CN106910725B - 一种半导体芯片的封装结构 - Google Patents

Abstract

本发明涉及微电子技术领域，提供了一种半导体芯片的封装结构，其包括：金属载体层、第一热扩散层、导热粘附层以及半导体芯片。第一热扩散层位于金属载体层上；导热粘附层位于第一热扩散层上；半导体芯片位于导热粘附层上；第一热扩散层至少包括石墨烯层。本发明的半导体芯片的封装结构，由于第一热扩散层含有石墨烯层，而石墨烯层的热传导具有异向性，增大了热交换的面积，解决了由于芯片热源导致的导热粘附层散热不均匀的问题，减小了芯片与金属载体层间的热阻，提高了芯片的热导出效能。

Description

一种半导体芯片的封装结构

技术领域

本发明涉及微电子技术领域，具体而言，涉及一种半导体芯片的封装结构。

背景技术

随着半导体技术的发展，半导体芯片的体积越来越小，功率却越来越大，这种高功率密度芯片的需求呈快速增长的趋势，尤其在微波射频领域。常见的高功率密度芯片，如氮化镓高电子迁移率晶体管（GaN HEMT）和砷化镓高电子迁移率晶体管（GaAs HEMT），如果不能进行有效的热量设计和管理就很容易导致芯片或使用芯片的系统由于温度过高而不能正常工作。

高功率密度芯片如GaN HEMT，在工作时容易产生高温，尤其在栅极附近容易形成温度特别高的热点，如果不能把热点的热量及时有效地散开，就会严重影响芯片的使用寿命。为了疏散此类芯片工作时散发的热量，需要提高封装的散热效率，常用的方法是通过金锡片、銦片等热结合材料的粘附剂将芯片固定于金属载体层上，由于这种粘附剂平面传导和垂直传导的导热系数差别不大，导致接近芯片热源的粘附剂中间的热交换会大于远离芯片热源的粘附剂周边的热交换，产生散热不均匀的现象，进而影响导热和散热的效率。

发明内容

本发明的目的在于提供一种半导体芯片的封装结构，旨在改善半导体芯片散热不均匀的问题。

本发明是这样实现的：

一种半导体芯片的封装结构，其包括：金属载体层、第一热扩散层、导热粘附层以及半导体芯片。第一热扩散层位于金属载体层上；导热粘附层位于第一热扩散层上；半导体芯片位于导热粘附层上；第一热扩散层至少包括石墨烯层。

进一步地，在本发明较佳的实施例中，第一热扩散层还包括金属结合层，第一热扩散层为金属结合层和石墨烯层相互层叠设置的结构，至少一个金属结合层位于石墨烯层和金属载体之间。

进一步地，在本发明较佳的实施例中，金属结合层的个数和石墨烯层的个数相等。

进一步地，在本发明较佳的实施例中，金属结合层的个数比石墨烯层的个数多一个。

进一步地，在本发明较佳的实施例中，半导体芯片的封装结构还包括第二热扩散层，第二热扩散层位于半导体芯片和导热粘附层之间，第二热扩散层至少包括石墨烯层。

进一步地，在本发明较佳的实施例中，第二热扩散层还包括金属结合层，第二热扩散层为金属结合层和石墨烯层相互层叠设置的结构，至少一个第二热扩散层的金属结合层位于第二热扩散层的石墨烯层和导热粘附层之间。

