專利名稱：包括低應力配置的半導體管芯封裝的制作方法
包括低應力配置的半導體管芯封裝相關申請的交叉引用不適用背景功率半導體管芯封裝是已知的且被用在計算機等之中。此類半導體管芯封裝可被改進。例如，功率半導體管芯封裝產生大量的熱量。將期望改進半導體管芯封裝從而它們能散去更多熱量。另外，常規的半導體管芯封裝是用模制材料來模制的。必須直接暴露連接到半導體管芯源極接觸焊盤的金屬夾以允許從該封裝的頂側散熱對金屬夾設計和相應的組裝工藝提出了挑戰(尤其是在將遵循標準封裝尺寸的情況下)。堆疊在半導體管芯之上的所暴露金屬夾需要較厚，且這會導致對半導體管芯和模制材料的應力。這會增加封裝失敗的可能性。將期望提供能解決這些及其他問題的半導體管芯封裝。本發明的各實施例能單獨地或共同地解決以上問題和其它問題。概述本發明各實施例涉及半導體管芯封裝，用于制作半導體管芯封裝的方法、以及包括半導體管芯封裝的系統。本發明的一個實施例涉及一種半導體管芯封裝，該半導體管芯封裝包括半導體管芯和模制夾結構，該模制夾結構包括夾結構和覆蓋該夾結構的至少一部分的第一模制材料。第一模制材料暴露夾結構的外表面。夾結構電耦合至半導體管芯。半導體管芯封裝還包括引線框結構，該引線框結構包括管芯附連焊盤以及從管芯附連焊盤延伸出的多條引線。半導體管芯位于引線框結構的管芯附連焊盤上。第二模制材料覆蓋半導體管芯和引線框結構的至少一部分。該半導體管芯封裝還包括散熱塊以及將散熱塊耦合到夾結構的所暴露表面的導熱材料。本發明的一個實施例涉及包括以下步驟的方法a)將半導體管芯附連到引線框結構的管芯附連焊盤；b)附連模制夾結構，該模制夾結構包括夾結構和覆蓋該夾結構的至少一部分、并向半導體管芯暴露該夾結構的外表面的第一模制材料；C)在半導體管芯和引線框結構的至少一部分周圍形成第二模制材料；以及d)使用導熱材料將散熱塊附連到夾結構的所暴露外表面。本發明的其他實施例涉及電組件及其形成方法。本發明的這些和其它實施例將在下文中更詳細地描述。附圖簡述圖l(a)-l(c)示出了根據本發明各實施例的三種不同半導體管芯封裝的三維俯視圖。圖2(a)_2(c)示出了
圖1 (a)_1 (c)中所示的半導體管芯封裝實施例的側視圖。圖3示出了根據圖l(a)_l(c)中所示的實施例的半導體管芯封裝的三維仰視圖。圖4示出了顯示圖1(a)中所示的半導體管芯封裝中的不同組件的三維俯剖視圖。圖5(a)示出了圖1(a)中所示的半導體管芯封裝IA的俯視平面圖。示出了一些內部組件。圖5(b)_5(e)分別示出圖5(a)中沿著線A_A、B_B、C-C和D-D的側截面圖。圖6示出了顯示圖1(b)中所示的半導體管芯封裝中的不同組件的三維俯剖視圖。圖7(a)示出了圖1(b)中所示的半導體管芯封裝IB的俯視平面圖。示出了一些內部組件。圖7(b)-7(d)分別示出圖7(a)中沿著線A_A、B_B、C-C和D-D的側截面圖。圖8示出了顯示圖1 (c)中所示的半導體管芯封裝IC中的不同組件的三維俯剖視圖。圖9(a)示出了圖1中所示的半導體管芯封裝IB的俯視平面圖。示出了一些內部組件。圖9(b)_9(d)分別示出圖9(a)中沿著線A-A、B_B、C-C和D-D的側截面圖。圖10 (a)-1到10 (a) _3示出根據本發明一實施例的在形成模制夾期間形成的前驅體的圖像。圖10(b)_l到10(b)-3示出根據本發明另一實施例的在形成模制夾期間形成的前驅體的圖像。圖IO(C)-I到10 (c)-3示出根據本發明另一實施例的在形成模制夾期間形成的前驅體的圖像。圖11 (a)-11 (c)示出三個不同模制夾實施例的俯視透視圖和仰視透視圖。圖12示出夾結構的二維陣列。圖13示出根據本發明一實施例的夾結構的三維透視圖。圖14(a)-14(c)示出根據本發明各實施例的三種不同散熱塊。圖15(a)_15(c)示出了散熱塊處于打開位置的三種半導體管芯封裝的透視圖。圖16(a)_16(h)示出根據本發明一實施例的在形成半導體管芯封裝期間形成的前驅體的透視圖。圖17(a)_17(h)示出根據本發明一實施例的在形成半導體管芯封裝期間形成的前驅體的透視圖。圖18(a)_18(g)示出根據本發明一實施例的在形成半導體管芯封裝期間形成的前驅體的透視圖。圖19(a)示出另一半導體管芯封裝實施例的三維剖視圖。圖19(b)示出了無模制材料、有夾結構的半導體管芯封裝的三維視圖。圖19(c)示出了柵極夾結構中有孔的半導體管芯封裝實施例的俯剖視透視圖。圖19(d)示出根據本發明一實施例的模制夾結構的俯視透視圖。圖19(e)示出根據本發明一實施例的夾結構陣列的俯視平面視圖。圖19(f)示出根據本發明一實施例的模制夾結構的仰視透視圖。圖19(g)示出根據本發明一實施例的模制夾結構的俯視透視圖。圖20是功率MOSFET的側截面圖。在附圖中，相同的附圖標記指示相同的元件，且可能不重復對一些元件的描述。在附圖中示出示例性尺寸。本發明各實施例不限于這些示例性尺寸。詳細描述
