具有散熱器的半導體功率設備的制作方法

具有散熱器的半導體功率設備的制作方法
【專利摘要】一種半導體設備包括導電載體，所述導電載體具有安裝表面。所述半導體設備進一步包括具有面向所述導電載體的第一表面和背向所述導電載體的第二表面的金屬塊。半導體功率芯片被布置在所述金屬塊的所述第二表面之上。
【專利說明】具有散熱器的半導體功率設備

【技術領域】
[0001] 本發明涉及封裝技術，并且尤其涉及對半導體功率芯片的封裝技術。

【背景技術】
[0002] 功率半導體設備制造商一直努力提高其產品的性能，同時降低其制造的成本。功 率半導體設備的制造中成本密集的領域為對半導體功率芯片的封裝。功率半導體設備的性 能依賴于由封裝提供的散熱能力。以低花費提供小的高熱魯棒性的封裝方法是合意的。
[0003] 由于這些和其他原因，對于本發明有需求。


【發明內容】

[0004] 根據半導體設備的實施例，所述半導體設備包括具有安裝表面的導電載體，金屬 塊和半導體功率芯片。金屬塊具有面向所述載體的第一表面和背向所述導電載體的第二表 面。所述半導體功率芯片布置在所述金屬塊的所述第二表面之上。
[0005] 根據半導體封裝的實施例，所述半導體封裝包括具有厚度T1的引線框架，金屬塊 和半導體功率芯片。所述金屬塊安裝在所述引線框架上。所述金屬塊具有厚度Tm，其中Tm 等于或大于1. 5T1。所述半導體功率芯片安裝在所述金屬塊上。
[0006] 根據制造半導體設備的方法的實施例，所述方法包括：將半導體功率芯片鍵合在 金屬塊上；以及將所述金屬塊鍵合在導電載體上。
[0007] 本領域技術人員將在閱讀以下詳細描述以及瀏覽附圖之后認識到額外的特征和 優勢。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0008] 附圖被包括以提供實施例的進一步理解以及被并入該說明書中并組成該說明書 的一部分。附圖示出實施例，并與描述一同用于解釋實施例的原理。其他實施例和實施例 所意圖的諸多優勢將隨著參考以下詳細描述而變得更好了解而容易地加以理解。附圖的元 件并不一定相對于彼此按比例繪制。相似的附圖標記代表對應的相似的部分。
[0009] 圖1示意性地圖示了示例性功率半導體設備的橫截面視圖。
[0010] 圖2示意性地圖示了示例性功率半導體設備的頂部視圖。
[0011] 圖3示意性地圖示了示例性功率半導體設備沿著圖5中的A-A線的橫截面視圖， 進一步圖示了靜態熱功率耗散。
[0012] 圖4示意性地圖示了示例性功率半導體設備沿著圖5中的A-A線的橫截面視圖， 進一步圖示了動態熱功率耗散。
[0013] 圖5示意性地圖示了示例性功率半導體設備的頂部視圖。
[0014] 圖6圖示了半橋功率半導體設備的基本電路圖。
[0015] 圖7A-7G示意性地圖示了封裝半導體功率芯片的方法的示例性工藝的橫截面視 圖。

【具體實施方式】
[0016] 在以下詳細描述中參考附圖，所述附圖形成描述的一部分，并且通過圖示在其中 實施本發明的具體實施例而示出在附圖中。就此而言，諸如"頂"、"底"、"前"、"后"、"上"、 "下"等的方向性術語參考所描述的附圖的朝向來使用。由于實施例的元件能夠以數個不同 的朝向來定位，所述方向性術語是用于圖示的目的并不是進行限制。要理解的是，可以利用 其他實施例而且結構或邏輯可以進行變化而并不脫離本發明的范圍。因此，以下的詳細描 述并不以限制的意義來加以理解，并且本發明的范圍由所附的權利要求書加以限定。
[0017] 要理解的是，本文所描述的各種示例性實施例的特征可以彼此相互組合，除非具 體地作出相反的注釋。
[0018] 如在本說明書中使用的，術語"耦合"和/或"連接"一般并不意味著元件必須直 接耦合或者連接在一起。中間元件可以處于"耦合"或"連接"的元件之間。然而，雖然并 不限于那種含義，術語"耦合"和/或"連接"還可以被理解為可選地公開了元件直接耦合 或連接在一起而沒有處于"耦合"或"連接"的元件之間的中間元件這一方面。
[0019] 本文描述了包含半導體功率芯片的設備。尤其是，可以涉及一個或多個具有堅直 結構的半導體功率芯片，即是說半導體功率芯片可以被以下述方式制作：即電流能夠在垂 直于半導體功率芯片的主表面的方向上流動。具有堅直結構的半導體功率芯片在其兩個主 表面上具有電極，即是說在其頂部側上和底部側上。在各種其他實施例中，可以涉及具有水 平結構的半導體功率芯片。具有水平結構的半導體功率芯片僅在一個表面上具有電極，即 是說在其頂部側上。
