專利名稱：散熱增強的薄倒裝引腳鑄模封裝的制作方法
相關申請的對照本申請要求2001年10月22日提交的美國臨時專利申請No.60/349260以及2002年1月29日提交的美國臨時專利申請No.60/352642的申請日。這兩個臨時申請都在此全文并入以供參考。
背景技術：
有大量的半導體管芯封裝。在半導體管芯封裝的一個實例中，半導體管芯用引腳裝配到引腳框架上。電線將半導體管芯耦合到引腳上。電線、半導體管芯和多數的引腳框架(除了向外伸出的引腳)隨后都被密封在模塑材料中。隨后，使模塑材料成形。所形成的半導體管芯封裝包括模塑主體，它具有從模塑主體橫向延伸出的引腳。半導體管芯封裝可以安裝在電路板上。
雖然這種半導體封裝很有用，但可以進行改進。例如，需要降低半導體管芯封裝的厚度。由于消費電子產品(例如，蜂窩電話，膝上電腦等)的尺寸繼續減小，就更需要更薄的電子器件和電子部件。此外，需要改進半導體管芯封裝的散熱屬性。例如，諸如直立式MOSFET(金屬氧化物場效應晶體管)的功率半導體裝置可以產生大量的熱。對于高輸出功率應用(例如，超過60瓦)，需要特殊的封裝以除去功率晶體管的熱量以防止過熱。過熱會使功率晶體管的工作特性劣化。
本發明的實施例單獨或共同涉及這些和其它問題。
發明概述本發明的實施例涉及半導體管芯封裝。
本發明的一個實施例涉及一種半導體管芯封裝，它包括(a)半導體管芯，它包括第一表面和第二表面；(b)源極引腳結構，它包括有主表面的突出區，所述源極引腳結構耦合到所述第一表面；(c)柵極引腳結構，它耦合到所述第一表面；以及(d)模塑材料，它在所述源極引腳結構和半導體管芯周圍，其中所述模塑材料露出半導體管芯的第二表面和源極引腳結構的主表面。
本發明的另一個實施例涉及一種半導體管芯封裝，它包括a)半導體管芯，它包括RF VDMOS晶體管，該晶體管包括源極區、柵極區和漏極區；b)源極引腳結構，它包括具有主表面的突出部分，以及從所述突出部分橫向伸出的多個引腳，其中所述源極引腳結構耦合到半導體管芯的源極區；c)柵極引腳結構，它耦合到半導體管芯的柵極區；以及d)模塑材料，它覆蓋至少部分源極引腳結構、柵極引腳結構和半導體管芯，其中主表面通過模塑材料露出。
本發明的另一個實施例針對一種用于形成半導體管芯封裝的方法，所述方法包括(a)將包括第一表面和第二表面以及第一表面上的焊料的半導體管芯貼附到引腳框架結構上，所述引腳框架結構包括源極引腳結構和柵極引腳結構，其中源極引腳結構具有含主表面的突出部分；以及(b)模塑半導體管芯與源極和柵極引腳結構周圍的模塑材料，其中所述半導體管芯的第二表面和源極引腳結構的主表面通過所述模塑材料露出。
以下將進一步地詳細描述本發明的這些和其它實施例。
附圖概述
圖1示出根據本發明實施例的半導體管芯封裝的上部分的透視圖。
圖2示出根據本發明實施例的半導體管芯封裝的下部分的透視圖。
圖3示出具有焊料突起陣列的半導體管芯。
圖4示出包括柵極引腳結構和源極引腳結構的引腳框架結構的頂透視圖。
圖5示出包括柵極引腳結構和源極引腳結構的引腳框架結構的底透視圖。
圖6示出安裝在包括柵極引腳結構和源極引腳結構的引腳框架結構上的半導體管芯。
圖7示出安裝在引腳框架結構上的半導體管芯的側視圖。
圖8(a)示出包括漏極夾的半導體管芯封裝的透視圖。
圖8(b)示出包括漏極夾的半導體管芯封裝的側視圖。
圖9(a)示出包括漏極夾的半導體管芯封裝的頂視圖。
