一种防烧毁封装结构、系统级封装模块及封装方法

摘要

本发明涉及一种防烧毁封装结构、系统级封装模块及封装方法，解决了功率芯片发生短路故障，产生大量热量蔓延至主板，导致主板损伤的问题。防烧毁封装结构，用于功率芯片封装体和主板的封装；包括自保护结构和焊接结构；功率芯片封装体，下表面设置有第一焊盘；自保护结构，包括位于其上表面并且与第一焊盘对应的开口、贯通开口至自保护结构的下表面的通孔以及位于通孔侧壁的设置有填充材料的凹槽；焊接结构，用于通过通孔连接第一焊盘与主板上表面的第二焊盘，且与填充材料接触，填充材料用于吸收熔融状态下的焊接结构的焊料。实现了在功率芯片发生短路，电流增大热量增加时，能够及时切断主板与功率芯片封装体之间的供电路径，保护主板不受损伤。

说明书

技术领域

本发明涉及半导体封装技术领域，尤其涉及一种防烧毁封装结构、系统级封装模块及封装方法。

背景技术

传统功率芯片大多采用分离式封装结构，将芯片通过焊接层固定在框架载板上，从而构建起功率芯片的互联和散热通道。嵌入式芯片封装技术是功率芯片较为先进的封装技术，通过将功率芯片及其组件埋入到封装体中，通过设计合理的热传导通道，来实现功率芯片的高效率散热。

对于嵌入式芯片封装(Embedded Component Packaging，ECP)技术，芯片埋入后会涉及到多个膜层界面，膜层界面容易发生界面分层导致水汽入侵，致使芯片工作时发生短路故障，瞬时电流增大，发热量急剧增加，功率芯片产生的热量来不及导出而导致功率芯片封装体烧毁，经由焊球蔓延至主板(PCB)导致主板损伤。

由于主板的制作成本较高，为了防止主板的损伤，在功率芯片发生短路故障产生大量热量时，需要对主板加以保护。

发明内容

鉴于上述的分析，本发明实施例旨在提供一种防烧毁封装结构、系统级封装模块及封装方法，用以解决现有功率芯片发生短路故障，产生大量热量蔓延至主板，导致主板损伤的问题。

一方面，本发明实施例提供了一种防烧毁封装结构，用于功率芯片封装体和主板的封装；所述封装结构包括自保护结构和焊接结构；

所述功率芯片封装体，包括位于其下表面的第一焊盘；

所述自保护结构，包括位于其上表面并且与所述第一焊盘对应的开口、贯通所述开口至所述自保护结构的下表面的通孔以及位于所述通孔侧壁的凹槽，所述凹槽内设置有填充材料；

所述焊接结构，用于通过所述通孔连接所述第一焊盘与所述主板的上表面的第二焊盘，所述焊接结构与所述填充材料接触，所述填充材料用于吸收熔融状态下的焊接结构的焊料。

进一步的，所述自保护结构包括至少两层自保护层，所述开口位于与所述功率芯片封装体接触的自保护层，所述凹槽位于其余保护层中的至少一层。

进一步的，所述焊接结构包括一体结构的底座、颈部以及焊球；

所述底座，位于所述开口中且与所述第一焊盘下端接触；

所述颈部，位于所述通孔中且与所述填充材料接触；

所述焊球，位于所述自保护结构的下表面且与所述第二焊盘上端接触。

进一步的，所述填充材料的有效吸附体积大于颈部焊料的体积。

进一步的，所述填充材料的体积大于等于所述凹槽体积的三分之二。

进一步的，所述填充材料为疏松多孔结构，熔点高于焊接结构的焊料的熔点并且不与焊料发生反应。

进一步的，所述填充材料包括多孔碳材料、多孔金属材料中的至少一种。

再一方面，本发明实施例提供了一种防烧毁系统级封装模块，包括：功率芯片封装体、主板和上述任一防烧毁封装结构，所述防烧毁封装结构位于所述功率芯片封装体以及所述主板之间，并连接所述功率芯片封装体下表面的第一焊盘以及所述主板的上表面的第二焊盘。

