集微網(wǎng)消息，伴隨著功率器件（包括發(fā)光二極管LED、激光二極管LD以及絕緣柵雙極型晶體管IGBT等）不斷發(fā)展，散熱成為影響器件性能與可靠性的關(guān)鍵技術(shù)。對于電子器件而言，通常溫度每升高10℃，器件有效壽命就降低30％～50％。因此，選用合適的封裝材料與工藝、提高器件散熱能力就成為發(fā)展功率器件的技術(shù)瓶頸。
封裝基板主要利用材料本身具有的高熱導率將熱量從芯片導出，實現(xiàn)與外界環(huán)境的熱交換。對于功率半導體器件而言，封裝基板必須滿足具有高熱導率。目前功率半導體器件均采用熱電分離封裝方式，器件產(chǎn)生的熱量大部分經(jīng)由封裝基板傳播出去，導熱良好的基板可使芯片免受熱破壞。
其次，還需要具備與芯片材料熱膨脹系數(shù)匹配。功率器件芯片本身可承受較高溫度，且電流、環(huán)境及工況的改變均會使其溫度發(fā)生改變。由于芯片直接貼裝于封裝基板上，兩者熱膨脹系數(shù)匹配會降低芯片熱應(yīng)力，提高器件可靠性。同時還需要具有良好的耐熱性，滿足功率器件高溫使用需求
如上圖，為傳統(tǒng)的功率半導體器件的結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)包括鍵合線101、芯片102、芯片焊接層103以及封裝結(jié)構(gòu)104。封裝結(jié)構(gòu)包括陶瓷基板的上層銅箔1041、陶瓷基板的陶瓷層1042、陶瓷基板的下層銅箔1043、陶瓷基板的焊接層1044、散熱底板1045以及導熱柱1046。
陶瓷基板作為目前常用電子封裝基板中的一種，其本身具有熱導率高、耐熱性好、高絕緣、高強度以及與芯片材料熱匹配等性能，非常適合作為功率器件封裝基板，目前已在半導體照明、激光與光通信、航空航天、汽車電子、深海鉆探等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。
上述封裝結(jié)構(gòu)承擔了傳導熱量和器件內(nèi)外部電氣絕緣的重要功能，陶瓷基板的陶瓷層與含有導熱柱的散熱基板經(jīng)由焊接層以及陶瓷基板的下層銅箔進行連接。同時，為了形成這樣的封裝結(jié)構(gòu)，傳統(tǒng)的工藝路線會先進行陶瓷基板的制備，然后在制備完成的陶瓷基板上進行芯片貼裝、焊接以及鍵合等前序封裝工藝。
但上述方案中，由于焊接層的導熱性能較差，不利于熱量傳遞到散熱底板，而且整個工藝繁瑣。因此，芯聚能對現(xiàn)有的封裝結(jié)構(gòu)進行了優(yōu)化，其在2021年6月22日申請了一項名為“封裝結(jié)構(gòu)、封裝結(jié)構(gòu)的制作方法和應(yīng)用”的發(fā)明專利（申請?zhí)枺?02110693066.3），申請人為廣東芯聚能半導體有限公司。
根據(jù)該專利目前公開的相關(guān)資料，讓我們一起來看看這項技術(shù)方案吧。
如上圖，為該專利中發(fā)明的封裝結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖，這種封裝結(jié)構(gòu)包括傳導層201、基板層202、散熱層203、第一釬焊層2011以及第二釬焊層2021，傳導層與基板層的一側(cè)通過第一釬焊層結(jié)合，基板層的另一側(cè)與散熱層通過第二釬焊層結(jié)合。
其中，傳導層的作用是導熱和導電，其材料為無氧銅，厚度為0.8mm。第一釬焊層的材料以及第二釬焊層的材料為AgCuTi合金。此外，該結(jié)構(gòu)中可以明顯看到有五根設(shè)置在散熱層上且不與第二釬焊層的一側(cè)接觸的散熱柱204，其可以通過溫鍛、冷鍛或粉末冶金壓鑄工藝與散熱層進行連接。
如上圖，（左側(cè)）為該封裝結(jié)構(gòu)的俯視圖結(jié)構(gòu)示意圖，（右側(cè)）為該封裝結(jié)構(gòu)的底視圖結(jié)構(gòu)示意圖，通過上述對封裝結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，使傳導層、基板層與散熱層分別由金屬AgCuTi合金焊料構(gòu)成的第一釬焊層以及第二釬焊層連接。
由此避免了傳統(tǒng)封裝結(jié)構(gòu)中封裝基板下方金屬層以及焊接層的制備，降低了從上層傳導層依次到封裝基板、散熱層以及冷卻液整個散熱過程中的熱阻。不僅提升了導熱效率，也提高了含有此封裝結(jié)構(gòu)半導體器件的可靠性以及使用壽命。
最后，為這種封裝結(jié)構(gòu)的制作方法流程圖，首先，將由傳導層材料形成的傳導板、由基板層材料形成的封裝基板以及由散熱層材料形成的散熱板進行還原處理，制備還原處理后的傳導板、封裝基板以及散熱板。
其次，將焊料AgCuTi合金涂覆在還原處理后的散熱板的一側(cè)和封裝基板的一側(cè)，制備含有焊料的散熱板和封裝基板。并將還原處理后的傳導板與含有焊料的封裝基板中含有焊料的一側(cè)疊放，將封裝基板中沒有焊料的一側(cè)與含有焊料的散熱層中含有焊料的一側(cè)疊放，放置于模具中壓制制作預(yù)組裝的封裝結(jié)構(gòu)。最后，將預(yù)組裝的封裝結(jié)構(gòu)進行釬焊。
以上就是芯聚能發(fā)明的半導體封裝結(jié)構(gòu)方案，該方案通過對現(xiàn)有的封裝結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化，避免了傳統(tǒng)封裝結(jié)構(gòu)中封裝基板下方金屬層以及焊接層的制備，降低了從上層傳導層依次到封裝基板、散熱層以及冷卻液整個散熱過程中的熱阻，從而提高了含有此封裝結(jié)構(gòu)半導體器件的可靠性以及使用壽命。
來源：集微網(wǎng)
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