CN218730875U - 垂直型功率器件封装结构和电子装置 - Google Patents

Abstract

本申请实施例提供了一种垂直型功率器件封装结构和电子装置。垂直型功率器件封装结构中的第一外层金属互联层和第二外层金属互联层电连接功率芯片和内层金属互联层，取代铝线键合，避免铝线在高温环境下寄生电感过大的问题，还可以缩短功率芯片的驱动和功率回路，使得半导体功率芯片更好地发挥性能。中间绝缘层的通孔可辅助功率芯片散热，有助于降低功率芯片的工作环境温度，提高垂直型功率器件封装结构的散热能力。

Description

垂直型功率器件封装结构和电子装置

技术领域

本申请涉及功率器件模块化技术领域，尤其涉及一种垂直型功率器件封装结构和电子装置。

背景技术

在现有的垂直型功率器件封装结构中，常用铝线键合的方式进行封装。但铝线键合式封装会限制宽禁带半导体功率器件的性能，并且，铝线的寄生电感较大，容易被击穿。

基于此，本申请提供一种垂直型功率器件封装结构和电子装置。

实用新型内容

本申请第一方面实施例提供一种垂直型功率器件封装结构，包括基板和封装单元。基板包括导电电路层，封装单元包括功率芯片，包括沿基板的厚度方向相对设置的背面电极和正面电极，背面电极包括漏极，正面电极包括栅极和源极；

中间绝缘层，设于基板一侧，中间绝缘层包裹在功率芯片外侧，中间绝缘层具有贯穿中间绝缘层的通孔；

内层金属互联层，覆盖在围合形成通孔的中间绝缘层的侧壁表面；

第一外层金属互联层，位于中间绝缘层背向基板的一侧，第一外层金属互联层电连接背面电极和内层金属互联层背向基板的一端；

第二外层金属互联层，位于中间绝缘层靠近基板的一侧，第二外层金属互联层分别与导电电路层、内层金属互联层靠近基板的一端、以及正面电极电连接。

根据本申请第一方面前述任一实施方式，封装单元还包括第一绝缘层，第一绝缘层填充通孔，第一绝缘层覆盖内层金属互联层、功率芯片、中间绝缘层背向基板的一侧以及中间绝缘层靠近基板的一侧。

根据本申请第一方面前述任一实施方式，内层金属互联层包括沿厚度方向相对设置的第一连接段和第二连接段，第一绝缘层包括多个第一连接孔，第一外层金属互联层通过第一连接孔分别电连接第一连接段和背面电极，第二外层金属互联层通过第一连接孔电连接第二连接段和正面电极。

根据本申请第一方面前述任一实施方式，封装单元还包括第一金属种子层，第一金属种子层位于第一外层金属互联层和第一连接段之间，且位于第一外层金属互联层和背面电极之间，且位于第一外层金属互联层和第一绝缘层之间。

根据本申请第一方面前述任一实施方式，封装单元还包括第二金属种子层，第二金属种子层位于第二外层金属互联层和第二连接段之间，且位于第二外层金属互联层和正面电极之间，且位于第二外层金属互联层和第一绝缘层之间。

根据本申请第一方面前述任一实施方式，封装单元还包括第二绝缘层，第二绝缘层覆盖第一绝缘层朝向基板的表面，第二绝缘层具有多个第二连接孔，第二外层金属互联层设置于第二连接孔内。

根据本申请第一方面前述任一实施方式，封装单元还包括第三绝缘层，第三绝缘层设置于第一绝缘层背离基板的一侧，第三绝缘层具有多个第三连接孔，第一外层金属互联层设置于第三连接孔内。

根据本申请第一方面前述任一实施方式，功率芯片的数量为多个。

根据本申请第一方面前述任一实施方式，封装单元的数量为多个，多个封装单元中的功率芯片与导电电路层电连接；和/或，多个封装单元分别与第一外层金属互联层和第二外层金属互联层电连接。

