具有配置為模塊的多級引線框的封裝半導體器件的制作方法

具有配置為模塊的多級引線框的封裝半導體器件的制作方法
【專利摘要】一種半導體系統（100)具有第一平面引線框(101)，所述第一平面引線框（101)具有第一引線(102)和焊盤(103)，所述焊盤(103)附接有電子部件（120)，該第一引線框包括以遠離第一引線框的平面的角度彎曲的一組細長引線（104);具有第二引線（112)和焊盤（113)的第二平面引線框（110)，所述焊盤(113)附接有電子部件(114)；第一引線框的彎曲引線導電連接到第二引線框，在兩個平面中的部件和引線之間形成導電鏈接的三維網絡；以及密封三維網絡的封裝材料（140)。
【專利說明】具有配置為模塊的多級引線框的封裝半導體器件

【技術領域】
[0001]本發明一般涉及半導體器件和工藝領域，更具體地涉及具有互連模塊化多級引線 框的電子系統的結構和制造方法。

【背景技術】
[0002]在半導體技術的長期趨勢中，持續不減退的是微型化、集成和速度的趨勢。除這些 趨勢外，近年已出現滿足產品定制的更大靈活性和減少將這些產品投放市場所需時間的新 興產品需求。具體產品例子可說明這些需求。
[0003]商業應用（例如電信、家用音頻和調節器產品）中的電子產品經常需要能夠切換 電源、調節并穩定電壓以及充當從一個DC電壓轉換到另一個DC電壓的變換器的系統。這 些系統不僅需要具有高效率以適當操作，而且優選也應該具有微小的橫向和厚度尺寸，并 需要非常低的成本。
[0004] 受歡迎的電力開關系統包括具有約10mm到20mm尺寸的金屬引線框，多個分立電 子部件作為單元裝配并二次成型到該金屬引線框上。二次成型的電力系統的高度目前在 2mm和3mm之間。電源的部件可包括半橋（或電力塊）；各種電阻器和電容器；以及用于能 量存儲的封裝負載電感器。在操作中，部件必須通過有效地分散熱至散熱器來保持冷卻以 使它們能夠快速切換（快速瞬態響應）。
[0005] 半橋（或電力塊）的部件可包括具有低電阻和大電流處理能力的兩個M0S場效應 晶體管（FET)，其串聯連接并由共用開關節點耦合在一起；進一步包括各種電阻器和電容 器；以及用于能量存儲的封裝負載電感器。在添加調節驅動器時，該組件被稱為電力級或同 步降壓變換器。在同步降壓變換器中，也稱為高壓側開關的控制FET芯片連接在電源電壓 VIN和LC輸出濾波器之間，并且也被稱為低壓側開關的同步（sync)FET芯片連接在LC輸出 濾波器和地電位之間。控制FET芯片和同步FET芯片的柵極連接到半導體芯片，其包括用 于變換器的驅動器和控制器的電路；該芯片也連接到地電位。
[0006] 電源組件的開關節點連接到用作電源電路的能量存儲的輸出負載電感器；該電感 器必須足夠大以可靠運作，從而維持恒定輸出電壓。常規封裝電感器包括包覆銅線的螺旋 配置的線圈，其焊接到鍍銅引線框并成型為磁性鐵氧體材料。電感器由長方體形封裝復合 物密封。由于其大小，因此相對于引線框和后續的印刷電路板（PCB)的體積和基板面消耗， 封裝負載電感器是電源組件的主要部件。即使電感器和FET之間緊密靠近并且存在連接到 電路電容器的跡線，這必然引入寄生電阻和電感。
[0007] 具有更大的靈活性以滿足不同電力輸入和不同電力輸出的客戶需求并在快速周 轉時間中完成修改是有利的。
[0008] 具有消耗板空間的較少基板面并因此節省成品的珍貴大小的電力變換器的組件 是有利的。
[0009] 減少制造成本同時滿足上述目標是有利的。


【發明內容】

