一种功率半导体结构及功率半导体结构的封装方法与流程

本发明涉及半导体封装技术领域，尤其涉及一种功率半导体结构及功率半导体结构的封装方法。

背景技术：

半导体在集成电路、消费电子、通信系统、光伏发电、照明、大功率电源转换等领域都有应用；半导体封装结构，是将芯片(或晶片)固定到相应的芯片载体上，在芯片与芯片载体完成必要的电性连接后，为了避免内部电路受到环境中的液、尘、气体的污染，在芯片以及芯片载体上包覆一层保护用的封装胶体以形成半导体封装结构；但是，对于功率半导体结构而言，内部的功率器件在工作时容易产生热量，若热量无法及时有效地传递至半导体封装结构之外，积存的热量会大大影响芯片工作的性能，从而影响半导体封装结构的可靠性。

现有技术中，一般通过封装胶体将芯片产生的热量传导至外部大气，但是，封装胶体的导热性不佳，导致现有的半导体封装结构的散热性能不佳。

技术实现要素：

本发明实施例的一个目的在于：提供一种功率半导体结构，其具有良好的散热性能，可靠性高。

本发明实施例的另一个目的在于：提供一种功率半导体结构的封装方法，采用该封装方法封装的功率半导体结构具有良好的散热性能。

为达上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种功率半导体结构，包括：

芯片载体；

芯片，其固定于所述芯片载体的顶部；

封装体，所述封装体用于对所述芯片及所述芯片载体进行塑封，所述芯片载体的底部由所述封装体露出；

散热层，其覆盖于所述封装体的顶部，所述散热层为金属散热片或石墨烯散热层或碳化物散热层；所述芯片载体、所述封装体、所述散热层依次结合形成封装结构；

冷却组件，其包括固定于所述散热层的顶部的上金属管、固定于所述芯片载体的底部的下金属管和沿高度方向贯穿所述封装结构冷却通道；所述下金属管、所述冷却通道、所述上金属管依次连通。

作为优选，所述芯片载体为dbc基板，所述dbc基板包括依次结合的上铜层、绝缘基材层和下铜层，所述芯片焊接于所述上铜层，所述下金属管固定于所述芯片载体的底部；所述散热层为铜片或铜箔。

作为优选，还包括竖向金属管；所述封装结构内设有竖向贯通孔，所述竖向金属管插设于所述竖向贯通孔内，所述竖向金属管的内部通道为所述冷却通道；所述竖向金属管的两端分别与所述上金属管、所述下金属管连接；所述上金属管远离所述竖向金属管的一端、所述下金属管远离所述竖向金属管的一端用于导入或导出冷却液。

作为优选，所述竖向金属管和/或所述上金属管和/或所述下金属管的内壁设有散热内层，所述散热内层为石墨烯散热内层或碳化物散热内层。

作为优选，还包括扰流条，所述扰流条的端部焊接固定于所述竖向金属管的内壁或端部；所述扰流条沿径向相对所述竖向金属管的内壁凸出。

作为优选，所述上金属管与所述下金属管均为折弯型铜管。

作为优选，所述功率半导体结构设有若干组所述冷却组件；所述功率半导体结构还包括壳体，所述壳体封盖于所述封装结构的周向侧壁。

作为优选，所述封装结构还包括绝缘散热胶体，所述绝缘散热胶体包覆所述芯片；所述封装体覆盖于所述绝缘散热胶体的顶部。

作为优选，所述封装体为混合封装体，所述混合封装体包括封装材料和散热体，所述散热体呈离散状态分布与所述封装材料内部；所述散热体包括散热内芯和包覆于所述散热内芯外部的绝缘层，所述散热内芯为石墨烯和/或碳化物。

