专利名称：低分布剖面倒装功率模块及制造方法
技术领域：
本发明总体涉及电子封装领域。更具体地，本发明涉及功率半导体模块 的封装。
背景技术：
根据市场的要求，现今电子产品的总体发展趋势是产品小型化，同时产 品功能大幅增加。没有例外，该发展趋势同样适用于功率电子产品领域。因 此，甚至在功率电子产品领域中，也己经对产品小型化具有日益增加的需求，同时，也对功率电子产品中凸显的散热，电磁干扰/射频干扰(EMI/RFI)屏 蔽方面有其他的要求。发明内容本发明的目的在于提供一种低分布剖面倒装功率模块及制造方法，用于 封装具有倒装功率金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)器件的电子 系统，具有低分布剖面，增强的机械坚固性和屏蔽EMI/RFI的特征。为达上述目的，本发明提供一种用于封装包括功率MOSFET器件的电子 系统的低分布剖面的功率模块。该功率模块包括导电的正面覆盖板和实体导 电键合到正面覆盖板的背面的多层印刷电路板。该多层印刷电路板具有多个 经键合的印刷电路层以形成多层电互连结构。尤其是，所述印刷电路板的正 面包括多个凹嵌口，每个凹嵌口在其底面上具有许多印刷电路迹线。多个倒 装的功率MOSFET器件和其他电路元件位于该凹嵌口内，这些功率MOSFET 和电路器件导电键合到凹嵌口底面上的印刷电路迹线上。由于各个电路元件 设置在功率模块内部，因此该功率模块具有低分布剖面，增强的机械坚固性 和屏蔽EMI/RFI的特征。另外， 一些电路元件可以配备正面键合层，该正面键合层其后被导电键 合到正面覆盖板以实现与功率模块内部的双面键合。进一步，以功率模块的取向作为参照，倒装的功率MOSFET在其背面具有源极触点和栅极触点，在 其正面具有漏极触点。为了促使这些双面键合的电路元件的散热，进一步使 所述正面覆盖板具有热传导性而作为散热片。由于该正面覆盖板平整，因此 外接的散热器能容易地附接到该正面覆盖板上以促进功率模块的散热。 一种制造功率模块的方法，包括以下步骤A) 形成具有多个经键合的印刷电路层，正面凹嵌口，位于正面凹嵌口 内的电路元件和键合到凹嵌口内的印刷电路迹线上的倒装功率模块的多层印 刷电路板；B) 提供导电的正面覆盖板；C) 将多层印刷电路板的正面实体导电键合到所述正面覆盖板；作为一 种变化，在该步骤中，可以附加地使一些电路元件能正面键合并由此导电键 合到所述正面覆盖板。所述形成多层印刷电路板的方法，进一步包括以下步骤 Al)形成多个经键合的印刷电路层；A2)通过从该多个经键合的印刷电路层的对应层数上去除对应数量的凹 嵌口材料，从而沿该印刷电路层的正面产生多个凹嵌口； A3)将各个电路元件放置到凹嵌口内；A4)通过各个电路元件的背面元件键合区将该电路元件导电键合到所述凹嵌口。另外一种形成多层印刷电路板的方法，进一步包括以下步骤 Al)根据多层印刷电路板的层次要求，提供多个印刷电路层；A2)对于每个印刷电路层，确定并预先切割出特定数量的每一个都有特定几何形状的窗口，因此在其后的层叠时该多个印刷电路层将形成预期的凹嵌口；A3)堆叠并层压该多个印刷电路层，由此同时形成预期的凹嵌口； A4)如果有因多层印刷电路板的规定的必要，在各个经层叠的印刷电路 层上形成诸如所印制的通孔和焊接掩模的其他电路形成特征； A5)将各个电路元件放置到凹嵌口内；A6)通过各个电路元件的背面元件键合区将该电路元件导电键合到所述 凹嵌口。通过下文对本发明的叙述，本发明及其多个实施例的各个方面对于本技 术领域的普通熟练人员将是显而易见的。
图1是本发明的低分布剖面功率模块的横截面示意图；图2显示根据本发明的一个实施例的低分布剖面功率模块的制造步骤；图3显示根据本发明的另一个实施例的低分布剖面功率模块的制造步骤。
具体实施方式
