CN219246663U - 封装基板及半导体封装结构 - Google Patents

Abstract

本申请实施例涉及一种封装基板及半导体封装结构。封装基板包括：第一金属层，包括用于安装芯片的第一侧和与所述第一侧相对的第二侧；绝缘层，设置在第一金属层的第二侧；绝缘层为掺杂有陶瓷粉末的有机硅胶层；如此，有利于可以减小封装基板的厚度，进而有利于促使整个半导体封装结构甚至使用该半导体封装结构的设备小型化；在此基础上，上述封装基板具有较低的热阻，更有利于芯片散热热量的散出，进而有利于提高芯片的电性能；此外，掺杂有陶瓷粉末的有机硅胶层，保证了上述封装基板结构可靠性高，有效降低了断裂以及翘曲变形的风险，提高了半导体封装结构的工作可靠性。

Description

封装基板及半导体封装结构

技术领域

本申请涉及半导体领域，特别是涉及一种封装基板及半导体封装结构。

背景技术

目前，模塑封装高功率模块的热通路通常包含芯片、焊料与封装基板三个部分。其中，封装基板，也可称为衬底，通常采用DBC(Direct Bonding Copper，直接覆铜陶瓷)基板或AMB(Active Metal Bonding，活性金属钎焊陶瓷)基板等。

DBC基板和AMB基板主要由上层金属层/陶瓷层/下层金属层三层结构构成。其中，陶瓷层的材料可以选自Al₂O₃、AlN、Si₃N₄等。然而，对于现有的DBC基板而言，陶瓷层的厚度通常不能设置得太薄，否则极易发生断裂。此外，由于陶瓷层和两层金属层是在高温下贴合在一起的，而陶瓷材料与金属材料之间的热膨胀系数相差较大，因此为了避免金属层冷却收缩时造成陶瓷层断裂，通常需要将陶瓷层的厚度设置为大于金属层的厚度；并且需要将两层金属层设置为厚度相同，以使得陶瓷层在上下两侧受到的应力更加均衡，这也导致DBC基板整体的厚度无法被进一步减小，进而无法实现封装零件厚度的进一步减薄。对于现有的AMB基板而言，虽然其中陶瓷层的厚度可以小于金属层的厚度，但其陶瓷层的厚度仍然较大，一般在250μm以上。厚度问题还会引起热阻较大，不利于芯片散热。不仅如此，由于陶瓷层与金属层之间的热膨胀系数相差较大，因此常会造成基板翘曲，影响产品的可靠性。

实用新型内容

有鉴于此，本申请实施例为解决背景技术中存在的至少一个问题而提供一种封装基板及半导体封装结构。

为达到上述目的，本申请的技术方案是这样实现的：

第一个方面，在本实施例中提供了一种封装基板，用于安装芯片，所述封装基板包括：

第一金属层，包括用于安装芯片的第一侧和与所述第一侧相对的第二侧；

绝缘层，设置在所述第一金属层的第二侧；所述绝缘层为掺杂有陶瓷粉末的有机硅胶层。

可选的，所述绝缘层的厚度小于或等于0.15mm。

可选的，所述陶瓷粉末包括氮化铝粉末和/或氧化铝粉末。

可选的，所述第一金属层的厚度在0.3mm到3mm之间。

可选的，所述绝缘层的厚度小于所述第一金属层的厚度。

可选的，封装基板还包括：第二金属层，设置在所述绝缘层的远离所述第一金属层的一侧；所述第二金属层的厚度小于或等于所述第一金属层的厚度。

可选的，所述第一金属层和/或所述第二金属层为铜层。

第二个方面，在本实施例中还提供了一种半导体封装结构，包括：如第一个方面中任意一项所述的封装基板；芯片，安装在所述封装基板中第一金属层的第一侧；封装材料层，设置在所述芯片的周围以形成对所述芯片的封装。

可选的，引线框架，与所述芯片导电连接；所述引线框架包括多个功率端子和多个信号端子；其中，所述多个功率端子分布在所述半导体封装结构的至少两侧；所述多个信号端子位于所述半导体封装结构的同一侧。

