CN201000882Y - 内嵌导热绝缘体具散热片的新型半导体器件封装结构 - Google Patents

内嵌导热绝缘体具散热片的新型半导体器件封装结构 Download PDF

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Abstract

本实用新型包括一芯片承载件；至少一芯片，装置在该芯片承载件上并与之电性连接；一散热片，其下表面暴露于空气中，其侧面与一封装胶体结合形成封装本体；一中间层，为一种高导热绝缘弹性材料，其上表面通过粘胶与芯片的承载件下表面粘合，其下表面通过粘胶与散热片上表面粘合。本实用新型的散热片具有最大的外露面积，能有效排除芯片工作产生的热量，提高散热效率；散热片通过此封装件与芯片连接，使芯片与外界绝缘，并不会降低散热效率；在封装过程中，不会因为材料的破裂造成产品的失效，从而提高产品的合格率，降低生产成本。

Description

内嵌导热绝缘体具散热片的新型半导体器件封装结构
技术领域
本实用新型涉及一种功率半导体芯片的封装，特别涉及一种提高绝缘散热性能的功率半导体芯片封装。
背景技术
功率半导体芯片广泛应用于电力电子、汽车、航空、消费电子等领域。这些领域的不断发展对芯片的封装提出了更高的要求，如何能使封装具备更小的封装尺寸和更好的散热性能也是当前封装领域的重要课题。
现有的功率半导体芯片封装大多采用如图1所示的封装结构，芯片1的下表面12通过锡膏13焊接在引线基板11的上表面，焊接跳线14通过锡膏13焊接在芯片3上表面，焊接跳线14起到转换电性连接的作用，最后用环氧树脂填充芯片1与引线基板11，形成封装本体15。在工作过程中，芯片1产生大量热量，这些热量主要通过引线和封装本体15向周围环境散发。此外，封装本体15还具有绝缘、提供支撑及保护芯片免受水气侵蚀之功能。然而，这种芯片封装在实际应用中主要的缺点在于：封装本体材料，即环氧树脂导热系数较小，芯片产生的热量不能及时散发出去，热量集中于封装本体的内部，导致了芯片温度过高，造成芯片的失效，尤其是大电流大功率器件更容易失效。其改进措施是在半导体封装件中加入一散热片，以通过散热性佳的金属材料制成的散热片来提高散热效率。但若散热片被封装本体所完全包覆，芯片产生的热量仍需通过封装本体散发，散热效果的提高依然有限。
因而使散热片的表面外露出封装本体，芯片产生的热量可以由散热片外露的表面直接散发至空气中，这样的结构较为理想。但是，考虑到与外界绝缘问题，芯片不能和散热片直接接触。在第3829598号美国专利中，提出了如图2所示的芯片封装件2的结构，芯片22通过焊锡焊接在铜引线基板21上，铜引线基板21又通过一个中间层连接到铜散热片26上，  这个中间层由陶瓷基片25、Mo-Mn金属化层23和铜金属层24组成。由于铜、Mo-Mn和陶瓷基片的导热系数大大优于本体胶的导热系数，所以芯片产生的热量经由中间层可以快速地传递到散热片上，散热效率大大提高；陶瓷也是优良的绝缘材料，所以，此结构兼顾了导热和绝缘的功能，是一种优化的结构。但是，这种结构在实际生产中也有一些不足之处：
1)此封装结构引入了陶瓷材料，而陶瓷是一种脆性材料，其与铜基片为刚性连接，在器件封装和使用时，由于热应力的冲击，极易引起陶瓷的受力断裂，所以在结构上要考虑到热应力的影响，增加了设计的复杂性。
2)陶瓷材料很难与金属基板直接连接，因此需要在其表面双面金属化，增加了额外的工艺，并且金属化的质量直接影响芯片焊接的质量，这大大增加了使用成本。
3)陶瓷基片为了和金属基板焊接，其表面必须金属化，当芯片通过高压电流时，如果沿表面的漏电流过大会导致两面金属层沿面击穿放电，从而影响器件绝缘性能。
发明内容
本实用新型的技术问题是要提供一种具导热绝缘体和散热片的功率半导体封装件结构，使其散热片具有最大的外露面积，能有效排除芯片工作产生的热量，提高散热效率。
为了解决以上的技术问题，本实用新型提供了一种内嵌导热绝缘体具散热片的新型半导体器件封装结构，它包括一芯片承载件；至少一芯片，装置在该芯片承载件上并与之电性连接；一散热片，其下表面暴露于空气中，其侧面与一封装胶体结合形成封装本体；一中间层，为一种高导热绝缘弹性材料，其上表面通过粘胶与芯片的承载件下表面粘合，其下表面通过粘胶与散热片上表面粘合。
所述的芯片承载件，其为一薄型导线架，该导线架的上表面具有一个或复数个矩形的焊垫，一颗或复数颗芯片安放在焊垫上，通过焊锡和导线架相连，该导线架的下表面与弹性导热绝缘介质层的上表面相连接。
所述的芯片承载件，其为一单列直插导线架，该导线架的上表面具有复数个矩形的焊垫，复数颗芯片安放在焊垫上，通过焊锡和导线架相连，该导线架的下表面与弹性导热绝缘介质层的上表面相连接。
所述的芯片承载件，其为一双列直插导线架，该导线架的上表面具有复数个矩形的焊垫，复数颗芯片安放在焊垫上，通过焊锡和导线架相连，该导线架的下表面与弹性导热绝缘介质层的上表面相连接。