圖9(b)示出包括漏極夾的半導體管芯封裝的側視圖。
圖10(a)示出半導體管芯封裝的側剖視圖。
圖10(b)示出半導體管芯封裝的頂視圖，其中的塊表示電耦合到半導體管芯封裝的匹配網絡某些部件由虛線示出。
具體實施例方式
例如，筆記本計算機主板上電源的架構變化需要使被散熱的MOSFET漏極(作為接地)以及源極和柵極(在半導體管芯內)處于不同的平面上，而不是使所有三個端子處于同一平面上。筆記本電源設計者的這種改變就需要創建新改進的表面安裝封裝。
本發明的實施例涉及新改進的半導體管芯封裝。在本發明的實施例中，可以將具有焊料突起的半導體管芯翻轉并安裝在包括源極引腳結構和柵極引腳結構的引腳框架結構上。源極引腳結構可以具有較大的下組(downset)部分和部分蝕刻(例如，半蝕刻)部分。模塑材料可以模塑于源極引腳結構和半導體管芯周圍從而半導體管芯的一表面和源極引腳結構的部分蝕刻部分的表面可以通過模塑材料露出。
本發明的實施例具有大量優點。首先根據本發明實施例的半導體管芯封裝可以具有較小的輪廓和用于散熱的兩個主表面。例如，可以通過耦合到半導體管芯第一表面的較大的源極引腳結構以及通過耦合到半導體管芯第二表面的漏極夾將熱量轉移出半導體管芯。該封裝的熱阻比標準SOIC(小輪廓集成電路)封裝小35％且比FLMP封裝(倒裝引腳鑄模封裝)小10-15％。實例性的SOIC和FLMP封裝在2002年10月22日提交的美國臨時專利申請No.60/349260中進行了描述。其次，本發明的實施例具有較小的輪廓。例如，在本發明的某些實施例中，半導體管芯封裝的厚度可以從約0.7到約1.0mm。根據本發明實施例的封裝的輪廓比SOIC封裝小約40-50％。這比多數的常規半導體管芯封裝更薄。由于其較薄的輪廓和良好的熱屬性，根據本發明實施例的半導體管芯封裝可以稱作是小輪廓散熱增強的倒裝引腳鑄模封裝(TFLMP)。
根據本發明實施例的半導體管芯封裝中使用的半導體管芯包括直立式功率晶體管。直立式功率晶體管包括VDMOS晶體管。VDMOS晶體管是具有通過擴散形成的兩個或更多半導體區域的MOSFET。它具有源極區、漏極區和柵極。該器件是直立式的，其中源極區和漏極區位于半導體管芯的相對表面處。柵極可以是溝道柵極結構或平面柵極結構，并形成與源極區形成在同一表面上。溝道柵極結構是優選的，因為溝道柵極結構比平面柵極結構更窄并占據較少的空間。在工作期間，VDMOS器件中從源極區到漏極區的電流基本垂直于管芯表面。
圖1示出根據本發明實施例的半導體管芯封裝100。半導體管芯封裝100包括具有主表面101(b)的半導體管芯101，通過模塑材料103該主表面。整個主表面101(b)或主表面101(b)的實質部分可以通過模塑材料103暴露。如圖所示，模塑材料103的上表面可以是與半導體管芯101的主表面101(b)共平面的。主表面101(b)可以對應于MOSFET(金屬氧化物半導體場效應晶體管)的漏極區，并可以對應于半導體管芯101的第二表面。半導體管芯的另一側可以是半導體管芯101的第一側。MOSFET的源極和柵極接觸區可以在半導體管芯的第一側處。
模塑材料103可以包括任意合適的材料。合適的模塑材料包括聯苯基材料，以及多官能化交聯環氧樹脂復合材料。
在半導體管芯封裝100中，從模塑材料103側面延伸出大量源極引腳107(a)-107(c)。各種源極引腳107(a)-107(c)可以是部分由模塑材料103覆蓋的源極引腳結構的一部分。柵極引腳105(a)從模塑材料103的側面延伸出。