本發明的一個實施例涉及包括半導體管芯和模制夾結構的半導體管芯封裝。半導體管芯封裝中的半導體管芯可包括任何合適類型的器件，包括功率M0SFET。 雖然詳細描述了功率M0SFET，但在本發明的實施例中可使用任何合適的垂直功率晶體管。 垂直功率晶體管包括VDMOS晶體管和垂直雙極晶體管。VDMOS晶體管是具有兩個或更多個通過擴散形成的半導體區的MOSFET (其示例在圖20中示出)。它具有源極區、漏極區和柵極。該器件是垂直的，因為源極區和漏極區位于半導體管芯的相對表面。柵極可以是溝槽柵極結構或平面柵極結構，且在與源極區相同的表面處形成。溝槽柵極結構是優選的，因為溝槽柵極結構與平面柵極結構相比較窄并占據較少空間。在操作期間，VDMOS器件中從源極區流向漏極區的電流與管芯表面基本垂直。在本發明的實施例中也可使用其他電器件，諸如垂直電阻器、電容器等。在本發明的實施例中，輸入區可以在半導體管芯的一個表面處， 而輸出區可以在該半導體管芯的相對表面處。模制夾結構包括夾結構和覆蓋夾結構的至少一部分的第一模制材料。夾結構可包括金屬，諸如銅，并且可電耦合到半導體管芯封裝中的半導體管芯。第一模制材料的表面可與夾結構的表面基本共面。第一模制材料可包括諸如環氧材料之類的材料，并且可暴露夾結構的外表面。在制造半導體管芯封裝的過程期間，第一模制材料初始可覆蓋夾結構的外表面。隨后可使用材料移除工藝(諸如激光切除工藝)來暴露該外表面。模制夾結構中的觸點可限定將模制夾結構耦合到半導體管芯的焊點的形狀。這可導致在半導體管芯的柵極和源極接觸區域有較小應力的、預定義的焊點。模制夾中的其他觸點也可限定將模制夾耦合到引線框結構中的柵極和源極頂置引線柱的焊點的形狀。模制夾結構可靠近半導體管芯封裝中的半導體管芯。在本發明的一些實施例中， 為了防止第二模制材料在諸如模制夾結構和半導體管芯之類的兩個結構之間的空間中的不完全填充，模制夾結構在其底面處被激光切除(參見例如圖13)以便為第二模制材料提供空間，從而填充半導體管芯與模制夾結構之間的窄間隙。在激光切除模制夾結構中的第一模制材料之后，夾結構底側的柵極和源極接觸焊盤可從模制夾結構的其他表面突出。這種接觸焊盤突出可促進將模制夾結構接合到半導體管芯的焊點的垂直嵌縫。半導體管芯封裝還包括弓丨線框結構。引線框結構可包括管芯附連焊盤以及從管芯附連焊盤延伸出的引線。半導體管芯使用焊料或某種其他導電粘合劑安裝在引線框結構的管芯附連焊盤上。在一些實施例中，引線框結構可包括漏極引線結構、柵極引線結構和源極引線結構。漏極引線結構可包括管芯附連焊盤以及從管芯附連焊盤延伸出的多條引線。引線框結構還可包括柵極引線結構，柵極引線結構包括柵極引線柱以及從柵極引線柱延伸出的柵極引線。它還可包括源極引線結構，源極引線結構包括源極引線柱以及與源極引線柱的取向基本垂直地延伸的多條源極引線。引線框結構或上述夾結構可包括任何合適的材料。例如，引線框結構和/或夾結構可包括諸如銅、鎳等基礎金屬。基礎金屬可涂敷有諸如鎳或非氧化金屬之類的可焊接材料。第二模制材料可覆蓋半導體管芯和引線框結構的至少一部分。在一些實施例中， 引線框結構的底部外表面通過第二模制材料被暴露。第二模制材料可以與第一模制材料相同或不同。由于它們是在分開的時間模制的，因此第一和第二模制材料之間的界面可能存在于半導體管芯封裝中。半導體管芯封裝還包括散熱塊以及將散熱塊耦合到夾結構的所暴露表面的導熱材料，諸如焊料。散熱塊可被附連，從而其是半導體管芯封裝中的外部或內部組件。散熱塊可包括導熱且(任選地)導電的材料，諸如銅、鋁及其合金。在本發明的一些實施例中，它可具有定形為正方形的主表面，且可具有約為0. 250mm(或更小)的厚度。將散熱塊耦合到夾結構的所暴露表面的導熱材料可包括任何合適的材料，包括導熱環氧樹脂或焊料(基于1 的或無鉛的)。散熱塊提供許多優點。首先，附連的散熱塊可形成半導體管芯封裝的頂部源極觸點。這在源極連接將形成在半導體管芯封裝頂面的情形中允許更大的設計靈活性。第二， 在半導體管芯封裝需要遵循預定規范的情形中，散熱塊可使得半導體管芯封裝更厚。第三， 散熱塊也可以是半導體管芯封裝的美學頂冠。本發明的各實施例還解決了許多問題。第一，本發明的實施例可消除或減少半導體管芯封裝內的壓縮應力問題。如上所述，在一些實施例中，夾結構的外表面不被第二模制材料和第一模制材料覆蓋。在這些實施例中，夾結構的外表面在制造期間使用諸如激光切除等非機械的材料移除工藝被暴露。第二，在本發明的實施例中，具有所定義的焊接區域的模制夾結構被置于半導體管芯封裝內的兩個結構之間。這減少了半導體管芯和散熱塊之間的焊點和連接的不受控制的散射。第三，在本發明的實施例中，半導體管芯、模制夾和散熱塊可使用相同的焊料冶金術且焊料回流可同時發生。這可導致要求較少處理步驟的方法且得到較便宜的封裝。第四，本發明的實施例可以是自對準的，且無需使用夾具來對準半導體管芯、模制夾和散熱塊。