本申请第二方面实施例提供一种电子装置，包括本申请第一方面任一实施例提供的垂直型功率器件封装结构。

本申请实施例提供了一种垂直型功率器件封装结构和电子装置。封装结构包括基板和封装单元。基板包括导电电路层，封装单元包括功率芯片、中间绝缘层、内层金属互联层、第一外层金属互联层和第二外层金属互联层。功率芯片包括沿基板的厚度方向相对设置的背面电极和正面电极，背面电极包括漏极，正面电极包括栅极和源极；中间绝缘层设于基板一侧，中间绝缘层包裹在功率芯片外侧，中间绝缘层具有贯穿中间绝缘层的通孔；内层金属互联层覆盖在围合形成通孔的中间绝缘层的侧壁表面；第一外层金属互联层位于中间绝缘层背向基板的一侧，第一外层金属互联层，位于中间绝缘层背向基板的一侧，第一外层金属互联层电连接背面电极和内层金属互联层背向基板的一端；第二外层金属互联层，位于中间绝缘层靠近基板的一侧，第二外层金属互联层分别与导电电路层、内层金属互联层靠近基板的一端、以及正面电极电连接。第一外层金属互联层和第二外层金属互联层电连接功率芯片和内层金属互联层，取代铝线键合，避免铝线在高温环境下寄生电感过大的问题，还可以缩短功率芯片的驱动和功率回路，使得半导体功率芯片更好地发挥性能。中间绝缘层的通孔可辅助功率芯片散热，有助于降低功率芯片的工作环境温度，提高功率芯片的散热能力。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对本申请实施例中所需要使用的附图作简单的介绍，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的附图。通过阅读以下参照附图对非限制性实施例所作的详细描述，本申请的其它特征、目的和优点将会变得更明显，其中，相同或相似的附图标记表示相同或相似的特征。

图1是本申请实施例提供的一种垂直型功率器件封装结构的示意图；

图2是本申请实施例提供的一种封装单元的示意图；

图3是本申请实施例提供的另一种封装单元的示意图；

图4是本申请实施例提供的另一种封装单元的示意图。

附图标记说明：

100、垂直型功率器件封装结构；

1、基板；

2、封装单元；21、功率芯片；22、中间绝缘层；221、通孔；

23、内层金属互联层；231、第一连接段；232、第二连接段；

24、第一外层金属互联层；

25、第二外层金属互联层；

26、第一绝缘层；261、第一连接孔；27、第二绝缘层；28、第三绝缘层；

29a、第一金属种子层；29b、第二金属种子层；

3、封装引脚；4、金属键合材料；X、厚度方向。

具体实施方式

下面将详细描述本发明的各个方面的特征和示例性实施例，为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施例，对本发明进行进一步详细描述。应理解，此处所描述的具体实施例仅意在解释本发明，而不是限定本发明。对于本领域技术人员来说，本发明可以在不需要这些具体细节中的一些细节的情况下实施。下面对实施例的描述仅仅是为了通过示出本发明的示例来提供对本发明更好的理解。

需要说明的是，在本文中，诸如“第一”、“第二”、“第三”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

为了更好地理解本申请，下面结合图1对本申请实施例进行详细描述。

请参阅图1，图1是本申请实施例提供的一种垂直型功率器件封装结构的示意图。本申请第一方面的实施例提供的垂直型功率器件封装结构100，包括基板1和封装单元2。封装单元2包括：功率芯片21、中间绝缘层22、内层金属互联层23、第一外层金属互联层24和第二外层金属互联层25。功率芯片21包括沿基板1的厚度方向X相对设置的背面电极和正面电极，背面电极包括漏极，正面电极包括栅极和源极；中间绝缘层22设于基板1一侧，中间绝缘层22包裹在功率芯片21外侧，中间绝缘层22具有贯穿中间绝缘层22的通孔221；内层金属互联层23覆盖在围合形成通孔221的中间绝缘层22的侧壁表面；第一外层金属互联层24位于中间绝缘层22背向基板1的一侧，第一外层金属互联层24电连接背面电极和内层金属互联层23背向基板1的一端；第二外层金属互联层25位于中间绝缘层22靠近基板1的一侧，第二外层金属互联层25分别与导电电路层、内层金属互联层23靠近基板1的一端以及正面电极电连接。

