专利名称：：半导体器件及用于制造具有改善的散热能力的半导体器件的方法
技术领域：
：本发明的各个方面总体上涉及一种半导体器件及用于制造半导体器件的方法，且更具体地讲，涉及一种封装在具有减小的厚度的外壳中的半导体器件。
背景技术：
：诸如整流器的半导体器件的效率降低的主要原因是在正常操作期间不充分的冷却。减轻该问题的两个方式包括使用热沉以及减少密封半导体器件的外壳的壁厚。图la和lb分别是由VishayIntertechnology，Inc.制造的内部具有四个半导体管芯(未示出)的VishaySemiconductor牌单相内桥式整流器器件(singlephaseinlinebridgerectifierdevice)10的透视图和侧视图。器件10经由引线14可通孔安装，并且包含外部环氧树脂外壳12，该外部环氧树脂外壳12在器件10的操作期间保护半导体管芯，由半导体管芯产生的热通过引线14和外壳12传递。图IB是器件10的侧视图，示出将器件IO安装到基板11(例如，电路板)的通孔安装(through-holemounting),并且还示出热沉(诸如带散热片的铝板)如何可以用于提高外壳12的散热性能-由外壳12内的管芯产生的热经由引线M传递到基板11并且通过外壳12传递到热沉13和/或周围环境。使用诸如自然对流或空气强制对流的冷却技术来冷却器件10、基板11以及热沉13。然而，环氧树脂外壳12的热传导率比热沉13的热传导率小得多，这往往导致器件10具有差的散热性能。不幸地，外壳12对于保护半导体器件防止湿气以及装配工艺及其他环境污染物是必需的。通常通过将半导体器件密封到通过传递模塑工艺施加的诸如热固性塑料的模塑化合物中来形成外壳12。在用于半导体工业的典型传递模塑机中，安装在引线框架上的薄的电子工件被夹在分开的塑模的两个一半之间。塑模以充分的间隙限定围绕器件的塑模腔，以允许模塑化合物被注入并且在器件周围流动从而密封器件。在模塑工艺期间，模塑化合物被注入到进口中并且塑模内部的空气从出口逸出。活塞将液化的模塑化合物驱使到塑模腔中。模塑化合物被允许固化并且塑模被打开，从而释放密封的半导体器件。如前所述，为增加散热，器件制造商意欲减少封闭每个器件的模塑化合物的密封层的厚度。较薄的密封层还有助于改善器件性能或关于对热应力下的涂层损坏的抵抗力和其他参数的可靠性。期望较薄的密封层的另一原因是，一般而言，相对于较大的器件，更期望较小的半导体器件。然而，因为在内部塑模表面与电子工件之间的距离被减小，所以变得更加难以获得围绕整个器件的高质量无空隙的密封剂。为获得无空隙的密封，在模塑化合物流动前沿到达塑模排放口之前，液化的模塑化合物必须进入塑模进口并且完全填充塑模腔中的空间。如果在完全地填充塑模之前模塑化合物到达排放口，则气泡被陷入在塑模中，从而产生空隙。为完全地填充塑模腔，模塑化合物必须在上塑模表面与器件的上表面之间、在下塑模表面与器件的下表面之间流动，并且流入到围绕器件的外周长的空间中。然而，因为在上塑模表面和下塑模表面之间的距离被减小以致于使得密封涂层更薄，所以模塑化合物变得更加难以穿透这些区域。如果该距离被减小得太多，则在模塑化合物流动前沿排出器件上和下的空间中的空气之前，模塑化合物将在器件的外周长周围流动。因为在器件的中心挤压有气泡，所以结果是密封材料中有空隙。结果，具有常规装置的半导体器件的传递模塑要求从内部塑模表面到器件的距离为至少约200-250微米。这保证将在塑模中及器件周围有模塑化合物的层流。当然，精确的最短距离限制是所使用的具体的模塑化合物、其包含的填料以及诸如温度的工艺参数的函数，但一般而言，将从内部塑模表面到器件的距离减小到小于某一最短距离，由于空隙的形成而导致不可接受的制造损失。图2是诸如图la及lb中描绘的半导体器件10的截面图。类似于图1中的器件，器件IO经由引线112可通孔安装，并且包含外部环氧树脂外壳110,该外部环氧树脂外壳110保护半导体管芯106—一在器件10的操作期间，由半导体管芯106产生的热通过引线112和外壳110传递。环氧树脂外壳110的热传导率往往导致器件10具有差的散热性能。诸如整流器的半导体器件的效率降低的主要原因是在正常操作期间的不充分冷却。不幸地，如上讨论的，如果外壳的厚度被减小以获得较好的导热性，诸如IPE的模塑故障或空隙130(参见图2)趋于增加，从而导致问题，诸如高电势(hipot)测试或电强度测试的故障，其由绝缘体中的击穿引起。因此，它期望容纳热沉以及较薄的外壳壁，以便充足地消散诸如桥式整流器的半导体器件中的热。
