CN105051893A - 芯片封装组件和使用该组件的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种芯片封装组件（1）和其在安装与拆卸至少一个半导体芯片（2）中的使用，所述芯片封装组件（1）包括凸缘（3）和基体（4），其中所述至少一个芯片（2）和所述基体（4）布置于所述凸缘（3）的一侧上。所述凸缘（3）由导电且导热的材料组成。

Description

芯片封装组件和使用该组件的方法
技术领域
本发明涉及芯片封装组件和其在安装至少一个半导体芯片中的使用，所述芯片封装组件包括凸缘和基体，其中所述至少一个芯片和所述基体布置在所述凸缘的一侧上。
背景技术
本发明描述一种芯片封装组件，其能够用于安装和封装含有（例如）垂直结型场效晶体管（VJFET）的半导体芯片。尤其，高功率RF半导体装置能够由VJFET结构组成。芯片封装例如从US6,318,622B1、US6,967,400B2、US6,465,883B2和US7,256,494B2中是已知的。
在US6,318,622B1中，描述了高功率芯片的组件，其安装至额外的基体。半导体芯片通过连接线电连接到主基体。带状连接器被用于外部电连接。为了保护组件的内部结构，使用附加的帽盖。在US6,967,400B2中，描述了IC芯片封装，其包括基体、芯片、粘附机构、盖和垫片。位于基体端面处的通孔被用于外部电连接，其中连接线穿过该通孔。这给予在将半导体芯片与封装外部电连接方面良好的可能性。
由所描述的组件产生了两个主要问题：将几个基体连接在一起的问题和热传递的问题。高功率装置实际上在使用期间产生大量热量。此热量必须传递到环境，不超过装置的临界温度，并且在最坏情况下不因超过临界温度的温度而毁坏装置。不存在例如通过使用外部冷却块来改进热传递的可能性。
在US6,465,883B2中，用于高频的高功率晶体管芯片在其背面处联接至导电且导热的凸缘。在US7,256,494B2中，描述了芯片封装，其包括位于芯片背面处的散热器。存在电连接器以用于使晶体管的栅极（gate）和漏极(drain)与安装在凸缘或散热器的顶部上的基体电连接。所描述的组件展现良好的热性质，但能够仅被限制性地用于其中需要使凸缘或散热器与地面电绝缘的应用。这种电绝缘（例如）在使用VJFET芯片（其中漏极连接器位于芯片底部处）的情况下是需要的。
发明内容
本发明的目标是呈现一种芯片封装组件，其具有从半导体芯片（特别地，对于在芯片底侧上具有晶体管漏极接触连接的芯片而言）移除热的高效率。芯片的底侧是与具有（例如）源极接触的其它电接触和芯片至外部装置的电连接的一侧相反的一侧。底侧是这样的侧，即芯片通过该侧布置在安装结构上。本发明的另一个目标是呈现芯片封装组件和其使用方法，其具有将芯片安装在组件上和从组件拆卸芯片的能力。如果半导体芯片显示出故障，则应易于移除该芯片和/或以正常工作的芯片来更换该故障芯片。
上述目标是通过根据权利要求1所述的芯片封装组件和根据权利要求15所述的其使用方法来达到。
根据本发明的用于安装至少一个半导体芯片的芯片封装组件包括凸缘和基体，其中所述至少一个芯片和所述基体布置在所述凸缘的一侧上。在这种情况下，凸缘是先前所描述的安装结构。凸缘由导电且导热的材料组成。这意味着所述材料与其它材料（例如绝缘体）相比具有较低的电阻和热阻。
