功率半导体封装方法和结构技术

一种半导体芯片封装结构，包括电介质膜（１０），该电介质膜（１０）具有与至少一个功率半导体芯片（２１）的一个或多个接触垫（２２）和（２３）对准的一个或多个通孔（１１）。邻近电介质膜（１０）的图案化的导电层（４０）具有一个或多个导电柱（４１），其延伸通过与接触垫（２２）和（２３）对准的该一个或多个通孔（１１），以将导电层（４０）电耦接至接触垫（２２）和（２３）。在特定实施例中，可在电介质膜（１０）和该至少一个功率半导体芯片（２１）的有源表面（２４）之间形成一个或多个空气隙（９１）。还公开了用于制备该半导体芯片封装结构的方法。

【技术实现步骤摘要】

本申请总体上涉及用于封装功率半导体器件的结构和方法。
技术介绍
宽带隙半导体器件，例如SiC器件，对于一些功率电子应用具有在高度升高的温度下工作的能力，而没有使器件的性能退化或产生限制工作寿命的失效机制。该性质具有使得在高温环境下高功率工作、而不需要如果必须保持较低的工作温度所需要的昂贵的冷却结构和材料的潜在优点。然而，在高温下运行宽带隙功率器件对封装、组装、互连材料、工艺和结构有严格的限制。过去，设计了半导体封装技术用于硅和砷化镓器件的已知温度限制，其接近125℃至150℃范围。用于这种器件的封装结构一般并入聚合物材料和线接合互连技术，其可以在较低的温度下使用而没有承受热损伤。并入这些技术的封装结构一般不能经受相对高温度的连续曝光，而没有遇到退化和可靠性的问题。传统的封装技术一般采用有机粘附层，其一般具有相对高的CTE值，例如从约30变化到约60ppm/C。对于涉及很冷温度或宽热循环的应用，使用这些有机粘附层会对封装结构产生不希望有的热应力水平。由于聚合物易于吸收湿气，所以在未密闭密封的封装结构中使用聚合物还会产生高湿气环境的问题。吸收湿气会具有不希望有的效应，包括升高聚合物的介电常数和增加寄生电容。没有包含有机聚合物材料的封装方式一般是复杂的、昂贵的且具有差的电性能。这些无机基的封装通常是装配到陶瓷基板上的线接合器件，其包括装配在垫下面的一个或多个互连结构和管芯。然而，在陶瓷基板上并入互连结构一般会导致使用非最佳的导热陶瓷基板材料，其又会产生具有非最佳热通路的模块。而且，线接合器件具有许多缺点，包括高串联电阻、高电感、高水平的电磁干扰(EMI)、施加到器件的机械应力、和聚集在器件表面上的电流。线接合组装的其它缺点包括需要大的封装高度和大的基板占用空间来容纳基板上的线接合垫。另外，由于许多原因，包括线接合的形状、一般用于制作接合的金金属和接合本身的极度脆性，用电介质涂敷线接合来获得电压隔离可能是很难的。由于用于研究高功率应用所使用的相对高的电流和电压的原因，所以获得线接合的电介质隔离的困难越发变成一个问题。
技术实现思路
本申请针对多种功率半导体封装结构和制造封装结构的方法。公开的各个实施例可具有一个或多个以下优点在涉及宽的热循环或高的湿气环境下的应用期间，去除有机粘附材料和/或其它有机材料可能在某些升高的温度下限制器件工作或产生不希望有的应力；采用一个或多个空气隙作为部分电介质结构；封装互连结构产生减小的寄生电容；坚固的互连结构能够耐受由在升高的温度下操作引起的热应力；在平面状电介质膜上形成封装互连结构；没有性能受限的线接合互连该芯片至互连结构；或低的热阻冷却通路。本申请的一个实施例针对一种制备功率半导体芯片封装结构的方法。该方法包括提供具有第一表面和第二表面的电介质膜。还提供了具有有源表面和相对的背表面的至少一个功率半导体芯片，该有源表面具有一个或多个接触垫。邻近电介质膜的第一表面施加粘合层，并且通过使有源表面与粘附层物理接触，将电介质膜粘附到该至少一个功率半导体芯片的有源表面上。邻近电介质膜的第二表面形成图案化的导电层，该导电层延伸通过形成在电介质膜中的一个或多个通孔，以电接触该一个或多个接触垫。去除粘附层，以在电介质膜和该至少一个功率半导体芯片的有源表面之间形成一个或多个空气隙。本申请的另一实施例针对一种功率半导体芯片封装结构，包括具有有源表面和相对的背表面的至少一个功率半导体芯片，该有源表面具有一个或多个接触垫。电介质膜与功率半导体芯片相邻，该电介质膜具有与该一个或多个接触垫对准的一个或多个通孔。图案化的导电层与电介质膜相邻，该导电层具有一个或多个导电柱，其延伸通过与接触垫对准的一个或多个通孔以将导电层电耦接至接触垫。一个或多个空气隙位于电介质膜和该至少一个功率半导体芯片的有源表面之间。