CN216213425U - 一种半导体封装结构 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种半导体封装结构，其特征在于，包括：第一框架，具有用于布置芯片的基岛；芯片，布置在所述基岛上；位于所述第一框架和所述芯片的第一表面之间的第一晶粒层，所述第一晶粒层为银晶粒粘接而成的银层。此半导体封装结构，工艺温度低、工作温度高，且导热和导电性能强。

Description

一种半导体封装结构

技术领域

本实用新型涉及半导体器件封装领域，具体涉及一种半导体封装结构。

背景技术

封装工艺中，芯片焊接(固晶/装片/贴片)是指将半导体器件通过焊接的方式固定在框架上。其中，焊接形成的焊接层不仅起到了为半导体器件提供电性、机械连接的作用，还作为主要的散热通道，为半导体器件提供散热。

常规的连接材料为软焊料(soft solder)、锡膏(solder paste)、导电胶等。这类连接材料的熔点大多在300℃以下。而采用此类连接材料的传统的硅基半导体器件，结温一般低于150℃，当温度升高到150℃以上时，例如当芯片的结温达到200℃左右时，持续工作下，焊点可能会出现裂纹，甚至芯片脱离焊点。连接层出现不稳定的情况，将影响器件的可靠性，甚至出现无法估计的损失。

第三代半导体(氮化镓、碳化硅等宽禁带半导体器件)相较传统的硅功率器件，在热导率、频率转换、耐热温度等方面表现更为优秀；且，这类半导体在250℃的工作环境中仍然保持着较好的工作能力和转换能力。显然，传统的连接材料不适合第三类半导体器件这种可以在更高工作温度中工作的半导体器件。否则，器件可靠性将完全无法保证。

因此，追求低的工艺温度和高的工作温度，追求高的导电、导热能力均是传统硅功率器件和第三代半导体器件共同的目标。

另外一方面，对于功率器件而言，散热是半导体设计中需要着重考虑的一方面。目前，功率器件，特别是大功率器件如功率MOSFET、lGBT等在消费类电子设备、航空航天、工业控制中应用非常广泛。随着功率器件的集成度的提高，对半导体器件的散热性能也提出了较高的要求，追求小的封装热阻、提高散热能力和半导体器件可靠性，是半导体封装企业面临的一个比较现实的问题。

如何解决上述问题成为亟需解决的问题。

实用新型内容

本实用新型提供了一种半导体封装结构，该半导体封装结构中采用纳米银浆烧结技术来降低工艺温度、提高工作温度，提高半导体器件的导热和导电性能，保证半导体器件的可靠性；此外，通过clip bond焊接工艺，一方面实现芯片的双面散热，降低封装热阻，提高半导体器件对外的散热能力；另一方面，相较于传统的金属引线，没有线弧高度，封装体可以实现更小尺寸，为半导体器件的小型化提供可能；通过在银浆中加入特定的粒子，且选择特定的银浆材料，可以增强连接的强度和可靠性，进一步保证器件可靠性。

本实用新型的一个实施例提出的半导体封装结构，包括：

第一框架，具有用于布置芯片的基岛；

芯片，布置在所述基岛上；

位于所述第一框架和所述芯片的第一表面之间的第一晶粒层，所述第一晶粒层为银晶粒粘接而成的银层；所述第一晶粒层由纳米银浆烧结而成。

银层作为芯片与框架直接的连接层，银熔点为961℃；而晶粒层的银粒子为微米级，熔点接近银的熔点，这可以保证焊接材料可以工作在较高温度，从而提高芯片工作温度。同时，银具有较好的导电和导热性能。

可选地，还包括：

第二框架；

位于所述第二框架和所述芯片的第二表面之间的第二晶粒层，所述第二晶粒层为银晶粒粘接而成的银层；所述第二晶粒层由纳米银浆烧结而成。芯片上下表面与框架焊接，可以实现芯片的双面散热，从而提高器件对外散热能力。

可选地，所述第一框架与所述第一晶粒层之间依次包括第一金属层、第二金属层；所述第二框架与所述第二晶粒层之间包括第三金属层、第四金属层。在框架上镀金属层，可以提高烧结速度；而在该金属层与银层之间设置金属层，可以作为扩散阻挡层，阻挡框架材料原子的扩散，从而形成氧化物。

可选地，所述第一金属层、第三金属层为银、金、钯、铂中的任一种；所述第二金属层、第四金属层为镍。

可选地，所述纳米银浆包括不同粒径的纳米银粒，或者，所述纳米银浆包括纳米银片和纳米银粒。采用不同粒径的纳米银粒可以使得烧结充分，而加入纳米银片，可以增强连接的强度。