所述的芯片承载件，其材料是铜合金或是铝合金或是铁镍合金中的一种金属材料。与芯片连接需要良好的导电性和导热性，因此芯片承载件最佳为铜合金材料。同时散热片起承担导热的功能，而散热片不直接与芯片相连接，因此散热片可以为铜合金、铝合金和铁镍合金等金属材料。
所述的中间层，其高导热绝缘弹性材料是由高分子材料，如环氧树脂和一些无机材料，如SiO2，Al3O2，SiN，B2O3等组成的复合材料，或是由纳米无机颗粒与高分子粘合剂组成的复合材料；或是由载体如玻璃纤维，粘合剂如硅酮，填料如氮化硼等组成的复合材料；或是由碳纳米管、碳纤维和有机高分子粘合剂组成的复合材料。由于中间层为高导热绝缘弹性材料，所以半导体器件整体的连接为一弹性连接，在器件封装和使用时，弹性中间层可以最大限度地消除由于各组件的热膨胀系数不同带来的热应力影响；高导热绝缘弹性材料绝缘性能良好，不会因为表面漏电造成击穿放电；高导热绝缘弹性材料导热性能稍逊于陶瓷，但其导热系数大大高于封装胶，所以散热性能还是得到了很大的提高；高导热绝缘弹性材料可以一次成型，相对金属化陶瓷，工艺大大简化，节约了制造成本。
本实用新型的优越功效在于：
1)本实用新型的结构，使散热片具有最大的外露面积，能有效排除芯片工作产生的热量，提高散热效率；
2)本实用新型的结构，使散热片通过此封装件与芯片连接，使芯片与外界绝缘，并不会降低散热效率；
3)本实用新型的结构，使其在封装过程中，不会因为材料的破裂造成产品的失效，从而提高产品的合格率，降低生产成本；
4)本实用新型所使用的封装模具可应用于不同尺寸的产品，而无需随产品尺寸的改变而更换封装模具，故可降低封装成本及设备的管理成本。
附图说明
图1为现有的功率半导体整流芯片封装结构剖视图；
图2为美国专利功率半导体芯片封装结构剖视图；
图3为本实用新型承载体为薄型导线架的结构剖视图；
图4为本实用新型承载体为单列直插导线架的结构剖视图；
图5为本实用新型承载体为双列直插导线架的结构剖视图。
图中标号说明
1-半导体封装件；   11-引线基板；
12-芯片；          13-锡膏；
14-跳线；          15-封装本体；
2-半导体封装件；   21-铜引线基板；
22-芯片；          23-金属化层；
24-铜金属层；                 25-陶瓷基片；
26-铜散热片；
3-半导体封装件；              31-薄型导线架；
310-薄型导线架的上表面；      311-薄型导线架的下表面；
32-芯片；                     320-芯片的第一表面；
321-芯片的第二表面；          33-锡膏；
34-跳线；                     340-跳线的第一作用表面；
341-跳线的第二作用表面；      35-粘胶；
36-中间层；                   360-中间层的上表面；
361-中间层的下表面；          37-散热片；
370-散热片的上表面；          371-散热片的下表面；
38-封装胶体；                 312-引脚；
4-半导体封装件；              41-单列直插导线架；
410-单列直插导线架的上表面；  411-单列直插导线架的下表面；
42-芯片；                     420-芯片的第一表面；
421-芯片的第二表面；          43-锡膏；
44-跳线；                     440-跳线的第一作用表面；
441-跳线的第二作用表面；      45-粘胶；
46-中间层；                   460-中间层的上表面；
461-中间层的下表面；          47-散热片；
470-散热片的上表面；          471-散热片的下表面；
48-封装胶体；                 412-引脚；
5-半导体封装件；              51-双列直插导线架；
510-单列直插导线架的上表面；  511-单列直插导线架的下表面；
52-芯片；                     520-芯片的第一表面；
521-芯片的第二表面；          53-锡膏；
54-跳线；                     540-跳线的第一作用表面；
541-跳线的第二作用表面；   55-粘胶；
56-中间层；                560-中间层的上表面；
561-中间层的下表面；       57-散热片；
570-散热片的上表面；       571-散热片的下表面；
58-封装胶体；              512-引脚；
具体实施方式
请参阅图3、图4、图5所示，对本实用新型作进一步的描述。
本实用新型包括一芯片承载件；至少一芯片，装置在该芯片承载件上并与之电性连接；一散热片，其下表面暴露于空气中，其侧面与一封装胶体结合形成封装本体；一中间层，为一种高导热绝缘弹性材料，其上表面通过粘胶与芯片的承载件下表面粘合，其下表面通过粘胶与散热片上表面粘合。
