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「专利解密」芯聚能优化半导体封装结构 简化工艺改善焊接层导热性能

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集微网消息,伴随着功率器件(包括发光二极管LED、激光二极管LD以及绝缘栅双极型晶体管IGBT等)不断发展,散热成为影响器件性能与可靠性的关键技术。对于电子器件而言,通常温度每升高10℃,器件有效寿命就降低30%~50%。因此,选用合适的封装材料与工艺、提高器件散热能力就成为发展功率器件的技术瓶颈。



封装基板主要利用材料本身具有的高热导率将热量从芯片导出,实现与外界环境的热交换。对于功率半导体器件而言,封装基板必须满足具有高热导率。目前功率半导体器件均采用热电分离封装方式,器件产生的热量大部分经由封装基板传播出去,导热良好的基板可使芯片免受热破坏。



其次,还需要具备与芯片材料热膨胀系数匹配。功率器件芯片本身可承受较高温度,且电流、环境及工况的改变均会使其温度发生改变。由于芯片直接贴装于封装基板上,两者热膨胀系数匹配会降低芯片热应力,提高器件可靠性。同时还需要具有良好的耐热性,满足功率器件高温使用需求



如上图,为传统的功率半导体器件的结构,该结构包括键合线101、芯片102、芯片焊接层103以及封装结构104。封装结构包括陶瓷基板的上层铜箔1041、陶瓷基板的陶瓷层1042、陶瓷基板的下层铜箔1043、陶瓷基板的焊接层1044、散热底板1045以及导热柱1046。



陶瓷基板作为目前常用电子封装基板中的一种,其本身具有热导率高、耐热性好、高绝缘、高强度以及与芯片材料热匹配等性能,非常适合作为功率器件封装基板,目前已在半导体照明、激光与光通信、航空航天、汽车电子、深海钻探等领域得到广泛应用。



上述封装结构承担了传导热量和器件内外部电气绝缘的重要功能,陶瓷基板的陶瓷层与含有导热柱的散热基板经由焊接层以及陶瓷基板的下层铜箔进行连接。同时,为了形成这样的封装结构,传统的工艺路线会先进行陶瓷基板的制备,然后在制备完成的陶瓷基板上进行芯片贴装、焊接以及键合等前序封装工艺。



但上述方案中,由于焊接层的导热性能较差,不利于热量传递到散热底板,而且整个工艺繁琐。因此,芯聚能对现有的封装结构进行了优化,其在2021年6月22日申请了一项名为“封装结构、封装结构的制作方法和应用”的发明专利(申请号:202110693066.3),申请人为广东芯聚能半导体有限公司。



根据该专利目前公开的相关资料,让我们一起来看看这项技术方案吧。



如上图,为该专利中发明的封装结构的结构示意图,这种封装结构包括传导层201、基板层202、散热层203、第一钎焊层2011以及第二钎焊层2021,传导层与基板层的一侧通过第一钎焊层结合,基板层的另一侧与散热层通过第二钎焊层结合。



其中,传导层的作用是导热和导电,其材料为无氧铜,厚度为0.8mm。第一钎焊层的材料以及第二钎焊层的材料为AgCuTi合金。此外,该结构中可以明显看到有五根设置在散热层上且不与第二钎焊层的一侧接触的散热柱204,其可以通过温锻、冷锻或粉末冶金压铸工艺与散热层进行连接。





如上图,(左侧)为该封装结构的俯视图结构示意图,(右侧)为该封装结构的底视图结构示意图,通过上述对封装结构的优化,使传导层、基板层与散热层分别由金属AgCuTi合金焊料构成的第一钎焊层以及第二钎焊层连接。



由此避免了传统封装结构中封装基板下方金属层以及焊接层的制备,降低了从上层传导层依次到封装基板、散热层以及冷却液整个散热过程中的热阻。不仅提升了导热效率,也提高了含有此封装结构半导体器件的可靠性以及使用寿命。



最后,为这种封装结构的制作方法流程图,首先,将由传导层材料形成的传导板、由基板层材料形成的封装基板以及由散热层材料形成的散热板进行还原处理,制备还原处理后的传导板、封装基板以及散热板。



其次,将焊料AgCuTi合金涂覆在还原处理后的散热板的一侧和封装基板的一侧,制备含有焊料的散热板和封装基板。并将还原处理后的传导板与含有焊料的封装基板中含有焊料的一侧叠放,将封装基板中没有焊料的一侧与含有焊料的散热层中含有焊料的一侧叠放,放置于模具中压制制作预组装的封装结构。最后,将预组装的封装结构进行钎焊。



以上就是芯聚能发明的半导体封装结构方案,该方案通过对现有的封装结构进行优化,避免了传统封装结构中封装基板下方金属层以及焊接层的制备,降低了从上层传导层依次到封装基板、散热层以及冷却液整个散热过程中的热阻,从而提高了含有此封装结构半导体器件的可靠性以及使用寿命。

来源:集微网

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