专利名称：功率器件封装及其制造方法
技术领域：
本发明涉及一种功率器件封装及其制造方法。
背景技术：
功率器件，例如，选自可控硅整流器、功率晶体管、绝缘栅极双极晶体管、MOSS晶体管、功率整流器、功率调节器、换流器、转换器及其组合的大功率半导体芯片，设计成在 30 100V的电压下、或100V以上的电压下工作。因此，其上安装有这种大功率半导体芯片 的功率器件封装需要具有很强的耗散大功率半导体芯片所产生的热的能力。图1是示出了传统功率器件封装的横截面图。如图1所示，传统功率器件封装包括用于将热传送到散热件(heat sink)25的铜 板20、形成在铜板20上并具有绝缘层和电路层的DCB (直接铜熔结)电路衬底10、以及利 用焊料23接合在DCB电路衬底10上的小功率器件13和大功率器件15。小功率器件13和大功率器件15典型地使用导线(未示出)连接至电路层，且该 电路层也使用导线连接至壳体的引线框27。这样，使用模塑树脂(未示出)来保护包括小 功率器件13和大功率器件15的元件免受外部环境影响。但是，传统功率器件封装具有以下问题。首先，因为大功率器件15安装在DCB电路衬底10的一个表面上，而由具有高导热 率的金属制成的散热件25和铜板20附设于DCB电路衬底10的另一个表面上，具有低导热 率的DCB电路衬底10阻碍了热量的传递，不合需要地减弱了散热效果。其次，使用昂贵的铜板20来改善具有低导热率的DCB电路衬底10的散热性，不合 需要地增加了制造成本和功率器件封装的厚度。第三，由于大功率器件15接合在DCB电路衬底10上，并且DCB电路衬底10还接 合在铜板20上，所以应当进行两次接合工艺，而且，在接合界面处可能降低散热性能。
发明内容
因此，致力于现有技术中遇到的问题而作出本发明，并且，本发明旨在提供一种具 有高散热性的功率器件封装及其制造方法。本发明还旨在提供一种如下的功率器件封装及其制造方法即使在不使用具有低 导热率的DCB电路衬底和昂贵的铜板的情况下，该功率器件封装仍具有高散热性，并且还 能够降低其制造成本和厚度。本发明还旨在提供一种如下的功率器件封装及其制造方法其具有简单的构造，从而简化了接合工艺并且减小了导致散热性降低的接合界面。本发明的一个方面提供了一种功率器件封装，包括阳极化金属衬底，该阳极化金 属衬底包括在其一个表面上形成有空腔的金属板、形成在金属板的表面和空腔的内壁上的 阳极化层、及形成在阳极化层上的电路层；功率器件，安装在金属板的空腔中，以便连接至 电路层；以及树脂密封材料，填充在金属板的空腔中。在该方面中，电路层可包括形成在空腔的内壁上的内电路层，以及形成在金属板 的表面上并连接至内电路层的外电路层。另外，外电路层上可形成有连接件。另外，金属板的一个表面上可形成有盖件(cover member)，以便盖住外电路层，并 且盖件可具有通孔，该通孔使外电路层暴露并且具有连接至外电路层的互连部分。而且，阳极化金属衬底的与具有功率器件的表面相对的表面上可附设有散热件。在该方面中，金属板可由铝或铝合金制成，并且阳极化层可包括阳极氧化铝。在该方面中，功率器件可利用引线接合或倒装式接合(flip chipbonding)连接至 电路层。本发明的另一方面提供了一种制造功率器件封装的方法，包括在其一个表面上 形成有空腔的金属板的表面上以及空腔的内壁上形成阳极化层，然后在阳极化层上形成电 路层；将功率器件安装在空腔中，以便连接至电路层；以及用树脂密封材料填充空腔。在该方面中，电路层可包括形成在空腔的内壁上的内电路层，以及形成在金属板 的表面上并连接至内电路层的外电路层。而且，该方面可进一步包括在用树脂密封材料填充空腔后，在电路层上形成连接 件。而且，该方法可进一步包括在用树脂密封材料填充空腔后，将盖件附设金属板的 一个表面 上，在盖件上形成通孔，以使外电路层暴露，并且在通孔中形成互连部分，以便连 接至外电路层。而且，该方法还包括在用树脂密封材料填充空腔后，将散热件附设到金属板的另 一个表面上。在该方面中，金属板可由铝或铝合金制成，并且阳极化层可包括阳极氧化铝。在该方面中，在将功率器件安装在空腔中时，可利用引线接合或倒装式接合将功 率器件连接至电路层。
