TWI824824B - 功率晶片封裝 - Google Patents
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Abstract
本發明提供一種功率晶片封裝。功率晶片封裝包含金屬蓋、功率晶片與導熱材料。金屬蓋的其中一側面形成凹槽。功率晶片固晶於金屬蓋並位於凹槽中。導熱材料填充於凹槽並環繞功率晶片。其中功率晶片的第一電極外露於導熱材料。
Description
本發明是有關於一種電子功率晶片封裝。
在半導體材料中，材料的能隙大小實為重要的性質之一，能隙越大的半導體材料，其所能承受的電壓與電流強度也越高，能源轉換效率也越好。因此，業界致力於發展由氮化鎵（GaN）或碳化矽（SiC）等寬能隙（wide band gap，WBG）材料所製成的高功率晶片，並將高功率晶片應用於高壓、大電流以及高瓦數的產品中，如電動車快充裝置、車用逆變器與通電載板（on board charger）、或高壓電力系統等。
目前業界採用樹脂材料封裝功率晶片。由於樹脂材料作為封裝主體與外界接觸，導熱效果有限，無法將高功率晶片產生的熱能有效導出。換言之，適用於傳統矽功率元件與低功率元件的封裝，不能滿足寬能隙半導體如氮化鎵(GaN)、碳化矽(SiC)或氧化鎵(Ga
2O
3)高瓦數散熱需求。
此外，在多晶片模組設計中，傳統上將多個功率晶片置於一基板上，接著做模組內的晶片組封裝，造成功率晶片導熱的困難度。因此如何提供免除基板的功率元件封裝結構，以提供模組設計的彈性，為仍待解決的問題。
因此，本發明之一目的就是在提供一種功率晶片封裝，改善因為高功率，所面臨的散熱問題。
根據本發明之上述目的，提出一種功率晶片封裝，包含金屬蓋、功率晶片與導熱材料。金屬蓋的側面形成凹槽。功率晶片固晶於金屬蓋並位於凹槽中。導熱材料填充於凹槽中並環繞功率晶片。其中功率晶片的至少一個第一電極外露於導熱材料。
依據本發明之至少一實施例，上述之功率晶片包含碳化矽基板及半導體結構層，碳化矽基板包含第二電極，碳化矽基板上的第二電極固晶於金屬蓋，半導體結構層設置於碳化矽基板上，第一電極電性連接半導體結構層。
依據本發明之至少一實施例，上述之功率晶片包含碳化矽、矽或氧化鎵。
依據本發明之至少一實施例，上述之金屬蓋接地，功率晶片包含矽基板及半導體結構層，矽基板固晶於金屬蓋的內側，金屬蓋的外側接地半導體結構層設置於矽基板上，第一電極連接半導體結構層，而半導體結構層位於第一電極與矽基板之間。
依據本發明之至少一實施例，上述之功率晶片包含絕緣基板及半導體結構層，絕緣基板固晶於金屬蓋的內側，半導體結構層設置於絕緣基板上，第一電極連接半導體結構層，而半導體結構層位於第一電極與絕緣基板之間。
依據本發明之至少一實施例，上述之功率晶片包含氮化鎵。
依據本發明之至少一實施例，上述之第一電極包含原生部及延伸部，原生部位於半導體結構層與延伸部之間，延伸部的材料選自錫/銀/銅、錫/銅、錫/銀、錫/鉍、錫/銻或其組合所組成之一群組。
依據本發明之至少一實施例，上述之導熱材料延伸至第一電極。
依據本發明之至少一實施例，上述之第一電極中每一者的末端面與導熱材料的末端面共平面。
依據本發明之至少一實施例，上述之第一電極凸出導熱材料的末端面。
依據本發明之至少一實施例，上述之導熱材料未延伸至第一電極。
依據本發明之至少一實施例，上述之金屬蓋包含連接板部及環牆部，功率晶片固晶於連接板部上，環牆部形成於連接板部的外緣，以及環牆部與連接板部圈圍形成凹槽。
依據本發明之至少一實施例，上述之金屬蓋進一步包括粗糙部，粗糙部設置於環牆部的內側面。
依據本發明之至少一實施例，上述之金屬蓋進一步包括至少一個擋部，擋部凸出環牆部的內側面。
依據本發明之至少一實施例，上述之擋部延伸至環牆部的末端面。
依據本發明之至少一實施例，上述之擋部未延伸至環牆部的末端面。
依據本發明之至少一實施例，上述之擋部的數量為二個以上，擋部中的其中一者鄰近並延伸至環牆部的末端面，擋部中的其他者未延伸至環牆部的末端面。
