBT压接式压装结构。此压装结构可以通过改变IGBT芯片的曲率在其中引入双轴应变，避免了繁琐的工艺步骤，并可以有效降低压装IGBT单元的导通压降并有效提升其电流特性。

一种可引入双轴应变的IGBT压接式压装结构，包括发射极金属电极板、发射极凸台、银片、下钼片、IGBT芯片和上钼片、集电极金属电极板，以上的所有部件按照发射极金属电极板、发射极凸台、银片、下钼片、IGBT芯片、上钼片和集电极金属电极板的顺序从下向上排列，通过压力接触的方式组合在一起。

进一步，上钼片、IGBT芯片以及下钼片，具体表现为：一侧为平面而另一侧为球面的下钼片，其中面向芯片的一侧为向外突出的球面，面向发射极电极板的一侧为平面；一侧为平面而另一侧为球面的上钼片，其中面向芯片的一侧为向内凹陷的球面，面向集电极电极板的一侧为平面，下钼片突出的球面与上钼片凹陷的球面需要完全吻合，另外，可通过调节上钼片与下钼片球面一侧的曲率，来改变压接在其中间IGBT芯片的曲率，在不损坏IGBT芯片的前提下，在其中引入不同大小的双轴应力。

进一步，IGBT芯片，具体表现为：IGBT芯片的集电极面向上钼片，而发射极与源极面向下钼片。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

本发明提出的压装结构，可通过调节上钼片与下钼片凹凸一侧球面的曲率，来改变压接在其中间IGBT芯片的应力大小，以此来调整IGBT芯片性能。传统的对于IGBT芯片性能的改善，主要是通过改变器件内部结构来达到相应目的，该方法受限于硅材料的极限，无法得到突破性的进展。本发明通过引入压接式的压装结构，在IGBT中引入双轴应变，并且在保持原有压装形式-双面散热、更小的寄生电感及更高的可靠性的基础之上，通过改变IGBT载流子的迁移率及其能带结构，达到了改善器件性能的目的。另外，由于并未对器件结构进行变动，故压装的剩余结构也不用做相应变动。

本发明提出的压装结构，由于上钼片与下钼片凹凸构造，IGBT芯片被固定在其中，从而提升了器件封装可靠性。

本发明提出的压装结构，可以有效降低IGBT芯片的导通压降。因此，在更低的电压条件下，IGBT芯片即可开启。

本发明提出的压装结构，可以有效提升器件的电流能力。因此，与传统的IGBT芯片相比，本发明中的IGBT芯片在相同的电压条件下，可以获得更强的电流能力。

故，本发明在保持原有压装形式-双面散热、更小的寄生电感及更高的可靠性的基础之上可以有效降低器件的导通压降并有效提升器件的电流能力。

附图说明

图1所示为本发明压装结构的分解示意图；

图2所示为本发明压装结构压接完毕后的示意图；

图3所示为本发明压装结构中上钼片的结构示意图；

图4所示为本发明压装结构中下钼片的结构示意图；

图5所示为传统压装结构与本发明压装结构中IGBT芯片在不同双轴应力条件下，且栅极电压为15V，发射极电压为0V时的输出特性曲线；

图6所示为传统压装结构与本发明压装结构中IGBT芯片在不同双轴应力条件下，且栅极电压为15V时的器件导通压降变化(导通压降取值依据：当器件集电极电压逐渐增大使IGBT芯片开启后，器件电流达到0.1A时的集电极电压；且0MPa的数据来源于传统压装结构，500MPa和1000MPa的数据则来源于本发明的压装结构，这里需要说明的是：应变的大小不是固定的，且此处所述的500MPa和1000MPa数据取自于器件的上表面)；

图7所示为传统压装结构与本发明压装结构中IGBT芯片在不同双轴应力条件下电子迁移率的变化率(应力方向为XX；且此变化率来源于仿真器件输出特性曲线时，器件内部载流子的变化)；

图8所示为获取图7中电子迁移率的变化率数据的器件纵向截线；

图9所示为传统压装结构与本发明压装结构中IGBT芯片在不同双轴应力条件下，且集电极电压为5V，发射极电压为0V时的转移特性曲线。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的说明。

