CN214588826U - 半导体器件结构 - Google Patents

Abstract

一种半导体器件结构，包括第一导热电极层以及依次在所述第一导热电极层上设置的第一应力过渡层、二极管芯片、第二应力过渡层、第二导热层以及第二电极。由于没有将二极管芯片表面直接与第一导热电极层或者第二导热层直接连接，而是通过第一应力过渡层和第二应力过渡层连接，使得在高温时使得第一导热电极层或者第二导热层所出现的内应力不直接作用在二极管芯片上，而是作用在第一应力过渡层或第二应力过渡层上，这样一方面使得在制造二极管器件的烧结过程中不至于造成芯片碎裂，提高了器件制造的一致性，另一方面也可以避免在使用过程中器件的发热所导致损坏芯片的情况，提高使用过程中器件的可靠性和稳定性。

Description

半导体器件结构

技术领域

本申请属于半导体器件领域，具体涉及一种半导体器件结构。

背景技术

电子产品的覆盖面越发广泛，其中电力电子二极管作为一种半导体器件在提高电子产品的发展中占有重要角色。二极管是用半导体材料(硅、砷、锗等)制成的一种电子器件。封装的功能在于给半导体芯片提供足够的保护，防止芯片在空气中长期暴露或机械损伤而失效，以提高芯片的稳定性，保护芯片的安全。对于电力电子二极管器件的封装，还需要具有良好的散热性，好的封装可以让二极管器件具备更好的散热环境，进而提升二极管器件的寿命。因此，半导体芯片的封装对于半导体器件的可靠性和安全性极为重要，特别是汽车用二极管器件，汽车用二极管器件一般采用单芯片结构，其制造一般是通过焊料直接将芯片的电极和散热金属片连接，芯片的散热要求高，同时也对二极管器件的可靠性和安全性提出了更高的要求，对于高能量、高可靠性、高性能和低成本的半导体封装也更为紧迫。

因此，为提高产品的一致性和可靠性，需要提供一种新的半导体器件结构，以保障产品的可靠性和安全性。

实用新型内容

本申请提供一种半导体器件结构，能够避免封装时，二极管外部的导热金属对二极管芯片的应力作用，保障二极管器件的高可靠性和安全性。

根据本申请的一方面，一种实施例中提供一种半导体器件结构，包括：

第一导热电极层以及依次在所述第一导热电极层上设置的第一应力过渡层、二极管芯片、第二应力过渡层、第二导热层以及第二电极；

所述第一导热电极层用于散热并能够与外部电路形成导电连接；

所述二极管芯片具有底部焊接面和与所述底部焊接面相对的顶部焊接面，所述第一导热电极层与所述底部焊接面之间的第一应力过渡层的层数至少为一层；

所述第二导热层用于散热，所述顶部焊接面与所述第二导热层之间的第二应力过渡层的层数至少为一层，所述第二导热层用于散热；

所述第二电极与所述第二导热层连接，所述第二电极从所述第二导热层向所述第一导热电极层延伸，使所述第二电极的端部与所述第一导热电极层位于同一水平面。

一种实施例中，还包括硅胶涂层，所述硅胶涂层至少包覆在所述第一应力过渡层、第二应力过渡层以及二极管芯片的外周。

一种实施例中，多层所述第一应力过渡层的总厚度不超过350μm，多层所述第二应力过渡层的总厚度不超过350μm；所述第二电极与所述第二导热层通过焊接固定。

一种实施例中，所述第二导热层和所述第一导热电极层的材料为纯铜或铜合金。

一种实施例中，所述二极管芯片为TVS二极管芯片或整流管芯片。

一种实施例中，所述二极管芯片的数量为单个或多个，当所述二极管芯片的数量为多个时，多个所述二极管芯片通过焊片或焊锡连接。

一种实施例中，所述二极管芯片的衬底材料为硅、砷或锗，所述第一应力过渡层或第二应力过渡层的材料为硅、砷或锗。

一种实施例中，所述第一导热电极层表面积大于所述二极管芯片的底部焊接面的面积，所述第一应力过渡层的表面积介于所述第一导热电极层表面积和所述二极管的底部焊接面的面积之间。

一种实施例中，所述第二电极包括第一部分电极以及第二部分电极，所述第一部分电极的一端固定连接在所述第二导热层的端部，另一端设置为弯折连接段，所述第二部分电极的一端设置为弯折连接段，与所述第一部分电极的弯折连接段配合焊接固定，所述第二部分电极的另一端延伸至与所述第一导热电极层位于同一水平面。