大量虛引腳102(a)-102(d)也可以從模塑材料103的側面延伸出。在該實例中，虛引腳102(a)-102(d)提供對半導體管芯封裝100的結構支撐而不與半導體管芯101電連接。在其它實施例中，一個或多個虛引腳102(a)-102(d)可以是源極引腳，從而功能性引腳可以位于半導體管芯封裝的兩側上。
圖2示出根據本發明實施例的半導體管芯封裝100的底視圖。半導體管芯封裝100包括源極引腳結構107，它包括從源極引腳結構107的中心區域橫向延伸出來的大量源極引腳107(a)-107(c)。該中心區由模塑材料103部分覆蓋。該中心區包括具有主表面107(d)的突出區，它通過模塑材料103的下表面而露出。主表面107(d)可以與模塑材料103的下表面共平面。
圖3示出半導體管芯101上具有焊料突起陣列110的半導體管芯101。一個或多個焊料突起110可以組成柵極焊料突起，且一個或多個焊料突起110可以組成源極焊料突起。半導體管芯101可以包括直立式MOSFET，其源極區和柵極區位于第一表面101(a)而漏極區位于第二主表面101(b)。焊料突起110可以位于第一表面上。
圖4示出引腳框架結構的頂透視圖，該結構包括源極引腳結構107、柵極引腳結構105和虛引腳結構102。術語“引腳框架結構”可以表示來源于引腳框架的結構。例如，引腳框架可以通過沖壓工藝構成(本技術領域內已知的)。引腳框架還可以通過蝕刻連續的傳導片形成預定圖案來形成。但是，如果使用沖壓，則引腳框架原來可以是由連桿連接在一起的引腳框架陣列中的許多引腳框架中的一個。在制造半導體管芯封裝的過程期間，可以切割引腳框架陣列以便使該引腳框架和其它引腳框架分開。結果，最終的半導體管芯封裝中的部分引腳框架結構，諸如源極引腳和柵極引腳，可以相互電氣地和機械地相互分開。因此，在本發明的實施例中，半導體管芯封裝中的引腳框架結構可以是連續的金屬結構或不連續的金屬結構。
源極引腳結構107包括三個源極引腳107(a)-107(c)。柵極引腳結構105具有一個柵極引腳105(a)。源極引腳107(a)-107(c)和柵極引腳105(a)的端子部分可以是共平面的并可以與具有焊料的電路板(未示出)物理耦合和電氣耦合。虛引腳結構102具有虛引腳102(a)-102(d)，它們不耦合到源極引腳結構107。但是，在其它實施例中，虛引腳102(a)-102(d)可以耦合到源極引腳結構。
圖5示出圖4中示出的引腳框架結構的底視圖。圖5中，更清晰地示出從源極引腳結構的中心區延伸出的突出部分。突出部分190包括主表面107(d)。
在圖5所示的實施例中，突出部分190可以通過部分蝕刻(例如，半蝕刻)引腳框架形成。在模塑期間，部分蝕刻的引腳框架允許模塑材料流動。部分蝕刻的區域提供足夠的面積以使模塑化合物流動并在模塑后保持裝配的管芯封裝接觸和被保護。可以采用本技術領域內已知的光刻法和蝕刻工藝進行部分蝕刻。例如，可以在引腳框架的所需區域上構成形成圖案的光阻材料層。隨后，可以(例如，采用濕蝕刻或干蝕刻)將該引腳框架蝕刻到預定深度，從而在某些區域中部分蝕刻該引腳框架。
圖6和7示出安裝在具有源極引腳107(c)的源極引腳結構107上的半導體管芯101。如圖所示，半導體管芯的第一表面101(a)接近于源極引腳結構107，同時半導體管芯101的第二、主表面101(b)與之遠離。圖6中還示出虛引腳102(d)。圖7中示出柵極引腳105(a)。
