專利名稱：一種功率mos器件低熱阻封裝結(jié)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于功率半導(dǎo)體器件技術(shù)領(lǐng)域，涉及功率MOS器件的封裝結(jié)構(gòu)。
背景技術(shù)：
功率半導(dǎo)體器件的封裝，通常是指給硅片上的半導(dǎo)體器件安裝外殼，它不僅起著保護(hù)芯片和增強(qiáng)導(dǎo)熱性能的作用，而且還是溝通芯片內(nèi)部世界與外部電路的橋梁和規(guī)格通用功能的作用。封裝的主要作用是為芯片提供物理保護(hù)和實現(xiàn)電氣連接，同時實現(xiàn)半導(dǎo)體器件或集成電路外形標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)格化。因為芯片必須與外界隔離，以防止空氣中的雜質(zhì)對芯片電路的腐蝕而造成電氣性能下降，保護(hù)芯片表面以及連接引線等，使相當(dāng)柔嫩的芯片在電氣或熱物理等方面免受外力損害及外部環(huán)境的影響；同時通過封裝使芯片的熱膨脹系數(shù)與框架或基板的熱膨脹系數(shù)相匹配，這樣就能緩解由于熱等外部環(huán)境的變化而產(chǎn)生的應(yīng)力以及由于芯片發(fā)熱而產(chǎn)生的應(yīng)力，從而可防止芯片損壞失效。過去的10年間，功率MOSFET電流要求一直在增加，與此同時，電流切換速率要求也有相當(dāng)大的提高。這給電路設(shè)計帶來了許多熱性能和電氣性能方而的挑戰(zhàn)。功率MOSFET 必須有盡可能低的導(dǎo)通電阻(Rds(On))、盡可能小的電感以及盡可能少的柵極電荷(Qg)。 當(dāng)工作頻率增加到IMHz或者更高時，這些電氣參數(shù)尤其重要。當(dāng)然，功率MOSFET必須具有很好的熱性能。隨著MOSFET硅片技術(shù)的進(jìn)步，封裝技術(shù)逐漸成為性能提升的主要障礙。具體講，人們發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)的引線鍵合封裝(如DPAK和S0-8)使用的細(xì)線會使部件的寄生電阻顯著增加。在極端情況下，封裝增加的寄生電阻大小會與硅片本身的相當(dāng)。圖1是常見的TO封裝形式的功率MOS器件的實物外形與封裝結(jié)構(gòu)示意圖。這種封裝結(jié)構(gòu)主要包括三方面1)通過很細(xì)的金屬引線將MOS器件表面的壓焊塊連接到外部引腳；2)M0S器件襯底背面采用環(huán)氧樹脂粘貼在散熱片上；幻整體器件采用塑料外格封裝。因為功率MOS器件工作時熱量主要產(chǎn)生于器件表面(半導(dǎo)體襯底通常厚度為幾百微米，而器件層則位于襯底表面不超過十微米的厚度內(nèi))，這使得熱量只能通過較厚的硅層(襯底)進(jìn)入金屬熱沉(散熱片)，使得其熱阻較大；而很細(xì)的鍵合絲又增加了寄生電感并限制了電流容量，使得封裝的器件性能受到極大限制。圖2所示為國際整流器(IR)公司推出一種MOS器件的全新封裝結(jié)構(gòu)-DirectFET 封裝結(jié)構(gòu)。在DirectFET封裝結(jié)構(gòu)中，芯片采用倒裝橋夾技術(shù)，芯片被包裹在一個銅質(zhì)外殼中，以方便熱量從作為散熱器的器件頂部散發(fā)掉。這一設(shè)計消除了引線架和引線焊接，把 DFPR降至只有0. Imff,占用面積與S0-8封裝的相當(dāng)，而標(biāo)準(zhǔn)的S0-8封裝的DFPR為1. 5mW。 結(jié)至外殼(頂部)的熱阻降到僅為;TC/W。從外觀上來看，采用DirectFET封裝技術(shù)的 MOSFET完全顛覆傳統(tǒng)MOSFET的封裝形式。DirectFET結(jié)構(gòu)并沒有采用其它封裝形式常用的塑封殼，而是采用銅金屬外殼覆蓋；其次，DirectFET封裝給人最直觀的感覺就是小，從對比圖上可以看到，其占用面積比塑封結(jié)構(gòu)的T0252小多了，與表面貼裝結(jié)構(gòu)的S0-8 MOSFET 相當(dāng)，而厚度只有0.646毫米，僅與0805電阻相當(dāng)。同時我們可以注意到，與其它MOSFET相比，采用DirectFET封裝的MOSFET沒有引腳，DirectFET封裝采用直接芯片粘貼，沒有線壓焊或者引線框，大大降低了封裝感抗和封裝阻抗。