一种双面散热半导体封装器件及其制备方法与流程

本技术涉及半导体封装，提出一种双面散热半导体封装器件及其制备方法。

背景技术：

1、在半导体封装领域，随着电子设备性能的不断提升以及小型化、集成化的发展趋势，半导体芯片的功率密度日益增大，散热问题愈发成为制约其性能和可靠性的关键因素。

2、在以往，为解决半导体芯片的散热问题，行业内通常采用多种方式。一种常见的手段是利用芯片顶面的金属夹片及芯片底面的金属框架来散热。然而，现有的这些散热方式在应对半导体封装热工艺时存在明显缺陷。由于不同材料的热膨胀系数不匹配，在封装热工艺过程中会产生复合应力，进而导致封装器件出现翘曲变形问题。这种翘曲变形不仅会影响封装器件的外观和尺寸精度，还可能导致芯片与其他组件之间的连接出现松动或损坏，严重影响半导体封装的性能和可靠性。

3、针对上述中的相关技术，存在有不同材料的热膨胀系数不匹配导致封装器件翘曲变形的缺陷。

技术实现思路

1、为了能够避免封装器件翘曲变形，本技术提供一种双面散热半导体封装器件及其制备方法。

2、一方面，本技术提供的一种双面散热半导体封装器件采用如下的技术方案：

3、一种双面散热半导体封装器件，包括：

4、引线框架，包括引线框架本体及多个引脚；

5、半导体芯片，设置在所述引线框架上；

6、金属夹片，包括金属夹片本体及从所述金属夹片本体延伸形成的连接臂，所述金属夹片本体覆盖在所述半导体芯片上，所述连接臂远离所述金属夹片本体的一端与所述引脚连接；

7、塑封体，包裹所述引线框架、所述半导体芯片及所述金属夹片；其中，所述金属夹片本体的厚度与所述引线框架本体的厚度的比例范围为1.15:1-1.35:1。

8、通过采用上述技术方案，在半导体封装的回流焊和高温工作过程中，由于塑封体、引线框架、金属夹片及半导体芯片的热膨胀系数（cte）存在显著差异，且金属夹片一端延伸有连接臂，导致封装体内部的机械约束力与塑封料收缩体积呈现上下不对称性，极易产生复合热应力并导致封装器件翘曲变形。本技术将金属夹片本体与引线框架本体的厚度比例范围限定为1.15:1-1.35:1。该特定的厚度非对称设计能够有效补偿因连接臂带来的结构不对称性，使得整个封装器件在热力学形变中的中性应变面恰好平移并维持在半导体芯片的中心层。这一力学平衡设计有效抵消了封装热工艺中产生的复合热弯曲力矩，将封装器件的翘曲风险降至最低，大幅提升了引脚的共面度合格率。此外，翘曲的消除极大地降低了封装器件内部界面的受力剥离风险和半导体芯片的应力开裂风险，从而显著延长了封装器件在严苛高低温循环环境下的使用寿命；同时，采用大面积金属夹片代替传统金属线键合，为芯片上表面提供了极低热阻的传导路径，配合底部引线框架，实现了高效可靠的双面散热结构。

9、可选的，所述引线框架本体的厚度范围为200-600um；所述半导体芯片的厚度范围为50-200um；所述金属夹片本体的厚度范围为250-800um。

10、通过采用上述技术方案，将尺寸量化，引线框架本体的厚度范围为200-600um，半导体芯片的厚度范围为50-200um及金属夹片本体的厚度范围为250-800um既保证了金属夹片本体的厚度与引线框架本体的厚度的比例范围为1.15:1-1.35:1得以实现，又确保了封装器件整体厚度符合现代电子产品轻薄化的需求。同时，250-800um的金属夹片足以应对常见功率器件的电流冲击。

11、可选的，所述连接臂自所述金属夹片本体朝向所述引脚弯折延伸，且所述连接臂的远离所述金属夹片本体的一端平铺搭接在所述引脚上。

12、通过采用上述技术方案，弯折结构赋予了连接臂一定的弹性，在封装和温度循环过程中连接臂能作为缓冲弹簧，吸收半导体芯片、金属夹片和塑封体之间的热机械应力。平铺搭接最大限度地增加了连接臂与引脚的接触面积，避免了点接触带来的局部过热和电阻过大，提高了焊接良率和连接强度。

13、可选的，所述塑封体设有用于显露出所述引线框架本体的第一散热窗口、用于显露出所述金属夹片的第二散热窗口及多个用于显露出所述引脚的引脚通孔。

14、通过采用上述技术方案，通过第一散热窗口及第二散热窗口，消除了塑封料对散热的阻碍。这允许外部散热器或冷板直接与封装内部的金属接触，极大降低了热阻。这种半裸露结构通常比全包封结构更有利于控制封装总厚度。

15、可选的，所述引线框架本体位于所述第一散热窗口内的表面构成第一散热面，所述金属夹片位于所述第二散热窗口内的表面构成第二散热面。

16、 通过采用上述技术方案， 明确了散热接触面的存在，便于后续工艺（如在散热面上进行电镀、焊接散热器等）的操作。这种结构设计使得器件可以采用顶部散热贴装工艺，增加了应用场景的灵活性。