[0020] 半導體功率芯片可以由專門的半導體材料來制造，諸如舉例來說，硅（Si)、碳化硅 (SiC)、鍺化硅（SiGe)、砷化鎵（GaAs)、氮化硅（GaN)、鋁鎵氮（AlGaN)、銦鎵砷（InGaAs)、銦 鋁砷（InAlAs)等，并且進一步地，可以包含不是半導體的無機和/或有機材料。半導體功 率芯片可以是不同類型的，并且可以由不同的技術來制造。
[0021] 進一步地，本文描述的電子設備可以可選地包括一個或多個邏輯集成電路以控制 半導體功率芯片。邏輯集成電路可以包括一個或多個驅動器電路以驅動半導體功率芯片。 邏輯集成電路可以為例如包括例如存儲器電路，水平移位器等的微控制器。
[0022] 半導體功率芯片可以具有允許與半導體功率芯片中所包含的集成電路進行電接 觸的電極(芯片焊墊)。電極可以包含一個或多個被施加到半導體功率芯片的半導體材料的 金屬層。金屬層可以利用任意合意的幾何形狀和任意合意的合成材料來制造。金屬層可以 例如形式為覆蓋區域的地（land)或層。作為示例，任意能夠形成焊接鍵合或擴散焊鍵合的 合意金屬，例如銅（Cu)、鎳（Ni)、鎳-錫（NiSn)、金（Au)、銀（Ag)、鉬（Pt)、磷（Pd)、銦（In)、 錫（Sn)、以及這些金屬的一個或多個的合金可以被用作所述材料。金屬層不需要是同質的， 或者僅從一種金屬制造，即是說包含在金屬層中的材料的各種合成物和濃縮物都是可能 的。
[0023] 半導體功率芯片可以例如被配置為功率MISFET (金屬絕緣體半導體場效應晶體 管)、功率M0SFET (金屬氧化物半導體場效應管)、IGBT (絕緣柵雙極型晶體管)、JFET (結 型柵場效應晶體管)、HEMT (高電子遷移率晶體管)、功率雙極型晶體管或功率二極管諸如舉 例來說PIN二極管或肖特基二極管。作為示例，在堅直設備中，功率MISFET或功率M0SFET 或HEMT的源極接觸電極和柵極接觸電極可以位于一個主表面上，而功率MISFET或功率 MOSFET或HEMT的漏極接觸電極可以被布置在另一個主表面上。然而，本文所考慮的半導體 功率芯片，例如HEMT，還可以是具有僅布置在其上表面上的電極的水平設備。
[0024] 半導體功率芯片被安裝在導電載體之上。在各種實施例中，導電載體可以為諸如 引線框架的晶片焊墊的金屬板或薄片。金屬板或薄片可以由任意金屬或金屬合金制成，例 如，銅或銅合金。在其他實施例中，導電芯片載體可以由塑料或陶瓷制成。例如，導電芯片 載體可以包括利用金屬層涂覆的塑料層。作為示例，這樣的芯片載體可以為單層PCB或多 層PCB。在其他實施例中，設備載體可以包括利用金屬層涂覆的陶瓷板，例如，金屬鍵合陶瓷 基板。作為示例，導電載體可以是DCB (直接銅鍵合的）陶瓷基板。
[0025] 半導體功率芯片可以至少部分由至少一種電絕緣材料所圍繞或嵌入在至少一種 電絕緣材料中。電絕緣材料形成封入主體。封入主體可以包括模制材料或由模制材料制成。 可以采用各種技術來形成模制材料的封入主體，例如壓縮模制、注入模制、粉料模制或液體 模制。進一步地，封入主體可以具有片層的形狀，例如層壓在半導體功率芯片和導電載體的 頂部上的一片薄片或箔。封入主體可以形成封裝的外圍的一部分，即，可以至少部分限定了 半導體設備的形狀。
[0026] 電絕緣材料可以包括熱固材料或熱塑材料，或者由熱固材料或熱塑材料制成。熱 固材料可以例如在環氧樹脂的基礎上制成。熱塑材料可以例如包括聚對苯二甲酸乙二酯 (PET)、聚醚砜（PES)、聚苯硫（PPS)或者聚酰胺（PAI)的組中的一種或多種材料。熱塑材料 通過在模制或層壓期間應用壓力和熱而融化并且(可逆地）在冷卻和壓力解除之后硬化。
[0027] 形成封入主體的電絕緣材料可以包括聚合物材料或者由聚合物材料制成。電絕緣 材料可以包括經填充的或未經填充的模制材料、經填充的或未經填充的熱塑材料、經填充 的或未經填充的熱固材料、經填充的或未經填充的層壓物、經纖維強化的層壓物、經纖維強 化的聚合層壓物、以及具有填料顆粒的經纖維強化的聚合層壓物其中至少一種。
[0028] 在某些實施例中，電絕緣材料可以為層壓物，例如聚合物箔或薄片。可以施加熱和 壓力合適的時間以將聚合物箔或薄片附接在下面的結構上。在層壓期間，電絕緣箔或薄片 能夠流動（即為塑料狀態)，導致半導體功率芯片和/或芯片載體上的其他拓撲結構之間的 間隙中填充了電絕緣箔或薄片的聚合物材料。電絕緣箔或薄片可以包括任意合適的熱塑材 料或熱固材料，或由任意合適的熱塑材料或熱固材料制成。在一個實施例中，絕緣箔或薄片 可以包括預浸漬(對于經預先浸漬的纖維的簡稱）或由其制成，即例如由纖維氈(例如玻璃 纖維或碳纖維）和樹脂的組合(例如熱固材料或熱塑材料）制成。預浸漬材料為本領域所知 并且通常用于制作PCB (印刷電路板)。