[0010]垂直堆疊器件內的低成本垂直電氣互連的問題在采用兩個平面引線框的器件結 構中解決，其中第一引線框包括第一組細長引線，其遠離引線框的平面彎曲以使它們能夠 導電連接到第二引線框。另外，第一引線框能夠經構造以使其能夠被預裝配為模塊，其中附 接部件能夠很容易地根據客戶規格改變；模塊可具有與器件相同的占位面積（footprint) 但提供不同內容。
[0011] 遠離引線框的平面彎曲引線的概念能夠擴展以包括第一引線框的第二組細長引 線，其在與第一組引線的方向相反的方向上在遠離引線框的平面的方向上彎曲。第二組引 線允許到具有焊盤的第三平面引線框的導電連接，該焊盤附接有電子部件。
[0012] -個示例描述實施例是具有兩個垂直堆疊平面QFN型（四方扁平無引線）引線框 的封裝器件。第一引線框具有用于附接電阻器、電容器和大體積密封電感器的焊盤。除了 引線框的平面中的標準QFN型引線之外，第一引線框具有在遠離引線框的平面的方向上彎 曲的一組細長引線。彎曲引線適于導電連接（例如通過焊接）到第二引線框。第二平面引 線框具有附接半導體芯片、電阻器和電容器的焊盤。引線框具有QFN引線；在一些器件中， 其也可具有懸臂型引線。在將第一引線框的彎曲引線導電附接到第二引線框的工藝之后， 裝配的器件在封裝材料中密封。
[0013]另一描述實施例是制造基于垂直堆疊引線框的半導體器件的方法。作為臨時步 驟，該方法產生能夠根據將來的客戶規定容易修改的模塊的組裝。在第一平面引線框的焊 盤上，組裝電子部件，尤其是大體積且主要的零件，例如電感器。第一引線框包括第一組細 長引線，其在遠離第一引線框的平面的第一方向上彎曲。在第二平面引線框的焊盤上，組裝 電子部件，尤其是具有或沒有封裝的半導體芯片。組裝的第一引線框與組裝的第二引線框 對齊，以使第一引線框的彎曲細長的第一組引線與第二引線框接觸。細長的第一組引線優 選通過焊接導電連接到第二引線框，由此產生部件和引線的三維導電鏈接網絡。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0014]圖1示出具有配置為模塊的多級平面引線框的封裝半導體器件的透視圖，其中一 個平面引線框的彎曲引線提供連接到另一個平面引線框。
[0015]圖2到圖6示出用于制造具有兩個平面引線框的示例封裝半導體器件的工藝流程 的步驟，該兩個平面引線框被配置為模塊并三維互連。
[0016]圖2示出第一平面引線框的條帶的一部分的透視圖，其中單元具有在遠離第一引 線框的平面的第一方向上彎曲的第一組細長引線。
[0017]圖3A示出附接有電氣部件的圖2的引線框條帶的透視圖，每個單元代表模塊。 [0018]圖3B示出附接有電氣部件的第一平面引線框的另一部分的透視圖，強調的是在 遠離第一引線框的平面的第一方向上彎曲的第一組細長引線。
[0019]圖4示出具有焊盤的第二平面引線框的條帶的一部分的透視圖，該焊盤適于附接 封裝電子部件。
[002°]圖5示出附接有電氣部件的圖4的引線框條帶的透視圖，每個單元代表模塊。 [0021]圖6示出將組裝的第一引線框與組裝的第二引線框對齊，以使第一引線框的彎曲 細長引線與第二引線框接觸的工藝步驟。
[°022]圖7示出另一個第一平面引線框的條帶的一部分的透視圖，其中單元具有在遠離 第一引線框的平面的第一方向上彎曲的第一組細長引線，以及在遠離第一引線框的平面的 第二方向上彎曲的第二組細長引線。
[0023]圖8示出具有配置為模塊的多級平面引線框的封裝半導體器件的透視圖，其中由 兩個平面引線框提供的彎曲引線建立從一個平面引線框到另一個平面引線框的連接。
[0024]圖9示出模塊的透視圖，其中一個引線框的彎曲引線被用作散熱器。
