一种内绝缘正面散热开尔文封装结构的制作方法

本技术属于但不限于半导体，尤其涉及一种内绝缘正面散热开尔文封装结构。

背景技术：

1、功率器件贴片封装是现代电子制造中广泛应用的一种表面贴装技术形式，其核心在于通过高度集成化的封装方式，实现电子元件的小型化、高密度化，适配自动化生产需求。在制造过程中，功率器件贴片封装首先依赖于晶圆的划片工艺：晶圆经过背面研磨薄化处理后，利用精密切割技术按照预定切割道将单个晶粒分离，形成小尺寸的晶片。这些晶片随后通过导热粘结材料（如焊料或烧结银）贴装在由高导电率、高热导率铜合金制成的封装基板中央区域，基板不仅提供物理保护，更承担核心散热功能；基板通常为长方形，边缘设有三个突起的引脚，分别对应电源引脚、接地引脚和控制引脚，引脚内焊点用于后续键合连接。利用金属导线（如铝线、铜线）将晶片的焊盘与基板上的引脚进行引线键合，实现电气连接，构成完整的内部电路结构。接着，整个封装结构被包裹在绝缘的塑料外壳中，以提供物理保护，此时的底部封装基板外露出塑封体，作为散热片使用。封装完成后，为了便于后续焊接，这些引脚会通过切筋工艺被加工成翼式形状，最后通过回流焊工艺固定和焊接在pcb板上。

2、半导体封装是集成电路制造的重要环节，它不仅为芯片提供保护和支持，还确保了芯片与外界电路的可靠连接，是半导体器件能够正常工作的基础。目前，半导体功率器件的封装多采用传统底部散热形式，芯片热量主要靠底部金属焊盘传给电路板散发，然而，这种散热方式存在明显的局限性，首先，散热性能受限于芯片到散热焊盘之间的材料热阻，效果差、散热能力有上限。其次，由于没有绝缘层，焊盘和芯片内部电路是连通的，必须接到特定电压，严重限制了电路板布线。此外，传统封装形式缺乏独立的驱动回路，导致控制芯片开关的小信号和大电流功率信号共用同一个引脚。控制信号受到大电流的干扰，从而影响开关速度、增加功耗并加剧芯片发热。

3、鉴于上述分析，现有技术存在的急需解决的技术问题为：传统贴片封装技术虽然在体积和性能上具有显著优势，但在实际应用中仍存在以下客观局限：

4、1、散热性能有限：

5、传统贴片封装采用底部裸露焊盘作为主要散热路径，芯片的裸片背部直接与金属散热焊盘接触，导致散热路径局限于芯片背部→引线框架底部→pcb焊盘。虽然底部散热路径直接，但其散热路径较长，散热性能受限于芯片到散热焊盘之间的材料热阻，难以满足高功率器件的散热需求。此外，芯片、焊锡、pcb之间的热膨胀系数差异，在温度循环下易引发界面应力，导致焊点有疲劳开裂风险。

6、2、电气隔离性差：

7、传统贴片封装形式由于没有绝缘层，会带来两大问题：一是芯片裸片的背部连接到散热焊盘上，散热片和芯片内部电路直接连通，导致散热片带电，这意味着pcb上的散热焊盘区域必须被设计成与芯片散热焊盘相同的电位，不仅高压线路不能从下方布置，低压线路还需与该区域留足安全间距，严重限制布线灵活性，且在潮湿、脏污环境下易发生表面漏电短路；二是散热主要靠pcb，而 pcb 导热性差、芯片容易发烫，散热能力存在明显上限。

8、3、控制信号干扰：

9、传统封装因驱动回路与功率回路共用源极引脚，引发共源电感效应 —— 共用线路的寄生电感在开关管高频关断时，会因功率电流骤变产生反向电压，叠加至栅极电压导致剧烈振荡，不仅显著增加开关损耗，还会产生严重 dv/dt 与 di/dt 噪声，甚至导致开关管延迟动作或错误导通，破坏器件正常功能。

