專利名稱：強大的功率半導體封裝的制作方法
技術領域：
本發明大體涉及一種功率半導體封裝，更具體地說，涉及一種當功率半導體管芯控制電極通過一個帶狀連接電氣結合于引線框時，承載功率半導體管芯電流的電極在其內部通過一個接線柱(clip)電氣結合于引線框的功率半導體封裝(如，SO8或QFN)。
背景技術：
參照圖1和圖2，顯示了根據現有技術如在美國專利6,040,626中提出的半導體封裝10。該半導體封裝10包括了底板部分13及端子12a，12b和18。半導體管芯16包括界定了半導體管芯16頂面第一連接區的第一金屬化區域19(以鋁為代表)，和界定了半導體管芯16頂面第二連接區的第二金屬化區域15(以鋁為代表)。端子12a，12b和18的部分、底板13及半導體管芯16均封裝在一般由壓模材料形成的外殼22中。
為了取得第一金屬化區域19與端子12b之間的電氣連接，接線柱17連接于第一金屬化區域19的一端17a及端子12b的遠端17b。接線柱17一般由相當堅硬的銅制成，并對于焊料連接或導電環氧連接而言可選地鍍銀。第二金屬化區域15與端子12a之間的電氣連接是通過將絲焊連接14的一端14a與第二金屬化區域15、及絲焊連接14的一端14b與端子12a超聲連接而形成的。
為了保證半導體器件的最佳電性能，需要大量減小通過功率半導體封裝的電流路徑中的電阻及電感；為了增加散熱以保證提高的功率效力，也需要最小化或減少總臺面23的面積及半導體封裝10的厚度24。不幸的是，依據現有技術制成的半導體封裝并不能完全實現這些目標，因為，除了別的情況之外，金屬化區域或柵極接觸15的面積必須足夠大，以允許連接絲焊連接14，然而，如下將示，這樣反而有害地減小了金屬化區域或源極接觸19的面積。
如該領域中所熟知的，絲焊連接14通常包括為連接棚極接觸15而在絲焊連接14的一端14a上形成絲焊連接球，并包括為連接端子12a而在絲焊連接14的一端14b上形成的絲焊縫合處。大體來說，決定其面積的柵極接觸15的尺寸通常選定為絲焊連接14直徑的大約五倍，而絲焊連接球大約是絲焊連接14直徑的大約三倍。由于絲焊連接14的直徑變小了，比如減小到一百二十五微米(“microns”)以下的范圍內，絲焊連接會變得脆弱，難以形成或操作，需要更昂貴的制造設備，并難以承受震動及機械應力，這樣就增加了電氣連接和該器件不需要的失效。即便在現在認為是實用的低成本絲焊直徑限度下，其中使用比如五十微米的直徑(由于至少上述脆弱性，可靠性及成本考慮，小于五十微米被認為不實用)，仍然需要一個面積大約為六萬兩千五百平方微米(長五乘五十微米，寬五乘五十微米)的相當大的金屬柵極接觸15。因此，在一個大約長五千微米，寬五千微米的管芯上可為金屬化區域或金屬源極連接19提供的面積就大約是一千七百零六萬兩千五百平方微米(允許大約五百微米的間隙，比如在金屬接觸與管芯邊緣之間)或者是可提供的管芯面積的約百分之六十八。因此，由于需要減小管芯的面積或尺寸，而對于實際目的，絲焊棚極接觸的尺寸固定在約六萬兩千五百平方微米或稍大一些，金屬源極區域需要相應地減小。
大接線柱17被使用以保證比如由大源極電流Is引起的高功率操作，并提高散熱。此外，大接線柱17希望降低電阻和電感。大接線柱17需要大的金屬面積以形成合適的連接。因此，由于金屬源極區域是最大的發熱源或需要從管芯上散去的熱源，找到為特定管芯大小而將金屬源極區域最大化的方法，是提高額定功率并制造更小的封裝半導體器件的必要條件。
另外，甚至當使用比如直徑為五十微米的小絲焊連接14時，半導體封裝24的厚度24必須足夠大，以保證絲焊連接14的高度WBH能被模制化合物22所覆蓋。不幸的是，絲焊連接高度WBH對于通過使用最小的模制化合物覆蓋管芯來減小封裝半導體器件的高度24以額外增加來自于管芯的散熱具有限制作用。
