CN217983323U - 一种封装结构 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种封装结构，涉及半导体技术领域，本申请的封装结构，包括衬底，衬底的上表面内凹形成凹槽，凹槽内设置有芯片，芯片的上表面与衬底的上表面平齐，衬底的上表面设置有绝缘散热层，绝缘散热层覆盖芯片的上表面，衬底下表面对应凹槽贴合设置有散热片。本申请提供的封装结构，能够提高封装结构的散热效果。

Description

一种封装结构

技术领域

本申请涉及半导体技术领域，具体而言，涉及一种封装结构。

背景技术

半导体衬底在集成电路和半导体器件中有着重要应用。半导体功率器件是进行电能处理的半导体器件，是弱电控制与强电运行件的桥梁，由于半导体功率器件的功率较大，所以产生的热量较多，散热是半导体功率器件可靠设计中所要考虑的重要部分。由于半导体功率器件是靠电能才能工作的器件，散热无论在性能和产品使用寿命方面都起着重要作用。半导体功率器件的散热问题一直是研发的重中之重，散热问题已成为影响半导体功率器件性能提升的重要影响因素。

目前行业内大部分生产氮化镓功率器件的厂家，都在做一种主流的封装方法，该方法主要是用硅及其他材料作为衬底，在衬底上外延氮化镓并在氮化镓上表面设计金属电极，然后对做好的芯片进行框架封装，这种封装方法存在很大的技术弊端，衬底的导热能力较差，特别是大功率器件在工作的时候，电流太大，产生的热量也同样很大，框架封装中芯片背部连接铜板是唯一的散热通道，还受困于衬底的热导系数，面积和厚度，从而使得散热效果不佳。

实用新型内容

本申请的目的在于提供一种封装结构，能够提高封装结构的散热效果。

本申请的实施例一方面提供了一种封装结构，包括衬底，衬底的上表面内凹形成凹槽，凹槽内设置有芯片，芯片的上表面与衬底的上表面平齐，衬底的上表面设置有绝缘散热层，绝缘散热层覆盖芯片的上表面，衬底下表面对应凹槽贴合设置有散热片。

作为一种可实施的方式，在凹槽的侧壁设置有传热层，用于传导凹槽内设置的芯片的热量。

作为一种可实施的方式，衬底位于凹槽内的厚度小于等于50um。

作为一种可实施的方式，凹槽为穿透衬底的通槽，散热片贴合设置于衬底下表面以覆盖凹槽，散热片与传热层连接。

作为一种可实施的方式，传热层为高导热材料与树脂混合的混合物固化后形成。

作为一种可实施的方式，衬底上表面相对的两侧内凹形成缺口，绝缘散热层填充缺口以增大绝缘散热层与衬底的接触面积。

作为一种可实施的方式，缺口的底壁部分内凹形成穿透衬底的通孔，芯片上表面的电极对应两侧的缺口设置，金属线通过缺口和通孔将芯片的电极引出至衬底的下表面。

作为一种可实施的方式，衬底包括硅基底、蓝宝石基底、陶瓷基底、砷化镓基底、磷化铟基底中的一种。

作为一种可实施的方式，衬底包括硅基底，硅基底的外表面涂覆第二绝缘层，芯片的电极穿过第二绝缘层引出。

作为一种可实施的方式，绝缘散热层包含热塑性塑料以及均匀分布于热塑性塑料中的复合导热填料，其中，复合导热填料包含石墨烯和无机绝缘型导热填料。

本申请实施例的有益效果包括：

本申请提供的封装结构，包括衬底，衬底的上表面内凹形成凹槽，凹槽内设置有芯片，芯片在工作时，会产生热量，特别是芯片为大功率器件时，产生的热量更多，芯片的上表面与衬底的上表面平齐，衬底的上表面设置有绝缘散热层，绝缘散热层覆盖芯片的上表面，绝缘散热层能够吸收芯片上表面的热量，并传导至外部环境中，衬底下表面对应凹槽贴合设置有散热片，芯片的侧壁的热量通过衬底传导至外部环境中，芯片的下表面的热量通过衬底传导至散热片，散热片具有较高的散热效率，能够将热量快速传导至外部环境中，实现芯片的立体散热。本申请通过在衬底的上表面设置绝缘散热层和在衬底的下表面设置散热片，能够使得芯片工作时发出的热量快速散出，从而提高封装结构的散热效果。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本申请实施例提供的一种封装结构示意图之一；

