封装结构及半导体装置的制作方法

1.本发明涉及半导体制造领域，特别是涉及一种基于引线框架的半导体元器件封装结构，还涉及一种基于所述封装结构的半导体装置。


背景技术：

2.对于基于引线框架(lead-frame)的封装结构，在一些应用场合要求封装结构具有良好的散热效果，并且需要有成本优势。


技术实现要素：

3.基于此，有必要提供一种基于引线框架的结构简单的双面散热封装结构。
4.一种封装结构，包括：引线框架，具有相对的第一面和第二面；金属层，相对所述第一面设置；金属柱，设于所述第一面与所述金属层之间；其中，所述金属柱支撑所述金属层并用于将所述管芯产生的热量传导至所述金属层，所述第一面包括管芯区，所述管芯区用于设置管芯。
5.上述封装结构，其引线框架的第二面已经实现单面散热。通过在引线框架的第一面的若干位置和/或直接在管芯上增设金属柱，从而有效地将热量从引线框架传导至金属层，实现双面散热。另一方面，上述封装结构使用成熟的封装材料，并且可以通过常用的封装工艺实现，相较于采用特殊的电绝缘膜的示例性方案，上述封装结构在实现了双面有效散热的同时，也具有成本优势。
6.在其中一个实施例中，各所述金属柱通过焊锡与所述引线框架和所述金属层连接。
7.在其中一个实施例中，各所述金属柱靠近所述管芯区设置。
8.在其中一个实施例中，所述多根金属柱包括设于所述第一面的第一金属柱、和设于所述第二面的第二金属柱，所述金属层包括与各所述第一金属柱连接的第一金属板、和与各所述第二金属柱连接的第二金属板。
9.在其中一个实施例中，各所述第一金属柱的至少一端设有绝缘导热介质，各所述第二金属柱的至少一端设有所述绝缘导热介质。
10.在其中一个实施例中，所述绝缘导热介质包括覆铜陶瓷基板。
11.在其中一个实施例中，各所述第一金属柱通过焊锡与所述第一金属层连接，各所述第一金属柱与所述引线框架之间设有所述绝缘导热介质；各所述第二金属柱通过焊锡与所述第二金属层连接，各所述第二金属柱与所述引线框架之间设有所述绝缘导热介质。
12.还有必要提供一种半导体装置。
13.一种半导体装置，包括管芯和封装结构，所述封装结构包括：引线框架，具有相对的第一面和第二面；多根金属柱，设于所述第一面上；金属层，设于各所述金属柱上；其中，各所述金属柱支撑所述金属层并用于将所述引线框架的热量传导至所述金属层，所述第一面包括管芯区，所述管芯区用于设置管芯。
14.在其中一个实施例中，各所述金属柱通过焊锡与所述引线框架和所述金属层连接。
15.在其中一个实施例中，各所述金属柱靠近所述管芯区设置。
16.在其中一个实施例中，所述多根金属柱包括设于所述第一面的第一金属柱、和设于所述第二面的第二金属柱，所述金属层包括与各所述第一金属柱连接的第一金属板、和与各所述第二金属柱连接的第二金属板。
17.在其中一个实施例中，各所述第一金属柱的至少一端设有绝缘导热介质，各所述第二金属柱的至少一端设有所述绝缘导热介质。
18.在其中一个实施例中，所述绝缘导热介质包括覆铜陶瓷基板。
19.在其中一个实施例中，各所述第一金属柱通过焊锡与所述第一金属层连接，各所述第一金属柱与所述引线框架之间设有所述绝缘导热介质；各所述第二金属柱通过焊锡与所述第二金属层连接，各所述第二金属柱与所述引线框架之间设有所述绝缘导热介质。
20.在其中一个实施例中，所述管芯与所述第一面通过焊锡连接。
21.在其中一个实施例中，所述多根金属柱设置在所述管芯的周围。
附图说明
22.为了更好地描述和说明这里公开的那些发明的实施例和/或示例，可以参考一幅或多幅附图。用于描述附图的附加细节或示例不应当被认为是对所公开的发明、目前描述的实施例和/或示例以及目前理解的这些发明的最佳模式中的任何一者的范围的限制。
23.图1是一实施例中封装结构的结构示意图；
24.图2是另一实施例中封装结构的结构示意图；
25.图3是又一实施例中封装结构的结构示意图。