[0025]圖10示出具有配置為模塊的三個平面引線框的封裝半導體器件的透視圖，其中 由每個平面引線框提供的彎曲引線建立從一個平面引線框到另一個平面引線框的連接。

【具體實施方式】
[0026]圖1示出一種示例封裝電子系統（一般指定為100)。該系統基于兩個QFN/SON 型平面金屬引線框；第一平面引線框指定為101，第二平面引線框指定為110。兩個引線框 都包括用于附接部件的焊盤和用于互連的引線。兩個引線框都由金屬板（優選厚度范圍約 ΙΟΟμπι到250μηι)蝕刻或沖壓而成。優選金屬包括，但不限于，銅、銅合金、鐵-鎳合金、鋁 和K〇Var?材料。第一引線框的金屬稱為第一金屬，并且第二引線框的金屬稱為第二金屬。 對于封裝系統的一些應用，第二引線框的金屬可選擇與第一金屬不同的金屬是技術優點。 進一步地，第二引線框的金屬厚度可與第一引線框的金屬厚度相同，或其可被選擇為不同。 [00 27]在圖1所示的示例器件中，第一平面引線框101具有第一引線102和第一焊盤 103。焊盤經設計以使它們適于附接電子部件；圖1示出由夾片 （clip)m將大體積的電感 器120附接到焊盤1〇3。其他器件可具有焊盤，其被設計用于附接一個或更多個部件、微小 大小或大體積的，包括封裝和未封裝無源和有源部件（例如電阻器、電容器和半導體芯片） 的焊盤。由于最終接近外部散熱器（所述外部散熱器可附接到封裝材料或甚至是部件表 面），因此第一引線框尤其適于承載生熱部件是技術優點。第一引線框的焊盤可由引線互 連。結果，第一引線框101可配置為能夠被制作為自包含（self-contained)單元的子組件 或模塊。
[0028]另外，平面第一引線框101包括在遠離第一引線框101的平面的方向上彎曲的一 組細長引線104。如圖7所示，由于引線框101可包括在不同方向上彎曲的額外的引線組， 因此該組細長引線104在此稱為第一組，并且彎曲引線的方向在此稱為第一方向。如下討 論，第一組引線的取向通過彎曲或形成工藝獲得，該工藝通過在制造引線框的階段中作用 在細長引線上的外力完成。
[0029] 在圖1所示的實施例中，如一般對于四方扁平無引線（QFN)和小外型無引線（SON) 器件，第二引線框110沒有成形為從器件封裝件突起的懸臂的金屬第二引線；相反，用于電 氣連接并用于板附接（通過壓力或焊接）的金屬觸點由扁平金屬端子111提供。如圖1所 述，成形為扁平端子的引線末端111沿引線框110外圍排列。第二引線框11〇進一步具有用 于在引線框內互連的第二引線112,以及適于支持附接電子部件的多個焊盤 113(在圖4中 更詳細示出）。圖1示作封裝半導體芯片114的部件與一些封裝或未封裝無源部件1 15(例 如電阻器和電容器）的示例。結果，第二引線框110配置為能夠被制作為自包含單元的模 塊。
[0030] 圖1示出第一引線框101的彎曲細長引線104由連接材料130導電連接到第二引 線框110。優選連接材料是焊料；其他材料包括銀填充環氧樹脂和z軸線導電粘合劑。由 于平面引線框101和110之間的導電連接，因此彎曲引線104使得能夠在由設計為模塊的 兩個平面引線框限定的兩個平面中的部件和引線之間形成導電鏈接的三維網絡。
[0031]如圖1進一步所示，電子系統100包括聚合物材料制成的封裝件140,其密封三維 網絡并留下第一和第二引線的部分，例如扁平端子m的一個表面，未密封因此可操作為 系統100的電子器件端子和觸點。結果，系統100的封裝件 140成形為長方體，其具有提供 系統端子的第二引線111的表面。