图2为本申请实施例提供的一种封装结构示意图之二；

图3为本申请实施例提供的一种封装结构示意图之三；

图4为本申请实施例提供的一种封装结构示意图之四；

图5为本申请实施例提供的一种封装结构的制备过程示意图之一；

图6为本申请实施例提供的一种封装结构的制备过程示意图之二；

图7为本申请实施例提供的一种封装结构的制备过程示意图之三；

图8为本申请实施例提供的一种封装结构的制备过程示意图之四；

图9为本申请实施例提供的一种封装结构的制备过程示意图之五；

图10为本申请实施例提供的一种封装结构的制备过程示意图之六；

图11为本申请实施例提供的一种封装结构的制备过程示意图之七；

图12为本申请实施例提供的一种封装结构的制备过程示意图之八；

图13为本申请实施例提供的一种封装结构的制备过程示意图之九。

图标：100-封装结构；110-衬底；111-凹槽；112-通槽；113-缺口；120-芯片；121-电极；130-绝缘散热层；140-散热片；150-传热层；160-第二绝缘层。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中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申请一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本申请的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

半导体功率器件在是电力电子技术及其应用装置的基础，是推动电力电子变换器发展的主要动力，功率半导体器件处于现代电力电子变换器的心脏地位，它对装置的可靠性、成本和性能起着十分重要的作用。由于半导体功率器件的功率较大，所以半导体功率器件在工作时产生的热量较多，如果热量不及时散出，会导致半导器件的温度升高，而半导体器件对温度是非常敏感的，所以散热是半导体功率器件可靠设计中所要考虑的重要部分。

本申请提供了一种封装结构100，如图1、图2和图3所示，包括衬底110，衬底110的上表面内凹形成凹槽111，凹槽111内设置有芯片120，芯片120的上表面与衬底110的上表面平齐，衬底110的上表面设置有绝缘散热层130，绝缘散热层130覆盖芯片120的上表面，衬底110下表面对应凹槽111贴合设置有散热片140。

本申请实施例中的绝缘散热层130用于对芯片120进行电隔离的同时传导热量，具体的，封装的作用是将芯片120与外界环境隔离分开，避免外界环境中的粒子、灰尘等影响芯片120的正常工作，也避免芯片120中的电流传出对外界环境造成影响，绝缘散热层130作为芯片120与外界的隔离层，应当具有一定电流隔离能力，也就是必须要绝缘，另外一方面，基于本申请实施例解决提高封装结构100的散热性的技术问题，所以，绝缘散热层130应当具有较高的散热性。

本申请实施例中的散热片140与衬底110的下表面贴合设置，用于将芯片120下表面传递至衬底110的热量进行扩散，使热量传导至外部环境中。

芯片120在工作时，会产生热量，特别是芯片120为大功率器件时，产生的热量更多，绝缘散热层130覆盖芯片120的上表面，绝缘散热层130能够吸收芯片120上表面的热量，并传导至外部环境中，芯片120的侧壁的热量通过衬底110传导至外部环境中，芯片120的下表面的热量通过衬底110传导至散热片140，散热片140具有较高的散热效率，能够将热量快速传导至外部环境中，实现芯片120的立体散热。

应当理解的是，芯片120通常包括芯片本体以及设置与芯片本体一侧表面上的电极121，当将芯片120设置于凹槽111内时，可以将设置有电极121的一侧面朝上，从而使得电极121外露，在衬底110上表面设置绝缘散热层130之前，可以采用导线或者布线层将电极121引出，便于对电极121进行信号的输入和输出。另外，本申请实施例中芯片120上表面与衬底110的上表面平齐，可以指芯片本体的上表面与衬底110的上表面平齐，也可以是指电极121的上表面与衬底110的上表面平齐。

