一种大功率WLCSP集成电路产品的封装散热方法技术

一种大功率WLCSP集成电路产品的封装散热方法，属于集成电路封装领域。所述封装散热方法为将2颗以上性能指标完全匹配的同晶圆WLCSP芯片集成为一个整体，产品工作时，只使用其中的一颗WLCSP芯片，其余芯片作为可靠性容余备份，当主芯片使用寿命结束或电路损坏等不工作时，芯片与芯片间的安全切换功能开启，另一颗芯片开始工作，损坏的芯片继续作为散热渠道。相比单颗芯片形成的WLCSP产品来说，具有更低的结温和热阻，解决了现有大功率和小尺寸WLCSP产品工作时热耗高，难以有效散热的问题，并在此基础上实现更长的使用寿命。广泛应用于各种大功耗、小尺寸集成电路的封装领域。小尺寸集成电路的封装领域。小尺寸集成电路的封装领域。

【技术实现步骤摘要】
一种大功率WLCSP集成电路产品的封装散热方法


[0001]本专利技术属于半导集成电路领域，进一步来说涉及半导集成电路封装领域，具体来说，涉及一种大功率WLCSP集成电路产品的散热方法。

技术介绍

[0002]在半导体集成电路领域，碳化硅和氮化镓功率半导体器件由于自身宽禁带半导体材料的特性优势，很多性能超越传统硅基功率器件，在高频、高效转换器中具有很强的应用优势。基于其独特的异质结构和二维电子气开发出的高电子迁移率晶体管，以更小的芯片尺寸来实现需要的电流容量，具有高击穿强度、低导通电阻和更快的开关速度。以碳化硅和氮化镓为核心的大功率半导体器件，支撑着新能源汽车充电桩、特高压、5G基站以及轨道交通系统的建设。为了充分发挥宽禁带半导体特性优势，除芯片内部结构设计及加工工艺以外，碳化硅和氮化镓功率半导体器件的封装已经成为重要的限制因素。击穿电压较高的功率器件需要在封装中配备额外的电绝缘结构，会引发更高的传导损耗，这就意味着封装结构需要同时在热管理和高速转换二者之间要寻求平衡，才能实现封装对于碳化硅和氮化镓裸芯片电学及热学性能的影响最小，使其能够与硅基集成电路技术形成竞争。
[0003]除了上述寄生电感、热管理等技术问题以外，封装过程还会引入额外应力从而带来可靠性问题。在功率芯片和基板成为器件产品投入使用之前，还要经过一系列的封装工艺，如打线、塑封等。铝线带来的应力可能会造成焊盘脱落，塑封工艺带来的应力可能造成钝化层中出现裂缝，从而使器件性能退化。因此无需采用打线和塑封等一系列封装工艺的WLCSP技术是当前碳化硅和氮化镓功率半导体器件封装的最优解，不仅能够解决封装工艺过程引入额外应力带来的可靠性问题，而且能够带来较低的封装热阻和寄生电感，以及PCB板上最小的安装面积，从而实现高速转换，有效减小动态损耗。
[0004]目前，在功率需求不断加大的WLCSP产品中，热量来源主要是内部损耗。温度过高、电流过载等是导致大功率器件失效的主要原因，而有效的散热途径是大功率WLCSP产品考虑的主要因素之一，增加散热通道、外置散热器加速热对流和增大散热面积等方法都是大功率WLCSP产品的主要散热方法。当前多数大功率WLCSP产品功耗大、尺寸小，在大功率运行的情况由于单位面积功耗大，散热通道少且散热面积小，散热困难，不仅会降低器件的电源效率，而且可能导致由热积累产生的可靠性问题。针对尺寸小的WLCSP产品增加外置散热器来实现有效散热会大幅占用PCB板上的布局尺寸，因此如何解决功耗大和尺寸小的WLCSP产品在大功率情况下运行时的散热问题至关重要。。
[0005]有鉴于此，特提出本专利技术。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的是：解决现有大功耗和小尺寸WLCSP产品单位面积功耗大，散热面积小，需增加外置散热器来实现有效散热，导致大幅增加使用空间、使用成本高、可靠性低的问题。
[0007]为此，本专利技术提供一种大功率WLCSP集成电路产品的封装散热方法，如图1所示，将多颗性能指标完全匹配的同晶圆(确保同批次、同工艺、同制造环境)WLCSP芯片集成为一个整体，产品工作时，只使用其中的一颗WLCSP芯片，其余芯片作为可靠性容余备份并共同起散热作用，芯片焊接面的焊柱作为散热通道达到芯片双面同时散热的目的，使WLCSP集成电路产品散热面积及散热通道大幅度成倍提升；当主芯片使用寿命结束或电路损坏等不工作时，芯片与芯片间的安全切换功能开启，另一颗芯片开始工作，损坏的芯片仍可充当芯片的散热渠道。
[0008]散热分析如下：