发明内容根据本发明，提供一种可安装到基板的半导体器件。该器件包含半导体管芯和导电性附接区，所述导电性附接区具有第一附接表面和第二附接表面。第一附接表面被布置用于与半导体管芯电连通。外壳至少部分地封闭半导体管芯和夹层材料。外壳具有通过导电的附接区域的第二附接表面而设置的凹进部。电介质导热性夹层材料位于凹进部中并且固定到外壳。金属板位于凹进部中并且固定到夹层材料。根据本发明的一方面，半导体器件包括功率半导体器件。根据本发明的另一方面，功率半导体器件包括整流器。根据本发明的另一方面，功率半导体器件包括桥式整流器。根据本发明的另一方面，功率半导体器件包括可表面安装的器件。根据本发明的另一方面，功率半导体器件包括可通孔安装的器件。根据本发明的另一方面，功率半导体器件包括集成电路。根据本发明的另一方面，集成电路包括芯片级封装。根据本发明的另一方面，导电性附接区包括铜焊盘、焊球、引线、引线框架和引线框架端子中的一个。根据本发明的另一方面，夹层材料是导热性粘合剂。根据本发明的另一方面，夹层材料包括丝网印刷层。根据本发明的另一方面，外壳包括模塑化合物。根据本发明的另一方面，制造可安装到基板的半导体器件的方法通过布置半导体管芯用于与导电性附接区的第一附接区域电连通而开始。将电介质导热性夹层材料施加到导电性附接区的第二附接区域。将热沉施加到夹层材料。提供外壳，所述外壳至少部分地封闭管芯、夹层材料和热沉。图la以及lb分别是用于常规的可通孔安装的半导体器件的封装的透视图和侧视图。图2是用于常规的可通孔安装的半导体器件的封装的截面图。图3是用于根据本发明的一方面构造的可通孔安装的半导体器件的截面图。图4-7示出在制造工艺期间的图3所示的可通孔安装的半导体器件的截面图。图8是用于制造根据本发明的方面的半导体器件的方法的流程图。具体实施例方式图3是根据本发明特定方面的可通孔安装的半导体器件200的内部截面的侧视图。为了示例性的目的，虽然器件200可以完全具有不同的外部尺寸或几何形状，但是半导体器件200具有相似的芯片空间(footprint)和管芯布置作为可通孔安装的半导体器件10(图1中所示的)。半导体器件200可以是功率半导体器件，诸如整流器或另一类型的集成电路。诸如铜焊盘、焊球、引线、引线框架或引线框架端子的导电性附接区202每个都具有布置成提供与半导体管芯206电连通的一个表面203(虽然为了示例性的目的仅仅涉及一个管芯，但是三个管芯是可见的)。管芯206可以是例如二极管、MOSFET或另一类型的管芯/集成电路。诸如通过软焊，表面203可以以任何适当地方式附接到管芯206。可通孔安装的引线212(—个是可见的)也可以处于与半导体管芯206和/或导电性附接区202电连通。外壳210至少部分地封闭管芯206和导电性附接区202。外壳210可以是模塑到导热的元件202和/或夹层材料206的、诸如塑料的模塑化合物。通过各种公知的方法，诸如包覆模塑(overmolding)或注射模塑，外壳210可以以任何期望的结构/形状形成。如所示的，外壳210大致3.5mm厚，具有类似于半导体器件10的外部外壳12(图1中所示)的部分的结构。然而，位于在导电性附接区202和夹层材料208(下面讨论的)之间的外壳210的部分230在厚度方面减小。也就是说，在导电性附接区202的面205上的外壳210的厚度基本上比管芯206位于其上的导电性附接区202的面203上的外壳210的厚度薄。如图3进一步示出的，夹层材料208被涂覆或以其他方式施加到外壳部分230的暴露表面(即，外壳210的在导电性附接区202的面205上的部分)。夹层材料208具有高介电常数及高导热率。夹层材料208可以采取导热的硅树脂弹性体材料、润滑脂、环氧树脂、模塑化合物、弹性焊盘、热胶带、液体或凝胶的形式。