CN116364674A - 具有经改进热性能的集成电路 - Google Patents

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Abstract

本公开涉及具有经改进热性能的集成电路。公开一种用于功率相关应用的电子装置(100)。所述电子装置(100)包含：多层衬底(102)，其包括第一金属层(112)、第二金属层(114)及安置于所述第一金属层(112)与所述第二金属层(114)之间的中间层(116)。所述第一金属层(112)划分成数个区段(118、120)，其中所述数个区段(118、120)中的每一者具有第一表面(122)及图案化到所述第一表面(122)上的电路。引线框(104)附接到所述第一金属层(112)的外部，且裸片(106)附接到所述第一金属层(112)的所述数个区段(118、120)中的每一者的所述第一表面(122)。

Description

具有经改进热性能的集成电路
技术领域
本公开涉及电子装置，且更明确来说，涉及包含具有经改进热性能的多层衬底的集成电路。
背景技术
具有高额定功率(例如约3.6kW到7.0kW)的集成电路(IC)封装中的热性能取决于IC封装中的散热片或散热器。散热片是IC封装中的单件结构。因此，归因于散热片的单件结构配置，很难将IC封装的热阻减小到低于所期望值。另外，电路拓扑、功率输出及封装布局归因于单件散热片结构而受到限制。最后，单件散热片结构无法提供额外隔离材料(例如经隔离热界面材料)或其它结构所需的外部隔离以与外部系统或散热器组装。
发明内容
在所描述实例中，一种电子装置包含：多层衬底，其包括第一金属层、第二金属层及安置于所述第一金属层与所述第二金属层之间的中间层。所述第一金属层划分成数个区段，其中所述数个区段中的每一者具有第一表面及图案化到所述第一表面中的电路。引线框附接到所述第一金属层，且裸片附接到所述第一金属层的所述数个区段中的每一者的所述第一表面。
在所描述的另一实例中，一种功率转换器包含：多层衬底，其包括第一金属层、第二金属层及安置于所述第一金属层与所述第二金属层之间的中间层。所述第一金属缝划分成具有第一表面的第一区段、具有第一表面的第二区段及具有第一表面的第三区段。电路经图案化到所述第一区段的所述第一表面、所述第二区段的所述第一表面及所述第三区段的所述第一表面中。引线框附接到所述第一金属层的外部。裸片附接到所述第一区段的所述第一表面、所述第二区段的所述第一表面及所述第三区段的所述第一区段。
在所描述的另一实例中，一种方法包含提供多层衬底，所述多层衬底具有第一金属层、第二金属层及安置于所述第一金属层与所述第二金属层之间的中间层，所述第一金属层划分成数个区段。引线框附接到所述第一金属层的外部。裸片附接到所述第一金属层的所述经划分区段中的每一者的第一表面，且线接合从所述经划分区段中的每一者的所述裸片附接到所述引线框。模制化合物经形成于所述引线框的部分、所述多层衬底、每一裸片及所述线接合之上。
附图说明
图1A及1B分别是具有经划分衬底的实例电子装置的平面图及侧视图。
图2A及2B是包含经划分散热片的另一电子装置的平面图及侧视图。
图3A及3B说明图1A、1B、2A及2B中说明的实例电子装置的热性能。
图4是说明制造图1A及1B中说明的电子装置的方法的流程图。
具体实施方式
本文中公开一种制造电子装置且更明确来说制造集成电路(IC)封装的系统及方法。IC封装可包括功率小外形封装(PSOP)，其可包含用于功率电子器件(例如功率转换器、功率切换等)中的一或多个氮化镓场效应晶体管(GaN FET)。常规PSOP包含散热片或散热器，其在用于3.6kW到7.0kW的范围内的更高功率应用中时限制IC封装的热性能。另外，如上文提及，电路拓扑、功率输出及封装布局归因于单件散热片结构而受到限制。
为了改进热及电性能，IC封装用直接接合铜(DBC)衬底取代散热片，DBC衬底包含陶瓷层及安置于陶瓷层的每一侧上的金属(例如铜)层。使用陶瓷及金属材料的DBC衬底技术具有优良导热性及导电性及良好的机械性质。相反，常用衬底材料(例如玻璃-环氧树脂)归因于不良热消散性质而在功率电子模块中是不足的。又此外，随着将功率电子模块小型化的发展趋势，DBC衬底技术有利于在一个处理步骤中制造具有几百微米厚度的铜层。
