半导体封装结构及其制造方法与流程

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半导体封装结构及其制造方法与流程

本发明有关于一种半导体封装制程,特别是一种提供双面散热功能的半导体封装结构及其制造方法。



背景技术:

高度集成、微型化的半导体产品不仅是消费型产品的潮流,同时也逐步渗透至电机控制应用。与此同时,无刷直流电机马达(Brushless DC motor,简称BLDC)在车用电子、医疗产品设备,或是家电产品等众多市场也呈现相同态势,其所占市场比重正逐渐超过其他各类电机。随着对BLDC电机需求的不断增长以及相关电机技术的日渐成熟,BLDC电机控制系统的开发策略已逐渐从分立式电路发展成功率模块形式。

基本电机系统如图16所示包含三个主要单元:功率电子元件、栅极驱动器和控制单元。除了将分立式功率电子元件,如IGBT,快速顺向功率二极管(FRD),MOSFET,与其他相关零件及温度检测装置,包装成模块外,也有些应用将栅极驱动器整合到模块里,除三相控制完全整合在同一模块中,在有些大电流的应用中也有封成单相模块的。此类功率模块是属于大电流功率以及大电流的应用,其所使用的半导体元件会产生相当大的热量,因此传统规划的模块封装体散热能力显得不足,需要额外的散热设计,以便有效地释放热量。

这些公知技术虽然能合理运作并有一定的效果,然而存有一些缺陷如美国专利公开第20090160044号,第20130020694号,以及20130020694号,就公开有相关的技术。首先,传统功率模块制作的方式是以晶片黏贴(Die Attach)加上打线(wire bonding)为主,另有将铝线改成铝带(Aluminum ribbon)的作法,或是使用导电率与散热能力较佳的铜材,如铜线或铜带(copper ribbon)来降低线阻。如前所述,由于传统作法是将功率模块中的功率晶片使用打线的方式进行电气连接,功率晶片所产生的热 能不容易被有效的散热。

此外,由于使用打线方式,寄生电感增大从而影响操作频率。再者,寄生电感所引发的电磁干扰(EMI)也是一个不能被忽略的技术问题,需要被抑制。关于前述散热问题,虽然当前有双面冷却的技术被提出,并被使用在混合动力的汽车上,但是还是以晶片黏贴方式进行组装,生产程序复杂,良率控制不佳,晶片测试涵盖率不足与特性匹配不易等问题,造成成品功效不一致。

分立式组件组装电子电路有其简易性,生产成本低,可大量生产等好处,目前大部分电路板也是以此种方式生产。功率模块具备良好的可靠度与散热能力优越的优点。如何结合这两种不同的组装技术的优点,完成具有双面冷却能力,生产简单的功率模块是此次重点。

有鉴于此,本发明有感上述缺陷提出一种设计合理并有效改善上述缺陷的制造方法及其封装结构。



技术实现要素:

本发明的主要目的在于提供一种半导体封装结构及其制造方法,具有双面散热的技术效果。

本发明其中一个实施例提供一种半导体封装结构的制造方法,包括下列步骤:

提供第一表面贴合元件,第一表面贴合元件由第一晶片与第一导电架所构成,其中第一导电架包含第一载板与第一金属件,第一载板与第一金属件相连并形成第一容置区,并使第一晶片位于第一容置区。第一晶片的第一侧电性相接第一载板;