例如，夹层材料208可以是商业上可利用的导热性粘合剂，诸如由DOWCORNING制造的SE4486及SE4450、由Emerson&Cuming制造的282以及由BERGQUIST制造的SA2000。最后，诸如金属板220的金属热沉固定到夹层材料208。金属板220可以通过任何适当的方式来固定。例如，如果夹层材料208由粘合剂形成，则夹层材料208它本身可以用以固定金属板220。因而，图3所示的半导体器件容纳热沉以及较薄的外壳壁，由此增加器件的散热使得器件可以传送较高的电流。图4-7示出图3所示的可通孔安装的半导体器件的在制造工艺期间的截面图。图4示出安装到导电性附接区202的上表面的管芯206。在图5中，以包覆模塑工艺形成外壳210。外壳210包括围绕管芯206的上部及与导电性附接区202的面205接触的下部。在容纳夹层材料208及金属板220的外壳部分230中形成凹进部240。图6示出位于凹进部240中的夹层材料208，并且图7示出插入在凹进部240并且与夹层材料208接触的金属板220。在许多情况下，在将金属板220插入到凹进部240之前，夹层材料208可以首先被施加到金属板220。同样，如前所述，夹层材料208可以用作在凹进部240中固定金属板220的粘合剂。通过使用夹层材料208，从导电性附接区202的表面延伸的外壳厚度d(参见图3)可以被有利地减小，同时仍然避免由IPE(内部部件暴露)或空隙引起对半导体器件200的有害影响。在一些情况下，外壳厚度d可以减小50%或更多。例如，外壳厚度d可以从l.Omm减小到0.5mm厚。特别是，甚至在这样减小外壳厚度的情况下，半导体器件200也可以避免hipot测试故障。夹层材料208在hipot测试期间有效地用作提供高介电强度的屏蔽，同时由于它的高导热率也允许好的导热性。在本发明的一些实施例中，使用丝网印刷工艺将夹层材料208涂覆或施加到导电性附接区202。丝网印刷技术已经广泛地用于图形艺术领域以制作艺术作品并且已经发现用于在生产印刷电路板以将较大尺寸的掩模图案转印到印刷电路板上。丝网印刷技术包括使用模板以将图像有选择性的转印到基板上。通常通过模板的多孔部分(例如，网格)借助于机械按压指定材料而将图像转印到基板上，而模板的邻近的非多孔部分不允许印刷材料。在图形艺术作品的生产中使用的丝网印刷材料包括涂料和/或油墨，而在电路板生产中转印掩模图案时使用的材料包括掩蔽材料。往往通过激光将图案加工到模板上或者通过照片显影(photodevelopment)工艺来生成用于丝网印刷的模板，其中图像是转印到模板的未显影的照片，并且模板随后被显影以显示图像。未显影的模板通常包括涂覆有非多孔材料的丝网。当显影时，非多孔材料的部分被去除从而在构造照片转印的图像时产生模板的多孔部分或产生模板中的孔。当图像有效地转印到显影后的模板时，然后如上所逸的使用模1歡相風的恩像转印溯墓板|—丝网印刷技术和在这种印刷中使用的模板是公知的，因此将不讨论任何更多的细节。因而，已经描述的半导体器件包括通过减小外壳的厚度以及提供金属热沉来创建增强的热移除路径，所述外壳密封管芯或多个管芯。在产品设计中期望传导的热远离安装基板，并且因而通过电隔离半导体封装本身来补充在针对基板提供冷却的每个基板上增加的热通量密度，其通常致使较大大的表面面积提供单一的工作温度。半导体器件可工作在更理想的温度而对它们的芯片空间没有显著改变，和/或没有附加的隔离要求，从而减少产品再设计的需要。关于可通孔安装的半导体器件的上述的本发明的一些方面也适用于可表面安装(surface-mountable)的半导体器件，例如，诸如在2007年7月9日所提交的共同未决的美国专利申请No.11/827，041的图8所示出的。图8是用于制造根据本发明的一些方面的诸如图3中所示出的半导体器件200的半导体器件的方法的流程图。该方法从块902开始，其中将半导体管芯布置用于与导电性附接区的第一个附接区域电连通，如铜焊盘、引线框架或它的端子。接下来，在块904，将电介质导热性夹层材料施加到用作热沉的金属板。夹层材料可以涂覆到金属板上并且可以用作粘合剂。在步骤906，将金属板附接到导电性附接区的第二附接区域，使得夹层材料接触第二附接区域。如果夹层材料是粘合剂，则它可以用以将金属板固定到第二附接区域。