专利名称：一种轻质高导热效率的功率器的封装件的制作方法
一种轻质高导热效率的功率器的封装件
在集成电路的封装领域，封装技术的三个发展趋势尺寸的縮 小、功能的转换与性能的提高、技术的融合，随着集成电路的密集程 度在不断的增加，同时封装尺寸在不断的变小，导致芯片产生的热量 就越来越集中，如何有效的逸散半导体芯片在工作中产生的热量，以 确保半导体芯片的使用寿命及可靠性， 一直是半导体封装业界的一大 课题。
现有的封装形式中，由于多用以包覆半导体芯片的封装胶体均是 导热性差的材料如环氧树脂等，由于塑封材料的导热系数不高，芯片 产生的热不能及时散发出去，导致了芯片工作温度容易过高，使得芯 片工作的可靠性下降，芯片功率受到限制；而有些^f装形式虽然能够 提高散热性能，但成本很高。故在半导体封装件中加入热沉或散热基 板，以通过散热性佳的金属材料制成的散热基板和热沉提高散热效 率，是目前已有的可行技术。
在美国的第5726079号和第5471366号以及中国的 ZL01139258.4、 ZL 01129362.4、 ZL03121320.0和ZL200510065667.0 等专利中已分别提出了采用散热基板封装的技术，这种现有的封装件 是在芯片上直接粘贴散热基板，该散热基板的顶面外露出用以包覆盖
3芯片的封装胶体，由于芯片直接与散热基板黏接，且散热基板的顶面 外露出封装胶体而直接与大气接触，故芯片产生的热量可直接传递至 散热基板以逸散至大气中，其散热途径毋须通经封装胶体。但是，此 类技术用以黏接芯片与散热基板的粘合剂或胶黏贴片，多由热固性的 材料制成，在未加热固化前，粘合剂或胶黏贴片均为软质状态，使芯
片与散热基板黏结后所形成的结构的高度不易控制；同时，容易在封 装过程中，在散热基板表面形成有溢胶，从而影响散热基板的散热效 率，并使封装成本无法降低；由于粘合剂或胶黏贴片与芯片间的接触 热阻，在大电流应用中，芯片的瞬间热量在界面上积聚，使芯片的可 靠性和寿命降低；另外，采用较重的金属散热基板如铜等，在器件工 作时因温度的变化导致应力增加，容易使芯片与散热基本脱离开而导 致器件失效。 [发明内容]
本发明的目的是设计克服现有技术的不足，采用轻质高导 热纳米碳等复合材料替代高密度的金属基板，降低芯片工作时产生的 热应力，并采用键合手段连接通行的材料，解决了在塑封时使用导热 粘合剂或胶黏贴片引起的高界面热阻及变形移动等问题。
为实现上述目的，设计一种轻质高导热效率的功率器的封装 件，包括芯片、散热基板，其特征在于由芯片背面从上至下依次键 合上高导热键合界面层、热沉薄膜、下高导热键合界面层、散热基板 构成；其中所述的散热基板采用高导热石墨片或高导热纳米碳管/纤维
复合材料或高导热沥青基碳-碳复合材料，或碳-铜或碳-铝复合材料， 或铝基或铜基的碳化硅或氮化硼或氮化铝或氮化硅的陶瓷复合材料。所述的上、下高导热键合界面层和采用厚度为io-ioo纳米的高导电
导热性的金属或金属化合物薄膜材料，如金属薄膜Sn、 In、 Zn、 Au、 Ag、 Cu、 Ti、 Ni、 Fe、 Co、 Pd、 Al、 Mo或金属化合物薄膜 Culn、 Agln、 Auln、 InSn、 AgSn、 AuSn上述任意一种材料。所 述的热沉薄膜，若芯片与散热基板为绝缘连接，热沉薄膜采用多晶金 刚石薄膜，若芯片与散热基板为导电连接，热沉薄膜采用定向碳纳米 管薄膜或定向纳米纤维薄膜。所述的热沉薄膜釆用定向碳纳米管薄膜 或定向纳米纤维薄膜时，下高导热键合界面层采用Fe或Co或Ni或 Cu或Pd或Ti或Mo材料。
本发明与现有技术相比，将芯片背面与键合膜、热沉层和散热基 板直接联结，使工作时芯片上的热量直接通过三层散热结构导出工作 区域，故固定于导热层上的芯片可维持一定的工作温度，提升了产品 的散热性能，更可有效地降低芯片与散热基板间的热应力，提高器件 的可靠性和使用寿命。 [
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图l是本发明实施例中的一种结构示意图。
指定图l为摘要附图。
参见图1，其中，1为芯片；2为上高导热键合界面层；3为热沉 薄膜；4为下高导热键合界面层；5为散热基板。 [具体实施方式
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下面结合附图对本发明作进一步说明，本工艺技术对本 专业的人来说还是比较清楚的。 实施例l参见附图l，由芯片l背面从上至下依次键合上高导热键合界面层
