一種高散熱器件封裝結構和板級製造方法與流程

2023-08-11 16:01:06 2

本發明涉及半導體封裝領域，尤其涉及一種高散熱器件封裝結構和板級製造方法。

背景技術：

隨著集成電路技術的不斷發展，電子產品越來越向小型化、智能化、高性能以及高可靠性方向發展。而集成電路封裝不僅直接影響著集成電路、電子模塊乃至整機的性能，而且還制約著整個電子系統的小型化、低成本和可靠性。

集成電路的種類千差萬別，例如，模擬電路、數字電路、射頻電路、驅動電路、傳感器等，因而對於封裝的需求和要求也各不相同。其中功率器件的封裝對其散熱要求較高，尤其是高功率器件。在現有技術中，功率器件的常規封裝基本上採用插針裝配方式，體積大，高速信號傳輸損耗大，串聯阻抗高。

例如，to-220(transistoroutline)封裝工藝流程一般包括：1)劃片，將矽晶圓切割成單個分離的晶片(die)；2)粘片，將單顆晶片粘結到引線框架上；3)壓焊，用金絲或鋁絲將晶片上的電極跟外引線(框架管腳)連接起來；4)塑封，用塑封材料將晶片包封起來。

功率器件的常規封裝結構主要存在以下問題：

1.利用引線框架插針裝配，封裝體積大；

2.封裝結構散熱主要通過引線框架進行，雖然該封裝結構具有較大的散熱機構，但是並未得到理想的散熱效果；

3.晶片與引線框架之間通過焊料燒結或共晶鍵合進行連接，鍵合面存在無法避免的孔洞缺陷，導致串聯阻抗大，信號損失大；

4.當晶片與引線框架之間通過引線鍵合進行連接時，對於高速信號，感抗很高，信號損失較大。

由於現有儀器設備的小型化需求不斷增加，要求各種器件，尤其是功率器件的封裝尺寸儘量減小，同時要求具有更好的散熱效果及更高的可靠性，才能滿足使用要求。

因此，需要一種新型的小型化封裝結構，通過這種結構不僅能夠進一步減小相關封裝尺寸，而且具有更好的散熱效果及更高的可靠性。

技術實現要素：

針對現有技術中封裝結構散熱效果不理想的問題，本發明的實施例提供一種封裝結構，包括：基板，所述基板上具有晶片槽；晶片，所述晶片置於所述晶片槽中，所述晶片的正面上設置有晶片電極；第一散熱結構，所述第一散熱結構設置在所述晶片的背面和所述基板的第一面上；第二散熱結構，所述第二散熱結構設置在所述基板的與所述第一面相對的第二面上；以及第三散熱結構，所述第三散熱結構設置在所述晶片槽的側壁上，並且與所述第一散熱結構和所述第二散熱結構熱連通。

在本發明的實施例中，該封裝結構還包括填充在所述晶片與所述晶片槽之間的樹脂。

在本發明的實施例中，該封裝結構還包括：設置在所述晶片電極之間的晶片表面絕緣層；以及設置在所述晶片電極之上的焊球。

在本發明的實施例中，該封裝結構還包括：設置在所述晶片表面絕緣層上的第一樹脂層；以及設置在所述第一樹脂層之上並且在所述焊球之間的阻焊層。

在本發明的實施例中，該第一散熱結構是散熱片，所述散熱片的材料可選自以下中的一種或多種：金、鉑、銅、鋁、sic、aln、al2o3。

在本發明的實施例中，該第二散熱結構是設置在所述基板第二面上的電極和/或焊球。

在本發明的實施例中，該第三散熱結構是設置在所述晶片槽側壁上的金屬層，所述金屬層與所述第一散熱結構和所述基板第二面上的電極相連接。

在本發明的實施例中，該封裝結構還包括第二樹脂層，所述第二樹脂層在所述晶片的背面與所述第一散熱結構之間，在所述第二樹脂層的內部具有多個散熱通道，以將所述晶片的背面與所述第一散熱結構熱連通。