圖8(a)示出根據本發明實施例的半導體管芯封裝200。除了圖8(a)中示出的半導體管芯封裝200包含漏極夾118，該漏極夾118包括交錯在多個虛引腳102(a)-102(d)之間的多個漏極引腳118(a)-118(d)，半導體管芯封裝200類似于前述半導體管芯封裝100。漏極引腳118(a)-118(d)和虛引腳102(a)-102(d)兩者都可以安裝在電路板上的漏極焊盤上。可使用焊料(未示出)將漏極夾118貼附到半導體管芯的背部上。
圖8(b)示出圖8(a)所示半導體管芯封裝200的側剖視圖。半導體管芯封裝200安裝在電路基板130上。電路基板130可以是印刷電路板。焊料沉淀(deposit)120、122和128可以分別將源極引腳、源極引腳結構的突出部分和漏極引腳耦合到電路基板130。
圖9(a)和9(b)示出根據本發明又一個實施例的半導體管芯封裝300。在該實施例中，包括平坦的主部分138(b)和延長部分138(a)的漏極夾138被電耦合到半導體管芯的背部。如圖9(b)所示，用焊料133將漏極夾138的延長部分138(a)貼附到電路基板130上。如圖9(a)所示，漏極夾138位于源極引腳107(a)-107(c)以及107(d)-107(g)的組之間半導體管芯封裝300的對邊處。可以使用焊料134將源極引腳結構的突出部分貼附到電路基板130上。還可以使用焊料136將源極引腳107(a)-107(c)貼附到電路基板130上。可以使用焊料132將柵極引腳105(a)耦合到電路基板130上。可采用任何合適的工藝形成焊料突起，包括電鍍、球貼附(ballattach)、模板印刷等等。
本發明的實施例還可用于RF VDMOS(垂直擴散金屬氧化物半導體)封裝中。這種管芯封裝可用于RF功率應用中并可以包括功率晶體管。功率晶體管可用于高輸出功率應用中(例如，80到100瓦的范圍中或更大)。在本發明的某些實施例中，半導體管芯包括可用作RF功率放大器中有源器件的晶體管。這種放大器可以從低于1MHz到2GHz或以上的頻率范圍內工作。
圖10(a)示出實例性實施例的側剖視圖。圖10(a)示出RF VDMOS半導體管芯17，它置于具有漏極引腳的漏極夾228和源極引腳結構19之間。虛引腳215也從模塑材料27橫向伸出并與漏極夾228的漏極引腳交替。源極引腳結構19將源電流提供給半導體管芯17中的MOSFET內的源極區。
參考圖10(b)，具有柵極引腳21的柵極引腳結構將柵電流提供給半導體管芯17中的MOSFET內的柵極區。圖10(b)中還示出焊料突起29。
再參考圖10(a)，模塑材料27可以密封半導體管芯17。如之前的實施例中所示的，源極引腳結構19突出部分的主表面19(a)可以通過模塑材料27露出。
電介質涂層31可以位于漏極夾228之上。電介質涂層31可以以任何合適的方式采用任何合適的電介質材料形成。例如，電介質涂層31可以包括例如包含聚酰亞胺或苯并環丁烷(BCB)的電介質涂層。當然，類似的或者不同的電介質涂層可以以同樣的方式用于任何之前描述的或示出的管芯封裝實施例中。再制期間，電介質涂層31可以防止短路或可能的觸點情況而不影響半導體管芯封裝的散熱屬性。