具体实施方式
26.为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的首选实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容更加透彻全面。
27.除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
28.应当明白，当元件或层被称为“在...上”、“与...相邻”、“连接到”或“耦合到”其它元件或层时，其可以直接地在其它元件或层上、与之相邻、连接或耦合到其它元件或层，或者可以存在居间的元件或层。相反，当元件被称为“直接在...上”、“与...直接相邻”、“直接连接到”或“直接耦合到”其它元件或层时，则不存在居间的元件或层。应当明白，尽管可使用术语第一、第二、第三等描述各种元件、部件、区、层和/或部分，这些元件、部件、区、层和/或部分不应当被这些术语限制。这些术语仅仅用来区分一个元件、部件、区、层或部分与另一个元件、部件、区、层或部分。因此，在不脱离本发明教导之下，下面讨论的第一元件、部件、区、层或部分可表示为第二元件、部件、区、层或部分。
29.空间关系术语例如“在...下”、“在...下面”、“下面的”、“在...之下”、“在...之上”、“上面的”等，在这里可为了方便描述而被使用从而描述图中所示的一个元件或特征与其它元件或特征的关系。应当明白，除了图中所示的取向以外，空间关系术语意图还包括使用和操作中的器件的不同取向。例如，如果附图中的器件翻转，然后，描述为“在其它元件下面”或“在其之下”或“在其下”元件或特征将取向为在其它元件或特征“上”。因此，示例性术语“在...下面”和“在...下”可包括上和下两个取向。器件可以另外地取向(旋转90度或其它取向)并且在此使用的空间描述语相应地被解释。
30.在此使用的术语的目的仅在于描述具体实施例并且不作为本发明的限制。在此使用时，单数形式的“一”、“一个”和“所述/该”也意图包括复数形式，除非上下文清楚指出另外的方式。还应明白术语“组成”和/或“包括”，当在该说明书中使用时，确定所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但不排除一个或更多其它的特征、整数、步骤、操作、元件、部件和/或组的存在或添加。在此使用时，术语“和/或”包括相关所列项目的任何及所有组合。
31.这里参考作为本发明的理想实施例(和中间结构)的示意图的横截面图来描述发明的实施例。这样，可以预期由于例如制造技术和/或容差导致的从所示形状的变化。因此，本发明的实施例不应当局限于在此所示的区的特定形状，而是包括由于例如制造导致的形状偏差。例如，显示为矩形的注入区在其边缘通常具有圆的或弯曲特征和/或注入浓度梯度，而不是从注入区到非注入区的二元改变。同样，通过注入形成的埋藏区可导致该埋藏区和注入进行时所经过的表面之间的区中的一些注入。因此，图中显示的区实质上是示意性的，它们的形状并不意图显示器件的区的实际形状且并不意图限定本发明的范围。
32.示例性的引线框架(lead-frame)封装在不考虑电绝缘的情况下，为了获得更好的散热效果，引线框架是裸露的。概括而言，引线框架封装有两类结构形式：(1)单面散热——通过引线键合(wire-bond)或者铜片桥接(copper clip)的方式连接；(2)双面散热——通过铜片桥接的方式连接。上述两类结构虽然实现了封装的单面或双面的有效散热，但引线框架没有电隔离，因此在使用中需要解决电绝缘的问题。
33.在考虑电绝缘的情况下，引线框架封装有两种示例性方法：(1)用塑封材料将引线框架封装起来，实现电绝缘。但该方法由于热阻较大，不适合中、大功率模块产品；(2)采用特殊的导热性能优异的电绝缘薄膜实现电绝缘，虽然其热阻相对方法(1)明显减小，使得引线框架封装可以应用在中功率模块产品，但是成本较高，并且该类特殊的导热性能优异的电绝缘薄膜往往会被研发厂商视为核心技术而被排他性地使用。