进一步地，在本发明较佳的实施例中，石墨烯层为具有1-10层原子层的石墨烯。

进一步地，在本发明较佳的实施例中，石墨烯层为17微米-100微米的石墨烯膜。

进一步地，在本发明较佳的实施例中，金属结合层为铜、铝、铜钼或铜钨。

进一步地，在本发明较佳的实施例中，半导体芯片包括：背面电极；位于背面电极之上的衬底；以及位于衬底之上的半导体层。

进一步地，在本发明较佳的实施例中，衬底为石墨烯或金刚石。

进一步地，在本发明较佳的实施例中，背面电极为金属、石墨烯或其组合。

进一步地，在本发明较佳的实施例中，半导体芯片还包括第三热扩散层，第三热扩散层位于半导体芯片的半导体层上，第三热扩散层中至少包括石墨烯。

本发明的有益效果是：本发明通过上述设计得到的半导体芯片的封装结构，由于第一热扩散层含有石墨烯层，而石墨烯层的热传导具有异向性，沿石墨烯层的二维xy平面方向的导热系数远高于垂直于石墨烯层的二维xy平面的z方向的导热系数，石墨烯层可以将热量扩散至石墨烯层的整个二维xy平面并与金属载体层进行热交换，从而增大了热交换的面积，解决了由于半导体芯片热源导致的导热粘附层散热不均匀的问题，减小了半导体芯片与金属载体层间的热阻，提高了半导体芯片的热导出效能。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施方式的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1是本发明第一实施例中半导体芯片的封装结构的结构示意图；

图2是本发明第二实施例中半导体芯片的封装结构的结构示意图；

图3是本发明第三实施例中半导体芯片的封装结构的结构示意图；

图4是本发明第四实施例中半导体芯片的封装结构的结构示意图；

图5是本发明第五实施例中半导体芯片的封装结构的结构示意图；

图6是本发明第六实施例中半导体芯片的结构示意图；

图7是本发明第七实施例中半导体芯片的结构示意图；

图8是本发明第八实施例中半导体芯片的结构示意图；

图9是本发明第九实施例中半导体芯片的结构示意图。

图中标记分别为：

110-金属载体层；120、220、320-第一热扩散层；430-第二热扩散层；121、123、125-石墨烯层；122、124、126-金属结合层；620-第三热扩散层；130-导热粘附层；140、240、340、440-半导体芯片；141-背面电极；142-衬底；143-半导体层；630-保护层；344-栅极，345-源级；346-漏极。

具体实施方式

为使本发明实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通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方式，都属于本发明保护的范围。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通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方式，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备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”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。

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。

下面对本发明实施例的半导体芯片的封装结构进行具体说明。

第一实施例

参见图1，本实施例提供的半导体芯片的封装结构100包括：金属载体层110、第一热扩散层120、导热粘附层130以及半导体芯片140。第一热扩散层120位于金属载体层110上，导热粘附层130位于第一热扩散层120上，半导体芯片140位于导热粘附层130上。也即，第一热扩散层120和导热粘附层130均位于金属载体层110和半导体芯片140之间。

本实施例中第一热扩散层120为石墨烯层121，石墨烯层121由石墨烯制成。石墨烯是一种由碳原子组成的平面薄膜，厚度可以只有一个碳原子厚度。石墨烯的平面导热性很好，室温下石墨烯的二维xy平面方向导热系数高达5300瓦/米·开尔文（W/m·K））。单片石墨烯的二维xy平面方向热导率超过4000 W/m·K，石墨烯热导率超越了碳纳米管（导热系数800-2000 W/m·K）、金刚石（导热系数700-2000 W/m·K）和高定向石墨，并远远高于导热性能最好的金属铜（导热系数397W/m·K），但石墨烯在垂直于二维xy平面的z方向的导热系数仅为15 W/m·K。此外，石墨烯导电性也很好，是目前世界上电阻率最小的材料，电子可在石墨烯二维xy平面上自由迁移。

由于石墨烯的热传导具有异向性，将由石墨烯制成的第一热扩散层120设置在导热粘附层130的下方，由于石墨烯层121的热传导的异向性可以将热量扩散至第一热扩散层120的整个二维xy平面并与金属载体层110进行热交换，从而增大了热交换的面积，有助于热量的均匀传导解决了由于半导体芯片140热源导致的导热粘附层130散热不均匀的问题，减小了半导体芯片140与金属载体层110间的热阻，提高了半导体芯片140的热导出效能。

