CN216288437U - 氮化镓功率器件封装结构 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种氮化镓功率器件封装结构，包括衬底、晶体管、ESD屏蔽层及氢气吸收层；ESD屏蔽层与衬底相接触，形成电连接；晶体管位于衬底表面，且位于ESD屏蔽层和衬底封闭而成的空间内；氢气吸收层位于ESD屏蔽层的内表面，氢气吸收层包括吸氢金属层和位于吸氢金属层上的能渗透氢的保护层。本实用新型利用氢气吸收层对氢的吸收能力是相同体积的硅基吸气剂的25倍，所占体积非常小，方便沉积在各种形状的基体上，不需要进行高温组合固化工艺，也不需要长时间的烘烤等优点，可从封装材料中引出并吸收氢，从而可提高器件的可靠性，且可释放器件在封装过程中产生的静电积累，有助于提高器件贴片封装的静电防护特性和可靠性。

Description

氮化镓功率器件封装结构

技术领域

本实用新型涉及半导体技术领域，特别是涉及一种氮化镓功率器件封装结构。

背景技术

引入p-GaN帽层结构是制作增强型GaN功率晶体管的常用工艺方法之一。而GaN的p型掺杂最常用元素是Mg，影响p型GaN材料杂质激活的主要因素是H原子钝化p型受主杂质活性。Mg作为受主杂质掺杂时，与H形成了电中性的Mg-H络合物，使Mg不能有效地替代Ga的位置，从而失去电活性。所以，封装材料中的H极易通过钝化Mg受主的方式导致p-GaN增强型晶体管的性能退化。

氮化镓功率器件封装密闭后，在高温恶劣的工作环境下，封装管壳材料本身会释放出少量氢气。密封电子器件组件中的氢气主要来源包括金属外壳、内部元件、吸波材料等，具体原因为：(1)外壳材料在制造过程中本身会引入氢；(2)退火、烧结等工艺过程可能在氢气氛围中进行，从而引入氢；(3)金属外壳电镀过程也会引入氢；(4)芯片等焊接过程同样可能在氢气保护下进行。这些引入氢的过程不能完全避免。随着器件的使用，外壳、各封装元件中的氢会缓慢释放，在密封外壳的阻隔下，这些氢无法释放到器件组件外部，所以氢在密封腔体内部聚集，易造成器件功能失效。

目前常见的封装材料除氢技术，从工艺上而言，主要是器件组件密封前在氮气气氛下进行长时间的烘烤，从而排除封装材料中吸附的氢气。但长期的高温烘烤，一方面对设备的要求较高，同时也增加了生产周期；另一方面，有研究人员发现，封装壳体经长时间高温烘烤会发生互扩散和氧化，造成组装过程的可焊性和可靠性降低。另一种技术是将铂族金属及其化合物作为氢气吸收剂与有机物黏结剂在一定温度下组合固化。这种吸氢方式的工艺比较复杂，且不适合用在形状不规则及空间较小的结构中。

实用新型内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本实用新型的目的在于提供一种氮化镓功率器件封装结构，用于解决现有技术中的氮化镓功率器件采用氮气氛围高温烘烤除氢工艺对设备要求高，且导致生产周期长，同时容易造成器件的可焊性和可靠性下降，而采用铂族金属及其化合物作为氢气吸附剂与有机物黏结剂在一定温度下组合固化进行除氢的工艺比较复杂，且不适合用在形状不规则及空间较小的器件结构中等问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本实用新型提供一种氮化镓功率器件封装结构，所述氮化镓功率器件封装结构包括框架、衬底、氮化镓功率器件、ESD屏蔽层及氢气吸收层；所述ESD屏蔽层与所述衬底相接触，所述氮化镓功率器件位于衬底表面，且位于ESD屏蔽层和衬底封闭而成的空间内；所述氢气吸收层位于所述ESD屏蔽层的内表面，所述氢气吸收层包括吸氢金属层和位于吸氢金属层上的能渗透氢的保护层。