本發明的另一個實施例提供一種封裝結構的製造方法，包括：在基板上形成貫通基板的晶片槽；將晶片埋置在所述晶片槽中；在所述晶片的背面和所述基板的第一面上形成第一散熱結構；以及在所述基板的第二面上形成第二散熱結構。

在本發明的另一個實施例中，該方法還包括：在形成所述晶片槽之後，使所述基板表面金屬化，使得所述基板的第一面和第二面上的金屬層與所述晶片槽側壁上的金屬層相連接。

在本發明的另一個實施例中，將晶片埋置在所述晶片槽中包括：將第一樹脂層壓合在所述基板上；將所述晶片的正面粘接在所述第一樹脂層上；以及將第二樹脂層壓合在所述晶片的背面和所述基板的第一面上，並加熱使所述第一樹脂層和所述第二樹脂層的樹脂塞入所述晶片和所述晶片槽間隙中並固化。

在本發明的另一個實施例中，在所述晶片的背面和所述基板的第一面上形成第一散熱結構包括：在所述第二樹脂層上形成窗口，以便至少部分地露出所述晶片的背面和所述基板的第一面；在所述第二樹脂層和所述窗口上形成電鍍種子層；以及進行電鍍，以形成第一散熱結構。

在本發明的另一個實施例中，在所述基板的第二面上形成第二散熱結構包括：在所述第一樹脂層上形成窗口，以便露出所述晶片的正面的電極以及至少部分地露出所述基板第二面上的金屬層；在所述第一樹脂層和所述窗口上形成電鍍種子層；在所述電鍍種子層上形成電鍍掩模；進行圖形電鍍；去除所述電鍍掩模；以及去除所述電鍍掩模下的所述電鍍種子層。

在本發明的另一個實施例中，該方法還包括：在所述晶片的正面一側的電極之間形成阻焊層，以形成電極窗口。

在本發明的另一個實施例中，該方法還包括：在所述電極窗口和/或所述第一散熱結構的表面上形成表面塗覆層。

在本發明的另一個實施例中，該方法還包括：將基板切割成獨立器件單元。

在本發明的另一個實施例中，該方法還包括在所述晶片的正面的電極焊盤以及所述基板第二面上的電極焊盤上形成焊球。

本發明的技術優勢：

1)提高散熱效果：本發明採用對埋入晶片基板空腔側壁金屬化的方式將基板頂面和底面連通，基板側壁上的大面積銅層距離晶片很近增加晶片橫向散熱條件，使晶片橫向散出的熱量通過側壁的銅箔傳向基板頂面和底面散熱銅箔，使得晶片散熱效果更好。

2)簡化工藝流程：本發明採用對埋入晶片基板空腔側壁金屬化的方式將基板正反面連通，避免使用常規的基板通孔加工和金屬化，簡化工藝省去了通孔加工工藝和通孔金屬化工藝，避免這些工藝的加工成本以及加工所導致的缺陷。

3)散熱更好：背面晶片表面通過電鍍形成厚銅層提高散熱效果。

4)背面電極無孔洞，可靠性更高。該工藝與常規晶片背面通過焊料焊接的散熱片結構相比，具有更好的結合性能，避免焊料片燒結散熱形成的結合界面的孔洞，散熱性能更好，可靠性更高。

5)背面電極串聯電阻更小：電鍍銅層與矽片背面金屬層結合是通過電鍍在背面生長出一層銅金屬層，通過烘烤，結合性能更好，沒有空洞，使得晶片背面電極的接觸電阻更小。

附圖說明

為了進一步闡明本發明的各實施例的以上和其它優點和特徵，將參考附圖來呈現本發明的各實施例的更具體的描述。可以理解，這些附圖只描繪本發明的典型實施例，因此將不被認為是對其範圍的限制。在附圖中，為了清楚明了，相同或相應的部件將用相同或類似的標記表示。