又一方面，本发明实施例提供了一种防烧毁封装方法，用于对功率芯片封装体以及主板进行封装，所述功率芯片封装体的下表面设置有第一焊盘，包括：

形成自保护结构，所述自保护结构包括位于其上表面的开口、贯通所述开口至所述自保护结构的下表面的通孔以及位于所述通孔侧壁的凹槽，所述凹槽内设置有填充材料；

将所述自保护结构贴装到所述功率芯片封装体下表面，所述开口与所述第一焊盘对应设置；

形成焊接结构，用于通过所述通孔连接所述第一焊盘与所述主板，所述焊接结构与所述填充材料接触，所述填充材料用于吸收熔融状态下的焊接结构的焊料；

将主板贴装到焊接结构下端，所述焊接结构与主板上表面的第二焊盘接触。

进一步，所述形成自保护结构包括：

对至少两层自保护层分别进行刻蚀，形成开口以及子通孔；

将刻蚀后的至少两层自保护层贴合，形成位于其上表面的开口、贯通开口至所述至少两层自保护层的下表面的通孔以及位于通孔侧壁的凹槽；

在所述凹槽中形成填充材料。

与现有技术相比，本发明至少可实现如下有益效果：

通过在功率芯片封装体以及主板之间设置防烧毁封装结构，使得在功率芯片发生短路，电流增大热量增加时，利用防烧毁封装结构凹槽中的填充材料吸收熔融状态下的焊接结构的焊料，及时切断主板与功率芯片封装体之间的供电路径，使得芯片停止工作，停止产生热量，从而达到保护主板的目的。

本发明中，上述各技术方案之间还可以相互组合，以实现更多的优选组合方案。本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分优点可从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过说明书以及附图中所特别指出的内容中来实现和获得。

附图说明

附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。

图1为本申请一个实施例防烧毁封装结构封装功率芯片封装体与主板的结构示意图；

图2(a)至图2(f)为本申请一个实施例防烧毁封装结构制备示意图。

附图标记：

1-主板；11-第二焊盘；2-防烧毁封装结构；21-焊接结构；211底座；

212-颈部；213-焊球；22-自保护结构；221-自保护层；2211-开口；

2212-通孔；2213-凹槽；2214-填充材料；3-功率芯片封装体；31-第一焊盘

具体实施方式

下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理，并非用于限定本发明的范围。

本发明的一个具体实施例，公开了一种防烧毁封装结构，请参见图1所示。该防烧毁封装结构用于功率芯片封装体和主板的封装；所述封装结构包括自保护结构和焊接结构；所述功率芯片封装体，包括位于其下表面的第一焊盘；所述自保护结构，包括位于其上表面并且与所述第一焊盘对应的开口、贯通所述开口至所述自保护结构的下表面的通孔以及位于所述通孔侧壁的凹槽，所述凹槽内设置有填充材料；所述焊接结构，用于通过所述通孔连接所述第一焊盘与所述主板的上表面的第二焊盘，所述焊接结构与所述填充材料接触，所述填充材料用于吸收熔融状态下的焊接结构的焊料。

与现有技术相比，本实施例提供的防烧毁封装结构，通过在功率芯片封装体以及主板之间设置防烧毁封装结构，使得在功率芯片发生短路，电流增大热量增加时，利用防烧毁封装结构凹槽中的填充材料吸收熔融状态的焊接结构的焊料，及时切断主板与功率芯片封装体之间的供电路径，使得芯片停止工作，停止产生热量，从而达到保护主板的目的。

具体的，请参见图1、图2(a)至图2(f)，防烧毁封装结构2用于功率芯片封装体3和主板1的封装；防烧毁封装结构2包括自保护结构22和焊接结构21；功率芯片封装体3，包括位于其下表面的第一焊盘31；自保护结构22，包括位于其上表面并且与第一焊盘31对应的开口2211、贯通开口2211至自保护结构的下表面的通孔2212以及位于通孔侧壁的凹槽2213，凹槽2213内设置有填充材料2214；焊接结构21，用于通过通孔2212连接第一焊盘31与主板1的上表面的第二焊盘11，焊接结构21与所述填充材料2214接触，所述填充材料2214用于吸收熔融状态下的焊接结构21的焊料。