一种实施例中，还包括封装壳，所述封装壳包覆在所述半导体器件外表面，露出所述第一导热电极层的部分外表面以及露出所述第二电极的端部。

依据上述实施例的二极管器件封装结构，包括第一导热电极层以及依次在所述第一导热电极层上设置的第一应力过渡层、二极管芯片、第二应力过渡层、第二导热层以及第二电极。即与二极管芯片的外表面直接连接的是应力过渡层，并且所设置的应力过渡层可以是大于一层的，这样，一方面使得在制造二极管器件的烧结或者焊接过程中第一导热电极层的应力不会直接作用在二极管芯片上，第二导热层的应力也不会直接作用在二极管芯片上，第一应力过渡层和第二应力过渡层可以吸收第一导热电极层和第二导热层的应力作用，不至于造成芯片碎裂，提高了器件制造的一致性，另一方面使得在器件的使用过程中第一导热电极层的应力不会直接作用在二极管芯片上，第二导热层的应力也不会直接作用在二极管芯片上，第一应力过渡层和第二应力过渡层可以吸收第一导热电极层和第二导热层的应力作用，提高使用过程中器件的可靠性和稳定性。

附图说明

图1为现有技术中一种二极管器件封装结构示意图；

图2为本实用新型一实施例中提供的半导体器件结构示意图；

图3为本实用新型一实施例中提供的半导体器件结构示意图。

具体实施方式

下面通过具体实施方式结合附图对本申请作进一步详细说明。其中不同实施方式中类似元件采用了相关联的类似的元件标号。在以下的实施方式中，很多细节描述是为了使得本申请能被更好的理解。然而，本领域技术人员可以毫不费力的认识到，其中部分特征在不同情况下是可以省略的，或者可以由其他元件、材料、方法所替代。在某些情况下，本申请相关的一些操作并没有在说明书中显示或者描述，这是为了避免本申请的核心部分被过多的描述所淹没，而对于本领域技术人员而言，详细描述这些相关操作并不是必要的，他们根据说明书中的描述以及本领域的一般技术知识即可完整了解相关操作。

另外，说明书中所描述的特点、操作或者特征可以以任意适当的方式结合形成各种实施方式，各实施例所涉及的操作步骤也可以按照本领域技术人员所能显而易见的方式进行顺序调换或调整。因此，说明书和附图只是为了清楚描述某一个实施例，并不意味着是必须的组成和/或顺序。

本文中为部件所编序号本身，例如“第一”、“第二”等，仅用于区分所描述的对象，不具有任何顺序或技术含义。而本申请所说“连接”、“联接”，如无特别说明，均包括直接和间接连接(联接)。

经分析可知，在电力电子二极管器件制造过程中，二极管芯片在封装时需要散热，往往是将二极管芯片的两个连接面分别直接与散热金属连接，例如参考图1中，芯片1的下表面直接焊接有散热金属电极2，上表面直接焊接有散热金属3，然后另一个电极4焊接在散热金属3上。经研究发现，由于散热金属的材料与二极管芯片之间的热膨胀系数差异较大，无论是在焊接烧结还是在客户使用过程中时浪涌冲击所产生的高温，会使得散热金属材料的膨胀尺寸远远大于二极管硅芯片的膨胀尺寸，这会导致散热金属与二极管芯片产生应力不均，特别是散热金属膨胀大于二极管芯片的膨胀，使得散热金属会对二极管芯片施加应力，在持续作用下硅芯片开裂失效。并且，由于散热金属在加工过程中会残留内应力，而金属材料存在应力松弛和蠕变效应，散热金属在内应力和时间的作用下发生非弹性变形，非弹性变形产生的应力作用于二极管芯片，最终也导致硅芯片的开裂失效。

因此，在对二极管进行封装的结构中，需要避免再制造过程中散热金属对芯片材料施加的应力，保障其制造的一致性，也需要避免器件在使用过程中发热引起的碎裂失效，保障其使用的可靠性和稳定性。

在本实施例中的二极管器件结构包括第一导热电极层以及依次在所述第一导热电极层上设置的第一应力过渡层、二极管芯片、第二应力过渡层、第二导热层以及第二电极。也就是与二极管芯片的外接表面直接连接的是应力过渡层，并且所设置的应力过渡层可以是大于一层的，这样，一方面使得在制造二极管器件的烧结或者焊接过程中第一导热电极层的应力不会直接作用在二极管芯片上，第二导热层的应力也不会直接作用在二极管芯片上，第一应力过渡层和第二应力过渡层可以吸收第一导热电极层和第二导热层的应力作用，不至于造成芯片碎裂，提高了器件制造的一致性，另一方面使得在器件的使用过程中第一导热电极层的应力不会直接作用在二极管芯片上，第二导热层的应力也不会直接作用在二极管芯片上，第一应力过渡层和第二应力过渡层可以吸收第一导热电极层和第二导热层的应力作用，提高使用过程中器件的可靠性和稳定性。