可选地，所述吸氢金属层包括铂族金属层、铁金属层、镍金属层、钛金属层、钒金属层、锆金属层、铬金属层、钴金属层、稀土金属层和合金层的任意一种或多种的层叠。

可选地，所述保护层包括钯层。

可选地，所述吸氢金属层的厚度大于等于1μm。

可选地，所述保护层的厚度为150nm-250nm。

可选地，所述氢气吸收层和所述ESD屏蔽层之间还形成有粘结金属层。

更可选地，所述粘结金属层包括钛层和钨化钛层中的一种或两种的层叠。

可选地，所述粘结金属层的厚度为10nm-30nm。

可选地，所述ESD屏蔽层和所述氮化镓功率器件的间隙内填充有绝缘材料层。

可选地，所述ESD屏蔽层包括框架和位于所述框架表面的导电金属层。

可选地，所述导电金属层包括铜金属层、铝金属层、铜合金层和铝合金层中的任意一种或多种的层叠。

可选地，所述衬底上设置有接地焊盘，所述接地焊盘与所述氮化镓功率器件的源极金属焊盘电连接。

如上所述，本实用新型的氮化镓功率器件封装结构，具有以下有益效果：本实用新型提供的氮化镓功率器件封装结构在封装结构中引入氢气吸收层作为氢吸收剂，利用氢气吸收层对氢的吸收能力是相同体积的硅基吸气剂的25倍，且所占体积非常小，方便沉积在各种形状的基体上，不需要进行高温组合固化工艺，也不需要长时间的烘烤等优点，可从封装材料中引出并吸收氢，从而可提高氮化镓功率器件贴片封装的可靠性。同时，氢气吸收层与ESD屏蔽层共同构成静电防护装置，利用一种低成本的、工艺简洁的方式，释放氮化镓功率器件在封装过程中产生的静电积累，可以避免封装元器件在接入电子线路通电前，因为制备过程中的焊接、摩擦、感应等造成的静电聚集和击穿，从而可以提高器件的性能和封装可靠性。

附图说明

图1显示为本实用新型提供的氮化镓功率器件封装结构的例示性结构示意图。

元件标号说明

1 衬底

2 晶体管

3 氢气吸收层

4 接地焊盘

5 源极金属焊盘

6 漏极金属焊盘

7 绝缘材料层

8 ESD屏蔽层

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本实用新型的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本实用新型的其他优点与功效。本实用新型还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本实用新型的精神下进行各种修饰或改变。如在详述本实用新型实施例时，为便于说明，表示器件结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本实用新型保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。

为了方便描述，此处可能使用诸如“之下”、“下方”、“低于”、“下面”、“上方”、“上”等的空间关系词语来描述附图中所示的一个元件或特征与其他元件或特征的关系。将理解到，这些空间关系词语意图包含使用中或操作中的器件的、除了附图中描绘的方向之外的其他方向。此外，当一层被称为在两层“之间”时，它可以是所述两层之间仅有的层，或者也可以存在一个或多个介于其间的层。

在本申请的上下文中，所描述的第一特征在第二特征“之上”的结构可以包括第一和第二特征形成为直接接触的实施例，也可以包括另外的特征形成在第一和第二特征之间的实施例，这样第一和第二特征可能不是直接接触。

需要说明的是,本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本实用新型的基本构想，遂图式中仅显示与本实用新型中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。为使图示尽量简洁，各附图中并未对所有的结构全部标示。

