一种功率器件封装结构及其制造方法、电子装置与流程

本发明涉及功率器件模块化技术，具体涉及一种功率器件封装结构及电子装置。

背景技术：

传统的铝线键合式封装是功率器件最常用、技术最成熟的封装技术。然而，铝线键合式封装存在若干技术瓶颈制约碳化硅(sic)、氮化镓(gan)等宽禁带半导体功率器件的性能提升。例如由于功率器件工作时会产生大量热，造成高温环境，铝线键合式封装的封装材料，诸如锡基无铅焊料、塑封料等无法长时间承受200℃以上的高温环境；此外在高温环境下，铝线的寄生电感很大，并且可能发生击穿，或者互相干扰。因此铝线键合式封装很难充分发挥sic、gan等宽禁带半导体功率器件的性能。

技术实现要素：

基于上述问题本发明提供一种功率器件封装结构及其制造方法、电子装置，以解决sic、gan等宽禁带半导体功率器件性能难以充分发挥的问题。

本发明提供一种功率器件封装结构，包括：基板，基板包括基板电路层；第一封装单元，第一封装单元包括：基板一侧的中间绝缘介质层，中间绝缘介质层开设有贯穿中间绝缘介质层的腔体，腔体内设置有功率芯片，功率芯片朝向基板一侧设置有底电极，底电极电性连接基板电路层；中间绝缘介质层还开设有贯穿中间绝缘介质层的通孔，围成通孔的中间绝缘介质层内侧壁表面覆盖有内层金属互联层，内层金属互联层还延伸至中间绝缘介质层上朝向基板一侧表面和中间绝缘介质层上背向基板一侧表面，内层金属互联层电性连接基板电路层；外层金属互联层，外层金属互联层位于中间绝缘介质层背向基板一侧，功率芯片背向基板一侧设置有顶电极，顶电极电性连接外层金属互联层；外层金属互联层还电性连接内层金属互联层。

可选的，第一封装单元还包括：填充绝缘介质层，填充绝缘介质层填充通孔和腔体中的空隙，且填充绝缘介质层覆盖中间绝缘介质层背向基板一侧的表面，填充绝缘介质层还覆盖内层金属互联层背向基板一侧的表面和功率芯片背向基板一侧的表面；填充绝缘介质层在内层金属互联层和顶电极的对应位置开设多个穿孔，外层金属互联层延伸进入多个穿孔，电性连接内层金属互联层和顶电极。

可选的，第一封装单元还包括：缓冲金属层，缓冲金属层位于外层金属互联层和内层金属互联层之间，且位于外层金属互联层和功率芯片的顶电极之间，且位于所述外层金属互联层和所述填充绝缘介质层之间；缓冲金属层的金属活性低于或等于外层金属互联层的金属活性。

可选的，第一封装单元还包括：外层绝缘介质层，外层绝缘介质层覆盖填充绝缘介质层背向基板一侧的表面，且包覆外层金属互联层背向基板一侧的表面和侧部。

可选的，中间绝缘介质层的具有多个腔体，功率芯片的数量为多个，多个功率器件分别设置于多个腔体中。

可选的，第一封装单元的数量为多个，多个第一封装单元中的功率芯片通过基板电路层电性连接；和/或，多个第一封装单元中的外层金属互联层之间电性连接。

可选的，功率器件封装结构还包括：封装引脚；第二封装单元和第三封装单元，第二封装单元和第三封装单元分别电性连接基板电路层，第一封装单元、第二封装单元和第三封装单元相互分立；第二封装单元封装有有源器件或无源器件或非功率芯片；第三封装单元封装有有源或无源器件或非功率芯片。

本发明还提供一种功率器件封装结构的制造方法，包括以下步骤：提供基板，基板包括基板电路层；形成第一封装单元，形成第一封装单元的步骤包括：在基板一侧形成中间绝缘介质层，在中间绝缘介质层开设贯穿中间绝缘介质层的腔体，在腔体内设置功率芯片，功率芯片朝向基板一侧设置有底电极，底电极电性连接基板电路层；在中间绝缘介质层开设贯穿中间绝缘介质层的通孔，在围成通孔的中间绝缘介质层内侧壁表面覆盖有内层金属互联层，内层金属互联层还延伸至中间绝缘介质层上朝向基板一侧表面和中间绝缘介质层上背向基板一侧表面，内层金属互联层电性连接基板电路层；形成外层金属互联层，外层金属互联层形成于中间绝缘介质层背向基板一侧，功率芯片背向基板一侧设置有顶电极，顶电极电性连接外层金属互联层；外层金属互联层还电性连接内层金属互联层。