然后,提供第一电路板与第一表面贴合元件结合,其中第一晶片的第二侧与第一金属件分别通过第一焊垫、第二焊垫连接到第一电路板。

提供第二电路板与第一载板连接,使第一表面贴合元件位于第一电路板以及第二电路板之间。

优选地,第一焊垫以及第二焊垫连接于第一电路板上的同一平面。

优选地,第一表面贴合元件还包括第一强化晶片,通过第一电路板上的金属层连接到第一晶片的第二侧。

优选地,提供第二电路板步骤后,更进一步包括:形成一闭回路金属环,设置于第一电路板与第二电路板之间,并围绕第一表面贴合元件。

优选地,提供第二电路板的步骤后,更进一步包括:涂布固定胶于第一电路板以及第二电路板之间。

优选地,在提供第一表面贴合元件的步骤前,包括:使用蚀刻法、冲压法、黏接法、植球法以及印刷法其中之一,在第一导电架上形成该第一金属件。

本发明另一实施例提供一种半导体封装结构,包括有第一表面贴合元件、第一电路板以及第二电路板;第一表面贴合元件包括有第一导电架与第一晶片,第一导电架包含第一载板与第一金属件,第一载板与第一金属件相连并形成第一容置区;第一晶片,位于第一容置区,第一晶片的第一侧电性连接第一载板;一第一电路板与第一表面贴合元件结合,第一晶片的第二侧与第一金属件分别通过第一焊垫、第二焊垫连接到第一电路板;第二电路板与第一载板连接,使第一表面贴合元件位于第一电路板以及第二电路板之间。

优选地,第一焊垫以及第二焊垫连接于第一电路板上的同一平面。

优选地,第一表面贴合元件还包括一第一强化晶片,通过第一电路板上的一金属层连接到第一晶片的第二侧。

优选地,第一晶片为绝缘栅极双极型电晶体或金属氧化物半导体场效电晶体,第一强化晶片为功率二极管。

优选地,半导体封装结构还包括一闭回路金属环,闭回路金属环设置于第一电路板与第二电路板之间,并围绕第一表面贴合元件。

优选地,半导体封装结构还包括有一第二表面贴合元件,第二表面贴合元件包括有:一第二导电架及一第二晶片。第二导电架包含一第二载板与一第二金属件,第二载板与第二金属件相连形成一第二容置区。第二晶片位于第二容置区,第二晶片的一第二侧电性连接于第二载板;第二晶片的第二侧与第二金属件分别通过一第三焊垫、一第四焊垫连接到该第一电路板。

优选地,半导体封装结构还包含有一第一散热片以及一第二散热片,第一散热片相接于第一电路板,第二散热片相接于第二电路板。

本发明至少具有下列技术效果:

提供双面冷却散热(double side cooling)的性能,并且具备低热电阻的优势。

提供防电磁波干扰(EMI)的技术功效。

使用表面贴合技术(Surface mounting Technology,SMT),能大为简化制程及生产成本,有助于大量生产(Mass Production,MP)。

有效降低电阻,满足于车用电子产品的高电流的需求。

本发明提供的半导体封装结构无需传统封装中的打线制程,易于生产与重工(rework),可靠度高。

与公知技术相比较,本发明所披露的半导体封装结构,不仅体积小,并且能容纳更多的功率晶片。

使用本发明所提供的半导体封装结构及其制造方法,其寄生电感大为降低,并且能提高操作频率。

为了能更进一步了解本发明之特征及技术内容,请参阅以下有关本发明之详细说明与附图,但是此等说明与所附附图仅用来说明本发明,而非对本发明的保护范围作任何的限制。

附图说明

图1是本发明半导体封装结构及其制造方法的第一流程图;

图2是本发明半导体封装结构及其制造方法的第二流程图;

图3是本发明半导体封装结构及其制造方法的第三流程图;

图4是本发明半导体封装结构及其制造方法的第四流程图;

图5是本发明半导体封装结构及其制造方法的导电框架第一制程示意图;

图6是本发明半导体封装结构及其制造方法的导电框架第二制程示意图;

图7是本发明半导体封装结构及其制造方法的导电框架第三制程示意图;

图8是本发明半导体封装结构及其制造方法的导电框架第四制程示意图;

图9是本发明半导体封装结构及其制造方法的第一表面贴合元件的示意图;

图10是本发明半导体封装结构及其制造方法的第一电路板示意图;

图11是本发明半导体封装结构及其制造方法的半导体封装结构的第一示意图;

图12是本发明半导体封装结构及其制造方法的半导体封装结构的第二示意图;

图13是本发明半导体封装结构及其制造方法的半导体封装结构的第三示意图;

图14是本发明半导体封装结构及其制造方法的半导体封装结构的第四示意图;

图15是本发明半导体封装结构及其制造方法的半导体封装结构的另一实施例示意图;