與S0-8相比，封裝阻抗減少了 90%以上，而封裝電感也從S0-8時候的2nH減到了 0. 5nH，寄生效應(yīng)明顯減弱，這都為減少損耗提供了重要保證。再來看看它的內(nèi)部，從MOSFET的內(nèi)部架構(gòu)圖上來看，由于傳統(tǒng)的MOSFET用一個塑封殼將漏極、硅片和源極接觸的地方包裝起來，因此廠商只能通過在焊線到硅芯片之間增加銅片來加大接觸面積導(dǎo)熱，或在漏極與PCB之間增加金屬墊將熱量傳導(dǎo)到PCB上散發(fā)出去。而DirectFET封裝和傳統(tǒng)封裝完全不同，漏極裸露的銅片通過兩邊的焊盤和PCB 連接在一起，和PCB有很大的接觸面積，利于傳導(dǎo)電流。同時由于DirectFET外殼全部采用銅片，沒有傳統(tǒng)的塑料外殼，底部依然可以透過PCB散熱，而頂部由于表層良好的空氣流通性可以快速散熱，實現(xiàn)雙面冷卻效果。雖然采用類似于DirectFET的橋夾技術(shù)，可以使MOS器件的熱阻及寄身電感大大降低，接觸面的增大也使電流容量大為增加，但其無引線的封裝技術(shù)與現(xiàn)有的引腳封裝形式存在極大差異，不能與現(xiàn)有技術(shù)相兼容，需要大量封裝設(shè)備投資。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明基于硅芯片倒裝橋夾技術(shù)，并結(jié)合常規(guī)TO封裝技術(shù)，提供一種功率MOS器件低熱阻封裝結(jié)構(gòu)。采用該封裝結(jié)構(gòu)的功率MOS器件具有與DirectFET封裝結(jié)構(gòu)的功率 MOS器件相近的性能，可比常規(guī)TO封裝結(jié)構(gòu)的功率MOS器件的熱阻降低約80%，大面積的電極接觸使電流容量增大，寄生電感下降；同時，該封裝結(jié)構(gòu)無需大量封裝設(shè)備投資，可應(yīng)用于現(xiàn)有的TO封裝生產(chǎn)線上。本發(fā)明技術(shù)方案如下一種功率MOS器件低熱阻封裝結(jié)構(gòu)，如圖3所示，包括功率MOS器件、金屬散熱片、 封裝外殼，以及柵極、源極和漏極外部引腳。所述金屬散熱片表面具有薄層絕緣氧化物；薄層絕緣氧化物表面具有與功率MOS器件柵極、源極和漏極分別對應(yīng)的柵極、源極和漏極金屬焊盤；功率MOS器件倒裝于金屬散熱片的薄層絕緣氧化物表面；功率MOS器件的柵極、源極和漏極分別與薄層絕緣氧化物表面的柵極、源極和漏極金屬焊盤相焊接；薄層絕緣氧化物表面的柵極、源極和漏極金屬焊盤分別與柵極、源極和漏極的外部引腳相連；封裝外殼安裝于功率MOS器件外部，實現(xiàn)功率MOS器件與外部環(huán)境除電氣連接之外的密封隔離。本發(fā)明提供的功率MOS器件低熱阻封裝結(jié)構(gòu)，對于橫向或縱向的功率MOS器件均能提供很好的封裝。若所述功率MOS器件為橫向功率MOS器件，則所述橫向功率MOS器件的柵極、源極和漏極直接焊接于薄層絕緣氧化物表面相應(yīng)的柵極、源極和漏極金屬焊盤上； 若所述功率MOS器件為縱向功率MOS器件，則所述縱向功率MOS器件的柵極和源極直接焊接于薄層絕緣氧化物表面相應(yīng)的柵極和源極金屬焊盤上，且所述縱向功率MOS器件的漏極通過金屬連線或金屬箔與薄層絕緣氧化物表面的漏極金屬焊盤相焊接。上述技術(shù)方案中所述封裝外殼可以采用塑料封裝外殼、陶瓷封裝外殼或金屬封裝外殼；所述金屬散熱片宜采用金屬鋁或銅散熱片；所述金屬鋁散熱片表面的薄層絕緣氧化物宜采用三氧化二鋁，其厚度不超過10微米；所述薄層絕緣氧化物表面的柵極、源極和漏極金屬焊盤宜采用金屬銅或錫焊盤。本發(fā)明的有益效果是
本發(fā)明提供的功率MOS器件低熱阻封裝結(jié)構(gòu)，結(jié)合了硅芯片倒裝橋夾技術(shù)和常規(guī) TO封裝技術(shù)。一方面采用倒裝散熱結(jié)構(gòu)，使得功率MOS器件產(chǎn)生的熱量無需經(jīng)過硅襯底傳遞，而是直接流向金屬熱沉(散熱片)，解決了功率MOS器件常規(guī)TO封裝所帶來的熱阻過大的問題；另一方面橋夾技術(shù)的大面積接觸除了進(jìn)一步降低熱阻，還可以增大電流容量，減小寄生電感。本發(fā)明提供的功率MOS器件低熱阻封裝結(jié)構(gòu)，具有常規(guī)TO封裝的外形，可以利用現(xiàn)有的TO封裝生產(chǎn)線，無需添加封裝設(shè)備、僅適當(dāng)增加橋夾與倒裝工藝相關(guān)設(shè)備的情況下封裝出性能優(yōu)異的功率MOS器件。經(jīng)實際檢測證明，本發(fā)明提供的功率MOS器件低熱阻封裝結(jié)構(gòu)，比常規(guī)TO封裝結(jié)構(gòu)可使熱阻下降約80 %、電流容量增加約兩倍，而寄身電感大大減小。