[0029] 金屬塊可以被放置在導電載體和半導體功率芯片之間。金屬塊可以機械地、熱地、 并且例如電氣地連接到半導體功率芯片。金屬塊可以由任意金屬或金屬合金制成，尤其是 具有高熱傳導性和/或高熱容量的金屬。作為示例，金屬塊可以包括銅或銅合金或者由銅 或銅合金制成。金屬塊可以由塊狀金屬材料制成。金屬塊可以允許具有高熱量的功耗面密 度的半導體功率芯片的熱功耗的有效靜態熱耗散和有效動態熱耗散兩者。
[0030] 諸如接觸夾件的連接元件可以電氣地和機械地連接到半導體功率芯片的負載電 極，其被布置在與半導體功率芯片連接到金屬塊的表面相反的半導體功率芯片處。連接元 件還可以為不是接觸夾件的其他類型。其還可以例如由（多個）織帶或(多個）鍵合接線進 來實施。
[0031] 各種不同類型的電子設備可以被配置為使用本文所描述的金屬塊，或者可以由本 文所描述的技術來制造。作為示例，根據本公開的電子設備可以組成例如電源、DC-DC電壓 轉換器、AC-DC電壓轉換器、功率放大器、以及許多其他功率設備。
[0032] 在各種實施例中，本文所描述的電子設備可以例如包括在例如HEMT基礎上的功 率級聯電路。這一級聯電路在本領域內被稱作HEMT級聯。HEMT，尤其是HEMT級聯可以例 如基于氮化鎵（GaN)、鋁鎵氮（AlGaN)、銦鎵砷（InGaAs)、銦鋁砷（InAlAs)。其可以例如被用 于開關設備、AC-DC轉換器、功率放大器、RF電路等。
[0033] 裝配有如本文所描述的金屬塊的功率半導體設備可以包含功率碳化硅M0SFET或 功率碳化硅二極管作為半導體功率芯片。與HEMT相似，碳化硅-M0SFET和碳化硅二極管尺 寸小而同時經歷高熱功耗。進一步地，包含高側晶體管和低側晶體管的半橋電路可以使用 如本文所描述的金屬塊。半橋電路可以例如用作AC-DC轉換器或DC-DC轉換器。
[0034] 總體上，DC-DC轉換器可以用來將由電池或可充電電池提供的DC輸入電壓轉換成 與連接在下游的電子電路的需求相匹配的DC輸出電壓。作為示例，本文所描述的DC-DC轉 換器可以為降壓轉換器或向下轉換器。AC-DC轉換器可以用于將例如高電壓AC電網所提供 的AC輸入電壓轉換成與連接在下游的電子電路的需求相匹配的DC輸出電壓。
[0035] 總體上，包括具有高熱功耗和相對小的占用面積以耗散熱功率的半導體功率芯片 的任意功率設備可以從本文的公開獲得益處。作為示例，具有在操作中等于或大于例如1W、 3W、7W、10ff的熱功耗以及例如用于熱功率耗散的占用面積等于或小于15mm 2、10mm2、7mm2、 5mm2、3mm 2的半導體功率芯片可以使用如本文所描述的金屬塊以用于改善操作期間的熱行 為和功率耗散。
[0036] 圖1圖不了不例性半導體設備100的橫截面視圖。半導體設備100包括導電載體 110,半導體功率芯片130和放置在導電載體110和半導體功率芯片130之間的金屬塊120。
[0037] 導電載體110可以由扁平的金屬板制成，例如引線框架的晶片焊墊。作為示例，導 電載體110可以由整塊金屬材料制成。導電載體110的厚度由T1表示。厚度T1可以例 如等于或大于0. l_、〇. 3mm、0. 5mm。厚度T1可以等于或小于0. 7mm、0. 5mm、0. 4mm、0. 2mm、 0· lmm〇
[0038] 半導體功率芯片130可以例如為氮化鎵（GaN)-HEMT、硅（31)-或碳化硅（31〇_功 率M0SFET或-功率二極管。半導體功率芯片130在操作期間可能具有高的熱量損耗，例如 熱功耗(熱耗散)在1W和10W之間的范圍內，或者甚至更高。半導體功率芯片130在操作期 間產生的熱功率必須被排出以避免半導體功率芯片130的過熱、老化、或擊穿。半導體功率 芯片130可以被配置為操作在大于50￥、100￥、300￥、500￥、或1000￥的電壓處。半導體功率 芯片130可以具有在半導體功率芯片130的第一表面131和相反的第二表面132之間所測 量的厚度TC，所述厚度TC等于或小于300 μ m、200 μ m、100 μ m、80 μ m、或50 μ m。