根本來說，需要安裝功率半導體封裝的臺面(footprint)23的面積在某種程度上也受限于金屬化區域或金屬源極接觸19和金屬化區域或金屬柵極接觸15的面積，因為管芯越小，臺面就越小。如上所示，金屬柵極接觸15的面積是相當固定的，因此，管芯尺寸的進一步縮小對減小金屬源極連接19十分不利，而這對于電氣及熱性能，進而對額定功率都有很重要的作用。
因此，由于未來對具有更高功率及熱操作要求的越來越小的管芯的需求，與減小金屬源極面積相關的問題將進一步突出。
因而，需要一種在保證低生產成本的同時，具有小臺面，強電流和散熱能力，及高可靠性的功率半導體器件和封裝。
圖1顯示了依據現有技術制造的半導體封裝的透視圖；圖2顯示了圖1中半導體封裝的詳細透視圖；圖3是一種新型功率半導體封裝的透視圖；及圖4是圖3中新型半導體封裝的詳細透視圖。
具體實施例方式
在下列圖中，具有同樣參考數字的元件具有相似的功能性。
圖3和圖4顯示了一種新型功率半導體封裝100。封裝100顯示在一個SO8構造中。在一個替代的實施例(未示出)中，封裝100可以由本領域人員構造為QFN封裝。該半導體封裝或器件100包括具有底板部分130和端子120a，120b和180的引線框。在一個實施例中，端子120a或120b中至少有一個與端子180共面。半導體管芯160包括在該半導體管芯160頂面界定第一連接區域的第一金屬化區域或電流承載電極190(通常是可焊的頂層金屬，鋁之類)，及在該半導體管芯160頂面界定第二連接區域的第二金屬化區域或控制電極150(通常是可焊的頂層金屬，鋁之類)。半導體管芯160包括第三金屬化區域或電流承載電極(一般是背面金屬等)，其界定半導體管芯160底面上的第三連接區或漏。功率半導體管芯或器件160包括場效應晶體管(FET)，金屬氧化物半導體場效應晶體管(MOSFET)，絕緣柵雙極晶體管(IGBT)，雙極結型晶體管(BJT)和晶閘管。第三金屬化區域電耦合于底板部分130和端子180。底板部分130，端子180，120a和120b被包含在經常稱為引線框的235中。
一個實施例中，半導體管芯通過焊接電氣地且機械地結合于底板部分130。一個實施例中，形成的半導體管芯160長寬約五千微米，形成的第一金屬化區域或源極190具有約一千七百萬二百和二千萬(two hundred and twentymillion)平方微米的面積，形成的第二金屬化區域150或柵極具有約一萬六千八百七十五平方微米的面積(像以前一樣保證了約五百微米的間隙)。端子120a，120b，180的部分，底板130及半導體管芯160都封在通常由可模制材料(如塑料)制成的外殼220中。為了在第一金屬化區域190與端子120b之間形成電氣連接，接線柱170的一端170a被連接于第一金屬化區域190上，遠端170b與端子120b連接。接線柱170通常是一個由銅制成的剛性片，并可以鍍銀。接線柱170是通過使用拾取和放置設備進行安裝的。一個實施例中，形成的接線柱170具有約一百二十五微米的厚度及約兩千五百微米的寬度，并通過接線柱170焊接至第一金屬化區域和端子120b，來機械和電氣耦連，或替換地使用安裝于接線柱與第一金屬化區域之間的可固化導電材料層。
第二金屬化區域150與端子120a之間的電氣連接是通過將帶狀連接140的一端140a與第二金屬化區域150，及帶狀連接140一端140b與端子120a超聲連接而形成的。
帶狀連接140指的是一條長方形撓性導線，該帶狀連接140的寬度Rw大于該帶狀連接的厚度RTH。從側面觀察，該帶狀連接140的撓性性質可由一個波狀剖面顯現出來，盡管該性質在更短的跨度中或在組裝情況下可能不容易用肉眼觀察到。帶狀連接140的材料包括金，鋁，銀，鈀和銅。一個實施例中，形成的帶狀連接140具有約二十五微米的厚度和約七十五微米的寬度。帶狀連接140的材料通常做成約六到五十微米的厚度，約五十到一千五百微米的寬度。不像絲焊連接14，由于帶狀連接140變得更小了，比如在約七十五微米寬，二十五微米厚以下的范圍內，帶狀連接140保持了很高的機械強度，具有較低的環狀高度WBH，更便于形成和控制，并且較同等面積的絲焊連接14，更不易受沖擊和機械應力的影響，因而減少了電氣連接和該器件所不期望的且代價高昂的失效。