[0009]所述大功率WLCSP产品的工作电压为24V，根据总功耗公式：P＝I
s
×
(+V
s
‑
V
s
)+(V
s
‑
V
o
)
×
I
o
，V
s
为电源电压，I
s
为电源最大电流，V
o
为输出电压，I
o
为输出电流，得到其最大功耗可达5W。
[0010]如芯片尺寸满足5mm*5mm及以下小尺寸封装，分别采取1、4、9颗芯片集成为一个整体作为实施依据，4颗芯片形成的整体采用任意一颗作为第一芯片使用，尺寸为2mm*2mm，9颗芯片采取最中心的一颗芯片作为第一芯片使用，尺寸为3mm*3mm。
[0011]如采用9颗芯片集成为一个整体使封装散热通道和散热面积均有增加，热阻R
θJc(bottom)
从21.7502℃/W降低为5.6948℃/W，降低至原来的26.18％。热阻采用公式：R
θJc(bottom)
＝(T
结温
–
T
bottom
)/P，其中R
θJc(bottom)
为底部结壳热阻，T
bottom
为WLCSP器件底面的温度，T
结温
为器件内部最高温度，P为发热功耗，并且使用寿命是原来的9倍。
[0012]所述WLCSP封装产品在长*宽为5.00mm*5.00mm时，集成度可达25颗WLCSP功放管芯片。
[0013]热量一部分从芯片侧面通过氮化镓层传递，一部分通过芯片表面焊柱传递至基板进行散热，在水平和垂直方向上都有散热分量，能进行全方位散热。
[0014]与现有技术相比，本专利技术通过直接将多颗性能指标完全匹配的同晶圆WLCSP芯片集成为一个整体，只使用其中的一颗WLCSP芯片，增加器件的散热通道和增大散热面积，解决了大功率WLCSP产品运行时散热难的问题。
[0015]在工作电压24V，功耗5W下，采用4颗芯片集成成为一个整体时，WLCSP产品的最高结温为97.9119℃，器件使用寿命为原来单颗芯片封装的4倍；采用9颗芯片集成为一个整体时，WLCSP产品的最高结温为53.4741℃，器件使用寿命可达单颗芯片使用寿命的9倍；此方法具有普适性，工艺简单，易操作等优点，能在发热高达5W功耗的情况下持续稳定的工作，实现了WLCSP产品在大功耗运行时在轨道交通发射板上的正常使用。
[0016]本专利技术解决了大功率WLCSP产品工作时功耗高，散热难的问题。适用于各种大功率WLCSP产品，在轨道交通、汽车电子、通信、船舶、兵器和航空航天等领域具有重要的应用前景。该散热方法能有效散热，降低因器件热的积累对器件正常工作产生的影响，具有普适性，工艺简单，易操作等优点。
[0017]本专利技术所述的技术方案，广泛应用于各种大功耗、小尺寸集成电路的封装领域。
附图说明
[0018]图1为本专利技术两颗芯片一体化集成原理示意图。
[0019]图2为本专利技术单颗芯片切割成一体的热仿真结果图。
[0020]图3为本专利技术4颗芯片集成后切割成一体的热仿真结果图。
[0021]图4为本专利技术9颗芯片集成后切割成一体的热仿真结果图。
[0022]图5为本专利技术不同数量芯片集成后切割成一个整体热仿真结果结温对本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种大功率WLCSP集成电路产品的封装散热方法，其特征在于，将2颗以上性能指标完全匹配的同晶圆WLCSP芯片集成为一个整体，产品工作时，只使用其中的一颗WLCSP芯片，其余芯片作为可靠性容余备份，当主芯片使用寿命结束或电路损坏等不工作时，芯片与芯片间的安全切换功能开启，另一颗芯片开始工作，损坏的芯片继续作为散热渠道。2.根据权利要求1所述的一种大功率WLCSP集成电路产品的封装散热方法，其特征在于，所述氮化镓WLCSP功放管芯片的单颗尺寸等于或小于1mm*1mm*0.495mm，厚度等于或小于300μm
±
12.5μm，焊柱的数量为4个，焊柱的长和宽均为0.24mm，焊柱的厚度为195μm
±
20μm，焊柱的节距为0.5mm。3.根据权利要求2所述的一种大功率WLCSP集成电路产品的封装散热方法，其特征在于，所述单颗氮化镓WLCSP功放管芯片封装产品的最大结温为133.7510℃，热阻结果为21.7502℃/...

【专利技术属性】
技术研发人员：尹灿，潘琴，段方，胡至宇，徐方林，张子扬，吴瑾媛，王钊，
申请(专利权)人：贵州振华风光半导体股份有限公司，
类型：发明
国别省市：