[0039] 金屬塊120具有面向導電載體110的第一表面121和背向導電載體130的第二表 面122。半導體功率芯片130放置在金屬塊120的第二表面122之上。
[0040] 金屬塊120具有由Tm表示的厚度。金屬塊120的厚度Tm在金屬塊120的第一 表面121和第二表面122之間進行測量。厚度Tm可以等于或大于導電載體110的厚度T1 的1. 5、2· 0、3· 0、4· 0、或5. 0倍。作為示例，厚度Tm可以等于或大于0· 5mm、0. 75mm、l. 0mm、 L 25mm> 或 L 5mm 〇
[0041] 金屬塊120的第一表面121可以具有等于或大于8. 0mm2、14. 0mm2、20. 0mm2、或 26. 0mm2的面積大小。金屬塊120的第一表面121可以完全連接到導電載體110的上表面 112。
[0042] 半導體功率芯片130具有連接到金屬塊120的第二表面122的第一表面131。半 導體功率芯片130的第一表面131可以例如由位于半導體功率芯片130的第一表面131上 并面向金屬塊120的第二表面122的電極或金屬涂層（圖1未示出）的輪廓所限定。因而， 半導體功率芯片130的第一表面131是半導體功率芯片130連接到金屬塊120的第二表面 122的表面，并且憑借這一連接，第一表面131將熱量從半導體功率芯片130有效傳遞到金 屬塊120。在許多情況下，半導體功率芯片130的第一表面131可以對應于半導體功率芯 片130的占用面積，或者可以具有與半導體功率芯片130的占用面積的面積大小相等或幾 乎同樣大的大小。因此，如本文所使用的，半導體功率芯片130的第一表面131為對于將熱 量從半導體功率芯片130傳遞到金屬塊120的第一表面121有效的其表面。出于簡化，在 以下描述中，在半導體功率芯片130的占用面積表面和半導體功率芯片130的第一表面131 之間不作區分。
[0043] 如下文將更詳細釋出的，由金屬塊120的熱移除效率依賴于金屬塊120的設計參 數。尤其是，金屬塊120應當為熱流擴大提供遠離半導體功率芯片130的方向。即，從金屬 塊120到導電載體110的熱傳遞面積應當大于從半導體功率芯片130到金屬塊120的熱傳 遞面積。
[0044] 作為示例，金屬塊120的第一表面121的面積大小可以等于或大于
[0045] 4Tm · (Tm+Fc0'5)+Fc (1)
[0046] 其中Fc為半導體功率芯片130的第一表面131的面積大小。
[0047] 從半導體功率芯片130到金屬塊120的熱傳遞面積與從金屬塊120到導電載體 110的熱傳遞面積的擴展由圖1中的虛線所圖示。要注意的是，式（1)可以例如對應于其中 金屬塊120的第一表面121的橫向尺寸Wb與半導體功率芯片130的第一表面131的橫向 尺寸Wc之間的差異至少為2Tm/3的兩倍(如果，作為示例并且不丟失普遍性，假設平方熱傳 遞面積）的實施方式。在這一示例以及其他示例中，金屬塊120可以給出30度或更大的幾 何延展角α，所述幾何延展角α處于將第一表面121和131的邊緣進行連接的虛線和對應 于熱流的主方向的堅直方向之間。
[0048] 進一步地，作為示例，金屬塊120的第一表面121的面積大小可以等于或大于
[0049] 3Tm · (3Tm/4+Fc〇.5)+Fc (2)
[0050] 式（2)可以例如對應于其中金屬塊120的第一表面121的橫向尺寸Wb與半導體功 率芯片130的第一表面131的橫向尺寸Wc之間的差異至少為金屬塊120的厚度Tm的兩倍 的實施方式。在這一示例以及其他示例中，金屬塊120可以給出45度或更大的幾何延展角 α，所述幾何延展角α處于將第一表面121和131的邊緣進行連接的虛線和對應于熱流的 主方向的堅直方向之間。作為不例，金屬塊120的橫向尺寸Wb可以處于2Χ 2mm和8X8mm 之間的范圍內，更具體地處于3. 5X3. 5mm和6. 5X6. 5mm之間的范圍內。
[0051] 金屬塊120可以由具有高熱傳導性的金屬或金屬合金制成。進一步地，金屬塊120 可以由具有高熱容量的金屬制成。作為示例，金屬塊120可以包括銅或銅合金，或者由銅或 銅合金制成。
