一种碳化硅封装结构及封装方法技术

本发明专利技术涉及半导体技术领域，具体涉及一种碳化硅封装结构及封装方法，所述结构通过方法制成，结构包括基板和半导体芯片，半导体芯片位于基板中部，中部为凹槽状设置且倒扣于半导体芯片上表面的SiC封装外壳，SiC封装外壳上设有连通SiC封装外壳内外两侧面的电极连接区，电极连接区在SiC封装外壳内侧面上设置有设定高度的电极区凸起，电极区凸起与半导体芯片上表面的电极区域焊接设置，SiC封装外壳与基板连接处焊接设置，电极连接区在SiC封装外壳外侧面上焊接有引出电极。本发明专利技术可将封装外壳体积进一步缩小，且能减小热应力，提高器件的可靠性。同时提高热导，满足碳化硅器件的散热需求。此外，本结构还具备一定的抗辐照能力，拓展其在空间领域中的应用。其在空间领域中的应用。其在空间领域中的应用。

【技术实现步骤摘要】
一种碳化硅封装结构及封装方法


[0001]本专利技术涉及半导体
，具体涉及一种碳化硅封装结构及封装方法。

技术介绍

[0002]导电能力介于导体与绝缘体之间的物质称为半导体，半导体材料是一类具有半导体性能、可用来制作半导体器件和集成电路的电子材料。目前的半导体材料已经发展到第三代。第三代半导体材料主要包括SiC、GaN、金刚石等。和第一代、第二代半导体材料相比，第三代半导体材料具有高热导率、高击穿场强、高饱和电子漂移速率和高键合能等优点，可以满足现代电子技术对高温、高功率、高压、高频以及抗辐射等恶劣条件的新要求，是半导体材料领域最有前景的材料，在国防、航空、航天等领域有着重要应用前景，在宽带通讯、太阳能、汽车制造、半导体照明、智能电网等众多战略行业可以降低50％以上的能量损失，最高可以使装备体积减小75％以上，对人类科技的发展具有里程碑的意义。
[0003]而当前的抗辐照封装仍是基于第一代半导体中的硅基器件设计，尚未对SiC器件进行专门优化。另一方面，当前的抗辐照封装只是单纯考虑了抗辐照能力的提升，未考虑器件的散热能力，SiC的热膨胀系数是6.58*10
‑6，硅的热膨胀系数是2.62*10
‑6，当芯片面积相等时，SiC芯片边缘应力约为硅基芯片的2.5倍，另外由于SiC的功率密度要高于硅，实际的SiC芯片边缘应力要更大一些。因此，考虑封装的散热和热膨胀系数匹配是极其必要的。
[0004]专利公开号为CN112786569A的专利公开了一种陶瓷、塑料封装的抗辐照结构，选用有机聚合物材料，并通过掺杂无机非金属材料来加固有机材料涂层的抗辐照性能，在电路内外表面选用涂覆的方式进行覆盖，对电路整体的抗电子辐照、伽马射线辐照性能等抗辐照性能进行加固。
[0005]专利公开号为CN113078120A的专利公开了一种陶瓷封装新型抗辐照结构，陶瓷管壳通过机械共混法在陶瓷管壳的基体材料中掺杂无机非金属材料，烧结而成；所述半导体芯片位于所述抗辐照陶瓷管壳中；所述盖板通过封帽工艺与所述抗辐照陶瓷管壳组装。采用在传统的陶瓷材料中掺杂无机非金属材料保证其物理性能的同时，来加固陶瓷管壳基体材料的抗辐照性能，可在大部分陶瓷封装电路上实现；抗辐照陶瓷管壳通过机械共混法制备而成，所述掺杂方式适用于所有陶瓷封装材料，包括Al2O3、AlN、LTCC等传统陶瓷材料。
[0006]上述专利仍存在以下问题：
[0007]1.现有陶瓷封装抗辐照技术是将器件包含在内，无法将封装外壳体积进一步缩小。
[0008]2.现有陶瓷封装其热膨胀系数还是与芯片存在差异，在长期使用中，封装外壳仍会产生较大的热应力，影响器件的可靠性。
[0009]3.现有陶瓷封装的热导率还是偏低，不足以满足碳化硅器件的散热需求。

