【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及半导体器件封装，具体涉及一种双异质键合高压sic功率器件微通道封装结构及制备方法。
技术介绍
1、sic与第一代半导体材料硅(si)、锗(ge)和第二代半导体材料砷化镓(gaas)、磷化镓(gap)、gaasal、gaasp等化合物相比，其禁带宽度更宽、耐高温特性更强、开关频率更高、损耗更低、稳定性更好，被广泛应用于替代硅基材料或硅基材料难以适应的应用场合。然而，现有sic的封装技术大多都是沿用si基器件传统封装方式，功率等级较低，含有金属键合线，杂散电感较大。sic的优良特性，只有通过模块封装布局的可靠性设计、封装材料的选型、参数的优化、信号的高效和封装工艺的改善，才能得以充分发挥。由于sic器件的高频特性，结电容小，栅极电荷低，开关速度快，开关过程中的电压和电流的变化率极大，寄生电感在极大的di/dt下，极易产生电压过冲和振荡现象，造成器件电压应力、损耗的增加和电磁干扰问题，特别是关于在高温、严寒等极端条件下可靠性急剧下降等问题，急需寻求适应不同工况的连接材料和封装工艺来满足不同封装形式的热特性要求。
2、随着sic功率器件的集成化、高频化和高效化需求，对功率模块封装形式和工艺提出了更高的要求。sic功率器件的功率密度增加，而高功率密度导致热量增加，从而对sic功率器件的寿命和性能造成影响，因此对sic功率器件的热管理提出更高要求。器件功率和器件功率密度会伴随着器件性能提升而增加，使得器件在性能提升的同时面临着散热方面的严重挑战。因此，采用先进散热技术、加压烧结工艺，研发不同封装技术，设计功率半导体
3、综上，目前典型的封装结构主要适用于si功率器件，针对高压sic器件的封装技术尚不成熟，无法保证可靠性、充分发挥高压sic器件的优良性能并在高压器件领域得到广泛应用。
技术实现思路
1、针对模块内部互扰、多面散热、大容量串并联、制造成本和难度等问题，适当减少热界面层数，缩减模块体积，提升功率密度和多功能集成是未来的趋势。针对上述问题，本专利技术提供一种双异质键合高压sic功率器件微通道封装结构及制备方法，其是一种三维(3d)封装的新型封装形式。
2、本专利技术公开了一种双异质键合高压sic功率器件微通道封装结构，包括：sic功率器件；
3、所述sic功率器件的相对两侧面上均自内至外依次设有金属电极层、二维材料过渡层、金刚石散热层、dbc基板和带有回字形凹槽的微通道热沉层；所述二维材料过渡层选用高导热型且具有六方对称结构的二维材料；
4、所述二维材料过渡层与所述sic功率器件的金属电极层键合构成第一异质键合层，所述金刚石散热层与二维材料过渡层异质键合构成第二异质键合层，所述第一异质键合层、第二异质键合层与上述sic功率器件及其金属电极层实现无焊料致密连接，所述sic功率器件及其金属电极层上下表面通过所述二维材料过渡层键合到金刚石散热层上形成三明治型散热结构；所述带有回字形凹槽的微通道热沉层为所述sic功率器件提供高效散热通道，满足sic功率器件高效散热需求，且实现其高功率、高压工作。
5、作为本专利技术的进一步改进，所述二维材料过渡层所选用的二维材料由多层原子层组成，层内为蜂窝状片状结构，由作用力较强的共价键或离子键连接；层间由作用力较弱的范德瓦耳斯力连接；上述结构具有较强的延展性，当受到外界拉力时，原子层间可平滑移动，不致断裂；进一步，二维材料结构为具有高导热性、低热膨胀性、电绝缘性和高稳定性的类石墨烯二维(2d)结构，具有平滑延展性，散热方向为先横向扩散热，再纵向扩散。