[0052] 參考圖2,示出了功率半導體設備100的示例性頂部視圖。作為示例，半導體功率 芯片130可以具有矩形或方形的形狀。相似地，金屬塊120可以例如具有矩形或方形的形 狀。在圖2中所示的半導體功率芯片130的輪廓線對應于半導體功率芯片130的第一表面 131的輪廓線，并且所示出的金屬塊120的輪廓線對應于金屬塊120的第一表面121。因此， 所示出的輪廓線限定了從半導體功率芯片130到金屬塊120以及從金屬塊120到導電載體 110的熱傳遞的面積。如之前提及的，這些熱傳遞面積的面積大小明顯不同。作為示例，金 屬塊120的第一表面121的面積大小與半導體功率芯片130的第一表面131的面積大小的 比率可以等于或大于5. 0、7. 0、11. 0、或13. 0。
[0053] 導電載體110還可以具有整體矩形或方形的形狀。作為示例，導電載體110可以 包括從導電載體110的外圍突出的突起部113。如圖2所示出，突起部113可以從由絕緣材 料制成的封入主體210向外突出。封入主體210 (其在圖1中未示出）可以部分或完全將 金屬塊120和放置其上的半導體功率芯片130嵌入。
[0054] 圖3圖示半導體設備300。考慮導電載體110、金屬塊120和半導體功率芯片130， 半導體設備300可以例如具有與半導體設備100相同的設計、規格和尺寸。進一步地，半導 體設備300可以包括導電連接元件320,所述導電連接元件320具有連接到與半導體功率芯 片130的第一表面131相反的半導體功率芯片130的第二表面132的第一表面321。在圖 2中連接元件320可以例如電氣地和機械地連接到半導體功率芯片130的第二表面132處 的電極(未示出）。連接元件320可以為接觸夾件或用于將半導體功率芯片連接到封裝的外 部端子的其他器件，例如織帶或多個鍵合接線。
[0055] 連接元件320可以延伸超過半導體功率芯片130的輪廓線、超過金屬塊120的輪 廓線、以及例如超過導電載體110的輪廓線至少一個橫向尺寸。連接元件320可以具有可 以被連接到接觸焊墊330的彎曲部或突起部320a。接觸焊墊330可以與導電載體110共 面。進一步地，接觸焊墊330可以例如由與導電載體110相同的材料制成。作為示例，接觸 焊墊330可以是導電載體110形成晶片焊墊的引線框架的引線。
[0056] 半導體設備300可以進一步包括形成封入主體310 (對應于圖2的封入主體210) 的電絕緣材料(例如模制材料)。封入主體310可以部分或完全將例如金屬塊120、例如半導 體功率芯片130、以及例如連接元件320嵌入。
[0057] 導電載體110的下表面114和接觸焊墊330的下表面334可以暴露在半導體設備 300的外圍處。這些表面114、334可以形成半導體設備300的外部端子。因此，導電載體 110的下表面114和接觸焊墊330的下表面334可以被配置為連接到半導體設備300所安 裝到的應用板(未示出）。
[0058] 半導體設備300可以包括諸如具有例如半蝕引線框架的QFN(四方扁平無引線)類 型封裝、或其他基于引線框架的封裝類型的各種封裝類型。半導體設備300可以包括如來 自JEDEC (電子器件工程聯合委員會)的放開標準所描畫的封裝，例如根據JEDEC M0-240的 超級-S08 (Super-S08)，對應于封裝的尺寸、引腳數等的特征通過引用并入本文。
[0059] 圖3還提供了半導體設備100形成半導體設備300的一部分的示例性、更詳細的 公開。如圖3所示出的，第一鍵合層340可以位于導電載體110的上表面112和金屬塊120 的第一表面121的附近，第二鍵合層350可以位于金屬塊120的第二表面122和半導體功 率芯片130的第一表面131的附近，并且第三鍵合層360可以位于半導體功率芯片130的 第二表面132和連接元件320的第一表面321的附近。
[0060] 鍵合層340、350、360的每一個可以例如形成包括金錫（AuSn)、銀錫（AgSn)、銅 錫（CuSn)、銀銦（Agin)、金銦（Auln)、金鍺（AuGe)、銅銦（Culn)、金硅（AuSi)、錫（Sn)或金 (Au)。進一步地，軟焊鍵合、硬焊鍵合、燒結金屬鍵合和/或導電粘著鍵合可以被用于形成 第一、第二或第三鍵合層340、350、360的一個或多個。
[0061] 第一、第二和/或第三鍵合層340、350、360可以具有高導熱性和/或小的厚度。 作為示例，第一、第二和/或第三鍵合層340、350、360的厚度可以例如等于或小于ΙΟμπκ 5 μ m、2 μ m。厚度越小，在相應的鍵合層340、350、360上的熱傳輸越好。
[0062] 金屬塊120在其熱效應方面的作用的模型將參考圖3和4在以下進行解釋。圖3 和4除了圖3示意性地圖示了靜態熱功率耗散而圖4示意性地圖示了動態熱功率耗散之外 彼此相同。