具体的，功率芯片封装体用于实现功率芯片及其附属元器件的电气互联，同时对所封装的元器件起到保护、散热和增强可靠性的作用。可选的，功率芯片封装体为埋入式封装体结构，例如：ECP封装体，ECP封装体内包括有功率芯片、电容、电阻以及互联线路；通过基板埋入技术，实现功率芯片与多个电容、电阻和表面电感的电信号互联。

在一个具体的实施例中，自保护结构包括至少两层自保护层，开口位于与功率芯片封装体接触的自保护层，所述凹槽位于其余保护层中的至少一层。

具体的，请参见图1以及图2(d)，自保护结构22包括两层自保护层221，开口2211位于上层的自保护层221，上层的自保护层与功率芯片封装体3接触，凹槽2213位于下层自保护层，凹槽2213中填充有填充材料2214。进一步的，当自保护结构包括三层及以上自保护层时，开口位于上层的自保护层，上层的自保护层与功率芯片封装体接触，凹槽位于除最上层自保护层以外的其他保护层中的至少一层；可选的，至少一个凹槽中填充有填充材料。开口与凹槽水平方向的尺寸可根据实际情况确定，本申请对此不作限定。

请参见图2(a)至图2(c)，图2(a)为一层自保护层221形成子开口以及子通孔的剖面图，图2(b)为两层自保护层221形成开口、通孔以及凹槽的剖面图，图2(c)为图2(b)的俯视图。开口与通孔的形状可以为圆形、多边形等常规形状的任意组合，开口的形状以及尺寸根据功率芯片封装体3的下表面的第一焊盘31的形状而定，例如第一焊盘为圆形，直径为100微米，则开口的形状也为圆形，且直径为100微米+装配精度。

可选的，开口与通孔的形状可以一致或者不一致，图2(c)中给出了四种示例。

可选的，开口的厚度与第一焊盘的厚度之差至少为10微米，例如，第一焊盘的厚度为20微米，则开口的厚度大于等于30微米，如此设置可以增大位于开口中的焊接结构(底座)的焊料体积，获得较好的通流能力以及电学性能，可靠性较高。当然，焊接结构也可以只包括颈部和焊球，即第一焊盘的厚度与开口的厚度相等，只要能够保证第一焊盘与焊接结构之间的电连接即可。

可选的，自保护层的材料可以为玻璃、陶瓷。

在一个具体的实施例中，请参见图2(f)，所述焊接结构21包括一体结构的底座211、颈部212以及焊球213；底座211，位于开口2211中且与所述第一焊盘31下端接触；颈部212，位于通孔2212中且与填充材料2214接触；焊球213，位于自保护结构22的下表面且与第二焊盘11上端接触。

在一个具体的实施例中，填充材料的体积大于等于凹槽体积的三分之二。只要满足在焊接结构处于熔融状态时，填充材料可以通过吸收熔融状态下的焊接结构的焊料，使得焊接结构断开，从而使得功率芯片封装体与主板之间的供电路径断开即可。

在一个具体的实施例中，填充材料的有效吸附体积大于颈部焊料的体积。填充材料的有效吸附体积为填充材料能够吸收的焊料的最大体积。这样设置可以使得颈部的焊料完全被填充材料吸附，更深入地保证焊接结构的断开。

在一个具体的实施例中，填充材料为疏松多孔结构，熔点高于焊接结构的焊料的熔点并且不与焊料发生反应。

例如，焊接结构的焊料材料为Sn-Ag材料，熔点为220℃；填充材料为多孔碳材料，熔点为3500℃。

在一个具体的实施例中，所述填充材料包括多孔碳材料、多孔金属材料中的至少一种。

具体的，多孔碳材料包括活性炭、石墨烯以及其它满足条件的多孔碳材料；多孔金属材料内部弥散分布着大量的有方向性的活随机的孔洞，例如，铁、镍、铜、镁等及其合金多孔材料。

本发明的一个具体实施例，公开了一种防烧毁系统级封装模块，请参见图1。该防烧毁系统级封装模块包括：功率芯片封装体、主板和上述任一种防烧毁封装结构，所述防烧毁封装结构位于所述功率芯片封装体以及所述主板之间，并连接所述功率芯片封装体下表面的第一焊盘以及所述主板的上表面的第二焊盘。