可选的，功率器件封装结构制造方法，还包括以下步骤：形成填充绝缘介质层，填充绝缘介质层填充通孔和腔体中的空隙，且填充绝缘介质层覆盖中间绝缘介质层背向基板一侧的表面，填充绝缘介质层还覆盖内层金属互联层背向基板一侧的表面和功率芯片背向基板一侧的表面；填充绝缘介质层在内层金属互联层和顶电极的对应位置开设多个穿孔，外层金属互联层延伸进入多个穿孔，电性连接内层金属互联层和顶电极；形成缓冲金属层，缓冲金属层位于外层金属互联层和内层金属互联层之间，且位于外层金属互联层和功率芯片的顶电极之间，且位于外层金属互联层和填充绝缘介质层之间；形成外层绝缘介质层，外层绝缘介质层覆盖填充绝缘介质层背向基板一侧的表面，且包覆外层金属互联层背向基板一侧的表面和侧部。

本发明还提供一种电子装置，包括如上所述的功率器件封装结构。

本发明技术方案，具有如下优点：

1.本发明的功率器件封装结构，通过中间绝缘介质层开设腔体和通孔，功率芯片设置于腔体内，通孔设置内层金属互联层，利用外层金属互联层将功率芯片和内层金属互联层连接的方式，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，从而可以发挥sic、gan等宽禁带半导体功率芯片的性能。同时，由于中间绝缘介质层设置多个通孔，可辅助功率芯片散热，有助于提高功率器件封装结构的散热能力，降低功率芯片的工作环境温度，有利于sic、gan等宽禁带半导体功率芯片性能的发挥。

2.本发明的功率器件封装结构，通过填充绝缘介质层填充腔体中和通孔中的空隙，并开设穿孔，外层金属互联层伸入穿孔中电性连接功率芯片和内层金属互联层的设置，可一定程度减少外层金属互联层与功率芯片的接触面积，减少因长时间受到大量功率芯片放热而加剧损耗及导致性能降低的情况。

3.本发明的功率器件封装结构，通过缓冲金属层的设置，一方面可以避免功率芯片的电极和外层金属互联层在高温环境下发生反应，造成器件损坏；另一方面在加工过程中可保护功率芯片的电极和内层金属互联层，避免发生过量刻蚀造成器件损坏。

4.本发明的功率器件封装结构，可以通过单个第一封装单元封装多个功率芯片，和/或多个第一封装单元再行电性连接的方式实现多个功率芯片的互联。

5.本发明的功率器件封装结构，还可以包括其他封装有有源器件或无源器件或非功率芯片的封装单元，有利于提高器件的集成度。

6.本发明提供的功率器件封装结构的制造方法，通过中间绝缘介质层开设腔体和通孔，功率芯片设置于腔体内，通孔设置内层金属互联层，利用外层金属互联层将功率芯片和内层金属互联层连接的方式，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，从而可以发挥sic、gan等宽禁带半导体功率芯片的性能。同时，由于中间绝缘介质层设置多个通孔，可辅助功率芯片散热，有助于提高功率器件封装结构的散热能力，降低功率芯片的工作环境温度，有利于sic、gan等宽禁带半导体功率芯片性能的发挥。

7.本发明提供的功率器件封装结构的制造方法，通过填充绝缘介质层填充腔体中和通孔中的空隙，并开设穿孔，外层金属互联层伸入穿孔中电性连接功率芯片和内层金属互联层的设置，可一定程度减少外层金属互联层与功率芯片的接触面积，减少因长时间受到大量功率芯片放热而加剧损耗和性能降低的情况；通过形成缓冲金属层，一方面可以避免功率芯片的电极和外层金属互联层在高温环境下发生反应，造成线路损坏，另一方面在加工过程中可保护功率芯片的电极和内层金属互联层，避免发生过量刻蚀。

