CN111276403B - 一种半导体功率模块及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种半导体功率模块及其制备方法，该方法包括以下步骤：将半导体功率芯片临时固定在第一临时承载基板上，在所述半导体功率芯片的第二表面形成一凹陷腔体，所述凹陷腔体在垂直方向上与所述功能核心区域相重叠，在所述半导体功率芯片的所述第二表面上沉积导热绝缘层，在所述凹陷腔体中设置导热硅胶层；接着将散热器设置于所述半导体功率芯片的所述第二表面上，使得多个凸起嵌入到所述导热硅胶层中，接着在散热器上固定粘结第二临时承载基板，并去除所述第一临时承载基板，将所述半导体功率芯片倒装安装在电路布线图案上，接着去除所述第二临时承载基板，接着在所述散热基底上形成模塑层。

Description

一种半导体功率模块及其制备方法

技术领域

本发明涉及功率模块封装技术领域，特别是涉及一种半导体功率模块及其制备方法。

背景技术

功率模块，是一种将电力电子和集成电路技术结合的功率驱动类半导体功率器件封装。功率器件在使用过程中会释放大量的热量，进而使得功率模块迅速升温，温度升高容易导致功率模块损坏。因此，如何对功率模块进行快速散热是相关技术人员一直关注的问题。

发明内容

本发明的目的是克服上述现有技术的不足，提供一种半导体功率模块及其制备方法。

为实现上述目的，本发明提出的一种半导体功率模块的制备方法，包括以下步骤：

1)提供一第一临时承载基板，并提供半导体功率芯片，所述半导体功率芯片具有相对的第一表面和第二表面，所述第一表面具有功能核心区域，多个焊垫设置于所述半导体功率芯片的所述第一表面上且围绕所述功能核心区域，将半导体功率芯片临时固定在所述第一临时承载基板上，所述半导体功率芯片的所述第一表面朝向所述第一临时承载基板。其中，所述半导体功率芯片通过粘结层临时固定在所述第一临时承载基板上，所述第一临时承载基板为透明基板，具体的可以为玻璃或透明塑料板，所述粘结层可以加热软化而易于剥离，以便于后期第一临时承载基板的剥离。

2)接着在所述半导体功率芯片的第二表面形成一凹陷腔体，所述凹陷腔体在垂直方向上与所述功能核心区域相重叠，通过湿法刻蚀或干法刻蚀形成所述凹陷腔体，所述凹陷腔体的底面积

3)接着在所述半导体功率芯片的所述第二表面上沉积导热绝缘层，所述导热绝缘层覆盖所述凹陷腔体的底面、所述凹陷腔体的侧壁以及所述功率芯片的所述第二表面；

4)接着在所述凹陷腔体中设置导热硅胶层；

5)提供一散热器，所述散热器的底面具有多个凸起，接着将所述散热器设置于所述半导体功率芯片的所述第二表面上，使得多个所述凸起嵌入到所述导热硅胶层中，且所述导热硅胶层的厚度与所述凸起的高度的比值为2-3；

6)提供一第二临时承载基板，接着在所述散热器上固定粘结所述第二临时承载基板，接着去除所述第一临时承载基板；

7)提供一散热基底，接着在所述散热基底上形成绝缘层，接着在所述绝缘层上形成电路布线图案，接着将所述半导体功率芯片倒装安装在所述电路布线图案上，接着去除所述第二临时承载基板，接着在所述散热基底上形成模塑层，所述模塑层完全包裹所述半导体功率芯片，且所述模塑层暴露所述散热器的顶面。

作为优选，在所述步骤1)中，作为优选，在所述步骤2)中，

作为优选，在所述步骤3)中，所述导热绝缘层的材料为氧化铝、氮化铝、碳化硅中的一种，通过ALD法或CVD法形成所述导热绝缘层，所述导热绝缘层的厚度为100-400纳米。

