專利名稱：功率器件封裝及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種功率器件封裝及其制造方法。
背景技術(shù)：
功率器件，例如，選自可控硅整流器、功率晶體管、絕緣柵極雙極晶體管、MOSS晶體管、功率整流器、功率調(diào)節(jié)器、換流器、轉(zhuǎn)換器及其組合的大功率半導(dǎo)體芯片，設(shè)計(jì)成在 30 100V的電壓下、或100V以上的電壓下工作。因此，其上安裝有這種大功率半導(dǎo)體芯片 的功率器件封裝需要具有很強(qiáng)的耗散大功率半導(dǎo)體芯片所產(chǎn)生的熱的能力。圖1是示出了傳統(tǒng)功率器件封裝的橫截面圖。如圖1所示，傳統(tǒng)功率器件封裝包括用于將熱傳送到散熱件(heat sink)25的銅 板20、形成在銅板20上并具有絕緣層和電路層的DCB (直接銅熔結(jié))電路襯底10、以及利 用焊料23接合在DCB電路襯底10上的小功率器件13和大功率器件15。小功率器件13和大功率器件15典型地使用導(dǎo)線(未示出)連接至電路層，且該 電路層也使用導(dǎo)線連接至殼體的引線框27。這樣，使用模塑樹脂(未示出)來保護(hù)包括小 功率器件13和大功率器件15的元件免受外部環(huán)境影響。但是，傳統(tǒng)功率器件封裝具有以下問題。首先，因?yàn)榇蠊β势骷?5安裝在DCB電路襯底10的一個(gè)表面上，而由具有高導(dǎo)熱 率的金屬制成的散熱件25和銅板20附設(shè)于DCB電路襯底10的另一個(gè)表面上，具有低導(dǎo)熱 率的DCB電路襯底10阻礙了熱量的傳遞，不合需要地減弱了散熱效果。其次，使用昂貴的銅板20來改善具有低導(dǎo)熱率的DCB電路襯底10的散熱性，不合 需要地增加了制造成本和功率器件封裝的厚度。第三，由于大功率器件15接合在DCB電路襯底10上，并且DCB電路襯底10還接 合在銅板20上，所以應(yīng)當(dāng)進(jìn)行兩次接合工藝，而且，在接合界面處可能降低散熱性能。

發(fā)明內(nèi)容
因此，致力于現(xiàn)有技術(shù)中遇到的問題而作出本發(fā)明，并且，本發(fā)明旨在提供一種具 有高散熱性的功率器件封裝及其制造方法。本發(fā)明還旨在提供一種如下的功率器件封裝及其制造方法即使在不使用具有低 導(dǎo)熱率的DCB電路襯底和昂貴的銅板的情況下，該功率器件封裝仍具有高散熱性，并且還 能夠降低其制造成本和厚度。本發(fā)明還旨在提供一種如下的功率器件封裝及其制造方法其具有簡單的構(gòu)造，從而簡化了接合工藝并且減小了導(dǎo)致散熱性降低的接合界面。本發(fā)明的一個(gè)方面提供了一種功率器件封裝，包括陽極化金屬襯底，該陽極化金 屬襯底包括在其一個(gè)表面上形成有空腔的金屬板、形成在金屬板的表面和空腔的內(nèi)壁上的 陽極化層、及形成在陽極化層上的電路層；功率器件，安裝在金屬板的空腔中，以便連接至 電路層；以及樹脂密封材料，填充在金屬板的空腔中。在該方面中，電路層可包括形成在空腔的內(nèi)壁上的內(nèi)電路層，以及形成在金屬板 的表面上并連接至內(nèi)電路層的外電路層。另外，外電路層上可形成有連接件。另外，金屬板的一個(gè)表面上可形成有蓋件(cover member)，以便蓋住外電路層，并 且蓋件可具有通孔，該通孔使外電路層暴露并且具有連接至外電路層的互連部分。而且，陽極化金屬襯底的與具有功率器件的表面相對的表面上可附設(shè)有散熱件。在該方面中，金屬板可由鋁或鋁合金制成，并且陽極化層可包括陽極氧化鋁。在該方面中，功率器件可利用引線接合或倒裝式接合(flip chipbonding)連接至 電路層。本發(fā)明的另一方面提供了一種制造功率器件封裝的方法，包括在其一個(gè)表面上 形成有空腔的金屬板的表面上以及空腔的內(nèi)壁上形成陽極化層，然后在陽極化層上形成電 路層；將功率器件安裝在空腔中，以便連接至電路層；以及用樹脂密封材料填充空腔。在該方面中，電路層可包括形成在空腔的內(nèi)壁上的內(nèi)電路層，以及形成在金屬板 的表面上并連接至內(nèi)電路層的外電路層。