一种半导体封装结构及其制造方法

技术领域

本申请涉及半导体技术领域，特别涉及一种半导体封装结构及制造方法。

背景技术

在当前电力电子器件市场中，功率模块封装凭借更高的功率密度和优异的可靠性能而迅速崛起。然而，由于封装成本比分立器件高得多，因此在某些应用领域的使用仍然受到限制。

目前的功率模块的封装结构，通常将芯片都焊接到DBC(Direct Bonding Copper)基板上，DBC基板的表面被印刷形成电路结构，以实现芯片的连接，同时也可以使芯片之间以及芯片与散热器之间实现隔离。

但是，DBC基板的成本较高，且采用DBC基板进行封装的过程，至少包括半导体芯片的焊接、引线键合、端子键合、绝缘体注塑等过程，并且半导体芯片的焊接、引线键合、端子键合等过程的UPH(Unit Per Hour，每小时产出)较低，例如引线键合过程，一根引线的键合至少需要3秒～5秒，而通常一个功率器件需要数百条线来焊接，浪费大量的时间。

发明内容

鉴于上述问题，本申请的目的在于提供一种半导体封装结构及制造方法，采用金属注入成型工艺形成框架，且在金属注入成型工艺形成的过程中直接与半导体芯片电连接，使得封装结构的总体成本以及生产封装结构的设备成本均大大降低，形成封装结构的工艺步骤进一步简化。

根据本发明的一方面，提供一种半导体封装结构的制造方法，应用于半导体芯片的封装，包括：将所述半导体芯片置于第一模具中，采用金属注射工艺形成框架，所述框架包括端子，所述端子的一端与所述半导体芯片电连接；将所述半导体芯片和所述框架置于第二模具中，采用注塑工艺形成绝缘体，所述绝缘体包裹所述框架以及所述半导体器件，且暴露出所述端子的至少部分。

根据本发明的另一方面，提供一种半导体封装结构，所述半导体器件包括半导体芯片以及封装结构，所述封装结构包括：框架，所述框架包括端子，所述端子的一端与所述半导体芯片电连接；以及绝缘体，包裹所述框架以及所述半导体器件，且暴露出所述端子部的至少部分；其中，所述框架为金属框架，经由金属注射工艺形成。

附图说明

通过以下参照附图对本申请实施例的描述，本申请的上述以及其他目的、特征和优点将更为清楚：

图1a示出了一实施例的半导体封装结构的结构示意图；

图1b示出了一实施例的半导体封装结构中去除绝缘体以及散热体之后的结构示意图；

图2a至图2f示出了图1a和图1b所示的半导体器件封装结构的制造方法中各个阶段的示意图；

图3为本申请第一实施例的半导体封装结构的示意图；

图4为本申请第一实施例的框架与半导体芯片结合在一起的结构示意图；

图5为本申请第二实施例的半导体封装结构的示意图；

图6为本申请第二实施例的框架与半导体芯片结合在一起的结构示意图；

图7a至图7e为本申请第二实施例的半导体封装结构的制造过程中各个阶段的示意图。

具体实施方式

以下在各个附图中，相同的元件采用类似的附图标记表示。为了清楚起见，附图中的各个部分没有按比例绘制。此外，可能未示出某些公知的部分。为了简明起见，可以在一幅图中描述经过数个步骤后获得的半导体结构。

在描述器件的结构时，当将一层、一个区域称为位于另一层、另一个区域“上面”或“上方”时，可以指直接位于另一层、另一个区域上面，或者在其与另一层、另一个区域之间还包含其它的层或区域。并且，如果将器件翻转，该一层、一个区域将位于另一层、另一区域“下面”或“下方”。

如果为了描述直接位于另一层、另一区域上面的情形，本文将采用“直接在……上面”或“在……上面并与之邻接”的表述方式。

图1a示出了一实施例的半导体封装结构的结构示意图，图1b示出了一实施例的半导体封装结构中去除绝缘体以及散热体之后的结构示意图；如图1a和图1b所示，半导体器件包括半导体芯片110以及封装结构，封装结构包括DBC(Direct Bonding Copper)基板121、端子124、引线125、绝缘体122以及散热体123。