图16是本发明半导体封装结构及其制造方法的半导体封装结构应用于电路中的示意图。

附图标记说明

100 第一表面贴合元件

110 第一晶片

111 第一侧

112 第二侧

120 第一导电架

121 第一载板

1211 第一承接面

1212 第一传导面

122 第一金属件

123 第一容置区

140 导电层

150 FRD晶片

200 第一电路板

210 第一焊垫

220 第二焊垫

230 第三焊垫

240 第四焊垫

250 第五焊垫

260 第六焊垫

270 导电金属层

280 第一导热金属层

290 第一结合层

300 第二电路板

360 导电胶

370 第二导电层

380 第二导热金属层

390 第二结合层

400 金属柱

410 第一闭回路金属环

420 第二闭回路金属环

430 固定胶

500 第一散热片

510 第二散热片

600 导电框架

610 金属件

620 植球焊锡凸块

700 功率模块

710 功率元件

720 栅极驱动器

730 控制单元

740 马达单元

800 第二表面贴合元件

810 第二晶片

811 第一侧

812 第二侧

820 第二导电架

821 第二载板

8211 第二承接面

8212 第二传导面

822 第二金属件

823 第二容置区

850 FRD晶片

1000 电气连接端子

S100~S600 流程步骤

具体实施方式

以下借助于特定的具体实例说明本发明所披露半导体封装结构及其制造方法的实施方式,本领域普通技术人员可由本说明书所披露的内容轻易了解本发明的其他优点与功效。本发明亦可借助于其他不同的具体实施例加以施行或应用,本说明书中的各项细节亦可基于不同观点与应用,在不悖离本发明的精神下进行各种修饰与变更。又本发明的附图仅为简单说明,并非依实际尺寸描绘,亦即未反应出相关构成的实际尺寸,先予叙明。以下的实施方式是进一步详细说明本发明的相关技术内容,但并非用以限制本发明的技术范畴。

请参考图1至图4,为本发明一实施例的半导体封装结构的制造方法的流程图。本发明实施例所提供的制造方法可应用于对相同或不同种类的元件进行封装。前述的元件例如是功率电晶体、集成电路元件或是二极管等。在功率模块之内的最重要功率半导体部件通常是绝缘栅极双极型电晶体(IGBT)或金属氧化物半导体场效电晶体(MOSFET),也可以包括快速顺向功率二极管(FRD),或是其他功率元件的组合,这类半导体部件通常由Si、SiC、GaN、GaAS或其它合适的材料制成。在本发明中以功率分立器件MOSFET 为例进行说明。

在步骤S100中,提供第一表面贴合元件。第一表面贴合元件100请参考图9至图12,由第一晶片110以及第一导电架120构成,其中第一导电架120包含有相连的第一载板121以及第一金属件122。第一载板121以及第一金属件122形成第一容置区123。第一晶片110位于第一容置区123,第一晶片110的第一侧111电性相接第一载板121,第一金属件122与第一晶片110的第二侧112位于同一侧。

换句话说,第一晶片110的一侧电性连接于第一导电架120的第一载板121,且第一导电架120的第一金属件122位于第一晶片110的侧边。进一步说,第一金属件122的一端连接第一载板121,另一端通过第一焊垫210而连接第一电路板200。第一金属件122的另一端与第一晶片110的第二侧112位于同一侧。关于步骤S100的其他部分容后说明。

在步骤S200中,提供第一电路板与第一表面贴合元件结合,请配合参考请参考图9至图12。第一晶片110的第二侧112与第一金属件122分别通过第一焊垫210、第二焊垫220连接到第一电路板200。

换句话说,第一表面贴合元件100固定于第一电路板200,第一晶片110的第一侧111通过第一导电架120而电性连接于第一焊垫210,第一晶片110的第二侧112电性连接于第二焊垫220,其中第一焊垫210以及第二焊垫220可设计位于第一电路板200上的同一平面。关于步骤S200的其他部分容后说明。

在步骤S300中,提供第二电路板300与第一载板121连接,使第一表面贴合元件100位于第一电路板200以及第二电路板300之间,请配合参考图11以及图12。关于步骤S300的其他部分容后说明。