作为优选，在所述步骤4)中，所述导热硅胶层的厚度为200-500微米。

作为优选，在所述步骤5)中，所述散热器的材料为铜或铝，所述散热器的底面的多个所述凸起是通过刻蚀工艺或切割工艺形成的。

作为优选，在所述步骤6)中，通过在所述电路布线图案上设置焊料，进而将所述半导体功率芯片的所述焊垫通过所述焊料与所述电路布线图案电连接，所述模塑层的材料为环氧树脂。

本发明还提出一种半导体功率模块，其采用上述方法制备形成的。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于:

本发明的半导体功率模块的制备过程中，通过首先在功率芯片的第二表面形成凹陷腔体，并在所述凹陷腔体中设置导热硅胶层，进而将底面具有多个凸起的散热器设置于所述半导体功率芯片的所述第二表面上，使得多个所述凸起嵌入到所述导热硅胶层中，通过优化所述导热硅胶层的厚度与所述凸起的高度的比值为2-3，上述结构的设置，一方面可以使得功率芯片的功能核心区域在工作过程中散发出的热量可以通过导热硅胶层而快速传递到散热器的凸起上，而所述散热器的顶面被暴露，进而通过散热器将热量散发出去，大大提高了功率模块的散热效率，有效避免了功率模块自身温度过高，进而有效增长了功率模块的使用寿命，另一方面由于导热硅胶层的存在，可以避免散热器的凸起直接接触凹腔的底面，进而降低在散热器安装过程中造成功率芯片损坏的风险。

附图说明

图1为本发明的半导体功率模块的结构示意图。

具体实施方式

本发明提出的一种半导体功率模块的制备方法，包括以下步骤：

1)提供一第一临时承载基板，并提供半导体功率芯片，所述半导体功率芯片具有相对的第一表面和第二表面，所述第一表面具有功能核心区域，多个焊垫设置于所述半导体功率芯片的所述第一表面上且围绕所述功能核心区域，将半导体功率芯片临时固定在所述第一临时承载基板上，所述半导体功率芯片的所述第一表面朝向所述第一临时承载基板，所述半导体功率芯片通过粘结层临时固定在所述第一临时承载基板上，所述第一临时承载基板为透明基板，具体的可以为玻璃或透明塑料板，所述粘结层可以加热软化而易于剥离，以便于后期第一临时承载基板的剥离。

2)接着在所述半导体功率芯片的第二表面形成一凹陷腔体，所述凹陷腔体在垂直方向上与所述功能核心区域相重叠，通过湿法刻蚀或干法刻蚀形成所述凹陷腔体。更为具体的，在所述半导体功率芯片的第二表面上形成光刻胶，通过曝光显影工艺在所述光刻胶层上形成开口，接着以所述光刻胶层为掩膜对所述功率芯片的第二表面进行刻蚀，刻蚀的具体工艺为湿法刻蚀或激光烧蚀工艺，所述凹陷腔体的底面可以稍大于所述功能核心区域，所述凹陷腔体的深度为200-500微米，具体的可以为200微米、300微米、400微米或500微米，所述凹陷腔体的底面至所述功能核心区域的厚度为100-200微米，具体的可以为100微米、150微米、200微米，上述厚度的设置可以便于功能核心区域工作时产生的热量快速传递到凹陷腔体，进而通过散热器散发出来，同时上述厚度的设置可以确保在形成凹陷腔体的过程中不会损坏功能核心区域。

3)接着在所述半导体功率芯片的所述第二表面上沉积导热绝缘层，所述导热绝缘层覆盖所述凹陷腔体的底面、所述凹陷腔体的侧壁以及所述功率芯片的所述第二表面，所述导热绝缘层的材料为氧化铝、氮化铝、碳化硅中的一种，通过ALD法或CVD法形成所述导热绝缘层，所述导热绝缘层的厚度为100-400纳米，具体为100纳米、200纳米、300纳米或400纳米，绝缘层的存在充分钝化所述半导体功率芯片的第二表面，防止杂质离子通过所述半导体功率芯片的第二表面入侵所述功能核心区域，进而防止其性能下降。