如圖10(a)所示，匹配網絡13耦合到源極引腳結構19。在某些實施例中，匹配網絡13可以包括半導體管芯電容器(硅MOS電容器)。這些電容器可以用來調整功率晶體管的輸入和/或輸出端子。MOS電容器可以用并聯小直徑電線耦合到晶體管端子從而可以調節電容和電感以特別地使功率晶體管的輸入和/或輸出信號與放大器電路匹配。匹配網絡是現有技術中已知的。
根據本發明實施例的半導體管芯封裝可以以任何合適的方式制造。在某些實施例中，可使用倒裝晶片技術制造半導體管芯封裝。首先，如圖3所示，可以在半導體管芯上形成焊料突起陣列。可采用任何合適的工藝形成焊料突起，包括電鍍、球貼附、模板糊印刷、拾取-貼裝工藝等等。在將焊料沉積到半導體管芯上后，可以進行回流過程。
其次，在用焊料突起形成半導體管芯之前或之后，形成具有較大的下組(downset)(下組可以取決于封裝的厚度)以及被部分蝕刻的突出區的引腳框架結構。引腳框架結構的設計可以是半導體管芯的背部和源極引腳結構的主表面通過半導體管芯封裝中模塑材料的主外部表面而露出。圖4和5中示出常規的引腳框架結構。以上描述了用于形成圖4和5中引腳框架結構的過程。
再次，突起的半導體管芯被翻轉并安裝到引腳框架結構上。可以進行回流過程，且隨后通過焊料將半導體管芯、源極引腳結構和柵極引腳結構耦合到一起。這在圖6和7中示出。
第四，如圖6和7所示的結構可以置于模塑腔內，從而模塑材料可以被模塑于部分半導體管芯、源極引腳結構和柵極引腳結構周圍。圖1和2示出用模塑材料進行模塑處理后的半導體管芯。
在某些實施例中，可以使用帶輔助模塑過程以便在半導體管芯、柵極引腳結構和源極引腳結構周圍模塑所述模塑材料。例如，在圖6所示的封裝前體中，可以對著半導體管芯的背部放置帶。隨后，可以將該組合置于引入模塑材料的模塑腔中。模塑材料不模塑于半導體管芯、柵極引腳結構和源極引腳結構的周圍。將多余的模塑材料從源極引腳結構突出部分的主表面移除。可以采用去碎片(dejunk)和去毛邊(deflash)過程來除去多余的模塑材料。可以將帶從半導體管芯的背部除去，從而通過模塑的模塑材料露出管芯的背部。
隨后，如果需要，可以將漏極夾貼附到半導體管芯的背部上。諸如圖8(a)-8(b)所示的漏極夾可以貼附到半導體管芯上。或者，諸如圖9(a)-9(b)所示的漏極夾可以貼附到半導體管芯上。漏極夾可以用作散熱片。可選地或附加地，可以將分開的散熱片貼附到漏極夾上以便于進一步地散熱。
在將漏極夾貼附到半導體管芯背部后，所產生的半導體管芯封裝可以安裝在諸如印刷電路板(PCB)的電路基板上。漏極夾可以連接到半導體管芯中的漏極區。可以延伸漏極夾以便連接到PCB的散熱片。這些普通的組件在圖8(b)和9(b)中示出。
這里采用的術語和表述用作描述的術語而非限制，且在所示出和所描述特點的排外等效內容的這種術語和表述或其一部分的使用中沒有這種意圖，可以理解，各種修改可以在所要求的發明范圍內。此外，任何實施例的一個或多個特點可以與任何其它特別描述的實施例的一個或多個特點組合而不背離本發明的范圍。
權利要求
1.一種半導體管芯封裝，其特征在于，包括(a)半導體管芯，它包括第一表面和第二表面；(b)源極引腳結構，它包括有主表面的突出區，所述源極引腳結構耦合到所述第一表面；(c)柵極引腳結構，它耦合到所述第一表面；以及(d)模塑材料，它在所述源極引腳結構和半導體管芯周圍，其中所述模塑材料露出半導體管芯的第二表面和源極引腳結構的主表面。