而且，該方面可進(jìn)一步包括在用樹脂密封材料填充空腔后，在電路層上形成連接 件。而且，該方法可進(jìn)一步包括在用樹脂密封材料填充空腔后，將蓋件附設(shè)金屬板的 一個(gè)表面 上，在蓋件上形成通孔，以使外電路層暴露，并且在通孔中形成互連部分，以便連 接至外電路層。而且，該方法還包括在用樹脂密封材料填充空腔后，將散熱件附設(shè)到金屬板的另 一個(gè)表面上。在該方面中，金屬板可由鋁或鋁合金制成，并且陽極化層可包括陽極氧化鋁。在該方面中，在將功率器件安裝在空腔中時(shí)，可利用引線接合或倒裝式接合將功 率器件連接至電路層。


從以下結(jié)合附圖的詳細(xì)描述將更清楚地理解本發(fā)明的特征和優(yōu)點(diǎn)，在附圖中圖1是示出了傳統(tǒng)功率器件封裝的橫截面圖；圖2是示出了根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例的功率器件封裝的橫截面圖；圖3是示出了根據(jù)本發(fā)明第二實(shí)施例的功率器件封裝的橫截面圖；圖4是示出了根據(jù)本發(fā)明第三實(shí)施例的功率器件封裝的橫截面圖；圖5至圖12是順次示出了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的功率器件封裝的制造工藝的橫截 面圖。
具體實(shí)施例方式在下文中，將參照附圖給出對本發(fā)明的實(shí)施例的詳細(xì)描述。在所有附圖中，相同的參考標(biāo)號指代相同或相似的元件，省去了重復(fù)的描述。在該描述中，如果由于與本發(fā)明有關(guān) 的現(xiàn)有技術(shù)會(huì)使得本發(fā)明的特征不清楚而被看作是不必要的，并且也為了描述起見，可以 省略對該技術(shù)的詳細(xì)描述。另外，用在本說明書和權(quán)利要求中的術(shù)語和詞匯不應(yīng)被解釋為限于典型意思或詞 典定義，而應(yīng)被解釋為具有基于以下規(guī)則與本發(fā)明的技術(shù)范圍相關(guān)的含義和概念發(fā)明人 根據(jù)該規(guī)則能夠恰當(dāng)?shù)囟x術(shù)語包含的概念，以最佳地描述他或她所知的用于實(shí)施本發(fā)明 的方法。第一實(shí)施例功率器件封裝圖2是示出了根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例的功率器件封裝的橫截面圖。參照該圖，在 下面描述了根據(jù)本實(shí)施例的功率器件封裝100a。如圖2所示，根據(jù)本實(shí)施例的功率器件封裝IOOa包括陽極化金屬襯底、功率器件 130以及樹脂密封材料140。陽極化金屬襯底執(zhí)行支撐功能和散熱功能，并提供作為功率器件130的電極終端 的電路層120。陽極化金屬襯底被這樣構(gòu)造在金屬板110上形成有用于容納功率器件的 空腔112，包括空腔112的內(nèi)壁的金屬板110的整個(gè)表面上形成有陽極化層114，并且在陽 極化層114上形成有電路層120。金屬板110由相對廉價(jià)且容易買到并具有良好傳熱性的鋁(Al)或鋁合金制成。由 于金屬板110具有良好的傳熱性，所以其起到用于耗散功率器件130所產(chǎn)生的熱量的作用， 因此不需要額外的散熱件。陽極化層114可包括具有絕緣性和范圍從10至30W/mK的相對高的導(dǎo)熱率的陽 極氧化鋁(Al2O3)。由于陽極化層114具有絕緣性，所以其使電路層120可以形成在金屬板 110上。而且，由于陽極化層114可形成得比典型的絕緣層薄，所以可以縮小金屬板110與 功率器件之間的距離，因此進(jìn)一步提高了散熱性，使封裝較薄。在本實(shí)施例中，電路層120形成在金屬板110的空腔112中，以使導(dǎo)線與功率器件 130接合，并且進(jìn)一步形成為延伸至金屬板110的外表面。具體地，電路層120包括形成在 空腔112的內(nèi)壁上的內(nèi)電路層120a以及延伸至金屬板110的表面并連接至內(nèi)電路層120a 的外電路層120b。