第五，在本發明的實施例中，有可能暴露夾結構的外表面，即使在使用不同大小的管芯時亦然。第六，包括通過第一模制材料暴露的外夾結構表面的本發明實施例可與具有用模制材料過度模制的外夾結構表面的半導體管芯封裝使用相同的制造裝備。第七，夾結構陣列的密度可以較高且獨立于引線框結構間距。圖1 (a) ,2(a)和3示出了半導體管芯封裝IA的各種視圖，半導體管芯封裝IA頂部包括散熱塊加。半導體管芯封裝IA可以是MLP類型(微引線封裝)。在本發明的一些實施例中，第二模制材料6初始覆蓋半導體管芯封裝IA中的夾結構的外表面。隨后使用激光切除工藝(或之類的工藝)來移除第二模制材料6以形成第二模制材料表面6a。這暴露了位于半導體管芯封裝IA中的模制夾(未示出)中的夾結構的外表面。隨后使用諸如焊料之類的導熱且(任選地)導電的材料將散熱塊加附連到夾結構的所暴露外表面。散熱塊加此后可以是半導體管芯封裝IA的頂部源極觸點。如圖所示， 散熱塊加的橫向尺寸可以比第二模制材料6的橫向尺寸小。半導體管芯封裝IA包括散熱塊加下方的第二模制材料6。第二模制材料6可包括環氧材料、或任何其他合適的電絕緣材料。如圖所示，第二模制材料6在散熱塊加下方。如圖1(a)中所示，多條引線和連接塊可通過第二模制材料6暴露。引線包括源極端子5e、柵極端子5g、以及漏極端子5a(參見圖幻。該示例中的連接塊5c與引線5a、k和 5g位于半導體管芯封裝IA的不同側。在此示例中，引線5a、k和5g的端部與第二模制材料6的側面基本共同外延。在本發明的其他實施例中，引線feje和5g可延伸超過第二模制材料6的側面。
圖3示出圖1 (a)和2 (a)中所示的半導體管芯封裝IA的仰視透視圖。如圖3中所示，引線框結構5的底面證通過第二模制材料6暴露。底面證還與第二模制材料6的底面以及引線5aje和5g的底面基本共面。它還占據半導體管芯封裝IA底部的側面區域的很大一部分(例如，大于50%)，且與漏極引線k整合。底面證可直接安裝在電路基底或類似物上。它可為半導體管芯封裝IA中的半導體管芯中的漏極區形成漏極連接。圖4示出了顯示半導體管芯封裝IA中的不同組件的三維俯剖視圖。如圖4中所示，模制夾結構3位于外部散熱塊加和半導體管芯4之間。模制夾結構3可包括任何合適的組件且可包括任何合適的配置。例如，模制夾結構3可包括夾結構3c、以及至少部分地覆蓋夾結構3c的第一模制材料:3m。模制夾結構3 還可具有約0. 25mm (或更小)的厚度，且還可具有約4. 30mm χ約5. IOmm (或更小)的橫向尺寸。夾結構3d可具有任何合適的配置和/或材料。例如，若半導體管芯封裝IA是功率MOSFET封裝，則夾結構3可包括源極夾結構3st和柵極夾結構(未示出)，柵極夾結構與源極夾結構3st電隔離。在模制夾結構3中，源極夾結構3st的外表面通過第一模制材料 :3m暴露。焊料10可被用于將散熱塊加電氣地且機械地耦合到源極夾結構3st。焊料10 可包括基于鉛(例如，PbSn)的或無鉛焊料。它可被沉積為分立接合點，或可以是焊料層的形式。半導體管芯4可安裝在引線框結構5的管芯附連焊盤恥上。焊料7可位于半導體管芯4與引線框結構5之間。連接塊5c可從管芯附連焊盤恥延伸出。第二模制材料6 可覆蓋半導體管芯4和引線框結構5的至少一部分。第二模制材料6的外表面6a可與源極夾結構3st的外表面基本共面。圖4中所示的半導體管芯4上還具有鈍化層(例如，包括諸如聚酰亞胺或二氧化硅之類的絕緣體)4a。半導體管芯4不被管芯鈍化層如覆蓋的部分可被焊料覆蓋。這些區域可包括被源極焊料結構8s覆蓋的源極區和被柵極焊料結構8g覆蓋的柵極區。源極焊料結構8s可被耦合到夾結構3c中的源極夾結構3st，源極夾結構3st又可被耦合到源極引線柱5d上的源極焊料9s。源極引線^可從源極引線柱5d延伸出。柵極焊料結構8g可被耦合到夾結構3c中的柵極夾結構，源極夾結構又可被耦合到柵極引線柱5f上的柵極焊料 9g。柵極引線5g可從柵極引線柱5f延伸出。模制夾3可限定與半導體管芯4的焊點，使得在半導體管芯4的柵極區和源極區形成較小應力的、預定義的焊點。模制夾3中的夾結構3c的所暴露表面還可限定用引線框結構5的源極和柵極引線柱5d和5f形成的焊點的形狀。如圖4中所示，在半導體管芯封裝IA中，包括散熱塊加、半導體管芯4和引線框結構5的組件的堆疊可形成非常高效的傳熱路徑，因為存在很少的會阻止從半導體管芯4向周圍環境傳熱的模制材料。另外，互連這些組件的焊料可以相同(或不同)并且可在相同時間(或不同時間)回流。圖5(a)示出了圖1中所示的半導體管芯封裝IA的俯視平面圖。圖5(b)_5(e)分別示出沿著線A-A (跨柵極區)、B-B (跨源極區)、C-C (跨柵極區)和D-D (跨源極區)的側截面圖。以上描述了圖5 (a)-5(e)中所示的元件，并且無需在此重復其描述。在圖5(b)和圖5(c)中示出了示例性尺寸(以mm計)。