一种提高GaN HEMT垂直方向抗击穿能力的封装结构

摘要

本发明提供了一种提高GaN HEMT垂直方向抗击穿能力的封装结构，包括：GaN HEMT，所述GaN HEMT的源极、漏极和栅极三电极均位于第一表面，与所述第一表面相对的第二表面设置衬底；双面覆金属陶瓷基板，所述双面覆金属陶瓷基板的上表面金属层通过焊料与GaN HEMT的衬底相连；还包括：第一电阻和第二电阻，所述第一电阻的一端与GaN HEMT的漏极相连、另一端与所述双面覆金属陶瓷基板的上表面金属层相连，第二电阻的一端与所述双面覆金属陶瓷基板的上表面金属层相连，另一端与GaN HEMT源极相连。本发明主要利用电阻实现衬底电压的调节，实现GaN HEMT漏极与衬底压差、源极与衬底压差的优化电压分配，进而提高GaN HEMT垂直方向上的抗击穿能力。

说明书

技术领域

本发明涉及电子元器件制造技术领域，具体而言，尤其涉及一种提高GaN HEMT垂直方向抗击穿能力的封装结构。

背景技术

以氮化镓(GaN)为代表的宽禁带半导体材料因其禁带宽度大(～3.4eV)、临界击穿场强高(～3.3×10

氮化镓高电子迁移率晶体管(GaNHEMT)由于其材料特性目前通常为水平结构，垂直方向的耐压能力限制了器件的设计电压，这与器件可应用的场景范围大小紧密相关，即垂直方向的耐压能力是非常基础且关键的一个参数。当GaN HEMT衬底直接接地，芯片垂直方向压降即为设计电压；而当GaN HEMT衬底悬空，衬底电压会随漏极电压浮动，但GaN HEMT漏极与衬底电压差、源极与衬底电压差不能达到最理想的电压分配效果。

为了提高GaNHEMT垂直方向的耐压能力，拓展应用范围，同时保证在实际应用中具有较高的稳定性，亟待开发一种能够均衡衬底电压的GaNHEMT结构。

发明内容

根据上述提出的由于现有GaNHEMT漏极与衬底压差、源极与衬底压差不能达到最理想的电压分配的技术问题，而提供一种提高GaN HEMT垂直方向抗击穿能力的封装结构。本发明主要利用电阻实现衬底电压的主动调节，实现漏极与衬底压差、源极与衬底压差的优化分配，进而提高GaN HEMT垂直方向上的抗击穿能力。

本发明采用的技术手段如下：

一种提高GaN HEMT垂直方向抗击穿能力的封装结构，包括：

GaN HEMT，所述GaN HEMT的源极、漏极和栅极三电极均位于第一表面，与所述第一表面相对的第二表面设置衬底；

双面覆金属陶瓷基板，所述双面覆金属陶瓷基板的上表面金属层通过焊料与GaNHEMT的衬底相连；

还包括：

第一电阻和第二电阻，所述第一电阻的一端与GaN HEMT的漏极相连、另一端与所述双面覆金属陶瓷基板的上表面金属层相连，第二电阻的一端与所述双面覆金属陶瓷基板的上表面金属层相连，另一端与GaN HEMT源极相连。

进一步地，所述第一电阻与第二电阻满足以下关系：

0.01％×R

其中，R1为第一电阻，R2为第一电阻，R

进一步地，所述GaN HEMT漏极与其衬底间的电阻、GaN HEMT衬底与其源极间的电阻根据以下步骤获得：

获取GaN HEMT漏极工作电压V

当GaN HEMT处于关断状态时，衬底悬空，源极接地，漏极由0V持续升高电压，监控衬底电压、漏极与源极间的漏电流；

当漏极与衬底间的电压差达到0.5*(V

当衬底与源极间的电压差达到0.5*(V

进一步地，所述双面覆金属陶瓷基板的上表面金属层与下表面金属层通过陶瓷基板的绝缘层实现不导通。

进一步地，所述绝缘层为氧化铝，或氮化铝，或氮化硅，或氧化锆增韧氧化铝。

进一步地，所述绝缘层的厚度为10μm-10mm。

进一步地，所述双面覆金属陶瓷基板的上表面金属层和下表面金属层均为叠层结构，由靠近绝缘层向外依次为铜、镍、钯、金组合，或者为铜、镍、金组合。

进一步地，当所述层叠结构为铜、镍、钯、金组合时，铜厚度为1-10000μm，镍厚度为0.1-100μm，钯厚度为0.01-100μm，金厚度为0.01-100μm；当所述层叠结构为铜、镍、金组合时，铜厚度为1-10000μm，镍厚度为0.1-100μm，金厚度为0.01-100μm。