需要说明的是，本申请实施例提供的封装结构100，可以对工作时产生热量较多的大功率器件芯片120进行散热，也可以对工作时产生热量较少的器件芯片120进行散热，在此不做限制。

本申请提供的封装结构100，包括衬底110，衬底110的上表面内凹形成凹槽111，凹槽111内设置有芯片120，芯片120在工作时，会产生热量，特别是芯片120为大功率器件时，产生的热量更多，芯片120的上表面与衬底110的上表面平齐，衬底110的上表面设置有绝缘散热层130，绝缘散热层130覆盖芯片120的上表面，绝缘散热层130能够吸收芯片120上表面的热量，并传导至外部环境中，衬底110下表面对应凹槽111贴合设置有散热片140，芯片120的侧壁的热量通过衬底110传导至外部环境中，芯片120的下表面的热量通过衬底110传导至散热片140，散热片140具有较高的散热效率，能够将热量快速传导至外部环境中，实现芯片120的立体散热。本申请通过在衬底110的上表面设置绝缘散热层130和在衬底110的下表面设置散热片140，能够使得芯片120工作时发出的热量快速散出，从而提高封装结构100的散热效果。

可选的，如图1、图2和图3所示，在凹槽111的侧壁设置有传热层150，用于传导凹槽111内设置的芯片120的热量。

为了使得芯片120发出的热量能够快速的散出，可以在凹槽111的侧壁设置传热层150，传热层150与芯片120直接接触，芯片120产生的热量能够及时与传热层150进行热量交换，将芯片120的热量导出至衬底110，并沿着衬底110传出。

应当理解的是，传热层150的导热效率通常高于衬底110，为了进一步提高封装结构100的散热效果，将凹槽111的所有侧壁均设置传热层150，使得芯片120的下表面及侧面均与传热层150接触，使得传热层150能够及时将芯片120的侧面及下表面的热量导出。

本申请实施例的一种可实现的方式中，如图1所示，衬底110位于凹槽111内的厚度小于等于50um。

本领域技术人员应当知晓，衬底110选用半导体材料制成，通常情况下衬底110的导热能力较差，为了使得传热层150的热量能够快速的传导至散热片140上，可以将衬底110位于凹槽111内的厚度设置的小一些，也就是凹槽111底壁与衬底110下表面之间的距离，因为散热片140贴合衬底110的下表面设置，当凹槽111底壁与衬底110下表面之间的距离越小时，传热层150与散热片140之间的距离也就越近，从而更有利于传热层150上的热量通过凹槽111内部的衬底110传导至散热片140上，从而提高封装结构100的热传导的效率。

需要说明的是，衬底110位于凹槽111内的厚度是指凹槽111底壁与衬底110下表面之间的衬底110的厚度。

可选的，如图2所示，凹槽111为穿透衬底110的通槽112，散热片140贴合设置于衬底110下表面以覆盖凹槽111，散热片140与传热层150连接。

为了进一步减小传热层150与散热片140之间的距离，可以将凹槽111设置为通槽112，具体的，当凹槽111为通槽112时，散热片140与衬底110的下表面贴合设置，使得散热片140与传热层150直接连接，从而使得芯片120下表面的热量能够通过传热层150后直接与散热片140接触，避免了通过衬底110的传导，而传热层150和散热片140均具有较高的导热性，从而提高封装结构100的散热效果。

需要说明的是，本申请中的通槽112以及位于凹槽111内的厚度小于等于50um均为原有衬底110通过下表面的减薄之后形成的，因为在形成凹槽111的过程中、传热层150的形成过程中、以及芯片120的固定过程中均需要一定厚度的衬底110作为支撑，使得衬底110具有一定的厚度，而为了提高封装结构100的散热效果，本申请在芯片120固定完成之后，将衬底110的下表面进行减薄处理，使得衬底110位于凹槽111内的厚度减小至50um以下，甚至为零。

