[发明专利]半导体器件及其封装方法

说明书

本发明实施例提供一种提高氮化镓半导体器件散热性能的封装方法，即GaN半导体器件的垂直面或背面封装在印刷电路板PCB之上，且与PCB热接触。这种封装技术可以与表面组装技术如基板栅格阵列(LGA)版式、球状引脚栅格阵列(BGA)版式以及其他版式相互兼容。PCB与GaN半导体器件的垂直面或背面之间的热接触可采用焊料来制作，作为热接触的焊料也可与GaN半导体器件的源极连接，以提高该GaN半导体器件的电学稳定性。

本发明优先权为美国临时申请62626005(申请日2018年2月3日)，DAS码:7409；及美国正式申请16254296(申请日2019年1月22日)，DAS码:1413。

技术领域

本发明实施例涉及GaN功率半导体器件及其封装和组装技术，特别是一种半导体器件及其封装方法。

背景技术

氮化镓GaN作为有望取代硅Si和砷化镓GaAs的第三代半导体材料，已经受到了人们的广泛关注。由于GaN的巴里加品质因数是硅Si的3000倍，所以GaN具有取代所有Si基功率电子器件的巨大潜力。然而，GaN要获得广泛应用，还有许多技术壁垒需要克服，其中一个就是要寻找一种能够封装GaN芯片并将其组装到衬底以及印刷线路版(PCB)上的高效且低廉的方法。

例如，GaN开关的封装就对功率电子器件的性能有很重要的影响，需要依赖于精细设计GaN开关的封装以减少寄生电感和热阻，这对GaN器件来说尤为重要，因为相对于Si器件，GaN器件的导通电阻对温度的升高更加敏感。拙劣的封装设计会造成GaN功率晶体管过热而使其损坏。

基板栅格阵列(LGA)是封装中经常采用的一种版式，图1A为一个典型的GaN功率晶体管10底视图，其中，G、D和S分别代表GaN功率晶体管10的栅极(Gate)、漏极(Drain)和源极(Source)的焊盘，图1B为LGA板式中GaN器件10的侧面示意图。由图1B可知，焊接条11a和焊接条11b分别与GaN器件的漏极和源极相连，在将焊接条11a和焊接条11b分别焊接到PCB 12上的金属线12a和12b上之后，电流和热流就会通过焊接条流入PCB12。对GaN器件来说，LGA封装的一个优点就是能够减少GaN器件的寄生电感和导通电阻；而LGA封装的主要缺点就是焊接条是将热流扩散到PCB的唯一路径，并且，如果GaN器件比较厚且绝缘性差，电荷很容易集聚在厚衬底(位于GaN器件的顶部，远离PCB)的一侧，最终引起基底电势波动，干扰GaN器件的运行。因此，如何将厚衬底与一个稳定的电压势相结合是一个迫切需要解决的问题。

为了克服上述缺点，现有技术中通常采用以下两种方法进行封装，图2为一种现有方法的侧面示意图。如图2所示，这种方法采用环氧树脂24从上面将高电子迁移率晶体管器件(high electron mobility transistor，HEMT)器件20密封起来，环氧树脂24覆盖了整个HEMT器件20，并且延伸到PCB22，以提供一个位于GaN器件背面及其周围的散热路径。然而，这种方法至少有两个问题：一个问题是环氧树脂24的热导率通常比较低；另外，环氧树脂24是一种电绝缘材料，其不能减少由衬底中集聚无益电荷而引起的背面电势波动。另一个问题是环氧树脂24通常用来保护GaN芯片。

另一个现有方法是利用LGA器件背面的金属热沉，图3为另一种现有方法的侧面示意图。如图3所示，这种方法包括多段装配过程，一个Si衬底34和热界面材料36应用于GaN器件30的背面，这个GaN器件通过焊接条31a、31b与PCB 32的金属线32a和32b相连。箭头显示了GaN器件30中热的流出方向。图3所示构型的LGA器件的热学特性要比图2所示采用环氧树脂密封方法的热学特性效果更好。但是，图3所示方法会极大地增加组装复杂性和提高成本。同时，在PCB上或器件封装过程中需要提供额外的空间来容纳金属热沉。

发明内容

本公开提供一种半导体器件及其封装方法，以解决相关技术的不足。

本发明实施例是提供一种高效且低廉的用于增强GaN器件散热性能的方法。