4)接着在所述凹陷腔体中设置导热硅胶层。所述导热硅胶中具有散热填料，所述散热填料氧化铝颗粒或氮化铝颗粒，所述导热硅胶层的厚度为200-500微米，具体为200微米，300微米，400微米或500微米，以确保所述导热硅胶层完全嵌入到所述凹陷腔体中。

5)提供一散热器，所述散热器的底面具有多个凸起，接着将所述散热器设置于所述半导体功率芯片的所述第二表面上，使得多个所述凸起嵌入到所述导热硅胶层中，且所述导热硅胶层的厚度与所述凸起的高度的比值为2-3，所述散热器的材料为铜或铝，所述散热器的底面的多个所述凸起是通过刻蚀工艺或切割工艺形成的。在形成所述凸起时，要确保所述凸起的高度适宜，所述凸起过高，则在安装所述散热器时，所述凸起容易穿过导热硅胶层而直接接触所述凹槽的底面，进而可能引起碎片的风险，而所述凸起过低，则在使用过程，功率芯片的功能核心区域在工作过程中散发出的热量不易快速传出。

6)提供一第二临时承载基板，接着在所述散热器上固定粘结所述第二临时承载基板，接着去除所述第一临时承载基板，具体工艺为：在所述第二临时承载基板上旋涂涂布方法形成粘结层，该粘结层为可剥离式粘结层，接着利用加热所述第一临时承载基板表面的粘结层，使得其软化，进而剥离所述第一临时承载基板。

7)提供一散热基底，接着在所述散热基底上形成绝缘层，所述绝缘层为氧化铝、氧化硅或氮化硅中的一种或多种，接着在所述绝缘层上形成电路布线图案，具体为：先形成金属层，金属层的材质为铜或铝，通过热蒸镀或电子束蒸发的方式形成所述金属层，通过湿法刻蚀或干法刻蚀形成所述电路布线图案，接着将所述半导体功率芯片倒装安装在所述电路布线图案上，接着去除所述第二临时承载基板，接着在所述散热基底上形成模塑层，所述模塑层完全包裹所述半导体功率芯片，且所述模塑层暴露所述散热器的顶面。通过在所述电路布线图案上设置焊料，进而将所述半导体功率芯片的所述焊垫通过所述焊料与所述电路布线图案电连接，接着加热所述第二临时承载基板表面的粘结层，使得其软化，进而剥离所述第二临时承载基板，接着通过注塑工艺形成所述模塑层，所述模塑层的材料为环氧树脂。

本发明还提出一种半导体功率模块，其采用上述方法制备形成的。如图1所示，所述半导体功率模块包括散热基底1，在所述散热基底1上形成绝缘层2，在所述绝缘层2上形成电路布线图案3，半导体功率芯片4倒装安装在所述电路布线图案3上，所述半导体功率芯片4具有相对的第一表面和第二表面，所述第一表面具有功能核心区域41，多个焊垫42设置于所述半导体功率芯片4的所述第一表面上且围绕所述功能核心区域41，在所述第二表面上具有凹陷腔体43，在所述凹陷腔体43中设置导热硅胶层5，散热器6设置于所述半导体功率芯片4的所述第二表面上，使得所述散热器6的多个凸起61嵌入到所述导热硅胶层5中，模塑层7保护上述各组件。本发明的半导体功率模块中，通过首先在功率芯片的第二表面形成凹陷腔体，并在所述凹陷腔体中设置导热硅胶层，进而将底面具有多个凸起的散热器设置于所述半导体功率芯片的所述第二表面上，使得多个所述凸起嵌入到所述导热硅胶层中，通过优化所述导热硅胶层的厚度与所述凸起的高度的比值为2-3，上述结构的设置，一方面可以使得功率芯片的功能核心区域在工作过程中散发出的热量可以通过导热硅胶层而快速传递到散热器的凸起上，而所述散热器的顶面被暴露，进而通过散热器将热量散发出去，大大提高了功率模块的散热效率，有效避免了功率模块自身温度过高，进而有效增长了功率模块的使用寿命，另一方面由于导热硅胶层的存在，可以避免散热器的凸起直接接触凹腔的底面，进而降低在散热器安装过程中造成功率芯片损坏的风险。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种半导体功率模块的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：