本申请实施例的一种可实现的方式中，传热层150为高导热材料与树脂混合的混合物固化后形成。

由上述可知，传热层150用于将芯片120下表面和侧面的热量传递至散热片140或者衬底110，应当具有较高的热传导性，另外，传热层150还需要能够涂覆在凹槽111的侧壁上，填充凹槽111的侧壁与芯片120之间的孔隙，为了能够使得传热层150能够致密的填充侧壁与芯片120之间的孔隙，可以将传热层150设置为流体固化后形成的层级，因为流体的流动性能够填充孔隙，具体的，较高的导热性需要传热层150包含高导热材料，填充孔隙需要传热层150包含树脂，从而使得传热层150为高导热材料与树脂混合的混合物固化后形成。

其中，高导热材料的具体材料本申请实施例不做限制，可以采用银粒子、也可以采用铜粒子等等其他具有高导热系数的材料，本领域技术人员可以根据实际情况进行选择。另外，高导热材料与树脂只是基于本申请实施例提供的材料类别，高导热材料作为传热层150的作用材料，树脂作为溶剂。

可选的，如图3所示，衬底110上表面相对的两侧内凹形成缺口113，绝缘散热层130填充缺口113以增大绝缘散热层130与衬底110的接触面积。

因为衬底110的导热能力较差，而绝缘散热层130具有较高的热传导性，为了提高封装结构100的散热效果，可以将衬底110上表面相对的两侧内凹形成缺口113，绝缘散热层130填充缺口113以增大绝缘散热层130与衬底110的接触面积，从而使得绝热散热层能够及时将衬底110上的热量传递至外部环境中，提高封装结构100的散热效果。

本申请实施例的一种可实现的方式中，如图3所示，缺口113的底壁部分内凹形成穿透衬底110的通孔，芯片120上表面的电极121对应两侧的缺口113设置，金属线通过缺口113和通孔将芯片120的电极121引出至衬底110的下表面。

为了方便芯片120的输入信号的输入以及输出信号的接收，本申请将缺口113的底壁部分内凹形成穿透衬底110的通孔，芯片120上表面的电极121对应两侧的缺口113设置，金属线通过缺口113和通孔将芯片120的电极121引出至衬底110的下表面，使得芯片120的电极121至封装结构100的表面上，便于进行输入输出信号的连接。

可选的，衬底110包括硅基底、蓝宝石基底、陶瓷基底、砷化镓基底、磷化铟基底中的一种。

本申请实施例的一种可实现的方式中，如图4所示，衬底110包括硅基底，硅基底的外表面涂覆第二绝缘层160，芯片120的电极121穿过第二绝缘层160引出。

第二绝缘层160将衬底110以及芯片120包裹起来，避免外界的电流影响芯片120的正常工作。

由上述可知，绝缘散热层130为流体的绝缘散热材料固化后形成，具体的，绝缘散热层130包含热塑性塑料以及均匀分布于热塑性塑料中的复合导热填料，其中，复合导热填料包含石墨烯和无机绝缘型导热填料。石墨烯和无机绝缘型导热填料具有较高的导热系数，能够将芯片120上表面的热量及时传导至外部环境中，提高封装结构100的散热效率。

本申请实施例提供的封装结构100，通过在衬底110的上表面设置绝缘散热层130和在衬底110的下表面设置散热片140，能够使得芯片120工作时发出的热量快速散出，从而提高封装结构100的散热效果。本申请实施例提供的封装结构100是将芯片120安装于衬底110上并设置各个部件之后形成的，具体的，本申请实施例提供的封装结构100的制备步骤包括：

S10：如图5所示,提供衬底110；

具体的，衬底110可以是硅基底、蓝宝石基底、陶瓷基底、砷化镓基底、磷化铟基底中的一种。

S20：如图6所示，在衬底110的上表面形成凹槽111；

具体的，可以采用干法刻蚀、湿法刻蚀、激光刻蚀等方式刻蚀衬底110上表面的中心位置，使得衬底110上表面的中心内凹形成凹槽111，其中，为了提高封装结构100的散热效果，凹槽111的大小可以比芯片120的大小稍大一些，使得芯片120与热传导层接触。