34.对于功率模块产品封装而言，由于引线框架封装的上述局限，虽然引线框架封装成本低，工艺成熟，但目前引线框架封装通常仅限于用在小功率的功率模块封装产品。中、大功率模块产品则要用到金属基板pcb(隔离金属衬底ims)或者陶瓷基板封装。
35.本技术的发明目的是解决引线框架封装的有效的双面冷却问题，同时提出的解决方案要求具有成本优势。从而使得引线框架封装能够成为有市场竞争力的中、大功率模块产品的封装方案。
36.本技术首先提供一种不考虑电绝缘的基于引线框架的半导体元器件双面冷却封装结构。图1是一实施例中封装结构的结构示意图。在该实施例中，封装结构包括引线框架110、多根金属柱120(图1中示出了两根金属柱120)及金属层130。
37.引线框架110具有相对的第一面111和第二面113。各金属柱120设于引线框架110上，金属柱120的底部固定在引线框架110的第一面111。金属层130设于各金属柱120上，通过金属柱120对金属层130进行支撑。金属层130可以是金属板。图1还示出了管芯(die)在封装结构中的位置。具体地，管芯20设置在引线框架110的第一面111的管芯区(图1中未标示)上。
38.在图1所示的实施例中，管芯20与第一面111通过焊锡112连接，管芯20工作产生的热量传导到引线框架110中，而各金属柱120可以将引线框架110的热量传导至金属层130，从而实现双面散热。
39.上述封装结构，引线框架110的第二面113已经实现单面散热(无电绝缘)。通过在引线框架110的第一面111的若干位置(尤其是热源附近)增设金属柱120，从而有效地将热量从引线框架110传导至金属层130，实现双面散热。另一方面，该封装结构使用成熟的封装材料，并且可以通过常用的封装工艺实现，相较于采用特殊的电绝缘膜的示例性方案，上述封装结构在实现了双面有效散热的同时，也具有成本优势。
40.在图1所示的实施例中，各金属柱130的底部通过焊锡122与引线框架110连接、顶部通过焊锡122与金属层130连接。
41.在本技术的一个实施例中，还可以在引线框架110的第二面113和/或金属层130的顶面安装散热器，以帮助散热。散热器可以包括散热鳍片、半导体制冷片、导热硅胶等。
42.在本技术的一个实施例中，各金属柱120靠近管芯20设置。进一步地，各金属柱120设置在管芯20的周围。在本技术的一个实施例中，一部分金属柱120的一端连接金属层130、另一端连接管芯20。金属柱120直接设置在管芯20上，导热性能可以进一步提高。但对于部分管芯结构，难以将金属柱120直接设置在管芯上。在本技术的一个实施例中，直接设置在管芯上的金属柱120可以不与金属层130连接。
43.上述任一实施例所述的封装结构可以应用于分立元器件，也可以应用于模块产品(例如功率模块)，使得引线框架封装能够作为中、大功率模块产品有市场竞争力的封装方案。
44.图2是另一实施例中封装结构的结构示意图。在该实施例中，封装结构包括引线框架210、多根第一金属柱222、多根第二金属柱224(图2中示出了两根第一金属柱222和两根第二金属柱224)、第一金属层232及第二金属层234。引线框架210具有相对的第一面211和第二面213。各第一金属柱222设于第一面211，各第二金属柱224设于第二面213。第一金属柱222的底部固定在引线框架210的第一面211，第二金属柱224的顶部固定在引线框架210的第二面213。第一金属层232设于各第一金属柱222上，通过第一金属柱222对第一金属层232进行支撑。第二金属层234设于各第二金属柱224底部，第二金属层234与引线框架210之间通过各第二金属柱224连接。第一金属层232和第二金属层234可以是金属板。图2还示出了管芯在封装结构中的位置。具体地，管芯20设置在引线框架210的第一面211的管芯区(图2中未标示)上。