本發明的實施例可具有大于或小于所示尺寸的尺寸。圖1 (b) ,2(b)、3和6中示出了根據本發明另一實施例的另一半導體管芯封裝1B。 半導體管芯封裝IB具有與先前在圖1 (a) ,2(a)和4中描述的半導體管芯封裝IA中的相似的組件。因此，這里不重復對相似組件的描述。然而，在圖1 (b)、2 (b)和6中的半導體管芯封裝IB中，第二模制材料6包括具有兩個不同厚度的兩個不同部分，而在半導體管芯封裝IA中，第二模制材料6在封裝IA的邊緣區域僅有一個厚度。在圖1(b)中的半導體管芯封裝IB中，這兩個不同厚度由圖1(b)和 2(b)中的表面6a和6b例示。包括表面6b的較厚部分具有覆蓋柵極夾結構(未示出)的一些第二模制材料6，從而其與散熱塊加電隔離，散熱塊加機械地且電氣地連接到源極夾結構(未示出)。圖1 (a)中所示的半導體管芯封裝IA與圖1 (b)中所示的半導體管芯封裝IB之間的另一差別在于散熱塊加具有半蝕刻(或部分蝕刻的)區域2ah，以便為更高的第二模制材料表面6b提供空間。散熱塊加可使用任何合適的蝕刻工藝來蝕刻。如圖2B中所示，半蝕刻散熱塊加和第二模制材料6彼此協作地構造。第二模制材料6的頂面6b與半蝕刻部分2ah之間有空隙。注意到在其他實施例中，該空隙無需存在。圖7(a)示出了圖1(b)中所示的半導體管芯封裝2A的俯視平面圖。圖7(b)_7(e) 分別示出沿著線A-A、B-B、C-C和D-D的側截面圖。以上描述了圖7 (a)-7 (e)中所示的元件。在圖7(b)和圖7(c)中示出了示例性尺寸(以mm計)。本發明的實施例可具有大于或小于所示尺寸的尺寸。圖1 (c) ,2(c)、3和8中示出了根據本發明另一實施例的另一半導體管芯封裝1C。 半導體管芯封裝IB具有與先前在圖1 (a) ,2(a)和4中描述的半導體管芯封裝IA中的相似的組件。因此，這里不重復對相似組件的描述。然而，半導體管芯封裝IC的散熱塊2b被設計成在其頂側具有外圍半蝕刻或壓印區域以用于模子鎖定、且對應地在其底部具有預定義的半蝕刻區域以用于柵極隔離。換言之，散熱塊2b在半導體管芯封裝中的半導體管芯中的柵極區上比在半導體管芯封裝中的半導體管芯中的源極區上更薄。另外，散熱塊2b的邊緣比中心部分更薄，從而第二模制材料6可鎖定到散熱塊2b。因此，不同于先前描述的封裝IA和1B，在封裝IC中，第二模制材料6圍繞散熱塊2b的邊緣。圖9(a)示出了圖1中所示的半導體管芯封裝IA的俯視平面圖。圖9(b)_9(e)分別示出沿著線A-A、B-B、C-C和D-D的側截面圖。以上描述了圖9 (a)-9 (e)中所示的元件。 在圖9(b)中示出了示例性尺寸(以mm計)。本發明的實施例可具有大于或小于所示尺寸的尺寸。本發明各實施例還可包括用于制造半導體管芯封裝的新穎且獨特的方法。例如， 如以下將更詳細地描述的，在一些實施例中(例如，圖1(c)中所示的封裝1C)，在將半導體管芯和金屬組件堆疊(包括引線框結構、夾結構和散熱塊)組裝在一起之后，該組合用第二模制材料6來模制。在模制之后，引線框結構端子如、58和^5的表面在半導體管芯封裝的底部通過第二模制材料6被暴露。半導體管芯封裝頂部的任何過度模制部分可使用激光來切除以暴露散熱塊2b的頂側表面下至封裝表面6c。經切除的模子混合物以及所暴露的散熱塊2b構成共面表面6c。
另外，在本發明的實施例中，散熱塊和/或模制夾組件可被設計成將與半導體管芯中的柵極區相關聯的柵極電流與源極電流隔離。這防止了夾結構中的柵極夾結構與耦合到半導體管芯中的源極區的散熱塊短路。例如，圖1(a)中的半導體管芯封裝IA具有內建于模制夾結構中的柵極隔離特征。在圖1 (b)中的半導體管芯封裝IB中，柵極隔離特征是通過對第二模制材料6b的選擇性切除來產生的。第二模制材料6的表面6b高于第二模制材料的表面6a。這樣做是為了隱藏夾結構的柵極結構中的柵極接觸焊盤。在圖IC中的半導體管芯封裝IC中，柵極隔離特征是通過在模制夾的所暴露柵極接觸焊盤上的散熱塊中造成半蝕刻金屬間隙來設計的。第二模制材料可在最后封裝模制過程中填充該空隙。這是通過用第二模制材料6完全模制該堆疊且隨后跟有激光切除步驟以部分地移除第二模制材料6 同時允許暴露散熱塊2b使得散熱塊加的邊緣上的第二模制材料與之共面來完成的。圖 10 (a)-1 到 10 (a) -3,10 (b) _1 到 10 (b) _3、以及 10 (c) _1 到 10 (C) _3 示出根據本發明各實施例的用于制作模制夾結構的過程。如圖10 (a)-1到10(a)-3、10(b)-l到 10 (b) -3、以及10 (c)-1到10 (c) -3中所示，在本發明各實施例中，首先獲得夾結構3c。每個夾結構3c可包括柵極夾結構3gt和源極夾結構3st。圖10 (a)-1到10 (a)-3、10 (b)-1到 10(b)-3、以及IO(C)-I到10(c)-3中的夾結構3c分別用在圖ll(a)-ll(c)中所示的模制夾結構3-1、3-2和3-3中。