一种应用于平面型功率器件的封装结构的封装方法与流程

1.本发明涉及一种应用于平面型功率器件的封装结构的封装方法，属于半导体封装技术领域。


背景技术：

2.随着5g行业、消费类电子和新能源汽车行业的发展，例如5g基站的功耗提升，5g基站功耗为4g的两倍，为了降低功耗需求，需要增加对芯片的低损耗、高热稳定性要求，同时这也对封装类型的导通电阻低、发热量低和散热快有更高的要求。
3.传统焊线式封装均是采用打线的封装形式，键合线电阻rw较大，从而会增大整个封装的导通电阻，最终影响产品的电流承载能力。


技术实现要素：

4.为了克服现有技术的不足，本发明提供一种应用于平面型功率器件的封装结构的封装方法，使得采用此种封装方式的芯片实现低导通电阻、承载大电流、散热性能优异，且封装结构简单。
5.本发明的技术方案：本发明提供了一种应用于平面型功率器件的封装结构的封装方法，其工艺方法如下：步骤一、准备来料的晶圆，晶圆上有排列整齐的横向与纵向交叉的切割道ⅰ，切割道ⅰ将晶圆预分成复数颗芯片，每一芯片的正面设有若干个芯片下金属凸块、背面设有散热层，所述芯片下金属凸块的一端对应芯片的电极、另一端设置焊接层；步骤二、采用切割工艺沿切割道ⅰ形成复数颗独立的芯片；步骤三、准备立体金属框架条，其背面的刻蚀面作为作业面，所述立体金属框架条通过半刻蚀工艺对立体金属框架条的背面进行刻蚀，将多余的金属材料去除，在立体金属框架条的背面上阵列排布复数个镂空图案ⅰ和镂空图案ⅱ和对位点，并形成刻蚀面，并设计有横向切割道ⅲ和纵向切割道ⅲ，所述对位点设置在立体金属框架条的上下左右的四个侧边，镂空图案ⅰ和镂空图案ⅱ平行交错分布于立体金属框架条的中央，均呈等长的长方形，且镂空图案ⅰ的宽度大于镂空图案ⅱ的宽度；所述镂空图案ⅰ将立体金属框架条分割成复数个块状的金属框架本体，镂空图案ⅱ平行镂空图案ⅰ进一步将金属框架本体分割成复数个条状的金属框架支撑条，镂空图案ⅱ将金属框架本体分成若干个金属框架支撑条；所述金属框架支撑条的刻蚀面的两端上形成金属引脚，所述金属引脚位于镂空图案ⅰ和镂空图案ⅱ的长边内侧；所述纵向切割道ⅲ平行镂空图案ⅰ的长度方向切割镂空图案ⅰ，所述横向切割道ⅲ设置在立体金属框架条的上下两侧边，并穿过镂空图案ⅰ和镂空图案ⅱ的上下两端，将金属框架支撑条一一从立体金属框架条上预切割下来；所述金属框架支撑条的刻蚀面与其上的金属引脚共同构成型腔；
步骤四、依次将芯片的正面倒装放入立体金属框架条的型腔内，通过对位点对位，其芯片下金属凸块通过焊接层与金属框架支撑条对应固连，实现芯片的电路导通；步骤五、通过薄膜辅助塑封单面成型工艺将塑封材料熔融后通过压力将立体金属框架条和芯片包覆，并填充镂空图案ⅰ和镂空图案ⅱ，镂空图案ⅰ和镂空图案ⅱ起到对塑封材料导流的作用，形成导流通道；步骤六、通过研磨工艺暴露出立体金属框架条的金属引脚的上表面和芯片背面的散热层；步骤七、通过层压工艺在立体金属框架条的平坦的正面贴合带有背胶的保护膜；步骤八、依次通过溅射腐蚀、化学沉积、印刷或者喷涂的方式在金属引脚的上表面、散热层的表面分别制作导电金属层ⅰ、导电金属层ⅲ；步骤九、沿横向切割道ⅲ和纵向切割道ⅲ将上述封装体分割成复数颗芯片的封装结构单体，将芯片通过其芯片下金属凸块、立体金属框架向上折转引至与芯片的背面与pcb直接互联与散热。
6.进一步地，步骤三中，所述金属引脚的成形工艺如下：所述金属框架支撑条的刻蚀面的两端上依次通过溅射、腐蚀、化学沉积、印刷或者喷涂的方式形成对称的金属柱作为金属引脚。
7.进一步地，步骤三中，所述金属引脚的成形工艺如下：通过光刻胶图案、金属沉积法成形高度相同的若干个金属柱，分别通过焊接工艺将金属柱的底部连接到上述金属框架支撑条的刻蚀面，形成金属引脚。