根据本发明的芯片封装组件的优点是由于凸缘而引起的从至少一个半导体芯片移除热的高效率。芯片能够具有位于芯片底侧上的晶体管漏极接触连接，并且凸缘仍能够热耦合到此侧。所述组件是容易使用并且容易组装的，其具有较少数目的部件，其是成本有效的并且能够用于高频应用中。
凸缘的导电材料能够包括金属或能够由金属制成，特别地，具有高导热性的金属（特别地，铜）。由铜制成的凸缘显示出高导热性并且能够很好地将热量传递远离芯片，该热量是在（例如）芯片的高功率应用中所产生的。冷却芯片并使芯片保持低于临界温度同样在使用中能防止芯片的损坏和故障。
基体能够包括在高频下具有低损耗的材料。基体能够（例如）由印刷电路板（PCB）材料制成。这种材料在高频应用中不吸收太多信号；高频辐射能够穿过该材料而具有很小的损耗或无损耗。PCB材料价格低廉，能够是易于处置的，具有机械稳定性并且能够容易将类似电接触的其它电子或电部件布置在其上。
至少一个芯片能够包括位于底侧处的晶体管漏极接触连接。底侧是面向凸缘的一侧并且特别地与具有至少一个芯片的其它电接触的一侧相反。根据本发明的芯片封装组件还允许芯片在底侧处具有晶体管漏极接触连接以在同一侧处将其固定到凸缘，还允许分别包括冷却装置。
能够使用焊料、共晶合金、导电粘合剂和/或烧结浆料将至少一个芯片和/或基体安装在凸缘的一侧上。这允许简单并且具成本效益地将至少一个芯片和/或基体布置至凸缘。
至少一个芯片的连接器（特别地，位于至少一个芯片的与面向凸缘的一侧相反的一侧上的连接器）能够通过接合（特别地，通过使用导线和/或带状线达成的接合）来连接到基体。这使得在至少一个芯片与基体之间给出了简单良好的电连接。
芯片封装组件能够包括用于高频需求的电插座，其可连接到外部装置（特别地，连接到放大器印刷电路板）。这使得容易在高频应用中使用芯片封装组件。
基体能够包括用于电接触（特别地，电接触到至少一个芯片，用于电接触到至少一个外部装置）的端部侧金属化位置。该端部侧金属化位置能够布置于基体的侧面处和/或经焊接以用于接触到至少一个外部装置。为实现侧面处的电接触，基体的金属化部件的端部侧的布置和焊接使得容易地将外部装置电接触至触点。这种布置使得容易使芯片与外部装置电接触。端部侧金属化位置容易达到电连接。
芯片封装组件能够包括位于至少一个芯片的连接器与凸缘之间的电绝缘件。这样防止在芯片触点的凸缘上形成短路，尤其是对于具有良好导电性能的凸缘（例如由铜制成的凸缘）而言。
芯片封装组件能够包括至少一个冷却装置（特别地，冷却块）。并且，其它主动或被动冷却装置能够热连接至芯片封装组件的凸缘。例如，能够使用具有水冷却回路或具有风扇的装置。这使得即使在具有大量废热的高功率应用中仍能够实现对至少一个芯片的良好冷却。芯片封装组件还能够包括用于将具有至少一个芯片和基体的凸缘安装到冷却装置的机构。此机构能够是（例如）螺钉。
电绝缘件能够布置在至少一个芯片的连接器与冷却装置之间。这样防止连接器之间和/或经由冷却装置形成的短路。
芯片封装组件能够包括位于凸缘与冷却装置之间的介电质基体（特别地，以板的形式）。该介电质基体能够布置在凸缘的与布置有至少一个芯片和基体的凸缘一侧相反的一侧上，以用于实现电绝缘。
芯片封装组件能够进一步包括用以保护至少一个芯片和连接器的封装件。该封装件能够是可移除的。这使得（例如）在所使用的芯片具有故障功能的情况下能够容易从组件更换芯片。
芯片封装组件能够包括穿过介电质套管以将至少一个芯片、基体和凸缘紧固到冷却装置的螺钉。这使得能够归因于螺钉来简单、快速和可靠地组装芯片封装组件而没有电短路。