在块908,将可由诸如塑料的材料组成的外壳设成至少部分地封闭管芯、夹层材料、金属板和导电性附接区。(例如，通过模塑)以通过外壳提供半导体器件的外部封装的方式来固定该外壳。从导电性附接区延伸的外壳厚度可以小于以其他方式可能形成的外壳厚度，同时如果不施加夹层材料和金属板仍然避免了由空隙所造成的问题等。显然，可以设计在此所描述的本发明的方面的其他和进一步形式，而不背离所附权利要求书的精神和范围，并且将理解的是，本发明的方面不应该仅限于上述特定实施例。权利要求1.一种半导体器件，其可安装到基板，该半导体器件包括半导体管芯；导电性附接区，具有第一附接表面和第二附接表面，所述第一附接表面被布置用于与所述半导体管芯电连通；外壳，至少部分地封闭所述半导体管芯和夹层材料，所述外壳具有通过所述导电性附接区的第二附接表面而设置的凹进部；电介质导热性夹层材料，位于所述凹进部中并且固定到所述外壳；以及金属板，位于所述凹进部中并且固定到所述夹层材料。2.根据权利要求l所述的半导体器件，其中，所述半导体器件包括功率半导体器件。3.根据权利要求2所述的半导体器件，其中，所述功率半导体器件包括整流器。4.根据权利要求3所述的半导体器件，其中，所述整流器包括桥式整流器。5.根据权利要求l所述的半导体器件，其中，所述半导体器件包括可表面安装的器件。6.根据权利要求l所述的半导体器件，其中，所述半导体器件包括可通孔安装的器件。7.根据权利要求l所述的半导体器件，其中,所述半导体器件包括集成电路。8.根据权利要求7所述的半导体器件，其中，所述集成电路包括芯片级封装。9.根据权利要求8所述的半导体器件，其中，所述导电性附接区包括铜焊盘、焊球、引线、引线框架和引线框架端子之一。10.根据权利要求l所述的半导体器件，其中，所述夹层材料是导热性粘合剂。11.根据权利要求l所述的半导体器件，其中，所述夹层材料包括丝网印刷层。12.根据权利要求1所述的半导体器件，其中，所述外壳包括模塑化合物。13.—种制造半导体器件的方法，所述半导体器件可安装到基板，所述方法包括布置半导体管芯以与导电性附接区的第一附接区域电连通；将电介质导热性夹层材料施加到所述导电性附接区的第二附接区域；将热沉固定到所述夹层材料；以及将外壳设成至少部分地封闭所述管芯、所述夹层材料和所述热14.根据权利要求13所述的制造半导体器件的方法，其中，所述热沉是金属板。15.根据权利要求14所述的制造半导体器件的方法，其中，将所述夹层材料施加到所述板以将所述板固定到所述夹层材料。16.根据权利要求15所述的制造半导体器件的方法，其中，在将所述夹层材料施加到所述第二附接区域之前，将所述夹层材料施加到所述板。17.根据权利要求16所述的制造半导体器件的方法，其中，所述夹层是将用于所述板固定到所述附接区域的粘合剂。18.根据权利要求13所述的制造半导体器件的方法，进一步包括模塑所述外壳以形成所述半导体器件的外部封装。19.根据权利要求16所述的制造半导体器件的方法，其中，通过丝网印刷工艺来施加所述夹层材料。20.根据权利要求13所述的制造半导体器件的方法，其中，所述半导体器件包括可表面安装的器件。21.根据权利要求13所述的制造半导体器件的方法，其中，所述半导体器件包括可通孔安装的器件。22.根据权利要求13所述的制造半导体器件的方法，其中，所述导电性附接区包括铜焊盘、焊球、引线、引线框架和引线框架端子之一。23.根据权利要求13所述的制造半导体器件的方法，其中，所述半导体器件包括功率半导体器件。全文摘要一种可安装到基板的半导体器件，包括半导体管芯和导电性附接区，所述导电性附接区具有第一附接表面和第二附接表面。第一附接表面被布置用于与半导体管芯电连通。外壳至少部分地封闭半导体管芯和夹层材料。外壳具有通过导电性附接区的第二附接表面而设置的凹进部。电介质导热性夹层材料位于凹进部中并且固定到外壳。金属板位于凹进部中并且固定到夹层材料。文档编号H01L23/34GK101595557SQ200780029970公开日2009年12月2日申请日期2007年8月10日优先权日2006年8月11日发明者海付,周大德,张雄杰,晛李,田永琦申请人:威世通用半导体公司