CN112509998A - 一种高功率半导体产品晶圆级封装工艺及半导体产品 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种高功率半导体产品晶圆级封装工艺，提供GaN晶圆，并在所述GaN晶圆的背面设置用于吸收GaN芯片工作时散发出的热量的散热层；所述GaN晶圆包括硅基材、生长于所述硅基材的第一表面的GaN外延层以及蒸镀于所述硅基材与所述第一表面相对的第二表面的焊接过渡金属层，所述散热层焊接在所述焊接过渡金属层上。本方案中通过在硅基材背面设置散热层，通过散热层将GaN芯片工作时产生的热量快速吸收，并通过散热层将热量扩散到外部，使得GaN芯片能够适应高功率市场的应用。散热层采用焊接的方式设置在GaN晶圆的背面产品生产效率高，散热层的厚度可以根据GaN芯片散热需求进行选择，而不受限于安装工艺。
Description
技术领域
本发明涉及半导体封装技术领域，尤其涉及一种高功率半导体产品晶圆级封装工艺及半导体产品。
背景技术
半导体是一种导电能力介于导体与非导体之间的材料，半导体元件根据半导体材料的特性，属于固态元件，其体积可以缩小到很小的尺寸，因此耗电量少，集成度高，在电子技术领域获得了广泛的引用，而随着半导体元件运行功率的逐渐增加，散热性能成为半导体元件的重要指标之一，在这样的高热量工作环境下，保持半导体元件的工作可靠性是一个非常重要的问题。
第三代半导体是一碳化硅、氮化镓为代表的宽禁带半导体，相比第一代半导体硅具有禁带宽度大，高击穿场强，载流子迁移率高等优点，是目前各国都在竞相攀登的战略高地。由于氮化镓芯片是平面结构，即三个电极全部被设计在同一个平面上，这个特性导致氮化镓芯片特别适用于做晶圆级封装，但是目前市面上已有在手裸芯片封装的氮化镓产品，其散热能力差，限制了其在高功率市场的应用。
发明内容
本发明实施例的目的在于：提供一种高功率半导体产品晶圆级封装工艺，其能够解决现有技术中存在的上述问题。
为达上述目的，本发明采用以下技术方案：
一方面，提供一种高功率半导体产品晶圆级封装工艺，提供GaN晶圆，并在所述GaN晶圆的背面设置用于吸收GaN芯片工作时散发出的热量的散热层；
所述GaN晶圆包括硅基材、生长于所述硅基材的第一表面的GaN外延层以及蒸镀于所述硅基材与所述第一表面相对的第二表面的焊接过渡金属层，所述散热层焊接在所述焊接过渡金属层上。
作为所述的高功率半导体产品晶圆级封装工艺的一种优选的技术方案，
具体包括以下步骤：
步骤1、提供GaN晶圆；
步骤2、焊接散热层，在所述GaN晶圆的背面设置锡膏、放置散热层材料，通过回流焊工艺将所述散热层材料焊接到所述GaN晶圆背面；
步骤3、电极印刷，在所述GaN晶圆的正面对应与源极、栅极以及漏极进行锡膏印刷并过回流焊；
步骤4、切割，将上述步骤加工完成的GaN晶圆切割形成单颗GaN芯片产品。
作为所述的高功率半导体产品晶圆级封装工艺的一种优选的技术方案，所述散热层上对应于所述GaN晶圆的切割位置设置有切割槽。
作为所述的高功率半导体产品晶圆级封装工艺的一种优选的技术方案，所述散热层为铜、陶瓷、铝或不锈钢。
作为所述的高功率半导体产品晶圆级封装工艺的一种优选的技术方案，所述GaN晶圆具有能够通过切割形成GaN芯片产品的产品区以及位于所述产品区周边的非产品区。
作为所述的高功率半导体产品晶圆级封装工艺的一种优选的技术方案，所述散热层对应与所述产品区设置，至少覆盖全部所述产品区。
作为所述的高功率半导体产品晶圆级封装工艺的一种优选的技术方案，所述散热层的形状及大小与所述GaN晶圆相同。
作为所述的高功率半导体产品晶圆级封装工艺的一种优选的技术方案，所述切割槽为将所述散热层焊接到所述GaN晶圆上之后切削加工而成。
另一方面，提供一种高功率半导体产品，包括GaN芯片，所述GaN芯片的背面依次设置有过渡金属层以及散热层。
再一方面，提供一种高功率半导体产品，采用如上所述的高功率半导体产品晶圆级封装工艺加工而成。
本发明的有益效果为：本方案中通过在硅基材背面设置散热层，通过散热层将GaN芯片工作时产生的热量快速吸收，并通过散热层将热量扩散到外部，使得GaN芯片能够适应高功率市场的应用。
散热层采用焊接的方式设置在GaN晶圆的背面产品生产效率高，散热层材料的厚度可以根据GaN芯片散热需求进行选择，而不受限于安装工艺。