引线框附接到衬底的第一金属层。另外，第一金属层划分成多个区段，其中多个区段中的一或多者可经图案化以包含复杂电路，例如半桥电路、全桥电路等，其包含FET、栅极驱动IC、控制器及无源组件(例如电容器、电阻器、电感器等)以改进IC封装的电性能。电组件(例如，包含GaN FET的裸片、无源组件(例如电容器、电感器等)等)可附接到第一金属层的一或多个多个区段。陶瓷层可由氧化铝(Al2O3)、氮化铝(AlN)、氮化硅(Si3N4)或具有类似热及电性质的另一类型的陶瓷材料制成。陶瓷层提供与外部组件的电隔离且改进IC封装的热性能。明确来说，陶瓷层使IC封装的热性能相比于在3.6kW到7.0kW范围内操作的常规PSOP IC封装改进了约40％。
图1A及1B分别是实例电子装置(例如集成电路(IC)封装)100的平面图及侧视图，电子装置100包括多层衬底(例如直接接合铜(DBC)衬底)102、引线框104、至少一个裸片106(图1A中展示)及将引线框104连接到裸片106的线接合108(图1A中展示)。模制化合物110(图1A中展示)覆盖衬底102的除了一个表面之外的所有表面(未被覆盖的一个表面背对IC封装100)、引线框104的一部分但并非全部、裸片106及线接合108。电子装置100可包括功率小外形封装(PSOP)，其可包含用于功率电子器件(例如功率转换器、功率切换等)中的一或多个氮化镓场效应晶体管(GaN FET)。
多层衬底102包括第一金属层112及第二金属层114。第一金属层112及第二金属层114由导电材料(例如铜)形成。由陶瓷材料(例如氧化铝(Al2O3)、氮化铝(AlN)、氮化硅(Si3N4)或具有类似热及电性质的另一类型的陶瓷材料)制成的中间层116安置于第一金属层112与第二金属层114之间。
第一金属层112划分成多个区段(例如两个或更多个区段)。为了简单说明目的，在图1A及1B中说明的实例中，第一金属层划分成两个区段。明确来说，第一金属层112划分成第一区段118及第二区段120。例如半桥电路、全桥电路等的包含FET、栅极驱动IC、控制器及无源组件(例如电容器、电阻器、电感器等)的数个复杂电路可图案化在第一区段118的经暴露(第一)表面122上及第二区段120的经暴露(第一)表面124上。另外，包含裸片106的可包含GaN FET及无源组件(例如电容器、电感器等)的电组件可附接到每一区段118、120的表面。因此，在一些实例中，在包含GaN FET的情况下，电子装置100可用作用于功率相关应用(例如功率转换、功率切换等)中的功率模块。举例来说，第一区段118上的裸片106可包含经配置以操作为高侧开关的第一GaN FET，且第二区段120上的裸片可包含经配置以操作为低侧开关的第二GaN FET。
在另一实例中，第一金属层112可划分成多于两个区段，其中第一区段包含具有经配置以操作为高侧开关的第一GaN FET的裸片，第二区段包含具有经配置以操作为低侧开关的第二GaN FET的裸片，且第三区段可包含具有用以驱动电子装置100的控制模块的裸片。在此案例中，电子装置(例如功率转换器)100的整个操作单元可经封装于单个IC封装中。
图2A及2B是另一电子装置(例如集成电路(IC)封装)200的平面图及侧视图，电子装置200包含散热片202、引线框204、至少一个裸片206(图2A中展示)及将引线框204连接到裸片206的线接合208(图2A中展示)。模制化合物210(图2A中展示)覆盖散热片202的除了一个表面之外的所有表面(未被覆盖的一个表面背对IC封装200)、引线框204的一部分但并非全部、裸片206及线接合208。
如上文提及，复杂电路拓扑、功率输出及封装布局归因于单件散热片结构而受到限制。因此，在图2A及2B中说明的实例中，散热片202划分成多个区段(例如两个或更多个区段)。为了简单说明目的，在图2A及2B中说明的实例中，散热片202划分成两个区段。明确来说，散热片202划分成第一区段212及第二区段214。因此，类似于上文描述的电子装置100，电子装置200可用作功率模块，其中第一区段212可包含经配置以操作为高侧开关的第一GaN FET，且第二区段120可包含经配置以操作为低侧开关的第二GaN FET。然而，在此实例中，用于包含散热片的功率相关应用的集成电路(IC)封装中的热性能取决于散热片202的热性质。如上文描述，归因于散热片的不良热性质，很难将IC封装的热阻减小到低于所期望值。