在圖10 (a)-2、10(b)-2、和10(c)-2中，隨后用第一模制材料3ao來模制夾結構 3c。在圖10 (a)-2中，夾結構3c在其頂表面被第一模制材料3ao過度模制，而在圖10(b)_2 和10 (c)-2中，夾結構3c在其頂表面不被過度模制。夾結構3c的第一模制材料的部分隨后在其底面被激光切除(參見圖11 (a)-ll (c) 中的表面北)，從而柵極和源極接觸焊盤3gb和3sb從第一模制材料的底面突出。隨后，如圖10 (a) -3,10 (b) _3、和10 (c) _3中所示，隨后通過切割工藝(諸如鋸或激光切割)使模制夾結構的陣列單片化。所得模制夾結構3-1、3-2和3-3在圖11 (a)-ll (c) 中示出。圖11(a)示出了模制夾結構3-1，其底部第一模制材料表面北暴露夾柵極和源極接觸焊盤3gb、3sb。這些焊盤3gb、3sb可被用于連接到半導體管芯封裝中的半導體管芯和引線框結構。第一模制材料:3m的頂面3ao覆蓋(即，過度模制)夾結構的外表面。該模制夾結構3-1可通過靠著夾結構3c不被第一模制材料:3m覆蓋的表面放置膠帶來形成。圖11(b)示出了模制夾結構3-2。頂部柵極和源極接觸焊盤3gt和3st被模制材料:3m的頂面3ae暴露且與模制材料:3m的頂面3ae基本共面。底部接觸焊盤3gb和3sb被第一模制材料3m的表面北暴露。焊盤3gb和3sb可通過第一模制材料:3m的表面北暴露、 從第一模制材料3m的表面北突出、和/或與第一模制材料: 的表面北基本共面。模制夾結構3-2可通過在模制過程期間完全夾住夾結構3c來產生。模制夾結構 3-2不要求使用膠帶輔助模制工藝。如以上解釋的，頂部所暴露的源極焊盤3st可在組裝半導體管芯封裝期間被用于散熱塊連接。圖11(c)示出了具有第一模制材料: 的模制夾結構3-3，第一模制材料: 具有暴露夾結構表面的兩個相對表面3ae和北。頂面3ae暴露源極接觸焊盤3st以用于散熱塊連接。夾結構中的柵極接觸焊盤不被頂面3ae暴露，因為在其頂側是半蝕刻的。底面: 暴露柵極和源極接觸焊盤3gb、3sb以用于連接到半導體管芯和引線框結構連接。模制夾結構3-3在夾結構模制期間可以使用或者可以不使用弓丨線框膠帶。圖12示出通過半蝕刻連接塊3t彼此連接的夾結構3c的陣列。夾結構陣列的主體是半蝕刻金屬3h。整個金屬區域是將在最后封裝組裝期間用于與先前描述的半導體管芯 4和引線框結構5進行焊接連接的接觸焊盤3gb和3sb。在圖12中示出了示例性尺寸(以 mm計)。本發明的實施例可具有大于或小于所示尺寸的尺寸。參照圖11 (b)和11 (c)，用于模制夾3-2和3_3的模制過程可涉及完全夾住整個金屬接觸區域3gb和3sb從而在底面北暴露它們。夾結構3c的其他側可被模制材料: 的頂面3ae暴露，從而其將被用于與先前描述的散熱塊進行焊接連接。半蝕刻區域可用第一模制材料em來填充。參照圖11(a)，用于模制夾3-1的模制過程可包括夾住陣列外圍以允許對夾結構的過度模制以形成頂面3ao。夾結構3c可在過度模制過程中使用膠帶。過度模制的第一模制材料3m的厚度可大于或小于0. 1mm。參照圖13，突出的柵極和源極接觸焊盤3gb和3sb可促進夾結構附連過程期間焊料8g和8s的垂直嵌縫。在激光切除過程期間移除的模制材料:3m可在包裝半導體管芯封裝的組件期間為第二模制材料6提供空間。圖14(a)-14(c)示出了與圖15 (a)-15(c)中所示的半導體管芯封裝1A、IB和IC 聯用的不同散熱塊實施例的俯視和仰視透視圖。圖14(a)中的散熱塊加類似于平板，其橫向尺寸略小于圖15(a)中的半導體管芯封裝IA的橫向尺寸。散熱塊加可被耦合到焊料10。另外，模制夾結構3-1具有被第一模制材料覆蓋的柵極夾結構。圖14(b)中的散熱塊加具有部分蝕刻區2ah和未蝕刻區。蝕刻區2ah可與包括表面6b的半導體管芯封裝IB的第二模制材料的一部分協作地構造。表面6b高于表面6a。 散熱塊加可被耦合到焊料10。另外，模制夾結構3-2具有被第二模制材料6覆蓋的柵極夾結構，從而該柵極夾結構與散熱塊加電隔離。第二模制材料6被選擇性地激光切除且表面6b不被激光切除，從而第二模制材料6在焊料10之上和在表面6a之上被移除。圖14(c)中的散熱塊2b具有多個部分蝕刻區2ah,2ah'和未蝕刻區。如圖15(c) 中所示，第一蝕刻區2ah可被置于柵極接觸焊盤3gt之上并與柵極接觸焊盤3gt間隔開，從而柵極接觸焊盤3gt和第一蝕刻區2ah彼此物理分開且彼此不電耦合。當如圖15(c)中所示地在這些組件周圍模制第二模制材料(未示出)時，其將填充第一蝕刻區2ah與柵極接觸焊盤3gt之間的空隙。第二蝕刻區2ah'可被用作模子鎖定特征以允許第二模制材料鎖定到散熱塊2b。第一和第二蝕刻區2ah、2ah'位于散熱塊加的相對側。