CN113707624A - 一种氮化镓功率器件及其封装方法 - Google Patents

一种氮化镓功率器件及其封装方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种氮化镓功率器件及其封装方法，包括：氮化镓芯片，其上设置有芯片门极、芯片源极和芯片漏极；引线框架，其位于氮化镓芯片的一侧，所述引线框架上的门极与所述芯片门极之间通过金属线连接，所述引线框架上的源极与芯片源极之间通过金属线连接，所述引线框架上的漏极与所述芯片漏极之间通过金属夹连接；壳体，其用于封装氮化镓芯片，所述金属夹包括封装部和散热部，所述封装部被封装在所述壳体内侧，所述散热部暴露在所述壳体外侧。其散热效果好，安全可靠，能够适用于中大功率领域。

Description

一种氮化镓功率器件及其封装方法
技术领域
本发明涉及半导体芯片技术领域，尤其是指一种氮化镓功率器件及其封装方法。
背景技术
目前，作为第三代半导体材料，氮化镓功率器件可以实现比硅器件更高的开关频率，更高的系统效率和功率密度。越来越多氮化镓功率器件被应用在了电源行业，提升开关电源的整体性能，为节能环保做一份贡献。
氮化镓功率器件的传统封装方式，是以单管分立器件(尤其是表面贴封装，例如DFN5x6,DFB8x8等)为主，采用的是底部散热片散热，背部塑封。根据目前的做法，氮化镓功率器件在实际应用中是通过底部的散热片散热。然而，氮化镓是一种横向器件，电流在芯片顶部流动。电流在芯片中所产生的热量也主要集中在芯片的上表面。参照图1所示，传统的DFN封装里面氮化镓芯片10是正装放置在引线框架20上，意味着氮化镓芯片10最热的顶部是通过打线的方式和引线框架20连接，即芯片上的有源侧与引线框架20上对应的位置通过金属线30连接。然而，氮化镓芯片10顶部周围却被塑封料包裹，热阻很大，难以散热。即使芯片底部和铜框架连接，热量通过底部的硅衬底散热片散热，效果仍然非常有限。
另外，因为氮化镓电源系统应用追求小型化，传统DFN封装的氮化镓功率器件只能通过底部散热片将热导到PCB(印刷电路板)的铜皮上实现散热。这种铜皮设计受制于PCB板的有限面积，往往无法实现充分散热，PCB板另外一面也往往难以加装散热器。
以上所有的问题导致了现有的氮化镓功率器件只能应用在小功率领域。
发明内容
为此，本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术中氮化镓功率器件只能应用在小功率领域、散热效果差的技术缺陷，获得一种散热效果好，安全可靠，能够适用于中大功率领域的氮化镓功率器件。
为解决上述技术问题，本发明提供了一种氮化镓功率器件，包括：
氮化镓芯片，其上设置有芯片门极、芯片源极和芯片漏极；
引线框架，其位于氮化镓芯片的一侧，所述引线框架上的门极与所述芯片门极之间通过金属线连接，所述引线框架上的源极与芯片源极之间通过金属线连接，所述引线框架上的漏极与所述芯片漏极之间通过金属夹连接；
壳体，其用于封装氮化镓芯片，所述金属夹包括封装部和散热部，所述封装部被封装在所述壳体内侧，所述散热部暴露在所述壳体外侧。
作为优选的，所述金属夹为n形结构。
作为优选的，所述金属夹为金夹、锡夹、铜夹或铝夹。
作为优选的，所述金属线为金线、锡线、铜线或铝线。
作为优选的，所述散热部的上侧依次设置有绝缘导热层和散热器。
作为优选的，所述散热部的上表面设置有凹凸不平的散热面。
作为优选的，所述散热面上涂覆有导热绝缘胶层，所述导热绝缘胶层上贴设有散热器。
作为优选的，所述引线框架上对称设置有两个门极，所述芯片门极与所述引线框架上的门极一一对应设置。
作为优选的，所述引线框架上对称设置有两个开尔文源极，两个所述开尔文源极与所述芯片源极连接。
作为优选的，所述氮化镓功率器件的背部设置有散热盘。
本发明公开了一种氮化镓功率器件的封装方法，包括以下步骤：
通过金属打线方式将氮化镓芯片的芯片源极和芯片门极分别与引线框架上对应的引脚连接；
通过金属夹将氮化镓芯片的芯片漏极与引线框架上对应的引脚连接；
对所述氮化镓芯片进行封装操作，其中，所述金属夹的部分暴露在封装材料的外部以散热。
本发明的上述技术方案相比现有技术具有以下优点：