在本申请提供的垂直型功率器件封装结构100中，中间绝缘层22包裹在功率芯片21外侧，中间绝缘层22开设有通孔221，通孔221的数量可以为多个。通孔221内设置有内层金属互联层23，第一外层金属互联层24位于中间绝缘层22背向基板1的一侧，第一外层金属互联层24可以使得背面电极、内层金属互联层23相互电连接。第二外层金属互联层25位于中间绝缘层22靠近基板1的一侧，第二外层金属互联层25可以使得导电电路层与内层金属互联层23电连接，使得导电电路层与正面电极电连接。背面电极可以是底电极，正面电极可以是顶电极，功率芯片21可以倒装在基板1上。本申请利用第一外层金属互联层24、第二外层金属互联层25电连接功率芯片21和内层金属互联层23，取代传统的铝线键合的方式，可以避免铝线在高温环境下寄生电感过大的问题，从而可以使得SiC、GaN等宽禁带半导体功率芯片更好地发挥性能并缩短驱动和功率回路。中间绝缘层22开设的多个通孔221，可辅助功率芯片21散热，有助于降低功率芯片21的工作环境温度，提高垂直型功率器件封装结构100的散热能力。

可选的，基板1可以是直接键合铜/铝陶瓷基板(DBC/A Direct Bonded Copper/AluminumCeramic Substrate)、活性金属焊接铜陶瓷基板(AMB Active Metal BrazingCeramicSubstrate)。陶瓷材料可以包括氮化铝(AlN)、氧化铝(Al₂O₃)、氮化硅(Si₃N₄)、氧化铍(BeO)等。

可选的，中间绝缘层22可以为有基层压板或其他复合基板。

在一些可选的实施例中，封装单元2还包括第一绝缘层26，第一绝缘层26填充通孔221，第一绝缘层26覆盖内层金属互联层23、功率芯片21、中间绝缘层22背向基板1的一侧以及中间绝缘层22靠近基板1的一侧。

在这些可选的实施例中，第一绝缘层26可以保护功率芯片21。

在一些可选的实施例中，内层金属互联层23包括沿厚度方向X相对设置的第一连接段231和第二连接段232，第一绝缘层26包括多个第一连接孔261，第一外层金属互联层24通过第一连接孔261分别电连接第一连接段231和背面电极，第二外层金属互联层25通过第一连接孔261电连接第二连接段232和正面电极。

在这些可选的实施例中，第一连接孔261的直径可以为100μm～150μm。第一外层金属互联层24、第二外层金属互联层25通过第一连接孔261分别与内层金属互联层23和功率芯片21电连接，第一连接孔261可在一定程度减少第一外层金属互联层24、第二外层金属互联层25与功率芯片21的接触面积，减少第一外层金属互联层24、第二外层金属互联层25因长时间受到大量功率芯片21放热而加剧损耗及导致性能降低的情况。

可选的，厚度方向X指的是基板1的厚度方向。

在一些可选的实施例中，封装单元2还包括第一金属种子层29a，第一金属种子层29a位于第一外层金属互联层24和第一连接段231之间，且位于第一外层金属互联层24和背面电极之间，且位于第一外层金属互联层24和第一绝缘层26之间。

在这些可选的实施例中，第一金属种子层29a可以避免功率芯片21的背面电极和第一外层金属互联层24在高温环境下发生反应，造成器件损坏，还可以在加工过程中可保护功率芯片21的背面电极和内层金属互联层23，减小发生过量刻蚀造成器件损坏。

可选的，第一金属种子层29a可以包括多层金属层，第一金属种子层29a的材料可以包括Ti、Cr、Ni或Cu。

在一些可选的实施例中，封装单元2还包括第二金属种子层29b，第二金属种子层29b位于第二外层金属互联层25和第二连接段232之间，且位于第二外层金属互联层25和正面电极之间，且位于第二外层金属互联层25和第一绝缘层26之间。