由于石墨烯热传导的异向性，由石墨烯制成的石墨烯层121的厚度不能太厚。较佳地，石墨烯层121采用1-10层原子层石墨烯。

本实施例中，石墨烯层121的形成可以采用转移法，即先制备出石墨烯或氧化石墨烯，再将石墨烯或氧化石墨烯转移至需要形成石墨烯的地方；也可以采用化学气相沉积（chemical vapor deposition，CVD）生长的方法制备石墨烯，此方法可与现有GaN HEMT芯片的制备设备、工艺及气源无缝兼容，从而更有利于提高了产业可行性。

此外，石墨烯膜也可以作为第一热扩散层120的石墨烯层121，较佳地，作为第一热扩散层120的石墨烯膜的厚度介于17微米~100微米之间，其二维xy平面导热系数介于1750~700 W/m·K之间。进一步地，优选地，作为第一热扩散层120的石墨烯膜的厚度介于17微米~25微米之间，其平面导热系数介于1750~1600 W/m·K之间。

承上述，金属载体层110包含金属或金属合金，比如：铜、铝、铜钼、铜钨和铝碳化硅等。金属载体层110需具有足够大的体积和足够好的散热性能，以便将第一热扩散层120传导来的热量很快传导到空气中或与其连接的装置（图未示）中。

承上述，导热粘附层130包括金锡合金、金鍺、金硅、烧结银、烧结铜或銦等等。导热粘附层130具有低热阻，可以快速地把热能从热源（如半导体芯片140）传输到第一热扩散层120进而传输到金属载体层110。

本实施例中，半导体芯片140优选为GaN HEMT，其功率密度可达10W/mm，远高于常见的Si和GaAs HEMT芯片的功率密度（1-2W/mm），工作温度可达200℃，也高于Si和GaAsHEMT芯片的150℃的工作温度。值得一提的是，半导体芯片140并不限于GaN HEMT芯片，也可以为基于其他半导体材料（如：GaAs、SiC、InP或硅等）而制作的半导体芯片。

第二实施例

参见图2，本实施例提供的半导体芯片的封装结构200与第一实施例提供的半导体芯片的封装结构100的结构大致相同。二者的区别在于，本实施例中，第一热扩散层220包括石墨烯层121和金属结合层122，金属结合层122位于石墨烯层121和金属载体层110之间。本实施例中，第一热扩散层320的金属结合层的个数和石墨烯层的个数相等，是一层石墨烯层121和一层金属结合层122层叠设置构成位于金属载体层110的第一热扩散层220。具体地，金属结合层122可以由铜、铝、铜钼、铜钨等制成。铜、铝、铜钼和铜钨既与石墨烯具有较佳的结合力又与金属载体层110有较好的结合力，从而金属结合层122能起到加固粘结石墨烯层121和金属载体层110的作用，也能起到降低导热粘附层130和金属载体层110间热阻的作用。本实施例中，金属结合层122的厚度可根据实际需求设定，在此不作限定。金属结合层122可以采用蒸发、溅射和电镀等方法在石墨烯层121和金属载体层110之间形成铜、铝、铜钼和铜钨等金属结合层。

第三实施例

参见图3，本实施例提供的半导体芯片的封装结构300与第二实施例提供的半导体芯片的封装结构200的结构大致相同。二者的区别在于，本实施例中，第一热扩散层320包括相互层叠设置的石墨烯层121、金属结合层122、石墨烯层123和金属结合层124。第一热扩散层320位于导热粘附层130和石墨烯层121之间。具体地，石墨烯层123位于金属结合层124之上，并位于导热粘附层130和金属结合层124之间，金属结合层124位于石墨烯层121之上，并位于石墨烯层123和石墨烯层121之间，石墨烯层121位于金属结合层122之上，并位于石墨烯层123和金属结合层122之间，金属结合层122位于石墨烯层121和金属载体层110之间。本实施例中，第一热扩散层320的金属结合层的个数和石墨烯层的个数相等，为两层金属结合层（金属结合层122和金属结合层124）和两层石墨烯层（石墨烯层121和石墨烯层123）相互交替层叠设置的结构，能起到更好的降低导热粘附层130和金属载体层110间热阻的作用，也起到粘结加固的作用。