请参阅图1。

如图1所示，本实用新型提供一种氮化镓功率器件封装结构，所述氮化镓功率器件封装结构包括框架、衬底1、晶体管2、ESD屏蔽层8及氢气吸收层3；所述ESD屏蔽层8位于所述框架的内表面，与所述衬底1相接触，并与所述衬底1形成电连接，即所述ESD屏蔽层8与所述衬底1相接触而构成一封闭空间，所述晶体管2位于衬底1表面，比如所述晶体管2可以贴装于所述衬底1表面，当然，所述晶体管2也可以通过常规的氮化镓功率器件工艺形成于所述衬底1表面，且所述晶体管2位于ESD屏蔽层8和衬底1封闭而成的空间内，或者说所述ESD屏蔽层8覆盖所述晶体管2，并和所述衬底1将所述晶体管2密封；所述氢气吸收层3位于所述ESD屏蔽层8的内表面，比如可以位于ESD屏蔽层8的局部内表面，但较优地为分布于ESD屏蔽层8的整个内表面以增强氢气吸收效果，所述氢气吸收层3包括吸氢金属层和位于吸氢金属层上的能渗透氢的保护层，所述吸氢金属层用于吸收和化学结合氢原子，所述保护层用于保护所述吸氢金属层不被氧化。本实用新型提供的氮化镓功率器件封装结构在封装结构中引入氢气吸收层作为氢吸收剂，利用氢气吸收层对氢的吸收能力是相同体积的硅基吸气剂的25倍，且所占体积非常小，方便沉积在各种形状的基体上，不需要进行高温组合固化工艺，也不需要长时间的烘烤等优点，可从封装材料中引出并吸收氢，从而可提高氮化镓功率器件贴片封装的可靠性。同时，氢气吸收层与ESD屏蔽层共同构成静电防护装置，利用一种低成本的、工艺简洁的方式，释放氮化镓功率器件在封装过程中产生的静电积累，可以从避免封装元器件在接入电子线路通电前，因为制备过程中的焊接、摩擦、感应等造成的静电聚集和击穿，从而提高器件的性能和封装可靠性。

作为示例，所述吸氢金属层包括铂族金属层(包括钯、铑、铱、铂)、铁金属层、镍金属层、钛金属层、钒金属层、锆金属层、铬金属层、钴金属层、稀土金属层和合金层的任意一种或多种的层叠，即所述吸氢金属层可以为单层结构，也可以是多个金属层的堆叠，既可以是单一金属层，也可以是铂族金属、铁、镍、钛、钒、锆、铬、钴、稀土金属这些金属的合金层。所述吸氢金属层的厚度与其吸收和化学结合氢原子的能力、封装器件的寿命相关，为确保较佳的氢气吸收效果，所述吸氢金属层的厚度较佳地为≥1um。

所述保护层包括但不限于钯层，所述保护层用于防止吸氢金属层被氧化，但同时不会阻挡氢气自器件内部渗透到外部。所述保护层的厚度可以根据其材质特性、工艺需要等而定，较佳地为150nm-250nm，比如为150nm，200nm，250nm或这区间的任意值。

在一示例中，所述氢气吸收层3和所述ESD屏蔽层8之间还形成有粘结金属层(未示出)，以使所述氢气吸收层3和所述ESD屏蔽层8之间形成良好的粘结。所述粘结金属层包括但不限于钛层和钨化钛层中的一种或两种的层叠，所述粘结金属层不宜太厚，否则会导致器件封装体积偏大，也不宜过小，否则难以起到较好的粘结作用。较佳地，所述粘结金属层的厚度为10nm-30nm。

在一示例中，所述ESD屏蔽层8和所述晶体管2的间隙内填充有绝缘材料层7，例如树脂材料层，以对所述晶体管2进行良好的保护，比如可以避免外界冲击，避免水汽渗入等。

所述ESD屏蔽层8可以为纯金属框架，也可以为包括塑料框架和位于所述塑料框架表面的导电金属层的复合结构。所述导电金属层包括但不限于铜金属层、铝金属层、铜合金层和铝合金层中的任意一种或多种的层叠。ESD屏蔽层8在器件工作过程中通常接地。

作为示例，所述衬底1上设置有接地焊盘4，所述接地焊盘4与所述晶体管2的源极金属焊盘5电连接，例如通过金属引线电连接，或通过衬底1上的金属层实现电连接，而晶体管2的漏极金属焊盘6可以接地。

本实用新型提供的氮化镓功率器件封装结构的例示性制备过程如下：

(1)在框架表面形成导电金属层以制备得到ESD屏蔽层8，必要时可以先形成粘结金属层，再形成所述导电金属层；

(2)在该导电金属层上沉积一层或多层用于吸收和化学结合氢原子的金属或合金薄膜作为氢气吸收层3；

(3)在步骤(2)所沉积的氢气吸收层3上，沉积一层用来防止氧化，但能渗透氢的钯金属层作为保护层；

(4)将绝缘材料层7与所述框架贴合；

(5)将所述框架与贴装了晶体管2的基片贴合，其中，衬底1的接地焊盘与ESD屏蔽层8的一个端部形成电连接，衬底1上的接地焊盘通过引线或衬底1上的金属层与氮化镓功率器件2源级金属焊盘互连。