圖1是常規(guī)TO封裝的功率MOS器件外形及內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖。其中(a)是器件外形，(b)是內(nèi)部結(jié)構(gòu)。圖2是國際整流器公司推出的DirectFET封裝結(jié)構(gòu)的示意圖。圖3是本發(fā)明提供的功率MOS器件低熱阻封裝結(jié)構(gòu)示意圖。圖4是本發(fā)明提供的功率MOS器件低熱阻封裝結(jié)構(gòu)的分解示意圖。其中(a)、(b) 分別為金屬散熱片及引腳的側(cè)視及俯視圖，(c)是功率MOS器件及封裝外殼結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施例方式一種功率MOS器件低熱阻封裝結(jié)構(gòu)，如圖3所示，包括功率MOS器件、金屬散熱片、 封裝外殼，以及柵極、源極和漏極外部引腳。所述金屬散熱片表面具有薄層絕緣氧化物；薄層絕緣氧化物表面具有與功率MOS器件柵極、源極和漏極分別對應(yīng)的柵極、源極和漏極金屬焊盤；功率MOS器件倒裝于金屬散熱片的薄層絕緣氧化物表面；功率MOS器件的柵極、源極和漏極分別與薄層絕緣氧化物表面的柵極、源極和漏極金屬焊盤相焊接；薄層絕緣氧化物表面的柵極、源極和漏極金屬焊盤分別與柵極、源極和漏極的外部引腳相連；封裝外殼安裝于功率MOS器件外部，實現(xiàn)功率MOS器件與外部環(huán)境除電氣連接之外的密封隔離。若所述功率MOS器件為橫向功率MOS器件，則所述橫向功率MOS器件的柵極、源極和漏極直接焊接于薄層絕緣氧化物表面相應(yīng)的柵極、源極和漏極金屬焊盤上；若所述功率 MOS器件為縱向功率MOS器件，則所述縱向功率MOS器件的柵極和源極直接焊接于薄層絕緣氧化物表面相應(yīng)的柵極和源極金屬焊盤上，且所述縱向功率MOS器件的漏極通過金屬連線或金屬箔與薄層絕緣氧化物表面的漏極金屬焊盤相焊接。所述封裝外殼若采用塑料封裝外殼，則具體封裝時，封裝外殼與金屬散熱片之間可采用環(huán)氧樹脂粘接密封；若封裝外殼采用陶瓷封裝外殼或金屬封裝外殼，則具體封裝時， 封裝外殼與金屬散熱片之間可采用熔融玻璃鍵合密封。所述金屬散熱片可采用銅或鋁散熱片；所述金屬鋁散熱片表面的薄層絕緣氧化物宜采用三氧化二鋁，其厚度不超過10微米；所述薄層絕緣氧化物表面的柵極、源極和漏極金屬焊盤宜采用金屬銅或錫焊盤。本發(fā)明提供的功率MOS器件低熱阻封裝結(jié)構(gòu)，由于采用倒裝散熱結(jié)構(gòu)，使得功率 MOS器件產(chǎn)生的熱量無需經(jīng)過硅襯底傳遞，而是直接流向金屬熱沉(散熱片)，解決了功率MOS器件常規(guī)TO封裝所帶來的熱阻過大的問題；同時橋夾技術(shù)的大面積接觸除了進(jìn)一步降低熱阻，還可以增大電流容量，減小寄生電感。經(jīng)實際檢測證明，本發(fā)明提供的功率MOS器件低熱阻封裝結(jié)構(gòu)，比常規(guī)TO封裝結(jié)構(gòu)可使熱阻下降約80%、電流容量增加約兩倍，而寄身電感大大減小。本發(fā)明提供的功率MOS器件低熱阻封裝結(jié)構(gòu)，具有常規(guī)TO封裝的外形， 可以利用現(xiàn)有的TO封裝生產(chǎn)線，無需添加封裝設(shè)備、僅適當(dāng)增加橋夾與倒裝工藝相關(guān)設(shè)備的情況下封裝出性能優(yōu)異的功率MOS器件。
權(quán)利要求