基於上述，導熱材料位於金屬蓋與功率晶片之間，利用導熱材料，將功率晶片產生的熱能傳導至金屬蓋。金屬蓋可提供多面散熱型態，有效提升散熱效果。功率晶片固晶於金屬蓋上，可省略晶片載板（chip carrier），有助於輕薄化與降低成本，並供彈性設計功率模組使用。
請參閱圖1A、圖1B、圖1C與圖1D，其分別繪示依照本發明之多個實施方式的功率晶片封裝100、100a、100b與100c的剖面示意圖。功率晶片封裝100、100a、100b與100c為高功率的功率晶片封裝100、100a、100b與100c，面積可為4 mm
2至144 mm
2，且功率可大於或等於100瓦，較佳的使用功率範圍為100瓦至2000瓦間。在一些例子中，功率晶片封裝100、100a、100b與100c的尺寸可為6 mmX6 mm，甚至可為10 mmX10 mm。功率晶片封裝100、100a、100b與100c包含金屬蓋110、功率晶片120、導熱材料130。金屬蓋110的側面形成凹槽111。功率晶片120固晶於金屬蓋110並位於凹槽111中。導熱材料130填充於凹槽111中並環繞功率晶片120。其中功率晶片120的第一電極121外露於導熱材料130。
在散熱方面，功率晶片封裝100、100a、100b與100c利用導熱材料130，將功率晶片120產生的熱能迅速地傳導至金屬蓋110，金屬蓋110可提供多面散熱型態，以增加散熱面積，從而有效提升散熱效果。另外，功率晶片120固晶於金屬蓋110上，可省略晶片載板，有助於輕薄化後段客戶彈性設計功率模組使用，並可降低成本。
請參閱圖1A，在功率晶片封裝100的第一實施方式中，功率晶片120包含碳化矽基板122及半導體結構層123。碳化矽基板122包含第二電極124，碳化矽基板122上的第二電極124固晶於金屬蓋110，換言之，第二電極124電性連接金屬蓋110。第二電極124可為汲極。半導體結構層123設置於碳化矽基板122上。第一電極121電性連接半導體結構層123。第一電極121可為源極與閘極。其中功率晶片120包含碳化矽、矽或氧化鎵。功率晶片120藉由半導體結構層123上的第一電極121，以及與第二電極124連接的金屬蓋110，作為對外的電性連接。
繼續參閱圖1B，在功率晶片封裝100a的第二實施方式中，功率晶片120包含矽基板122a及半導體結構層123。矽基板122a固晶於金屬蓋110的內側。換言之，矽基板122a位於金屬蓋110的凹槽111中。金屬蓋110接地。換言之，金屬蓋110的外側接地。半導體結構層123設置於矽基板122a上。第一電極121連接半導體結構層123。半導體結構層123位於第一電極121與矽基板122a之間。其中功率晶片120的半導體結構層123可包含氮化鎵。
另外，第一電極121的數量可為一個或複數個。當此功率晶片120設計為電晶體時，源極與閘極為第一電極121，汲極為第二電極124。當此功率晶片120設計為二極體時，源極可為第一電極121，而汲極可為第二電極124。或者汲極可為第一電極121，而源極可為第二電極124。
繼續參閱圖1C與1D，在功率晶片封裝100b與100c的第三與第四實施方式中，功率晶片120不僅包含半導體結構層123，而且還包含絕緣基板122b或122c。絕緣基板112b與122c固晶於金屬蓋110的內側。換言之，絕緣基板112b與122c位於金屬蓋110的凹槽111中。其中半導體結構層123設置於絕緣基板122b或122c上。第一電極121連接半導體結構層123。在功率晶片封裝100b中，半導體結構層123位於第一電極121與絕緣基板122b之間。在功率晶片封裝100c中，半導體結構層123位於第一電極121與絕緣基板122c之間。此外，功率晶片120包含氮化鎵。
在一些例子中，金屬蓋110可為銅金屬、鋁金屬或其他導熱導電金屬。在一些例子中，金屬蓋110包含連接板部112及環牆部113。連接板部112的內側面為平整的，並金屬化處理，例如電鍍金、化鍍金或化鍍銀等，有助於功率晶片120固晶於連接板部112的內側面112is上。環牆部113形成於連接板部112的外緣，以及環牆部113與連接板部112圈圍形成前述的凹槽111。