45.上述封装结构，通过在引线框架210的第一面211的若干位置(尤其是热源附近)增设第一金属柱222，在引线框架210的第二面213的若干位置(尤其是热源附近)增设第二金属柱224，从而有效地将热量从引线框架210传导至第一金属层232和第二金属层234，实现双面散热。另一方面，该封装结构使用成熟的封装材料，并且可以通过常用的封装工艺实
现，相较于采用特殊的电绝缘膜的示例性方案，上述封装结构在实现了双面有效散热的同时，也具有成本优势。
46.在图2所示的实施例中，第一金属柱222的底部通过焊锡221与引线框架210连接、顶部通过焊锡221和与第一金属层232连接；第二金属柱224的顶部通过焊锡221与引线框架210连接、底部通过焊锡221与第二金属层234连接。
47.在本技术的一个实施例中，还可以在第一金属层232的顶面和/或第二金属层234的底面安装散热器，以帮助散热。散热器可以包括散热鳍片、半导体制冷片、导热硅胶等。
48.上述任一实施例所述的封装结构可以应用于分立元器件，也可以应用于模块产品(例如功率模块)，使得引线框架封装能够作为中、大功率模块产品有市场竞争力的封装方案。
49.图3是又一实施例中封装结构的结构示意图，该实施例应用于需要实现电绝缘的产品。在该实施例中，封装结构包括引线框架210、多根第一金属柱222、多根第二金属柱224(图3中示出了两根第一金属柱222和两根第二金属柱224)、第一金属层232及第二金属层234。引线框架210具有相对的第一面211和第二面213。各第一金属柱222设于第一面211，各第二金属柱224设于第二面213。第一金属柱222的底部固定在引线框架210的第一面211，第二金属柱224的顶部固定在引线框架210的第二面213。第一金属层232设于各第一金属柱222上，通过第一金属柱222对第一金属层232进行支撑。第二金属层234设于各第二金属柱224底部，第二金属层234与引线框架210之间通过各第二金属柱224连接。第一金属层232和第二金属层234可以是金属板。图3还示出了管芯在封装结构中的位置。具体地，管芯20设置在引线框架210的第一面211的管芯区(图3中未标示)上。
50.在本技术的一个实施例中，各第一金属柱222的至少一端设有绝缘导热介质(即在第一金属柱222的底部与引线框架210之间设置绝缘导热介质，和/或在第一金属柱222的顶部与第一金属层232之间设置绝缘导热介质)；各第二金属柱242的至少一端设有绝缘导热介质(即在第二金属柱224的顶部与引线框架210之间设置绝缘导热介质，和/或在第二金属柱224的底部与第二金属层234之间设置绝缘导热介质)。
51.在图3所示的实施例中，绝缘导热介质为覆铜陶瓷基板(direct copper bond，dcb)242。参见图3，第一金属柱222通过焊锡221与第一金属层连接，第一金属柱222与引线框架210之间设有覆铜陶瓷基板242；第二金属柱224通过焊锡221与第二金属层234连接，第二金属柱224与引线框架210之间设有覆铜陶瓷基板242。
52.在图3所示的实施例中，管芯20与第一面211通过焊锡212连接，管芯20工作产生的热量传导到引线框架110中。通过在各第一金属柱222的至少一端和各第二金属柱224的至少一端设置绝缘导热介质，提供绝缘隔离，使得第一金属层232和第二金属层234与引线框架210上的管芯20之间实现电气绝缘。
53.覆铜陶瓷基板具有高效导热特性，但覆铜陶瓷基板定制设计的成本相对较高。在图3所示的封装结构中，覆铜陶瓷基板设置在第一金属柱222和第二金属柱224的一端，因此可以使用通用的覆铜陶瓷基板结构件。这样既利用了覆铜陶瓷基板的电隔离特性和高效导热特性，又大大降低了覆铜陶瓷基板花费的成本。虽然图3所示实施例中部分放置覆铜陶瓷基板结构件的散热效果没有全部覆铜陶瓷基板设计的散热效果好，但是最有效的散热区域就是管芯下方及其附近。图3所示实施例就是在这些最有效的散热区域放置覆铜陶瓷基板