這樣，外電路層120b連接至外部電源，并因此向內(nèi)電路層120a供電。即 使空腔112由樹脂密封材料140填滿，并且因此內(nèi)電路層120a不直接連接至外部電源，也 可以繼續(xù)供電。功率器件130可包括選自可控硅整流器、功率晶體管、絕緣柵極雙極晶體管、MOSS 晶體管、功率整流器、功率調(diào)節(jié)器、換流器、轉(zhuǎn)換器及其組合的大功率半導(dǎo)體芯片、二極管或 負(fù)責(zé)對其控制的小功率半導(dǎo)體芯片?？衫煤噶匣颦h(huán)氧樹脂將功率器件以面朝上的形式附設(shè)于空腔112的內(nèi)表面以 使其焊盤(pad)面朝上，或利用燒結(jié)或熱熔合將其附設(shè)于空腔112的內(nèi)表面，然后使用導(dǎo)線 將功率器件130的焊盤連接至內(nèi)電路層120a，以此安裝功率器件130。盡管未示出，但是功 率器件130可通過倒裝式接合直接安裝在內(nèi)電路層120a上。樹脂密封材料140不僅起到保護(hù)導(dǎo)線134免受外部環(huán)境影響的作用，而且起到保護(hù)功率器件130免受外部環(huán)境影響的作用。為此，空腔112可由例如環(huán)氧模塑料(印oxy molding compound)的樹脂密封材料140填充。利用粘合劑152附設(shè)于陽極化金屬襯底的另一個(gè)表面的是散熱件150，用于提高 散熱性。第二實(shí)施例功率器件封裝圖3是示出了根據(jù)本發(fā)明第二實(shí)施例的功率器件封裝的橫截面圖。參照該圖，在 下面描述了根據(jù)本實(shí)施例的功率器件封裝100b。在本實(shí)施例的描述中，與前一實(shí)施例的那 些元件相同或相似的元件由相同的參考標(biāo)號指出，省去了重復(fù)描述。如圖3所示，根據(jù)本實(shí)施例的功率器件封裝IOOb被這樣構(gòu)造用于將封裝連接至 外部電源或其他電子器件的連接件160a形成在外電路層120b上，該外電路層形成于金屬 板110的一個(gè)表面上并暴露于外部。這樣，連接件160a可包括諸如焊球的凸起。
第三實(shí)施例功率器件封裝圖4是示出了根據(jù)本發(fā)明第三實(shí)施例的功率器件封裝的橫截面圖。在本實(shí)施例的 描述中，與前一實(shí)施例的那些元件相同或相似的元件由相同的參考標(biāo)號指出，省去了重復(fù) 描述。如圖4所示，根據(jù)本實(shí)施例的功率器件封裝IOOc被這樣構(gòu)造蓋件160b附設(shè)于金 屬板Iio的一個(gè)表面，以保護(hù)暴露于外部的外電路層120b。另外，蓋件160b具有通孔162， 該通孔使外電路層120b暴露，而且其中通過電鍍形成有互連部分170。這樣，為了降低材料成本，蓋件160b可附設(shè)于除填充有樹脂密封材料140的區(qū)域 以外的任何區(qū)域。功率器件封裝的制造圖5至圖12是順次示出了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的功率器件封裝的制造工藝的橫截 面圖。下文中，參照上述附圖詳細(xì)說明根據(jù)本實(shí)施例的功率器件封裝的制造方法。如圖5所示，制備了在其一個(gè)表面上具有用于容納功率器件的空腔112的金屬板 110?？赏ㄟ^化學(xué)或機(jī)械工藝(例如鉆孔)而形成空腔112，或通過利用錫焊、電弧焊、熱 熔合、燒結(jié)等附設(shè)一具有額外凹槽的金屬板而形成該空腔。接著，如圖6所示，在包括空腔112的內(nèi)壁的金屬板110的整個(gè)表面上形成陽極化 層 114?？赏ㄟ^將由鋁或鋁合金制成的金屬板110浸沒在硼酸、磷酸、硫酸或鉻酸的電解 溶液中，將陽極置于金屬板110上并且將陰極置于電解溶液中而形成陽極化層114。因此， 形成在金屬板110表面上的是具有范圍從約10至30W/mK的相對高的導(dǎo)熱率的陽極氧化鋁 (Al2O3)。陽極化層114具有絕緣性，因此使得其上可以形成電路層，并且形成得比樹脂絕緣 層薄且具有較高的導(dǎo)熱率，因此有助于使陽極化金屬襯底變薄，并且提高了散熱性。