进一步地，所用焊料为焊锡膏、焊锡丝、焊片、普通银胶或者烧结银胶。

进一步地，所述焊料的厚度为1-1000μm。

较现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、本发明通过调控衬底电压，实现GaN HEMT源极与衬底压差、漏极与衬底压差的优化分配，进而提高GaN HEMT垂直方向上的抗击穿能力及实际应用过程中的稳定性，拓展了其应用场景范围。

2、本发明通过串、并联电阻的方式实现GaN HEMT衬底电压的调控，适用范围广，可操作性强。

基于上述理由，本发明能够在电子元器件制作领域广泛推广。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明封装结构的原理图。

图2为本发明封装结构的实物剖面图。

图3a为实施例1中封装结构实物俯视图。

图3b为实施例1中封装结构实物剖面图。

图4a为实施例2中封装结构实物俯视图。

图4b为实施例2中封装结构实物剖面图。

图5a为实施例3中封装结构实物俯视图。

图5b为实施例3中封装结构实物剖面图。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1-2所示，本发明公开了一种提高GaN HEMT垂直方向抗击穿能力的封装结构，包括GaN HEMT、双面覆金属陶瓷基板、第一电阻R1和第二电阻R2。

其中GaN HEMT的源极(图中的S极)、漏极(图中的D极)和栅极(图中的G极)三电极均位于第一表面，与第一表面相对的第二表面设置衬底；双面覆金属陶瓷基板的上表面金属层(图中B点)通过焊料与GaN HEMT的衬底相连。第一电阻R1的一端与GaN HEMT的漏极相连、另一端与所述双面覆金属陶瓷基板的上表面金属层相连，第二电阻R2的一端与所述双面覆金属陶瓷基板的上表面金属层相连，另一端与GaN HEMT源极相连。本发明主要利用电阻实现衬底电压的调节，实现GaN HEMT漏极与衬底压差、源极与衬底压差的优化电压分配，进而提高GaN HEMT垂直方向上的抗击穿能力。

在本发明实施例中，双面覆金属陶瓷基板的上表面金属层与下表面金属层通过陶瓷基板的绝缘层实现不导通。优选地，绝缘层为氧化铝，或氮化铝，或氮化硅，或氧化锆增韧氧化铝。且绝缘层的厚度为10μm-10mm。

进一步优选地，双面覆金属陶瓷基板的上表面金属层和下表面金属层均为叠层结构，由靠近绝缘层向外依次为铜、镍、钯、金组合，或者为铜、镍、金组合。再进一步优选地，当层叠结构为铜、镍、钯、金组合时，铜厚度为1-10000μm，镍厚度为0.1-100μm，钯厚度为0.01-100μm，金厚度为0.01-100μm。当所述层叠结构为铜、镍、金组合时，铜厚度为1-10000μm，镍厚度为0.1-100μm，金厚度为0.01-100μm。

在本发明实施例中，所用焊料为焊锡膏、焊锡丝、焊片、普通银胶或者烧结银胶。且焊料的厚度为1-1000μm。

在本发明实施例中，第一电阻R1与第二电阻R2满足以下关系：

0.01％×R

其中，R

更进一步地，所述GaN HEMT漏极与其衬底间的电阻、GaN HEMT衬底与其源极间的电阻根据以下步骤获得：

步骤1、获取GaN HEMT漏极工作电压V

步骤2、当GaN HEMT处于关断状态时，衬底悬空，源极接地，漏极由0V持续升高电压，监控衬底电压、漏极与源极间的漏电流；

步骤3、当漏极与衬底间的电压差达到0.5*(V

步骤4、当衬底与源极间的电压差达到0.5*(V

下面通过具体的实施例对本发明的方案和效果做进一步说明。

实施例1

如图3a-3b所示，本实施例提供了一种能够提高GaN HEMT垂直方向抗击穿能力的封装结构，包括：框架、双面覆金属陶瓷基板和GaN HEMT。

其中框架材质为铜，厚度0.2mm，用以支撑和固定其他结构。框架上设置有镀银区域。

双面覆金属陶瓷基板，其中陶瓷基板正、背面金属材质相同，由靠近陶瓷侧向外金属层及其厚度依次为Cu/Ni/Pd/Au 100/3/0.05/10μm，所述陶瓷基板下表面金属为单基岛，通过银胶与框架镀银区相连，正面为三基岛，以如图3a中的方式通过普通银胶固定第一电阻R1、第二电阻R2及GaN HEMT，且两电阻的两端分别通过银胶与陶瓷基板金属层实现电性导通；陶瓷基板上下表面金属层不导通，所述陶瓷基板陶瓷层为AlN，厚度为250μm，所述银胶厚度20μm。

GaN HEMT的源极、栅极通过线径为25μm金线分别与框架载体、框架左管脚相连，GaN HEMT漏极通过金线分别与框架右管脚、陶瓷基板上表面金属层右上小基岛相连，此小基岛通过银胶与第一电阻R1一端实现电性导通。第一电阻R1另一端、第二电阻R2一端均通过银胶与陶瓷基板上表面大基岛相连，再通过银胶与GaN HEMT衬底实现等电势。第二电阻R2另一端依次通过银胶、陶瓷基板上表面右下小基岛、金线、框架载体、金线，最终与GaNHEMT的源极实现电性导通。