所述的芯片承载件，其为一薄型导线架，该导线架的上表面具有一个或复数个矩形的焊垫，一颗或复数颗芯片安放在焊垫上，通过焊锡和导线架相连，该导线架的下表面与弹性导热绝缘介质层的上表面相连接。如图3所示，半导体封装件3主要由一薄型导线架31，通过焊锡膏33焊接在该薄型导线架31上的芯片32，用以电性连接薄型导线架31与芯片32的跳线34，通过粘胶35粘接在薄型导线架31下方的弹性中间层36，散热片37和包覆整个结构的封装胶体38组成。该薄型导线架31具有一上表面310，一相对于该上表面310的下表面311，一根或复数根外引脚312，该上表面具有与芯片32对应的一个或复数个焊垫；该芯片32具有一第一表面320，一对应于第一表面320的第二表面321，该第二表面321通过焊锡膏33焊接在薄型导线架31的上表面310上；该跳线34具有第一作用表面340，一对应于第一作用表面340的第二作用表面341，该第一作用表面340通过焊锡膏33与芯片32的第一表面320连接，该第二作用表面341通过焊锡膏33与薄型导线架31的外引脚312相连；该弹性中间层36具有一上表面360和一相对于上表面360的下表面361，该上表面360通过粘胶35与薄型导线架31下表面311粘接；该散热片37具有一上表面370和一外露出封装胶体38的下表面371，该上表面370通过粘胶35与弹性中间层36的下表面361连接；当芯片32工作时，散发的热量可以通过弹性中间层36传导到散热片37，最后通过外露出封装胶体38的散热片37下表面371传递出去，由于弹性中间层有较大的导热系数和较薄的尺寸，故可有效提高散热效率。
所述的芯片承载件，其为一单列直插导线架，该导线架的上表面具有复数个矩形的焊垫，复数颗芯片安放在焊垫上，通过焊锡和导线架相连，该导线架的下表面与弹性导热绝缘介质层的上表面相连接。如图4所示，半导体封装件4是由一单列直插导线架41，通过焊锡膏43焊接在该单列直插导线架41上的复数颗芯片42，用以电性连接单列直插导线架41与芯片42的复数根跳脚44，通过粘胶45粘接在单列直插导线架41下方的弹性中间层46，散热片47和包覆整个结构的封装胶体48组成。该单列直插导线架41具有一上表面410，一相对于该上表面410的下表面411，复数根外引脚412，该上表面具有与芯片42对应的复数个焊垫；该芯片42具有一第一表面420，一对应于第一表面420的第二表面421，该第二表面421通过焊锡膏43焊接在单列直插导线架41的上表面410上；该跳线44具有第一作用表面440，一对应于第一作用表面440的第二作用表面441，该第一作用表面440通过焊锡膏43与芯片42的第一表面420连接，该第二作用表面441通过焊锡膏43与单列直插导线架41相连，通过跳线44和单列直插导线架41进行电性转换，芯片42的第一表面420与另一颗芯片的第二表面421实现了电性连接；该弹性中间层46具有一上表面460和一相对于上表面460的下表面461，该上表面460通过粘胶45与单列直插导线架41下表面411粘接，该上表面460未与单列直插导线架41下表面411粘接的部分与封装胶体48直接结合；该散热片47具有一上表面470和一外露出封装胶体48的下表面471，该上表面470通过粘胶45与弹性中间层46的下表面461连接；当复数颗芯片42工作时，其产生的热量都可以通过与芯片42直接接触的弹性中间层46传导到散热片47，最后通过外露出封装胶体48的散热片47下表面471传递出去，由于弹性中间层有较大的导热系数和较薄的尺寸，故可有效提高散热效率。
所述的芯片承载件，其为一双列直插导线架，该导线架的上表面具有复数个矩形的焊垫，复数颗芯片安放在焊垫上，通过焊锡和导线架相连，该导线架的下表面与弹性导热绝缘介质层的上表面相连接。如图5所示，半导体封装件5的结构与半导体封装件4的结构相类似，半导体封装件5是由一双列直插导线架51，该双列直插导线架51具有一上表面510，一相对于该上表面510的下表面511，多根外引脚512，该外引脚从半导体封装体5的两侧引出，可以满足不同的应用需求；该上表面510具有与芯片52对应的一个或多个焊垫；该芯片52具有一第一表面520，一对应于第一表面520的第二表面521，该第二表面521通过焊锡膏53焊接在双列直插导线架51的上表面510上；该跳线54具有第一作用表面540，一对应于第一作用表面540的第二作用表面541，该第一作用表面540通过焊锡膏53与芯片52的第一表面520连接，该第二作用表面541与双列直插导线架51的另一侧外引脚512相连；该弹性中间层56具有一上表面560和一相对于上表面560的下表面561，该上表面560通过粘胶55与双列直插导线架51下表面511粘接；该散热片57具有一上表面570和一外露出封装胶体58的下表面571，该上表面570通过粘胶55与弹性中间层56的下表面561连接；当芯片52工作时，散发的热量可以通过弹性中间层56传导到散热片57，最后通过外露出封装胶体58的散热片57下表面571传递出去，由于弹性中间层有较大的导热系数和较薄的尺寸，故可有效提高散热效率。