8.进一步地，步骤三中，所述金属引脚的成形工艺如下：准备金属薄片，采用高反激光器通过激光切割工艺形成高度相同的若干个金属柱，通过焊接工艺将金属柱的底部连接到上述金属框架支撑条的刻蚀面，形成金属引脚。
9.进一步地，步骤三中，所述金属引脚的成形工艺如下：在立体金属框架条成形时，所述立体金属框架条通过半刻蚀工艺对立体金属框架条的背面进行刻蚀，将多余的金属材料去除，在立体金属框架条的背面上阵列排布复数个镂空图案ⅰ、镂空图案ⅱ、对位点和金属引脚，并设计有横向切割道ⅲ和纵向切割道ⅲ，由于刻蚀速度的不同，所述金属引脚的柱面呈凹弧形柱状，其弧度r由实际工艺控制，所述金属引脚与金属框架支撑条为一体结构。
10.进一步地，用等离子刻蚀工艺将所述金属引脚的表面或金属引脚的表面和立体金属框架条的刻蚀面一起进行粗化，粗糙度ra控制范围为：ra为0.2~0.4。
11.进一步地，所述焊接层为钛、铜、银、镍、金、锡、锡银中的一种金属或者几种金属的组合。
12.进一步地，所述散热层的横截面尺寸不小于所述芯片的横截面尺寸。
13.进一步地，所述金属引脚的横截面呈圆形、矩形或六边形。
14.有益效果本发明一种应用于平面型功率器件的封装结构的封装方法提供了一种单面精准塑封、低温贴合保护膜的工艺，精简了封装工艺，相比与传统打线方式，fc工艺传输性能提升，互联结构尺寸短小，减少了电感，电阻以及电容，信号完整性，射频性能更好，提高了生产效率并降低了生产成本；避免了采用传统打线方式，降低了芯片与引线框架之间的电阻
rd，降低了键合线电阻rw，从而达到了降低封装产品的导通电阻rds ( on )的目的；其形成的应用于平面型功率器件的封装结构，采用芯片的正面的芯片下金属凸块倒装至立体金属框架的刻蚀面上，通过芯片下金属凸块、立体金属框架的折转实现芯片与pcb直接互联，精减了封装结构，避免了传统打线工艺，降低了封装电阻，增加了电流承载能力；同时缩短了芯片与外界互联距离，增强了芯片的导电效果；其芯片背面露出，直接焊接到pcb上进行散热，提升了封装散热能力，提高了芯片高速运行时的稳定性，提升了产品的品质；另外，立体金属框架的金属引脚呈凹弧形柱状，增强了金属引脚和塑封材料之间的结合力，达到了增加产品可靠性的目的。
附图说明
15.图1为本发明一种应用于平面型功率器件的封装结构的封装方法的流程图；图2为本发明一种应用于平面型功率器件的封装结构的剖面结构的示意图；图3为本发明一种应用于平面型功率器件的封装结构的实施例的剖面结构的示意图；图4为图2中的芯片、立体金属框架的相对位置的示意图；图5为本发明一种应用于平面型功率器件的封装结构的剖面结构的实施例的示意图；图6a至图6o为本发明一种应用于平面型功率器件的封装结构的封装方法的工艺过程的流程图；其中：芯片10芯片下金属凸块11焊接层12金属框架支撑条21金属引脚22型腔26散热层30导电金属层ⅰ61导电金属层ⅲ63塑封材料90；晶圆100切割道ⅰ110立体金属框架条200横向切割道ⅲ210镂空图案ⅰ221镂空图案ⅱ222纵向切割道ⅲ230对位点250保护膜40。
具体实施方式
16.下面结合附图和实施例对本技术作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释相关发明，而非对该发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与有关发明相关的部分。