[0032]圖1表明第一引線框101的一些引線末端105在從條帶切割單元之后從密封材料 暴露。引線末端105因此可作為定位在與第二引線框引線m的平面不同的平面中的器件 端子操作。器件端子在器件密封的不同平面中的可能性對于某些產品應用表現技術優點。 [00 33]如所提及的，第一和第二引線框優選用扁平金屬板制造。圖2到6示出用于制造 具有兩個平面引線框的示例封裝半導體器件的工藝流程的步驟，該兩個平面引線框配置為 模塊并三維互連。一個示例性第一平面引線框101的條帶在圖 2中示出。圖解示出第一引 線102、第一焊盤103和細長引線104的例子。作為一組（稱為第一組）細長引線 1〇4在遠 離扁平第一引線框的原平面的第一方向上彎曲。彎曲或形成工藝通過作用在扁平細長引線 上的外力完成。當條帶在水平面上被夾緊時，力施加到第一組的引線以便將它們擠壓到期 望方向。細長引線必須通過拉伸來吸收該力。所施加的力在長度方向上拉伸引線，而寬度 尺寸僅稍微減小，以使新的形狀出現一些額外細長。與原長度相比，額外細長較小并且達到 一定極限，其被稱為材料特性給予的彈性極限，額外細長量與力線性成比例。強制拉伸能夠 覆蓋淺角度（約30°或更小）。必要時，能夠采用約 40。或更小的角度處的多步配置以覆 蓋更寬距離。對于邊側的益處，這些配置在轉移已成型的塑料封裝件中增強塑料對引線框 的鎖模。
[0034]圖3A和3B示出第一平面引線框101的條帶，示出將示例部件附接到包括多個模 塊位點的第一引線框條帶的焊盤上的工藝步驟。第一引線框101的平面在圖3B中由引線 框的扁平框301強調。在圖3A中，密封在其自己的外殼中的電感器120借助夾緊裝置121 附接到第一焊盤103;在圖3B中，額外部件（例如電容器115)被添加到電感器。附接的優 選方法是焊接；一種可替換方法使用導電粘合劑。附接部件的工藝步驟能夠在分離組裝點 執行，并產生能夠運送到另一組裝點以便進一步加工的自包含模塊。圖3A和3B示出在遠 離第一引線框條帶的平面的第一方向上彎曲的第一組細長引線104。
[0035] 不例第二平面引線框110的條帶在圖4中示出。該圖解示出端子111、第二引線 112和第二焊盤113的例子。在圖4的示例中，沒有弓丨線在遠離第二引線框110的平面的方 向上彎曲；然而，對于其他應用（同樣見于圖8)，第二引線框110可包括以遠離第二引線框 110的平面的角度彎曲的一個或更多個細長引線或一組細長引線。頻繁使用的應用包括細 長引線，其能夠彎曲作為懸臂，用于表面安裝附接到電路板。
[0036] 圖5示出第二平面引線框110的條帶，示出將示例部件附接到包括多個模塊位點 的圖4的第二引線框條帶的焊盤上的工藝步驟。在圖5中，密封在其自己的外殼中的半導 體芯片114和多個額外部件（例如電容器和電阻器）附接到第二引線框條帶110。附接的 優選方法是焊接；一種可替換方法使用導電粘合劑。附接部件的工藝步驟能夠在分離的組 裝點執行，并產生能夠運送到另一組裝點以便進一步加工的自包含模塊。
[0037]由箭頭6〇〇示出，圖6示出將第一引線框101的組裝條帶與第二引線框110的組 裝條帶對齊，以便使第一引線框101的該組彎曲細長的第一引線104與第二引線框110接 觸的工藝步驟。
[0038]在下一個工藝步驟中，第一引線框101的該組彎曲細長的第一引線104導電連接 到第二引線框110。優選連接材料是焊料；其他材料包括銀填充環氧樹脂和導電粘合劑（例 如Z軸線導電粘合劑）。由于平面引線框101和110之間的導電連接，因此彎曲引線104使 得能夠在設計為模塊的兩個平面引線框限定的兩個平面中的部件和引線之間形成導電鏈 接的三維網絡。