技术实现思路

1、针对现有技术存在的问题，本实用新型提供了一种内绝缘正面散热开尔文封装结构。

2、本实用新型是这样实现的，一种内绝缘正面散热开尔文封装结构，包括：半导体芯片、分层铜框架、绝缘陶瓷衬板、锡膏焊接层、铝键合线及环氧树脂塑封体；分层铜框架被分隔为上、下两层独立导电区域，中间嵌入高导热陶瓷衬板实现电气隔离与机械支撑；半导体芯片通过锡膏焊接固定于上层框架。下层框架背面金属层在塑封后裸露于封装体外侧，作为散热基板；分层铜框架管腿采用上下对称双路布局，管腿内侧设置锁料孔结构以增强塑封体结合强度，并通过差异化间距布局避免封装极性误接；

3、进一步，半导体芯片与陶瓷衬板、铜框架的互连均为丝网印刷锡膏焊接的方式；

4、进一步，塑封工序后管腿垂直暴露于封装体上下两侧，切筋成型向上90°弯折形成金属散热翼片，作为独立散热面使用；

5、进一步，塑封体上下两侧金属翼片表面实施镀锡工艺。

6、进一步，塑封体底部两引脚作为主功率通路：分别为集电极和发射极，其中集电极由芯片背部金属层直接焊接于上层引线框架，通过框架延伸出的引脚形成，芯片正面的发射极金属层则通过键合线连接至另一对应引脚。

7、进一步，塑封体顶部两引脚构成驱动控制回路：分别为基极和开尔文检测端，其中芯片正面基极金属层由键合线连接至对应引脚，开尔文检测端则直接从芯片发射极金属层通过独立的键合线引出，连接至专用引脚。

8、本实用新型在保留底部中央大面积金属焊盘散热优势的同时，新增了一条高效正面散热路径，将原本单侧向下的折翼形引脚改为双侧对称反折设计。这种设计使得引脚不再只是水平焊接在pcb表面，而是向上弯曲90度，成为独立散热面。此时散热器位于芯片正上方，减少了中间的热阻层，热量可以直接从芯片传导至封装外壳，并通过热界面材料直接传递至散热器，从而实现更短的散热路径和更低的热阻，显著提升了散热效率。 此外，双侧焊接的引脚结构更加稳固，有效防止在装配过程中发生位移。

9、在封装结构内部，设计增加了内绝缘层，以隔离芯片与散热片，支持散热片独立接地或浮空，从而避免了pcb底部区域因电位限制而无法实现高压走线或高密度信号布线的问题。这种设计不仅提升了散热能力，还降低了芯片温度，提高了其耐用性，适应了更紧凑的空间布局需求，同时节省了绝缘片安装的过程，提升了生产效率，也节约了材料成本。

10、在引脚布局方面，本发明引入了驱动回路独立引脚（即开尔文引脚），通过物理隔离驱动路径与功率路径，彻底消除了信号干扰，从而提升了栅压控制精度并降低了开关损耗。

11、本实用新型在保留传统封装低成本优势的同时，突破了传统底部散热的局限性，实现了电位隔离，支持高压灵活设计，并消除了控制信号干扰，从而提升了整体可靠性。该设计特别适用于振动、温度循环等严苛环境下的应用。

12、（1）本实用新型的技术方案转化后的预期收益和商业价值为：

13、可提升功率器件散热效率，降低开关损耗，适配新能源汽车电控、工业逆变器等高功率密度场景；同时省去外部绝缘垫片成本与装配工序，减少 pcb 布线设计成本，且可填补中小型高功率器件的低成本封装市场空白。

14、（2）本实用新型的技术方案填补了国内外业内技术空白：

15、国内外现有封装技术多单独解决散热（如双层 dbc 基板）、电气隔离（如外部绝缘片）或信号干扰（如独立引脚）问题，本方案首次将‘内绝缘层 + 双面散热 + 开尔文引脚’三者集成，突破‘散热 - 隔离 - 抗干扰’协同优化的技术瓶颈，实现单一封装结构多维度性能提升。

16、（3）本实用新型的技术方案解决了人们一直渴望解决、但始终未能获得成功的技术难题：

17、传统方案需在封装外额外加装绝缘垫片，既增加成本与装配复杂度，又影响散热效率；本方案通过内置陶瓷绝缘层，在不增加成本的前提下同时实现绝缘与散热优化，解决该长期痛点。

18、（4）本实用新型的技术方案克服了技术偏见：

19、行业内普遍认为‘双侧上折引脚会增加焊接难度、降低生产效率’，本方案通过‘差异化间距布局 + 90° 精准弯折工艺’，在实现正面散热功能的同时，提升了焊接稳固性与自动化生产兼容性，打破该技术偏见。