在实施例的详细描述中将更充分地论述这些和其它实施例。附图说明附图，其并入和构成该说明书的一部分，示出了示范性实施例，其和书面描述一起，用于说明本专利技术的原理。要理解，对于各图所选择的特定视图仅是为了说明的目的，并且不旨在限制本专利技术的范围。各图通常仅是描述的器件的相关部分的图，并且足够详细以说明有关该申请的概念。另外，各图中结构的特定定向不旨在表示制备期间结构的定向，并且不应当被解释为限制了权利要求。在图中图1和2是根据本申请的一个实施例，具有多个通孔的电介质膜的顶侧图和截面图。图3是根据本申请的一个实施例，电介质膜和功率半导体芯片以及施加到该电介质膜的底表面上的粘附层的截面图。图4是根据本申请的一个实施例，利用粘附层附着到电介质膜上的功率半导体芯片的截面图。图5是根据本申请的一个实施例，在导电层邻近电介质膜形成并形成在通孔中以与功率半导体芯片形成电接触之后，图4的封装结构的截面图。图6是根据本申请的一个实施例，在图案化导电层之后图5的封装结构的截面图。图7是根据本申请的一个实施例，与功率基板对准的图6的封装结构的截面图。图8是根据本申请的一个实施例，在封装结构附着到功率基板上之后，图7的封装结构的截面图。图9A是根据本申请的一个实施例，在去除了粘附层之后，图8的封装结构的截面图。图9B是根据本申请的一个实施例，示出空气隙的图9A中所示的封装结构的一部分的放大图。图10和11是根据本申请的实施例，与图8的实施例相似的封装结构的截面图，其包括沿着电介质膜和功率基板之间的功率半导体芯片一侧设置的一个或多个导电隔离物。图12A至12C示出了根据本申请的一个实施例，在与图10所示相似的封装结构上方形成多级互连结构的方法的截面图。图13至16示出了根据本申请的一个实施例，多芯片功率模块的各顶视图和侧视图。图17示出了根据本申请的另一实施例，除了已去除电介质膜之外，与图9中所示出的实施例相似的封装结构的截面图。图18至20示出了形成根据本申请的另一实施例的封装结构的方法的截面图，除了在形成导电层之前在第一电介质膜上形成第二电介质膜以及随后去除粘附层和第一电介质膜之外，其与图3、6和9的实施例相似。图21示出了根据本申请的另一实施例，除了粘附层结构上改变成高温稳定的玻璃之外，与图8的封装结构相似的封装结构的截面图。图22A至23B示出了根据本申请的实施例，形成导电隔离物的方法，其可用于图10和11中所示的封装结构。图24是根据本申请的一个实施例，图5的封装结构的截面图，描绘了邻近电介质膜形成并形成在通孔中以与功率半导体芯片形成电接触的多层导电层。具体实施例方式在以下描述中，参考附图，这些附图借助说明示出了其中可实施本专利技术的具体示范性实施例。足够详细地描述这些实施例，以能够使本领域技术人员实施本专利技术，并且要理解，可利用其它实施例并且在不脱离本专利技术的范围的情况下可进行改变。因此，以下描述不应被理解为限制意义。无论在什么地方，整个附图中使用相同的参考数字来表示相同或相似的部分。其中，可连续使用任何给定的半导体封装结构的温度取决于在封装结构中使用的材料和该结构耐受热应力的能力。一般而言，无机材料通常能够比有机材料耐受的温度高，且通常具有较低的热膨胀系数(CTE)，其可能导致封装结构中较低的热应力水平。然而，由于有机材料相比于仅使用无机封装通常导致减少的成本，所以希望使用工作温度允许的有机材料。因此，由于在最终结构中使用本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种制备功率半导体芯片封装结构的方法，包括：　　　　提供具有第一表面和第二表面的电介质膜（１０）；　　　　提供具有有源表面（２４）和相对的背表面（２５）的至少一个功率半导体芯片（２１），该芯片（２１）具有在有源表面（２４）上的一个或多个接触垫（２２）和（２３）；　　　　邻近电介质膜（１０）的第一表面施加粘附层（２０）；　　　　通过使该有源表面与粘附层（２０）物理接触，将电介质膜（１０）粘附到该至少一个功率半导体芯片（２１）的有源表面；　　　　邻近电介质膜（１０）的第二表面形成图案化的导电层（４０），该导电层（４０）延伸通过形成在电介质膜（１０）中的一个或多个通孔（１１），以形成与该一个或多个接触垫（２２）和（２３）的电接触；以及　　　　去除粘附层（２０），以在电介质膜（１０）和该至少一个功率半导体芯片（２１）的有源表面（２４）之间形成一个或多个空气隙（９１）。

