一种垂直型MOSFET芯片的封装结构的制作方法

一种垂直型mosfet芯片的封装结构
技术领域
1.本实用新型涉及一种垂直型mosfet芯片的封装结构，属于半导体封装技术领域。


背景技术：

2.mosfet的英文全称metal oxide semiconductor field effect transistor ，即金属氧化物半导体场效应管。垂直型mosfet是一种常见的电压型控制器件，具有开关速度快、高频性能、输入阻抗高、噪声小、驱动功率小、动态范围大、安全工作区域（soa）宽等一系列的优点，因此被广泛的应用于开关电源、电机控制、电动工具等各行各业。
3.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，需要增加对垂直型mosfet的低损耗、高热稳定性要求，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。
4.导通电阻（rds）即漏源极间的电阻是功率垂直型mosfet主要的特征参数之一，垂直垂直型mosfet器件通过将漏极区置于与源极接点的相反的表面上来实现低的rds ( on )。通过将漏极区置于与源极接点相反的表面上，缩短了电流的传导通路(导电路径， conduction path )，这使得rds( on )降低。
5.在传统焊线式封装类型中，导通电阻等于芯片的导通电阻与封装的寄生电阻之和，即导通电阻rds(on)=r
l
+rd+rw+rds(on)，其中，r
l
为引线框架电阻、rd为芯片漏极与框架之间的电阻、rw为键合线电阻、rds(on) 为芯片内部电阻。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；并且传统垂直型mosfet封装形式，均是将芯片完全包裹在封装的塑封体内，造成芯片工作时产生的热量不能及时散发出去，制约了产品的性能提升。
6.降低。
7.专利cn106711100a，公开了一种半导体封装结构及加工方法，其芯片（即垂直型mosfet器件）设置在引线框架的正面，通过引线框架向所述芯片芯片方向翻折，形成框架折边，通过引线框架将漏极端引至与所述源极、所述栅极相同的平面，便于芯片焊接在pcb上。但这种方式的引线框架一旦定型，芯片的大小、形状和功能结构将被制约，不利于行业的持续发展；同时引线框架的边缘翻折后存在翻折应力，在芯片封装结构的使用过程中，释放出的应力不利于芯片与引线框架的长久贴合和散热，降低了产品的可靠性。


