一种多芯片合封的半导体封装结构的制作方法

1.本实用新型涉及半导体封装技术领域，尤其涉及一种多芯片合封的半导体封装结构。


背景技术：

2.第三代半导体材料具有更宽的禁带宽度、更高的导热率、更高的抗辐射能力、更大的电子饱和漂移速率等特性，故而，第三代半导体更适合于制作高温、高频、抗辐射及大功率电子器件。现有的第三代半导体材料制成的器件，一般独立封装形成封装结构；此种第三代半导体封装结构应用于电子产品时，需要将第三代半导体封装结构与其他独立封装的半导体封装结构电连。
3.但是，这样会导致整个电子产品的体积较大，不利于电子产品的小型化设计；并且，会增大电阻，降低电子产品的电性能与热性能。


技术实现要素：

4.本实用新型实施例的目的在于：提供一种多芯片合封的半导体封装结构，其将氮化镓芯片与其他芯片合封，能够实现更优的性能，可降低封装面积，降低封装电阻，节约成本。
5.为达上述目的，本实用新型采用以下技术方案：
6.一种多芯片合封的半导体封装结构，包括：
7.引线框架，其包括第一基岛、第二基岛以及第三基岛；
8.硅基场效应晶体管芯片，其固定于所述第一基岛；
9.氮化镓芯片，其固定于所述第二基岛；所述氮化镓芯片与所述硅基场效应晶体管芯片电连接；
10.控制芯片，其固定于所述第三基岛；所述控制芯片与所述硅基场效应晶体管芯片电连接；
11.封装体，其包封所述引线框架、所述硅基场效应晶体管芯片、所述氮化镓芯片以及所述控制芯片。
12.作为优选，所述第二基岛与所述第三基岛分别设于所述第一基岛相邻的两侧。
13.作为优选，所述第一基岛包括相邻的第一边部以及第二边部，所述引线框架包括与所述第一边部连接的第一引脚组件，以及与所述第二边部连接的第二引脚组件；所述第一引脚组件包括一个或多个引脚，所述第二引脚组件包括一个或多个引脚；所述第一引脚组件以及所述第二引脚组件用于支撑所述第一基岛；
14.所述第三基岛包括相邻的第三边部以及第四边部，所述引线框架包括与所述第三边部连接的第三引脚组件，以及与所述第四边部连接的第四引脚组件；所述第三引脚组件包括一个或多个引脚，所述第四引脚组件包括一个或多个引脚；所述第三引脚组件以及所述第四引脚组件用于支撑所述第三基岛。
15.作为优选，所述硅基场效应晶体管芯片的正面设有第一源极与第一栅极，背面设有第一漏极；所述硅基场效应晶体管芯片的背面通过导电结合材料与所述第一基岛结合，所述第一漏极与所述第一基岛电连接；所述第一栅极通过电连接件与所述控制芯片电连接；
16.所述引线框架包括第一输出引脚组件，所述第一输出引脚组件包括一个或多个引脚，所述第一源极与所述第一输出引脚组件电连接。
17.作为优选，所述引线框架包括第二输出引脚组件，所述第二输出引脚组件内包括一个或多个引脚；所述氮化镓芯片的正面设有第一电极、第二电极以及第三电极；所述氮化镓芯片的背面通过结合材料固定于所述第二基岛；所述第一电极通过电连接件与所述第一基岛电连接，所述第二电极通过电连接件与所述第二输出引脚组件电连接。
18.作为优选，所述第二基岛背离所述第一基岛一侧的边部为第五边部，所述第二输出引脚组件设于所述第五边部的旁侧；
19.所述第二输出引脚组件内的引脚为第一高压引脚，所述第一高压引脚可承载700v以下的电压；所述第一高压引脚与所述第五边部之间具有第一电气间隔。
20.作为优选，引线框架包括第二高压引脚，所述第二高压引脚与所述控制芯片电连接；所述第二高压引脚可承载700v以下的电压；
21.所述第二高压引脚与所述第三基岛之间具有第二电气间隔，所述第二高压引脚与相邻引脚之间具有第三电气间隔。
22.作为优选，所述引线框架的正面形成若干半蚀刻槽，和/或所述引线框架的背面形成若干半蚀刻槽；所述封装体的封装材料填充于所述半蚀刻槽。
23.作为优选，所述第一基岛背离所述硅基场效应晶体管芯片的一侧为第一背面，所述第二基岛背离所述氮化镓芯片的一侧为第二背面，所述第三基岛背离所述控制芯片的一侧为第三背面；所述第一背面的外周边缘、所述第二背面的外周边缘以及所述第三背面的外周边缘分别形成所述半蚀刻槽。