17.需要说明的是，在不冲突的情况下，本技术中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本技术。
18.本发明一种应用于平面型功率器件的封装结构的封装方法的流程图，如图1所示：步骤s1：准备来料的晶圆；步骤s2：采用切割工艺切割晶圆形成复数颗独立的芯片；步骤s3：准备立体金属框架条，通过半刻蚀工艺形成金属框架支撑条，在金属框架支撑条的刻蚀面的两端形成金属引脚，构成型腔；步骤s4：依次将芯片的正面倒装放入立体金属框架条的型腔内；步骤s5：通过薄膜辅助塑封单面成型工艺塑封立体金属框架条和新的芯片单体；步骤s6：通过研磨工艺暴露出立体金属框架条的金属引脚的上表面和芯片背面的散热层；步骤s7：通过层压工艺在立体金属框架条的正面贴合保护膜；步骤s8：依次通过溅射腐蚀、化学沉积、印刷或者喷涂的方式在金属引脚的上表面、散热层的表面分别制作导电金属层ⅰ、导电金属层ⅲ；步骤s9：将上述封装体分割成复数颗封装结构单体。
19.实施例如下：本发明一种应用于平面型功率器件的封装结构，如图2至图5所示，其芯片10的正面设有若干个芯片下金属凸块11、背面设有散热层30。芯片下金属凸块11的一端连接芯片10的电极（图中电极未示出），芯片10的电极埋在芯片表面的钝化层下的硅基中；芯片下金属凸块11的另一端设置焊接层12，成为芯片10的i/o端，焊接层12所用焊料可以为钛、铜、银、镍、金、锡、锡银中的一种金属或者几种金属的组合。
20.散热层30的横截面尺寸不小于芯片10的横截面尺寸，其材质优选导电性能优异的金属铜，散热层30设置在芯片10的背面，通过散热层30将芯片10直接焊接到pcb上进行散热，提升了封装散热能力，提升了产品的品质，实现了封装产品的优异散热性能。
21.其立体金属框架20包括若干个金属框架支撑条21和金属引脚22，金属框架支撑条21的背面为刻蚀面，金属引脚22设置在每一个金属框架支撑条21的刻蚀面的两端。
22.一般地，金属框架支撑条21长度相等并等距平行排布于同一平面并彼此之间形成间隙。金属引脚22的横截面呈圆形、矩形、六边形等，图4中以金属引脚22的横截面呈矩形示意。金属框架支撑条21的刻蚀面与金属引脚22的内侧形成型腔26。金属框架支撑条21的刻蚀面为粗糙面，有助于立体金属框架20与金属引脚22和垂直型mosfet芯片10的强度连接。
23.芯片10的正面倒装在这个型腔26里面，其芯片下金属凸块11通过焊接层12与金属框架支撑条21的刻蚀面固连，并与立体金属框架20电性连接。
24.通过芯片下金属凸块11、立体金属框架20的折转实现芯片10与pcb直接电性互联，并实现芯片10通过pcb高效散热，缩短了芯片10与外界互联距离，增强了芯片的导电效果，避免了采用传统打线方式，降低了芯片漏极与引线框架之间的电阻rd，降低了键合线电阻rw
，从而达到了降低封装产品的导通电阻rds ( on )的目的。
25.立体金属框架20的正面为平整的外露面，设置带有背胶的保护膜40，如adwill lc胶带。该保护膜40厚度均匀，通过层压工艺贴合在立体金属框架20的正面，可以在相对较低的温度下进行，安装方便，从而降低因热而损坏电路的风险。它可以保护芯片不受外部溶剂、湿气、冲击等影响，同时使芯片与外界环境电绝缘。它还可以阻挡光线，使光线对电路表面的影响降至最低。
26.塑封材料90整体填充并塑封所述立体金属框架20和芯片10以及金属框架支撑条21之间的空隙，金属框架支撑条21之间的空隙形成塑封材料90的导流通道，仅露出散热层30的外表面和金属引脚的上表面223，在芯片10及其散热层30与金属引脚22之间设置的塑封材料90能够有效地防止电压击穿造成的短路，提升产品的可靠性。