S30：如图7所示，在凹槽111内设置熔融态的传热层150材料，并放入芯片120并挤压，使得热传导材料涂覆在芯片120的下表面以及侧面，然后固化使得热传导材料固化形成热传导层；

S40：如图8所示，在衬底110相对两侧的上表面分别形成缺口113，其中，两侧的缺口113与芯片120两侧的电极121一一对应；

具体的，可以采用干法刻蚀、湿法刻蚀、激光刻蚀等方式刻蚀衬底110上表面相对的两侧，使得衬底110上表面相对的两侧内凹形成缺口113。其中，缺口113的深度小于凹槽111的深度，便于后续对衬底110的减薄。

S50：如图9所示，在衬底110的上表面进行第一次布线，使得芯片120上的电极121通过布设的线延伸至缺口113的侧壁上；

S60：如图10所示，在衬底110的上表面浇注熔融状态的绝缘散热材料并固化形成绝缘散热层130；

为了使得熔融状态的绝缘散热材料能够在衬底110的上表面形成绝缘散热层130，可以贴合衬底110的侧壁设置模具，磨具和衬底110的上表面围合形成浇注空间，然后将熔融状态的绝缘散热材料浇注到浇注空间内并固化，在上表面和模具之间形成绝缘散热层130，最后撤除模具。

S70：如图11所示，对衬底110的下表面进行减薄处理，使得位于凹槽111内的衬底110的厚度小于50um，或者，使得凹槽111成为通槽112。

S80：如图12所示，在缺口113对应的衬底110处开设通孔，使得第一次布线透过衬底110外露。

S90：如图13所示，在衬底110的下表面进行第二次布线，在衬底110的下表面及通孔内沉积金属，衬底110下表面中心处沉积的金属作为散热片140，通孔内的金属层作为电极121片。

应当理解的是，散热片140作为散出热量的导体，两侧的电极121片作为芯片120的输入输出端，所以，散热片140应当与电极121片应当间隔设置。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种封装结构，其特征在于，包括衬底，所述衬底的上表面内凹形成凹槽，所述凹槽内设置有芯片，所述芯片的上表面与所述衬底的上表面平齐，所述衬底的上表面设置有绝缘散热层，所述绝缘散热层覆盖所述芯片的上表面，所述衬底下表面对应所述凹槽贴合设置有散热片。

2.根据权利要求1所述的封装结构，其特征在于，在所述凹槽的侧壁设置有传热层，用于传导所述凹槽内设置的芯片的热量。

3.根据权利要求2所述的封装结构，其特征在于，所述衬底位于所述凹槽内的厚度小于等于50um。

4.根据权利要求2所述的封装结构，其特征在于，所述凹槽为穿透所述衬底的通槽，所述散热片贴合设置于所述衬底下表面以覆盖所述凹槽，所述散热片与所述传热层连接。

5.根据权利要求1所述的封装结构，其特征在于，所述衬底上表面相对的两侧内凹形成缺口，所述绝缘散热层填充所述缺口以增大所述绝缘散热层与所述衬底的接触面积。

6.根据权利要求5所述的封装结构，其特征在于，所述缺口的底壁部分内凹形成穿透所述衬底的通孔，所述芯片上表面的电极对应两侧的所述缺口设置，金属线通过所述缺口和所述通孔将所述芯片的电极引出至所述衬底的下表面。

7.根据权利要求1所述的封装结构，其特征在于，所述衬底包括硅基底、蓝宝石基底、陶瓷基底、砷化镓基底、磷化铟基底中的一种。

8.根据权利要求7所述的封装结构，其特征在于，所述衬底包括硅基底，所述硅基底的外表面涂覆第二绝缘层，所述芯片的电极穿过所述第二绝缘层引出。

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