在这些可选的实施例中，第二金属种子层29b可以避免功率芯片21的正面电极和第二外层金属互联层25在高温环境下发生反应，造成器件损坏，还可以在加工过程中可保护功率芯片21的正面电极和内层金属互联层23，减小发生过量刻蚀造成器件损坏。

可选的，第二金属种子层29b可以包括多层金属层，第二金属种子层29b的材料可以包括Ti、Cr、Ni或Cu。

在一些可选的实施例中，封装单元2还包括第二绝缘层27，第二绝缘层27覆盖第一绝缘层26朝向基板1的表面，第二绝缘层27具有多个第二连接孔，第二外层金属互联层25设置于第二连接孔内。

在这些可选的实施例中，第二外层金属互联层25通过第二连接孔分别与功率芯片21和内层金属互联层23电连接。

在一些可选的实施例中，封装单元2还包括第三绝缘层28，第三绝缘层28设置于第一绝缘层26背离基板1的一侧，第三绝缘层28具有多个第三连接孔，第一外层金属互联层24设置于第三连接孔内。

在这些可选的实施例中，第一外层金属互联层24通过第三连接孔分别与功率芯片21和内层金属互联层23电连接。

可选的，第二绝缘层27和/或第三绝缘层28可以为半固化片、光可成像电介质、三元复合氟化物(ABF)等材料。第二绝缘层27和/或第三绝缘层28的材料还可以为阻焊料、环氧塑封料等。

在一些可选的实施例中，功率芯片21的数量为多个。如此，可以通过单个封装单元2封装多个功率芯片21。

在一些可选的实施例中，封装单元2的数量为多个，多个封装单元2中的功率芯片21与导电电路层电连接，和/或，多个封装单元2与第一外层金属互联层24和第二外层金属互联层25之间电连接。如此，多个封装单元2可以以电连接的方式实现多个功率芯片21的互联。

可选的，垂直型功率器件封装结构100还包括与导电电路层电连接的封装引脚3。

请结合参阅图2-图4，图2是本申请实施例提供的一种封装单元的示意图；图3是本申请实施例提供的另一种封装单元的示意图；图4是本申请实施例提供的另一种封装单元的示意图。

在制备封装单元2的过程中，可以通过层压工艺制备中间绝缘层22，通过机械钻的方式在中间绝缘层22上开设通孔221，并通过化学镀铜、压干膜、曝光、显影、溅射及电镀等工艺在通孔221的孔壁上形成内层金属互联层23。通过激光钻的方式在中间绝缘层22上加工用于包裹功率芯片21的腔体。

通过真空层压工艺在中间绝缘层22的通孔221和腔体内填充第一绝缘层26，并包覆内层金属互联层23和功率芯片21。

通过激光钻孔或曝光、显影的方式在第一绝缘层26的上开设多个第一连接孔261，第一连接孔261的直径可以为100～150微米。

在功率芯片21的背面电极和正面电极的材料都为铝的情况下，可以通过物理气相沉积在背面电极所在侧沉积第一金属种子层29a，在正面电极所在侧第二金属种子层29b。

在功率芯片21的背面电极和正面电极的材料都为铜、金、银铝的情况下，可以不沉积第一金属种子层29a和第二金属种子层29b。

通过压干膜、曝光、显影、电镀铜和去干膜等工艺在背面电极所在侧制作第一外层金属互联层24，在正面电极所在侧制作第二外层金属互联层25。

通过真空层压工艺在正面电极所在侧制作第二绝缘层27，并通过紫外光曝光、高温烘烤等工艺固化后通过焊接或纳米铜/银烧结工艺将以上工艺形成的组件连接在基板1上。

还可以通过真空层压工艺在背面电极所在侧制作第三绝缘层28。

本申请第二方面实施例提供了一种电子装置，包括本申请第一方面任意一项实施例提供的垂直型功率器件封装结构。电子装置可以应用于电动汽车车载充电模块、充电桩、工业电力等电子领域。本申请第二方面实施例具有本申请第一方面实施例的有益效果，在此不再赘述。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