根据本发明的使用芯片封装组件的方法包括拆卸芯片封装，特别地从基体拆卸至少一个芯片。这同样能通过如前文针对芯片封装组件自身所描述的部件的布置来实现。其允许将至少一个芯片（尤其是在其显示出故障的情况下）与其它正常工作的芯片交换。
结合根据本发明的使用芯片封装组件的所描述方法的优点类似于先前结合芯片封装组件所描述的优点。
附图说明
下文中参考附图中所示的所说明的实施例来进一步描述本发明，其中：
图1说明根据本发明的用于安装至少一个半导体芯片2的芯片封装组件1的实施例；以及
图2说明图1的芯片封装组件1，其具有用于将其安装到冷却装置（未示出）的机构。
具体实施方式
图1中显示了根据本发明的芯片封装组件1的实施例，其用于安装至少一个半导体芯片2。芯片封装组件1包括半导体芯片2，特别地其中（例如）栅极和源极的晶体管连接位于芯片的顶侧2a上，并且带有漏极连接位于芯片的底侧2b上。芯片封装组件1进一步包括凸缘3，在其上，芯片2和基体4布置在一侧上。凸缘3用作冷却装置，其具有良好的导热性。
在使用期间，芯片2产生废热。在高功率应用中，废热能够提高芯片2的温度并且使其损坏。这就是必须移除热量并将热量传递到环境以使芯片2冷却下来和/或使芯片2的温度保持低于临界温度的原因。在高于临界温度的情况下，芯片2的电子装置能够显示故障和/或能够被损坏。凸缘3（其与芯片2形成良好热接触）吸收芯片2的废热并将其直接传递到环境或额外的冷却装置，出于简化的目的其在图中并未示出。构成凸缘3的适当材料或凸缘3所包括的适当材料是具有高导热性的金属（例如，铜）。
为实现芯片2与凸缘3之间良好的机械和热连接，用于附接芯片2的材料5是焊料、共晶合金、导电粘合剂和/或烧结浆料。能够使用这些材料将芯片2和/或基体4安装于凸缘的一侧且同一侧上。电绝缘件9能够布置于芯片2与凸缘3之间。电绝缘件能够由板状绝缘材料制成。其防止在至少一个芯片2的电连接器与位于芯片2与凸缘3之间的电接触之间形成短路。
基体4布置于凸缘3的与芯片2相同的一侧上，并且其能够包括里面的凹部，芯片2能够布置在该凹部内。基体4上的电插座7被用来电接触芯片2。一种电连接芯片2和基体4的方式是接合，例如使用导线和/或带状线6达成的接合。电插座7能够延伸到基体8的端部侧金属化位置。其能够布置在基体4的侧面处且能够进行焊接。基体8的端部侧金属化位置适合于与外部装置电连接（例如，通过焊接到位置8的导线）。经由端部侧金属化位置和基体8的电插座7（例如，使用导线和/或带状线6来被接合到芯片2的接触连接），芯片2能够与外部装置电连接，出于简化的目的图中并未示出该外部装置。
封装件13能够布置于芯片2的顶部（带有其接触连接和接合线和/或带状线6）上，以保护芯片2和机械连接与电连接。封装件13或封盖能够由不导电的聚合物制成。其能够布置且连接成可从组件移除的以在必要时能够更换芯片2。
如图2中所示，芯片封装组件1能够包括用于将其安装到额外的冷却装置的机构10、11，出于简化的目的其并未示出。冷却装置能够是（例如）具有散热片结构或水冷却热交换器的板。用于安装的可能的机构是螺钉10，其能够拧入至冷却装置中并且通过其螺钉头能够将基体4和凸缘3压紧或夹紧在一起并且压紧或夹紧至额外的冷却装置。介电质基体11能够布置于凸缘3与冷却装置之间，以使凸缘3与冷却装置电绝缘。如果电流在凸缘3中被感应引起，则绝缘件在高频应用中能够是必要的。绝缘件减少了由感应电流引起的感应损耗。能够以夹层结构的形式来布置基体4、凸缘3、隔离器12和冷却装置，该夹层结构通过夹具10压紧且固定至彼此。