[0063] 靜態熱功率耗散涉及半導體功率芯片130在操作期間所產生的平均熱功率。這一 熱功率在半導體功率芯片130中持續地產生，并因此必須被持續地從半導體功率芯片130 中傳導出去。圖3中的箭頭圖示了金屬塊120、導電載體110和連接元件320內的熱流的主 方向。在金屬塊120中熱流的主方向在橫向方向上以增加的距離遠離半導體功率芯片130 (或遠離金屬塊120的第二表面122)進行擴大。即，由于金屬塊120的尺寸設計，允許熱流 在貫穿金屬塊120時進行擴大。作為熱流的這一空間上的擴大的結果，大面積的熱流接口 得以出現在金屬塊120的第一表面121處。用于金屬塊120和導電載體110之間的熱耗散 的這一大尺寸傳遞面積允許持續而有效的熱移除。換句話說，金屬塊120可以被視為成形 以匹配實心主體中熱流擴大的空間屬性的"熱流幾何轉換器"。
[0064] 根據公開，用于相比于沒有金屬塊120的常規實施方式而言實現相同的靜態熱功 率耗散的導電載體110的厚度T1可能得以大幅降低。由于在功率應用中用于導電載體110 (例如引線框架）的成本占用于封裝的總成本的重要部分，通過提供金屬塊120允許減小厚 度T1，而大幅降低了封裝的總成本。
[0065] 另外，考慮了動態熱功率耗散。動態熱功率耗散涉及半導體功率芯片130的熱功 率生成的波動。半導體功率芯片130所生成的熱功率依據時間變化。依據時間的變化可以 例如由半導體功率芯片130的依據時間的操作或連接到其的負載的依據時間的操作或兩 者而導致。
[0066] 動態熱功率耗散由緊密耦合到半導體功率芯片130的金屬塊120的熱容量進行對 抗。金屬塊120的高熱容量提供短時間的熱存儲設施。將來自動態耗散的熱存儲在金屬塊 120中提供了半導體功率芯片110的暫時冷卻。換句話說，金屬塊120在半導體功率芯片 130的熱容量上增加了有效的熱容量，其避免了對半導體功率芯片130造成過熱的功耗峰 值。
[0067] 在圖4中，從半導體功率芯片130指向金屬塊120的實心箭頭圖示了動態熱功率 耗散進入金屬塊120的容量。從半導體功率芯片130到連接元件320的較細實心箭頭圖示 了動態熱功率耗散進入連接元件320的容量。
[0068] 連接元件320可以配備有突起部323,所述突起部323形成在連接元件320的第一 表面321和連接元件320的第二、上表面322之間所測量的增大厚度的區域。突起部323 還提供了熱容量以用作半導體功率芯片130的依據時間操作期間的短時熱存儲設施。
[0069] 總之，金屬塊120可以提供憑借橫向熱流擴大的增強的靜態冷卻以及通過耦合附 加的熱容量以用于緩沖由波動熱功率耗散所引起的溫度峰值而進行的增強短時冷卻兩者。
[0070] 圖5圖示了示例性半導體設備300的頂部視圖。A-A線為對應于例如圖3和4的 截面視圖的截面線。圖5與圖2相似，并且參考相應的描述以避免重復。進一步地，圖5圖 示了接觸焊墊330,其可以被布置為沿著封入主體210的一側的至少一部分。與導電載體 110相似，接觸焊墊330可以具有從封入主體210向外突出并暴露以形成例如半導體設備 300的外部端子的突起部333。如圖5所示，半導體功率芯片130可以通過連接元件320電 氣地連接到接觸焊墊330。為了提供高導電性，連接元件320可以具有布置在半導體功率芯 片130和接觸焊墊330之間的寬度增加的部分320b。
[0071] 進一步地，半導體設備300可以包括另一接觸焊墊530。接觸焊墊530可以電氣地 連接到電極，例如半導體功率芯片130的柵極電極。作為示例，鍵合接線(未示出)可以用于 電氣連接。
[0072] 圖6圖示了作為示例的電源600的示例性電路，所述電源600使用布置在級聯電 路中的高功率晶體管T2和低電壓晶體管T1。高功率晶體管T2可以例如為HEMT，例如氮化 鎵（GaN)-HEMT。氮化鎵的臨界場比硅中的大十倍，因此允許小尺寸而高功率/高電壓的應 用。進一步地，氮化鎵提供低電荷、快速開關能力。諸如舉例來說碳化硅的其他材料也具有 比硅的臨界場大得多的臨界場，并且因此可能還要求在小面積熱傳遞接口之上的大量熱移 除。低電壓的晶體管T1可以例如為FET，例如為硅-M0SFET。