1.一種功率MOS器件低熱阻封裝結(jié)構(gòu)，包括功率MOS器件、金屬散熱片、封裝外殼，以及柵極、源極和漏極外部引腳；其特征在于所述金屬散熱片表面具有薄層絕緣氧化物；薄層絕緣氧化物表面具有與功率MOS器件柵極、源極和漏極分別對應(yīng)的柵極、源極和漏極金屬焊盤；功率MOS器件倒裝于金屬散熱片的薄層絕緣氧化物表面；功率MOS器件的柵極、源極和漏極分別與薄層絕緣氧化物表面的柵極、源極和漏極金屬焊盤相焊接；薄層絕緣氧化物表面的柵極、源極和漏極金屬焊盤分別與柵極、源極和漏極的外部引腳相連；封裝外殼安裝于功率MOS器件外部，實現(xiàn)功率MOS器件與外部環(huán)境除電氣連接之外的密封隔離。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的功率MOS器件低熱阻封裝結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述功率MOS器件為橫向功率MOS器件，所述橫向功率MOS器件的柵極、源極和漏極直接焊接于薄層絕緣氧化物表面相應(yīng)的柵極、源極和漏極金屬焊盤上。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的功率MOS器件低熱阻封裝結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述功率MOS器件為縱向功率MOS器件，所述縱向功率MOS器件的柵極和源極直接焊接于薄層絕緣氧化物表面相應(yīng)的柵極和源極金屬焊盤上，所述縱向功率MOS器件的漏極通過金屬連線或金屬箔與薄層絕緣氧化物表面的漏極金屬焊盤相焊接。
4.根據(jù)權(quán)利要求1、2或3所述的功率MOS器件低熱阻封裝結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述封裝外殼為塑料封裝外殼。
5.根據(jù)權(quán)利要求1、2或3所述的功率MOS器件低熱阻封裝結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述封裝外殼為陶瓷封裝外殼。
6.根據(jù)權(quán)利要求1、2或3所述的功率MOS器件低熱阻封裝結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述封裝外殼為金屬封裝外殼。
7.根據(jù)權(quán)利要求3和6所述的功率MOS器件低熱阻封裝結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述金屬封裝外殼與薄層絕緣氧化物表面的漏極金屬焊盤相焊接，使金屬封裝外殼同時兼具連接縱向功率MOS器件的漏極和薄層絕緣氧化物表面漏極金屬焊盤的功能。
8.根據(jù)權(quán)利要求1、2或3所述的功率MOS器件低熱阻封裝結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述金屬散熱片為金屬鋁或銅散熱片，所述金屬鋁散熱片表面的薄層絕緣氧化物為三氧化二鋁。
9.根據(jù)權(quán)利要求1、2或3所述的功率MOS器件低熱阻封裝結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述薄層絕緣氧化物表面的柵極、源極和漏極金屬焊盤為金屬銅或錫焊盤。
全文摘要
一種功率MOS器件低熱阻封裝結(jié)構(gòu)，屬于功率半導(dǎo)體器件技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明結(jié)合硅芯片倒裝橋夾技術(shù)和常規(guī)TO封裝技術(shù)，采用倒裝散熱結(jié)構(gòu)，使得功率MOS器件產(chǎn)生的熱量直接流向金屬熱沉，解決了功率MOS器件常規(guī)TO封裝所帶來的熱阻過大的問題；同時橋夾技術(shù)的大面積接觸除了進(jìn)一步降低熱阻，還可以增大電流容量，減小寄生電感。本發(fā)明提供的功率MOS器件低熱阻封裝結(jié)構(gòu)，具有常規(guī)TO封裝的外形，可以利用現(xiàn)有的TO封裝生產(chǎn)線，無需添加封裝設(shè)備、僅適當(dāng)增加橋夾與倒裝工藝相關(guān)設(shè)備的情況下封裝出性能優(yōu)異的功率MOS器件。經(jīng)實際檢測證明，本發(fā)明提供的功率MOS器件低熱阻封裝結(jié)構(gòu)，比常規(guī)TO封裝結(jié)構(gòu)可使熱阻下降約80％、電流容量增加約兩倍，而寄身電感大大減小。
文檔編號H01L23/31GK102201449SQ20111013982
公開日2011年9月28日 申請日期2011年5月27日 優(yōu)先權(quán)日2011年5月27日
發(fā)明者夏建新, 趙建明, 陳勇 申請人:電子科技大學(xué)