【技术特征摘要】
US 2005-8-17 11/2059031.一种制备功率半导体芯片封装结构的方法，包括提供具有第一表面和第二表面的电介质膜(10)；提供具有有源表面(24)和相对的背表面(25)的至少一个功率半导体芯片(21)，该芯片(21)具有在有源表面(24)上的一个或多个接触垫(22)和(23)；邻近电介质膜(10)的第一表面施加粘附层(20)；通过使该有源表面与粘附层(20)物理接触，将电介质膜(10)粘附到该至少一个功率半导体芯片(21)的有源表面；邻近电介质膜(10)的第二表面形成图案化的导电层(40)，该导电层(40)延伸通过形成在电介质膜(10)中的一个或多个通孔(11)，以形成与该一个或多个接触垫(22)和(23)的电接触；以及去除粘附层(20)，以在电介质膜(10)和该至少一个功率半导体芯片(21)的有源表面(24)之间形成一个或多个空气隙(91)。2.如权利要求1的方法，进一步包括邻近第一电介质膜的第二表面形成第二电介质膜(181)，以在形成导电层(40)之前提供多层电介质(180)，使得在该形成步骤期间邻近多层电介质(180)的第二电介质膜(181)来形成导电层(40)；以及除了去除粘附层(20)以外还去除第一电介质膜(10)，以形成该一个或多个空气隙(91)，在去除第一电介质膜(10)之后，剩下第二电介质膜(181)作为封装结构的一部分。3.如权利要求1的方法，进一步包括去除电介质膜(10)。4.一种功率半导体芯片封装结构，包括具有有源表面(24)和相对的背表面(25)的至少一个功率半导体芯片(21)，该芯片(21)具有在有源表面(24)上的一个或多个接触垫(22)和(23)；邻近功率半导体芯片(21)的电介质膜(10)，该电介质膜(10)具有与该一个或多个接触垫(22)和(23)对准的一个或多个通孔(11)；邻近电介质膜(10)的图案化的导电层(40)，该导电层(40)具有一个或多个导电柱(41)，其延伸通过与接触垫(22)和(23)对准的该一个或多个通孔(11)，以将导电层(40)电耦接至接触垫(22)和(23)；以及在电介质膜(10)和该至少一个功率半导体芯片(21)的有源表面(24)之间的一个或多个空气隙(91)。5.如权利要求4的功率半导体芯片封装结构，其中电介质膜(10)包括玻璃或陶瓷。6.如权利要求4的功率半导体芯片封装结构，其中该封装结构不包含有机材料。7.一种功率模块，包括具有有源表面(24)和相对的背表面(25)的至少一...

【专利技术属性】
技术研发人员：RA费利昂，RA博普雷，A埃拉塞尔，RJ沃纳洛夫斯基，CS科尔曼，
申请(专利权)人：通用电气公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]