上述中，第一電極121包含原生部121p及延伸部121e。原生部121p連接半導體結構層123。延伸部121e連接原生部121p。即，原生部121p位於半導體結構層123與延伸部121e之間。其中，延伸部121e的材料可為錫/銀/銅、錫/銅、錫/銀、錫/鉍、錫/銻或其組合所組成之群組。原生部121p的材料可為金、金/錫、錫/銀/鉍、錫/銀/鉍/銅、錫/銀/銅或其組合所組成之群組。
連接板部112的外側面112os與環牆部113的外周面113s可提供散熱。在一些例子中，金屬蓋110的俯視外輪廓形狀概呈四邊形。連接板部112的外側面112is與環牆部113的外周面113s可提供散熱，其中環牆部113的外周面113s包含四個外側面。由於導熱材料130填充於凹槽111，所以外露於金屬蓋110的導熱材料130也可提供散熱。換言之，功率晶片封裝100、100a、100b與100c採用金屬蓋110與導熱材料130，形成多面散熱型態，以增加散熱面積，有效提高散熱能力。
如圖1A，金屬蓋110進一步包括粗糙部114。粗糙部114設置於環牆部113的內側面。其中，粗糙部114可連續延伸地環繞導熱材料130，或者粗糙部114可不連續延伸地環繞導熱材料130。粗糙部114直接接觸導熱材料130，且粗糙部114與導熱材料130之間形成的結合面呈凹凸狀。利用粗糙部114提供嵌入的結合效果，讓導熱材料130不會掉出金屬蓋110。即提高導熱材料130與金屬蓋110之間的結合穩定性與可靠度（reliability）。
繼續參閱圖1A，金屬蓋110進一步包括擋部115。擋部115凸出環牆部113的內側面。其中，擋部115的數量可為一個，以及擋部115延伸至環牆部113的末端面，或者擋部115未延伸至環牆部113的末端面。或者擋部115的數量可為複數個，最鄰近環牆部113的末端面的擋部115可延伸至環牆部113的末端面，其餘擋部115則未延伸至環牆部113的末端面，其中，擋部115可彼此間隔設置。其中，擋部115可連續延伸地環繞導熱材料130，或者擋部115可不連續延伸地環繞導熱材料130。擋部115直接接觸導熱材料130。
利用擋部115止擋導熱材料130，讓導熱材料130不會掉出金屬蓋110。即提高導熱材料130與金屬蓋110之間的結合穩定性與可靠度。另外，在功率晶片封裝100焊接於電路基板200時，擋部115可強化導熱材料130與金屬蓋110鑲嵌的結構強度，間接藉由導熱材料130與金屬蓋110之間的固著強度，而輔助強化與保護功率晶片120與金屬蓋110之間的固晶接著品質，同時增長外部濕氣滲入的路徑，進而提高阻隔外部濕氣滲入的能力。
繼續參閱圖1A，金屬蓋110進一步包括凸部116。凸部116凸出環牆部113的一外側面，以及凸部116延伸至該環牆部113的末端面。在功率晶片封裝100焊接於電路基板200時，凸部116可增加功率晶片封裝100與電路基板200之間的焊接面積，可提高結合強度，以及提高阻隔濕氣滲入的能力。
功率晶片120固晶於金屬蓋110。固晶手段可為金屬共晶方法或金屬燒結方法。其中，金屬共晶方法的材料選自金/錫、錫/銀/銅、錫/銀/鉍、錫/銀/銅或其組合所組成之一群組。金屬燒結方法可為銀燒結或銅燒結等。
在一些例子中，導熱材料130是電絕緣材料。其中，導熱材料以聚合物為基體、以導熱粉為填料的高分子複合材料，具有良好的導熱性能和機械性能。其中導熱粉的材料可為碳、氮化鋁、氮化硼、碳化矽、氧化鋁、氧化鋅、石墨烯或其組合。
在一些例子中，導熱材料130可延伸至第一電極121的外周緣，其中第一電極121的末端面與導熱材料130的末端面可以共平面，即導熱材料130可延伸至延伸部121e的外周緣，其中延伸部121e的末端面與導熱材料130的末端面共平面。或者第一電極121凸出導熱材料130的末端面。如圖1D所示，導熱材料130未延伸至第一電極121。
請參閱圖2A至圖2E，繪示本發明之第一實施例的功率晶片封裝100製造方法的剖面圖。先備製金屬蓋110。如圖2A，塗布金屬焊接材料140在金屬蓋110的連接板部112的內側面。其中金屬焊接材料140可以選用奈米銀、奈米銅、錫/銀/銅合金或金/錫合金等。
