三重堆疊半導體封裝的制作方法

本發明涉及包括襯底和堆疊功率器件的多芯片模塊(mcm)半導體封裝和相關裝配方法。

背景技術：

對半導體設備更低成本、更高性能、提高的微型化和更大封裝密度的需求促使了mcm封裝結構產生。mcm封裝包括安裝在單獨的半導體封裝內的兩個或更多管芯和可選擇的其他半導體組件。多個管芯和其他組件能夠以縱向的方式、橫向的方式或縱向與橫向組合的方式安裝。

一些mcm封裝是包括功率金屬氧化物半導體場效應晶體管(mosfet，在下文中“功率fet”)的mcm功率封裝，有時在同一封裝中還包括控制器管芯。用于mcm功率封裝的一種已知的解決方案包括堆疊方形扁平無引腳(qfn)模塊和至少第一金屬夾(clip)，qfn模塊其上具有帶有第一功率fet的底部qfn引線框，第一金屬夾上具有第二功率fet，其中一個或更多個金屬夾在裝配過程中從卷盤(reel)提供。在裝配過程中，使用專門的拾取和放置機器將所有的一個或更多個夾附接和堆疊在底部引線框的頂部上，這涉及在對每個mcm功率封裝一次一個地附接夾之前從其卷盤切斷銅夾。

技術實現要素：

公開的實施例確認了一種用于形成具有金屬夾的堆疊多芯片模塊(mcm)功率封裝的傳統裝配過程，其涉及通常需要處理以卷盤形式保持的單個金屬夾的專門的拾取和放置裝配設備。確認了一次一個地附接金屬夾導致了低效率，其體現在低的每小時產量/單位(uph)生產率。此外，通過拾取和放置附接金屬夾能夠導致回流工藝中的夾不對準和各種夾處理問題。

公開的實施例包括用于形成堆疊mcm功率封裝的三重疊堆裝配方法，該方法在向下設置(downset)引線框(lf)板上的向下設置第一夾板上堆疊第二夾板。第二夾板、第一夾板和lf板通常均包括在它們的軌道(長側軌道和/或側軌道)中的至少一個中的對準孔。第二夾板、第一夾板和lf板通常通過適當的夾具設備，使用用于互相對準的對準孔緊密配合在一起。第一夾板和lf板可以足夠薄至可壓縮，以使其在壓縮成型過程中的彎曲可以為至少～0.025mm，以確保通常在由封裝底面上的qfn封裝提供的暴露的管芯附接焊盤(dap)處基本沒有模滲出，這提供了在其典型的端應用中的帶有緊密配合電路板表面的更直接的熱界面。

附圖說明

根據示例實施例，圖1為用于形成堆疊mcm功率封裝的示例三重疊堆裝配方法的流程圖。

根據示例實施例，圖2a為底部lf板的特寫詳細透視圖，該底部lf板具有包括帶有低壓側(ls)場效應晶體管(fet)的互連的lf的完整向下設置，被示出附接在互連的lf的第一管芯附接區域上，而圖2b為遠觀透視圖。

根據示例實施例，圖3a為具有包括互連的夾的完整向下設置的向下設置第一夾板的特寫詳細透視圖，以及圖3b描繪了向下設置第一夾板在其上具有lsfet的底部lf板上的緊密配合。

根據示例實施例，圖4a為lsfet之上的向下設置第一夾板的夾上的中介層(interposer)的特寫詳細透視圖，而圖4b為遠觀透視圖。

根據示例實施例，圖5a為附接到向下設置第一夾板的夾上的中介層上的hsfet的特寫詳細透視圖，而圖5b為遠觀透視圖。

根據示例實施例，圖6a為與第一夾板和底部lf板緊密配合的第二夾板的特寫詳細透視圖，而圖6b描繪了第二夾板和向下設置第一夾板的緊密配合。

圖6c為金屬環氧樹脂或焊膏的剖面圖，該金屬環氧基樹脂或焊膏被施加于如圖所示的區域，以提供在第二夾板上的相應夾到底部lf之間的電接觸和在向下設置第一夾板上的相應夾到底部lf之間的電接觸，以使它們各自粘接在一起并形成電連接路徑。

根據示例實施例，圖7a描繪了附接到底部lf板的lf的第二管芯附接區域的控制器管芯的特寫詳細透視圖，而圖7b是遠觀透視圖，以及圖7c是在底部lf上的第一夾上裝配第二夾的剖面圖。