根據本發明各實施例的方法可包括堆疊封裝組件并將硅管芯夾在傳導性組件 (例如，引線框結構、夾結構和散熱塊)之間。這些方法還可包括以下過程中的一些焊料絲網印刷、焊料分配(或等效的焊料施加過程)、管芯的取放組裝、夾模制以及散熱塊附連。 以下參照圖16、17和18來描述關于根據本發明各實施例的方法的具體細節。在完全組裝半導體管芯和金屬組件的堆疊之后，所得半導體管芯封裝前驅體隨后用第二模制材料來過度模制。在模制過程期間不向該組件堆疊施加壓力。覆蓋夾結構表面的模制材料隨后被移除以暴露該表面，該表面可對應于夾結構的頂部源極接觸焊盤(參見圖1(a)和1(b)中的封裝IA和1B)。替換地，在另一實施例中，散熱塊被第二模制材料覆蓋。它可被減薄以暴露散熱塊的表面(參見圖1(c)中的封裝1C)。在本發明的各實施例中，封裝減薄過程可使用激光切除來執行。這防止了向所形成的半導體管芯封裝中引入機械應力。激光切除工藝也可以選擇性方式應用(例如，以產生圖1(b)中的封裝)或以對封裝頂面的完全掃描的方式應用 (例如，以產生圖1 (a)中所示的封裝)。對半導體管芯封裝IB中的模制材料的選擇性切除可隔離柵極夾結構與散熱塊(其電耦合至源極夾結構)的電接觸。本發明的一個實施例涉及包括以下步驟的方法a)將半導體管芯附連到引線框結構的管芯附連焊盤；b)獲得模制夾結構，該模制夾結構包括夾結構和覆蓋該夾結構的至少一部分、并向半導體管芯暴露該夾結構的外表面的第一模制材料；c)在半導體管芯和引線框結構的至少一部分周圍模制第二模制材料；以及d)使用導熱材料將散熱塊附連到夾結構的所暴露外表面。圖16(a)_16(h)示出根據本發明一實施例的在形成半導體管芯封裝期間形成的前驅體的透視圖。在圖16(a)中，焊料7被沉積在引線框結構5的管芯附連表面上。焊料可使用任何合適的焊料糊劑印刷工藝來沉積。在其他實施例中，可使用傳導性環氧樹脂來代替焊料。如圖16(b)中所示，半導體管芯4被附連到引線框結構5的管芯附連區域。半導體管芯4包括鈍化層如。如圖16(c)中所示，附加焊料9s、9g被沉積在引線框結構5的源極和柵極引線柱 5d、5f上。附加焊料8s、8g也被沉積在半導體管芯4的源極區和柵極區上。隨后，模制夾結構3被附連到半導體管芯4的頂面。模制夾結構3底部的源極觸點3sb能耦合到源極焊料 8s,而模制夾結構3底部的柵極觸點3gb能耦合到柵極焊料Sg。夾結構3中的其他源極和柵極觸點能耦合到焊料9s、9g。如圖16(d)中所示，模制夾結構3隨后被附連到引線框結構5和半導體管芯4。如圖16(e)中所示，在引線框結構5和半導體管芯4的至少部分上形成第二模制材料6。如圖16(f)中所示，第二模制材料6的至少部分被移除以暴露夾結構3的頂面。可使用激光切除工藝來移除第二模制材料6。在該實施例以及其他實施例中，進行激光切除的合適條件可由本領域技術人員確定。如圖16(g)中所示，焊料10被沉積在所暴露的源極接觸焊盤3st上。散熱塊加經由焊料10附連到所暴露的源極接觸焊盤3st。如圖16(h)中所示，隨后執行回流。在該實施例和其他實施例中，回流過程可回流先前用于將該封裝的組件附連在一起的一些或全部焊料。隨后執行單片化過程、焊料平整過程、以及測試/標記/捆扎和卷繞過程。圖17(a)_17(h)示出根據本發明一實施例的在形成半導體管芯封裝期間形成的前驅體的透視圖。在圖17(a)中，焊料7被沉積在引線框結構5的管芯附連表面上。焊料可使用任何合適的焊料糊劑印刷工藝來沉積。在其他實施例中，可使用傳導性環氧樹脂來代替焊料。如圖17(b)中所示，半導體管芯4被附連到引線框結構5的管芯附連區域。半導體管芯4包括鈍化層如。如圖17(c)中所示，附加焊料9s、9g被沉積在引線框結構5的源極和柵極引線柱 5d、5f上。附加焊料8s、8g也被沉積在半導體管芯4的源極區和柵極區上。隨后，模制夾結構3被附連到半導體管芯4的頂面。模制夾結構3底部的源極觸點3sb能耦合到源極焊料 8s,而模制夾結構3底部的柵極觸點3gb能耦合到柵極焊料Sg。夾結構3中的其他源極和柵極觸點能耦合到焊料9s、9g。如圖17(d)中所示，模制夾結構3隨后被附連到引線框結構5和半導體管芯4。如圖17(e)中所示，在引線框結構5和半導體管芯4的至少部分上形成第二模制材料6。如圖17(f)中所示，第二模制材料6的至少部分被移除以暴露夾結構3的頂面。可使用激光切除工藝來移除第二模制材料6。如圖17(g)中所示，焊料10被沉積在所暴露的源極接觸焊盤3st。散熱塊加經由焊料10附連到所暴露的源極接觸焊盤3st。如圖17(h)中所示，隨后執行回流。隨后執行單片化過程、焊料平整過程、以及測試/標記/捆扎和卷繞過程。參照圖18，在用于半導體管芯封裝I-C的另一制造過程中，在執行夾鋸切過程之前可使用比如95I^5Sn之類的高熔點焊料將散熱塊2b附連到模制夾結構3。圖 18 (a)-18(g)示出根據本發明一實施例的在形成半導體管芯封裝期間形成的前驅體的透視圖。