如圖2B，接著固晶功率晶片120，功率晶片120利用金屬焊接材料140結合於連接板部112。即功率晶片120與連接板部112由金屬鍵結所連接。
如圖2C，接著塗布焊接材料在金屬蓋110的頂面與功率晶片120的原生部121p上，再回焊（reflow）焊接材料，使焊接材料熔融並固化，在功率晶片120的原生部121p上形成延伸部121e。焊接材料選自錫/銀/銅、錫/銅、錫/銀、錫/鉍、錫/銻或其組合所組成之群組。
如圖2D，接著填充導熱介面材料於金屬蓋110的凹槽111中，以形成導熱材料130。此時導熱材料130的頂面可凸出於第一電極121的原生部121p，但不凸出於第一電極121的延伸部121e，以使導熱材料130不會完全覆蓋各個延伸部121e。
如圖2E，接著研磨延伸部121e，使延伸部121e的高度一致，即研磨後的延伸部121e的末端面共面，以利於後續的焊接作業。另外，研磨後的延伸部121e的高度可大於20微米。此外，導熱材料130與延伸部121e的材質不相同，所以研磨後，導熱材料130的頂面低於延伸部121e的頂面，即延伸部121e凸出導熱材料130。
請參閱圖3，繪示本發明之第三實施例的功率晶片封裝100b設置於電路基板200的剖面圖。功率晶片封裝100b焊接於電路基板200，並利用第一電極121與電路基板200電性連接。
請參閱圖4A與圖4B，功率晶片封裝100c焊接於電路基板200上，並利用第一電極121與電路基板200電性連接。由於導熱材料130未延伸至該些電極121，所以填充底部填充膠210(underfill)於功率晶片封裝100c與電路基板200之間的空隙。底部填充膠210能加強保護功率晶片封裝100c與電路基板200之間的焊接品質，以及輔助熱能傳導而提高散熱效果，以及可阻隔濕氣滲入。
請參閱圖5，繪示本發明之第一實施例的功率晶片封裝100設置於電路基板200的剖面圖。依據使用需求，可於電路基板200上設置數個功率晶片封裝100，利用高分子樹脂220將這些功率晶片封裝100與電路基板200封裝成型，方便使用者設計多種功率模組型態。進一步在連接板部112的外側面塗布形成絕緣導熱材料230，利用絕緣導熱材料230將散熱鰭片240結合於連接板部112的外側面112os，藉由散熱鰭片240提高功率模組的散熱。
綜上所述，功率晶片封裝採用金屬蓋與導熱材料的配置，讓功率晶片產生的熱能，利用導熱材料將熱能迅速地傳導至金屬蓋，藉由導熱材料中外露於金屬蓋的側面與金屬蓋的外周面來散熱。換言之，功率晶片封裝的頂面、底面與外側面皆可散熱，所以散熱效果佳。此外，功率晶片固晶於金屬蓋上，可省略晶片載板，有助於輕薄化。
雖然本發明已以實施例揭示如上，然其並非用以限定本發明，任何在此技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
100,100a,100b,100c:功率晶片封裝
110:金屬蓋
111:凹槽
112:連接板部
112is:內側面
112os:外側面
113:環牆部
113s:外周面
114:粗糙面
115:擋部
116:凸部
120:功率晶片
121:第一電極
121e:延伸部
121p:原生部
122:碳化矽基板
122a:矽基板
122b,122c:絕緣基板
123:半導體結構層
124:第二電極
130:導熱材料
140:金屬焊接材料
200:電路基板
210:底部填充膠
220:高分子樹脂
230:絕緣導熱材料
240:散熱鰭片
為讓本發明之上述和其他目的、特徵、優點與實施例能更明顯易懂，所附圖式之說明如下。
圖1A、圖1B、圖1C與圖1D係分別繪示依照本發明之第一、第二、第三與第四實施方式的一種功率晶片封裝的剖面示意圖。
圖2A至圖2E係繪示本發明之第一實施例的功率晶片封裝製造方法的剖面圖。
圖3係繪示本發明之第三實施例的功率晶片封裝設置於電路基板的剖面圖。
圖4A與圖4B係繪示本發明之第四實施例的功率晶片封裝設置於電路基板的剖面圖。
圖5係繪示本發明之第一實施例的功率晶片封裝設置於電路基板的剖面圖。
