一种具有散热齿片的半导体器件封装结构及封装方法与流程

[0001]
本发明涉及半导体封装技术领域，尤其涉及一种具有散热齿片的半导体器件封装结构及封装方法。


背景技术：

[0002]
现有的半导体器件封装结构，一般需要将半导体器件通过焊接材料焊于引线框架，再采用金属引线将半导体器件与引线框架进行键合，然后通过环氧树脂等封材料，对半导体器件以及引线框架进行封装形成封装结构，以对半导体器件以及电性连接点进行电气保护和物理保护；但是，由于封装材料的热阻较大，使得由半导体器件产生的热量主要通过引线框架侧向外散热，封装结构主要通过单侧散热，散热性能差。而对于功率器件的封装而言，需要更高的散热性能。
[0003]
现有的半导体器件封装结构，部分不适于在外部加装散热器，例如现有的so-8封装结构；而即使部分封装结构外部增加了散热器，由于散热器需要通过焊材(如锡膏)焊接于封装结构的外部，如散热器通过焊材焊接于环氧树脂封装体的外部，如此，增加的焊材层也会增加半导体器件导热通路上的热阻，封装结构的散热性能依然有限。


技术实现要素：

[0004]
本发明实施例的一个目的在于：提供一种具有散热齿片的半导体器件封装结构，其可实现双面散热，可降低封装结构的热阻，可靠性高。
[0005]
本发明实施例的另一个目的在于：提供一种半导体器件封装方法，其能够封装得到散热性能良好的封装结构。
[0006]
为达上述目的，本发明采用以下技术方案：
[0007]
一种具有散热齿片的半导体器件封装结构，包括：
[0008]
半导体器件，在其第一端设有正面电极，在其第二端设有背面电极，所述第二端与所述第一端相对；
[0009]
导电结合层；
[0010]
金属容器，其包括连接板和侧壁板，所述连接板包括连接本体和由所述连接本体延伸的若干散热齿片；所述侧壁板由所述连接本体延伸，并往远离所述散热齿片的方向弯折，以与所述连接本体围成封装空间；所述半导体器件设于所述封装空间内，所述第二端通过所述导电结合层与所述连接本体连接；所述侧壁板包括外引端，所述背面电极通过所述导电结合层、所述连接板与外引端电连接；
[0011]
基板，所述外引端、所述正面电极分别通过导电焊材层与所述基板焊接；所述金属容器与所述基板连接，以密封所述封装空间。
[0012]
作为优选，所述导电结合层为石墨烯结合膜，所述石墨烯结合膜的一面与所述半导体器件的第二端键合或粘合，所述石墨烯结合膜的另一面与所述连接本体键合或粘合。
[0013]
作为优选，在所述金属容器的内部离散地掺杂有若干散热体，所述散热体为石墨
烯颗粒或石墨颗粒。
[0014]
作为优选，所述金属容器为铜容器。
[0015]
作为优选，所述半导体器件为mosfet器件；所述第二端至少设有两个正面电极，在所述第二端设有源极和栅极；所述背面电极为漏极。
[0016]
作为优选，还包括导热片，所述导热片竖向地设置于所述连接板的内；所述导热片为石墨导热片或石墨烯导热片。
[0017]
作为优选，所述散热齿片形成于所述连接本体远离所述半导体器件的一端，若干所述散热齿片间隔设置；所述导热片的一部分位于所述连接本体内，另一部分位于所述散热齿片内。
[0018]
作为优选，在所述连接板上设有竖向的插片槽，所述导热片插入所述插片槽内。
[0019]
一种半导体器件封装方法，包括如下步骤：
[0020]
半导体器件提供步骤：提供半导体器件，在所述半导体器件的第一端设有正面电极、在与所述第一端相对的第二端设有背面电极；
[0021]
石墨烯结合膜提供步骤：提供石墨烯结合膜；
[0022]
第一结合步骤：将所述石墨烯结合膜键合或粘合于所述半导体器件的第二端，以使所述背面电极与所述石墨烯结合膜电连接；
[0023]
金属容器提供步骤：提供金属容器，所述金属容器包括连接板和侧壁板，所述侧壁板包括外引端；所述侧壁板由所述连接板延伸并弯折，以与所述连接板围成封装空间；
[0024]
散热齿片加工步骤：在所述连接板远离所述封装空间的一端蚀刻出若干间隔分布的凹槽，以形成若干散热齿片；