参考图2和图3，本实施例提供一种半导体器件结构，位于底层的第一导热电极层100，在所述第一导热电极层100上依次设置有第一应力过渡层201、二极管芯片300、第二应力过渡层202、第二导热层400以及第二电极600。

所述第一导热电极层100为金属导热层，能够用于散热并能够作为电极与外部电路形成导电连接。

本实施例中的第一导热电极层100的材料为纯铜或铜合金。

本实施例中的所述二极管芯片300可以所述二极管芯片300为TVS二极管芯片300，也可以是整流管芯片，所述二极管芯片300具有底部焊接面和与所述底部焊接面相对的顶部焊接面，所述底部焊接面和顶部焊接面能够与外部金属形成导电连接。

所述二极管芯片300的数量可以是单个，也可以是多个。当所述二极管芯片300的数量为多个时，多个所述二极管芯片300可以串联或并联连接。

本实施例中，所述第一导热电极层100与所述底部焊接面之间的第一应力过渡层201的层数为一层。

一些实施例中，所述第一导热电极层100与所述底部焊接面之间的第一应力过渡层201的层数为多层。

所述第一应力过渡层201的总厚度不超过350μm。当设置多层第一应力过渡层201时，多层所述第一应力过渡层201的总厚度可以不超过300μm。当设置多层第一应力过渡层201时，防止芯片碎裂的效果越好，为了降低多层第一应力过渡层201连接时的阻力，每层第一应力过渡层201在连接时可以采用锡铅银合金焊片进行连接。

本实施例中，所述第一导热电极层100表面积大于所述二极管芯片300的底部焊接面的面积，使得所述第一导热电极层100的散热效果更好。所述第一应力过渡层201的表面积可以小于所述第一导热电极层100表面积，还可以大于所述二极管的底部焊接面的面积。

在所述二极管芯片300的顶部焊接面上设置有第二导热层400，所述顶部焊接面与所述第二导热层400之间可以设有一层所述第二应力过渡层202，还可以设置有多层所述第二应力过渡层202。

当所述第二应力过渡层202为单层时，所述第二应力过渡层202的总厚度不超过350μm。当设置多层第二应力过渡层202时，多层所述第二应力过渡层202的总厚度可以不超过300μm。当设置多层第二应力过渡层202时，防止芯片碎裂的效果越好，为了降低多层第二应力过渡层202连接时的阻力，每层第二应力过渡层202在连接时可以采用锡铅银合金焊片进行连接。

本实施例中，所述第二导热层400为纯铜或者铜合金材料，用于散热，所述第二应力过渡层202能够缓解所述第二导热层400对芯片的应力作用。

所述第二导热层400的厚度可以小于所述第一导热电极层100的厚度。

本实施例中，还可以包括硅胶涂层500，所述硅胶涂层500位于所述第一导热电极层100的上方，至少包覆在所述第一应力过渡层201、第二应力过渡层202以及二极管芯片300的外周，所述硅胶涂层还可以包覆在部分所述第二导热层400的外周。所述硅胶涂层的材料可以是聚酰亚胺或硅树脂材料，可以提高该二极管芯片300的安全性。

所述第二电极600与所述第二导热层400连接，所述第二电极600从所述第二导热层400向所述第一导热电极层100延伸，使所述第二电极600的端部与所述第一导热电极层100位于同一水平面。

本实施例中，所述第二电极600延伸至于所述第一导热电极层100位于同一水平面，可以将所述二极管芯片300封装成为一个可以直接通过贴装的方式连接在外部电路的器件，更便于应用。

参考图3，所述第二电极600包括第一部分电极601以及第二部分电极602，所述第一部分电极601的一端固定连接在所述第二导热层400的侧端，另一端设置为第一弯折连接段，所述第二部分电极602的一端设置为第二弯折连接段，所述第二弯折连接段可以与所述第一弯折连接段配合焊接固定，所述第二部分电极602的另一端延伸至与所述第一导热电极层100位于同一水平面。所述第一弯折连接段为具有弯折的拐角结构，所述第二弯折连接段为与所述第一弯折连接段能够配合的拐角结构，通过所述第一弯折连接段和所述第二弯折连接段能够使得封装在使用时，能减少连接电路时，电极对所述第二导热层的拉扯，以减少对所述二极管芯片300产生拉扯应力，提高所述二极管的安全性，和封装的稳定性。