根據示例實施例，圖8a描繪了成型后的mcm單元側視圖，而圖8b描繪了成型過程中底部lf和第一夾底部對模具型腔的彈簧作用。

根據示例實施例，圖9a描繪了封裝鋸切之后的示例完整切單的(singulated)mcm功率封裝的俯視圖，以及圖9b描繪了該封裝的底部透視圖。

具體實施方式

在本公開中，闡明的行為或事件可以以不同的次序和/或與其他行為或事件同時發生。一些闡明的行為或事件對于根據本公開實施方法可以是不必要的。

根據示例實施例，圖1為用于形成堆疊mcm功率封裝的示例三重疊堆裝配方法100的流程圖。該封裝能夠包括多種封裝類型，包括但不限于方形扁平無引腳(qfn)，雙邊扁平無引腳(dfn)，小外形集成電路(soic)，雙列直插式封裝(dip)，晶體管外形(to)，薄的縮小型封裝(tssop)和小型晶體管(sot)。公開的半導體封裝的晶體管通常是縱向晶體管管芯(芯片)，其能夠依據特定的產品電連接需求被裝配成正面朝上或正面朝下。

步驟101包括提供包括互連的向下設置lf的底部lf板，每個互連的向下設置lf包括至少第一管芯附接區域，并且典型地還包括第二管芯附接區域，以及多個端子。本說明中，lf或夾的“向下設置”指的是夾或lf的主要部分與夾或lf的引線部分之間的垂直距離。步驟102包括將切單的ls晶體管附接到相應的第一管芯附接區域。通常可以使用任何合適的管芯附接材料。

步驟103包括在底部lf板上放置包括向下設置并互連以接觸ls晶體管的第一夾的第一夾板。通常提供焊料以形成夾與ls晶體管的接合焊盤之間的接觸，并且盡管未明確公開，焊料通常在其它夾與晶體管觸點之間，如下所述。

步驟104包括在ls晶體管之上的第一夾中的每個上附接切單的介電中介層。步驟105包括在中介層上附接切單的hs晶體管。步驟106包括使包括第二夾的第二夾板緊密配合以互連至hs晶體管，這包括使第二夾板，第一夾板和底部lf板緊密配合在一起。可選地，在步驟107后可以將控制器管芯附接到底部lf上的第二管芯區域。然后可以將控制器管芯絲焊到底部lf上的端子。在示例電路配置中：hs和ls晶體管均為金屬氧化物半導體場效應晶體管(mosfet)，其在vdd和gnd之間串聯堆疊；控制器被耦合從而為hsmosfet晶體管和lsmosfet晶體管的柵極提供柵極偏壓；并且電路的輸出在hs晶體管和ls晶體管之間的共同節點取得。

根據示例實施例，圖2a為具有包括互連的底部lf205的完整向下設置的底部lf板200的特寫詳細透視圖，每個互連的底部lf205帶有附接在互連的lf的第一管芯附接區域205a上的lsfet210，而圖2b是其遠觀透視圖。示出了向下設置凸片(tab)215和對準孔218。確認了完整的板向下設置，以提供更簡單的裝配過程、更好的平面化控制和更簡單的裝配加工。

盡管并未示出，可選擇的金屬(例如銅)塊可設于lsfet210下方。更普遍地，所公開的實施例的縱向晶體管能夠包括雙極型晶體管，其包括晶閘管(一對緊密耦合的雙極結晶體管，也稱為可控硅整流器)，結型柵場效應晶體管(jfet)，和各種縱向mosfet，其包括雙擴散金屬氧化物半導體(dmos)、高電子遷移率晶體管(hemt，諸如ganhemt)和絕緣柵雙極型晶體管(igbt)。在fet的情況下，fet能夠包括p溝道fet或n溝道fet。

圖3a為具有包括互連的第一夾305(其帶有示為315的向下設置凸片)的完整向下設置的向下設置第一夾板300的特寫詳細透視圖。根據示例實施例，圖3b描繪了向下設置第一夾板在其上具有lsfet的底部lf板上的緊密配合。圖3b中所示的對準孔218用于緊密配合過程中的對準。金屬夾板能夠包括銅(或其他合適的金屬)以提供高電導率和低熱阻。夾板中的單元更堅硬，因為相比于傳統的單個的銅夾(其被確認為易碎的，且在被附接到lf和管芯之后易于來回移動和旋轉)，它們連接在一起。底部lf板200和第一夾板300通常向下設置到與這里限定為至少2mil不同的不同長度，以便適應不同的芯片和封裝厚度，諸如對于通常能夠以范圍從8mil(＝203.2μm)到20mil(＝508μm)的管芯厚度。

根據示例實施例，圖4a為lsfet之上的向下設置第一夾板的第一夾305上的中介層410的特寫詳細透視圖，而圖4b為遠觀透視圖。根據示例實施例，圖5a為附接到向下設置第一夾板300的第一夾305上的中介層410上的hsfet510的特寫詳細透視圖，而圖5b為遠觀透視圖。