在圖18(a)中，焊料7被沉積在引線框結構5的管芯附連表面上。焊料可使用任何合適的焊料糊劑印刷工藝來沉積。在其他實施例中，可使用傳導性環氧樹脂來代替焊料。如圖18(b)中所示，半導體管芯4被附連到引線框結構5的管芯附連區域。半導體管芯4包括鈍化層如。如圖18(c)中所示，附加焊料9s、9g被沉積在引線框結構5的源極和柵極引線柱 5d、5f上。附加焊料8s、8g也被沉積在半導體管芯4的源極區和柵極區上。隨后，模制夾結構3被附連到半導體管芯4的頂面。模制夾結構3底部的源極觸點3sb能耦合到源極焊料 8s,而模制夾結構3底部的柵極觸點3gb能耦合到柵極焊料Sg。夾結構3中的其他源極和柵極觸點能耦合到焊料9s、9g。如圖18(d)中所示，模制夾結構3隨后被附連到引線框結構5和半導體管芯4。如圖18(e)中所示，執行回流過程以將模制夾結構2b固定到半導體管芯4。如圖18(f)中所示，在引線框結構5和半導體管芯4的至少部分上形成第二模制材料6。如圖18(g)中所示，第二模制材料6的至少部分被移除以暴露散熱塊2b的頂面。 可使用激光切除工藝來移除第二模制材料6。圖19(a)示出根據本發明一實施例的另一半導體管芯封裝1D。半導體管芯封裝 ID的內部組件包括模制夾結構3，其中在夾結構中設計有通孔槽3s，從而第二模制材料6能填充槽3s。該模制夾結構3可使用但不要求使用激光切除工藝來移除底面的模制材料。模制夾結構3中的槽3s將允許在最后封裝組裝期間垂直鎖定模子混合物6。它還創建了焊料 8g、8s的垂直嵌縫，這將改進產品的內部焊點可靠性。
散熱塊2b還具有一個或多個槽2s以匹配一個或多個模制夾結構槽3s以進行高效模子填充和模子鎖定。這些結構中的槽可對準或者可至少交迭。散熱塊2b可以是具有陷型或蝕刻邊緣2w以在最后封裝模制期間進行模子鎖定的壓印金屬。散熱塊2b還可使用非接觸式切除工藝通過第二模制材料6被暴露。槽&、28是孔的示例，且這些孔可以是拉長的槽、常規的洞等。這些孔也可具有任何合適的尺寸。它們可占據少于夾結構的側面區域的約50%。參照圖19(b)，在不存在散熱塊2b的情況下，內部封裝封裝組件可以是包括模制夾結構的功能產品。(由于使用槽所造成的)所示封裝具有良好的焊點，這是由于焊料Sg、 8s與模制夾槽3s的垂直壁的垂直嵌縫。這提供了管芯4與源極和柵極夾結構之間更好的電接觸和機械接觸。該封裝還具有良好的模子鎖定特性。在兩種封裝組件中，模制夾結構3中的通孔槽3s還可在焊料回流期間用作焊劑的排除窗，且同時能提供查看窗以在制造組裝期間進行視覺檢查。參照圖19(c)和19(d)(其示出模制夾結構3的下側)，在根據本發明一實施例的另一半導體管芯封裝中，模制夾結構3和散熱塊2b被設計成沒有源極通孔槽以使夾結構的熱沉區域最大化。第二模制材料填充半導體管芯4與模制夾結構3之間的空隙。該空隙可包括夾結構下側的打開的半蝕刻區域池。半蝕刻區域池部分地是由源極焊盤3x限定的。 源極焊盤3x具有與半導體管芯上的源極區接觸焊盤相對應的區域。圖19(e)_19(g)示出夾結構陣列和模制夾結構陣列并解說了夾結構中存在的模制壩特征。圖19(e)示出夾結構陣列208的仰視圖。集成地形成的模制壩結構208存在于夾結構陣列208中、以及存在于夾結構陣列208中的每個夾結構中。由模制壩結構206限定的區域在圍繞夾結構陣列208模制第一模制材料的過程期間將不被第一模制材料淹沒。由于模制壩結構被設計在夾結構陣列208中的夾結構中，因此固態金屬模制壩結構將阻止模制材料填充所圍住的空間。圖19(f)示出了模制夾結構陣列208。模制夾的源極接觸焊盤將形成模制壩結構 206的集成部分。所示的全部金屬區域在夾結構模制過程期間與模制工具直接接觸。圖19(g)示出了模制夾結構陣列208的俯視透視圖。本發明各實施例的附加優點包括簡化的組裝構造和更好的制造性。也可在封裝前驅體仍處于矩陣引線框或基底中時執行散熱塊附連。本發明的各實施例具有許多附加優點。首先，根據本發明各實施例，夾結構和引線框結構的主要表面通過半導體管芯封裝中的模制材料被暴露。其次，半導體管芯封裝中的組件以使得應力最小化的方式被堆疊。第三，夾結構的頂部外表面可使用諸如激光切除工藝之類的工藝通過第一模制材料被暴露。第四，本發明各實施例在半導體管芯封裝中的堆疊組件集合中添加了散熱塊。第五，使用具有不同厚度的散熱塊允許在制造具有暴露的外部夾和引線框結構表面的半導體管芯封裝時具有靈活性。第五，取決于管芯布局配置，散熱塊設計可被配置成使得外部所暴露接觸焊盤尺寸是通用的。第六，散熱塊將提供至封裝頂部的導電和導熱路徑，但不會向堆疊組件增加應力，因為其是作為封裝的傳導性外部附件附連到該頂部被切除的模制封裝的。可使得散熱塊附連之前的制造過程與封裝的過度模制版本相同。注意，本發明各實施例可具有上述優點中的一些或全部。