本发明实施例提供的防烧毁系统级封装模块，通过在功率芯片封装体以及主板之间设置防烧毁封装结构，使得在功率芯片发生短路，电流增大热量增加时，利用防烧毁封装结构凹槽中的填充材料吸收熔融状态的焊接结构的焊料，及时切断主板与功率芯片封装体之间的供电路径，使得芯片停止工作，停止产生热量，从而达到保护主板的目的。

本发明的一个具体实施例，公开了一种防烧毁封装方法，结合图1、图2(a)至图2(f)，对封装方法的步骤做具体说明。该方法用于对功率芯片封装体以及主板进行封装，所述功率芯片封装体的下表面设置有第一焊盘，该方法包括：

步骤S10：形成自保护结构，所述自保护结构包括位于其上表面的开口、贯通所述开口至所述自保护结构的下表面的通孔以及位于所述通孔侧壁的凹槽，所述凹槽内设置有填充材料；

步骤S20：将所述自保护结构贴装到所述功率芯片封装体下表面，所述开口与所述第一焊盘对应设置；

步骤S30：形成焊接结构，用于通过所述通孔连接所述第一焊盘与所述主板，所述焊接结构与所述填充材料接触，所述填充材料用于吸收熔融状态下的焊接结构的焊料；

步骤S40：将主板贴装到焊接结构下端，所述焊接结构与主板上表面的第二焊盘接触。

本发明实施例提供的防烧毁封装方法，通过在功率芯片封装体以及主板之间设置防烧毁封装结构，使得在功率芯片发生短路，电流增大热量增加时，利用防烧毁封装结构凹槽中的填充材料吸收熔融状态的焊接结构的焊料，及时切断主板与功率芯片封装体之间的供电路径，使得芯片停止工作，停止产生热量，从而达到保护主板的目的。

在一个具体的实施例中，请参见图2(a)至图2(d)，形成自保护结构包括以下步骤：

步骤S11：对至少两层自保护层分别进行刻蚀，形成开口2211以及子通孔，参见图2(a)，图2(a)只给出了其中一层自保护层刻蚀之后的剖面图，其他自保护层刻蚀之后的剖面图也可参见图2(a)。

具体的，刻蚀方法包括激光刻蚀、机械方法、等离子体刻蚀。

步骤S12：将刻蚀后的至少两层自保护层贴合，形成位于其上表面的开口2211、贯通开口至至少两层自保护层下表面的通孔2212以及位于通孔侧壁的凹槽2213，参见图2(b)，图2(b)为两层自保护层贴合之后的结构。

具体的，至少两层自保护层可以通过胶体或者电场键合等方式进行贴合。

步骤S13：在凹槽中形成填充材料。

具体的，在图2(b)的基础上，将填充材料制备成凝胶状，将凝胶状的填充材料灌注入图2(b)的结构中成型，烘烤去除溶剂，再通过激光烧蚀或者其它化学、物理方法去除多余的填充材料，仅在凹槽中保留填充材料，形成图2(d)所示的结构。

在一个具体的实施例中，请参见图2(e)，将自保护结构贴装到功率芯片封装体下表面，开口与第一焊盘对应设置，包括：

步骤S21：将自保护结构通过胶体贴装到功率芯片封装体下表面，开口与第一焊盘对应设置。

可选的，胶体可以为热固化胶水。

在一个具体的实施例中，请参见图2(f)，形成焊球，用于通过通孔连接第一焊盘与主板，焊接结构与填充材料接触，填充材料用于吸收熔融状态下的焊接结构的焊料，包括：

步骤S31：在开口以及通孔中填充焊料，并通过回流形成焊球。

具体的，采用钢网印刷以及回流的工艺形成一体结构的底座211、颈部212以及焊球213。

进一步的，将主板贴装到焊接结构下端，焊接结构与主板上表面的第二焊盘接触。即，将上表面设置有第二焊盘的主板贴合到图2(f)的结构上，形成图1所示的结构。

上述方法实施例和产品结构实施例，基于相同的原理实现，其相关之处可相互借鉴，且能达到相同的技术效果。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。