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为本发明实施例所述GaN芯片剖面结构示意图。
图2为本发明实施例所述GaN芯片结构俯视示意图。
图3为本发明实施例所述GaN晶圆结构俯视示意图。
图4为本发明实施例所述GaN晶圆剖面结构示意图。
图5为本发明实施例所述GaN晶圆蒸镀焊接过渡材料后结构俯视示意图。
图6为本发明实施例所述GaN晶圆蒸镀焊接过渡材料后剖视结构示意图。
图7为本发明实施例所述GaN晶圆焊接散热层后俯视结构示意图。
图8为本发明实施例所述GaN晶圆焊接散热层后结构剖视示意图。
图9为本发明实施例所述GaN晶圆电极印刷后俯视结构示意图。
图10为本发明实施例所述GaN晶圆电极印刷后结构剖视示意图。
图11为本发明实施例所述GaN晶圆切割状态结构俯视示意图。
图12为本发明实施例所述高功率半导体产品晶圆级封装工艺流程图。
图中：
100、GaN芯片；200、GaN晶圆；210、硅基材；220、外延层；221、源极；222、栅极；223、漏极；230、过渡金属层；300、锡膏；400、散热层。
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”“连接”、“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。
如图1-11所示，本实施例提供一种高功率半导体产品晶圆级封装工艺，提供GaN晶圆200，并在所述GaN晶圆200的背面设置用于吸收GaN芯片100工作时散发出的热量的散热层400；
所述GaN晶圆200包括硅基材210、生长于所述硅基材210的第一表面的GaN外延层220以及蒸镀于所述硅基材210与所述第一表面相对的第二表面的焊接过渡金属层230，所述散热层400焊接在所述焊接过渡金属层230上。
本方案中通过在硅基材210背面设置散热层400，通过散热层400将GaN芯片100工作时产生的热量快速吸收，并通过散热层400将热量扩散到外部，使得GaN芯片100能够适应高功率市场的应用。
散热层400采用焊接的方式设置在GaN晶圆200的背面产品生产效率高，散热层400材料的厚度可以根据GaN芯片100散热需求进行选择，而不受限于安装工艺。
通过蒸镀工艺设置过渡金属层230的作用是为了方便散热层400的焊接，采用蒸镀工艺能够在基材上形成金属层，但是受限于蒸镀工艺的特性，其设置的金属层厚度通常小于1毫米，而该厚度作为散热层400是难以满足大功率GaN芯片100的散热需求的，因此，本方案中为了保证散热性能以及安装性能的同时实现，采用蒸镀金属过渡层结合散热层400的方案。
本实施例所述的高功率半导体产品晶圆级封装工艺，如图12所示，具体包括以下步骤：
步骤1、提供GaN晶圆200；本方案中GaN晶圆200采用硅衬底、GaN作为外延层220。
步骤2、焊接散热层400，在所述GaN晶圆200的背面设置锡膏300、放置散热层400材料，通过回流焊工艺将所述散热层400材料焊接到所述GaN晶圆200背面；
步骤3、电极印刷，在所述GaN晶圆200的正面对应与源极221、栅极222以及漏极223进行锡膏300印刷并过回流焊；
步骤4、切割，将上述步骤加工完成的GaN晶圆200切割形成单颗GaN芯片100产品。
为了满足散热性能，散热层400的厚度通常设置为较大，由此会导致在晶圆切割成单颗芯片产品时的切割难度增加，为解决上述问题，本方案中在所述散热层400上对应于所述GaN晶圆200的切割位置设置有切割槽。
所述切割槽对应于GaN芯片100的切割方向设置，即，在将GaN晶圆200切割成GaN芯片100的过程中，由GaN晶圆200的正面进行切割，当切割刀对应的切割槽的槽底时即可以时GaN芯片100分离出，由此降低了切割深度，无需对传统的晶圆切割设备进行更换。
具体的，本实施例中所述切割槽为将所述散热层400焊接到所述GaN晶圆200上之后切削加工而成，即，在散热层400加工到GaN晶圆200的背面后，在其上安装GaN芯片100的切割轨迹进行切割槽的加工。