1)提供一第一临时承载基板，并提供半导体功率芯片，所述半导体功率芯片具有相对的第一表面和第二表面，所述第一表面具有功能核心区域，多个焊垫设置于所述半导体功率芯片的所述第一表面上且围绕所述功能核心区域，将半导体功率芯片临时固定在所述第一临时承载基板上，所述半导体功率芯片的所述第一表面朝向所述第一临时承载基板；

2)接着在所述半导体功率芯片的第二表面形成一凹陷腔体，所述凹陷腔体在垂直方向上与所述功能核心区域相重叠；

3)接着在所述半导体功率芯片的所述第二表面上沉积导热绝缘层，所述导热绝缘层覆盖所述凹陷腔体的底面、所述凹陷腔体的侧壁以及所述功率芯片的所述第二表面；

4)接着在所述凹陷腔体中设置导热硅胶层；

5)提供一散热器，所述散热器的底面具有多个凸起，接着将所述散热器设置于所述半导体功率芯片的所述第二表面上，使得多个所述凸起嵌入到所述导热硅胶层中，且所述导热硅胶层的厚度与所述凸起的高度的比值为2-3；

6)提供一第二临时承载基板，接着在所述散热器上固定粘结所述第二临时承载基板，接着去除所述第一临时承载基板；

7)提供一散热基底，接着在所述散热基底上形成绝缘层，接着在所述绝缘层上形成电路布线图案，接着将所述半导体功率芯片倒装安装在所述电路布线图案上，接着去除所述第二临时承载基板，接着在所述散热基底上形成模塑层，所述模塑层完全包裹所述半导体功率芯片，且所述模塑层暴露所述散热器的顶面；

其中，所述半导体功率芯片的所述功能核心区域在工作过程中散发出的热量通过导热硅胶层传递到所述散热器的所述凸起上。

2.根据权利要求1所述的半导体功率模块的制备方法，其特征在于：在所述步骤1)中，所述半导体功率芯片通过粘结层临时固定在所述第一临时承载基板上，所述粘结层可以加热软化而易于剥离。

3.根据权利要求1所述的半导体功率模块的制备方法，其特征在于：在所述步骤2)中，通过湿法刻蚀或干法刻蚀形成所述凹陷腔体。

4.根据权利要求1所述的半导体功率模块的制备方法，其特征在于：在所述步骤3)中，所述导热绝缘层的材料为氧化铝、氮化铝、碳化硅中的一种，通过ALD法或CVD法形成所述导热绝缘层，所述导热绝缘层的厚度为100-400纳米。

5.根据权利要求1所述的半导体功率模块的制备方法，其特征在于：在所述步骤4)中，所述导热硅胶层的厚度为200-500微米。

6.根据权利要求1所述的半导体功率模块的制备方法，其特征在于：在所述步骤5)中，所述散热器的材料为铜或铝，所述散热器的底面的多个所述凸起是通过刻蚀工艺或切割工艺形成的。

7.根据权利要求1所述的半导体功率模块的制备方法，其特征在于：在所述步骤6)中，通过在所述电路布线图案上设置焊料，进而将所述半导体功率芯片的所述焊垫通过所述焊料与所述电路布线图案电连接，所述模塑层的材料为环氧树脂。

8.一种半导体功率模块，其特征在于，采用权利要求1-7任一项所述的方法制备形成的。

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