技术实现要素：

8.为了克服传统垂直型mosfet 焊线式封装结构的不足，本实用新型提供一种垂直型mosfet芯片的封装结构，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。
9.本实用新型的技术方案：
10.本实用新型提供了一种垂直型mosfet芯片的封装结构，其包括垂直型mosfet芯片和放置该垂直型mosfet芯片的立体金属框架，该立体金属框架是具有导电性能的金属性质的型腔，所述垂直型mosfet芯片的正面设有源极区和栅极区、背面设为漏极区，所述垂直型
mosfet芯片的源极区设置源极导电垫、其栅极区设置栅极导电垫，其漏极区设置导电线路层，
11.所述立体金属框架的结构如下：
12.所述立体金属框架包括金属框架本体、若干个源极金属引脚和若干个栅极金属引脚，所述源极金属引脚和栅极金属引脚设置在金属框架本体背面的刻蚀面上；
13.所述金属框架本体包括不连续的源极金属片和栅极金属片，所述源极金属片和栅极金属片的刻蚀表面分别与源极金属引脚和栅极金属引脚的底部固连，所述源极金属片和栅极金属片向内分别延伸出源极金属桥墩和栅极金属桥墩，所述源极金属桥墩和栅极金属桥墩的横截面形状分别与所述垂直型mosfet芯片的源极区和栅极区的形状匹配，且其之间设置间隙，所述金属框架本体与源极金属引脚、栅极金属引脚的内部形成型腔，
14.所述垂直型mosfet芯片的正面倒装在所述型腔内，其源极导电垫、栅极导电垫分别与所述源极金属桥墩和栅极金属桥墩对应固连，并与所述立体金属框架实现电性连接；
15.所述垂直型mosfet芯片的背面漏极区通过所述导电线路层与金属导电散热板固连，所述金属导电散热板的横截面尺寸不小于所述垂直型mosfet芯片的横截面尺寸，所述源极金属引脚和栅极金属引脚的高度相等，所述塑封材料整体填充并塑封所述垂直型mosfet芯片和所述立体金属框架以及间隙，且露出所述金属导电散热板的表面ⅱ和源极金属引脚的刻蚀表面、栅极金属引脚的刻蚀表面，所述源极金属引脚的刻蚀表面、栅极金属引脚的刻蚀表面与所述金属导电散热板的表面ⅱ齐平，将所述垂直型mosfet芯片的源极、栅极、漏极在同一平面分布。
16.作为垂直型mosfet芯片的封装结构的一种优选的技术方案，所述源极金属引脚和栅极金属引脚分别与立体金属框架的源极金属片和栅极金属片为一体结构。
17.作为垂直型mosfet芯片的封装结构的一种优选的技术方案，所述源极金属引脚和栅极金属引脚呈凹弧形柱状。
18.作为垂直型mosfet芯片的封装结构的一种优选的技术方案，所述源极金属引脚和栅极金属引脚的柱面为粗糙面。
19.作为垂直型mosfet芯片的封装结构的一种优选的技术方案，所述立体金属框架条的刻蚀面为粗糙面。
20.作为垂直型mosfet芯片的封装结构的一种优选的技术方案，所述源极金属引脚和栅极金属引脚的横截面均呈圆形、矩形或六边形。
21.作为垂直型mosfet芯片的封装结构的一种优选的技术方案，所述源极金属桥墩呈顺时针旋转90度的l形，所述栅极金属桥墩呈一字形。
22.作为垂直型mosfet芯片的封装结构的一种优选的技术方案，所述源极导电垫和栅极导电垫均为复合导电金属层，如所述复合导电金属层为cu/sn层或ni/au层。
23.作为垂直型mosfet芯片的封装结构的一种优选的技术方案，还包括导电金属层ⅰ、导电金属层ⅱ和导电金属层ⅲ，所述导电金属层ⅰ设置于源极金属引脚的刻蚀表面，所述导电金属层ⅱ设置于栅极金属引脚的刻蚀表面，所述导电金属层ⅲ设置于金属导电散热板的下表面。
24.有益效果
25.本实用新型一种垂直型mosfet芯片的封装结构采用垂直型mosfet芯片的正面倒
装至立体金属框架的刻蚀面上，避免了传统打线工艺，增加了电流承载能力，降低了封装电阻；通过立体金属框架的折转使用实现了垂直型mosfet芯片的漏极、源极和栅极在同一平面分布，精简了封装结构，缩短了垂直型mosfet芯片与外界互联距离，增强了芯片的导电效果；采用金属导电散热板大面积接触垂直型mosfet芯片的背面漏极区，散热性能优异，提升了产品的品质；其立体金属框架的源极金属引脚和栅极金属引脚呈凹弧形柱状，增强了金属柱和塑封材料之间的结合力，达到增加产品可靠性的目的。
附图说明
26.图1为本实用新型一种垂直型mosfet芯片的封装结构的一个实施例的剖面结构的示意图；
27.图2为图1的垂直型mosfet芯片、立体金属框架的相对位置的示意图；
28.图3为图1的另一个实施例的剖面结构的示意图；
29.图4为图3的垂直型mosfet芯片、立体金属框架的相对位置的示意图；
30.图5为图1的另一个实施例的剖面结构的示意图；
31.其中：垂直型mosfet芯片10
32.源极导电垫13
33.栅极导电垫15
34.立体金属框架20
35.金属框架本体21
36.源极金属片211
37.源极金属桥墩212
38.栅极金属片213
39.栅极金属桥墩214
40.源极金属引脚22
41.源极金属引脚的刻蚀表面221
42.栅极金属引脚24
43.栅极金属引脚的刻蚀表面241
44.间隙25
45.型腔26
46.导电线路层30
47.金属导电散热板40
48.金属导电散热板的表面ⅰ42
49.金属导电散热板的表面ⅱ43
50.导电金属层ⅰ61
51.导电金属层ⅱ63