进一步地，在其他实施例中，第一热扩散层还可以是多层金属结合层和多层石墨烯层的相互层叠设置交替结构，这里所说的多层是指三层及以上。进一步地，在其他实施例中，第一扩散层的金属结合层的个数可以比石墨烯层的个数多一个，且至少一个金属结合层是位于石墨烯层和金属载体之间。例如，可以在本实施例的基础上，在石墨烯层123和导热粘附层130之间增加一个金属结合层。较佳地，石墨烯层121、石墨烯层123可采用1-10层原子层石墨烯或厚度介于17微米~100微米之间的石墨烯膜。金属结合层的122、金属结合层124的厚度可根据实际需求设定，在此不作限定。

第四实施例

参见图4，本实施例提供的半导体芯片的封装结构400与第一实施例提供的半导体芯片的封装结构100的结构大致相同。二者的区别在于，本实施例中，除了设置有和实施例相同的第一热扩散层120，还设置有第二热扩散层430。本实施例中，第二热扩散层430为石墨烯层125，石墨烯层125位于半导体芯片140和导热粘附层130之间。较佳地，石墨烯层125可采用1-10层原子层石墨烯或厚度介于17微米~100微米之间的石墨烯膜。

在导热粘附层130上方增加了第二热扩散层430，第二热扩散层430增加了半导体芯片140散发的热量的均匀传导，相当于增大了热交换的面积，解决了由于半导体芯片140热源导致的散热不均匀的问题，同时也可以把半导体芯片140上热点的热量及时有效地散开，更有效地提高了半导体芯片140的热导出效能。此外，在本发明的其他优选实施例中，也可以在实施例2或实施例3的基础上，在半导体芯片140和导热粘附层130之间设置第二热扩散层430。

第五实施例

参见图5，本实施例提供的半导体芯片的封装结构500与第四实施例提供的半导体芯片的封装结构400的结构大致相同。二者的区别在于，本实施例中，第二热扩散层530为石墨烯层125与金属结合层126的结合。石墨烯层125与金属结合层126相互层叠设置，金属结合层126位于石墨烯层125和导热粘附层130之间。金属结合层126的厚度可根据实际需求设定，在此不作限定。第二热扩散层530能起到更好的降低导热粘附层130和半导体芯片140之间热阻的作用，也起到粘结加固的作用。

第四实施例中第二热扩散层430的结构和第一热扩散层120相同；本实施例中，第二热扩散层530的结构和第一热扩散层220相同；在本发明的其他实施例中，设置在导热粘附层130和半导体芯片140之间的第二热扩散层还可以为多个石墨烯层与金属结合层交替层叠的结构，而且至少一个金属结合层设置在第二热扩散层的石墨烯层和导热粘附层130之间。此外，改变第四实施例和本实施例中的第一热扩散层120时，还可以组合出其他优选的实施例，这些都属于本发明保护的范围。

第六实施例

参见图6，本实施例提供的半导体芯片140包括：背面电极141、衬底142和半导体层143。其中，衬底142位于背面电极141和半导体层143之间。半导体层143优选为GaN半导体层143。半导体层143上设置栅极、源极和漏极（图未示）。

衬底142可以为碳化硅、蓝宝石、硅、石墨烯、金刚石、氮化镓或氮化铝等能生长GaN晶体的材料。优选衬底142为石墨烯或金刚石，能大大降低半导体芯片140有源区的热导出效能。优选衬底142为包含石墨烯的衬底142，能有效地减少衬底142与GaN外延层的热阻。