请参考图2,对步骤S100做进一步的说明。在步骤S100中,还进一步包含:步骤S110,晶片表面金属化;步骤S111,形成金属件;以及步骤S112,固定晶片于导电架S112。

在步骤S110中,晶片表面金属化。提供表面金属化的晶片,以第一晶片110以金属氧化物半导体场效电晶体(MOSFET)为例,如图11第一晶片110的第一侧111为漏极(Drain),通过导电层140贴合于第一导电架120,第二侧112包含有栅极(Gate)以及源极(Source)。栅极以及源极表 面分别形成有对应于栅极的第二焊垫220,以及对应于源极的第三焊垫230,原本焊垫一般是铝等金属,无法直接与电路板焊接使用的焊料作连接,需使用无电电镀制程、溅镀制程、以及蒸镀制程所构成的组合其中之一,对第一晶片110进行表面金属化,形成TiCu,NiAu等金属或合金焊垫。

在步骤S111中,能使用蚀刻法、冲压法、黏接法、植球法,以及印刷法所构成的组合其中之一,在导电框架上形成金属件,请参考图5至图8。导电框架600的材质可以是铜、铜合金或铁镍等具有电气传导能力的金属或合金,导电框架600一般是平板状,其表面可以镀上锡、银、锡银铜合金、镍或镍合金等,能与锡相接合的金属或合金。

步骤S110的形成金属件,有多种实施方式。如图5所示,导电框架600能利用蚀刻法或冲压法,将金属凸块形状的金属件610形成于导电框架600上,金属凸块的作用,主要是将晶片背面的漏极导引到与晶片正面的源极,栅极至同一平面,并与电路板做电气连接。如图6所示,或使用与晶片黏贴相同的黏接法将金属凸块610黏接在导电框架600上。如图7所示,或使用植球法,也就是打线机植球工艺,将打线所形成球型金属凸块620固定于导电框架600上。如图8所示,对于薄片,小于75um可以使用印刷法,将焊料、导电胶或烧结银印刷在导电框架600上。如图9所示,对导电框架600进行切割,从而形成包含有第一导电架120以及第一晶片110的第一表面贴合元件100。

步骤S112,固定晶片于导电架,如图5至图8所示,使用点胶、焊接,网版涂布、共晶焊接(Eutectic Soldering)、以及导电膜所构成的组合其中之一,将具有导电性的接合材料,把第一晶片100固定在第一导电架120。前述具有导电性的接合材料,也就是第一晶片100以及第一导电架120之间的导电层140,其材质可以是银胶、奈米银、烧结银、锡膏,以及铜膏等等,在此第一晶片100并不限于同一类型单一晶片,其可以是数颗IGBT或MOSFET晶片并联搭配数颗FRD的组合。最后进行切割分离,至此完成分立式功率元件封装,如图9所示,统称预先封装分立式功率元件。此分立式功率完件完成后,可以进行涵盖率更周全的测试与电气参数匹配筛选。

请参考图3,对步骤S200做进一步说明。在步骤S200中,还进一步包含:步骤S210,形成金属层于第一电路板;步骤S211,固定第一表面贴合 元件于第一电路板。

在步骤S210中,请配合参考图10,使用热压贴附法或电镀法,将导电金属层270结合到第一电路板200上。第一电路板200作为搭载各元件的基板,可以使用绝缘陶瓷或金属核心电路板(Metal Core PCB,简称MCPCB)。以绝缘陶瓷基板做说明,导电金属层270的材质一般是铜(Cu)或铝(Al)等,使用前述的热压贴附法或电镀法将导电金属层270附着于绝缘陶瓷基板第一电路板200,提供电气、机械连接与散热路径。制程上采用直接铜结合工艺(Direct Bonding Copper,简称DBC)、直接电镀铜工艺(Direct Plating Copper,简称DPC)、直接铝结合工艺(Direct Aluminum Bonding,简称DAB)、活性金属焊工艺(AMB),将导电金属层270结合到第一电路板200。