帶狀連接140的連接通常包括一端140a與柵極接觸150的楔形連接和一端14b與端子120a的楔形連接。大體來說，柵極接觸150的面積通常選定為帶狀連接的三倍寬，三倍厚，因為不像對絲焊連接面積的要求，帶狀連接面積可以在不犧牲可制造性、可靠性或強度的情況下更小。因此，帶狀連接140減少了要求的金屬柵極接觸150的尺寸。
比如，在一個五十微米的絲焊連接被具有相同橫截面積、二十五微米厚RTH、七十五微米寬RW的帶狀連接所代替的實施例中，需要約一萬六千八百七十五平方微米的柵極焊盤面積，或比所需同等橫截面積絲焊連接小約百分之七十五的柵極焊盤。因此，通過上述柵極焊盤面積的減小，可以在不增加管芯面積，從而不需要更高功率集成電路封裝臺面230的情況下，相應增加金屬源極面積(比如，增加約十五萬八千平方微米)。
提供的更大的金屬源極連接190可以保證功率集成電路封裝100的更高功率效力，并提高了散熱。此外，更大的接線柱170也按需要降低了電阻和電感。
另外，對于絲焊連接14的環狀高度RBH來說，帶狀連接140減小了環狀高度WBH至少三倍，因此能夠使封裝100的厚度240明顯小于封裝10的厚度。在一個實施例中，形成的帶狀連接140具有約五十微米的環狀高度。
而且，由于需要安裝功率半導體封裝的臺面230的面積某種程度上由金屬化區域或金屬源極連接190的面積和金屬化區域或金屬柵極接觸150的面積決定，功率半導體封裝100可以在不犧牲性能的情況下，比現有技術制造絲焊連接的棚極/源極接線柱形式更小。
對于本發明，前面的表述已經達到了說明和描述的目的。本發明并不是毫無遺漏或是完全局限于前面所述的形式。根據上述原理，可能能夠做出許多修改和改變。本發明的范圍并不受限于該詳細描述，而受限于所附加的關于此發明的權利要求書。因此，已經顯示了一種在保證低生產成本的同時，具有小臺面，強電流和散熱能力，及高可靠性的新型功率半導體器件和封裝。
權利要求
1.一種功率半導體封裝，包括引線框，具有底板部分和至少一個從底板部分延伸出的第一端子；至少一個與第一端子共面的第二端子；第三端子；功率半導體管芯，其具有界定了第一電流承載電極的底面，和其上安裝了界定第二電流承載電極的第一金屬化區域和界定控制電極的第二金屬化區域的頂面，該底面結合于引線框的底板，以便第一端子與第一電流承載電極電氣連接；結合于界定了第二電流承載電極的第一金屬化區域和至少一個第二端子、以便與第二電流承載電極形成電氣結合的接線柱；及將控制電極與第三端子相結合、以增加第一金屬化區域面積的帶狀連接。
2.權利要求1所述的功率半導體封裝，進一步包括安裝于接線柱與第一金屬化區域之間、以便該接線柱能牢固結合于第二電流承載電極的焊料層。
3.權利要求1所述的功率半導體封裝，其中的接線柱包括頂面和底面，該底面具有向引線框延伸的方向向下的突出部分。
4.權利要求3所述的功率半導體封裝，進一步包括設置于接線柱與第二電流承載電極之間的可固化導電材料層。
5.權利要求4所述的功率半導體封裝，其中的可固化導電材料是填充銀的環氧樹脂。
6.權利要求1所述的功率半導體封裝，進一步包括設置于接線柱遠端和所述至少一個第二端子之間的焊料層。
7.權利要求1所述的功率半導體封裝，其中的功率半導體管芯包括MOSFET功率半導體管芯，且其中的第二電流承載電極包括源極區域。
8.權利要求1所述的功率半導體封裝，其中形成的帶狀連接具有小于七十五微米的寬度。