优选地，背面电极141可以由Au、Ti/Au等金属制成，也可以由石墨烯制成，还可以由金属和石墨烯的组合制成。背面电极141中含有石墨烯时，能更好地解决由于半导体芯片140热源导致的散热不均匀的问题，同时也可以把半导体芯片140的热点的热量及时有效地散开，更有效地提高了半导体芯片140的热导出效能。

第七实施例

参见图7，本实施例提供的半导体芯片240与第六实施例提供的半导体芯片140的结构大致相同。二者的区别在于，本实施例中，半导体芯片240还包括第三热扩散层620，第三热扩散层620位于半导体芯片240的正面，即位于半导体层143上。第三热扩散层620中至少包括石墨烯，优选地，第三热扩散层620可采用1-10层原子层石墨烯或厚度介于17微米~100微米之间的石墨烯膜。第三热扩散层620可以帮助半导体芯片340更快更均匀地散热，降低半导体芯片240热点的温度。

第八实施例

参见图8，本实施例提供的半导体芯片340与第六实施例提供的半导体芯片240的结构大致相同。二者的区别在于，本实施例的半导体芯片340中，半导体层143的表面设置有保护层630覆盖位于半导体层143上的栅极344、源极345和漏极346，且第三热扩散层620设置在保护层630的表面，即第三热扩散层620位于保护层630远离半导体层143的一侧。保护层630是为了保护半导体层143的表面不被氧化或者防止在后续工艺中半导体层143的分解，另外，也是为了避免半导体芯片受到使用环境的干扰，如温度变化、湿度变化等。常用的保护层为氮化硅（SiN），或薄层氮化镓(GaN)和氮化硅（SiN）的组合。

与传统的半导体芯片相比，本发明实施中的半导体芯片340通过半导体层143将热量转移到具有高热导率的衬底142上，有效地将半导体层143的温度散发出去，保护层630保护半导体层143的表面不被氧化和分解。保护层630的表面设置第三热扩散层620，以帮助半导体芯片340更快更均匀地散热，降低半导体芯片340热点的温度。衬底142相对半导体层143的表面还可以设置背面电极141，背面电极141可以由Au、Ti/Au等金属制成，也可以由石墨烯制成，还可以由金属和石墨烯的组合制成。背面电极141中含有石墨烯时，能更好地解决由于半导体芯片140热源导致的散热不均匀的问题，同时也可以把半导体芯片140的热点的热量及时有效地散开，更有效地提高了半导体芯片140的热导出效能。

第九实施例

参见图9，本实施例提供的半导体芯片440与第八实施例提供的半导体芯片340的结构大致相同。二者的区别在于，本实施例的半导体芯片440中第三热扩散层620设置在保护层630之间。

半导体芯片140、半导体芯片240、半导体芯片340和半导体芯片440均可以应用于实施例1-5任意一个半导体芯片的封装结构中，也可以应用于其他封装结构。

以上所述仅为本发明的优选实施方式而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (22)

1.一种半导体芯片的封装结构，其特征在于，其包括：

金属载体层；

第一热扩散层，位于所述金属载体层上；

导热粘附层，位于所述第一热扩散层上；以及

半导体芯片，位于所述导热粘附层上；

所述第一热扩散层至少包括石墨烯层；

所述半导体芯片包括背面电极、衬底以及半导体层，所述衬底位于所述背面电极之上，所述半导体层位于所述衬底之上；

所述半导体芯片还包括第三热扩散层，所述第三热扩散层位于所述半导体芯片的所述半导体层上，所述第三热扩散层中至少包括石墨烯。

2.根据权利要求1所述的半导体芯片的封装结构，其特征在于，所述第一热扩散层还包括金属结合层，所述第一热扩散层为金属结合层和石墨烯层相互层叠设置的结构，至少一个所述金属结合层位于所述石墨烯层和所述金属载体之间。