[0025]
第二结合步骤：将所述连接板远离所述散热齿片的一端与所述石墨烯结合膜远离所述半导体器件的一端键合或粘合，以使所述石墨烯结合膜与所述金属容器电连接；
[0026]
基板焊接步骤：将所述外引端、所述正面电极分别通过导电焊接材料与所述基板焊接。
[0027]
作为优选，还包括金属容器第二加工步骤：通过蚀刻的方式，在所述连接板上蚀刻出与所述散热齿片延伸方向相同的插片槽，将石墨片或石墨烯片插入所述插片槽内后，封盖所述插片槽的开口；
[0028]
所述金属容器第一加工步骤、所述金属容器提供步骤、所述散热齿片加工步骤、所述金属容器第二加工步骤依次进行。
[0029]
本发明的有益效果为：该具有散热齿片的半导体器件封装结构，具有可实现双面散热，可降低封装结构的热阻，可靠性高；通过该半导体器件封装方法，能够封装得到散热性能良好的封装结构。
附图说明
[0030]
下面根据附图和实施例对本发明作进一步详细说明。
[0031]
图1为本发明其一实施例所述金属容器的结构示意图；
[0032]
图2为本发明另一实施例所述金属容器的结构示意图；
[0033]
图3为本发明另一实施例所述金属容器的结构示意图；
[0034]
图4为本发明另一实施例所述金属容器的结构示意图；
[0035]
图5为本发明实施例所述金属容器与所述石墨烯结合膜之间的结合示意图；
[0036]
图6为本发明例其一实施例所述半导体器件封装结构的结构示意图；
[0037]
图7为本发明例另一实施例所述半导体器件封装结构的结构示意图；
[0038]
图中：10、半导体器件；11、第一端；141、源极；142、栅极；15、漏极；20、石墨烯结合膜；30、金属容器；31、连接板；311、连接本体；312、散热齿片；32、侧壁板；321、外引端；33、散热体；34、导热片；40、封装空间；50、焊盘；60、基板；70、导电焊材层。
具体实施方式
[0039]
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。
[0040]
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。
[0041]
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。
[0042]
本发明提出一种具有散热齿片的半导体器件封装结构，其可实现双面散热，可降低封装结构的热阻，可靠性高。
[0043]
在本发明的所述具有散热齿片的半导体器件封装结构的一实施例中，该封装结构包括：
[0044]
半导体器件10，在其第一端11设有正面电极，在其第二端设有背面电极，所述第二端与所述第一端11相对；
[0045]
导电结合层；
[0046]
金属容器30，其包括连接板31和侧壁板32，所述连接板31包括连接本体311和由所述连接本体311延伸的若干散热齿片312；所述侧壁板32由所述连接本体311延伸，并往远离所述散热齿片312的方向弯折，以与所述连接本体311围成封装空间40；所述半导体器件10设于所述封装空间40内，所述第二端通过所述导电结合层与所述连接本体311连接，以将所述半导体器件10固定于所述金属容器30，以形成第一结合结构，并使所述背面电极与所述连接板31电连接；所述侧壁板32包括外引端321，所述背面电极通过所述导电结合层、所述连接板31与外引端321电连接；所述外引端321用于将所述背面电极外引，以作为背面电极与外部电路载体或器件的电连接件。
[0047]
进一步地，还包括基板60，所述外引端321、所述正面电极分别通过导电焊材层70
与所述基板60焊接，以使所述第一结合结构固定于所述基板60，从而形成封装结构，并使所述背面电极与基板60电连接，正面电极与基板60电连接；所述金属容器30与所述基板60连接，以密封所述封装空间40。
[0048]
