[发明专利]一种大功率WLCSP集成电路产品的封装散热方法

说明书

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。

技术领域

本发明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。

背景技术

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。

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。

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。。

有鉴于此，特提出本发明。

发明内容

本发明的目的是：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。

为此，本发明提供一种大功率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。

散热分析如下：