CN115084058B - 一种功率半导体器件封装结构 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种功率半导体器件封装结构，其结构包括：具有第一表面和第二表面的芯片；同时在芯片的第一表面和/或芯片的第二表面上焊接集成有散热微通道的绝缘基板；散热微通道由内至外包括微通道、绝缘层和第一导热层，微通道内注入有冷却液；其中，第一导热层的表面积大于芯片的第一表面和第二表面的表面积。在绝缘基板中集成散热微通道，不仅增强了散热性能、降低了封装结构的结壳热阻、有效减小了封装结构内部的杂散电感以及封装体积；进一步的，设置于微通道和第一导热层之间的所述绝缘层，能够保证冷却液和绝缘基板带电部分的绝缘功能，降低了功率半导体器件的使用成本。
Description
技术领域
本发明涉及半导体封装技术领域，尤其涉及一种功率半导体器件封装结构。
背景技术
功率半导体器件也称为电力电子器件，是电力电子技术的基础，也是构成电力电子变换电路的核心器件。功率半导体器件几乎用于所有的电子产品、电子设备制造业。随着电子电力技术的进一步发展，功率半导体器件电流越来越大，功率密度越来越高，这必然会导致功率半导体器件在工作中产生大量的热量。
为了避免功率半导体器件因为高温烧损，必须对其进行散热，而半导体芯片作为能实现某种功能的功率半导体器件，对其高效散热显得格外重要。目前芯片的普遍散热方式是在基板的一面焊接散热器，以实现对焊接在基板上的芯片散热；但由于散热器与芯片之间隔着基板，距离较远，因此散热效果较差；即使在基板的双面都焊接散热器对芯片进行散热，也不能很好的解决散热器对芯片散热效果差的问题。
因此，如何对芯片进行更好的散热，以实现功率半导体器件封装结构的高效散热成为本领域技术人员的研究重点。
发明内容
有鉴于此，本发明实施例提供一种功率半导体器件封装结构，以增强对功率半导体器件的散热效果。
为实现上述目的，本发明实施例提供如下技术方案：
一种功率半导体器件封装结构，包括：
芯片，所述芯片具有第一表面和第二表面；
所述芯片的第一表面和/或所述芯片的第二表面上焊接集成有散热微通道的绝缘基板；
所述散热微通道由内至外包括微通道、绝缘层和第一导热层，所述微通道内注入有冷却液；
其中，所述第一导热层的表面积大于所述芯片的第一表面和第二表面的表面积。
可选的，所述绝缘基板与所述芯片的表面焊接的一面采用绝缘材料；
所述绝缘基板未与所述芯片的表面焊接的一面采用预设厚度的导热材料；
所述微通道为在所述导热材料上按照预设尺寸水平切割出的通孔，所述通孔的贯通方向与所述芯片平行；
所述绝缘层由所述微通道的外围添加有绝缘材料的第一槽构成，该第一槽按照预设宽度切割所述微通道外围的导热材料得到；
所述第一导热层由所述绝缘层外围剩余的导热材料构成；
其中，所述预设宽度、所述预设尺寸均小于所述预设厚度。
可选的，所述的功率半导体器件封装结构还包括：第二导热层；
所述绝缘基板与所述芯片的表面焊接的一面采用绝缘材料；
所述绝缘基板未与所述芯片的表面焊接的一面采用预设厚度的导热材料；
所述微通道为在所述导热材料上按照预设尺寸水平切割出的通孔，所述通孔的贯通方向与所述芯片平行；
所述第二导热层由所述微通道的外围沉积有导热材料的第二槽构成，该第二槽按照第二预设宽度切割所述微通道外围的导热材料得到；
所述绝缘层由所述微通道的外围添加有绝缘材料的第一槽构成，该第一槽按照预设宽度切割所述微通道外围的导热材料得到；
所述第一导热层由所述绝缘层外围剩余的导热材料构成；
其中，所述预设宽度、第二预设宽度、所述预设尺寸均小于所述预设厚度。
可选的，所述微通道的位置靠近所述芯片。
可选的，所述微通道的数量包括一个或多个。
可选的，若所述微通道的数量包括一个，所述微通道的形状包括方形、蛇形、锥形、圆形中的一种；
若所述微通道的数量包括多个，所述微通道的形状包括方形、蛇形、锥形、圆形中的一种或多种组合。
可选的，所述第一导热层的导热材料包括铜或铝。
可选的，所述绝缘层的绝缘材料包括陶瓷或氮化铝。
可选的，所述第二导热层的导热材料包括铜或铝。
可选的，所述第一导热层作为功率半导体器件的功率端子。