1、本发明氮化镓芯片门极和芯片源极通过金属线和引线框架上的焊盘连接，而芯片漏极通过金属夹实现芯片漏极与引线框架的连接，这种连接方式，可以使得氮化镓功率器件具备更小的电阻和电感。
2、本发明由于金属夹的部分露出壳体，即金属夹的封装部位于壳体内部，金属夹的散热部露在壳体外侧，在氮化镓功率器件工作时产生的热量经由散热部排出，实现充分散热。
3、由于本发明中的氮化镓功率器件产生的热量能够充分散热，因此，可以将该氮化镓功率器件应用在中大功率领域，安全可靠。
4、本发明中，金属夹的散热部位于壳体外侧，便于后续在散热部上加装散热器，从而进一步提升散热效果。
附图说明
图1为背景技术中氮化镓器件的结构示意图；
图2为本发明中氮化镓功率器件的结构示意图；
图3为壳体与金属夹的结构示意图；
图4为铜夹、导热绝缘胶层与散热器的结构示意图；
图5为π形铜夹应用在氮化镓功率器件的结构示意图。
说明书附图标记说明：10、氮化镓芯片；20、引线框架；21、门极、22、源极；23、漏极；30、金属线；40、金属夹；41、导热绝缘胶层；42、散热器；50、壳体。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。
对于传统的氮化镓功率器件，常常通过使用金线、铜线或者铝线将芯片上的打线盘和引线框架上的焊盘连接。这种打线方式可以比较灵活，尤其适用于芯片上相对小面积的打线盘。然而金属引线本身并不能实现传热的效果，仅能实现电性连接。此时，氮化镓功率器件的只能应用在小功率领域，当氮化镓功率器件的功率增大时，由于芯片被封装在壳体内，而如背景技术中所提，此时氮化镓功率器件的散热效果极差，氮化镓功率器件寿命短，易损坏。
参照图2-图3所示，为了提高氮化镓功率器件的散热效果，并使得氮化镓功率器件能够适用于中大功率领域，本发明公开了一种氮化镓功率器件，包括氮化镓芯片10、引线框架20和壳体50。
氮化镓芯片10上设置有芯片门极、芯片源极和芯片漏极。
引线框架20位于氮化镓芯片10的一侧，引线框架20上的门极21与芯片门极之间通过金属线30连接，引线框架20上的源极22与芯片源极之间通过金属线30连接，引线框架20上的漏极23与芯片漏极之间通过金属夹40连接。
壳体50用于封装氮化镓芯片10，金属夹40包括封装部和散热部，封装部被封装在壳体50内侧，散热部暴露在壳体50外侧。
本发明的工作原理是：由于氮化镓芯片10上小面积的打线盘(芯片门极和芯片源极)通过金属线30和引线框架20上的焊盘连接，而芯片上的漏极打线盘(芯片漏极)，本身面积较大，通过金属夹40实现芯片漏极与引线框架20的连接，这种连接方式，可以使得氮化镓功率器件具备更小的电阻和电感。而由于金属夹40的部分露出壳体50，即金属夹40的封装部位于壳体50内部，金属夹40的散热部露在壳体50外侧，在氮化镓功率器件工作时产生的热量经由散热部排出，实现充分散热。由于本发明中的氮化镓功率器件产生的热量能够充分散热，因此，可以将该氮化镓功率器件应用在中大功率领域。并且，由于金属夹40的散热部位于壳体50外侧，便于后续在散热部上加装散热器42，从而进一步提升散热效果。
在一实施例中，金属夹40为n形结构。金属夹40的两端分别与引线框架20和芯片漏极焊接。将金属夹40设置成n型，便于将金属夹40的上端暴露在壳体50外。当然，金属夹40也可根据需求设置成其它形状，其只要实现引线框架20与芯片漏极电性连接即可。金属夹40的截面面积和其长度也可根据需求设定。
具体的，金属夹40为金夹、锡夹、铜夹或铝夹。当然，金属夹40也可为金属合金，其为导电导热材质即可。同样的，金属线30可选用传统的金线、锡线、铜线或铝线，从而实现电连接。
在另一实施例中，散热部的上侧依次设置有绝缘导热层和散热器42。通过绝缘导热层，可以将金属夹40产生的热量传递至散热器42，从而方便散热。
进一步的，参见图4所示，散热部的上表面设置有凹凸不平的散热面，如此，增加了散热部与外界的接触面积，从而散热效果更好。并且，在这种凹凸不平的散热面上可以涂覆有导热绝缘胶层41，导热绝缘胶层41上贴设有散热器42。由于凹凸不平的散热面的存在，可以提高导热绝缘胶层41与金属夹40的粘附效果，且由于凹凸不平的散热面增加了金属夹40的散热面积，也可以进一步提高热传导效率，从而提升散热效率。对于本发明中的凹凸不平的散热面，本领域技术人员可根据需求设置，例如，可设置成点阵式凹坑型散热面。