[0039]在下一個工藝步驟中，三維網絡密封在封裝復合物中。一種優選方法是使用填充 有無機填料微粒的基于環氧樹脂的成型復合物的傳遞成型技術。如上陳述，作為器件端子 的金屬零件保持不密封。對于一些產品應用，完全密封附接到第一引線框的部件是必要的； 對于其他產品，至少讓主要部件（例如在圖1中所示的電感器）的頂部表面不密封以使散 熱器能夠被附接是技術優點。
[0040]各種不同環境中迅速增加產品應用，例如與手持產品的無線通信和具有溫度陡峭 擺動的自動控制中，需要修改具有多級引線框的模塊概念。圖7到10示出引線框變體的一 些示例，其被發現對這些應用中的一些是有用的。圖7示出平面引線框701的示例（由扁 平組件焊盤指示的平面），其不僅具有在遠離引線框701的平面的第一方向上彎曲的第一 組細長引線704,而且具有在遠離引線框 7〇1的平面的第二方向上彎曲的第二組細長引線 750。第二方向與第一方向大致相反，這取決于彎曲角度。在與圖1的系統相似的系統中使 用引線框701作為替代引線框101的第一引線框允許新形成的替換性封裝器件獲得對另一 平面的接入，該另一平面可用于額外器件功能，例如另一個集成電路芯片或無源散熱器。 [00 41]設計用于在電子部件之間建立三維網絡8〇0的平面引線框的另一示例在圖8中示 出。第一引線框 8〇1具有在遠離第一引線框的平面的第一方向上彎曲的第一組細長引線 804。如圖所示，這些引線804用來將在第一引線框801和第二引線框810上組裝的部件 (圖 8中未示出）導電互連。另外，第二平面引線框810具有在遠離第二引線框的平面的第 二方向上彎曲的第二組細長引線814。在圖8的示例中，第二方向在與第一方向相同的方向 上。因此，引線814支持在第一引線框 8〇1和第二引線框810上組裝的部件的導電互連。 [0042]圖9示出一種示例第一引線框 9〇1,其不僅具有彎曲引線904以連接到第二引線框 91〇,而且也經設計具有焊盤和細長引線，該細長引線具有適合于分散熱能以便散熱的幾何 形狀。在圖9中，用于附接電感器 920的焊盤中的一個拓寬至區域950,該區域950延伸穿 過長方體形封裝的側表面的主要部分，并旨在保持不被器件封裝件密封（圖 9中未示出）。 因此，區域950可用于輻射出熱能或用于附接散熱器。另外，圖9示出到延伸穿過長方體形 封裝的另一表面的另一冷卻區域951的電位連接951a ;區域951也可用于輻射出熱能或用 于附接散熱器。
[0043]圖10示出具有配置為模塊的多級引線框的另一示例器件1000。除第一平面引線 框1001和第二平面引線框1010之外，器件1〇〇〇包括具有用于附接電子部件1〇2〇的焊盤 的第三平面引線框1〇 6〇。如圖10示出，第三引線框1060由彎曲細長引線1064導電連接到 第二引線框1010,并由彎曲細長引線1〇 65導電連接到第一引線框1〇01。第一引線框1001 具有引線1002,并且第三引線框1〇6〇具有引線1〇62,這些引線不僅可用于在它們各自的引 線框內互連，而且可用于最終由密封封裝件暴露。引線1002和1〇62因此適于聯結到外部 電氣端子。
[0044] 本發明應用于引線框上組裝的任何數目的部件，其中的部件為較大和微小大小、 封裝和未封裝部件的任何組合。該方法能夠擴展到具有彎曲引線的任何數目的引線框，以 使引線框能夠垂直堆疊以接觸定位堆疊下面或頂部上的平行引線框和部件。當器件密封在 封裝材料中時，多個引線框的一些引線能夠保持暴露。暴露的引線可提供從封裝堆疊的各 種側面到堆疊系統的電氣接入。同樣，由于許多引線和焊盤能夠經設計用于散熱，因此熱能 能夠從各級組裝堆疊耗散,優化系統的熱特性。 本領域技術人員應認識到許多其他實施例和變化在所要求保護的發明的范圍內 是可能的。