一种功率半导体结构的封装方法，包括如下步骤：

芯片载体提供步骤：提供底部设有下铜层且设有第一竖向贯通孔的芯片载体；

芯片结合步骤：采用结合材料将芯片固定于所述芯片载体；

外壳体结合步骤：提供外壳体，采用结合材料将所述外壳体围接于所述芯片载体，以在所述外壳体与所述芯片载体的顶部之间围成灌封空间；

竖向金属管安装步骤：将所述竖向金属管的一端插入所述第一竖向贯通孔内；

灌封步骤：向所述灌封空间内灌入封装材料；

固化步骤：混合封装材料固化成型，形成封装体；

散热层加工步骤：在所述封装体的顶部覆盖金属片或石墨烯散热层或碳化物散热层，并使所述竖向金属管穿过所述散热层；

金属管安装步骤：将上金属管固定于所述散热层的顶部，并将所述上金属管与所述竖向金属管的一端连接；将下金属管固定于所述芯片载体的底部，并将所述下金属管与所述竖向金属管的另一端连接。

本发明的有益效果为：本发明的功率半导体结构具有良好的散热性能，可靠性高；采用本发明的封装方法封装的功能半导体模组具有良好的散热性能。

附图说明

下面根据附图和实施例对本发明作进一步详细说明。

图1为本发明其一实施例所述功率半导体结构的结构示意图；

图2为本发明另一实施例所述功率半导体结构的结构示意图；

图3为本发明实施例所述散热体的结构示意图；

图4为本发明其一实施例所述功率半导体结构的俯视图或仰视图；

图5为本发明另一实施例所述功率半导体结构的俯视图或仰视图；

图6为本发明另一实施例所述功率半导体结构的俯视图或仰视图；

图7为本发明所述功率半导体结构的封装方法的封装过程图；

图中：10、芯片载体；11、下铜层；20、芯片；30、封装体；31、封装材料；32、散热体；321、绝缘层；322、散热内芯；323、银颗粒；40、绝缘散热胶体；50、散热层；61、上金属管；62、冷却通道；63、下金属管；64、竖向金属管；642、扰流条；70、引脚；80、壳体；90、灌封空间。

具体实施方式

为使本发明解决的技术问题、采用的技术方案和达到的技术效果更加清楚，下面将结合附图对本发明实施例的技术方案作进一步的详细描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“固定”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

本发明提出一种功率半导体结构，其具有良好的散热性能，可靠性高，其在应用时，芯片20的性能够更好地发挥。

如图1-7所示，在本发明的功率半导体结构的一实施例中，该功率半导体结构包括：

芯片载体10；

芯片20，其固定于所述芯片载体10的顶部；

封装体30，所述封装体30用于对所述芯片20及所述芯片载体10进行塑封，所述芯片载体10的底部由所述封装体30露出，所述封装体30用于对所述芯片20及所述芯片载体10进行电气保护及物理保护；

散热层50，其覆盖于所述封装体30的顶部，所述散热层50为金属散热片或石墨烯散热层50或碳化物散热层50；所述芯片载体10、所述封装体30、所述散热层50依次结合形成封装结构；

冷却组件，其包括固定于所述散热层50的顶部的上金属管61、固定于所述芯片载体10的底部的下金属管63和沿高度方向贯穿所述封装结构冷却通道62；所述下金属管63、所述冷却通道62、所述上金属管61依次连通；所述上金属管61远离所述冷却通道62的一端、所述下金属管63远离所述冷却通道62的一端用于导入或导出冷却介质，如冷却液。

进一步地，所述功率半导体结构还包括引脚70，所述引脚70焊接于所述芯片载体10的顶部，所述引脚70与所述芯片20电连接，所述引脚70的一端伸出所述封装体30。

进一步地，所述芯片载体10上设有若干所述芯片20。

本发明的功率半导体结构，在工作时，通过外部的冷却装置向所述下金属管63导入冷却介质，冷却介质由所述下金属管63流经所述冷却通道62、所述上金属管61，然后流出所述功率半导体封装结构，冷却介质可以采用水或其他冷却专用液；当然，也可以通过所述上金属管61导入冷却介质。

本发明的功率半导体结构，在所述封装结构的内部设置了竖向贯通的冷却通道62，以供冷却介质过流，流动的冷却介质与所述冷却通道62进行热交换，从而通过冷却介质将所述封装结构的内部的热量带出所述功率半导体结构，从而克服了现有技术中由于封装体30散热性能不佳，由芯片20发出并传导至所述封装体30的热量无法高效地传导至所述功率半导体封装结构外的缺陷。