DBC基板121包括层叠的第一金属层1211、绝缘层1212和第二金属层1213。第一金属层1211被印刷形成电路结构，半导体芯片110位于DBC基板121上，并且与DBC基板121上的第一金属层1211接触。端子124的一端经由DBC基板121上的第一金属层1211与半导体芯片110导电连接。引线125的一端直接或者经由DBC基板121上的第一金属层1211与一个半导体芯片110连接，另一端直接或者经由DBC基板121上的第一金属层1211与另一个半导体芯片110连接，引线125用于半导体芯片110之间的导电连接。

绝缘体122包裹DBC基板121、端子124、引线125以及半导体芯片110，且暴露出端子124的至少一部分以及第二金属层1213的表面。DBC基板121位于散热体123上，且经由绝缘体122暴露出来的第二金属层1213与散热体123接触。DBC基板121用于半导体芯片110的电连接，并且隔离半导体芯片110与散热体123。

图2a至图2f示出了图1a和图1b所示的半导体器件封装结构的制造方法中各个阶段的示意图。

如图2a所示，在DBC基板121上形成焊锡126。DBC基板121的包括层叠的第一金属层1211、绝缘层1212和第二金属层1213，第一金属层1211被印刷形成电路结构，焊锡形成于DBC基板121的第一金属层1211上。

如图2b所示，将半导体芯片110经由焊锡与DBC基板121的第一金属层1211键合。

如图2c所示，引线125键合，通过引线125将多个半导体芯片110中的至少两个半导体芯片110导电连接。将引线125的一端直接或者经由DBC基板121上的第一金属层1211与一个半导体芯片110连接，另一端直接或者经由DBC基板121上的第一金属层1211与另一个半导体芯片110连接，通过引线125用于半导体芯片110之间的导电连接。

如图2d所示，形成端子124。将端子124的一端焊接于DBC基板121上的第一金属层1211表面，端子124的一端与DBC基板121上的第一金属层1211接触，经由DBC基板121上的第一金属层1211与半导体芯片110导电连接。

如图2e所示，采用注塑工艺形成绝缘体122。绝缘体122包裹基板121、端子124、引线125以及半导体芯片110，且暴露出端子124远离DBC基板121的一端和第二金属层1213的表面。

如图2f所示，将DBC基板121固定于散热体123上，DBC基板121经由绝缘体122暴露出来的第二金属层1213与散热体123接触。

本实施例中，采用DBC基板实现半导体芯片110的封装，DBC基板的成本较高，且采用DBC基板进行封装的过程，至少包括半导体芯片的焊接、引线键合、端子键合、绝缘体注塑等过程，并且半导体芯片的焊接、引线键合、端子键合等过程的UPH(Unit Per Hour，每小时产出)较低，例如引线键合过程，一根引线的键合至少需要3秒～5秒，而通常一个功率器件需要数百条线来焊接，浪费大量的时间。

图3为本申请第一实施例的半导体封装结构的示意图，图4为本申请第一实施例的框架与半导体芯片结合在一起的结构示意图；本实施例中，半导体器件例如为功率半导体器件，但不限于此。如图3和图4所示，本实施例中，半导体器件包括一个半导体芯片210以及封装结构，封装结构包括框架220、绝缘体230以及散热体240，其中，框架220为金属框架，采用金属注入成型(Metal Injection Molding，MIM)工艺形成。

框架220包括端子221，端子221的一端与半导体芯片210电连接，端子221远离半导体芯片210的一端作为半导体芯片210的引脚，与外界电连接，即半导体芯片210通过端子221与外界电连接。端子221与半导体芯片210的底面电连接时，端子221包括端子部221a以及与端子部221a连接的第一支撑部221b，第一支撑部221b与半导体芯片210电连接的同时支撑半导体芯片210以及端子部221a。端子221与半导体芯片210的顶面电连接时，端子221包括端子部221a以及与端子部221a连接的第二支撑部221c，第二支撑部221c支撑端子部221a。

端子221采用金属注入成型(Metal Injection Molding，MIM)工艺形成，且在金属注入成型(Metal Injection Molding，MIM)工艺过程中直接与半导体芯片210电连接。

绝缘体230包裹半导体芯片210以及框架220，且暴露出端子221远离半导体芯片210的一端。本实施例中，绝缘体230暴露出远离半导体芯片210的端子部221a，半导体芯片210经由端子部221a与外界导电连接。

经由绝缘体230包裹的半导体芯片210和框架220设置于散热体240上，且经由绝缘体230与散热体240隔离。

本实施例中，将端子221的结构设置为包括端子部和支撑部，以保证框架的稳定性，在其他实施例中，端子221还可以只包括端子部，可以根据需要对端子的形状以及尺寸等进行设置，本实施例对此不做限制。