关于所述的绝缘陶瓷材料,可以是Al2O3,Si3N4,AlN,AlSiC等等。第一电路板200能进行单面或双面的金属层,如导电金属层270以及第一散热金属层280,前者作为第一电路板200上的电路区,后者作为散热用,容后说明。

在步骤S211中,固定第一表面贴合元件于第一电路板。请参考图11,此步骤使用的是表面黏着技术制程(Surface Mounting Technology,简称SMT),将第一表面贴合元件100、第二表面贴合元件800、电气连接端子1000以及其他的元件(未绘出)放置固定与焊接在第一电路板200上。图11为方便说明,仅将单相电桥电路绘出,第一表面贴合元件100为上桥功率元件,第二表面贴合元件800为下桥功率元件。

请参考图11至图13。每一表面贴合元件至少包括一个功率晶片,在本发明中的第一晶片110为MOSFET或是IGBT,在此以MOSFET做说明。第一晶片110一侧的漏极通过第一导电架120而电性连接于第一焊垫210,第一晶片另一侧的栅极、源极,电性连接于第二焊垫220以及第三焊垫230。第一焊垫210、第二焊垫220,以及第三焊垫230位于第一电路板200的同一侧,另外第一表面贴合元件100内部置放一颗第一强化晶片,比如功率二极管或快速顺向功率二极管(FRD)晶片。在本发明中以FRD晶片150为例。FRD晶片150用以强化电路效能,第一晶片110与FRD晶片150同时被封入第一表面贴合元件100,且110的源极与FRD晶片150的阳极,通 过第一电路板200上的270金属层将电路连接在一起。进一步说,第一强化晶片通过第一电路板200上的金属层270,而连接到第一晶片110的第二侧112。

另外下桥第二表面贴合元件800也相同,内部置放一颗FRD晶片850,强化电路效能,第二晶片810与FRD晶片850同时被封入第二表面贴合元件800,且810的源极与FRD晶片850的阳极,通过200上的金属层290将电路连接在一起。其中第二晶片810一侧的漏极通过第二导电架820而电性连接于第五焊垫250,第二晶片810另一侧的栅极对应于第四焊垫240,源极对应于第六焊垫260。第五焊垫250、第四焊垫240,以及第六焊垫260位于第一电路板200上的同一平面。

进一步说,第二表面贴合元件800包括有第二导电架820以及第二晶片810。第二导电架820包含第二载板821与第二金属件822,第二载板821与第二金属件822相连形成第二容置区823。第二晶片810位于第二容置区823,第二晶片810的第一侧811电性连接于第二载板821,且第二金属件822与第二晶片810的第二侧812位于同一侧。其中第二晶片810的第二侧812与第二金属件822分别通过第四焊垫240、第五焊垫250连接到第一电路板。

第一表面贴合元件100与第二表面贴合元件800的连接点,为此单相半桥的输出端,其系通过金属层270将上桥的源极通过第三焊垫230与下桥的漏极第五焊垫250连接一起,形成相位输出端(Phase Out),将其他元件,如被动元件,Bootstrap Diode及驱动IC元件,预先组装的功率元件,电气端子元件,按表面黏着技术(SMT)流程,将所有零件放置固定于主电路基板200上,送入焊锡炉进行融化后固化。

其后,进行主电路基板200的电性连通测试与功能测试,以便在此阶段将不良品移除更换。

为配合元件形式不同,如驱动元件,可能提供的是裸晶形式,IC片需打连接线与主电路基板进行电性连通。另将IC片有打连接线的地方点胶固定强化。功率端子1000和信号端子除焊接外,也可通过超音波焊接在绝缘陶瓷基板的金属层上。

在步骤S300中,提供第二电路板,请配合参考图12。第二电路板300 基本与第一电路板200相同,包含第二导电层370、第二散热金属层380。第二导电层370可以作为第二电路板300的电路,导电胶360可以是焊料,作用是固定结合第二电路板300以及第一表面贴合元件100与第二表面贴合元件800。第一表面贴合元件100与第二表面贴合元件800其漏极端电位不同,对应到第二导电层370的电路不能连接在一起。完成固化程序后,第二电路板300与图11组件接合在一起,形成三明治结构,此时已经具备双面散热能力。