24.作为优选，所述第一基岛背离所述硅基场效应晶体管芯片的一侧露出所述封装体，所述第二基岛背离所述氮化镓芯片的一侧露出所述封装体，所述第三基岛背离控制芯片的一侧露出所述封装体。
25.本实用新型的有益效果为：该多芯片合封的半导体封装结构，将氮化镓芯片、硅基场效应晶体管芯片以及控制芯片合封至同一封装结构，可实现更优的性能，并且封装面积小，有利于产品的小型化设计，封装电阻低，可节约成本。
附图说明
26.下面根据附图和实施例对本实用新型作进一步详细说明。
27.图1为本实用新型实施例所述半导体封装结构的引线框架的基岛与引脚的分布示意图；
28.图2为本实用新型实施例所述半导体封装结构的内部结构示意图；
29.图3为本实用新型实施例所述半导体封装结构的背面结构示意图；
30.图4为本实用新型实施例所述引线框架背面的半蚀刻槽的设置示意图(图中图案填充部分为半蚀刻槽设置位置)；
31.图5为本实用新型实施例所述引线框架正面的半蚀刻槽的设置示意图(图中图案填充部分为半蚀刻槽设置位置)；
32.图中：10、引线框架；11、第一基岛；111、第一边部；112、第二边部；12、第二基岛；121、第五边部；13、第三基岛；131、第三边部；132、第四边部；141、第一引脚组件；142、第二引脚组件；143、第三引脚组件；144、第四引脚组件；145、第五引脚组件；146、第六引脚组件；151、第一输出引脚组件；152、第二输出引脚组件；16、第二高压引脚；20、硅基场效应晶体管芯片；21、第一源极；22、第一栅极；30、氮化镓芯片；31、第一电极；32、第二电极；33、第三电极；40、控制芯片；50、封装体；90、半蚀刻槽。
具体实施方式
33.为使本实用新型解决的技术问题、采用的技术方案和达到的技术效果更加清楚，下面将结合附图对本实用新型实施例的技术方案作进一步的详细描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
34.在本实用新型的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“固定”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成一体；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，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。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实用新型中的具体含义。
35.在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
36.本实用新型提出一种多芯片合封的半导体封装结构，其将控制芯片40、氮化镓芯片30以及硅基场效应晶体管芯片20封装至同一封装结构内，可减少封装面积，提高电子产品的集成度，减少芯片间电连接件的连接长度，降低封装电阻的同时可节约成本。
37.本实用新型的多芯片合封的半导体封装结构可应用于快速充电器内，如手机快速充电器。
38.如图1-5所示，在本实用新型的多芯片合封的半导体封装结构的一实施例中，该封装结构包括引线框架10、硅基场效应晶体管芯片20、氮化镓芯片30(gan芯片)、控制芯片40以及封装体50；
39.引线框架10包括第一基岛11、第二基岛12以及第三基岛13；
40.硅基场效应晶体管芯片20固定于第一基岛11；氮化镓芯片30固定于第二基岛12；控制芯片40固定于第三基岛13；
41.控制芯片40与硅基场效应晶体管芯片20电连接，硅基场效应晶体管芯片20与氮化镓芯片30电连接。
42.其中，氮化镓为第三代半导体材料。
43.本实施例中，硅基场效应晶体管芯片20为mos场效应管芯片。
44.本实施例中，第一基岛11、第二基岛12以及第三基岛13的底面之间电气绝缘、相互隔离。也即，采用三个独立基岛承载三颗不同的芯片。