具体地，所述基板60上设有多个焊区，所述外引面321、所述正面电极(一个或多个)分别与所述基板60上的焊区电连接。其中，所述基板60为用于将所述半导体器件10与电路板进行电连接的中间连接件，如陶瓷覆铜基板，或所述基板60为电路板。
[0049]
具体地，所述连接本体311与所述散热齿片312为一体成型结构，可以通过对连接板31进行蚀刻，以在连接板31远离所述半导体器件10的一端形成若干间隔的凹槽，从而使得相邻凹槽之间的凸起形成所述散热齿片312。
[0050]
具体地，该封装结构的顶部为设有金属容器30的一端，该封装结构的底部为设有基板60的一端，该封装结构在应用时，通过基板60上的外引端321子与电路板之间通过插接或贴装等形式电连接。
[0051]
进一步地，所述半导体器件10为mosfet器件；所述第二端至少设有两个正面电极，在所述第二端设有源极141和栅极142；所述背面电极为漏极15。
[0052]
本发明的封装结构，通过采用金属容器30对半导体器件10进行直接封装，可以实现双侧散热，半导体器件10的一侧可以通过金属容器30向外部散热，半导体器件10的另一侧可以通过基板60向外部散热，散热性能好；并且，该封装结构无需采用环氧树脂等封装材料，由半导体器件10的第二端向外散出的热量，能够直接通过导电结合层、金属容器30直接向外部散发，相对于现有采用环氧树脂进行封装的封装结构，本发明的封装结构的半导体器件10的第二端至外部环境之间的散热通道的热阻大大降低，散热性能得到提升。
[0053]
本发明的金属容器30，不仅用于与基板60配合以对半导体器件10配合形成密封的封装空间40，以对处于封装空间40内部的半导体器件10进行电气保护和物理保护，该金属容器30还用于导热散热；并且，该金属容器30还用于作为导电连接件，以将所述背面电极外引，相对于采用金属引线作为导电连接件，可有效避免由于金属引线较细导致寄生电阻较大，从而提高半导体器件10的运行性能，提高封装结构的可靠性，使其适用于功率器件的封装。
[0054]
本发明的封装结构，在金属容器30与空气接触的一端，形成有若干散热齿片312，从而有利于增大金属容器30与空气的接触面积，提高封装结构设有金属容器30的一侧的散热效率；并且适于通过风冷主动散热的方式对封装结构进行散热，使得该封装结构具有高散热性能，适用于功率器件的封装。
[0055]
并且，本发明的封装结构采用了金属容器30，且金属容器30的外部直接形成散热齿片312，从而无需在封装结构的外部另外增加外部散热器，如此，可减少封装结构与外部散热器之间的焊材层，并且，金属容器30具有较佳的导热性能，由半导体器件10的第二端到散热结构端面之间的散热通道的热阻降低。现有技术中，通过焊材将外部散热器焊接于封装结构外部时，还有可能由于在回流焊的过程中在熔融的焊材中产生凹陷，从而导致固化后的焊材层内存在空穴，而空穴的存在会增加散热通道上的热阻，本发明的封装结构，采用具有散热齿片312的金属容器30对半导体器件10进行封装，无需后期采用焊材固定外部的散热器，可有效避免空穴对热阻的影响，提升散热性能。
[0056]
另外，本发明的封装结构由于采用了金属容器30，便于通过化学蚀刻的方法，在金
属容器30的连接板31的背端，也即，在连接板31远离半导体器件10的一端蚀刻出若干凹槽，以在凹槽之间形成散热齿片312。
[0057]
本发明的封装结构，由于降低了封装阻抗，并且采用金属容器30作为背面电极与基板60的电连接结构，在提高封装结构的散热性能的同时，能够提升封装结构的载流能力。
[0058]
进一步地，在本发明的所述封装结构的又一实施例中，所述导电结合层为石墨烯结合膜20，所述石墨烯结合膜20的一面与所述半导体器件10的第二端键合或粘合，所述石墨烯结合膜20的另一面与所述连接本体311键合或粘合。
[0059]