结构件，同时上述封装结构可以提供双面散热，这样就比传统的覆铜陶瓷基板结构的散热有优势。
54.上述封装结构，通过在引线框架210的第一面211的若干位置(尤其是热源附近)增设第一金属柱222，在引线框架210的第二面213的若干位置(尤其是热源附近)增设第二金属柱224，从而有效地将热量从引线框架210传导至第一金属层232和第二金属层234，实现双面散热。另一方面，该封装结构使用成熟的封装材料，并且可以通过常用的封装工艺实现，相较于采用特殊的电绝缘膜的示例性方案，上述封装结构在实现了双面有效散热的同时，也具有成本优势。
55.在本技术的一个实施例中，一部分第一金属柱222的一端连接第一金属层232、另一端连接管芯20。第一金属柱222直接设置在管芯20上，导热性能可以进一步提高。但对于部分管芯结构，难以将第一金属柱222直接设置在管芯上。在本技术的一个实施例中，直接设置在管芯上的第一金属柱222可以不与第一金属层232连接。
56.在本技术的一个实施例中，还可以在第一金属层232的顶面和/或第二金属层234的底面安装散热器，以帮助散热。散热器可以包括散热鳍片、半导体制冷片、导热硅胶等。
57.上述任一实施例所述的封装结构可以应用于分立元器件，也可以应用于模块产品(例如功率模块)，使得引线框架封装能够作为中、大功率模块产品有市场竞争力的封装方案。
58.本技术相应提供一种采用前述任一实施例所述的封装结构进行封装的半导体装置，其包括管芯，还包括如前述任一实施例所述的封装结构。
59.在本技术的一个实施例中，所述封装结构包括：引线框架，具有相对的第一面和第二面；多根金属柱，设于所述引线框架上；金属层，设于各所述金属柱上；其中，各所述金属柱支撑所述金属层并用于将所述引线框架的热量传导至所述金属层，所述第一面包括管芯区，所述管芯区用于设置管芯。
60.在本技术的一个实施例中，各所述金属柱通过焊锡与所述引线框架和所述金属层连接。
61.在本技术的一个实施例中，各所述金属柱靠近所述管芯区设置。
62.在本技术的一个实施例中，所述多根金属柱包括设于所述第一面的第一金属柱、和设于所述第二面的第二金属柱，所述金属层包括与各所述第一金属柱连接的第一金属板、和与各所述第二金属柱连接的第二金属板。
63.在本技术的一个实施例中，各所述第一金属柱的至少一端设有绝缘导热介质，各所述第二金属柱的至少一端设有所述绝缘导热介质。
64.在本技术的一个实施例中，所述绝缘导热介质包括覆铜陶瓷基板。
65.在本技术的一个实施例中，各所述第一金属柱通过焊锡与所述第一金属层连接，各所述第一金属柱与所述引线框架之间设有所述绝缘导热介质；各所述第二金属柱通过焊锡与所述第二金属层连接，各所述第二金属柱与所述引线框架之间设有所述绝缘导热介质。
66.在本技术的一个实施例中，所述管芯与所述第一面通过焊锡连接。
67.在本技术的一个实施例中，所述多根金属柱设置在所述管芯的周围。
68.在本说明书的描述中，参考术语“有些实施例”、“其他实施例”、“理想实施例”等的
描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特征包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性描述不一定指的是相同的实施例或示例。
69.以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
70.以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。