从以下结合附图的详细描述将更清楚地理解本发明的特征和优点，在附图中图1是示出了传统功率器件封装的横截面图；图2是示出了根据本发明第一实施例的功率器件封装的横截面图；图3是示出了根据本发明第二实施例的功率器件封装的横截面图；图4是示出了根据本发明第三实施例的功率器件封装的横截面图；图5至图12是顺次示出了根据本发明实施例的功率器件封装的制造工艺的横截 面图。
具体实施例方式在下文中，将参照附图给出对本发明的实施例的详细描述。在所有附图中，相同的参考标号指代相同或相似的元件，省去了重复的描述。在该描述中，如果由于与本发明有关 的现有技术会使得本发明的特征不清楚而被看作是不必要的，并且也为了描述起见，可以 省略对该技术的详细描述。另外，用在本说明书和权利要求中的术语和词汇不应被解释为限于典型意思或词 典定义，而应被解释为具有基于以下规则与本发明的技术范围相关的含义和概念发明人 根据该规则能够恰当地定义术语包含的概念，以最佳地描述他或她所知的用于实施本发明 的方法。第一实施例功率器件封装图2是示出了根据本发明第一实施例的功率器件封装的横截面图。参照该图，在 下面描述了根据本实施例的功率器件封装100a。如图2所示，根据本实施例的功率器件封装IOOa包括阳极化金属衬底、功率器件 130以及树脂密封材料140。阳极化金属衬底执行支撑功能和散热功能，并提供作为功率器件130的电极终端 的电路层120。阳极化金属衬底被这样构造在金属板110上形成有用于容纳功率器件的 空腔112，包括空腔112的内壁的金属板110的整个表面上形成有阳极化层114，并且在阳 极化层114上形成有电路层120。金属板110由相对廉价且容易买到并具有良好传热性的铝(Al)或铝合金制成。由 于金属板110具有良好的传热性，所以其起到用于耗散功率器件130所产生的热量的作用， 因此不需要额外的散热件。阳极化层114可包括具有绝缘性和范围从10至30W/mK的相对高的导热率的阳 极氧化铝(Al2O3)。由于阳极化层114具有绝缘性，所以其使电路层120可以形成在金属板 110上。而且，由于阳极化层114可形成得比典型的绝缘层薄，所以可以缩小金属板110与 功率器件之间的距离，因此进一步提高了散热性，使封装较薄。在本实施例中，电路层120形成在金属板110的空腔112中，以使导线与功率器件 130接合，并且进一步形成为延伸至金属板110的外表面。具体地，电路层120包括形成在 空腔112的内壁上的内电路层120a以及延伸至金属板110的表面并连接至内电路层120a 的外电路层120b。这样，外电路层120b连接至外部电源，并因此向内电路层120a供电。即 使空腔112由树脂密封材料140填满，并且因此内电路层120a不直接连接至外部电源，也 可以继续供电。功率器件130可包括选自可控硅整流器、功率晶体管、绝缘栅极双极晶体管、MOSS 晶体管、功率整流器、功率调节器、换流器、转换器及其组合的大功率半导体芯片、二极管或 负责对其控制的小功率半导体芯片。可利用焊料或环氧树脂将功率器件以面朝上的形式附设于空腔112的内表面以 使其焊盘(pad)面朝上，或利用烧结或热熔合将其附设于空腔112的内表面，然后使用导线 将功率器件130的焊盘连接至内电路层120a，以此安装功率器件130。尽管未示出，但是功 率器件130可通过倒装式接合直接安装在内电路层120a上。树脂密封材料140不仅起到保护导线134免受外部环境影响的作用，而且起到保护功率器件130免受外部环境影响的作用。为此，空腔112可由例如环氧模塑料(印oxy molding compound)的树脂密封材料140填充。利用粘合剂152附设于阳极化金属衬底的另一个表面的是散热件150，用于提高 散热性。第二实施例功率器件封装图3是示出了根据本发明第二实施例的功率器件封装的横截面图。参照该图，在 下面描述了根据本实施例的功率器件封装100b。在本实施例的描述中，与前一实施例的那 些元件相同或相似的元件由相同的参考标号指出，省去了重复描述。如图3所示，根据本实施例的功率器件封装IOOb被这样构造用于将封装连接至 外部电源或其他电子器件的连接件160a形成在外电路层120b上，该外电路层形成于金属 板110的一个表面上并暴露于外部。这样，连接件160a可包括诸如焊球的凸起。