52.导电金属层ⅲ65
53.塑封材料90。
具体实施方式
54.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。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。
55.本实用新型一种垂直型mosfet芯片的封装结构，其垂直型mosfet芯片10的正面设有源极区和栅极区、背面设为漏极区。
56.所述垂直型mosfet芯片10的源极区设置源极导电垫13、其栅极区设置栅极导电垫15，源极导电垫13和栅极导电垫15的横截面呈圆形、矩形或六边形、八边形，其材质为复合导电金属层，如cu/sn层或ni/au层。所述垂直型mosfet芯片10的漏极区设置导电线路层30。导电线路层30可以通过低温烧结银连接技术在垂直型mosfet芯片10的漏极区形成高电导率的银微粒烧结体，也可以采用成品焊接材料，如导电胶、软焊料、焊膏等铺设在垂直型mosfet芯片10的漏极区，还可以是铜、银、镍、金、锡、锡银中的一种或者几种材质的组合，如cu/sn层或ni/au层。
57.垂直型mosfet芯片10的背面漏极区通过导电线路层30与金属导电散热板40固连，实现电性导通。金属导电散热板40的横截面尺寸不小于垂直型mosfet芯片10的横截面尺寸，其材质优选导电性能优异的金属铜，金属导电散热板40大面积与漏极区17接触，实现了封装产品的优异散热性能。
58.其立体金属框架20包括金属框架本体21、若干个源极金属引脚22和若干个栅极金属引脚24。源极金属引脚22和栅极金属引脚24的横截面均呈圆形、矩形、六边形等，图2中以圆形示意。
59.所述金属框架本体21包括不连续的源极金属片211和栅极金属片213，源极金属片211和栅极金属片213向内分别延伸出源极金属桥墩212和栅极金属桥墩214，源极金属桥墩212和栅极金属桥墩214的横截面形状分别与所述垂直型mosfet芯片10的源极区和栅极区的形状匹配。源极金属桥墩212和栅极金属桥墩214之间设置间隙25，间隙25能让液态的塑封材料90更顺畅地在其间流动，从而使源极金属片211和栅极金属片213彼此绝缘。源极金属桥墩212和栅极金属桥墩214分别与所述垂直型mosfet芯片10的源极导电垫13、栅极导电垫15对应固连，具有方向性。图2中以源极金属桥墩212呈顺时针旋转90度的l形、栅极金属桥墩214呈一字形示意。源极金属片211和栅极金属片213的刻蚀表面分别与源极金属引脚22和栅极金属引脚24固连，源极金属片211和栅极金属片213的刻蚀表面为实施刻蚀工艺的刻蚀面，具有一定的粗糙度，其粗糙度ra范围为：ra为0.2~0.4，增强了源极金属片211和栅极金属片213与源极金属引脚22和栅极金属引脚24的固连强度。金属框架本体21与源极金属引脚22、栅极金属引脚24的内部形成型腔26，型腔26用于承载垂直型mosfet芯片10，垂直型mosfet芯片10的正面倒装在这个型腔26里面，并与立体金属框架20电性连接。
60.在一个可选的实施例中，源极金属片211、栅极金属片213分别与源极金属引脚22、栅极金属引脚24为一体结构。
61.所述源极金属引脚22和栅极金属引脚24的高度相等，其源极金属引脚的刻蚀表面221和栅极金属引脚的刻蚀表面241与金属导电散热板的表面ⅱ43齐平，实现了垂直型
mosfet芯片10的源极、栅极、漏极在同一平面分布，缩短了垂直型mosfet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。
62.塑封材料90整体填充并塑封垂直型mosfet芯片10和立体金属框架20以及间隙25，仅露出所述金属导电散热板的表面ⅱ43和源极金属引脚的刻蚀表面221、栅极金属引脚的刻蚀表面241，在垂直型mosfet芯片10及其金属导电散热板40与源极金属引脚22和栅极金属引脚24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。
63.在一个可选的实施例中，金属框架本体21的外侧也可以露出塑封材料90，如图3和图4所示。
64.在一个可选的实施例中，所述源极金属引脚22和栅极金属引脚24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5所示，通过控制半刻蚀工艺获得实际需要的弧度r，也可以增加源极金属引脚22和栅极金属引脚24与塑封材料90之间的结合力，达到增加产品可靠性的目的。
65.在一个可选的实施例中，本实用新型一种垂直型mosfet芯片的封装结构还包括导电金属层ⅰ26、导电金属层ⅱ27和导电金属层ⅲ28，所述导电金属层ⅰ26设置于源极金属引脚的刻蚀表面221，所述导电金属层ⅱ27设置于栅极金属引脚的刻蚀表面241，所述导电金属层ⅲ28设置于金属导电散热板的表面ⅱ43，便于用来与其他外部器件进行电性连接，如图1、图3和图5所示。
66.以上所述，仅为本实用新型较佳的具体实施方式，但本实用新型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实用新型实施例揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。