8.本发明提供的电子装置，包括如上所述的功率器件封装结构，通过中间绝缘介质层开设腔体和通孔，功率芯片设置于腔体内，通孔设置内层金属互联层，利用外层金属互联层将功率芯片和内层金属互联层连接的方式，取代传统的铝线键合的方式，可以避免铝线键合在高温环境下寄生电感过大的问题，从而可以发挥sic、gan等宽禁带半导体功率芯片的性能。同时，由于中间绝缘介质层设置多个通孔，可辅助功率器件散热，有助于提高功率器件封装结构的散热能力，降低功率器件半导体的工作环境温度，有利于sic、gan等宽禁带半导体功率芯片性能的发挥。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，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。

图1为本发明一实施例的功率器件封装结构的俯视示意图；

图2为图1中aa截面线的截面图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明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发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“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，还可以是两个元件内部的连通，可以是无线连接，也可以是有线连接。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发明中的具体含义。

此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。

实施例1

参考图1-图2，本发明提供一种功率器件封装结构，包括：

基板002，基板022包括基板电路层(图中未示出)。

第一封装单元，第一封装单元包括：

基板002一侧的中间绝缘介质层005，中间绝缘介质层005开设有贯穿中间绝缘介质层005的腔体，腔体内设置有功率芯片001，功率芯片001朝向基板002一侧设置有底电极，底电极电性连接基板电路层。

中间绝缘介质层005还开设有贯穿中间绝缘介质层005的通孔006，围成通孔006的中间绝缘介质层内侧壁表面覆盖有内层金属互联层008，内层金属互联层008还延伸至中间绝缘介质层005上朝向基板002一侧表面和中间绝缘介质层005上背向基板002一侧表面，内层金属互联层008电性连接基板电路层。

外层金属互联层011，外层金属互联层011位于中间绝缘介质层005背向基板002一侧，功率芯片001背向基板002一侧设置有顶电极，顶电极电性连接外层金属互联层011；外层金属互联层011还电性连接内层金属互联层008。

其中，功率芯片001为立式芯片。在其他一些实施例中，功率芯片001也可以为普通平面芯片。

具体的，中间绝缘介质层005可以为有基层压板，功率芯片001和有基层压板围城腔体的内侧壁面之间留有空隙，空隙可以为25μm～50μm。功率芯片001与中间绝缘介质层005之间一定程度的空隙有助于功率芯片001散热，有利于功率芯片001性能的发挥。此外，腔体的尺寸比功率器件001的尺寸大约50μm～70μm；通孔006的直径可以为150mm～300mm。内层金属互联层008和功率芯片001的底电极分别通过金属键合层004电性连接基板002的基板电路层。基板002可以是直接键合铜/铝陶瓷基板(directbondedcopper/aluminumceramicsubstrate,dbc/a)、活性金属焊接铜陶瓷基板(activemetalbrazingceramicsubstrate,amb)。所用陶瓷材料包括氮化铝(aln)、氧化铝(al2o3)、氮化硅(si3n4)、氧化铍(beo)陶瓷等。有基层压板可以为双马来酰亚胺三嗪(bismaleimidetriazine，bt)树脂基板、玻璃纤维环氧树脂(fr4)基板或其他复合基板。

通过中间绝缘介质层005开设腔体和通孔006，功率芯片001设置于腔体内，通孔006设置内层金属互联层008，利用外层金属互联层011将功率芯片001和内层金属互联层008连接的方式，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，从而可以发挥sic、gan等宽禁带半导体功率芯片的性能。同时，由于中间绝缘介质层005设置多个通孔006，可辅助功率芯片001散热，有助于提高功率器件封装结构的散热能力，降低功率芯片001的工作环境温度，有利于sic、gan等宽禁带半导体功率芯片性能的发挥。

在本实施例中，第一封装单元还包括：填充绝缘介质层007，填充绝缘介质层007填充通孔006和腔体中的空隙，且填充绝缘介质层007覆盖中间绝缘介质层005背向基板002一侧的表面，填充绝缘介质层007还覆盖内层金属互联层008背向基板002一侧的表面和功率芯片001背向基板002一侧的表面；填充绝缘介质层007在内层金属互联层008和顶电极的对应位置开设多个穿孔010，外层金属互联层011延伸进入多个穿孔010，电性连接内层金属互联层008和顶电极。其中穿孔010的直径可以为100μm～200μm。