3.根据权利要求2所述的半导体芯片的封装结构，其特征在于，所述金属结合层的个数和所述石墨烯层的个数相等。

4.根据权利要求2所述的半导体芯片的封装结构，其特征在于，所述金属结合层的个数比所述石墨烯层的个数多一个。

5.根据权利要求1所述的半导体芯片的封装结构，其特征在于，所述半导体芯片的封装结构还包括第二热扩散层，所述第二热扩散层位于所述半导体芯片和所述导热粘附层之间，所述第二热扩散层至少包括石墨烯层。

6.根据权利要求5所述的半导体芯片的封装结构，其特征在于，所述第二热扩散层还包括金属结合层，所述第二热扩散层为金属结合层和石墨烯层相互层叠设置的结构，至少一个所述第二热扩散层的所述金属结合层位于所述第二热扩散层的所述石墨烯层和所述导热粘附层之间。

7.根据权利要求1-6任一项所述的半导体芯片的封装结构，其特征在于，所述石墨烯层为具有1-10层原子层的石墨烯。

8.根据权利要求1-6任一项所述的半导体芯片的封装结构，其特征在于，所述石墨烯层为17微米-100微米的石墨烯膜。

9.根据权利要求1-6任一项所述的半导体芯片的封装结构，其特征在于，所述金属结合层为铜、铝、铜钼或铜钨。

10.根据权利要求1所述的半导体芯片的封装结构，其特征在于，所述衬底为石墨烯或金刚石。

11.根据权利要求1所述的半导体芯片的封装结构，其特征在于，所述背面电极为金属、石墨烯或其组合。

12.一种半导体芯片的封装结构，其特征在于，其包括：

金属载体层；

第一热扩散层，位于所述金属载体层上；

导热粘附层，位于所述第一热扩散层上；以及

半导体芯片，位于所述导热粘附层上；

所述第一热扩散层至少包括石墨烯层；

所述第一热扩散层还包括金属结合层，所述第一热扩散层为金属结合层和石墨烯层相互层叠设置的结构，至少一个所述金属结合层位于所述石墨烯层和所述金属载体之间；

所述金属结合层为铜、铝、铜钼或铜钨。

13.根据权利要求12所述的半导体芯片的封装结构，其特征在于，所述金属结合层的个数和所述石墨烯层的个数相等。

14.根据权利要求12所述的半导体芯片的封装结构，其特征在于，所述金属结合层的个数比所述石墨烯层的个数多一个。

15.根据权利要求12所述的半导体芯片的封装结构，其特征在于，所述半导体芯片的封装结构还包括第二热扩散层，所述第二热扩散层位于所述半导体芯片和所述导热粘附层之间，所述第二热扩散层至少包括石墨烯层。

16.根据权利要求15所述的半导体芯片的封装结构，其特征在于，所述第二热扩散层还包括金属结合层，所述第二热扩散层为金属结合层和石墨烯层相互层叠设置的结构，至少一个所述第二热扩散层的所述金属结合层位于所述第二热扩散层的所述石墨烯层和所述导热粘附层之间。

17.根据权利要求12-16任一项所述的半导体芯片的封装结构，其特征在于，所述石墨烯层为具有1-10层原子层的石墨烯。

18.根据权利要求12-16任一项所述的半导体芯片的封装结构，其特征在于，所述石墨烯层为17微米-100微米的石墨烯膜。

19.根据权利要求12-16任一项所述的半导体芯片的封装结构，其特征在于，所述半导体芯片包括：

背面电极；

衬底，位于所述背面电极之上；以及

半导体层，位于所述衬底之上。

20.根据权利要求19所述的半导体芯片的封装结构，其特征在于，所述衬底为石墨烯或金刚石。

21.根据权利要求19所述的半导体芯片的封装结构，其特征在于，所述背面电极为金属、石墨烯或其组合。

22.根据权利要求19所述的半导体芯片的封装结构，其特征在于，所述半导体芯片还包括第三热扩散层，所述第三热扩散层位于所述半导体芯片的所述半导体层上，所述第三热扩散层中至少包括石墨烯。