明确来说，图3A及3B分别说明图1A及1B中说明的实例电子装置100及图2A及2B中说明的实例电子装置200的热性能。如图例中说明，DBC衬底电子装置100的最大结温(DBC衬底102与裸片106之间的结处的温度)是99.55℃。散热片电子装置200的最大结温(散热片202与裸片206之间的结处的温度)是119.0℃。另外，DBC衬底电子装置100的热阻(Rth)是0.86K/W(每模块)，且DBC衬底电子装置200的热阻(Rth)是1.35K/W(每模块)。热阻被定义为从裸片到IC封装的底部的裸片结温的变化。热阻越低，电子装置的散热将越好。因此，具有更低热阻的IC封装可经制造以包含额外电路、裸片、FET、组件等以递送更多功率，这是由于额外热量可被消散。
图4结合图1A及1B中说明的电子装置100说明电子装置的制造工艺400。尽管为了方便起见循序描绘，但所展示的至少一些动作可按不同顺序执行及/或并行执行。替代地，一些实施方案可仅执行所展示的一些动作。又此外，尽管图4中说明的实例是说明图1A及1B的实例配置的实例方法，但其它方法及配置是可能的。
参考图4，制造工艺400在402处从多层衬底(例如衬底102)开始，多层衬底包含中间层(例如陶瓷中间层116)、沉积于陶瓷层的一个侧上的第一金属(例如铜)层(例如金属层112)及沉积于中间层的相对侧上的第二金属(例如铜)层(例如金属层114)。第一金属层可划分成更多区段中的两者(例如第一区段118、第二区段120)。第一及第二金属层可经由直接接合工艺接合到中间层。在接合工艺期间，在金属层与中间层(例如陶瓷层)之间创建薄过渡层，其由两种材料之间的氧桥形成。为了确保材料之间的牢固接合及紧密接触，金属层可经由熔融工艺(例如气体-金属共晶工艺)变成液态。金属液体表面将占据中间层表面且在冷却工艺之后，金属层经粘附到中间层。
在404，经由焊接工艺(例如锡膏印刷、丝网印刷等)将焊料沉积于第一金属层的经暴露(第一)表面(例如第一表面122、124)的外部上。在406，在焊料被印刷或沉积的位置(即外部)处将引线框(例如引线框104)附接到第一金属层的第一表面。在408，电子装置经由回流炉经历回流工艺以使焊料在特定温度下熔融以在第一金属层与引线框之间形成紧密导电接合。在410，将电路图案化在第一金属层的每一区段的第一表面上。在412，将裸片(例如裸片106)及其它电子组件附接到第一金属层的每一区段的第一表面。在414，将线接合(例如线接合108)从裸片及其它电子组件附接到引线框。在416，在多层衬底裸片、线接合及引线框的部分之上形成模制化合物(例如模制化合物110)，且在固化工艺期间进行固化借此形成电子装置。模制化合物经形成使得模制化合物囊封衬底、裸片、其它电子组件及线接合。模制化合物可由环氧树脂或环氧树脂混合物、有机硅、聚酰亚胺等制成。
上文描述了本公开的实例。当然，不可能为了描述本公开的目的描述每个可以想象的组件或方法的组合，但所属领域的一般技术人员应认识到，本公开的许多另外组合及排列是可能的。因此，本公开不希望包含落于所附权利要求书的精神及范围内的所有此类改变、修改及变化。另外，在本公开或权利要求引述“一(a/an)”、“第一”或“另一”元件或其等效物的情况下，其应被解译为包含一个或多于一个此元件，既不需要也不排除两个或更多个此类元件。此外，在术语“包含”在详细描述或权利要求书中使用的程度上，此术语希望以类似于术语“包括”的方式是包含性的，如“包括”在用作权利要求中的过渡词时被解译的那样。最后，术语“基于”被解译为意味着至少部分基于。

Claims (20)

1.一种电子装置，其包括：
多层衬底，其包括第一金属层、第二金属层及安置于所述第一金属层与所述第二金属层之间的中间层，所述第一金属层划分成数个区段，所述数个区段中的每一者具有第一表面及图案化到所述第一表面上的电路；
引线框，其附接到所述第一金属层；以及
裸片，其附接到所述第一金属层的所述数个区段中的每一者的所述第一表面。