可选地，所述第一晶粒层、第二晶粒层包括钯颗粒。在纳米银浆中加入钯颗粒，可以增加烧结银接头的可靠性。

可选地，所述纳米银浆包括助焊剂以加快烧结速度。

可选地，所述纳米银浆中包括有机溶剂以避免纳米银浆中银粉出现团聚现象。

可选地，所述纳米银粒粒径为20-80纳米。

可选地，所述第一框架包括多个引脚，所述多个引脚一端与所述基岛连接。这变相加宽了引脚宽度，从而提高器件对外界环境散热的能力。

采用上述技术方案本实用新型的优势在于：

(1)采用烧结纳米银浆，降低封装工艺温度，同时提高器件工作温度，可以保证常规的硅基半导体可靠性，也可以适应第三代半导体的散热需求；

(2)高散热性能和高导电能力；

(3)芯片采用clip bond方式，封装尺寸小，工艺流程简单；

(4)芯片可以实现双面散热，降低封装热阻；

(5)宽引脚和多引脚连接设计，可以提高散热性能；

(6)纳米银浆各成分的选择，可以增加连接质量，提高可靠性。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型的技术方案，下面将对实施例的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅涉及本实用新型的一些实施例，而非对本实用新型的限制。

图1是本实用新型的一个实施例提供的半导体封装结构剖视图；

图2是本实用新型的另一个实施例提供的半导体封装结构剖视图；

图3是本实用新型的另一个实施例提供的半导体封装结构剖视图；

图4是本实用新型的一个实施例提供的半导体封装结构的第一框架的俯视图；

图5是本实用新型的另一个实施例提供的半导体封装结构的第一框架的俯视图；

图中：1-第一框架；2-芯片；3-第一晶粒层；4-第二框架；5-第二晶粒层；6-第一金属层、7-第二金属层、8-第三金属层、9-第四金属层、10-基岛、11-引脚。

具体实施方式

为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例的附图，对本实用新型实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本实用新型的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本实用新型的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

如图1、4-5所示，本实用新型的一种实施例提出的半导体封装结构，包括：第一框架1、芯片2、第一晶粒层3。

其中，第一框架1，具有用于布置芯片2的基岛10；基岛10可以与引脚11直接连接，当然地，也可以设置分离的引脚11，通过铜、铝条带来实现clip bond连接或者引线(金丝、铝丝、铜丝)来实现wire bond连接。其中，clip bond一个比较大的优势在于具有更低的封装电阻、更高的通流能力和更好的导热性能。

第一框架1的材质可以选择为铜、银、铝等金属材料或合金材料。

芯片2，布置在所述基岛10上；具体地，芯片2的电极可以通过焊接的方式与基岛10实现连接。焊接层一方面实现芯片2的机械连接和电气连接，另一方面还作为主要散热通道实现芯片向外界环境散热。

芯片2可以是传统的硅基的，也可以是采用第三代半导体材料的，例如氮化镓、碳化硅等宽禁带半导体材料。

第一晶粒层3，位于所述第一框架1和所述芯片2的第一表面之间。第一晶粒层3为银晶粒粘接而成的银层。本实用新型中银晶粒之间相互粘接，形成致密化的银层。可选地，晶粒层3由纳米银浆烧结而成。当然，由于工艺的原因，银层中还会包括小孔隙。尽管如此，银层熔点可以达到800℃以上，几乎可以接近银熔点961℃，比焊料的工作温度250℃高出了几百摄氏度。因此，银层可以保证半导体器件，特别是功率半导体器件工作在较高的工作温度，可以适应新型半导体材料高工作温度的需求，增加器件可靠性。另一方面，作为焊接层的银层，导电和导热特性优良，且价格相对便宜。

如图2所示，本实用新型的另一种实施例提出的半导体封装结构还包括第二框架4和第二晶粒层5。

第二晶粒层5位于所述第二框架4和所述芯片2的第二表面之间的；所述第二晶粒层5为银晶粒粘接而成的银层。可选地，晶粒层5由纳米银浆烧结而成。此银层与上述第一晶粒层3的银层是相同的，采用相同的工艺生成，同样地，由于工艺的原因，银层中会包括小孔隙。

可以理解地，这种半导体封装结构实际为c1ip bond工艺，芯片2的上下表面均通过焊接的方式焊接到引线框架上。采用铜、铝条带代替了传统的金属引线(wire bonding)，一方面由于没有了引线弧度，芯片封装尺寸减少，且不需要一个焊点一个焊点地焊接，节约了工作时间和工作成本；另一方面，采用合片的方式实现了芯片的双面散热，利于半导体器件对外界环境散热。