本发明的功率半导体结构，还设置了与所述冷却通道62连通的上金属管61和下金属管63，上金属管61和下金属管63不仅起到了将冷却介质导入和导出所述冷却通道62的作用，上金属管61、下金属管63分别贴附于所述半导体封装结构的顶部和底部，上金属管61和下金属管63内过流冷却介质时，还可以通过冷却介质将所述半导体封装结构的顶部和底部的热量带走。

本发明的功率半导体结构，通过将所述芯片载体10配置为底部由所述封装体30露出，并在所述封装体30的顶部设置散热层50，使得所述功率半导体结构的顶部和底部未被所述上金属管61和所述下金属管63覆盖之处，可以通过所述散热层50和所述芯片载体10向外部散热，从而使得所述功率半导体结构的散热性能得到更好地提升。

本发明的功率半导体结构具有优秀的散热性能，从而能够更好地发挥芯片20的性能，其可靠性高，其能够应用于大功率产品中，如可应用于2.5ic产品、3dic产品、sip模块或电源模块等大发热量产品中。

进一步地，在本发明的所述功率半导体结构的又一实施例中，所述芯片载体10为dbc基板，dbc基板为覆铜陶瓷基板，所述dbc基板包括依次结合的上铜层、绝缘基材层和所述下铜层11，所述芯片20焊接于所述上铜层，所述下金属管63焊接固定于所述下铜层11。采用dbc基板，既便于在所述上铜层设计线路，以满足各芯片20之间的互连需求，又可通过导热性能良好的下铜层11向外散热，并且，方便采用焊接的工艺将下金属管63固定于所述芯片载体10的底部，从而使得封装流程更加方便快捷。

进一步地，在本发明的所述功率半导体结构的另一实施例中，所述芯片载体10为金属基板，所述金属基板的底部为金属层。

进一步地，在本发明的所述功率半导体结构的另一实施例中，所述散热层50为铜片或铜箔，如此，不仅可以通过导热性能良好的铜片或铜箔向外散热，并且，方便采用焊接的工艺将上金属管61固定于所述散热层50的顶部，从而使得封装流程更加方便快捷。

具体地，铜片或铜箔可通过当不限于焊锡或银浆等结合材料结合于所述封装体30的顶部。

进一步地，在本发明的所述功率半导体结构的另一实施例中，为了提升散热效果，所述功率半导体结构内设有若干组所述冷却组件。

进一步地，在本发明的所述功率半导体结构的另一实施例中，为了方便加工形成所述冷却通道62，也为了方便所述冷却通道62与所述上金属管61、所述下金属管63的连通，所述功率半导体结构还包括竖向金属管64；所述封装结构内设有竖向贯通孔，所述竖向金属管64插设于所述竖向贯通孔内，所述竖向金属管64的内部通道为所述冷却通道62；所述竖向金属管64的两端分别与所述上金属管61、所述下金属管63连接；所述上金属管61远离所述竖向金属管64的一端、所述下金属管63远离所述竖向金属管64的一端用于导入或导出冷却液。

具体地，通过上述设置，使得在所述功率半导体结构的封装制程中，可以先固设所述竖向金属管64，再进行灌胶封装即可在所述封装结构内形成竖向贯通的冷却通道62，封装过程更加方便；同时，由于设置了竖向金属管64，可以通过将所述竖向金属管64分别与所述上金属管61、所述下金属管63焊接连接，以实现所述上金属管61的内部、所述冷却通道62和所述下金属管63的内部依次连通，以方便在这条连通的通道内通冷却介质；尤其对于小尺寸的功率半导体封装结构而言，竖向金属管64与所述上金属管61、所述下金属管63之间的密封连接，通过焊接的方式实施为佳。