作为示例，上述步骤(1)～(3)中的各金属层或合金薄膜层通过真空镀膜(如电子束蒸发镀、溅射等)方法连续沉积而成。

综上所述，本实用新型提供一种氮化镓功率器件封装结构。所述氮化镓功率器件封装结构包括衬底、晶体管、ESD屏蔽层及氢气吸收层；所述ESD屏蔽层与所述衬底相接触，所述晶体管件位于衬底表面，且位于ESD屏蔽层和衬底封闭而成的空间内；所述氢气吸收层位于所述ESD屏蔽层的内表面，所述氢气吸收层包括吸氢金属层和位于吸氢金属层上的能渗透氢的保护层。本实用新型提供的氮化镓功率器件封装结构在封装结构中引入氢气吸收层作为氢吸收剂，利用氢气吸收层对氢的吸收能力是相同体积的硅基吸气剂的25倍，且所占体积非常小，方便沉积在各种形状的基体上，不需要进行高温组合固化工艺，也不需要长时间的烘烤等优点，可从封装材料中引出并吸收氢，从而可提高氮化镓功率器件贴片封装的可靠性。同时，氢气吸收层与ESD屏蔽层共同构成静电防护装置，利用一种低成本的、工艺简洁的方式，释放氮化镓功率器件在封装过程中产生的静电积累，可以从避免封装元器件在接入电子线路通电前，因为制备过程中的焊接、摩擦、感应等造成的静电聚集和击穿，从而提高器件的性能和封装可靠性。所以，本实用新型有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本实用新型的原理及其功效，而非用于限制本实用新型。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本实用新型的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本实用新型所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本实用新型的权利要求所涵盖。

Claims (10)

1.一种氮化镓功率器件封装结构，其特征在于，所述氮化镓功率器件封装结构包括框架、衬底、晶体管、ESD屏蔽层及氢气吸收层；所述ESD屏蔽层位于所述框架的内表面，与所述衬底相接触，并与所述衬底形成电连接；所述晶体管位于衬底表面，且位于ESD屏蔽层和衬底封闭而成的空间内；所述氢气吸收层位于所述ESD屏蔽层的内表面，所述氢气吸收层包括吸氢金属层和位于吸氢金属层上的能渗透氢的保护层。

2.根据权利要求1所述的氮化镓功率器件封装结构，其特征在于，所述吸氢金属层包括铂族金属层、铁金属层、镍金属层、钛金属层、钒金属层、锆金属层、铬金属层、钴金属层、稀土金属层和合金层的任意一种或多种的层叠。

3.根据权利要求1所述的氮化镓功率器件封装结构，其特征在于，所述保护层包括钯层。

4.根据权利要求1所述的氮化镓功率器件封装结构，其特征在于，所述吸氢金属层的厚度大于等于1μm，所述保护层的厚度为150nm-250nm。

5.根据权利要求1所述的氮化镓功率器件封装结构，其特征在于，所述氢气吸收层和所述ESD屏蔽层之间还形成有粘结金属层。

6.根据权利要求5所述的氮化镓功率器件封装结构，其特征在于，所述粘结金属层包括钛层和钨化钛层中的一种或两种的层叠，所述粘结金属层的厚度为10nm-30nm。

7.根据权利要求1所述的氮化镓功率器件封装结构，其特征在于，所述ESD屏蔽层和所述晶体管的间隙内填充有绝缘材料层。

8.根据权利要求1所述的氮化镓功率器件封装结构，其特征在于，所述ESD屏蔽层包括位于所述框架内表面的导电金属层。

9.根据权利要求8所述的氮化镓功率器件封装结构，其特征在于，所述导电金属层包括铜金属层、铝金属层、铜合金层和铝合金层中的任意一种或多种的层叠。

10.根据权利要求1-9任一项所述的氮化镓功率器件封装结构，其特征在于，所述衬底上设置有接地焊盘，所述接地焊盘与所述晶体管的源极金属焊盘电连接。

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