可选的，所述芯片包括功率开关元件。

本申请实施例所提供的封装基板及半导体封装结构，通过封装基板包括：第一金属层，包括用于安装芯片的第一侧和与所述第一侧相对的第二侧；绝缘层，设置在第一金属层的第二侧；绝缘层为掺杂有陶瓷粉末的有机硅胶层；如此，由于相比于陶瓷材料，有机硅胶的热膨胀系数与金属的热膨胀系数更为接近，因此采用有机硅胶层与金属层组合形成封装基板，有效降低了翘曲变形的风险；此外，有机硅胶的韧性较好，相比于陶瓷材料而言更不容易发生断裂，故而无需像陶瓷材料一样通过增加厚度的方式保证机械强度，使用有机硅胶层作为封装基板中的绝缘层，有利于减小封装基板的厚度，进而有利于促使整个半导体封装结构甚至使用该半导体封装结构的设备小型化；在此基础上，上述封装基板具有较低的热阻，更有利于芯片散热；在电性能方面，掺杂有陶瓷粉末的有机硅胶层，其绝缘性能够满足高功率模块的封装需求，保证了半导体封装结构的工作可靠性。

本申请附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本申请的实践了解到。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：

图1为本申请一实施例提供的封装基板的结构示意图；

图2为本申请另一实施例提供的封装基板的结构示意图；

图3为本申请实施例提供的半导体封装结构的俯视图；

图4为本申请一实施例提供的半导体封装结构的示意图；

图5为本申请另一实施例提供的半导体封装结构的示意图；

图6为本申请实施例提供的半导体封装结构的拓扑电路示意图。

附图标记说明

100-封装基板；112-第一金属层；112a-第一侧；112b-第二侧；111-绝缘层；110-第二金属层；120-焊料层；130-芯片；140-引线框架；141-功率端子；142-信号端子；150-封装材料层。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本申请公开的示例性实施方式。虽然附图中显示了本申请的示例性实施方式，然而应当理解，可以以各种形式实现本申请，而不应被这里阐述的具体实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了能够更透彻地理解本申请，并且能够将本申请公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。

在下文的描述中，给出了大量具体的细节以便提供对本申请更为彻底的理解。然而，对于本领域技术人员而言显而易见的是，本申请可以无需一个或多个这些细节而得以实施。在其他的例子中，为了避免与本申请发生混淆，对于本领域公知的一些技术特征未进行描述；即，这里不描述实际实施例的全部特征，不详细描述公知的功能和结构。

在附图中，为了清楚，层、区、元件的尺寸以及其相对尺寸可能被夸大。自始至终相同附图标记表示相同的元件。

应当明白，当元件或层被称为“在……上”、“连接到”其它元件或层时，其可以直接地在其它元件或层上、与之相邻、连接或耦合到其它元件或层，或者可以存在居间的元件或层。相反，当元件被称为“直接在……上”、“直接连接到”其它元件或层时，则不存在居间的元件或层。应当明白，尽管可使用术语第一、第二、第三等描述各种元件、部件、区、层和/或部分，这些元件、部件、区、层和/或部分不应当被这些术语限制。这些术语仅仅用来区分一个元件、部件、区、层或部分与另一个元件、部件、区、层或部分。因此，在不脱离本申请教导之下，下面讨论的第一元件、部件、区、层或部分可表示为第二元件、部件、区、层或部分。而当讨论的第二元件、部件、区、层或部分时，并不表明本申请必然存在第一元件、部件、区、层或部分。

空间关系术语例如“在……下”、“在……下面”、“下面的”、“在……之下”、“在……之上”、“上面的”等，在这里可为了方便描述而被使用从而描述图中所示的一个元件或特征与其它元件或特征的关系。应当明白，除了图中所示的取向以外，空间关系术语意图还包括使用和操作中的器件的不同取向。例如，如果附图中的器件翻转，然后，描述为“在其它元件下面”或“在其之下”或“在其下”元件或特征将取向为在其它元件或特征“上”。因此，示例性术语“在……下面”和“在……下”可包括上和下两个取向。器件可以另外地取向(旋转90度或其它取向)并且在此使用的空间描述语相应地被解释。