27.在一个可选的实施例中，金属引脚22与立体金属框架20为一体结构，金属引脚22呈凹弧形柱状，其弧度r是在立体金属框架20的半刻蚀工艺过程中因刻蚀速率的差异产生的，如图3所示，通过控制半刻蚀工艺获得实际需要的弧度r。金属引脚22的凹弧形也可以增加金属引脚22与塑封材料90之间的结合力，达到增加产品可靠性的目的。
28.在一个可选的实施例中，所述金属引脚22的柱面还可以为粗糙面，粗糙度ra范围为：ra为0.2~0.4，也可以增加金属引脚22与塑封材料90之间的结合力，达到增加产品可靠性的目的。
29.在一个可选的实施例中，金属框架本体21的两侧也可以露出塑封材料90，如图5所示。
30.在一个可选的实施例中，本发明一种应用于平面型功率器件的封装结构还包括设置在金属引脚的上表面223的导电金属层ⅰ61和设置在散热层30的外表面的导电金属层ⅲ63，导电金属层ⅰ61、导电金属层ⅲ63用于封装后的芯片后续的装贴使用，便于用来与其他外部器件进行电性连接和散热。
31.本发明一种应用于平面型功率器件的封装结构的封装方法，如图6a至6o所示，其工艺方法如下：步骤一、如图6a和图6b所示，准备来料的晶圆100，通过来料检查工艺挑拣合格晶圆，并进行清洗工艺去除灰尘、油污等，晶圆100上有排列整齐的横向与纵向交叉的切割道ⅰ110，切割道ⅰ110将晶圆100预分成复数颗芯片10，每一芯片10的正面设有若干个芯片下金属凸块11、背面设有散热层30，芯片下金属凸块11的一端对应芯片10的电极（图中电极未示出），芯片10的电极埋在芯片表面的钝化层下的硅基中；芯片下金属凸块11的另一端设置焊接层12。
32.步骤二、如图6c和图6d所示，采用切割工艺沿切割道ⅰ110形成复数颗独立的芯片10，图6d为芯片的正面视图，以芯片下金属凸块11呈3*5阵列示意。
33.步骤三、如图6e、图6f和图6g所示，准备立体金属框架条200，立体金属框架条200的材质选择参考用于集成电路的芯片载体的引线框架，以其背面的刻蚀面作为作业面。图6e为立体金属框架条200的背面的俯视图，图6f和图6g为图6e的b-b剖面图，立体金属框架条200通过半刻蚀工艺对立体金属框架条200的背面进行刻蚀，将多余的金属材料去除，在立体金属框架条200的背面上阵列排布复数个镂空图案ⅰ221和镂空图案ⅱ222和对位点250，并形成刻蚀面，并设计有横向切割道ⅲ210和纵向切割道ⅲ230。对位点250设置在立体
金属框架条200的上下左右的四个侧边，镂空图案ⅰ221和镂空图案ⅱ222平行交错分布于立体金属框架条200的中央，均呈等长的长方形，且镂空图案ⅰ221的宽度大于镂空图案ⅱ222的宽度。镂空图案ⅰ221将立体金属框架条200分割成复数个块状的金属框架本体，镂空图案ⅱ222平行镂空图案ⅰ221进一步将金属框架本体分割成复数个条状的金属框架支撑条21，图6e中，以相邻镂空图案ⅰ221之间设置四个镂空图案ⅱ222示意，镂空图案ⅱ222将金属框架本体分成五个金属框架支撑条21。金属框架支撑条21的刻蚀面的两端上依次通过溅射、腐蚀、化学沉积、印刷或者喷涂的方式形成对称的金属柱作为金属引脚22，且金属引脚22位于镂空图案ⅰ221和镂空图案ⅱ222的长边内侧，如图6f所示，以避开横向切割道ⅲ210，使金属引脚22不被破坏。
34.纵向切割道ⅲ230平行镂空图案ⅰ221的长度方向切割镂空图案ⅰ221，一般地，纵向切割道ⅲ230与镂空图案ⅰ221的中线重合；对于最外侧的镂空图案ⅰ221，纵向切割道ⅲ230仅沿镂空图案ⅰ221的长度方向切割掉镂空图案ⅰ221的一部分。