45.本实用新型的封装结构，通过控制芯片40控制硅基场效应晶体管芯片20开关，再通过硅基场效应晶体管芯片20控制氮化镓芯片30开关。通过将这三种芯片封装至同一个封装结构内，可在小封装面积内实现更高的集成度，有利于电子产品的小型化设计。相对于现有的多个芯片独立封装再进行互连的方案，本实用新型的多个芯片在同一个封装结构内进行互连，可减小电连接件的长度，在降低封装电阻的同时，可以节约成本。并且，电阻降低，运行时产生的热量也降低，有利于提升封装结构以及电子产品的热性能。
46.需要说明的是，本实用新型中，至少包括一颗硅基场效应晶体管芯片20、一颗氮化镓芯片30以及一颗控制芯片40。在其他实施例中，也可以根据实际需求增加芯片的数量。
47.在一实施例中，为了降低封装结构的封装面积的同时减小封装电阻，采用如下方式对引线框架10以及三颗芯片进行布局：
48.第二基岛12与第三基岛13分别设于第一基岛11的相邻两侧；如此，将分别需要与硅基场效应晶体管芯片20电连接的控制芯片40以及氮化镓芯片30，分别分布于硅基场效应晶体管芯片20的相邻两侧，可有效减小芯片间互连的连接间距，降低封装电阻。
49.本实施例中，如图2所示，控制芯片40设置于右上角，硅基场效应晶体管芯片20、氮化镓芯片30设置于左侧，并且氮化镓芯片30设置于硅基场效应晶体管芯片20的下侧。
50.在其他实施例中，也可以将控制芯片40设置于硅基场效应晶体管芯片20的左侧，将氮化镓芯片30设置于硅基场效应晶体管芯片20的上侧。当然，还可以采用其他方式布置控制芯片40与氮化镓芯片30，只要将这两颗芯片分别布设于硅基场效应晶体管芯片20的相邻两侧即可。
51.采用上述方式布设三颗芯片，相对于将三颗芯片并排布设而言，能够在封装结构为方形结构基础上，实现封装面积最小，并有效降低封装电阻。方形的封装结构的通用性更强。
52.在一实施例中，为了提高第一基岛11的稳定性，第一基岛11的至少两侧与引脚进行物理连接，实现引脚对第一基岛11的支撑。
53.本实施例中，第一基岛11包括相邻的第一边部111以及第二边部112；引线框架10包括第一引脚组件141以及第二引脚组件142，第一引脚组件141包括一个或多个引脚，第二引脚组件142包括一个或多个引脚；第一边部111与第一引脚组件141连接，以通过第一引脚组件141对第一基岛11的一侧进行支撑，第二边部112与第二引脚组件142连接，以通过第二引脚组件142对第一基岛11的另一侧进行支撑。
54.本实施例中，第一引脚组件141包括三个引脚，第二引脚组件142包括一个引脚。
55.在其他实施例中，第一引脚组件141、第二引脚组件142内的引脚数量可以根据具体需求进行调整。
56.本实施例中，第一基岛11为四边形基岛，第一边部111为第一基岛11远离第三基岛13一侧的边部，第二边部112为第一基岛11远离第二基岛12一侧的边部。
57.在一实施例中，为了提高第三基岛13的稳定性，第二基岛12的至少两侧与引脚进
行物理连接，实现引脚对第三基岛13的支撑。
58.本实施例中，第三基岛13包括相邻的第三边部131以及第四边部132；引线框架10包括第三引脚组件143以及第四引脚组件144，第三引脚组件143包括一个或多个引脚，第四引脚组件144包括一个或多个引脚；第三边部131与第三引脚组件143连接，以通过第三引脚组件143对第三基岛13的一侧进行支撑，第四边部132与第四引脚组件144连接，以通过第四引脚组件144对第三基岛13的另一侧进行支撑。
59.本实施例中，第三引脚组件143包括一个引脚，第四引脚组件144包括两个引脚。
60.在其他实施例中，第三引脚组件143、第四引脚组件144内的引脚数量可以根据具体需求进行调整。
61.本实施例中，第三基岛13为四边形基岛，第三边部131为第三基岛13远离第二基岛12一侧的边部，第四边部132为第三基岛13远离第一基岛11一侧的边部。
62.在一实施例中，硅基场效应晶体管芯片20的电极采用如下方式设置：
63.硅基场效应晶体管芯片20包括相对的正面以及背面，其正面设有第一源极21以及第一栅极22，其背面设有第一漏极；