6、作为本专利技术的进一步改进，在所述sic功率器件的上下表面设有对称的双面散热的功率模块封装结构，并通过加入高导热型且具有六方对称结构的二维材料，能够避免两异质键合层中的材料晶格受热膨胀后由于两种材料间热膨胀系数不同而导致的晶格扭曲及晶格畸变，使sic功率器件的有源区材料不存在热失配，提高热导和器件的可靠性；所述二维材料过渡层所选用的二维材料包括石墨烯(gn)、拓扑绝缘体(ti)、二维层状材料过渡金属硫系化合物(tmdcs)、黑磷(bp)和氮化硼(h-bn)中的一种。
7、作为本专利技术的进一步改进，所述金刚石散热层的面积是所述sic功率器件的两倍及两倍以上，生长金刚石的方法包括微波等离子体化学气相沉积、直流等离子体喷射化学气相沉积、热丝化学气相沉积中的一种，生长温度为600-900℃。
8、作为本专利技术的进一步改进，所述带有回字形凹槽的微通道热沉层是在dbc基板上刻蚀出多条当量直径在10-1000μm的回字形凹槽，作为流体通道；使得流体流过流体通道时吸收sic功率器件的热量，使用低压制冷剂作为工质的两相换热方式，存在较大潜热，换热能力高，提高平均换热系数，冷却后温度均匀，减小热应力，且工质温度上升较低；实现各个回型通道间以湍流流动形成的高效散热方式，为器件提供高效的散热通道，减小热应力，满足sic功率器件的高效率散热需求且降低功率模块中芯片所承受的长时间高温危害，提高模块的使用寿命，最终实现sic功率器件的高功率工作。
9、作为本专利技术的进一步改进，通过异质直接键合技术实现所述金刚石散热层与二维材料过渡层之间、所述二维材料过渡层与sic功率器件的金属电极层之间的无焊料致密连接；所述异质直接键合方法包括真空表面活化、紫外光活化、ar/o2/n2等离子体活化或湿法化学活化等键合方法中的一种，可进一步降低双面互连结构的芯片应力和互连层应变，提高双面散热sic模块的热机械可靠性，减小杂散电感，增加散热途径，实现sic功率器件高效散热。
10、作为本专利技术的进一步改进，所述sic功率器件包括sic sbd、sic mosfet及sicmosfet与sic sbd复合器件。
11、作为本专利技术的进一步改进，所述sic功率器件两侧的金属电极层分别为金属正电极和金属负电极，所述金属正电极和金属负电极的金属材料包括al、ti、pt、pb、au、cu、ni、ge、mo中的一种金属或者多种金属形成合金体系。
12、作为本专利技术的进一步改进，所述dbc基板衬底材料包括绝缘陶瓷dbc衬底、电阻率≥105ω·cm的高电阻率的半绝缘型sic衬底或电阻率区间为15～30mω·cm的低电阻率的导电型sic衬底(如alsic/cusic)中的一种。
13、本专利技术还公开了一种双异质键合高压sic功率器件微通道封装结构的制备方法，包括：
14、步骤1、在sic功率器件的正反面分别金属化金属电极层，形成金属正电极和金属负电极；
15、步骤2、分别在金属正电极与金属负电极上形成二维材料过渡层，构成对称分布的第一异质键合层；
16、步骤3、分别在两侧的二维材料过渡层上形成金刚石散热层，构成对称分布的第二异质键合层；
17、步骤4、分别在两侧的金刚石散热层上以贴装方式与封装d本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种双异质键合高压SiC功率器件微通道封装结构，其特征在于，包括：SiC功率器件；
2.如权利要求1所述的双异质键合高压SiC功率器件微通道封装结构，其特征在于，所述二维材料过渡层所选用的二维材料由多层原子层组成，层内为蜂窝状片状结构，由作用力较强的共价键或离子键连接；层间由作用力较弱的范德瓦耳斯力连接；二维材料结构为具有高导热性、低热膨胀性、电绝缘性和高稳定性的类石墨烯二维(2D)结构。