基于上述本发明实施例提供的功率半导体器件封装结构，该功率半导体器件封装结构包括具有第一表面和第二表面的芯片，同时在所述芯片的第一表面和/或所述芯片的第二表面上焊接集成有散热微通道的绝缘基板；所述散热微通道由内至外包括微通道、绝缘层和第一导热层，所述微通道内注入有冷却液。在本方案中，通过在绝缘基板上的散热微通道，使与绝缘基板焊接的芯片产生的热量传导到第一导热层，再通过第一导热层将热量传导到微通道，以通过微通道内的冷却液对芯片进行高效散热。在绝缘基板中集成散热微通道，不仅增强了散热性能、降低了封装结构的结壳热阻、有效减小了封装结构内部的杂散电感以及封装体积；进一步的，设置于微通道和第一导热层之间的绝缘层，能够保证冷却液和绝缘基板带电部分的绝缘功能，降低了功率半导体器件的使用成本。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的一种功率半导体器件封装结构的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的一种功率半导体器件封装结构的又一结构示意图；
图3为图1结构示意图沿A-A1方向的一实施例的剖视图；
图4为图2结构示意图沿B-B1方向的一实施例的剖视图；
图5为图1结构示意图沿A-A1方向的又一实施例的剖视图；
图6为图2结构示意图沿B-B1方向的又一实施例的剖视图；
图7为本发明实施例提供的一种功率半导体器件封装结构的再一结构示意图；
图8为图7结构示意图沿C-C1方向的一实施例的剖视图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本申请，但是本申请还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本申请内涵的情况下做类似推广，因此本申请不受下面公开的具体实施例的限制。
其次，本发明结合示意图进行详细描述，在详述本发明实施例时，为便于说明，表示器件结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本发明保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。
如图1至图8，本发明实施例提供了一种功率半导体器件封装结构，该功率半导体器件封装结构包括：芯片1和绝缘基板2。
所述芯片1具有第一表面和第二表面。
第一表面和第二表面为相对的两个表面。
所述绝缘基板2上集成有散热微通道。
所述绝缘基板2的数量可以是一块也可以是两块。
如图1所示，当所述绝缘基板2数量为一块时，所述绝缘基板2与所述芯片1的第一表面或第二表面焊接。
如图2所示，当所述绝缘基板2数量为两块时，所述绝缘基板2分别与所述芯片1的第一表面和第二表面焊接。
上述的焊接方式优选的可以是烧结。
如图3所示，所述散热微通道由内至外包括微通道6、绝缘层4和第一导热层3，所述微通道6内注入有冷却液。
其中，所述第一导热层3的表面积大于所述芯片1的第一表面和第二表面的表面积，以实现将所述芯片1上的热量最大限度的通过所述第一导热层3传导至所述微通道6，利用所述微通道6内循环流动的冷却液带走热量。
在本发明的一个实施例中，所述微通道6有通道入口和通道出口，该通道入口与外部水冷循环系统的进水管连接，该通道出口与外部水冷循环系统的出水管连接，以实现在外部的水冷循环系统控制下，实现对冷却液的注入及循环流动控制。
在本发明的一个实施例中，所述冷却液可以采用常规的酒精型、甘油型、乙二醇型冷却液，当然，本领域技术人员也可以根据实际需要采用其他特殊的冷却液，此处不做限制。
在本发明实施例公开的功率半导体器件封装结构中，当所述芯片1上产生热量时，通过所述芯片1与所述绝缘基板2焊接的第一表面和/或第二表面，将热量依次传导到所述第一导热层3、所述绝缘层4、所述微通道6，从而通过所述微通道6内循环流动的冷却液带走热量，实现了对所述芯片1的高效散热，降低了所述封装结构的结壳热阻；同时，减少了所述封装结构内部的杂散电感以及封装体积。
在本发明的一个实施例中，所述绝缘基板2与所述芯片1的表面焊接的一面采用绝缘材料。
在本发明的一个实施例中，所述绝缘材料采用环氧树脂或聚酰亚胺，以保证所述芯片1与所述绝缘基板2之间的焊接面处于绝缘状态，同时，所述绝缘材料在绝缘的同时，还具有良好的导热性，以进行热量的传导。