17、可选的，在所述引线框架本体与所述半导体芯片之间，所述半导体芯片与所述金属夹片之间及所述引脚与所述连接臂之间均设有焊料层。

18、通过采用上述技术方案，相比导电胶，焊料层（如锡膏、焊片）具有更高的热导率和电导率，适合功率半导体的严苛要求。焊料形成的金属间化合物提供了牢固的机械连接，确保在热循环冲击下结构不松动。

19、另一方面，本技术提供一种双面散热半导体封装器件的制备方法采用如下技术方案：

20、一种双面散热半导体封装器件的制备方法，包括：

21、s2、在引线框架本体及多个引脚上涂抹焊料层；

22、s3、将半导体芯片放置在所述引线框架本体上；

23、s4、在所述半导体芯片上涂抹焊料层；

24、s5、在所述半导体芯片上放置金属夹片本体，且连接臂搭接在所述引脚上；

25、s6、对所述引线框架本体、所述半导体芯片及所述金属夹片本体进行烘烤焊接；

26、s7、对所述引线框架本体、所述半导体芯片、所述金属夹片本体及所述连接臂进行塑封处理，形成包裹所述引线框架本体、所述半导体芯片及所述金属夹片本体及所述连接臂的塑封体，以形成封装器件；其中，所述金属夹片本体与所述引线框架本体的厚度比例范围为1.15:1-1.35:1。

27、通过采用上述技术方案，采用先贴装、后烘烤、再塑封的标准流派工艺，与现有表面贴装设备兼容性高。将焊接与塑封分工明确，确保在塑封料包裹之前，半导体芯片已经实现了可靠的电气连接，便于监控焊接质量。

28、可选的，在步骤s7中，所述封装器件开设有用于显露出所述引线框架本体的第一散热窗口及用于显露出所述金属夹片本体的第二散热窗口。

29、通过采用上述技术方案，在塑封过程中同步形成散热通孔，避免了后期机械加工损伤芯片的风险，保证了散热界面的清洁度和位置精度。

30、可选的，在步骤s2之前还包括：

31、s1、对晶圆进行划片处理，以形成多个所述半导体芯片。

32、通过采用上述技术方案，将工艺链向上游延伸，明确了半导体芯片的来源处理，使得制造方法的保护范围更加完整。

33、可选的，在步骤s7之后还包括：

34、s8、对露出所述塑封体的所述引线框架本体、所述引脚及所述金属夹片本体进行镀锡处理；

35、s9、对多个所述封装器件进行切筋处理；

36、s10、对所述封装器件进行测试；

37、s11、对所述封装器件进行包装。

38、通过采用上述技术方案，镀锡处理防止引脚氧化，并保证用户在pcb贴装时的焊接良率。切筋将引线框架条带分离成独立单元；测试剔除不良品，保证出货质量；包装便于运输和自动化贴片机取料。这些步骤将半成品转化为可直接商用的最终产品。

39、综上所述，本技术包括以下至少一种有益技术效果：

40、1.在半导体封装的回流焊和高温工作过程中，由于塑封体、引线框架、金属夹片及半导体芯片的热膨胀系数（cte）存在显著差异，且金属夹片一端延伸有连接臂，导致封装体内部的机械约束力与塑封料收缩体积呈现上下不对称性，极易产生复合热应力并导致封装器件翘曲变形。本技术将金属夹片本体与引线框架本体的厚度比例范围限定为1.15:1-1.35:1。该特定的厚度非对称设计能够有效补偿因连接臂带来的结构不对称性，使得整个封装器件在热力学形变中的中性应变面恰好平移并维持在半导体芯片的中心层。这一力学平衡设计有效抵消了封装热工艺中产生的复合热弯曲力矩，将封装器件的翘曲风险降至最低，大幅提升了引脚的共面度合格率。此外，翘曲的消除极大地降低了封装器件内部界面的受力剥离风险和半导体芯片的应力开裂风险，从而显著延长了封装器件在严苛高低温循环环境下的使用寿命；同时，采用大面积金属夹片代替传统金属线键合，为芯片上表面提供了极低热阻的传导路径，配合底部引线框架，实现了高效可靠的双面散热结构；

41、2.将尺寸量化，引线框架本体的厚度范围为200-600um，半导体芯片的厚度范围为50-200um及金属夹片本体的厚度范围为250-800um既保证了金属夹片本体的厚度与引线框架本体的厚度的比例范围为1.15:1-1.35:1得以实现，又确保了封装器件整体厚度符合现代电子产品轻薄化的需求。同时，250-800um的金属夹片足以应对常见功率器件的电流冲击；

42、3.弯折结构赋予了连接臂一定的弹性，在封装和温度循环过程中连接臂能作为缓冲弹簧，吸收半导体芯片、金属夹片和塑封体之间的热机械应力。平铺搭接最大限度地增加了连接臂与引脚的接触面积，避免了点接触带来的局部过热和电阻过大，提高了焊接良率和连接强度；

43、4.采用先贴装、后烘烤、再塑封的标准流派工艺，与现有表面贴装设备兼容性高。将焊接与塑封分工明确，确保在塑封料包裹之前，半导体芯片已经实现了可靠的电气连接，便于监控焊接质量。