應注意圖式中的多種特徵並未依照產業上實務標準的比例繪製。為了說明上的清楚易懂，各種特徵的尺寸可以任意地增加或減少。
國內寄存資訊(請依寄存機構、日期、號碼順序註記)
無
國外寄存資訊(請依寄存國家、機構、日期、號碼順序註記)
無
100:功率晶片封裝
110:金屬蓋
111:凹槽
112:連接板部
112is:內側面
112os:外側面
113:環牆部
113s:外周面
114:粗糙面
115:擋部
116:凸部
120:功率晶片
121:第一電極
121e:延伸部
121p:原生部
122:碳化矽基板
123:半導體結構層
124:第二電極
130:導熱材料
140:金屬焊接材料
Claims (17)
- 一種功率晶片封裝，包括：一金屬蓋，包含一連接板部及一環牆部，該環牆部形成於該連接板部的一外緣，以及該環牆部與該連接板部圈圍形成一凹槽；一功率晶片，固晶於該連接板部上並位於該凹槽中；以及一導熱材料，其為電絕緣材料且填充於該凹槽中並環繞該功率晶片的側表面，其中該功率晶片的至少一個第一電極外露於該導熱材料且凸出於該環牆部。
- 如請求項1所述之功率晶片封裝，其中該功率晶片包含一碳化矽基板及一半導體結構層，該碳化矽基板包含一第二電極，該碳化矽基板上的該第二電極固晶於該連接板部上，該半導體結構層設置於該碳化矽基板上，該至少一個第一電極電性連接該半導體結構層。
- 如請求項2所述之功率晶片封裝，其中該功率晶片包含碳化矽、矽或氧化鎵。
- 如請求項1所述之功率晶片封裝，其中該功率晶片包含一矽基板及一半導體結構層，該矽基板固晶於該連接板部上，該金屬蓋的一外側接地，該半導體結構層設置於該矽基板上，該至少一個第一電極連接該半導體結 構層，而該半導體結構層位於該至少一個第一電極與該矽基板之間。
- 如請求項1所述之功率晶片封裝，其中該功率晶片包含一絕緣基板及一半導體結構層，該絕緣基板固晶於該連接板部上，該半導體結構層設置於該絕緣基板上，該至少一個第一電極連接該半導體結構層，而該半導體結構層位於該至少一個第一電極與該絕緣基板之間。
- 如請求項4或5所述之功率晶片封裝，其中該功率晶片包含氮化鎵。
- 如請求項2至5中任一項所述之功率晶片封裝，其中該至少一個第一電極中的每一者包含一原生部及一延伸部，該原生部位於該半導體結構層與該延伸部之間，該延伸部的材料選自錫/銀/銅、錫/銅、錫/銀、錫/鉍、錫/銻或其組合所組成之一群組。
- 如請求項1至5中任一項所述之功率晶片封裝，其中該導熱材料延伸至該至少一個第一電極。
- 如請求項8所述之功率晶片封裝，其中該至少一個第一電極中每一者的一末端面與該導熱材料的一末端面共平面。
- 如請求項8所述之功率晶片封裝，其中該至少一個第一電極凸出該導熱材料的一末端面。
- 如請求項1至5中任一項所述之功率晶片封裝，其中該導熱材料未延伸至該至少一個第一電極。
- 如請求項1至5中任一項所述之功率晶片封裝，其中該導熱材料包括一聚合物基體及一導熱粉填料，該導熱粉填料的材料為碳、氮化鋁、氮化硼、碳化矽、氧化鋁、氧化鋅、石墨烯或其組合。
- 如請求項1所述之功率晶片封裝，其中該金屬蓋進一步包括一粗糙部，該粗糙部設置於該環牆部的一內側面。
- 如請求項1所述之功率晶片封裝，其中該金屬蓋進一步包括至少一個擋部，該至少一個擋部凸出該環牆部的一內側面。
- 如請求項14所述之功率晶片封裝，其中該至少一個擋部延伸至該環牆部的一末端面。
- 如請求項14所述之功率晶片封裝，其中該 至少一個擋部未延伸至該環牆部的一末端面。
- 如請求項14所述之功率晶片封裝，其中該至少一個擋部的數量為二個以上，該至少一個擋部中的其中一者鄰近並延伸至該環牆部的一末端面，該至少一個擋部中的其他者未延伸至該環牆部的該末端面。
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- 2022-12-01 TW TW111146141A patent/TWI823697B/zh active
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