根據示例實施例，圖6a是具有第二夾605的第二夾板600的特寫詳細透視圖，該第二夾板600在中介層410上的hsfet510之上緊密配合第一夾板300，并且緊密配合帶有所示的其第二管芯附接區域205b的底部lf板200，而圖6b描繪了第二夾板600與向下設置第一夾板300的緊密配合。該板對板的裝配和緊密配合過程改進了產量并降低了過程復雜性。相比于切單的單元裝配過程，提供了更緊密的裝配作為lf板200，并且相應的夾板300和600緊密配合在一起。

lf板到夾板的緊密配合通常使用夾具執行。夾具通常由諸如鋁、不銹鋼或塑料纖維的材料制成。夾具被設計為稍大尺寸的矩形外形以匹配lf板和夾板。在夾具的外圍的較長側上有銷針的凸起。如上所述，lf板和夾板側軌道包括：通常在lf的較長側上的對準孔218；以及基本在相同位置(在制造公差之內)的夾板，以便能夠使用光學方法，并且以便將lf和夾板相互對準，使得銷針將穿過對準孔218插入堆疊夾和lf中。

因此，為緊密配合lf板200與夾板300和600，通過使銷針與lf上的對準孔218對準并引導銷針穿過lf的對準孔，將lf板200與夾板300和600放置在夾具上。在緊密配合過程的最后，底部lf200與第一夾板300和第二夾板600均被放置在夾具上，其中銷針平行且相互對準地穿過引線框的所有對準孔218。

圖6c為金屬(例如銀)環氧樹脂或焊膏618的剖面圖，該金屬環氧基樹脂或焊膏618被施加于如圖所示的區域，以提供在第二夾板600上的相應夾到底部lf板200之間的接觸和在向下設置第一夾板300上的相應夾到底部lf板200之間的接觸，以使它們各自粘接在一起并形成電連接路徑。如上所述，盡管不一定示出，焊料通常在夾接觸部分和半導體管芯之間。

圖7a描繪了附接到底部lf板200的lf205的第二管芯附接區域205b的控制器管芯710的特寫詳細透視圖，而圖7b是遠觀透視圖。控制器管芯710上的接合焊盤的絲焊大體如下。根據示例實施例，圖7c是在底部lf板200的底部lf205上的第一夾板300的第一夾上裝配第二夾板600的第二夾的剖面圖。

圖8a描繪了成型后的mcm單元800的側視圖，包括在底部lf205上的第一夾305上的第二夾605。模具示為808。可壓縮的向下設置dap防止模子溢料并確保疊堆起的每層之間的良好連接。所示的底部lf205的暴露的焊盤是tdfn和qfn封裝的標準部分，其通常總是具有暴露的焊盤以用于增大封裝的最大功率耗散率。底部lf205的材料可以是銅合金，諸如a194，eftec或者c7025，具有從0.15mm至0.4mm的典型厚度。夾的材料能夠與lf的材料相同，諸如銅或者銅合金。

根據示例實施例，圖8b描繪了在成型過程中由于底部lf205和第一夾305的向下設置對底部模具型腔820的彈簧作用。雙向下設置區域815作用類似彈簧。當底部模具型腔820關閉時，其擠壓底部lf205，并且雙向下設置區域815的作用類似彈簧，以確保沒有模塑化合物滑流至底部模具型腔820與底部lf205之間，從而防止模子溢料。彎曲量可以為從0.025mm至0.075mm，但是公開的實施例不限于依賴特定應用這一范圍內的這些值。

根據示例實施例，圖9a描繪了封裝鋸切之后完整切單的mcm功率封裝900的俯視圖，以及圖9b描繪了該封裝900的底部透視圖。模具示為808。

公開的實施例的優點包括公開的三重lf/夾板堆疊概念的明顯更簡單的裝配過程。通常只需要已知的工具和機器。提供了能夠經受處理問題的堅硬且更堅固的裝配。由于更少的拾取和放置處理，可以實現更快的裝配過程和更高的每小時產量/單位(uph)。其他優點包括：填充有相同標準lf和夾大小的所有單元和夾的通常更簡單的設計；以及每條中所有單元內良好的夾定位，因為在設計的過程中執行了所有的對準以提供能夠實現一個或更多個lf和夾板緊密配合過程的對準孔。通過上述的可壓縮板設計，還能夠提供良好的堆疊連接。

公開的實施例能夠與各種裝配流程整合以形成各種不同的封裝半導體集成電路(ic)裝置和相關產品。可以使用各種封裝基板，半導體管芯可以包括其中的不同元件和/或其上的層，這包括阻擋層、介電層、裝置結構、有源元件和無源元件(包括源極區、漏極區、位線、基極、發射極、集電極、導線和導電通孔)。此外，半導體管芯能夠通過各種過程形成，包括雙極型晶體管、絕緣柵雙極型晶體管(igbt)、cmos、bicmos和mems。

在權利要求的范圍內，所述的實施例中修改是可能的，并且其他的實施例是可能的。