本发明提供一种可引入双轴应变的IGBT压接式压装结构，其分解示意图如图1所示，包括：发射极金属电极板7、发射极凸台6、银片5、下钼片4、IGBT芯片3、上钼片2和集电极金属电极板1，以上的所有部件按照发射极金属电极板、发射极凸台、银片、下钼片、IGBT芯片、上钼片和集电极金属电极板的顺序从下向上排列，通过压力接触的方式组合在一起。从图1中可以看出，本发明的分解结构中只绘出16个IGBT芯片单元，这仅仅是为了简洁起见，也为了便于描述，实际上在压装结构中IGBT芯片的数量远不止这些。从图1中可以明显地看出下钼片4面向IGBT芯片3一侧中间向外突起，且向外突起的面为球面，上钼片2面向IGBT芯片3一侧中间向内凹陷，且向内凹陷的面为球面，IGBT芯片3则夹在下钼片4和上钼片2中间，且IGBT芯片3的集电极一侧面向上钼片2，发射极一侧面向下钼片4，且IGBT芯片3尺寸要小于上钼片2，大于下钼片4，防止压接之后IGBT芯片3伸出集电极一侧上钼片2。图2则显示了图1中所有组件压接之后的效果图。

图3显示了上钼片2的具体结构，图4显示了下钼片4的具体结构。上钼片2凹陷的球面要与下钼片4突出的球面完全吻合。上钼片2与下钼片4球面曲率的变化，会导致夹在中间的IGBT芯片3的压力发生变化，该压力即为双轴应力。上钼片2与下钼片4球面曲率发生变化时，会使得IGBT芯片3承受不同的双轴应力，通过改变其所受的双轴应力，从而得到不同的器件特性。

为了验证本发明的优点，本发明通过多物理场仿真软件COMSOL和半导体器件仿真软件Sentaurus TCAD对器件进行了对比仿真，如图5至图9所示。(此处需要说明的是，在本发明实例中，仿真所使用的是800V、2.5A的IGBT器件，其厚度为72.27μm，且本发明所仿真的IGBT器件具有普遍性，即其性能变化代表了IGBT器件施加双轴压应力之后的普遍变化。)图5所示为传统压装结构与本发明压装结构中IGBT芯片在不同双轴应力条件下，且栅极电压为15V，发射极电压为0V时的输出特性曲线，由于给IGBT芯片3施加应力会改变载流子的迁移率，所以可以看到在施加双轴应力之后，随着双轴应力的逐渐增大，器件向左上方偏移的就越明显，即器件性能的提升越明显。图6所示为传统压装结构与本发明压装结构中IGBT芯片在不同双轴应力条件下，且栅极电压为15V时的器件导通压降变化(导通压降取值依据：当器件集电极电压逐渐增大使器件开启后，器件电流达到0.1A时的集电极电压；且0MPa的数据来源于传统压装结构，500MPa和1000MPa的数据则来源于本发明的压装结构)，因此图6就很明显地展示了这一点，具体的对于IGBT芯片3分别得到上表面500MPa和1000MPa的应力，是由于压接之后IGBT的曲率不同。图7所示为传统压装结构与本发明压装结构中IGBT芯片在不同双轴应力条件下电子载流子迁移率的变化率(应力方向为XX；且此变化率来源于仿真器件输出特性曲线时，器件内部载流子的变化)，因此图7就从微观方面解释了器件电流特性增强的部分原因，即双轴应力会使得器件电子载流子的迁移率在一定程度上得以提升。图8所示为获取图7中电子迁移率的变化率数据的器件纵向截线，即电子迁移率的数据提取于器件中间的截线，从y＝-72.27μm开始，到y＝3μm结束。图9所示为传统压装结构与本发明压装结构中IGBT芯片在不同双轴应力条件下，且集电极电压为5V，发射极电压为0V时的转移特性曲线，与前述原因相同，IGBT芯片3施加双轴应力会使得器件的电流能力增强。

故本发明在保持原有压装形式-双面散热、更小的寄生电感及更高的可靠性的基础之上可以有效降低器件的导通压降并有效提升器件的电流能力，使其可以在更大电流的领域可以得到广泛应用。

这里需要说明的是，本发明只涉及一种压装结构，即广义上结构的改善，并不涉及此压装结构的具体尺寸，在实际生产需要中可以根据需要来设计相应尺寸。同时，以上仅为本发明的具体实施例，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。