9.權利要求1所述的功率半導體封裝，其中形成的帶狀連接具有小于二十五微米的厚度。
10.權利要求1所述的功率半導體封裝，其中帶狀連接是選自由金，銅，銀，鈀和鋁組成的組中的一種金屬構成。
11.權利要求1所述的功率半導體封裝，其中的封裝的大小和形狀都與S08封裝結構相一致。
12.權利要求1所述的功率半導體封裝，其中封裝包括基本上包封底部引線框，半導體管芯和接線柱的塑料外殼。
13.一種功率半導體封裝，包括引線框，具有底板部分和至少一個從底板部分延伸出的第一端子；至少一個與第一端子共面的第二端子；MOSFET管芯，具有在其上安裝了界定源極的第一金屬化區域和界定柵極的第二金屬化區域的頂面，該MOSFET管芯進一步包括了底面，該底面界定了結合于引線框底板的漏極連接，以便第一端子與該漏極電氣連接；接線柱，結合于界定了源極連接的第一金屬化區域，并結合于至少一條第二導線，以便其電氣結合于源極；和將柵極結合于第三端子的帶狀連接。
14.權利要求13所述的功率半導體封裝，其中接線柱通過焊料層連接。
15.一種功率半導體器件，包括引線框，具有底板部分和至少一條從底板部分延伸出的第一導線；至少一條與第一端子共面的第二導線；第三導線；功率半導體管芯，具有界定了第一電流承載電極連接的底面和其上設置了界定第二電流承載電極的第一金屬化區域和界定控制電極的第二金屬化區域的頂面，該底面結合于引線框的底板，以便第一導線電氣連接于第一電流承載電極；結合于界定了第二電流承載電極的第一金屬化區域和至少一條第二導線、以便于其電氣結合于第二電流傳導電極的接線柱；及將控制電極結合于第三導線的帶狀連接。
16.權利要求15所述的功率半導體器件，其中接線柱包括頂面和底面，該底面具有向引線框延伸的方向向下的突出部分。
17.權利要求15所述的功率半導體器件，進一步包括了設置在接線柱和第二電流承載電極之間的可固化導電材料層。
18.權利要求17所述的功率半導體器件，其中的可固化導電材料是填充銀的環氧樹脂。
19.權利要求15所述的功率半導體器件，進一步包括設置在接線柱和第一金屬化區域之間、以便接線柱能夠牢固結合于第二電流承載電極的焊料層。
20.權利要求15所述的功率半導體器件，其中的功率半導體管芯包括MOSFET功率半導體管芯。
21.權利要求16所述的功率半導體器件，其中形成的帶狀連接具有小于七十五微米的寬度。
22.權利要求16所述的功率半導體器件，其中形成的帶狀連接具有小于二十五微米的厚度。
23.權利要求16所述的功率半導體器件，其中形成的帶狀連接是由選自金，銅，鈀，銀和鋁組成的組中的一種金屬形成。
24.權利要求15所述的功率半導體器件，其中的功率半導體管芯包括MOSFET功率半導體管芯。
25.權利要求16所述的功率半導體器件，其中封裝的大小和形狀與S08的封裝構造相一致。
26.權利要求16所述的功率半導體器件，其中的封裝包括基本上包封引線框，半導體管芯和接線柱的塑料外殼。
27.權利要求20所述的功率半導體器件，其中的第二金屬化區域具有小于約一萬七千平方微米的面積。
全文摘要
一種功率半導體封裝，包括具有至少一個第一端子，第二端子和第三端子的引線框。該封裝還包括具有界定了第一電流承載電極的底面和其上安裝了界定第二電流承載電極的第一金屬化區域和界定控制電極的第二金屬化區域的頂面，該底面結合于引線框，以便第一端子能夠電氣連接于第一電流承載電極。接線柱也結合于界定了第二電流承載電極的第一金屬化區域，并結合于第二端子，以便其能夠電氣連接于第二電流承載電極。
文檔編號H01L23/495GK1790697SQ20051011990
公開日2006年6月21日 申請日期2005年9月16日 優先權日2004年9月16日
發明者弗朗西斯·J·卡爾尼, 杰弗里·皮爾斯, 斯蒂芬·St·日爾曼 申請人:半導體元件工業有限責任公司