进一步地，银层作为焊接层，可以大大提高半导体结构的导热、导电性能，提高半导体器件的工作温度。所述半导体封装结构可以为肖特基二极管、MOSFET等半导体器件。

为了进一步减少封装热阻，如图4所示，引脚11可以设置为宽引脚。宽引脚可以增大导通通道横截面积，降低封装电阻。

如图5所示，也可以为了减少应力，降低切筋的难度，同时保证散热，选择设置多个引脚11，引脚11一端与基岛10连接，另一端伸出半导体封装壳体之外。第二种做法实际上变相增加了与基岛10连接的引脚宽度，在解决了宽引脚应力较大，切筋难度大的问题的基础上保证了半导体器件对外散热能力。

当然地，根据散热需求，第二框架4也可以按照上述方式设置引脚，即设置宽引脚或者多个一端相互连接的引脚。

如图3所示，一个实施例中，半导体封装结构从下到上依次包括第一框架1、第一金属层6、第二金属层7、第一晶粒层3、芯片2、第二晶粒层5、第四金属层9、第三金属层8、第一框架4。

其中，第一金属层6、第三金属层8为银、金、钯、铂中的任一种；第二金属层7、第四金属层9为镍。

可以采用电镀的方式来铺设上述四个金属层。其中，第一金属层6、第三金属层8可以保证银浆的烧结速度，具有更好的烧结性能；第二金属层7、第四金属层9作为阻挡层，可以阻挡框架材料扩散出而形成氧化物，导致热膨胀系数失配，从而导致热疲劳。例如，铜框架中的铜通过第一金属层6、第三金属层8扩散出而形成氧化物。当然地，第二金属层7、第四金属层9为可选层，也可以根据需要而不设置。

此外，芯片上下表面也可以选择金属镀层(图中未示出)。金属镀层选择为银、金、钯、铂中的任一种；采用电镀的方式将金属铺设在芯片上，之后，同样可以选择再电镀一层镍作为扩散阻挡层覆盖第一次电镀的金属。

本实用新型中第一晶粒层3、第二晶粒层5由纳米银浆烧结而成。可以理解地，烧结是粉末或粉末压坯加热到低于其基本成分的熔点的温度，然后以一定的方法和速度冷却到室温的过程。烧结的结果是粉末颗粒之间发生粘结，烧结体的强度增加，把粉末颗粒的聚集体变成为晶粒的聚结体，从而获得所需的物理、机械性能的制品或材料；其中，烧结后形成了银作为材质的晶粒粘接而成的晶粒层。也可以认为，烧结后的银层是银颗粒构成的聚集体粘接成的，聚集体之间具有孔隙。

本实用新型中纳米银浆(nano silver paste)包括纳米银粒子。可以理解地，银浆指银或其化合物、助熔剂、粘合剂和稀释剂配制的混合物。而纳米银浆采用了纳米级的银颗粒，指高浓度的银纳米颗粒均匀分散在溶剂中。该溶剂可以为上述助熔剂、粘合剂、稀释剂至少一个。纳米银(Nano Silver)就是将粒径做到纳米级的金属银单质，粒径小于100nm，一般在25-50nm之间。当然，也可以小于25nm。可以理解，纳米颗粒比表面积小且表面曲率半径小，比常规的粉体具有更低的熔点和焊接温度。对于纳米银来说，当其粒径在10nm以下时，烧结温度在100℃以下，而常规的块状的银熔点在961℃。这意味着采用纳米银颗粒作为连接材料，可以大大降低器件的工艺温度。举例来说，采用包含粒径为10nm以下的纳米银粒子(纳米颗粒)的纳米银浆，加热到100℃左右，保持一定时间并冷却，纳米银颗粒会变为晶粒并相互聚集粘接而成为熔点几乎接近银块熔点961℃的烧结体粘接而成的银层。也就是说，此时，采用纳米银浆作为连接材料，实际的工艺温度为100℃左右，而半导体器件的工作温度可以大大提高。

当然，纳米银粒子，半径越小，需要加热到的发生颈连的温度也越小，更有助于提高纳米银粒的烧结速度。这也意味着，纳米银粒径增大，其烧结温度也逐渐增大。因此，可以根据需要的性能合理选择纳米银的粒径和加热温度。

可选地，纳米银粒子优选为不同粒径。理由是，采用半径不同的纳米银粒可以使得烧结充分，具有连续的界面连接，连接质量提高。若采用粒径相同的纳米银粒子，则很可能出现烧结不充分，残留有机物等问题，降低连接质量。本实用新型采用的纳米银粒子粒径(直径)为20-80纳米不等。其中，粒径的均值约为40纳米。