所述绝缘基板2未与所述芯片1的表面焊接的一面采用预设厚度的导热材料。所述导热材料可以采用导热性能良好的金属，所述导热材料的预设厚度可以根据不同应用、不同系统的要求，以及需要集成的所述散热微通道尺寸和形状等因素去选择。
所述微通道6为在所述导热材料上按照预设尺寸水平切割出的通孔，所述通孔的贯通方向与所述芯片1平行。
所述微通道6贯通方向与所述芯片1平行，可以使所述微通道6内的冷却液最大程度的吸收所述芯片1传导到所述绝缘层4的热量。
其中，所述微通道6的数量可以是任意数量，所述微通道6的形状可以是任意形状。
如图4所示，在本发明的一个实施例中，所述芯片1第一表面和第二表面均焊接有所述绝缘基板2个，每块所述绝缘基板2上所述微通道6数量为1个，所述微通道6形状为方形。
所述绝缘层4由所述微通道6的外围添加有绝缘材料的第一槽构成，该第一槽按照预设宽度切割所述微通道6外围的导热材料得到。
所述绝缘层4通过将所述微通道6外围一定宽度的导热材料切割掉，并在切割掉的导热材料对应位置打印刻蚀绝缘材料，从而得到预设宽度所述绝缘层4。
在本发明的一个实施例中，所述绝缘层4的绝缘材料采用氮化铝或陶瓷。所述绝缘层4采用的绝缘材料在绝缘的同时，还具有良好的导热性能，便于所述芯片1的热传导。
另外，所述绝缘层4的存在能很好的将冷却液与所述第一导热层3隔绝，保证了冷却液和所述第一导热层3带电部分的绝缘，不再需要去离子冷却液，降低了所述功率半导体器件封装结构的成本。
所述第一导热层3由所述绝缘层4外围剩余的导热材料构成。
所述第一导热层3为所述绝缘基板2未与所述芯片1焊接的一面的所述绝缘层4外围部分，所述第一导热层3用于将所述芯片1的热量传导到所述绝缘层4，进而传导到所述微通道6内，以通过冷却液散热。
同时，所述第一导热层3还用于与所述芯片1实现电气连接。
需要说明的是，由于所述散热微通道集成在所述绝缘基板2上，因此，所述绝缘基板2厚度必须大于所述绝缘层4厚度和所述微通道6尺寸，即所述预设宽度、所述预设尺寸均小于所述预设厚度。
在本发明的一个实施例中，所述功率半导体器件封装结构还包括：第二导热层5。
所述第二导热层5由所述微通道6的外围沉积有导热材料的第二槽构成，该第二槽按照第二预设宽度切割所述微通道6外围的导热材料得到，所述第二导热层5通过在第二槽内沉积导热材料并刻蚀得到。
如图5所示，在一实施例中，所述绝缘基板2与所述芯片1的第一表面或第二表面焊接，所述散热微通道由内至外分别是所述微通道6、所述第二导热层5、所述绝缘层4、所述第一导热层3。
如图6所示，在另一实施例中，所述绝缘基板2与所述芯片1的第一表面和第二表面焊接，所述散热微通道由内至外分别是所述微通道6、所述第二导热层5、所述绝缘层4、所述第一导热层3。
所述第二导热层5可以采用导热耐腐蚀材料，所述第二导热层5的导热材料用于将所述绝缘层4的热量快速传导到所述微通道6。
同时，所述第二导热层5还用于将所述绝缘层4与冷却液分隔开，以保护所述绝缘层4不受冷却液的侵蚀，避免冷却液对所述绝缘层4带来损耗，进而引起失效。
在本发明的一个实施例中，所述微通道6的位置靠近所述芯片1。
由于所述第一导热层3、所述绝缘层4、所述第二导热层5、所述微通道6的尺寸均可以自行设计，因此，设计时可以根据不同应用、不同系统的要求，将所述微通道6尽量靠近所述芯片1，以便达到最佳的散热效果。即所述微通道6在所述绝缘基板2上的位置，靠近所述绝缘基板2与所述芯片1焊接的一面/位置。
需要说明的是，所述微通道6相对于所述芯片1的中心线偏心布置，且位于靠近所述绝缘基板2与所述芯片1焊接的一面/位置的一侧。
在本发明的一个实施例中，所述微通道6数量可以只有一个，也可以是两个，或者是两个以上。在确定所述芯片1尺寸以后，可以根据实际散热需求在所述绝缘基板2内部设置一个或多个存在一定间距的所述微通道6。
所述微通道6的具体数量，本领域技术人员可以根据实际散热需要进行选择，此处不做限制。
在本发明的一个实施例中，若所述微通道6的数量为一个，所述微通道6的形状包括方形、蛇形、锥形、圆形中的一种。若所述微通道6的数量为多个，所述微通道6的形状包括方形、蛇形、锥形、圆形中的一种或多种组合。
所述微通道6可以全部都是同一种形状。
如图7所示，在本发明的一个实施例中，所述微通道6数量为3个，所述微通道6形状为方形。