此GaN HEMT漏极工作电压V

当漏极电压为450V，衬底电压为100V，即漏极与衬底压差为350V(0.5*(V

优选R1取值35MΩ(0.01％×R

无本实施例封装结构且GaNHEMT衬底接地时，GaN HEMT工作时漏极电压为700V，衬底电压为0V，垂直方向电压差为700V；无本实施例封装结构但GaNHEMT衬底悬空时，GaNHEMT工作时漏极压为700V，衬底约为200V，垂直方向电压差约为500V；而当有本发明实施例的封装结构，GaN HEMT漏极加700V，衬底约为350V，垂直方向电压差为350V，相比于无本实施例结构显著降低了垂直方向电压差。

实施例2

如图4a-4b所示，本实施例中提高GaN HEMT垂直方向抗击穿能力的封装结构，包括：框架，所述框架材质为铜，厚度0.4mm，用以支撑和固定其他结构，所述框架上设置有镀银区域；双面覆金属陶瓷基板，所述陶瓷基板正、背面金属材质相同，由靠近陶瓷侧向外金属层及其厚度依次为Cu/Ni/Au200/3/20μm，所述陶瓷基板背面金属为单基岛，通过银胶与框架镀银区相连，正面为三基岛，以特定的方式(如图4a)使用烧结银胶固定第一电阻R1、第二电阻R2、GaN HEMT及MOS FET，且陶瓷基板上下表面金属层不导通，所述陶瓷基板陶瓷层为氧化铝，厚度为380μm；MOS FET栅极通过金线与框架左管脚相连，源极通过金线分别与GaN HEMT栅极、框架载体相连。GaN HEMT源极通过金线、陶瓷基板上表面金属层、银胶与MOSFET漏极相连，同时通过陶瓷基板上表面金属层、银胶与电阻R2一端相连；电阻R2另一端、R1一端通过银胶、陶瓷基板上表面金属层、银胶，与GaNHEMT衬底实现等电势；GaN HEMT漏极通过金线分别与框架右管脚、电阻R1一端相连。

此器件工作时，GaNHEMT漏极电压VD为850V，源极电压Vs为50V；GaN HEMT处于关断状态，衬底悬空，源极接地，漏极由0V持续升高电压，当漏极电压为550V，衬底电压为150V，即漏极与衬底压差为400V(0.5*(V

此时，优选R1取值100MΩ(0.01％×R

使用本发明的封装结构，器件工作过程中，GaNHEMT漏极电压850V，源极电压50V，衬底电压约为450V，漏极与衬底、源极与衬底的电压差均为约400V，即实现了垂直方向电压差的优化分布。

实施例3

如图5a-5b所示，本实施例还提供了另一种提高GaN HEMT垂直方向抗击穿能力的封装结构，包括：框架，所述框架材质为铜，厚度0.2mm，用以支撑和固定其他结构，所述框架上设置有镀银区域；双面覆金属陶瓷基板，所述陶瓷基板正、背面金属材质相同，由靠近陶瓷侧向外金属层及其厚度依次为Cu/Ni/Pd/Au 100/3/0.05/5μm，所述陶瓷基板背面金属为单基岛，通过普通银胶与框架镀银区相连，正面为单基岛，通过普通银胶与GaN HEMT衬底相连，且陶瓷基板上下表面金属层不导通，所述陶瓷基板陶瓷层为AlN，厚度为1000μm，所述银胶厚度20μm；GaN HEMT结构层中，通过晶圆工艺制作出两段细条形状的二位电子气分别作为电阻R1、电阻R2，R1一端通过金属线(晶圆工艺制作)与漏极相连，R1另一端通过电极与R2一端相连，R2另一端通过金属与漏极相连。R1、R2间的电极通过金线、陶瓷基板上表面金属层、银胶，与GaNHEMT衬底实现等电势。GaN HEMT源极、栅极、漏极通过金线分别与框架载体、框架左管脚、框架右管脚相连。

此器件GaNHEMT漏极工作电压为V

优选R1取值35MΩ(0.01％×R

与实施例1达到的效果类似。无本实施例结构且GaN HEMT衬底接地时，GaN HEMT工作时漏极电压为700V，衬底电压为0V，垂直方向电压差为700V；无本实施例结构但GaN HEMT衬底悬空时，GaN HEMT工作时漏极压为700V，衬底约为200V，垂直方向电压差约为500V；而当有本发明实施例的结构，GaN HEMT漏极加700V，衬底约为350V，垂直方向电压差为350V，相比于无本实施例结构显著降低了垂直方向电压差。与实施例1相比，本实施例将电阻设置在晶圆内部，封装工艺更加简单。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。