在此使用的术语的目的仅在于描述具体实施例并且不作为本申请的限制。在此使用时，单数形式的“一”、“一个”和“所述/该”也意图包括复数形式，除非上下文清楚指出另外的方式。还应明白术语“组成”和/或“包括”，当在该说明书中使用时，确定所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但不排除一个或更多其它的特征、整数、步骤、操作、元件、部件和/或组的存在或添加。在此使用时，术语“和/或”包括相关所列项目的任何及所有组合。

为了彻底理解本申请，将在下列的描述中提出详细的步骤以及详细的结构，以便阐释本申请的技术方案。本申请的较佳实施例详细描述如下，然而除了这些详细描述外，本申请还可以具有其他实施方式。

请参考图1，本申请实施例提供了一种封装基板100，用于安装芯片，该封装基板100包括：第一金属层112，包括用于安装芯片的第一侧112a和与所述第一侧112a相对的第二侧112b；绝缘层111，设置在所述第一金属层112的第二侧112b；所述绝缘层111为掺杂有陶瓷粉末的有机硅胶层。

可以理解地，在本申请实施例所提供的封装基板中，选用掺杂有陶瓷粉末的有机硅胶层作为绝缘层，由于相比于陶瓷材料，有机硅胶的热膨胀系数与金属的热膨胀系数更为接近，因此采用有机硅胶层与金属层组合形成封装基板，可以有效降低了翘曲变形的风险；此外，使用有机硅胶层作为封装基板中的绝缘层，有利于减小封装基板的厚度，进而有利于促使整个半导体封装结构甚至使用该半导体封装结构的设备小型化；在此基础上，上述封装基板具有较低的热阻，更有利于芯片散热；在电性能方面，掺杂有陶瓷粉末的有机硅胶层，其绝缘性能够满足高功率模块的封装需求，保证了半导体封装结构的工作可靠性。

该封装基板100安装芯片后的状态可以参考图4，如图4所示，芯片130通过焊料层120安装在所述封装基板100上，引线框架140通过焊料分别连接在所述封装基板100上和所述芯片130上。

作为一种可选的实施方式，绝缘层111的厚度可以小于或等于0.15mm。进一步可选地，绝缘层111的厚度小于或等于0.10mm。在具体应用中，例如选择为0.08mm。如此，因为有机硅胶具有高韧性，可以在保证其不会断裂的基础上，进一步减小绝缘层111的厚度，从而有利于减小封装基板的厚度；此外，在厚度减小的情况下，封装基板的热阻也得到降低，更有利于将芯片产生的热量散出。

绝缘层111为掺杂有陶瓷粉末的有机硅胶层，所掺杂的陶瓷粉末可以包括氮化铝粉末和/或氧化铝粉末。在具体应用中，氧化铝粉末具体可以选用Al₂O₃粉末。掺杂陶瓷粉末可以保证封装基板的绝缘性，进而防止绝缘层被击穿，影响封装基板的可靠性。

陶瓷粉末可以通过搅拌铸造或压力渗透的方法掺杂进有机硅胶层中。陶瓷粉末占绝缘层111的含量等于或大于70％，如此可以保证绝缘层111的绝缘性。当陶瓷粉末的含量小于70％时，绝缘层111的绝缘性较差，影响衬底的可靠性。

有机硅胶层是由有机硅和石墨组合制备的，但本申请不限于此。

第一金属层112的厚度可以超过DBC基板和AMB基板的限制，具体可以超过1mm，如此可以增加封装基板100的导电性和导热性。具体地，第一金属层112的厚度可以为0.3mm到3mm之间。在厚度小于0.3mm时，封装基板100的电特性较低，可能无法满足其应用的需要；而在厚度大于3mm时，封装基板100的体积过大，可能超出其应用于模块的体积。

作为一种可选的实施方式，绝缘层111的厚度小于第一金属层112的厚度。在保证绝缘层111的绝缘性的基础上，进一步减小封装基板的厚度，同时由于封装基板厚度的减小，使得封装基板的热阻降低，有利于芯片散热。此外，由于本申请中采用的绝缘层111为有机硅胶层，因此即便绝缘层111的厚度小于第一金属层112的厚度，也可以避免封装基板发生翘曲和断裂的问题。