本实施例中，所述第一导热电极层100和所述第一应力过渡层201之间设有第一焊片11连接，所述第一应力过渡层201与所述二极管芯片300的底部焊接面之间设有第二焊片12，所述二极管芯片300的顶部焊接面与所述第二应力过渡层202之间设有第三焊片13，所述第二应力过渡层202与所述第二导热层400之间设有第四焊片14。所述第一焊片11、第二焊片12、第三焊片13、第四焊片14可以是锡、铅、银或者锡铅银合金材料所制成的焊片。

参考图2，所述第二导热层400与所述第二电极600之间可以设有第五焊片15，第五焊片15可以是锡、铅、银或者锡铅银合金材料所制成的焊片。

本实施例中，还包括封装壳，所述封装壳包覆在所述半导体器件外表面，露出所述第一导热电极层100的部分外表面以及露出所述第二电极600的端部，所述封装壳具有耐热性和高电绝缘性，能够更好的避免着火或爆裂的产生，实现对所述半导体器件的保护。

在本实施例中的二极管器件封装结构由于由下到上依次为第一导热电极层100、第一应力过渡层201、二极管芯片300、第二应力过渡层202、第二导热层400以及第二电极600，第二电极600的连接端延伸至于所述第一导热电极层100在同一水平面，之间具有第一应力过渡层201和第二应力过渡层202，吸收第一导热电极层100和第二导热层400对于二极管芯片300的收缩应力，能够避免制造过程中加热时造成芯片碎裂，提高了器件制造的一致性，同时使得在器件的使用过程中第一导热电极层100和第二导热层400的内应力也不会直接作用在二极管芯片300上，提高器件的可靠性和稳定性。

以上应用了具体个例对本实用新型进行阐述，只是用于帮助理解本实用新型，并不用以限制本实用新型。对于本实用新型所属技术领域的技术人员，依据本实用新型的思想，还可以做出若干简单推演、变形或替换。

Claims (10)

1.一种半导体器件结构，其特征在于，包括：

第一导热电极层以及依次在所述第一导热电极层上设置的第一应力过渡层、二极管芯片、第二应力过渡层、第二导热层以及第二电极；

所述第一导热电极层用于散热并能够与外部电路形成导电连接；

所述二极管芯片具有底部焊接面和与所述底部焊接面相对的顶部焊接面，所述第一导热电极层与所述底部焊接面之间的第一应力过渡层的层数至少为一层；

所述第二导热层用于散热，所述顶部焊接面与所述第二导热层之间的第二应力过渡层的层数至少为一层，所述第二导热层用于散热；

所述第二电极与所述第二导热层连接，所述第二电极从所述第二导热层向所述第一导热电极层延伸，使所述第二电极的端部与所述第一导热电极层位于同一水平面。

2.如权利要求1所述的半导体器件结构，其特征在于，还包括硅胶涂层，所述硅胶涂层至少包覆在所述第一应力过渡层、第二应力过渡层以及二极管芯片的外周。

3.如权利要求1所述的半导体器件结构，其特征在于，多层所述第一应力过渡层的总厚度不超过350μm，多层所述第二应力过渡层的总厚度不超过350μm；所述第二电极与所述第二导热层通过焊接固定。

4.如权利要求1所述的半导体器件结构，其特征在于，所述第二导热层和所述第一导热电极层的材料为纯铜或铜合金。

5.如权利要求1所述的半导体器件结构，其特征在于，所述二极管芯片为TVS二极管芯片或整流管芯片。

6.如权利要求1或5所述的半导体器件结构，其特征在于，所述二极管芯片的数量为单个或多个，当所述二极管芯片的数量为多个时，多个所述二极管芯片通过焊片或焊锡连接。

7.如权利要求6所述的半导体器件结构，其特征在于，所述二极管芯片的衬底材料为硅、砷或锗，所述第一应力过渡层或第二应力过渡层的材料为硅、砷或锗。

8.如权利要求1所述的半导体器件结构，其特征在于，所述第一导热电极层表面积大于所述二极管芯片的底部焊接面的面积，所述第一应力过渡层的表面积介于所述第一导热电极层表面积和所述二极管的底部焊接面的面积之间。

9.如权利要求1所述的半导体器件结构，其特征在于，所述第二电极包括第一部分电极以及第二部分电极，所述第一部分电极的一端固定连接在所述第二导热层的端部，另一端设置为弯折连接段，所述第二部分电极的一端设置为弯折连接段，与所述第一部分电极的弯折连接段配合焊接固定，所述第二部分电极的另一端延伸至与所述第一导热电极层位于同一水平面。

10.如权利要求1所述的半导体器件结构，其特征在于，还包括封装壳，所述封装壳包覆在所述半导体器件外表面，露出所述第一导热电极层的部分外表面以及露出所述第二电极的端部。

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