3.如权利要求2所述的双异质键合高压SiC功率器件微通道封装结构，其特征在于，所述二维材料过渡层所选用的二维材料包括石墨烯(GN)、拓扑绝缘体(TI)、二维层状材料过渡金属硫系化合物(TMDCs)、黑磷(BP)和氮化硼(h-BN)中的一种。
4.如权利要求1所述的双异质键合高压SiC功率器件微通道封装结构，其特征在于，所述金刚石散热层的面积是所述SiC功率器件的两倍及两倍以上，生长金刚石的方法包括微波等离子体化学气相沉积、直流等离子体喷射化学气相沉积、热丝化学气相沉积中的一种，生长温度为600-900℃。
5.如权利要求1所述的双异质键合高压
6.如权利要求1所述的双异质键合高压SiC功率器件微通道封装结构，其特征在于，通过异质直接键合技术实现所述金刚石散热层与二维材料过渡层之间、所述二维材料过渡层与SiC功率器件的金属电极层之间的无焊料致密连接；所述异质直接键合方法包括真空表面活化、紫外光活化、Ar/O2/N2等离子体活化或湿法化学活化等键合方法中的一种。
7.如权利要求1所述的双异质键合高压SiC功率器件微通道封装结构，其特征在于，所述SiC功率器件包括SiC SBD、SiC MOSFET及SiC MOSFET与SiC SBD复合器件。
8.如权利要求1所述的双异质键合高压SiC功率器件微通道封装结构，其特征在于，所述SiC功率器件两侧的金属电极层分别为金属正电极和金属负电极，所述金属正电极和金属负电极的金属材料包括Al、Ti、Pt、Pb、Au、Cu、Ni、Ge、Mo中的一种金属或者多种金属形成合金体系。
9.如权利要求1所述的双异质键合高压SiC功率器件微通道封装结构，其特征在于，所述DBC基板衬底材料包括绝缘陶瓷DBC衬底、电阻率≥105Ω·cm的高电阻率的半绝缘型SiC衬底或电阻率区间为15～30mΩ·cm的低电阻率的导电型SiC衬底中的一种。
10.一种如权利要求1～9中任一项所述的双异质键合高压SiC功率器件微通道封装结构的制备方法，其特征在于，包括：
...【技术特征摘要】
1.一种双异质键合高压sic功率器件微通道封装结构，其特征在于，包括：sic功率器件；
2.如权利要求1所述的双异质键合高压sic功率器件微通道封装结构，其特征在于，所述二维材料过渡层所选用的二维材料由多层原子层组成，层内为蜂窝状片状结构，由作用力较强的共价键或离子键连接；层间由作用力较弱的范德瓦耳斯力连接；二维材料结构为具有高导热性、低热膨胀性、电绝缘性和高稳定性的类石墨烯二维(2d)结构。
3.如权利要求2所述的双异质键合高压sic功率器件微通道封装结构，其特征在于，所述二维材料过渡层所选用的二维材料包括石墨烯(gn)、拓扑绝缘体(ti)、二维层状材料过渡金属硫系化合物(tmdcs)、黑磷(bp)和氮化硼(h-bn)中的一种。
4.如权利要求1所述的双异质键合高压sic功率器件微通道封装结构，其特征在于，所述金刚石散热层的面积是所述sic功率器件的两倍及两倍以上，生长金刚石的方法包括微波等离子体化学气相沉积、直流等离子体喷射化学气相沉积、热丝化学气相沉积中的一种，生长温度为600-900℃。
5.如权利要求1所述的双异质键合高压sic功率器件微通道封装结构，其特征在于，所述带有回字形凹槽的微通道热沉层是在dbc基板上刻蚀出多条当量直径在10-1000μm的回字形凹槽，作为流体通道。
6.如权利要求...
【专利技术属性】
技术研发人员：王智勇，苗淑雅，代京京，李尉，汪洁，
申请(专利权)人：北京工业大学，
类型：发明
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