圖1示出根據本發明的一個實施例的一種高散熱器件封裝結構100的剖面示意圖。

圖2示出根據本發明的另一個實施例的優化的高散熱器件封裝結構200的剖面示意圖。

圖3a至圖3q示出根據本發明的實施例形成高散熱器件封裝結構200的過程的剖面示意圖。

圖4示出根據本發明的實施例形成高散熱器件封裝結構200的流程圖。

圖5a至圖5o示出根據本發明的示例實施例封裝三電極igbt功率器件的過程的剖面示意圖。

圖6示出根據本發明的示例實施例封裝三電極igbt功率器件的過程的流程圖。

具體實施方式

在以下的描述中，參考各實施例對本發明進行描述。然而，本領域的技術人員將認識到可在沒有一個或多個特定細節的情況下或者與其它替換和/或附加方法、材料或組件一起實施各實施例。在其它情形中，未示出或未詳細描述公知的結構、材料或操作以免使本發明的各實施例的諸方面晦澀。類似地，為了解釋的目的，闡述了特定數量、材料和配置，以便提供對本發明的實施例的全面理解。然而，本發明可在沒有特定細節的情況下實施。此外，應理解附圖中示出的各實施例是說明性表示且不一定按比例繪製。

在本說明書中，對「一個實施例」或「該實施例」的引用意味著結合該實施例描述的特定特徵、結構或特性被包括在本發明的至少一個實施例中。在本說明書各處中出現的短語「在一個實施例中」並不一定全部指代同一實施例。

需要說明的是，本發明的實施例以特定順序對工藝步驟進行描述，然而這只是為了方便區分各步驟，而並不是限定各步驟的先後順序，在本發明的不同實施例中，可根據工藝的調節來調整各步驟的先後順序。

對於高散熱封裝結構，通常的辦法是：一方面，在晶片背面貼裝散熱金屬片，同時在晶片背面與散熱金屬片間增加散熱界面材料，改善晶片背面的散熱性能；另一方面，將器件做成表貼形式或做成倒樁焊接形式，在晶片表面形成多個表貼電極，或多個焊球陣列，通過晶片表面的表貼焊料電極和焊球將晶片正面的器件工作發熱通過表貼電極或焊球傳遞給晶片貼裝的印刷線路板或基板，通過基板進行散熱。因為晶片的有源區在晶片的正面，所以晶片發熱區域主要在晶片的正面，正面良好的散熱結構是提高器件散熱效果的最重要途徑。但是，器件表面有許多電極端子，互相之間必須進行絕緣處理，所以正面結構散熱畢竟有限。由於功率半導體器件的材料矽、sic、gan等有較好的熱導率，而且晶片厚度較薄，器件大部分熱量的散出主要還是依靠晶片的背面，這是因為背面的面積較大，成為器件散熱的主要渠道。同時，晶片側面散出熱量也是一個不可忽視的途徑。

本發明在充分考慮器件正面、背面和側面散熱的情況下，設計一種獨特的板極埋入封裝結構，將晶片散熱的三種途徑全部考慮其中。

圖1示出根據本發明的一個實施例的一種高散熱器件封裝結構100的剖面示意圖。如圖1所示，高散熱器件封裝結構100包括基板101，基板101上具有用於容納晶片102的晶片槽。在晶片102的正面，即有源區所在的表面，設置有晶片電極103。在本發明的實施例中，可在晶片電極103之間設置晶片表面絕緣層104。焊球105設置在晶片電極103上。在本發明的實施例中，可在焊球105之間設置阻焊層106。為了減小封裝尺寸，基板101的厚度與晶片102的厚度基本相同，即晶片102的正面與基板101的底面基本齊平，晶片102的背面與基板101的頂面基本齊平。在晶片102的背面和基板101的頂面上，設置第一散熱結構107。在基板101的底面上，設置第二散熱結構108。在晶片槽的側壁上，設置第三散熱結構109。第三散熱結構109與第一散熱結構107和第二散熱結構108熱連通。

在圖1所示本發明的實施例中，第一散熱結構107是散熱片，散熱片的材料選自：熱導率較高的金屬，例如，金、鉑、銅、鋁或其合金等；化合物，例如，sic、aln、al2o3等。然而本發明的保護範圍不限於此，例如，第一散熱結構107還可以具有多個散熱翼片，以便增加散熱面積，從而獲得更好的散熱效果。