接著，如圖7所示，在金屬板110的陽極化層114上形成電路層120，因此制得陽極 化金屬襯底。這樣，可通過在陽極化層114上進(jìn)行電鍍工藝(無電電鍍和電鍍)，因此制備隨后 被圖案化的電鍍層而形成電路層120。電路層120包括形成在空腔112的內(nèi)壁上的內(nèi)電路層120a，以及形成在金屬板110的表面上且電連接至內(nèi)電路層120a的外電路層120b。這樣，形成在金屬板110的表面 上的外電路層120b起到連接至外部電源的安裝焊盤的作用，并通過內(nèi)電路層120a向功率 器件130供電。在本發(fā)明中，由于形成了外電路層120b，所以即使空腔112由樹脂密封材料 140填充，連接至外部電源仍是可能的。接著，如圖8所示，將功率器件130安裝在空腔112中，以便連接至內(nèi)電路層120a?？衫煤噶匣颦h(huán)氧樹脂將功率器件以面朝上的形式附設(shè)于空腔112的內(nèi)表面以 使其焊盤面朝上，或利用燒結(jié)或熱熔合將其附設(shè)于空腔112的內(nèi)表面，然后使用導(dǎo)線134將 功率器件130的焊盤連接至內(nèi)電路層120a，以此安裝功率器件130。盡管未示出，但是在不 使用導(dǎo)線134的情況下，可通過倒裝式接合將功率器件130直接安裝在內(nèi)電路層120a上。接著，如圖9所示，用例如環(huán)氧模塑料的樹脂密封材料140填充空腔112，以便不但 保護(hù)導(dǎo)線134免受外部環(huán)境影響，而且保護(hù)功率器件130免受外部環(huán)境影響。 可通過分配、傳遞模塑、刻版印花等將樹脂密封材料140裝入空腔112中。接著，如圖10所示，將散熱件150附設(shè)于金屬板110的與其上安裝有功率器件130 的表面相對的另一表面。散熱件150可利用例如導(dǎo)熱粘合劑的粘合劑15來安裝，并可具有銷結(jié)構(gòu)(pin structure)，以使其表面積增加，從而使散熱性最大化。另外，如圖11所示，在于金屬板110的一個(gè)表面上所形成并暴露于外部的外電路 層120b上形成用于將封裝連接至外部電源或其他電子器件的連接件160a。這樣，連接件 160a可包括諸如焊球的凸起。可替代地，如圖12所示，為保護(hù)暴露于外部的外電路層120b，可在金屬板110的一 個(gè)表面上附設(shè)蓋件160b。為了降低材料成本，可在除填充有樹脂密封材料140的區(qū)域以外 形成蓋件160b。如上所述，本發(fā)明提供了一種功率器件封裝及其制造方法。根據(jù)本發(fā)明，本功率器 件封裝具有簡單的構(gòu)造，其中功率器件安裝在陽極化金屬襯底上，并具有改善的散熱性。而且，根據(jù)本發(fā)明，在金屬板上形成有比傳統(tǒng)樹脂絕緣層薄的陽極化層，從而增大 了導(dǎo)熱率，并實(shí)現(xiàn)了使封裝變薄。而且，根據(jù)本發(fā)明，金屬板實(shí)現(xiàn)了傳統(tǒng)銅板的功能，因此無需使用昂貴的銅板，從 而降低了制造成本，簡化了接合工藝，并減小了接合界面，導(dǎo)致改善散熱性。而且，根據(jù)本發(fā)明，不使用額外的引線框，因此降低了功率器件封裝的制造成本。盡管出于示例性目的已經(jīng)公開了關(guān)于功率器件封裝及其制造方法的本發(fā)明的實(shí) 施例，但是本領(lǐng)域技術(shù)人員將會(huì)理解，在不背離所附權(quán)利要求中公開的本發(fā)明的范圍和精 神的前提下，各種不同的修改、增加和替代是可能的。因此，這種修改、增加和替代也應(yīng)被理 解為落在本發(fā)明的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