进一步地，所述竖向金属管64为散热铜管，铜管具有良好的导热性能，可提升所述半导体封装结构的散热性能。

进一步地，所述竖向金属管64的外壁上具有若干凸起，在所述功率半导体的封装制程中，进行封装材料31灌注后，所述封装体30能够与所述竖向金属管64进行更加紧密的结合，并且能够增加所述竖向金属管64与所述封装体30之间的接触面积，从而提升导热性能，能够通过所述竖向金属管64内的冷却介质带走更多的所述封装体30的热量，提升散热性能。

进一步地，所述竖向金属管64和/或所述上金属管61和/或所述下金属管63的内壁设有散热内层(图未示出)，所述散热内层为石墨烯散热内层或碳化物散热内层。

具体地，所述散热内层为石墨烯散热内层，石墨锡具有高导热性，能够提高导热效率，从而提高散热性能；镀石墨烯的工艺为本领域的成熟技术，此不赘述。

进一步地，如图2所示，所述功率半导体结构还包括扰流条642，所述扰流条642的端部焊接固定于所述竖向金属管64的内壁或端部；所述扰流条642沿径向相对所述竖向金属管64的内壁凸出。如此，冷却介质在流经所述冷却通道62时，能够被扰乱，以均匀所述冷却通道62内的温度，并且，能够延长冷却介质在所述冷却通道62内的停留时间，以保证冷却介质充分吸收所述封装结构内部的热量，从而所述功率半导体结构的散热性能。

进一步地，所述扰流条642为金属扰流条642，所述扰流条642在插入所述竖向金属管64内后，所述扰流条642的端部焊接固定于所述竖向金属管64；由于采用了竖向金属管64，使得仅需要将所述扰流条642的端部焊接于所述竖向金属管64，即可在所述冷却通道62内形成扰流结构；且内部具有扰流条642的竖向金属管64可以进行预加工，在封装制程中可以直接采用具有扰流条642的竖向金属管64，无需在封装制程中增加扰流条642加工步骤，从而简化封装制程，提升uph。

进一步地，在本发明的所述功率半导体结构的另一实施例中，所述上金属管61和所述下金属管63为铜管，铜管具有良好的导热性能。

在一些实施例中，所述上金属管61与所述下金属管63为直金属管。

进一步地，在本发明的所述功率半导体结构的另一实施例中，所述上金属管61与所述下金属管63均为设有若干折弯部的折弯型金属管，如图5、图6所示，所述上金属管61或所述下金属管63，具有在宽度方向上延伸的散热段，也具有在长度方向上延伸的散热段：当所述冷却组件的数量有限时，通过采用折弯型的所述上金属管61与所述下金属管63，使得所述上金属管61和所述下金属管63的覆盖面积更大，散热效果更加；且冷却介质在通过所述折弯部时，折弯部对冷却介质起到一定扰流作用，扰流有利于提升金属管内部的温度的均匀性，从而保证冷却介质充分吸收金属管的热量，提升散热效果。

进一步地，在本发明的所述功率半导体结构的另一实施例中，如图6所示，所述上金属管61包括一进液口和若干出液口，所述进液口用于与所述竖向金属管64连接。

进一步地，在本发明的所述功率半导体结构的另一实施例中，所述封装结构还包括壳体80，所述壳体80封盖于所述封装结构的周向侧壁；所述壳体80为散热壳体80。

进一步地，在本发明的所述功率半导体结构的另一实施例中，所述封装结构还包括绝缘散热胶体40，所述绝缘散热胶体40包覆所述芯片20和所述芯片载体10的顶部；所述封装体30覆盖于所述绝缘散热胶体40的顶部；绝缘散热胶体40可以提供良好的绝缘散热性能，封装体30可以保护元件内部结构，避免腐蚀气体侵蚀，使得该功率半导体结构可靠性更高。

需要说明的是，所述绝缘散热胶体40的厚度以及覆盖范围，可以根据实际需求设置。

具体地，所述绝缘散热胶体40可以是室温硫化的硅酮胶粘剂，其具有使用方便、粘接强度高、固化后呈弹性体、抗冲击、震动等特点，同时固化物还具有良好的导热、散热功能及优异的耐高低温性能和电气性能。