【權利要求】
1. 一種半導體器件，包括： 第一平面引線框，其具有第一引線和焊盤，所述焊盤附接有電子部件，所述第一引線框 包括在遠離所述第一引線框的平面的第一方向上彎曲的第一組細長引線； 第二平面引線框，其具有第二引線和焊盤，所述焊盤附接有電子部件； 所述第一引線框的彎曲引線導電連接到所述第二引線框，在兩個平面中的部件和引線 之間形成導電鏈接的三維網絡；以及 封裝材料，其密封所述三維網絡。
2. 根據權利要求1所述的器件，其中所述第一和第二引線的至少部分未由所述封裝材 料密封，所述未封裝引線部分可操作為電氣器件端子。
3. 根據權利要求2所述的器件，其中所述端子定位在所述器件密封的多于一個平面 中。
4. 根據權利要求1所述的器件，進一步包括所述第一引線框的第二組細長引線，所述 第二組引線在遠離所述第一引線框的平面的第二方向上彎曲，所述第二方向與所述第一方 向相反。
5. 根據權利要求2所述的器件，進一步包括具有焊盤的第三平面引線框，所述焊盤附 接有電子部件，所述第三引線框由第三組彎曲的細長引線導電連接到所述第二引線框。
6. 根據權利要求1所述的器件，其中所述第一引線框由第一金屬制成，并且所述第二 引線框由不同于所述第一金屬的第二金屬制成。
7. 根據權利要求1所述的器件，其中所述細長引線具有適于擴散并消散熱的幾何形 狀。
8. 根據權利要求1所述的器件，其中所述第一引線框的引線適于聯結到外部電氣端 子。
9. 根據權利要求4所述的器件，其中所述第三引線框的引線適于聯結到外部電氣端 子。
10. 根據權利要求1所述的器件，其中所述電子部件包括封裝和未封裝的有源和無源 半導體部件，包括產熱部件。
11. 根據權利要求10所述的器件，其中所述無源部件包括電感器、電容器和電阻器。
12. 根據權利要求1所述的器件，其中所述第一引線框配置為模塊組件。
13. 根據權利要求1所述的器件，其中所述封裝材料經配置以允許附接散熱器。
14. 一種制造封裝半導體器件的方法，包括以下步驟： 提供具有裝配在引線框焊盤上的電子部件的第一平面引線框，所述第一引線框包括在 遠離所述第一引線框的平面的第一方向上彎曲的第一組細長引線； 提供具有裝配在所述引線框焊盤上的電子部件的第二平面引線框； 將所述裝配的第一引線框與所述裝配的第二引線框對齊，以使所述第一引線框的彎曲 細長的第-組引線與所述第二引線框接觸；以及 將所述細長的第一組引線導電連接到所述第二引線框，由此建立部件和引線的三維導 電鏈接的網絡。
15. 根據權利要求14所述的方法，進一步包括以封裝材料密封所述三維網絡的步驟。
16. 根據權利要求15所述的方法，其中所述第一平面引線框進一步包括第二組細長引 線，所述第二組引線在遠離所述第一引線框的平面的第二方向上彎曲，所述第二方向與所 述第一方向相反。
17. 根據權利要求16所述的方法，進一步包括以下步驟： 在第三平面引線框的焊盤上提供電子部件的裝配； 將所述裝配的第三引線框與所述裝配的第一引線框對齊，以使所述第二組彎曲細長引 線與所述第三引線框接觸；以及 將所述細長的第二組引線焊接到所述第三引線框。
18. 根據權利要求14所述的方法，其中所述電子部件包括封裝和未封裝的有源和無源 半導體部件。
【文檔編號】H01L23/495GK104221145SQ201380015939
【公開日】2014年12月17日 申請日期:2013年3月25日 優先權日:2012年3月23日
【發明者】R.J·塞伊 申請人:德克薩斯儀器股份有限公司