通过填充绝缘介质层007填充腔体中和通孔006中的空隙，并开设穿孔010，外层金属互联层011伸入穿孔010中电性连接功率芯片001和内层金属互联层008的设置，可一定程度减少外层金属互联层011与功率芯片001的接触面积，减少因长时间受到大量功率芯片001放热而加剧损耗及导致性能降低的情况。

在本实施例中，第一封装单元还包括：缓冲金属层009，缓冲金属层009位于外层金属互联层011和内层金属互联层008之间，且位于外层金属互联层011和功率芯片001的顶电极之间，且位于所述外层金属互联层和所述填充绝缘介质层之间；缓冲金属层009的金属活性低于或等于外层金属互联层的金属活性。缓冲金属层009可以包括多层金属层，缓冲金属层009的材料可以包括ti、cr、ni或cu，例如可以是，一层薄层的ti或cr或ni，一层较厚的cu，共同组成缓冲金属层009。

通过缓冲金属层009的设置，一方面可以避免功率芯片001的电极和外层金属互联层011在高温环境下发生反应，造成器件损坏；另一方面在加工过程中可保护功率芯片001的电极和内层金属互联层008，避免发生过量刻蚀造成器件损坏。

在其他一些实施例中，当顶电极为cu、au、ag时，也可以不设置缓冲金属层009。

在本实施例中，第一封装单元还包括：外层绝缘介质层012，外层绝缘介质层012覆盖填充绝缘介质层007背向基板001一侧的表面，且包覆外外层金属互联层011背向基板001一侧的表面和侧部。

具体的，填充绝缘介质层007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。外层绝缘介质层012的材料为阻焊料(绿油)、环氧塑封料等，缓冲金属层009的材料可以为ti、cr或ni。

在本实施例中，中间绝缘介质层005具有多个腔体，功率芯片001的数量为多个，多个功率器件001分别设置于多个腔体005中。在其他一些实施例中，第一封装单元的数量可以为多个，多个第一封装单元中的功率芯片001通过基板电路层电性连接；和/或，多个第一封装单元中的外层金属互联层011之间电性连接。如此，功率器件封装结构，可以通过单个第一封装单元封装多个功率芯片，和/或多个第一封装单元再行电性连接的方式实现多个功率芯片的互联。

在本实施例中，功率器件封装结构还包括：

封装引脚014；

第二封装单元003和第三封装单元013，第二封装单元003和第三封装单元013分别电性连接基板电路层，第一封装单元、第二封装单元003和第三封装单元013相互分立；第二封装单元003封装有有源器件或无源器件或非功率芯片；第三封装单元013封装有有源或无源器件或非功率芯片。

本实施例的功率器件封装结构还可以在基板上设置其他封装单元实现互联，扩充封装结构性能，并且与基板电路层的电性连接方式不限。例如，第二封装单元003可以是有源/无源器件球栅阵列封装，第三封装单元013可以是有源/无源器件表贴封装。

实施例2

本实施例提供一种功率器件封装结构制造方法，包括以下步骤：

提供基板002，基板002包括基板电路层。

形成第一封装单元，形成第一封装单元的步骤包括：

在基板002一侧形成中间绝缘介质层005，在中间绝缘介质层005开设贯穿中间绝缘介质层的腔体，在腔体内设置功率芯片001，功率芯片001朝向基板002一侧设置有底电极，底电极电性连接基板电路层。

在中间绝缘介质层005开设贯穿中间绝缘介质层的通孔006，在围成通孔006的中间绝缘介质层005内侧壁表面覆盖有内层金属互联层008，内层金属互联层008还延伸至中间绝缘介质层005上朝向基板002一侧表面和中间绝缘介质层005上背向基板002一侧表面，内层金属互联层008电性连接基板电路层。

形成外层金属互联层011，外层金属互联层011形成于中间绝缘介质层005背向基板002一侧，功率芯片001背向基板002一侧设置有顶电极，顶电极电性连接外层金属互联层011；外层金属互联层011还电性连接内层金属互联层008。