在步骤S400中,形成电气连接端子,如图11中所示的电气连接端子1000。在步骤S500中,形成一闭回路金属环,设置于第一电路板200以及第二电路板300之间,并围绕第一表面贴合元件100,从而提供防止电磁波干扰(EMI),关于步骤S500容后进一步说明。在步骤S600中,进行封胶作业。如图13,最后在成品四周涂布固定胶430于第一电路板200以及第二电路板300之间,除强化上下基板结合力外,也提供防潮防湿的能力,提高使用寿命。

本发明的一实施例中进一步配置有散热片,从而提供良好的散热功能,请参考图14。根据本发明提供的半导体封装结构的制造方法,适用于具有大电功率和大电流的应用,请配合参考图16,功率模块700包含许多功率元件710,在运作中会产生很高的热量,因此需要适当的散热媒介以便有效的释放由晶片产生的热量。本发明的半导体封装结构为薄型平面的三明治结构,非常适合各类型散热装置的添加与安装,如应用在插槽式散热装置,或简单如下常见的散热片,其包括下列步骤:形成第一散热金属层280于第一电路板200上,形成第二导热金属层380于第二电路板300上,贴附第一散热片500于第一导热金属层280,贴附第二散热片510于第二导热金属层380。

第一散热片500以及第二散热片510可以是铜或铝的金属材质,并使用金属锡膏等相关散热系数较佳材料作为第一结合层290以及第二结合层390,从而强化第一散热片500以及第一电路板200之间,第二散热片510以及第二电路板300之间的结合性能,达到最小热传导路径以及低热阻,大幅提升散热效能。

关于步骤S500,形成一闭回路金属环,请参考图4以及图15。为了进 一步提供防止电磁波干扰(EMI),形成一闭回路金属环,设置于第一电路板200与第二电路板300之间,并围绕第一表面贴合元件100。闭回路金属环进一步包含有第一闭回路金属环410、第二闭回路金属环420,以及金属柱400。

步骤S500进一步说明如下:提供第一闭回路金属环410,设置于第一电路板200上并围绕第一电路板200四周,将所有电子零件封闭于闭回路金属环410中。提供第二闭回路金属环420,设置于第二电路板300上,围绕第二电路板300四周。提供金属柱400,设置于第一电路板200以及第二电路板300之间,且金属柱400的两端分别电性连接于第一闭回路金属环410以及第二闭回路金属环420。金属柱400、第一闭回路金属环410,以及第二闭回路金属环420,可以接到第一电路板200以及第二电路板300上的适当电位点,比如接电点,从而起到强化防电磁波干扰的作用。

请参考图11至图16,本发明的半导体封装结构的制造方法,进一步包含有下列步骤:提供第二表面贴合元件800,第二表面贴合元件800由第二晶片810以及第二导电架820构成,其中第二导电架820包含有相连的第二载板821以及第二金属件822,如图11所示。第二载板821以及第二金属件822形成第二容置区823。第二晶片810位于第二容置区823,第二晶片810的一侧电性连接于第二导电架820的第二载板821,且第二导电架820的第二金属件822位于第二晶片810的侧边。换句话说,第二晶片820的第二侧812电性连接于第二载板821,且第二金属件822与第二晶片810的第二侧812位于同一侧。

然后固定第二表面贴合元件800于第一电路板200,第二晶片810的第一侧811通过第二导电架820而电性连接于第五焊垫250,第二晶片810的第二侧812电性连接于第四焊垫240与第六焊垫260,且第三焊垫230、第四焊垫240以及第五焊垫250位于第一电路板200上的同一平面。换句话说,第二晶片810的第二侧812与第二金属件822分别通过第五焊垫250与第四焊垫240、第六焊垫260而连接到第一电路板200。

如图13所示,将第二表面贴合元件800的一侧贴合于第二电路板300,使第二表面贴合元件800位于第一电路板200以及第二电路板300之间。

以上所述仅为本发明的较佳可行实施例,非因此局限本发明的保护范围,故凡运用本发明说明书及附图内容所做的等效技术变化,均包含于本发明的保护范围内。

再多了解一些
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