请继续参考图1和图4，与DBC基板和AMB基板相比，本申请实施例提供的封装基板100可以仅在绝缘层111的一侧设置金属层，具体在朝向芯片安装位置的一侧设置第一金属层112，而在背离芯片安装位置的一侧不设置金属层，以降低封装基板100的制备成本，减薄封装基板100的厚度。示例性地，绝缘层111包括彼此相对的第一表面和第二表面，其中，第一表面与第一金属层112的第二侧112b接触，第二表面暴露。如图4所示，在半导体封装结构中，封装材料层150可以不包封绝缘层111的第二表面，即第二表面从封装材料层150中暴露。相比而言，在DBC基板中，下层金属层往往不能被省去，如果不设置下层金属层，则DBC基板中的陶瓷层会向上层金属层的方向翘曲，影响其性能以及可靠性。本实施例由于掺杂有陶瓷粉末的有机硅胶层具有良好的韧性，因此无需受到此限制。

请参考图2，在一可选实施例中，上述封装基板100也可以包括第二金属层110。第二金属层110，设置在所述绝缘层111的远离所述第一金属层112的一侧。所述第二金属层110的厚度小于或等于所述第一金属层112的厚度。如此设置，兼顾了封装基板100的厚度大小和可靠性高低问题；与传统的DBC基板或AMB基板相比，翘曲变形的风险更小，同时厚度更薄。

在具体应用中，所述第一金属层112和所述第二金属层110可以是铜层。因为绝缘层111中的有机硅胶材料的热膨胀系数(CTE)与Cu更接近，如此，选用Cu作为金属层的材料，可以有效降低封装基板翘曲变形的风险。

第一金属层112、绝缘层111以及第二金属层110的面积可以根据实际需要合理设置。在本申请一可选实施例中，第一金属层112的面积小于绝缘层111的面积，且第一金属层112的侧边界位于绝缘层111的侧边界的范围内；如此可以增加爬电距离，防止电流跑到第二金属层110，从而提高封装基板电可靠性。

第二金属层110的面积可以等于绝缘层111的面积，从而更加便于封装。

表1为DBC基板与本申请具体示例一提供的封装基板的各层热阻和总热阻的数值对比表；表2为AMB基板与本申请具体示例二提供的封装基板的各层热阻和总热阻的数值对比表。各层热阻是通过如下公式计算得出的：各层热阻＝厚度/(热导率×传热面积)。总热阻等于各层热阻的加和。表1及表2中DBC基板、AMB基板、具体示例一提供的封装基板和具体示例二提供的封装基板的传热面积相同。Cu的热导率为398W/m·K，Al₂O₃陶瓷的热导率为24W/m·K，Si₃N₄陶瓷的热导率为80W/m·K，掺杂有陶瓷粉末的有机硅胶的热导率为12W/m·K。

表1

表2

如表1所示，本申请具体示例一提供的封装基板相比于DBC基板，绝缘层和下层金属层的厚度均更小，总热阻比DBC基板降低50％左右。如表2所示，本申请具体示例二提供的封装基板相比于AMB基板，在总热阻相当的情况下，各层的厚度之和更小。

请参考图3至图5，本申请还提供一种半导体封装结构，包括：封装基板100、焊料层120、芯片130、功率端子141以及驱动回路的信号端子142、封装材料层150。

请参考图4，图4为本申请一实施例提供的半导体封装结构的示意图，且具体为沿图3中A-A’处进行剖视的结构示意图。所述半导体封装结构具体包括封装基板100；芯片130，所述芯片130通过焊料层120安装在所述封装基板100上；引线框架140，所述引线框架140通过焊料分别连接在所述封装基板100上和所述芯片130上。

在实际应用中，可以在芯片130的背面镀金或镀银，该芯片130通过银烧结工艺安装在所述封装基板100中第一金属层112的第一侧112a。相应的，也可以在所述第一金属层112的第一侧112a镀金或镀银。

图4所示的半导体封装结构例如为大功率芯片封装模块，其中贴装在封装基板100上的芯片130包括功率开关元件，例如为具有较大耐压的功率芯片，更进一步例如是绝缘栅双极型晶体管(IGBT)芯片或金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)芯片。