64.硅基场效应晶体管芯片20的背面通过导电的结合材料与第一基岛11结合，第一漏极与第一基岛11电连接；第一栅极22通过电连接件与控制芯片40电连接，通过控制芯片40输出至第一栅极22的电压不同，控制硅基场效应晶体管芯片20的开关。
65.本实施例中，引线框架10包括第一输出引脚组件151，第一输出引脚组件151包括一个或多个引脚，第一源极21与第一输出引脚组件151内的引脚电连接。
66.在一实施例中，氮化镓芯片30的电极通过如下方式配置：
67.引线框架10包括第二输出引脚组件152；
68.氮化镓芯片30包括第一电极31、第二电极32以及第三电极33，氮化镓芯片30的电极均设于正面，其背面无电极引出，其背面与第二基岛12结合；
69.第一电极31通过电连接件与第一基岛11连接，以实现氮化镓芯片30与硅基场效应晶体管芯片20的电连接，如此，实现硅基场效应晶体管芯片20对氮化镓芯片30的控制；
70.第二电极32通过电连接件与第二输出引脚组件152电连接；第二输出引脚组件152包括一个或多个引脚；
71.第三电极33通过电连接件与第五引脚组件145电连接；第五引脚组件145包括一个或多个引脚。
72.本实施例中，第二输出引脚组件152内包括若干引脚，若干引脚为氮化镓芯片30的大电流输出脚，引出的引脚数量越多，则电流分布更加均匀，更加可靠。
73.本实施例中，第二输出引脚组件152内的若干引脚为氮化镓芯片30的高压脚，高压脚被设计可承载700v以内电压。其中，高压脚也可以被设计为可承载650v以内的电压。
74.在一实施例中，氮化镓芯片12的三个电极分别为源极、漏极以及栅极。
75.在一实施例中，如图1-3所示，在第二输出引脚组件152被设计为高压脚的基础上，为了保证高压脚附近元器件的电气安全，在第二输出引脚组件152与第二基岛12之间设计第一电气间隔e1。
76.本实施例中，第一电气间隔e1设计为大于0.9mm。
77.本实施例中，第二输出引脚组件152内的引脚为第一高压引脚；第二基岛12背离第
一基岛11一侧的边部为第五边部121，第二输出引脚组件152设于第五边部121背离第一基岛11的一侧，第一电气间隔e1为：第一高压引脚与第五边部121之间的间隔。
78.在一实施例中，第一电气间隔e1设计为1.2mm。
79.在一实施例中，为了满足电路需求，引线框架10还设有第二高压引脚16，第二高压引脚16与控制芯片40电连接，第二高压引脚16被设计可承载700v以内电压；其中，也高压脚也可以被设计为可承载650v以内的电压。
80.本实施例中，在第二高压引脚16被设计为高压脚的基础上，为了保证第二高压引脚16附近元器件的电气安全，第二高压引脚16与第三基岛13之间具有第二电气间隔e2，第二高压引脚16与相邻引脚之间具有第三电气间隔e3；第二电气间隔e2大于0.9mm，第三电气间隔e3大于0.9mm。
81.在一实施例中，第二电气间隔e2、第三电气间隔e3设计为1.2mm。
82.在一实施例中，为了科学排布引脚，通过如下方式设置第二高压引脚16：
83.第三基岛13背离第二基岛12一侧的边部为第三边部131，第三基岛13背离第一基岛11一侧的边部为第四边部132；第二高压引脚16设于第四边部132的旁侧；第二高压引脚16与第四边部132之间的间隔为第二电气间隔e2。
84.本实施例中，第四引脚组件144包括两个第四引脚；第二高压引脚16设于两个第四引脚之间，第二高压引脚16与相邻第四引脚之间的间隔为第三电气间隔e3。
85.在其他实施例中，第二高压引脚16也可以设于第三边部131的旁侧。
86.在一实施例中，引线框架10还包括第六引脚组件146，第六引脚组件146包括一个或多个引脚，第六引脚组件146内的引脚与控制芯片40电连接。
87.其中，第六引脚组件146内的引脚可根据实际需求与第三基岛13进行物理连接，以对第三基岛13进行支撑。
88.在一实施例中，封装体50由封装材料固化形成，为了加强引线框架10与封装材料之间的封装强度，避免引线框架10正反两面附近产生封装材料分层，通过如下方式配置引线框架10：