Claims (7)

1、一种内嵌导热绝缘体具散热片的新型半导体器件封装结构，其特征在于：它包括一芯片承载件；至少一芯片，装置在该芯片承载件上并与之电性连接；一散热片，其下表面暴露于空气中，其侧面与一封装胶体结合形成封装本体；一中间层，为一种高导热绝缘弹性材料，其上表面通过粘胶与芯片的承载件下表面粘合，其下表面通过粘胶与散热片上表面粘合。
2、根据权利要求1所述的一种内嵌导热绝缘体具散热片的新型半导体器件封装结构，其特征在于：所述的芯片承载件，其为一薄型导线架，该导线架的上表面具有一个或复数个矩形的焊垫，一颗或复数颗芯片安放在焊垫上，通过焊锡和导线架相连，该导线架的下表面与弹性导热绝缘介质层的上表面相连接。
3、根据权利要求1所述的一种内嵌导热绝缘体具散热片的新型半导体器件封装结构，其特征在于：所述的芯片承载件，其为一单列直插导线架，该导线架的上表面具有复数个矩形的焊垫，复数颗芯片安放在焊垫上，通过焊锡和导线架相连，该导线架的下表面与弹性导热绝缘介质层的上表面相连接。
4、根据权利要求1所述的一种内嵌导热绝缘体具散热片的新型半导体器件封装结构，其特征在于：所述的芯片承载件，其为一双列直插导线架，该导线架的上表面具有复数个矩形的焊垫，复数颗芯片安放在焊垫上，通过焊锡和导线架相连，该导线架的下表面与弹性导热绝缘介质层的上表面相连接。
5、根据权利要求1所述的一种内嵌导热绝缘体具散热片的新型半导体器件封装结构，其特征在于：所述的芯片承载件，其材料是铜合金或是铝合金或是铁镍合金中的一种金属材料。
6、根据权利要求5所述的一种内嵌导热绝缘体具散热片的新型半导体器件封装结构，其特征在于：所述的芯片承载件，其最佳为铜合金材料。
7、根据权利要求1所述的一种内嵌导热绝缘体具散热片的新型半导体器件封装结构，其特征在于：所述的中间层，其高导热绝缘弹性材料是由高分子材料和一些无机材料组成的复合材料，或是由纳米无机颗粒与高分子粘合剂组成的复合材料。
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