此外，参见图5所示，散热部也可根据需求做进一步加长处理，即金属夹40可设置成π形，如此，提高散热部与外界的接触。
在另一实施例中，引线框架20上对称设置有两个门极，芯片门极与引线框架20上的门极21一一对应设置。引线框架20上对称设置有两个开尔文源极22，两个开尔文源极22与芯片源极连接。通过上述的设置方式，使得该氮化镓功率器件具备较好的对称性，稳定性好，且发热均衡，防止局部过热影响器件工作。
作为优选的，在氮化镓功率器件的背部设置有散热盘，通过散热盘将热传导到PCB(印刷电路板)的铜皮上实现散热，散热盘能够实现氮化镓功率表器件的底部散热，如此，配合氮化镓功率器件上侧的金属夹40散热，即可实现氮化镓功率器件上下表面同时散热。
本发明还公开了一种氮化镓功率器件的封装方法，包括以下步骤：
步骤一、通过金属打线方式将氮化镓芯片10的芯片源极和芯片门极分别与引线框架20上对应的引脚连接。此处，即通过金属丝将氮化镓芯片10的芯片源极与引线框架20上的源极22连接，通过金属丝将氮化镓芯片10的芯片门极与引线框架20上的门极21连接。
步骤二、通过金属夹40将氮化镓芯片10的芯片漏极与引线框架20上对应的引脚连接。由于现有的DFN封装的氮化镓功率表器件的芯片漏极打线盘面积较大，通过金属夹40将芯片漏极和引线框架20上的漏极23连接，电阻和电感更小。
步骤三、对氮化镓芯片10进行封装操作，其中，金属夹40的部分暴露在封装材料的外部以散热。在步骤二完成之后，可通过环氧树脂对该氮化镓芯片10进行封装，封装过程中，由于将金属夹40的部分暴露在封装材料的外部，氮化镓芯片10在工作过程中产生的热量即可通过金属夹40传递至外界，如此，保证氮化镓功率器件具备较好的散热效果。即使该氮化镓功率器件在大功率下使用，也能将热量及时排出，安全可靠。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (10)

1.一种氮化镓功率器件，其特征在于，包括：
氮化镓芯片，其上设置有芯片门极、芯片源极和芯片漏极；
引线框架，其位于氮化镓芯片的一侧，所述引线框架上的门极与所述芯片门极之间通过金属线连接，所述引线框架上的源极与芯片源极之间通过金属线连接，所述引线框架上的漏极与所述芯片漏极之间通过金属夹连接；
壳体，其用于封装氮化镓芯片，所述金属夹包括封装部和散热部，所述封装部被封装在所述壳体内侧，所述散热部暴露在所述壳体外侧。
2.根据权利要求1所述的氮化镓功率器件，其特征在于，所述金属夹为n形结构。
3.根据权利要求1所述的氮化镓功率器件，其特征在于，所述金属夹为金夹、锡夹、铜夹或铝夹。
4.根据权利要求1所述的氮化镓功率器件，其特征在于，所述金属线为金线、锡线、铜线或铝线。
5.根据权利要求1所述的氮化镓功率器件，其特征在于，所述散热部的上侧依次设置有绝缘导热层和散热器。
6.根据权利要求1所述的氮化镓功率器件，其特征在于，所述散热部的上表面设置有凹凸不平的散热面。
7.根据权利要求6所述的氮化镓功率器件，其特征在于，所述散热面上涂覆有导热绝缘胶层，所述导热绝缘胶层上贴设有散热器。
8.根据权利要求1所述的氮化镓功率器件，其特征在于，所述引线框架上对称设置有两个门极，所述芯片门极与所述引线框架上的门极一一对应设置；所述引线框架上对称设置有两个开尔文源极，两个所述开尔文源极与所述芯片源极连接。
9.根据权利要求1所述的氮化镓功率器件，其特征在于，所述氮化镓功率器件的背部设置有散热盘。
10.一种氮化镓功率器件的封装方法，其特征在于，包括以下步骤：
通过金属打线方式将氮化镓芯片的芯片源极和芯片门极分别与引线框架上对应的引脚连接；
通过金属夹将氮化镓芯片的芯片漏极与引线框架上对应的引脚连接；
对所述氮化镓芯片进行封装操作，其中，所述金属夹的部分暴露在封装材料的外部以散热。
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