介电质套管11能够用来使螺钉10与凸缘3电绝缘。套管11能够具有带垫圈头的杯形形式。芯片封装组件1能够在夹层状形式中通过机构11和12夹紧在一起，且可机械稳定地固定或安装到冷却装置。
使导电部件（如凸缘3、外部冷却装置和螺钉）彼此隔离能够改进组件1的性能并且使得有可能将其用于高频应用中。
本发明的上述实施例的本身的特征能够与从本领域现有状态的实施例的特征相组合。所描述的组件1的部件的不同材料和形式是有可能的。例如，凸缘3能够由钢或其它材料（特别地，金属）代替铜而制成。基体4和凸缘3的H状形状（具有用于使机构10、11将组件1固定在一起的凹部）也能够（例如）具有8的形状。代替外部冷却装置，能够结合螺钉10来使用螺母以将组件1夹紧在一起。
一种使用芯片封装组件1的方法包括将芯片2安装于凸缘3上（例如，通过使用焊料、共晶合金、导电粘合剂和/或烧结浆料5）。能够将电绝缘件9布置于芯片2与凸缘3之间。围绕芯片2，将基体4布置于凸缘3的同一侧上（例如，同样通过使用焊料、共晶合金、导电粘合剂和/或烧结浆料5）。芯片2和基体4的电插座7电连接在一起（例如，通过使用接合线或带状线6达成的接合）。电插座7能够延伸到基体4的侧面，其能够被焊接以实现至例如放大器的外部电装置的良好电接触。将芯片2布置于凸缘3上而不直接布置于基体4上能够准许在芯片2与凸缘3之间实现更好的热传递。
封装件13能够布置于芯片2的顶部上和到基体4的插座7的电连接6的顶部上。封装件13可能够呈可移除的帽盖的形式。可替代地，能够将芯片2封闭于铸模材料中。这种铸模材料能够是在半导体业界中被用来封装半导体芯片的常见聚合物。
可移除的封装件13（其可通过机构10、11夹紧或胶合到基体4）的使用使得能够容易更换芯片2。能够从基体4拆卸芯片封装组件1（特别地，至少一个芯片（2））。例如，如果所安装的芯片2在使用中显示出故障功能，则能够用其它正常工作的芯片来更换该故障芯片2。在移除封装件13之后，移除接合材料6，将芯片2剥离凸缘3，将新的芯片2布置于凸缘3上并（例如）使用焊料、共晶合金、导电粘合剂和/或烧结浆料5加以固定。将芯片2连接和基体4上的电插座7电接合在一起。并且，将封装件附贴到组件1（例如，在芯片2的顶部上），如图1和图2中所示。
其它额外步骤是有可能的。例如，能够使用部件的清洁步骤来移除胶水或焊料、共晶合金、导电粘合剂和/或烧结浆料。还能够以其它适时次序来执行根据本发明的方法的步骤。并且，可替代根据本发明的方法的所描述步骤或除根据本发明的方法的所描述步骤之外能够实施从本领域现有状态中已知的步骤。
附图标记列表
1芯片封装组件
2半导体芯片
2a芯片顶侧
2b芯片底侧
3凸缘
4基体
5用于附接芯片的材料
6接合材料
7电插座
8基体的端部侧金属化位置
9位于至少一个芯片的连接器与凸缘之间的电绝缘件
10用于将具有至少一个芯片和基体的凸缘安装到冷却装置的机构（特别地，以螺钉的方式）
11用于将具有至少一个芯片和基体的凸缘安装到冷却装置的机构（特别地，以介电质套管的方式）
12位于凸缘与冷却装置之间的介电质基体
13封装件

Claims (15)

1.一种用于安装至少一个半导体芯片（2）的芯片封装组件（1），其包括凸缘（3）和基体（4），其中所述至少一个芯片（2）和所述基体（4）布置在所述凸缘（3）的一侧上，其特征在于，所述凸缘（3）由导电且导热的材料组成。