上述封裝中的任何封裝可被用在電組件中，電組件可包括安裝在諸如電路板之類的電路基底上的封裝。這些組件還可被用在諸如服務器計算機、蜂窩電話等系統中。一個或多個實施例的任何一個或多個特征可與任何其他實施例的一個或多個特征組合而不脫離本發明的范圍。例如，圖19(d)中所示的夾結構可被用在先前描述的實施例中的任何實施例中。對“一”、“一個”或“該”的任何引用旨在表示“一個或多個”，除非具體地指示了相反含義。以上描述是解說性而非限制性的。基于對本公開的查閱，本發明的許多變化對本領域技術人員將變得顯而易見。因此，本發明的范圍不應該參照以上描述來確定，相反應該參照所附權利要求及其全部范圍或等效方案來確定。
權利要求
1.一種半導體管芯封裝，包括半導體管芯；模制夾結構，所述模制夾結構包括夾結構和覆蓋所述夾結構的至少一部分、并暴露所述夾結構的外表面的第一模制材料，其中所述夾結構電耦合到所述半導體管芯；引線框結構，所述引線框結構包括管芯附連焊盤和從所述管芯附連焊盤延伸出的多條引線，其中所述半導體管芯位于所述引線框結構的所述管芯附連焊盤上；第二模制材料，其覆蓋所述半導體管芯和所述引線框結構的至少一部分；散熱塊；以及導熱材料，其將所述散熱塊耦合到所述夾結構的所暴露表面。
2.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含輸入區的第一表面以及含輸出區的第二表面，所述輸入區耦合到所述夾結構且所述輸出區耦合到所述引線框結構的所述管芯附連焊盤。
3.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含源極區和柵極區的第一表面以及含漏極區的第二表面，所述柵極區和所述漏極區耦合到所述夾結構且所述漏極區耦合到所述引線框結構的所述管芯附連焊盤。
4.如權利要求3所述的半導體管芯封裝，其特征在于，所述半導體管芯包括功率 MOSFET。
5.如權利要求3所述的半導體管芯封裝，其特征在于，所述夾結構包括柵極夾結構和源極夾結構，其中所述柵極夾結構耦合到所述半導體管芯中的所述柵極區，而所述源極夾結構耦合到所述半導體管芯中的所述源極區。
6.如權利要求5所述的半導體管芯封裝，其特征在于，所述源極夾結構包括孔。
7.如權利要求5所述的半導體管芯封裝，其特征在于，所述柵極夾結構包括孔。
8.如權利要求7所述的半導體管芯封裝，其特征在于，還包括耦合所述柵極夾結構和所述柵極區的焊料。
9.如權利要求1所述的半導體管芯封裝，其特征在于，所述散熱塊包括具有第一厚度的第一部分以及包括第二厚度的第二部分，其中所述第一厚度和所述第二厚度不同。
10.如權利要求1所述的半導體管芯封裝，其特征在于，還包括所述散熱塊中的孔。
11.一種系統，包括如權利要求1所述的半導體管芯封裝。
12.一種方法，包括a)將半導體管芯附連到引線框結構的管芯附連焊盤；b)附連模制夾結構，所述模制夾結構包括夾結構和覆蓋所述夾結構的至少一部分、并向所述半導體管芯暴露所述夾結構的外表面的第一模制材料；c)在所述半導體管芯和所述引線框結構的至少一部分周圍模制第二模制材料；以及d)使用導熱材料將散熱塊附連到所述夾結構的所暴露外表面。
13.如權利要求12所述的方法，其特征在于，所述半導體管芯包括含輸入區的第一表面以及含輸出區的第二表面。
14.如權利要求12所述的方法，其特征在于，在c)之前執行d)。
15.如權利要求13所述的方法，其特征在于，所述第二模制材料至少覆蓋所述散熱塊。
16.如權利要求12所述的方法，其特征在于，按順序執行a)、b)、c)和d)。
17.如權利要求12所述的方法，其特征在于，所述散熱塊包括孔。
18.如權利要求17所述的方法，其特征在于，所述半導體管芯包括含輸入區的第一表面以及含輸出區的第二表面，其中所述第一表面與所述第二表面相對。
19.如權利要求12所述的方法，其特征在于，所述第二模制材料暴露所述引線框結構的外表面。
20.如權利要求12所述的方法，其特征在于，在執行步驟a)、b)、c)和d)之后形成半導體管芯封裝，且其中所述方法還包括將所述半導體管芯封裝附連到電路基底。
全文摘要
一種半導體管芯封裝。該半導體管芯封裝包括半導體管芯和模制夾結構，該模制夾結構包括夾結構和覆蓋該夾結構的至少一部分的第一模制材料。第一模制材料暴露夾結構的外表面。夾結構電耦合至半導體管芯。半導體管芯封裝還包括引線框結構，該引線框結構包括管芯附連焊盤以及從管芯附連焊盤延伸出的多條引線。半導體管芯位于引線框結構的管芯附連焊盤上。第二模制材料覆蓋半導體管芯和引線框結構的至少一部分。該半導體管芯封裝還包括散熱塊以及將散熱塊耦合到夾結構的所暴露表面的導熱材料。
文檔編號H01L23/12GK102272920SQ200980154823
公開日2011年12月7日 申請日期2009年12月9日 優先權日2008年12月12日
發明者M·C·B·伊斯塔西歐, M·C·Y·基尼奧內斯 申請人:費查爾德半導體有限公司