另外，本文中术语“和/或”，仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。另外，本文中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。

应理解，在本申请实施例中，“与A相应的B”表示B与A相关联，根据A可以确定B。但还应理解，根据A确定B并不意味着仅仅根据A确定B，还可以根据A和/或其它信息确定B。

以上，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种垂直型功率器件封装结构，其特征在于，所述垂直型功率器件封装结构包括基板和封装单元，所述基板包括导电电路层，所述封装单元包括：

功率芯片，包括沿所述基板的厚度方向相对设置的背面电极和正面电极，所述背面电极包括漏极，所述正面电极包括栅极和源极；

中间绝缘层，设于所述基板一侧，所述中间绝缘层包裹在所述功率芯片外侧，所述中间绝缘层具有贯穿所述中间绝缘层的通孔；

内层金属互联层，覆盖在围合形成所述通孔的所述中间绝缘层的侧壁表面；

第一外层金属互联层，位于所述中间绝缘层背向所述基板的一侧，所述第一外层金属互联层电连接所述背面电极和所述内层金属互联层背向所述基板的一端；

第二外层金属互联层，位于所述中间绝缘层靠近所述基板的一侧，所述第二外层金属互联层分别与所述导电电路层、所述内层金属互联层靠近所述基板的一端、以及所述正面电极电连接。

2.根据权利要求1所述的垂直型功率器件封装结构，其特征在于，所述封装单元还包括第一绝缘层，所述第一绝缘层填充所述通孔，所述第一绝缘层覆盖所述内层金属互联层、所述功率芯片、所述中间绝缘层背向所述基板的一侧以及所述中间绝缘层靠近所述基板的一侧。

3.根据权利要求2所述的垂直型功率器件封装结构，其特征在于，所述内层金属互联层包括沿所述厚度方向相对设置的第一连接段和第二连接段，所述第一绝缘层包括多个第一连接孔，所述第一外层金属互联层通过所述第一连接孔分别电连接所述第一连接段和所述背面电极，所述第二外层金属互联层通过所述第一连接孔电连接所述第二连接段和所述正面电极。

4.根据权利要求3所述的垂直型功率器件封装结构，其特征在于，所述封装单元还包括第一金属种子层，所述第一金属种子层位于所述第一外层金属互联层和所述第一连接段之间，且位于所述第一外层金属互联层和所述背面电极之间，且位于所述第一外层金属互联层和所述第一绝缘层之间。

5.根据权利要求3所述的垂直型功率器件封装结构，其特征在于，所述封装单元还包括第二金属种子层，所述第二金属种子层位于所述第二外层金属互联层和所述第二连接段之间，且位于所述第二外层金属互联层和所述正面电极之间，且位于所述第二外层金属互联层和所述第一绝缘层之间。

6.根据权利要求2所述的垂直型功率器件封装结构，其特征在于，所述封装单元还包括第二绝缘层，所述第二绝缘层覆盖所述第一绝缘层朝向所述基板的表面，所述第二绝缘层具有多个第二连接孔，所述第二外层金属互联层设置于所述第二连接孔内。

7.根据权利要求2所述的垂直型功率器件封装结构，其特征在于，所述封装单元还包括第三绝缘层，所述第三绝缘层设置于所述第一绝缘层背离所述基板的一侧，所述第三绝缘层具有多个第三连接孔，所述第一外层金属互联层设置于所述第三连接孔内。

8.根据权利要求1所述的垂直型功率器件封装结构，其特征在于，所述功率芯片的数量为多个。

9.根据权利要求1所述垂直型功率器件封装结构，其特征在于，所述封装单元的数量为多个，多个所述封装单元中的所述功率芯片与所述导电电路层电连接；和/或，多个所述封装单元分别与所述第一外层金属互联层和所述第二外层金属互联层电连接。

10.一种电子装置，其特征在于，包括如权利要求1-9中任意一项所述的垂直型功率器件封装结构。

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