2.根据权利要求1所述的芯片封装组件（1），其特征在于，所述凸缘（3）的所述导电材料包括金属或者是金属，特别地具有高导热性的金属，尤其是铜。
3.根据权利要求1或2中的任一项所述的芯片封装组件（1），其特征在于，所述基体（4）包括在高频下具有低损耗的材料，特别地，所述基体（4）由印刷电路板材料制成。
4.根据权利要求1到3中的任一项所述的芯片封装组件（1），其特征在于，至少一个芯片（2）包括位于底侧（2b）处的晶体管漏极接触连接，其中所述底侧（2b）是面向所述凸缘（3）的一侧并且特别地与具有所述至少一个芯片（2）的其它电接触的一侧（2a）相反。
5.根据权利要求1到4中的任一项所述的芯片封装组件（1），其特征在于，所述至少一个芯片（2）和/或所述基体（4）使用焊料、共晶合金、导电粘合剂和/或烧结浆料（5）安装在所述凸缘（3）的一侧上。
6.根据权利要求1到5中的任一项所述的芯片封装组件（1），其特征在于，所述至少一个芯片（2）的连接器，特别地位于所述至少一个芯片（2）的与面向所述凸缘（3）的一侧相反的一侧上的所述连接器通过接合，特别地通过使用导线和/或带状线（6）实现的接合来连接到所述基体（4）。
7.根据权利要求1到6中的任一项所述的芯片封装组件（1），其包括用于高频需求的电插座（7），所述电插座（7）能够连接到外部装置，特别地连接到放大器印刷电路板。
8.根据权利要求1到7中的任一项所述的芯片封装组件（1），其特征在于，所述基体（4）包括用于电接触的端部侧金属化位置，特别地处于电接触至所述至少一个芯片（2），用于电接触到至少一个外部装置。
9.根据权利要求8所述的芯片封装组件（1），其特征在于，所述端部侧金属化位置（8）布置在基体（4）的侧面处和/或经焊接用于接触到所述至少一个外部装置。
10.根据权利要求1到9中的任一项所述的芯片封装组件（1），其包括位于所述至少一个芯片（2）的所述连接器与所述凸缘（3）之间的电绝缘件（9）。
11.根据权利要求1到10中的任一项所述的芯片封装组件（1），其包括至少一个冷却装置，特别地包括冷却块，和/或包括用于将具有所述至少一个芯片（2）和所述基体（4）的所述凸缘（3）安装到所述冷却装置的机构（10、11）。
12.根据权利要求11所述的芯片封装组件（1），其包括位于所述至少一个芯片（2）的所述连接器与所述冷却装置之间的电绝缘件（12）。
13.根据权利要求1到12中的任一项所述的芯片封装组件（1），其包括介电质基体（12），所述介电质基体（12）位于所述凸缘（3）与所述冷却装置之间，特别地呈板的形式，和/或布置于所述凸缘（3）的与布置有所述至少一个芯片（2）和所述基体（4）的所述凸缘（3）的一侧相反的一侧上。
14.根据权利要求1到13中的任一项所述的芯片封装组件（1），其包括用以保护所述至少一个芯片（2）和所述连接器的封装件（13），特别地可移除的封装件（13），和/或包括穿过介电质套管以将所述至少一个芯片（2）、基体（4）和凸缘（3）紧固到所述冷却装置的螺钉。
15.一种使用所述芯片封装组件（1）的方法，其特征在于，将所述芯片封装拆卸，特别地，从所述基体（4）拆卸所述至少一个芯片（2），特别地以其它芯片（2）来更换所述至少一个芯片（2）。
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