如图4所示，本申请实施例的半导体封装结构例如是单面散热封装模块，换言之，仅在芯片130的一面设置有封装基板100。但本申请不限于此，在一些实施例中，半导体封装结构也可以是双面散热封装模块。双面散热封装模块包括两个封装基板100，且分别设置于芯片130的顶表面和底表面。

如图3至4所示，本申请实施例的半导体封装结构还包括：引线框架140，所述引线框架140与芯片130导电连接；此外，引线框架140还可以与封装基板100导电连接，具体与封装基板100中的第一金属层112导电连接。所述引线框架140包括多个功率端子141和多个信号端子142；其中，所述多个功率端子141分布在所述半导体封装结构的至少两侧，一侧为输入端，另一侧为输出端；所述多个信号端子142位于所述半导体封装结构的同一侧。在模塑封装后，引线框架140通过各功率端子141和各信号端子142实现芯片130与外部电路的导电连通。

本申请实施例可以在引线框架140表面的焊接区设置焊料。所述焊料可采用各种适合的焊接材料，例如为焊锡。所述焊锡可采用锡膏和锡片中的至少一种。所述引线框架140上的焊接区的范围可根据引线框架140与封装基板100上的焊接位置具体设置。

如图4所示，本申请实施例的半导体封装结构还可包括封装材料层150，所述封装材料层150设置在所述芯片的周围以形成对所述芯片130的封装。具体地，可以采用模制注塑的方法进行封装。封装基板100的底部可以从封装材料层150中露出。如图4所示，所形成的半导体封装结构中，将所述芯片130和封装基板100分别与引线框架140焊接，具有模块结构薄型化、部件轻量化、封装工艺和组装模具简易化的优点。

在另一实施例中，如图5所示，所述半导体封装结构的封装基板100还可以包括第二金属层110。具体地，该半导体封装结构中的封装基板100为图2所示实施例中的封装基板，此处不再展开赘述。

本申请实施例中，模块拓扑电路为单开关，如图6所示，G(1)为晶体管栅极端子，S(2)、S(3)为晶体管源极端子，D(4)为晶体管漏极端子。其中，G(1)和S(2)分别对应于图3中的两个信号端子142；S(3)和D(4)分别对应于图3中的两个功率端子141。

应当理解，以上实施例均为示例性的，不用于包含权利要求所包含的所有可能的实施方式。在不脱离本公开的范围的情况下，还可以在以上实施例的基础上做出各种变形和改变。同样的，也可以对以上实施例的各个技术特征进行任意组合，以形成可能没有被明确描述的本申请的另外的实施例。因此，上述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，不对本申请专利的保护范围进行限制。

Claims (9)

1.一种封装基板，用于安装芯片，其特征在于，所述封装基板包括：

第一金属层，包括用于安装芯片的第一侧和与所述第一侧相对的第二侧；

绝缘层，设置在所述第一金属层的第二侧；所述绝缘层为掺杂有陶瓷粉末的有机硅胶层。

2.根据权利要求1所述的封装基板，其特征在于，所述绝缘层的厚度小于或等于0.15mm。

3.根据权利要求1所述的封装基板，其特征在于，所述第一金属层的厚度在0.3mm到3mm之间。

4.根据权利要求1或3所述的封装基板，其特征在于，所述绝缘层的厚度小于所述第一金属层的厚度。

5.根据权利要求1所述的封装基板，其特征在于，还包括：

第二金属层，设置在所述绝缘层的远离所述第一金属层的一侧；

所述第二金属层的厚度小于或等于所述第一金属层的厚度。

6.根据权利要求5所述的封装基板，其特征在于，所述第一金属层和/或所述第二金属层为铜层。

7.一种半导体封装结构，其特征在于，包括：

如权利要求1～6中任意一项所述的封装基板；

芯片，安装在所述封装基板中第一金属层的第一侧；

封装材料层，设置在所述芯片的周围以形成对所述芯片的封装。

8.根据权利要求7所述的半导体封装结构，其特征在于，还包括：

引线框架，与所述芯片导电连接；

所述引线框架包括多个功率端子和多个信号端子；其中，所述多个功率端子分布在所述半导体封装结构的至少两侧；所述多个信号端子位于所述半导体封装结构的同一侧。

9.根据权利要求7所述的半导体封装结构，其特征在于，所述芯片包括功率开关元件。

Images