一種功率器件封裝，包括陽極化金屬襯底，該陽極化金屬襯底包括在一個(gè)表面上形成有空腔的金屬板、形成在所述金屬板的表面和所述空腔的內(nèi)壁上的陽極化層、及形成在所述陽極化層上的電路層；功率器件，安裝在所述金屬板的空腔中，以便連接至所述電路層；以及樹脂密封材料，填充在所述金屬板的空腔中。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的功率器件封裝，其中，所述電路層包括形成在所述空腔的內(nèi) 壁上的內(nèi)電路層；以及形成在所述金屬板的表面上并連接至所述內(nèi)電路層的外電路層。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的功率器件封裝，其中，所述外電路層上形成有連接件。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的功率器件封裝，其中，所述金屬板的一個(gè)表面上形成有蓋件， 以便蓋住所述外電路層，并且所述蓋件具有通孔，所述通孔使所述外電路層暴露并具有連 接至所述外電路層的互連部分。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的功率器件封裝，其中，所述陽極化金屬襯底的與具有所述功 率器件的表面相對的表面上附設(shè)有散熱件。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的功率器件封裝，其中，所述金屬板包括鋁或鋁合金，并且所述 陽極化層包括陽極氧化鋁。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的功率器件封裝，其中，所述功率器件利用引線接合或倒裝式 接合連接至所述電路層。
8.—種制造功率器件封裝的方法，包括在一個(gè)表面上形成有空腔的金屬板的表面上以及所述空腔的內(nèi)壁上形成陽極化層，然 后在所述陽極化層上形成電路層；將功率器件安裝在所述空腔中，以便使其連接至所述電路層；以及用樹脂密封材料填充所述空腔。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其中，所述電路層包括形成在所述空腔的內(nèi)壁上的內(nèi) 電路層；以及形成在所述金屬板的表面上并連接至所述內(nèi)電路層的外電路層。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，進(jìn)一步包括在用所述樹脂密封材料填充所述空腔后， 在所述電路層上形成連接件。
11.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，進(jìn)一步包括在用所述樹脂密封材料填充所述空腔后， 在所述金屬板的一個(gè)表面上附設(shè)蓋件，在所述蓋件中形成通孔以使所述外電路層暴露，并 且在所述通孔中形成互連部分以便連接至所述外電路層。
12.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，進(jìn)一步包括在用所述樹脂密封材料填充所述空腔后， 在所述金屬板的另一個(gè)表面上附設(shè)散熱件。
13.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其中，所述金屬板包括鋁或鋁合金，并且所述陽極化 層包括陽極氧化鋁。
14.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其中，在將所述功率器件安裝在所述空腔中時(shí)，利用 弓丨線接合或倒裝式接合將所述功率器件連接至所述電路層。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種功率器件封裝，該功率器件封裝具有較好的散熱性，并且包括陽極化金屬襯底，該陽極化金屬襯底包括在其一個(gè)表面上形成有空腔的金屬板、形成在金屬板的表面上以及空腔的內(nèi)壁上的陽極化層以及形成在金屬板上的電路層；功率器件，安裝在金屬板的空腔中，以便連接至電路層；以及樹脂密封材料，填充在金屬板的空腔中。本發(fā)明還提供了一種制造功率器件封裝的方法。
文檔編號H01L21/50GK101989589SQ200910179838
公開日2011年3月23日 申請日期2009年10月14日 優(yōu)先權(quán)日2009年8月6日
發(fā)明者崔碩文, 張范植, 樸志賢, 金泰勛, 金泰賢 申請人:三星電機(jī)株式會(huì)社