在圖1所示的本發明的實施例中，第二散熱結構108是設置在基板底面上的電極和焊球。然而本發明的保護範圍不限於此，第二散熱結構108還可以是其它有利於散熱的結構，例如，柱狀或片狀金屬。

在本發明的具體實施例中，還可在晶片102與晶片槽之間填充樹脂110，從而晶片橫向散熱經過埋入基板的樹脂傳遞給晶片槽壁的第三散熱結構109，再通過第三散熱結構109傳遞到基板正面和背面的散熱結構。

在根據本發明的實施例形成的高散熱器件封裝結構中，在基板101中開槽，並將晶片102埋入基板101中，在基板101表面和側壁上形成多個散熱結構，並且多個散熱結構相互熱連通。基板101的底面上有多個焊球或電極設計，電極用於植球或表貼，焊球或表貼電極具有散熱功能。晶片產生的熱量可通過背面第一散熱結構107散出；晶片橫向散熱首先經過埋入晶片基板的樹脂傳遞給晶片槽壁的第三散熱結構109，接下來通過槽壁第三散熱結構109傳遞到基板頂面和底面的第一散熱結構107和第二散熱結構108；基板底部的第二散熱結構108將晶片電極側的發熱傳輸給下面的pcb板。

為了進一步優化封裝結構的穩定性和散熱效果，本發明提供一種優化的高散熱器件封裝結構200，如圖2所示。圖2示出根據本發明的另一個實施例的優化的高散熱器件封裝結構200的剖面示意圖。高散熱器件封裝結構200的結構與圖1所示的結構的不同之處在於，在晶片表面絕緣層104與阻焊層106之間具有第一樹脂層201，在第一散熱結構107與晶片102之間具有第二樹脂層202。在第二樹脂層202的內部具有多個散熱通道，用於將晶片背面與第一散熱結構107熱連通。在晶片102的正面和背面增加第一樹脂層201和第二樹脂層202的效果在於緩解第一散熱結構107材料內部的應力，防止第一散熱結構107變形，從而提高封裝結構整體的可靠性。在圖2所示的具體示例中，第一散熱結構107為銅層，第二散熱結構108是設置在基板底面上的電極和焊球，第三散熱結構109是連接第一散熱結構107和第二散熱結構108的銅層。

下面結合圖3a-3q及圖4介紹高散熱器件封裝結構200的製造過程。圖3a至圖3q示出根據本發明的實施例形成高散熱器件封裝結構200的過程的剖面示意圖。圖4示出根據本發明的實施例形成高散熱器件封裝結構200的流程圖。

首先，提供基板101。基板用於提供機械支撐、電互連和散熱功能。在圖3a所示的實施例中，基板101是雙面覆銅板，然而本發明的範圍不限於此，可根據實際需要選擇其它類型的基板，例如金屬基板、絕緣材料基板等。

在步驟401，在基板101上形成貫通基板101的晶片槽，如圖3b所示。

在步驟402，使基板101表面金屬化。本領域的技術人員可根據實際需要選擇適當的金屬化方法，例如，氣相沉積法、化學鍍銅法等。如圖3c所示，如果基板101是雙面覆銅板，則可僅進行槽壁金屬化，以形成槽壁金屬層作為第三散熱結構109，將基板正面和背面金屬層通過槽壁金屬層連接在一起。如果基板101是金屬基板，則可省略該步驟402。本領域的技術人員可根據實際的散熱要求來確定槽壁金屬層109的厚度。

在步驟403，在基板101上低溫壓合第一樹脂層201，如圖3d所示。在本發明的實施例中，第一樹脂層201可採用無增強材料的半固化片，例如abf構建膜。樹脂膠液經熱處理(預烘)後，樹脂進入b階段而製成的薄片材料稱為半固化片，其在加熱加壓下會軟化，冷卻後會反應固化。可通過真空壓膜機壓合半固化的第一層樹脂層。壓合採用低溫壓合保持第一層樹脂層的半固化狀態。