89.如图4、5所示，在引线框架10的正面和/或背面通过半蚀刻工艺，加工形成若干正面半蚀刻槽90，如此，在采用封装材料进行塑封时，封装材料可填充至半蚀刻槽90内，封装材料与引线框架10之间的结合更加牢靠，结合强度更高，通过封装材料对引线框架10以及芯片进行可靠保护，可有效避免后期封装结构开裂，提高封装可靠性。
90.其中，蚀刻工艺中的半蚀刻指引线框架10的表面有腐蚀凹下去的一级面，低一级的面有深有浅，不同的材料厚度的产品，对蚀刻低一级的面会有不同的要求。
91.在一实施例中，在需要对引线框架10进行半蚀刻的结构的基础上，对基岛的背面以及所有引脚的背面的外周边缘区域进行半蚀刻。
92.本实施例中，第一基岛11背离硅基场效应晶体管芯片20的一侧为第一背面，第二基岛12背离氮化镓芯片30的一侧为第二背面，第三基岛13背离第三功率芯片的一侧为第三背面；第一背面的外周边缘、第二背面的外周边缘以及第三背面的外周边缘分别形成半蚀刻槽90。
93.其中，通过如此设置引线框架10底面的半蚀刻槽90，可配合满足第一电气间隔、第二电气间隔以及第三电气间隔的设计。
94.本实施例中，在需要对引线框架10进行半蚀刻的结构的基础上，对基岛的正面以及所有引脚的正面的内部局部区域进行点状、圈状半蚀刻。
95.本实施例中，正面的半蚀刻槽90的区域与背面的半蚀刻槽90的区域相错，从而进一步提高封装材料与引线框架10的结合强度。
96.在一实施例中，正面以及背面的半蚀刻槽90的深度为材料厚度的一半。
97.在一实施例中，如图3所示，为了提高封装结构的散热性能，保证产品的可靠性，将三个基岛外露，也即：第一基岛11背离硅基场效应晶体管芯片20的一侧露出封装体50，第二基岛12背离氮化镓芯片30的一侧露出封装体50，第三基岛13背离控制芯片40的一侧露出封装体50。
98.需要说明的是，本实用新型中的引脚组件内对引脚数量的定义，由封装芯片露出的焊接区域的数量，同一个引脚组件内包括若干个引脚，但是若干个引脚也可以通过同一基部进行连接(如图1中的第二输出引脚组件152)。
99.在一实施例中，各芯片间的电连接、以及芯片与引脚之间的电连接通过金属连接线实现；当需要承载较大电流时，可通过多根金属连接线进行连接。
100.当然，各芯片间的电连接、以及芯片与引脚之间的电连接也可以通过金属片(如铜箔)实现。
101.本实用新型中的结合材料可以为焊锡或其他材料。
102.本实用新型中的封装材料可以为环氧树脂材料或其他材料。
103.在一实施例中，该封装结构为qfn方形扁平无引脚封装结构。
104.在一实施例中，该封装结构的成品的平面尺寸为5mm*5mm～10mm*10mm。
105.在一实施例中，该封装结构的成品的平面尺寸为8mm*8mm。
106.于本文的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“左、”“右”等方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述和简化操作，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实用新型的限制。此外，术语“第一”、“第二”，仅仅用于在描述上加以区分，并没有特殊的含义。
107.在本说明书的描述中，参考术语“一实施例”、“示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本实用新型的一个或多个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。
108.此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
109.以上结合具体实施例描述了本实用新型的技术原理。这些描述只是为了解释本实用新型的原理，而不能以任何方式解释为对本实用新型保护范围的限制。基于此处的解释，本领域的技术人员不需要付出创造性的劳动即可联想到本实用新型的其它具体实施方式，这些方式都将落入本实用新型的保护范围之内。