CN101315913A - 一种轻质高导热效率的功率器的封装件 - Google Patents
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Abstract
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。
Description
[技术领域]
本发明涉及功率器件封装结构技术领域,具体的说是一种轻质高导热效率的功率器的封装件。
[技术背景]
在集成电路的封装领域,封装技术的三个发展趋势:尺寸的缩小、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;而有些封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、ZL01129362.4、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CuIn、AgIn、AuIn、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。
[附图说明]
图1是本发明实施例中的一种结构示意图。
指定图1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]
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1
参见附图1,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,
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,AgIn,AuIn,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/m*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1相同。
Claims (4)
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CuIn、AgIn、AuIn、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。
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RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
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