本实施例中，框架采用金属注入成型工艺形成，框架采用金属材料，相对于DBC基板、端子、引线的组合，金属框架的结构简单，且成本较低。

图5为本申请第二实施例的半导体封装结构的示意图，图6为本申请第二实施例的框架与半导体芯片结合在一起的结构示意图。如图5和图6所示，与第一实施例不同的是，本实施例中，半导体器件包括多个半导体芯片210以及封装结构，封装结构包括框架220、绝缘体230以及散热体240，其中，框架220为金属框架，采用金属注入成型工艺形成。

本实施例中，框架220包括端子221以及引线222，端子221的一端与多个半导体芯片210的任意一个电连接，端子221远离半导体芯片210的一端作为半导体芯片210的引脚，与外界电连接，即半导体芯片210通过端子221与外界电连接。其中，框架220的端子221以及引线222采用金属注入成型(Metal Injection Molding，MIM)工艺形成。

引线222连接多个半导体芯片中的任意两个芯片，实现多个半导体芯片中的任意两个芯片的导电连接。引线222的一端与一个半导体芯片210连接，另一端与另一个半导体芯片210连接，当引线222的其中一端与一个半导体芯片210的底部连接时，引线222包括引线部222a和第三支撑部222b，第三支撑部222b在与该半导体芯片210的底部电连接的同时支撑该半导体芯片210。

端子221与半导体芯片210的底面电连接时，端子221包括端子部221a以及与端子部221a连接的第一支撑部221b，第一支撑部221b与半导体芯片210电连接的同时支撑半导体芯片210以及端子部221a。端子221与半导体芯片210的顶面电连接时，端子221包括端子部221a以及与端子部221a连接的第二支撑部221c，第二支撑部221c支撑端子部221a。引线222的其中一端与一个半导体芯片210的底部连接时，引线222包括引线部222a和第三支撑部222b，第三支撑部222b在与该半导体芯片210的底部电连接的同时支撑该半导体芯片210。

图7a至图7e为本申请第二实施例的半导体封装结构的制造过程中各个阶段的示意图。

如图7a所示，将金属材料310和粘结剂320混合，形成金属材料和粘结剂的混合物330，并对金属材料和粘结剂的混合物330进行造粒。

本实施例中，金属材料例如为铜，粘合剂例如为树脂粘合剂，金属材料和粘结剂的混合物中，金属材料的质量比为90％～98％。

如图7b所示，将半导体芯片210置于第一模具中，将金属材料和粘结剂的混合物加热至液态，并将液态的混合物注入至第一模具中，之后冷却成型，得到框架220的胚体220’。

如图7c所示，对所述胚体进行脱脂处理。其中，胚体中的粘合剂通过脱脂工艺去除，胚体中只保留金属材料，以及对所述胚体进行烧结处理，得到框架220。在一个具体的实施例中，烧结的温度例如为1100℃～1300℃。

具体地，形成的框架220包括端子221以及引线222，端子221的一端与半导体芯片210电连接，端子221远离半导体芯片210的一端作为半导体芯片210的引脚，与外界电连接，即半导体芯片210通过端子221与外界电连接。引线222连接多个半导体芯片中的任意两个芯片，实现多个半导体芯片中的任意两个芯片的导电连接。

如图7d所示，将半导体芯片和框架置于第二模具中，采用注塑工艺形成绝缘体230，绝缘体230包裹框架220以及半导体芯片210，且暴露出端子部221的至少部分。

如图7e所示，将半导体芯片210以及封装结构安装于散热结构240上，框架220以及半导体芯片210经由绝缘体230与散热结构240绝缘隔离。

采用金属注入成型工艺形成框架，且在金属注入成型工艺形成的过程中直接与半导体芯片电连接，使得封装结构的总体成本(包括材料成本、工艺成本以及其他成本)、形成封装结构的工艺步骤以及生产封装结构的设备成本均大大降低。在一个具体地实施例中，相对采用DBC基板的封装结构，本申请的封装结构的总体成本(包括材料成本、工艺成本以及其他成本)下降58％，工艺步骤简化了50％，设备成本降低了60％。

依照本申请的实施例如上文所述，这些实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施例。显然，根据以上描述，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本申请的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地利用本申请以及在本申请基础上的修改使用。本申请仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。