[0073] 晶體管T1、T2可以為堅直或水平設備。電源600可以例如為AC-DC轉換器。輸出 601處提供的DC電壓可以例如等于或大于100V、200V、400V、600V等。端子602可以被連接 到負向供電電壓或地。在端子603處的例如0-5V的輸入電壓可以被用來操作晶體管T1的 柵極。晶體管T2的柵極可以例如被連接到負向供電電壓或地。電感604可以被連接在地 和晶體管T1的源極端子之間、地和晶體管T2的柵極端子之間、晶體管T1的漏極和晶體管 T2的源極之間、以及晶體管T2的漏極和輸出601之間。
[0074] 氮化鎵-HEMT T2為常接通設備。然而，經由級聯電路將低電壓FET T1連接到氮 化鎵-HEMT T2的源極會將HEMT T2轉變成常斷開晶體管。
[0075] 電源600可以由雙芯片設備來實現。S卩，低電壓FET T1可以由單個的半導體功率 芯片來實施，并且高電壓HEMT T2也可以由單個的半導體功率芯片130來實施，其可以例如 根據本文的公開進行封裝。
[0076] 圖7A-7G圖示了作為示例的制造半導體功率設備700的示例性方法的各階段。如 圖7G所示，半導體功率設備700與半導體功率設備100、300相似，并且參考本文的相應描 述以避免重復。
[0077] 圖7A圖示了提供導電載體110和接觸焊墊330。如以上提及的，導電載體110和 接觸焊墊330可以分別具有彼此共面的下表面和/或上表面。
[0078] 根據圖7B，鍵合材料710可以被部署在導電載體110的上表面112上。鍵合材料 710可以例如包括焊料、軟焊料、擴散焊料、膏、納米膏、或導電粘著劑，或由焊料、軟焊料、擴 散焊料、膏、納米膏、或導電粘著劑組成。將鍵合材料710沉積在載體110上可以在批處理 中實現，即，對于并行制造的多個半導體設備700而言。
[0079] 更具體地，鍵合材料710可以例如由如以上記載的用于擴散焊的焊接材料，通過 包含金屬顆粒的膏劑來制成，所述金屬顆粒分布在聚合物材料或諸如α -松油醇或其他材 料的樹脂中。包含在膏劑中的金屬顆粒可以例如由銀、金、銅、錫、或鎳制成。金屬顆粒的延 展(平均直徑）可以例如小于l〇〇nm并且尤其是小于50nm。這些膏劑在本領域中也被稱為 納米膏。
[0080] 如圖7C所示，金屬塊120被放置在載體110之上的鍵合材料710中。在那時，半 導體功率芯片130可能已經被安裝在金屬塊120上，例如通過使用如上述的鍵合層。尤其 是，可以使用提供在半導體功率芯片130和金屬塊120之間的緊密熱耦合的擴散焊鍵合層。
[0081] 參考圖7D，鍵合材料710被部署在接觸焊墊330的上表面335中。將鍵合材料710 部署在上表面335中也可以在批處理中實現，S卩，對于并行制造的多個半導體設備700而 言。
[0082] 參考圖7E，鍵合材料710被部署在半導體功率芯片130的第二表面132中。將鍵 合材料710部署在第二表面132中也可以與圖7D中所示的部署步驟一同實現。
[0083] 參考圖7F，連接元件320可以被放置在圖7D和7E中所部署的鍵合材料710之上。 將連接元件320放置在多個半導體功率芯片130和接觸焊墊330之上可以在批處理中實 現。
[0084] 參考圖7G，施加能量以回流、燒結、或固化鍵合材料710。能量可以通過熱、輻射等 進行施加。作為示例，熱可以在烘箱中進行施加，例如回流烘箱。通過對鍵合材料710 (例 如焊料、金屬膏劑、導電粘著劑)施加能量，將載體110的上表面112電氣地和機械地連接到 金屬塊120的第一表面121，將半導體功率芯片130的第二表面132電氣地和機械地連接到 連接元件320的下表面321，以及將接觸焊墊330的上表面335電氣地和機械地連接到連接 元件320的突起部320a的下表面321。
[0085] 如圖7A-7G中所示的順序處理階段可以例如以不同的次序實現。作為示例，金屬 塊120可以在圖7C的步驟之后并在圖7D的步驟之前被鍵合到導電載體110。根據另一種 變化形式，半導體功率芯片130可以僅被放置在圖7F中的金屬塊120上，而不是鍵合到金 屬塊120。在這一情形中，一個單個的最終溫度處理(例如回流步驟）可能就足以產生半導 體設備700中所有的鍵合連接。
[〇〇86] 雖然本文已經圖示并描述了具體的實施例，本領域技術人員將意識到多種可替換 的和/或等同的實施方式可以替代所示出并描述出的具體實施例，而不會脫離本發明的范 圍。本申請旨在覆蓋本文所討論的具體實施例的任意適配形式或變化形式。因此，意圖在 于本發明僅由權利要求書和其等同形式來限制。
【權利要求】
1. 一種半導體設備，包括 導電載體，具有安裝表面； 金屬塊，具有面向所述載體的第一表面和背向所述導電載體的第二表面；以及 半導體功率芯片，被布置在所述金屬塊的所述第二表面之上。