对于封装结构而言，需要将形成于半导体器件10与金属容器30之间的导电结合层的厚度控制在合适的范围内，以保证电性连接的可靠性；而若采用导电银胶或焊锡作为焊接材料，以固化形成所述导电结合层，则在半导体器件10与金属容器30结合的过程中，容易在半导体器件10的器件侧壁产生焊角，若焊角过高时，则在高温高湿的环境中，容易出现短路等失效的故障；并且焊接材料在回流焊的过程中，容易由于焊接材料不足，或由于熔融的焊接材料出现凹陷等原因，导致导电结合层中存在空穴，从而导致导电结合层的热阻增大。
[0060]
本实施例采用石墨烯结合膜20作为导电结合层，由于石墨烯结合膜20为固态膜，在封装制程中，可以根据封装结构的整体尺寸、半导体器件10的厚度等数据，选取合适厚度的石墨烯结合膜20，通过贴装步骤或键合步骤，将半导体器件10、石墨烯结合膜20以及金属容器30贴装为一体，以将半导体器件10固定于金属容器30，且完成背面电极与金属容器30之间的电性连接。石墨烯结合膜20的厚度可以选择，且其在贴装制程中，厚度不会发生较大改变，厚度的误差可以控制在正负3mm内，并且石墨烯结合膜20保持为固态，可以避免在半导体器件10侧壁上形成过高的焊角；并且可避免导电结合层中出现空穴，从而保证导电结合层的导热可靠性。
[0061]
本实施采用具有高导热系数的石墨烯结合膜20作为导电结合层，能够使得由半导体器件10产生的热量能够通过器件的第二端更加高效、均匀地传导至金属容器30。
[0062]
本发明的封装结构，采用了金属容器30与基板60配合的直接封装形式，并且金属容器30的连接板31的外部形成有散热齿片312，并且采用石墨烯结合膜20作为导电结合层，该封装结构通过多维度降低封装热阻，使得背面电极至外部之间的导热通道的热阻大大减少，散热性能大幅提高，同时载流能力也有提高，适用于功率器件封装。
[0063]
具体地，经过实验得到，当半导体器件10为mosfet器件时，采用具有散热齿片312的金属容器30、并且采用石墨烯结合膜20作为导电结合层的直接封装结构，在主动风冷的条件下，单位时间内，由封装结构的顶部散出的热量，相对于普通的直接封装结构(金属容器30的外部不具有散热齿片312、采用焊锡层作为导电结合层的直接封装结构)提升了至少0.8倍，相对于现有的s0-8型封装结构至少提升了3倍；如此，意味着较高的顶部散热效率，使得由半导体器件10发出的热量，可以被带离电路板，使得器件的安全载流值得到提升，适用于功率器件的封装。
[0064]
进一步地，在本发明的所述封装结构的另一实施例中，为了进一步提升该封装结构的顶部散热能力，在所述连接板31的内部掺杂有若干散热体33，所述散热体33为石墨烯颗粒或石墨颗粒。
[0065]
本发明的半导体器件10封装结构，还在所述连接板31的内部掺杂若干石墨散热体33，石墨散热体33、石墨烯散热体33的导热系数大于金属，可降低由器件的第二端至外部环
境之间的热阻，从而提升该封装结构的散热性能，有利于该封装结构均匀地向外散热，避免局部过热。
[0066]
进一步地，在本发明的所述封装结构的另一实施例中，所述金属容器30为铜容器；铜具有良好的导热导电性能，且铜材料相对于银材料而言，成本相对低，成本可控。
[0067]
进一步地，在本发明的所述封装结构的另一实施例中，为了使得半导体器件10能够更加均匀、更加高效地将热量传导至散热齿片312，以通过外部风冷的方式，对封装结构进行散热，本实施例中，该封装结构包括导热片34，所述导热片34竖向地设置于所述连接板31内，以使所述导热片34的平面方向(x方向或y方向)与所述散热齿片312的延伸方向(即封装结构的高度方向)平行；所述导热片34为石墨导热片34或石墨烯导热片34；如此设置，由于利石墨导热片34或石墨烯导热片34具有高平面导热系数(500w/mk至5500w/mk，具体导热系数与复合材料、制备方法有关)，通过将导热片34竖向设置，以使导热片34的平面方向与散热片延伸方向平行，从而通过导热片34将连接本体311内的热量高效、均匀地传导至散热齿片312；如此，当采用风冷的方式散热时，流体接触散热齿片312的外表面时，能够高效地散热封装结构的热量。
[0068]
本实施例的封装结构，将散热片设置于连接板31的内部，相对于将散热片直接附着于连接板31的外表面，能够更加均匀实现导热性能。