在步驟404，將晶片102貼在晶片槽中第一層樹脂層201上，如圖3e所示。通過給基板101加熱，半固化的第一層絕緣樹脂層201處於一定粘度，從而將晶片粘接在晶片槽中的第一層半固化樹脂層上。

在步驟405，高溫壓合第二層樹脂層202，將晶片102埋入基板晶片槽中，如圖3f所示。在本發明的實施例中，可通過高溫壓合第二層絕緣樹脂層202，將半固化的第一層絕緣樹脂層201和第二層絕緣樹脂層202固化，並將第一層絕緣樹脂層201和第二層絕緣樹脂層202的樹脂塞入晶片102與晶片槽之間的間隙中，從而形成晶片埋入基板。

在步驟406，在第一層絕緣樹脂層201和第二層絕緣樹脂層202上形成電極窗口203，如圖3g所示。可在將晶片表面電極上的第一絕緣樹脂層201上開盲孔，在基板底面電極上的第一絕緣樹脂層201上開盲孔；在晶片背面電極上開多個盲孔，在基板頂面電極14上開盲孔。

在步驟407，將兩面的裸露樹脂表面和晶片電極以及盲孔金屬化，作為後續電鍍步驟的種子層204，如圖3h所示。在本發明的實施例中，本領域的技術人員可根據實際需要選擇適當的金屬化方法，例如，氣相沉積法、化學鍍銅法等。

在步驟408，在第一層絕緣樹脂層201上形成電鍍圖形掩模205，如圖3i所示。在本發明的實施例中，本領域的技術人員可根據實際需要選擇適當的工藝來形成電鍍圖形掩模204。例如，可在第一絕緣樹脂層201表面化學鍍銅層上表面壓合幹膜並光刻來形成電鍍圖形掩模204。

在步驟409，進行圖形電鍍。如圖3j所示，在第一樹脂層201的表面上進行圖形電鍍，以形成基板底部連接晶片的電極和連接基板表面電極的焊盤206；在第二樹脂層202的表面上進行全板電鍍，以形成晶片102背面的散熱金屬層作為第一散熱結構107。

在步驟410，去除電鍍圖形掩模205，如圖3k所示。

在步驟411，通過閃蝕法去除電鍍圖形掩模205下面的種子層，如圖3l所示。

在步驟412，形成阻焊層207。如圖3m所示，在晶片102正面一側製作阻焊層207，並形成電極窗口208。在本發明的實施例中，本領域的技術人員可根據實際需要選擇適當的工藝來形成阻焊層207。例如，可通過絲網印刷綠油來形成阻焊層207，或者可通過熱壓幹模型綠油並進行光刻來形成阻焊層207和電極窗口208。

在步驟413，在基板底部連接晶片的電極和連接基板表面電極的焊盤206以及第一散熱結構107的表面上形成表面塗覆層209，如圖3n所示。在本發明的實施例中，本領域的技術人員可根據實際需要選擇niau、nipdau、防氧化有機薄膜、噴錫等作為表面塗層。

在步驟414，分板切割，將基板切割成獨立器件單元，如圖3o和3p所示。

在步驟415，通過植球或絲網印刷焊膏並回流焊在焊盤206上形成焊球105，如圖3q所示。

與現有的封裝結構相比，通過圖3a至圖3q以及圖4所形成的高散熱器件封裝結構能夠提高散熱效果。在基板中開槽，將晶片埋入基板中，基板表面和側壁金屬化，基板的金屬化頂面與埋入晶片背面通過一個或多個填充高導熱金屬的盲孔相連。基板頂面和底面電極通過晶片槽的側壁金屬化相連。基板底面有多個焊球或電極設計，電極用於植球或表貼，焊球或表貼電極具有散熱功能。晶片的輸入和輸出均在晶片正面，同時背面也可有一個信號輸出或輸入，晶片正面有多個焊盤引出，形成晶片表面散熱通道。通過在埋入晶片的基板空腔側壁金屬化方式將基板頂面和底面連通，基板側壁上的大面積銅層距離晶片很近增加晶片橫向散熱條件，使晶片橫向散出的熱量通過側壁的銅箔傳向基板頂面和底面散熱結構，使得晶片散熱效果更好。