本实施例的功率器件封装结构制造方法，通过中间绝缘介质层005开设腔体和通孔006，功率芯片001设置于腔体内，通孔设置内层金属互联层008，利用外层金属互联层011将功率芯片001和内层金属互联层008连接的方式，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，从而可以发挥sic、gan等宽禁带半导体功率芯片的性能。同时，由于中间绝缘介质层005设置多个通孔006，可辅助功率芯片001散热，有助于提高功率器件封装结构的散热能力，降低功率芯片001的工作环境温度，有利于sic、gan等宽禁带半导体功率芯片性能的发挥。

在本实施例中，功率器件封装结构的制造方法还包括以下步骤：

形成填充绝缘介质层007，填充绝缘介质层007填充通孔006和腔体中的空隙，且填充绝缘介质层007覆盖中间绝缘介质层005背向基板002一侧的表面，填充绝缘介质层007还覆盖内层金属互联层008背向基板002一侧的表面和功率芯片001背向基板002一侧的表面；填充绝缘介质层007在内层金属互联层008和顶电极的对应位置开设多个穿孔010，外层金属互联层011延伸进入多个穿孔010，电性连接内层金属互联层008和顶电极。

形成缓冲金属层009，缓冲金属层009位于外层金属互联层011和内层金属互联层008之间，且位于外层金属互联层011和功率芯片001的顶电极之间。

形成外层绝缘介质层012，外层绝缘介质层012覆盖填充绝缘介质层007背向基板一侧的表面，且包覆外层金属互联层011背向基板一侧的表面和侧部。

一个具体的制造流程为：

选用或通过层压工艺制备一个比功率器件略薄(10μm左右)或厚度相同的有机层压板，待形成中间绝缘介质层005。

通过机械钻等手段在有基层压板加工直径为150mm～300mm的通孔006，通过化学镀铜、压干膜、曝光、显影、溅射及电镀等工艺加工形成内层金属互联层008。

通过激光钻等手段加工有机层压板上的腔体，形成完整的中间绝缘介质层005。

在有机层压板背面贴热可拆解膜，然后，将功率器件001置于有机层压板的腔体中，与腔体内壁之间留有约20μm～50μm的空隙。

通过真空层压工艺在背向基板002的内层金属互联层008表面层压填充绝缘介质层007，并填充通孔006和功率器件011与中间绝缘介质层005的空隙。

通过激光钻孔或曝光、显影的方式加工填充绝缘介质层007形成多个穿孔010。

如选用的功率器件正面电极金属层为al，通过物理气相沉积在填充绝缘介质层007背向基板002一侧表面和围城穿孔010的内侧壁面沉积缓冲金属层009。首先溅射一层金属ti或cr或ni等(5nm～100nm)，再溅射一层cu层(500nm～5μm)。如正面电极金属层为cu、au、ag等，可跳过这一步。

通过压干膜、曝光、显影、电镀铜和去干膜等工艺形成外层金属互联层011。

通过真空层压工艺在外层金属互联层011上层压一层绝缘介质层，并通过紫外光曝光、高温烘烤等工艺进行固化，形成外层绝缘介质层012。

加热拆除在有机层压板背面贴装的热可拆解膜。

通过焊接或纳米铜/银烧结工艺将上述步骤形成的组件键合至陶瓷基板上。

将封装有有源/无源器件或其他非功率芯片的封装单元组装在陶瓷基板上。

实施例3

本实施例提供一种电子装置，包括如上述实施例1所述的功率器件封装结构。通过中间绝缘介质层开设腔体和通孔，功率芯片设置于腔体内，通孔设置内层金属互联层，利用外层金属互联层将功率芯片和内层金属互联层连接的方式，取代传统的铝线键合的方式，可以避免铝线键合在高温环境下寄生电感过大的问题，从而可以发挥sic、gan等宽禁带半导体功率芯片的性能。同时，由于中间绝缘介质层设置多个通孔，可辅助功率器件散热，有助于提高功率器件封装结构的散热能力，降低功率器件半导体的工作环境温度，有利于sic、gan等宽禁带半导体功率芯片性能的发挥。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。