2. 根據權利要求1所述的半導體設備，進一步包括： 第一鍵合層，機械地并且電氣地將所述導電載體的所述安裝表面連接到所述金屬塊的 所述第一表面。
3. 根據權利要求2所述的半導體設備，其中所述第一鍵合層為擴散焊層、軟焊層、燒結 金屬層、納米膏層、或者傳導粘著層。
4. 根據權利要求1所述的半導體設備，進一步包括： 第二鍵合層，機械地并且電氣地將所述金屬塊的所述第二表面連接到所述半導體功率 芯片的第一表面。
5. 根據權利要求4所述的半導體設備，其中所述第二鍵合層為擴散焊層、軟焊層、燒結 金屬層、納米膏層、或者傳導粘著層。
6. 根據權利要求1所述的半導體設備，其中所述金屬塊在所述金屬塊的所述第一表面 和所述第二表面之間所測量的厚度等于或大于〇. 5mm、0. 75mm、1. Omm、1. 25mm、或者1. 5mm。
7. 根據權利要求1所述的半導體設備，其中所述金屬塊在所述金屬塊的所述第一表面 和所述第二表面之間所測量的厚度等于或大于所述導電載體的厚度的1. 5、2. 0、3. 0、4. 0、 或者5.0倍。
8. 根據權利要求1所述的半導體設備，其中所述金屬塊的所述第一表面的面積大小等 于或大于 8. 0mm2、14. 0mm2、20. 0mm2、或者 26. 0mm2。
9. 根據權利要求1所述的半導體設備，其中連接到所述金屬塊的所述第二表面的所述 半導體功率芯片的第一表面的面積大小等于或者小于10. 〇mm2、7. 5mm2、5. 0mm2、2. 5mm2、或 者 1. 0mm2 η
10. 根據權利要求1所述的半導體設備，其中所述金屬塊的所述第一表面的面積大小 等于或大于3Tm · (3Tm/4+FC°_5)+Fc，其中Tm為所述金屬塊的所述第一表面和所述第二表面 之間所測量的所述金屬塊的厚度，并且Fc為連接到所述金屬塊的所述第二表面的所述半 導體功率芯片的第一表面的面積大小。
11. 根據權利要求1所述的半導體設備，其中所述金屬塊的所述第一表面的面積大小 等于或大于4Tm · (Tm+FC°_5)+Fc，其中Tm為所述金屬塊的所述第一表面和所述第二表面之 間所測量的所述金屬塊的厚度，并且Fc為連接到所述金屬塊的所述第二表面的所述半導 體功率芯片的第一表面的面積大小。
12. 根據權利要求1所述的半導體設備，其中所述半導體功率芯片為堅直半導體功率 -H-* LL 心/T 〇
13. 根據權利要求1所述的半導體設備，其中所述半導體功率芯片為氮化鎵功率芯片、 硅功率芯片、或者碳化硅功率芯片。
14. 根據權利要求1所述的半導體設備，其中所述半導體功率芯片的熱功率等于或大 于 3. 0W、5. 0W、7. 0W、或者 9. 0W。
15. 根據權利要求4所述的半導體設備，進一步包括： 連接元件，具有連接到所述半導體功率芯片的第二表面的第一表面，所述半導體功率 芯片的第二表面與所述半導體功率芯片的所述第一表面相對。
16. 根據權利要求15所述的半導體設備，其中所述連接元件為接觸夾件。
17. 根據權利要求1所述的半導體設備，其中所述半導體設備為AC-DC轉換器或DC-DC 轉換器。
18. -種半導體封裝，包括： 引線框架，具有厚度T1 ; 金屬塊，安裝在所述引線框架上，所述金屬塊具有厚度Tm，其中Tm等于或大于1. 5T1 ; 以及 半導體功率芯片，安裝在所述金屬塊上。
19. 根據權利要求18所述的半導體封裝，其中所述金屬塊具有所述半導體功率芯片在 安裝到所述引線框架的表面處的對應側面尺寸的1. 5倍的最小側面尺寸。
20. -種制造半導體設備的方法，所述方法包括： 將半導體功率芯片鍵合在金屬塊上；以及 將所述金屬塊鍵合在導電載體上。
21. 根據權利要求20所述的方法，進一步包括： 將第一鍵合材料沉積在所述導電載體上； 將所述金屬塊放置在所述第一鍵合材料上； 將第二鍵合材料沉積在所述半導體功率芯片上； 將接觸夾件放置在所述第二鍵合材料上；以及 施加能量以將所述金屬塊安裝到所述導電載體，并且將所述接觸夾件安裝到所述半導 體功率芯片。
【文檔編號】H01L23/367GK104112721SQ201410153242
【公開日】2014年10月22日 申請日期:2014年4月16日 優先權日:2013年4月17日
【發明者】R·奧特雷姆巴, J·赫格勞爾, J·施雷德爾, X·施勒格爾, K·希斯 申請人:英飛凌科技奧地利有限公司