2、热沉薄膜3、下高导热键合界面层4、散热基板5构成，其中，
键合界面层2和4为具有良好导热导电性能金属及其合金材料，包 括Sn， In, Zn， Au， Ag， Cu， Ti， Ni， Al， Mo及其合金如CuIn， Agln， Auln， InSn， AgSn， AuSn等，上述键合界面层采用磁控溅射、 蒸镀、化学沉积等方法制备；键合界面层2和4较薄，厚度约10-100纳 米，具有高导热性能，易于芯片1与热沉薄膜3焊接。
热沉薄膜3，采用具有高度定向导热性能的轻质材料，采用绝缘高 导热材料金刚石薄膜等材料，热沉薄膜材料主要采用热丝化学气相沉 积法、等离子体化学气相沉积法等方法制备，其中金刚石薄膜的热导 率为600-2500W/n^K，具有良好的绝缘性。
散热基板5，作为芯片封装的基板，该层材料可选择高导热石墨 片、高导热纳米碳管/纤维复合材料、高导热沥青基碳-碳复合材料、 碳-铜复合材料、碳-铝复合材料，铝基或铜基碳化硅、氮化硼、氮化 铝、氮化硅的陶瓷复合材料中的任何一种，具有导热性能好、质量轻 的特点。
本例中，键合界面层2与热沉薄膜3界面热阻低；键合界面层4具有 金属性，分别与热沉层3和散热片层5有很好的结合性，并通过键合方 法联结，导热性好。 实施例2
将实施例1中的键合界面层4材料选用金属薄膜包括Fe或Co或 Ni或Cu或Pd或Ti或Mo材料，厚度为5-50纳米。可在散热基板5 表面采用溅射、电镀、化学镀、电子束蒸发等方法直接制备键合界面层4，然后直接生长热沉薄膜3，包括导电高导热碳纳米管薄膜、碳 纳米纤维薄膜等材料。热沉薄膜3主要采用热丝化学气相沉积法、等 离子体化学气相沉积法或电弧等离子体沉积法等方法制备，其中定向 碳纳米管的热导率为600-2000W/m*K，具有良好的导电性。 散热基板5的材料工艺同于实施例1 。
本例中，键合界面层4在具有生长催化作用的同时具有金属性，分 别与热沉层3和散热片层5有很好的结合性，并通过键合方法联结，导 热性好。本实例的封装结构与实施例l相同。
权利要求
1、一种轻质高导热效率的功率器的封装件，包括芯片、散热基板，其特征在于由芯片(1)背面从上至下依次键合上高导热键合界面层(2)、热沉薄膜(3)、下高导热键合界面层(4)、散热基板(5)构成；其中所述的散热基板(5)采用高导热石墨片或高导热纳米碳管/纤维复合材料或高导热沥青基碳-碳复合材料，或碳-铜或碳-铝复合材料，或铝基或铜基的碳化硅或氮化硼或氮化铝或氮化硅的陶瓷复合材料。
2、 如权利要求1所述的一种轻质高导热效率的功率器的封装件，其 特征在于所述的上、下高导热键合界面层(2)和(4)采用厚度为10-100纳米的高导电导热性的金属或金属化合物薄膜 材料，如金属薄膜Sn、 In、 Zn、 Au、 Ag、 Cu、 Ti、 Ni 、 Fe、 Co、 Pd、 Al、 Mo或金属化合物薄膜Culn、 Agln、 Auln、 InSn、 AgSn、 AuSn上述任意一种材料。
3、 如权利要求1所述的一种轻质高导热效率的功率器的封装件， 其特征在于所述的热沉薄膜(3)，若芯片(1)与散热基板(5)为绝缘连接，热沉薄膜(3)采用多晶金刚石薄膜，若芯片 (1)与散热基板(5)为导电连接，热沉薄膜(3)采用定向碳 纳米管薄膜或定向纳米纤维薄膜。
4、 如权利要求1或3所述的一种轻质高导热效率的功率器的封装 件，其特征在于所述的热沉薄膜(3)采用定向碳纳米管薄膜 或定向纳米纤维薄膜时，下高导热键合界面层(4)采用Fe或 Co或Ni或Cu或Pd或Ti或Mo材料。
全文摘要
本发明涉及功率器件封装结构技术领域，具体地说是一种轻质高导热效率的功率器的封装件，其特征在于由芯片背面从上至下依次键合上高导热键合界面层、热沉薄膜、下高导热键合界面层、散热基板构成；所述的散热基板采用高导热石墨片或高导热纳米碳管/纤维复合材料或高导热沥青基碳-碳复合材料，或碳-铜或碳-铝复合材料，或铝基或铜基的碳化硅或氮化硼或氮化铝或氮化硅的陶瓷复合材料。本发明与现有技术相比，将芯片背面与键合膜、热沉层和散热基板直接联结，使工作时芯片上的热量直接通过三层散热结构导出工作区域，提升了产品的散热性能，更可有效地降低芯片与散热基板间的热应力，提高器件的可靠性和使用寿命。
文档编号H01L23/367GK101315913SQ200810038868
公开日2008年12月3日 申请日期2008年6月12日 优先权日2008年6月12日
发明者卓 孙, 鹏 孙, 张哲娟 申请人:上海芯光科技有限公司;华东师范大学