圖3a至圖3q以及圖4所示實施例可簡化工藝流程。本發明採用埋入晶片的基板在埋入晶片基板空腔側壁金屬化方式將基板正反面連通，避免使用常規基板的通孔加工和金屬化，簡化工藝省去了通孔加工工藝和通孔金屬化工藝，避免這些工藝在加工中形成的缺陷。

另外，在背面晶片表面通過電鍍形成厚銅層提高散熱效果。與常規晶片背面通過焊料焊接的散熱片結構相比，電鍍銅層具有更好的結合性能，避免焊料片燒結形成的結合界面的孔洞，散熱性能更好，可靠性更高，因此晶片背面電極無孔洞，可靠性更高。

此外，背面電極串聯電鍍更小，因為電鍍銅層與矽片背面金屬層結合是通過電鍍在背面生長出一層銅金屬層，通過烘烤，結合性能更好，沒有空洞，使得晶片背面電極的接觸電阻更小。

示例實施例

下面結合圖5a-5o及圖6介紹封裝三電極igbt功率器件的製造過程。圖5a至圖5o示出根據本發明的示例實施例封裝三電極igbt功率器件的過程的剖面示意圖。圖6示出根據本發明的示例實施例封裝三電極igbt功率器件的過程的流程圖。

步驟601至步驟603與步驟401至步驟403類似，剖面圖5a至5d與剖面圖3a至3d類似，因此不再詳細描述。

在步驟604，將三電極igbt功率器件晶片背面貼在晶片槽中第一層樹脂層501上，如圖5e所示。通過將貼片機平臺加熱到100℃附近，半固化的第一層絕緣樹脂層501處於一定粘度，從而將晶片粘接在基板晶片槽底部。

在步驟605，高溫壓合第二層樹脂層502，將晶片埋入基板晶片槽中，如圖5f所示。在本發明的實施例中，可通過真空壓膜和平整化，將第一層絕緣樹脂層501和第二層絕緣樹脂層502的樹脂塞入晶片與晶片槽之間的間隙中，從而形成晶片埋入基板。

在步驟606，在晶片正面的第二層絕緣樹脂層502上雷射鑽盲孔，形成散熱金屬通道和金屬輸出焊盤503，在晶片背面的第一樹脂層501上開窗504，如圖5g所示。

在步驟607，通過化學鍍銅製作電鍍種子層505，如圖5h所示。

在步驟608，在第二層絕緣樹脂層502上形成電鍍圖形掩模506，如圖5i所示。

在步驟609，進行圖形電鍍。如圖5j所示，在第一樹脂層501的表面上進行圖形電鍍，以形成晶片背面的散熱金屬層作為第一散熱結構；在第二樹脂層502的表面上進行圖形電鍍，以形成基板底部連接晶片的電極和連接基板表面電極的焊盤507。

在步驟610，去除電鍍圖形掩模506，如圖5k所示。

在步驟611，通過閃蝕法去除電鍍圖形掩模506下面的種子層，如圖5l所示。

在步驟612，形成阻焊層508。如圖5m所示，在晶片正面一側製作阻焊層508，並形成電極窗口509。

在步驟613，在電極窗口以及第一散熱結構的表面上形成表面塗覆層。在本發明的實施例中，本領域的技術人員可根據實際需要選擇niau、nipdau、防氧化有機薄膜、噴錫等作為表面塗層。

在步驟614，分板切割，將基板切割層獨立器件單元，如圖5n所示。

在步驟615，通過植球或絲網印刷焊膏並回流焊來在電極窗口上形成焊球，如圖5o所示。

儘管上文描述了本發明的各實施例，但是，應該理解，它們只是作為示例來呈現的，而不作為限制。對於相關領域的技術人員顯而易見的是，可以對其做出各種組合、變型和改變而不背離本發明的精神和範圍。因此，此處所公開的本發明的寬度和範圍不應被上述所公開的示例性實施例所限制，而應當僅根據所附權利要求書及其等同替換來定義。