所述微通道6也可以是不同形状的组合。
在本发明的一个实施例中，所述微通道6数量为3个，一个所述微通道6为方形、一个所述微通道6为圆形、一个所述微通道6为锥形。
所述微通道6的数量和形状，所属技术领域的技术人员可以根据实际散热需要进行设计，此处不做限制。
在本发明的一个实施例中，所述第一导热层3的导热材料可以采用铜，也可以采用铝。
所述铜材料或铝材料具有高导热性，能够确保所述芯片1通过所述第一导热层3向所述绝缘层4传导热量时，热量传导速度快，热传导阻力较小。
同时，铜或铝材料有良好的导电性，便于所述第一导热层3带电部分与所述芯片1之间的电气连接。
当然，所述第一导热层3也可以采用铜合金、铝合金等导热导电性能良好的材料，此处不做限制。
在本发明的一个实施例中，所述绝缘层4的绝缘材料可以采用陶瓷，也可以采用氮化铝。所述陶瓷或氮化铝具有良好的绝缘特性，且在高温下有良好的热稳定性，在绝缘的同时保证了所述绝缘层4尺寸不会因为高温发生明显的变化，避免了所述绝缘层4受热后结构发生明显的变形或损坏。
当然，所述绝缘层4也可以采用其他绝缘效果好，且导热性能好的绝缘材料，此处不做限制。
在本发明的一个实施例中，所述第二导热层5的导热材料可以采用铜，也可以采用铝。采用铜或铝材料形成的所述第二导热层5具有良好的导热性，使得所述绝缘层4能通过第二导热层5较快将热量传导给冷却液，同时，由于铜或铝具有较强的耐腐蚀性，所述微通道6内的冷却液不易腐蚀所述第二导热层5，很好的保护了所述绝缘层4不受冷却液的侵蚀，进而避免了冷却液对所述第一导热层3带电部分的影响。
当然，所述第一导热层3也可以采用铜合金、铝合金等导热导电性能良好的材料，此处不做限制。
需要说明的是，所述第一导热层3和所述第二导热层5采用的材料可以相同也可以不同。
所述绝缘层4厚度和所述第二导热层5厚度可以相同也可以不同。
在本发明的一个实施例中，所述第二导热层5厚度小于所述绝缘层4厚度。
在本发明的一个实施例中，所述第一导热层3作为功率半导体器件的功率端子。
所述第一导热层3采用导电性良好的导热材料，不仅可以作为导热的介质，而且能作为功率端子与功率半导体器件实现电气连接，不需要额外单独制作功率端子，节省了所述功率半导体器件封装结构的成本。
下面将结合现有技术来说明本发明的功率半导体器件封装结构部分相关封装参数，具体如下：
现有的功率半导体器件封装结构散热方式有：
a种方式：将芯片焊接到绝缘基板上面，绝缘基板焊接到厚铜基板上，实现一个完整的功率模块。功率模块通过涂敷硅脂连接到散热器上，散热器中的冷却液流动带走芯片在工作时产生的热量。但是，使用硅脂和厚铜基板带来了热阻大以及成本高的问题。
b种方式：将绝缘基板直接焊接到散热器上，再将绝缘基板与芯片的底面焊接，散热器中的冷却液流动带走芯片在工作时产生的热量。
c种方式：将芯片上面也通过绝缘基板焊接和底面一样的散热器，芯片产生的热量从上面和底面同时散出，热阻进一步减小。
三种类型封装的热阻对比结果如表1所示：
表1
相比a种散热方式，b种和c种散热方式虽然在一定程度上降低了热阻，但是散热效果仍然不够理想，且现有的散热方式导致功率半导体器件封装结构体积较大。
因此，本发明就如何增强功率半导体器件封装结构的散热效果以及减小功率半导体器件封装结构的体积进行了重点研究。
如图8所示，在一实施例中，所述第一导热层3采用铜，所述绝缘层4采用氮化铝，所述第二导热层5采用铜，通过测试和使用有限元方法（FEM），对高功率LD芯片及其封装结构进行了稳态热特性仿真，计算得到的封装参数如下：
热阻对比如表2所示，降低至现有封装结构结壳热阻的32%。
表2
杂散电感对比如表3所示，降低至现有封装结构内部杂散电感的37%。
表3
同时，本发明将所述散热微通道集成在所述绝缘基板2上，有效的减小了封装体积，相比现有散热方式的功率半导体器件封装结构，本发明的功率半导体器件封装结构的体积减小至70％-80％。