35.横向切割道ⅲ210设置在立体金属框架条200的上下两侧边，并穿过镂空图案ⅰ221和镂空图案ⅱ222的上下两端，将金属框架支撑条21一一从立体金属框架条200上预切割下来。
36.五个金属框架支撑条21的刻蚀面与其上的金属引脚22共同构成型腔26，如图6f所示；或者，在立体金属框架条200成形时，将立体金属框架条200的原材通过半刻蚀工艺将多余的金属材料去除，在刻蚀面上形成上述阵列排布的复数个镂空图案ⅰ221和镂空图案ⅱ222、对位点250和带有金属引脚22，并设计有横向切割道ⅲ210和纵向切割道ⅲ230，由于刻蚀速度的不同，金属引脚22的柱面呈凹弧形柱状，其弧度r由实际工艺控制，金属引脚22与金属框架支撑条21为一体结构，五个金属框架支撑条21与其上的金属引脚22共同构成型腔26，如图6g所示。
37.或者，通过光刻胶图案、金属沉积法成形高度相同的若干个金属柱，分别通过焊接工艺将金属柱的底部连接到上述金属框架支撑条21的刻蚀面，形成金属引脚22，焊接所用焊料可以为钛、铜、银、镍、金、锡、锡银中的一种金属或者几种金属的组合。
38.或者，准备金属薄片，采用高反激光器通过激光切割工艺形成高度相同的若干个金属柱，通过焊接工艺将金属柱的底部连接到上述金属框架支撑条21的刻蚀面，形成金属引脚22，焊接所用焊料可以为钛、铜、银、镍、金、锡、锡银中的一种或者几种组合的方式。
39.该步骤中，也可以用等离子刻蚀工艺将金属引脚22的表面或金属引脚22的表面和立体金属框架条200的刻蚀面一起进行粗化，粗糙度ra控制范围为：ra为0.2~0.4。
40.步骤四、如图6h和图6i所示，依次将芯片10的正面倒装放入立体金属框架条200的型腔26内，通过对位点250对位，其芯片下金属凸块11通过焊接层12与金属框架支撑条21对应固连，实现芯片10的电路导通，图6h为立体金属框架条200与芯片10的相对位置示意图，图6i为图6h的c-c剖面图。
41.焊接层12为钛、铜、银、镍、金、锡、锡银中的一种金属或者几种金属的组合。
42.步骤五、如图6j所示，通过薄膜辅助塑封单面成型工艺（fam）将塑封材料90熔融后通过压力将立体金属框架条200和芯片10包覆，并填充镂空图案ⅰ221和镂空图案ⅱ222，镂空图案ⅰ221和镂空图案ⅱ222起到对塑封材料90导流的作用，形成导流通道。
43.步骤六、如图6k所示，通过研磨工艺暴露出立体金属框架条200的金属引脚的上表
面223和芯片10背面的散热层30。
44.步骤七、如图6l所示，在相对较低的温度下，通过层压工艺在立体金属框架条200的平整的正面贴合带有背胶的保护膜40，如adwill lc胶带，安装方便，从而降低因热而损坏电路的风险，简化了传统emc工艺。
45.步骤八、如图6m所示，依次通过溅射腐蚀、化学沉积、印刷或者喷涂的方式在金属引脚的上表面223、散热层30的表面分别制作导电金属层ⅰ61、导电金属层ⅲ63，导电金属层ⅰ61、导电金属层ⅲ63用于封装后的芯片后续的装贴使用。
46.步骤九、如图6n和图6o所示，沿横向切割道ⅲ210和纵向切割道ⅲ230将上述封装体分割成复数颗芯片的封装结构单体，将芯片10通过其芯片下金属凸块11、立体金属框架20向上折转引至与芯片10的背面与pcb直接电信互联，并实现芯片10通过pcb直接高效散热。
47.以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明实施例揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。