进一步地，在本发明的所述功率半导体结构的另一实施例中，所述封装体30为混合封装体30，所述混合封装体30包括环氧树脂封装材料31和散热体32，所述散热体32呈离散状态分布与所述环氧树脂内部；所述散热体32包括散热内芯322和包覆于所述散热内芯322外部的绝缘层321。

具体地，所述散热体32为绝缘散热体32，本实施例通过在封装材料31中离散地设置绝缘的散热体32，散热体32的比热容吸收一部分热量，另一方面可以提高封装体30的导热效率，从而提升功率半导体结构的散热性能，如此设置，能够提高封装体30的导热性能，从而解决现有技术中的由于环氧树脂封装体30的导热性能差导致功率半导体结构的散热性能不佳的障碍。

具体地，绝缘的散热体32具有良好的热传导性能以及绝缘性能，在通过散热内芯322提高半导体产品散热效果的同时能够通过绝缘层321保证产品的绝缘性，避免封装材料31导电而造成产品短路。

进一步地，所述散热内芯322内包括导热性能优秀的石墨烯和/或碳化物，从而提高所述封装体30的导热性能。

进一步地，所述散热内芯322中还包括离散设置的银颗粒323，银颗粒323是导热性能较为优秀的金属，其导热系数可达到400w/m·k，可进一步优化散热体32的散热效果。

本发明还提供了一种功率半导体结构的封装方法。

在发明的所述功率半导体结构的封装方法的一实施例中，所述封装方法包括：

芯片载体10提供步骤：提供底部设有下铜层11且设有第一竖向贯通孔的芯片载体10；

芯片20结合步骤：采用结合材料将芯片20固定于所述芯片载体10；

外壳体80结合步骤：提供外壳体80，采用结合材料将所述外壳体80围接于所述芯片载体10，以在所述外壳体80与所述芯片载体10的顶部之间围成灌封空间90；

竖向金属管64安装步骤：将所述竖向金属管64的一端插入所述第一竖向贯通孔内；

灌封步骤：如图7所示，向所述灌封空间90内注入封装材料31；

固化步骤：混合封装材料31固化成型，形成封装体30；

散热层50加工步骤：在所述封装体30的顶部覆盖金属片或石墨烯散热层50或碳化物散热层50，并使所述竖向金属管64穿过所述散热层50。

本发明的封装方法，采用了具有第一竖向贯通孔的芯片载体10，并在灌封封装材料31之前设置竖向金属管64，从而可以在所述功率半导体结构内形成冷却通道62(所述竖向金属管64的内部通道)；并且能够在所述功率半导体结构的顶部和底部加工形成上金属管61和下金属管63，有利于借助冷却介质对所述功率半导体结构进行冷却降温，从而能够制造出散热性能良好的功率半导体封装结构。

本发明的封装方法，仅在传统的封装方法增加了的步骤，对现有设备及工艺的沿用率高，从而降低了功率半导体结构的封装工艺的改进成本。

进一步地，所述外壳体80通过结合材料固定于所述芯片载体10的顶部或周向侧壁。

进一步地，在所述灌封步骤中，向所述灌封空间90内灌入混合封装材料31，所述混合封装材料31包括环氧树脂与分散于所述环氧树脂内的若干散热体32。

进一步地，在所述散热层50加工步骤中，在所述封装体30的顶部设置铜箔或铜片，在铜箔和铜片上具有第二竖向贯通孔，所述竖向金属管64的另一端穿过所述第二竖向贯通孔。

需要说明的是，本发明中的结合材料可以为但不限于焊锡、银浆或环氧树脂，本领技术人员可根据实际需求选用合适的结合材料。

于本文的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“左、”“右”等方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述和简化操作，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”，仅仅用于在描述上加以区分，并没有特殊的含义。

在本说明书的描述中，参考术语“一实施例”、“示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

以上结合具体实施例描述了本发明的技术原理。这些描述只是为了解释本发明的原理，而不能以任何方式解释为对本发明保护范围的限制。基于此处的解释，本领域的技术人员不需要付出创造性的劳动即可联想到本发明的其它具体实施方式，这些方式都将落入本发明的保护范围之内。