技术实现思路

[0010]本专利技术的目的之一在于提供一种碳化硅封装结构，能够解决上述存在的技术问
题。
[0011]为了达到上述目的，提供了一种碳化硅封装结构，包括基板和半导体芯片，所述半导体芯片位于基板中部，还包括中部为凹槽状设置且倒扣于半导体芯片上表面的SiC封装外壳，所述SiC封装外壳上设有连通SiC封装外壳内外两侧面的电极连接区，所述电极连接区在SiC封装外壳内侧面上设置有设定高度的电极区凸起，所述电极区凸起与半导体芯片上表面的电极区域焊接设置，所述SiC封装外壳与基板连接处焊接设置，所述电极连接区在SiC封装外壳外侧面上焊接有引出电极。
[0012]原理及优点：
[0013]1.SiC封装外壳的设置，由于中部为凹槽状设置且倒扣于半导体芯片上表面，SiC封装外壳的尺寸可以做到近似于半导体芯片，使得整体尺寸与半导体芯片相匹配，减少了冗余体积，可以将封装外壳体积进一步缩小，不仅不会增加器件外形体积，而且对整体质量影响也较小。
[0014]2.电极连接区和电极区凸起采用刻蚀工艺一体成型的设置，一方面可以保证良好的导电率，另一方面由于封装外壳体积进一步缩小，如此设置可以使SiC封装外壳与半导体芯片更靠近一点，再加上SiC封装外壳其材质采用碳化硅材料，与SiC芯片为同种材料，具备同样的热膨胀系数，且其热导率超过纯铜。自身具备良好的导热性能，因此可以降低器件整体的热阻，减少长期使用过程中封装的热应力，从而提升器件的热可靠性，延长器件的使用寿命。
[0015]3.本专利技术中的结构设计能够匹配目前器件的陶瓷封装、塑封工艺和封装外形；还可兼容其他陶瓷/塑料抗辐照工艺；以及还可兼容压接式互连工艺。
[0016]进一步，所述引出电极上焊接有抗辐照防护金属板。
[0017]抗辐照防护金属板的设置，可以防辐射效果。
[0018]进一步，所述抗辐照防护金属板为高序数金属板，厚度为0.5
‑
5mm。
[0019]高序数金属板以及厚度为0.5
‑
5mm的设置可以使得抗辐照防护金属板的防辐射效果更好。
[0020]进一步，所述电极连接区为AlSiC/CuSiC复合结构，所述基板材料为AlSiC/CuSiC。
[0021]AlSiC/CuSiC作为电极连接材料，具备良好的可焊性，十分适应目前的主流焊接工艺。
[0022]进一步，所述基板厚度为0.5
‑
10mm。基板厚度小于0.5mm时，其抗辐照能力较弱，厚度大于10mm时，基板对器件体积产生较大影响。具体使用时，基板厚度需在满足抗辐照能力时，减少基板厚度，降低对最终的体积和质量。
[0023]进一步，所述电极区凸起的设定高度为10um
‑
1mm，所述SiC封装外壳底部的壳厚为0.5
‑
7mm，所述SiC封装外壳侧壁壳厚为0.5
‑
5mm。电极区凸起高度10um
‑
1mm时，通过焊接方式与芯片电极连接，焊膏溢出时，多余部分会粘附至凸起四周区域，不易发生芯片短路现象，同时芯片与外壳间尽量贴合，保证了外壳的保护、散热和导电效果。
[0024]进一步，所述电极连接区的竖直截面为长条形或L形。适应于不同的使用环境。
[0025]本专利技术的目的之一在于提供一种碳化硅封装结构的封装方法，上述结构用于本方法制造，具体包括以下步骤：
[0026]在SiC晶体上且对应半导体芯片电极区的部位采用渗透工艺渗透金属材料，形成
连通SiC封装外壳两侧面的电极连接区；
[0027]在SiC晶体上且存在电极连接区的一侧面进行刻蚀处理，形成中部为凹槽状的SiC封装外壳；并将凹槽内的电极连接区保留设定高度，形成电极区凸起；
[0028]将SiC封装外壳倒扣于基板上设置的半导体芯片上方，并将电极区凸起与半导体芯片上表面的电极区域焊接设置，以及将SiC封装外壳与基板连接处焊接设置；
[0029]在SiC封装外壳外侧面上的电极连接区上采用铝带/铜带键合工艺设置引出电极。
[0030]原理及优点：
[0031]1.SiC封装外壳的本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种碳化硅封装结构，包括基板和半导体芯片，所述半导体芯片位于基板中部，其特征在于：还包括中部为凹槽状设置且倒扣于半导体芯片上表面的SiC封装外壳，所述SiC封装外壳上设有连通SiC封装外壳内外两侧面的电极连接区，所述电极连接区在SiC封装外壳内侧面上设置有设定高度的电极区凸起，所述电极区凸起与半导体芯片上表面的电极区域焊接设置，所述SiC封装外壳与基板连接处焊接设置，所述电极连接区在SiC封装外壳外侧面上焊接有引出电极。2.根据权利要求1所述的一种碳化硅封装结构，其特征在于：所述引出电极上焊接有抗辐照防护金属板。3.根据权利要求2所述的一种碳化硅封装结构，其特征在于：所述抗辐照防护金属板为高序数金属板，厚度为0.5
‑
5mm。4.根据权利要求1所述的一种碳化硅封装结构，其特征在于：所述电极连接区为AlSiC/CuSiC复合结构，所述基板材料为AlSiC/CuSiC。5.根据权利要求1所述的一种碳化硅封装结构，其特征在于：所述基板厚度为0.5
‑
10mm。6.根据权利要求1所述的一种碳化硅封装结构，其特征在于：所述电极区凸起的设定高度为10um
‑
1mm，所述SiC封装外壳底部的壳厚为0.5
‑
7mm，所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：钱靖，陈显平，罗厚彩，
申请(专利权)人：重庆平创半导体研究院有限责任公司，
类型：发明
国别省市：