第三实施例功率器件封装图4是示出了根据本发明第三实施例的功率器件封装的横截面图。在本实施例的 描述中，与前一实施例的那些元件相同或相似的元件由相同的参考标号指出，省去了重复 描述。如图4所示，根据本实施例的功率器件封装IOOc被这样构造盖件160b附设于金 属板Iio的一个表面，以保护暴露于外部的外电路层120b。另外，盖件160b具有通孔162， 该通孔使外电路层120b暴露，而且其中通过电镀形成有互连部分170。这样，为了降低材料成本，盖件160b可附设于除填充有树脂密封材料140的区域 以外的任何区域。功率器件封装的制造图5至图12是顺次示出了根据本发明实施例的功率器件封装的制造工艺的横截 面图。下文中，参照上述附图详细说明根据本实施例的功率器件封装的制造方法。如图5所示，制备了在其一个表面上具有用于容纳功率器件的空腔112的金属板 110。可通过化学或机械工艺(例如钻孔)而形成空腔112，或通过利用锡焊、电弧焊、热 熔合、烧结等附设一具有额外凹槽的金属板而形成该空腔。接着，如图6所示，在包括空腔112的内壁的金属板110的整个表面上形成阳极化 层 114。可通过将由铝或铝合金制成的金属板110浸没在硼酸、磷酸、硫酸或铬酸的电解 溶液中，将阳极置于金属板110上并且将阴极置于电解溶液中而形成阳极化层114。因此， 形成在金属板110表面上的是具有范围从约10至30W/mK的相对高的导热率的阳极氧化铝 (Al2O3)。阳极化层114具有绝缘性，因此使得其上可以形成电路层，并且形成得比树脂绝缘 层薄且具有较高的导热率，因此有助于使阳极化金属衬底变薄，并且提高了散热性。接着，如图7所示，在金属板110的阳极化层114上形成电路层120，因此制得阳极 化金属衬底。这样，可通过在阳极化层114上进行电镀工艺(无电电镀和电镀)，因此制备随后 被图案化的电镀层而形成电路层120。电路层120包括形成在空腔112的内壁上的内电路层120a，以及形成在金属板110的表面上且电连接至内电路层120a的外电路层120b。这样，形成在金属板110的表面 上的外电路层120b起到连接至外部电源的安装焊盘的作用，并通过内电路层120a向功率 器件130供电。在本发明中，由于形成了外电路层120b，所以即使空腔112由树脂密封材料 140填充，连接至外部电源仍是可能的。接着，如图8所示，将功率器件130安装在空腔112中，以便连接至内电路层120a。可利用焊料或环氧树脂将功率器件以面朝上的形式附设于空腔112的内表面以 使其焊盘面朝上，或利用烧结或热熔合将其附设于空腔112的内表面，然后使用导线134将 功率器件130的焊盘连接至内电路层120a，以此安装功率器件130。尽管未示出，但是在不 使用导线134的情况下，可通过倒装式接合将功率器件130直接安装在内电路层120a上。接着，如图9所示，用例如环氧模塑料的树脂密封材料140填充空腔112，以便不但 保护导线134免受外部环境影响，而且保护功率器件130免受外部环境影响。 可通过分配、传递模塑、刻版印花等将树脂密封材料140装入空腔112中。接着，如图10所示，将散热件150附设于金属板110的与其上安装有功率器件130 的表面相对的另一表面。散热件150可利用例如导热粘合剂的粘合剂15来安装，并可具有销结构(pin structure)，以使其表面积增加，从而使散热性最大化。另外，如图11所示，在于金属板110的一个表面上所形成并暴露于外部的外电路 层120b上形成用于将封装连接至外部电源或其他电子器件的连接件160a。这样，连接件 160a可包括诸如焊球的凸起。可替代地，如图12所示，为保护暴露于外部的外电路层120b，可在金属板110的一 个表面上附设盖件160b。为了降低材料成本，可在除填充有树脂密封材料140的区域以外 形成盖件160b。