2.根据权利要求1所述的电子装置，其中用于所述第一金属层的所述数个区段中的每一者的所述裸片包含氮化镓场效应晶体管。
3.根据权利要求2所述的电子装置，其中所述数个区段包括第一区段及第二区段，其中用于所述第一区段的所述氮化镓场效应晶体管经配置以操作为高侧氮化镓场效应晶体管，且用于所述第二区段的所述氮化镓场效应晶体管经配置以操作为低侧氮化镓场效应晶体管。
4.根据权利要求1所述的电子装置，其中所述数个区段包括第一区段、第二区段及第三区段，附接到所述第一区段的所述裸片包含第一氮化镓场效应晶体管，附接到所述第二区段的所述裸片包含第二氮化镓场效应晶体管，且所述第三区段包含用以驱动所述电子装置的控制模块。
5.根据权利要求4所述的电子装置，其中附接到所述第一区段的所述裸片的所述第一氮化镓场效应晶体管经配置以操作为高侧氮化镓场效应晶体管，且附接到所述第二区段的所述裸片的所述第二氮化镓场效应晶体管经配置以操作为低侧氮化镓场效应晶体管。
6.根据权利要求1所述的电子装置，其中所述第一金属层及所述第二金属层包括铜。
7.根据权利要求6所述的电子装置，其中所述中间层包括陶瓷材料。
8.根据权利要求7所述的电子装置，其中所述陶瓷材料是氧化铝、氮化铝及氮化硅中的一者。
9.一种功率转换器，其包括：
多层衬底，其包括第一金属层、第二金属层及安置于所述第一金属层与所述第二金属层之间的中间层，所述第一金属层划分成具有第一表面的第一区段及具有第一表面的第二区段；
电路，其经图案化到所述第一区段的所述第一表面及所述第二区段的所述第一表面上；
引线框，其附接到所述第一金属层的外部；以及
裸片，其附接到所述第一区段的所述第一表面及所述第二区段的所述第一表面。
10.根据权利要求9所述的功率转换器，其中附接到所述第一金属层的所述第一区段的所述裸片包含经配置以操作为高侧氮化镓场效应晶体管的氮化镓场效应晶体管，且附接到所述第一金属层的所述第二区段的所述裸片包含经配置以操作为低侧氮化镓场效应晶体管的氮化镓场效应晶体管。
11.根据权利要求9所述的功率转换器，其中所述第一金属层划分成第三区段，其中电路经图案化到所述第三区段的第一表面上，且其中裸片附接到所述第三区段的所述第一表面。
12.根据权利要求11所述的功率转换器，其中附接到所述第一区段的所述裸片包含第一氮化镓场效应晶体管，附接到所述第二区段的所述裸片包含第二氮化镓场效应晶体管，且附接到所述第三区段的所述裸片包含用以驱动所述功率转换器的控制模块。
13.根据权利要求12所述的功率转换器，其中附接到所述第一区段的所述裸片的所述第一氮化镓场效应晶体管经配置以操作为高侧氮化镓场效应晶体管，且附接到用于所述第二区段的所述裸片的所述第二氮化镓场效应晶体管经配置以操作为低侧氮化镓场效应晶体管。
14.根据权利要求13所述的功率转换器，其中所述第一金属层及所述第二金属层包括铜。
15.根据权利要求14所述的功率转换器，其中所述中间层包括陶瓷材料。
16.根据权利要求15所述的功率转换器，其中所述陶瓷材料是氧化铝、氮化铝及氮化硅中的一者。
17.一种方法，其包括：
提供多层衬底，所述多层衬底具有第一金属层、第二金属层及安置于所述第一金属层与所述第二金属层之间的中间层，所述第一金属层划分成数个区段；
将引线框附接到所述第一金属层的外部；
将裸片附接到所述第一金属层的所述经划分区段中的每一者的第一表面；
将线接合从附接到所述经划分区段中的每一者的所述裸片附接到所述引线框；以及
在所述引线框的部分、所述多层衬底、每一裸片及所述线接合之上形成化合物。
18.根据权利要求17所述的方法，其中所述区段包括第一区段、第二区段及第三区段，所述第一区段的所述裸片包含第一氮化镓场效应晶体管，所述第二区段的所述裸片包含第二氮化镓场效应晶体管，且所述第三区段包含控制模块。
19.根据权利要求18所述的方法，其中所述第一区段的所述裸片的所述第一氮化镓场效应晶体管经配置以操作为高侧氮化镓场效应晶体管，且用于所述第二区段的所述裸片的所述第二氮化镓场效应晶体管经配置以操作为低侧氮化镓场效应晶体管。
20.根据权利要求19所述的方法，其中所述第一金属层及所述第二金属层包括铜，且所述中间层包括陶瓷材料。
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