本发明实施例提供的功率半导体器件封装结构中，该功率半导体器件封装结构包括具有第一表面和第二表面的芯片1，同时在所述芯片1的第一表面和/或所述芯片1的第二表面上焊接集成有散热微通道的绝缘基板2；所述散热微通道由内至外包括微通道6、绝缘层4和第一导热层3，所述微通道6内注入有冷却液。在本方案中，通过在所述绝缘基板2上的所述散热微通道，使与所述绝缘基板2焊接的所述芯片1产生的热量传导到所述第一导热层3，再通过所述第一导热层3将热量传导到所述微通道6，以通过所述微通道6内的冷却液对所述芯片1进行高效散热。在所述绝缘基板2中集成所述散热微通道，不仅增强了散热性能、降低了封装结构的结壳热阻、有效减小了封装结构内部的杂散电感以及封装体积；进一步的，设置于所述微通道6和第一导热层3之间的所述绝缘层4，能够保证冷却液和所述绝缘基板2带电部分的绝缘功能，降低了功率半导体器件的使用成本；而且，所述第一导热层3还可以直接作为功率半导体器件的功率端子，不需要额外安装功率端子，提高了所述绝缘基板2的适用性，节省了封装结构的成本。
需要说明的是，在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，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申请的限制。当一个组件被认为是“连接”另一个组件，它可以是直接连接到另一个组件或者可能同时存在居中设置的组件。
还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括上述要素的物品或者设备中还存在另外的相同要素。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本申请。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本申请的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本申请将不会被限制于本文所示的这些实施例，
而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (9)
1.一种功率半导体器件封装结构，其特征在于，包括：
芯片，所述芯片具有第一表面和第二表面；
所述芯片的第一表面和/或所述芯片的第二表面上焊接集成有散热微通道的绝缘基板；
所述散热微通道由内至外包括微通道、绝缘层和第一导热层，所述微通道内注入有冷却液；
其中，所述第一导热层的表面积大于所述芯片的第一表面和第二表面的表面积；
所述绝缘基板与所述芯片的表面焊接的一面采用绝缘材料；
所述绝缘基板未与所述芯片的表面焊接的一面采用预设厚度的导热材料；
所述微通道为在所述导热材料上按照预设尺寸水平切割出的通孔，所述通孔的贯通方向与所述芯片平行；
所述绝缘层由所述微通道的外围添加有绝缘材料的第一槽构成，该第一槽按照预设宽度切割所述微通道外围的导热材料得到；
所述第一导热层由所述绝缘层外围剩余的导热材料构成；
其中，所述预设宽度、所述预设尺寸均小于所述预设厚度。
2.根据权利要求1所述的功率半导体器件封装结构，其特征在于，还包括：第二导热层；
所述第二导热层由所述微通道的外围沉积有导热材料的第二槽构成，该第二槽按照第二预设宽度切割所述微通道外围的导热材料得到；
其中，第二预设宽度小于所述预设厚度。
3.根据权利要求1至2中任一项所述的功率半导体器件封装结构，其特征在于，所述微通道的位置靠近所述芯片。
4.根据权利要求1至2中任一项所述的功率半导体器件封装结构，其特征在于，所述微通道的数量包括一个或多个。
5.根据权利要求1至2中任一项所述的功率半导体器件封装结构，其特征在于，若所述微通道的数量包括一个，所述微通道的形状包括方形、蛇形、锥形、圆形中的一种；
若所述微通道的数量包括多个，所述微通道的形状包括方形、蛇形、锥形、圆形中的一种或多种组合。
6.根据权利要求1至2中任一项所述的功率半导体器件封装结构，其特征在于，所述第一导热层的导热材料包括铜或铝。
7.根据权利要求1至2中任一项所述的功率半导体器件封装结构，其特征在于，所述绝缘层的绝缘材料包括陶瓷或氮化铝。
8.根据权利要求2所述的功率半导体器件封装结构，其特征在于，所述第二导热层的导热材料包括铜或铝。
9.根据权利要求1至2中任一项所述的功率半导体器件封装结构，其特征在于，所述第一导热层作为功率半导体器件的功率端子。
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