需要指出的是，所述切割槽的加工并不局限于在将散热层400加工到GaN晶圆200上之后进行，其还可以为事先在散热层400上加工好，之后再将其加工到GaN晶圆200上，此方案中需要设置GaN晶圆200与散热层400之间的定位结构，以保证切割槽与GaN芯片100的切割方向对应。
所述定位结构包括设置在所述GaN晶圆200上的若干第一定位孔以及设置在所述散热层400上的第二定位孔，第一定位孔与第二定位孔的位置相对应，通过第一定位孔与第二定位孔相配合实现GaN晶圆200与散热层400之间的相互定位。
本方案中所述散热层400可以为铜、陶瓷、铝或不锈钢等高导热材料，具体的，本实施例中采用铜作为散热层400的材料。
所述GaN晶圆200具有能够通过切割形成GaN芯片100产品的产品区以及位于所述产品区周边的非产品区
需要指出的是，设置在GaN晶圆200上的散热层400的大小在本方案中并不做具体限定，即可以为所述散热层400对应与所述产品区设置，至少覆盖全部所述产品区，也可以为所述散热层400的形状及大小与所述GaN晶圆200相同。本实施例中采用散热层400与GaN晶圆200形状相同，但是其直径略小于GaN晶圆200的方案。
同时，本实施例中还提供一种高功率半导体产品，包括GaN芯片100，所述GaN芯片100的背面依次设置有过渡金属层230以及散热层400。
设置有散热层400的高功率半导体产品能够有效的提升半导体产品的散热性能，半导体产品工作时产生的热量能够迅速的传递至散热层400，避免热量损坏芯片。
进一步的，本实施例中还一种高功率半导体产品，其采用如上所述的高功率半导体产品晶圆级封装工艺加工而成。
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,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。
Claims (10)
1.一种高功率半导体产品晶圆级封装工艺，其特征在于，提供GaN晶圆，并在所述GaN晶圆的背面设置用于吸收GaN芯片工作时散发出的热量的散热层；
所述GaN晶圆包括硅基材、生长于所述硅基材的第一表面的GaN外延层以及蒸镀于所述硅基材与所述第一表面相对的第二表面的焊接过渡金属层，所述散热层焊接在所述焊接过渡金属层上。
2.根据权利要求1所述的高功率半导体产品晶圆级封装工艺，其特征在于，
具体包括以下步骤：
步骤1、提供GaN晶圆；
步骤2、焊接散热层，在所述GaN晶圆的背面设置锡膏、放置散热层材料，通过回流焊工艺将所述散热层材料焊接到所述GaN晶圆背面；
步骤3、电极印刷，在所述GaN晶圆的正面对应与源极、栅极以及漏极进行锡膏印刷并过回流焊；
步骤4、切割，将上述步骤加工完成的GaN晶圆切割形成单颗GaN芯片产品。
3.根据权利要求2所述的高功率半导体产品晶圆级封装工艺，其特征在于，所述散热层上对应于所述GaN晶圆的切割位置设置有切割槽。
4.根据权利要求3所述的高功率半导体产品晶圆级封装工艺，其特征在于，所述散热层为铜、陶瓷、铝或不锈钢。
5.根据权利要求4所述的高功率半导体产品晶圆级封装工艺，其特征在于，所述GaN晶圆具有能够通过切割形成GaN芯片产品的产品区以及位于所述产品区周边的非产品区。
6.根据权利要求5所述的高功率半导体产品晶圆级封装工艺，其特征在于，所述散热层对应与所述产品区设置，至少覆盖全部所述产品区。
7.根据权利要求5所述的高功率半导体产品晶圆级封装工艺，其特征在于，所述散热层的形状及大小与所述GaN晶圆相同。
8.根据权利要求3所述的高功率半导体产品晶圆级封装工艺，其特征在于，所述切割槽为将所述散热层焊接到所述GaN晶圆上之后切削加工而成。
9.一种高功率半导体产品，其特征在于，包括GaN芯片，所述GaN芯片的背面依次设置有过渡金属层以及散热层。
10.一种高功率半导体产品，其特征在于，采用权利要求1-8中任一项所述的高功率半导体产品晶圆级封装工艺加工而成。
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- 2020-11-18 CN CN202011299293.XA patent/CN112509998A/zh active Pending
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