[0069]
进一步地，该散热片采用石墨烯散热片。
[0070]
进一步地，所述散热齿片312形成于所述连接本体311远离所述半导体器件10的一端，若干所述散热齿片312间隔设置；所述导热片34的一部分位于所述连接本体311内，另一部分位于所述散热齿片312内；如此有利于将热量导出至散热齿片312。
[0071]
进一步地，在所述连接板31上设有竖向的插片槽，所述导热片34插入所述插片槽内。
[0072]
具体地，在所述插片槽的顶部设有封盖胶。
[0073]
进一步地，在所述基板60上设有若干焊盘50，若干焊盘50包括第一焊盘50、第二焊盘50和第三焊盘50，所述外引端321的端面依次通过第一焊材层、所述第一焊盘50与所述基板60导电结合，所述栅极142依次通过第二焊材层、所述第二焊盘50与所述基板60导电结合，所述源极141依次通过第三焊材层、所述第三焊盘50与所述基板60导电结合。
[0074]
本发明还提出一种半导体器件封装方法，能够封装得到散热性能良好的封装结构。
[0075]
如图1-7所示，在本发明的所述封装方法的一实施例中，该封装方法包括如下步骤：
[0076]
半导体器件10提供步骤：提供半导体器件10，在所述半导体器件10的第一端11设有正面电极、在与所述第一端11相对的第二端设有背面电极；
[0077]
石墨烯结合膜20提供步骤：提供石墨烯结合膜20；
[0078]
第一结合步骤：将所述石墨烯结合膜20键合或粘合于所述半导体器件10的第二端，以使所述背面电极与所述石墨烯结合膜20电连接；
[0079]
金属容器30提供步骤：提供金属容器30，所述金属容器30包括连接板31和侧壁板32，所述侧壁板32包括外引端321；所述侧壁板32由所述连接板31延伸并弯折，以与所述连接板31围成封装空间40；
[0080]
散热齿片312加工步骤：在所述连接板31远离所述封装空间40的一端蚀刻出若干间隔分布的凹槽，以形成若干散热齿片312；
[0081]
第二结合步骤：将所述连接板31远离所述散热齿片312的一端与所述石墨烯结合膜20远离所述半导体器件10的一端键合或粘合，以使所述石墨烯结合膜20与所述金属容器30电连接；
[0082]
基板60焊接步骤：将所述外引端321、所述正面电极分别通过导电焊接材料与所述基板60焊接。
[0083]
进一步地，在本发明的所述封装方法的另一实施例中，该封装方法还包括：
[0084]
金属容器30第一加工步骤：提供金属材料和颗粒状的散热材料，将金属材料和所述散热材料混合；所述金属材料为熔融态金属材料或颗粒状金属材料；当所述金属材料为熔融态金属材料时，金属材料和散热材料混合后，将混合材料倒入成型模具，通过烘烤固化，使混合后的材料一体成型，形成所述金属容器30；当所述金属材料为颗粒状金属材料时，金属材料和散热材料混合后，通过烧结，使混合后的材料一体成型；
[0085]
金属容器30第二加工步骤：通过蚀刻的方式，在所述连接板31上蚀刻出与所述散热齿片312延伸方向相同的插片槽，将石墨片或石墨烯片插入所述插片槽内后，封盖所述插片槽的开口；
[0086]
所述金属容器30第一加工步骤、所述金属容器30提供步骤、所述散热齿片312加工步骤、所述金属容器30第二加工步骤依次进行。
[0087]
通过本发明的封装方法，能够封装得到本发明其他实施例中所述的具有散热齿片312的封装结构。
[0088]
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。
[0089]
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。
[0090]
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。
[0091]
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。