如上所述，本发明提供了一种功率器件封装及其制造方法。根据本发明，本功率器 件封装具有简单的构造，其中功率器件安装在阳极化金属衬底上，并具有改善的散热性。而且，根据本发明，在金属板上形成有比传统树脂绝缘层薄的阳极化层，从而增大 了导热率，并实现了使封装变薄。而且，根据本发明，金属板实现了传统铜板的功能，因此无需使用昂贵的铜板，从 而降低了制造成本，简化了接合工艺，并减小了接合界面，导致改善散热性。而且，根据本发明，不使用额外的引线框，因此降低了功率器件封装的制造成本。尽管出于示例性目的已经公开了关于功率器件封装及其制造方法的本发明的实 施例，但是本领域技术人员将会理解，在不背离所附权利要求中公开的本发明的范围和精 神的前提下，各种不同的修改、增加和替代是可能的。因此，这种修改、增加和替代也应被理 解为落在本发明的范围内。
权利要求
一种功率器件封装，包括阳极化金属衬底，该阳极化金属衬底包括在一个表面上形成有空腔的金属板、形成在所述金属板的表面和所述空腔的内壁上的阳极化层、及形成在所述阳极化层上的电路层；功率器件，安装在所述金属板的空腔中，以便连接至所述电路层；以及树脂密封材料，填充在所述金属板的空腔中。
2.根据权利要求1所述的功率器件封装，其中，所述电路层包括形成在所述空腔的内 壁上的内电路层；以及形成在所述金属板的表面上并连接至所述内电路层的外电路层。
3.根据权利要求2所述的功率器件封装，其中，所述外电路层上形成有连接件。
4.根据权利要求2所述的功率器件封装，其中，所述金属板的一个表面上形成有盖件， 以便盖住所述外电路层，并且所述盖件具有通孔，所述通孔使所述外电路层暴露并具有连 接至所述外电路层的互连部分。
5.根据权利要求1所述的功率器件封装，其中，所述阳极化金属衬底的与具有所述功 率器件的表面相对的表面上附设有散热件。
6.根据权利要求1所述的功率器件封装，其中，所述金属板包括铝或铝合金，并且所述 阳极化层包括阳极氧化铝。
7.根据权利要求1所述的功率器件封装，其中，所述功率器件利用引线接合或倒装式 接合连接至所述电路层。
8.—种制造功率器件封装的方法，包括在一个表面上形成有空腔的金属板的表面上以及所述空腔的内壁上形成阳极化层，然 后在所述阳极化层上形成电路层；将功率器件安装在所述空腔中，以便使其连接至所述电路层；以及用树脂密封材料填充所述空腔。
9.根据权利要求8所述的方法，其中，所述电路层包括形成在所述空腔的内壁上的内 电路层；以及形成在所述金属板的表面上并连接至所述内电路层的外电路层。
10.根据权利要求9所述的方法，进一步包括在用所述树脂密封材料填充所述空腔后， 在所述电路层上形成连接件。
11.根据权利要求9所述的方法，进一步包括在用所述树脂密封材料填充所述空腔后， 在所述金属板的一个表面上附设盖件，在所述盖件中形成通孔以使所述外电路层暴露，并 且在所述通孔中形成互连部分以便连接至所述外电路层。
12.根据权利要求8所述的方法，进一步包括在用所述树脂密封材料填充所述空腔后， 在所述金属板的另一个表面上附设散热件。
13.根据权利要求8所述的方法，其中，所述金属板包括铝或铝合金，并且所述阳极化 层包括阳极氧化铝。
14.根据权利要求8所述的方法，其中，在将所述功率器件安装在所述空腔中时，利用 弓丨线接合或倒装式接合将所述功率器件连接至所述电路层。
全文摘要
本发明公开了一种功率器件封装，该功率器件封装具有较好的散热性，并且包括阳极化金属衬底，该阳极化金属衬底包括在其一个表面上形成有空腔的金属板、形成在金属板的表面上以及空腔的内壁上的阳极化层以及形成在金属板上的电路层；功率器件，安装在金属板的空腔中，以便连接至电路层；以及树脂密封材料，填充在金属板的空腔中。本发明还提供了一种制造功率器件封装的方法。
文档编号H01L21/50GK101989589SQ200910179838
公开日2011年3月23日 申请日期2009年10月14日 优先权日2009年8月6日
发明者崔硕文, 张范植, 朴志贤, 金泰勋, 金泰贤 申请人:三星电机株式会社