还有一种做法是，纳米银浆采用纳米银片和纳米银粒的混合物。将纳米银片和纳米银粒按一定比例混合从而得到纳米银浆。纳米银片可以提高连接的强度，减少缺陷。其中，纳米银粒可以选择相同半径。当然地，纳米银粒子优选为上述不同粒径的颗粒。

在制作过程中，纳米银粉中可以先加入有机溶剂，以避免银粉出现聚合现象。可以理解地，在烧结过程中，温度达到一定值后，有机添加物会高温分解从而挥发掉。烧结后只留下纯银的连接层。

下面就纳米银浆烧结过程进行详细说明。对纳米银浆加热，加热到一定温度后，若银粉中事先添加了有机添加物，则有机添加物会高温分解掉。在烧结初期，纳米银粒子会在烧结力的驱动之下重新移动并排列到更加稳定的位置以降低系统的表面能，从而实现致密化过程。此过程中，纳米银颗粒之间会形成烧结颈，烧结颈逐渐形成和长大，半径可以增加到纳米粒子半径的几倍。在烧结中期阶段，烧结颈由于生长逐渐长大和聚集，银层中出现孔隙，在界面能和表面能的作用下，孔隙逐渐开始稳定；在烧结后期，孔隙逐渐变小，被分割，最终银层经过致密化密度增大，达到一定值，烧结停止。最终，烧结产生的结果是晶粒聚集粘接在一起形成致密化的银层，可以理解地，实际上，晶粒层(3，5)也为烧结颈粘接而成的银层。根据烧结条件，一般该银层为带有孔隙的银层。

也可以在银粉中加入助焊剂以加快烧结速度。助焊剂是在焊接工艺中能帮助和促进焊接过程，同时具有保护作用、阻止氧化反应的化学物质。一般多使用主要由松香、树脂、含卤化物的活性剂、添加剂和有机溶剂组成的松香树脂系助焊剂。也可以采用免洗助焊剂，其主要原料为有机溶剂，松香树脂及其衍生物、合成树脂表面活性剂、有机酸活化剂、防腐蚀剂，助溶剂、成膜剂。

一种实施方式中，第一晶粒层3、第二晶粒层5中还包括钯颗粒。制作纳米银浆时，可在银粉中混合加入钯颗粒，其粒径选择为50-80纳米。其中，块状的钯的熔点为1554℃。烧结过程是通过扩散实现的致密化过程，烧结过程中，银粒子向钯颗粒扩散形成Ag-Pd合金。加入Pd后，可以抑制银的氧化，加入Pd颗粒对银在高温下的电化学迁移行为起到了抑制作用，可以增加烧结银接头的可靠性。

对于本领域技术人员而言，显然本实用新型不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本实用新型的精神或基本特征的情况下，能够以其它的具体形式实现本实用新型。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本申请的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本申请内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

Claims (10)

1.一种半导体封装结构，其特征在于，包括：

第一框架，具有用于布置芯片的基岛；

芯片，布置在所述基岛上；

位于所述第一框架和所述芯片的第一表面之间的第一晶粒层，所述第一晶粒层为银晶粒粘接而成的银层；所述第一晶粒层由纳米银浆烧结而成。

2.根据权利要求1所述的一种半导体封装结构，其特征在于，还包括：

第二框架；

位于所述第二框架和所述芯片的第二表面之间的第二晶粒层，所述第二晶粒层为银晶粒粘接而成的银层；所述第二晶粒层由纳米银浆烧结而成。

3.根据权利要求2所述的一种半导体封装结构，其特征在于，所述第一框架与所述第一晶粒层之间依次包括第一金属层、第二金属层；所述第二框架与所述第二晶粒层之间依次包括第三金属层、第四金属层。

4.根据权利要求3所述的半导体封装结构，其特征在于，所述第一金属层、第三金属层为银、金、钯、铂中的任一种；所述第二金属层、第四金属层为镍。

5.根据权利要求1-4任一项所述的半导体封装结构，其特征在于，所述纳米银浆包括不同粒径的纳米银粒，或者，所述纳米银浆包括纳米银片和纳米银粒。

6.根据权利要求2-4任一项所述的半导体封装结构，其特征在于，所述第一晶粒层、第二晶粒层包括钯颗粒。

7.根据权利要求1-4任一项所述的半导体封装结构，其特征在于，所述纳米银浆包括助焊剂。

8.根据权利要求1-4任一项所述的半导体封装结构，其特征在于，所述纳米银浆中包括有机溶剂。

9.根据权利要求5所述的半导体封装结构，其特征在于，所述纳米银粒粒径为20-80纳米。

10.根据权利要求1-4任一项所述的半导体封装结构，其特征在于，所述第一框架包括多个引脚，所述多个引脚一端与所述基岛连接。

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