2.如權利要求1所述的半導體管芯封裝，其特征在于，還包括耦合到半導體管芯中的漏極區的漏極夾，所述漏極夾具有多個漏極引腳。
3.如權利要求1所述的半導體管芯封裝，其特征在于，所述源極引腳結構包括多個源極引腳，所述多個源極引腳從模塑材料橫向延伸出。
4.如權利要求1所述的半導體管芯封裝，其特征在于，所述半導體管芯包括第一表面處的源極區和柵極區，以及第二表面處的漏極區，其中所述柵極區是溝道柵極的形式。
5.如權利要求1所述的半導體管芯封裝，其特征在于，所述源極引腳結構包括多個源極引腳，所述多個源極引腳從模塑材料橫向伸出，其中所述半導體管芯封裝進一步包括耦合到半導體管芯的漏極區的漏極夾，所述漏極夾具有與部分源極引腳基本共平面的延長部分。
6.如權利要求1所述的半導體管芯封裝，其特征在于，還包括耦合到半導體管芯中的漏極區的漏極夾。
7.如權利要求1所述的半導體管芯封裝，其特征在于，還包括耦合到半導體管芯中的漏極區的漏極夾，以及漏極夾上的電介質層。
8.如權利要求1所述的半導體管芯封裝，其特征在于，所述半導體管芯包括直立式MOSFET，它包括第一表面處的源極區和柵極區以及第二表面處的漏極區。
9.一種半導體管芯封裝，其特征在于，包括a)半導體管芯，它包括RF VDMOS晶體管，該晶體管包括源極區、柵極區和漏極區；b)源極引腳結構，它包括具有主表面的突出部分，以及從所述突出部分橫向伸出的多個引腳，其中所述源極引腳結構耦合到半導體管芯的源極區；c)柵極引腳結構，它耦合到半導體管芯的柵極區；以及d)模塑材料，它覆蓋至少部分源極引腳結構、柵極引腳結構和半導體管芯，其中所述突出部分的主表面通過模塑材料露出。
10.一種組件，其特征在于，包括如權利要求9所述的半導體管芯封裝；以及與源極引腳結構電氣耦合的匹配網絡。
11.如權利要求9所述的半導體管芯封裝，其特征在于，進一步包括耦合到漏極區的漏極夾。
12.如權利要求11所述的半導體管芯封裝，其特征在于，進一步包括漏極夾上的電介質層，其中所述電介質層位于相對于半導體管芯的一側上。
13.如權利要求11所述的半導體管芯封裝，其特征在于，進一步包括貼附到漏極夾上的散熱片。
14.一種用于形成半導體管芯封裝的方法，其特征在于，所述方法包括(a)將包括第一表面和第二表面的半導體管芯以及第一表面上的焊料貼附到引腳框架結構上，所述引腳框架結構包括源極引腳結構和柵極引腳結構，其中源極引腳結構具有含主表面的突出部分；以及(b)模塑半導體管芯與源極和柵極引腳結構周圍的模塑材料，其中所述半導體管芯的第二表面和源極引腳結構的主表面通過所述模塑材料露出。
15.如權利要求14所述的方法，其特征在于，所述半導體管芯包括直立式功率MOSFET。
全文摘要
本發明的實施例涉及一種半導體管芯封裝。本發明的一個實施例涉及一種半導體管芯封裝，它包括(a)半導體管芯，它包括第一表面和第二表面；(b)源極引腳結構，它包括有主表面的突出區，所述源極引腳結構耦合到所述第一表面；(c)柵極引腳結構，它耦合到所述第一表面；以及(d)模塑材料，它在所述源極引腳結構和半導體管芯周圍，其中所述模塑材料露出半導體管芯的第二表面和源極引腳結構的主表面。
文檔編號H01L23/31GK1606804SQ02825622
公開日2005年4月13日 申請日期2002年10月21日 優先權日2001年10月22日
發明者R·優施, C·-L·吳 申請人:費查爾德半導體有限公司