下文将参考结合附图1-附图3对本发明进行详尽叙述。 上文以及下文结合本文包含的附图的描述仅用于说明本发明的一个或多 个当前的优选实施例，同时也叙述一些示例性的可选特征和/或替代实施例。 所作的描述和附图用于对本发明进行说明的目的，因此同样并非是对本发明 的限制。如此，本技术领域的普通熟练人员将容易理解本发明的各种变化， 修改和替代。这样的变化，修改和替代也应该被理解为处在本发明的范围之 内。图1是本发明的低分布剖面功率模块10的横截面示意图。所提出的该低 分布剖面功率模块10用于封装电子系统，为了说明的简洁，该电子系统包括 一个或多个功率MOSFET64 ， 一个或多个集成电路(IC) 60和一个或多个 无源元件62。当没有特别说明时，功率MOSFET64的有源电路是倒装结构， 以低分布剖面功率模块10的取向作为参照，其源极触点和栅极触点设置在背 面。这样，功率MOSFET64的源极触点和栅极触点通过键合区开口66与背 面焊接块24实现电连接。同样，IC60的封装也是倒装的类型。如图所示， 功率MOSFET漏极68还具有正面元件键合层27，以低分布剖面功率模块 10的取向作为参照，该正面元件键合层27位于该功率MOSFET 64的正面。通常，低分布剖面功率模块10包括导电的正面覆盖板12和实体导电键 合到该正面覆盖板12的多层印刷电路板14。该多层印刷电路板14具有多个 层叠并键合的典型的印刷电路层(第一PCB(印刷电路板)层14a，第二PCB 层14b，第三PCB层14c和第四PCB层14d)，以形成多层电互连结构。一些PCB层的相关的电路形成构造要素，诸如镀覆通孔20 (技术上也称"通 道孔")和焊接掩模22也在图中示出。然而，为了避免不必要的模糊细节， 除了将要进行描述的印刷电路迹线26之外， 一些其他的电路形成构造要素， 诸如两两介于各个PCB层14a， 14b， 14c和14d之间的互连电路迹线在图中 没有显示。如本文的定义，"电路形成构造要素"是用于形成电子系统的元件 间电连接的互连导电键合区，印刷电路迹线，平面，导电通孔，焊接掩膜， 球形栅格阵列(BGA)和平面栅格阵列(LGA)的一组预先确定的三维图形。 尤其是，所述多层印刷电路板14的正面包括在其底面上具有印刷电路迹线 26的凹嵌口25。因此，功率MOSFET64， IC 60和无源元件62的各个电路 元件也位于该凹嵌口 25的底面上与印刷电路迹线26相应的位置上，并通过 背面焊接块24导电键合到由该低分布剖面功率模块10实施的电子系统的其 余部分。由于功率MOSFET 64通常是垂直型器件，其器件电流从半导体衬 底的一个主表面流至其相对的主表面。另外，同样重要的是，需要指出，通 过第一 PCB层14a，第二 PCB层14b，背面焊接块24，功率MOSFET 64和 正面元件键合层27之间的适当的厚度匹配，包围在凹嵌口 25和正面覆盖板 12之间的功率MOSFET 64的漏极68导电键合到正面覆盖板12，并进一步 通过镀覆通孔20连接到多层印刷电路板14的背面。然而，在用侧向MOSFET 代替垂直MOSFET的任何场合，该类型的双面导电键合是不必要的，因此不 必通过镀覆通孔20将正面覆盖板12电连接到多层印刷电路板14的背面。在 这样的情况下，功率MOSFET 64仍可以热接触正面覆盖板12以促进散热。 IC 60的衬底通常需要与MOSFET的漏极68绝缘，因此，最好不与正面覆盖 板12电接触。为了能进一步与外部系统电连接，低分布剖面功率模块10包括金相附接 到若干相应的键合区19和位于多层印刷电路板14背面的镀覆通孔20的外部 球形栅格阵列30。对于本技术领域的熟练人员而言，通过上文的叙述显而易见的是，在适 当选择凹嵌口 25的尺寸和数量的情况下，所实施的低分布剖面功率模块10 能够包围多个MOSFET， IC以及许多其他类型的有源和无源电路元件，诸如 但不限于双极型器件，IC，电容器，电感器，电阻器，二极管。由于各种电 路元件被包围在功率模块内部，因此呈现低分布剖面，增强的机械坚固性和屏蔽EMI/RFI的特征。当然，可以使正面覆盖板12具有热传导性，以便于 促进双面键合的功率MOSFET 64和IC 60的散热。由于正面覆盖板12平整， 诸如散热器，冷却风扇，循环流体冷却模块和热电模块(TEM， Thermal Electric Module)的附加的外部散热装置能容易地附装到正面覆盖板12上，由此促 进双面键合的功率MOSFET 64的散热。对于其材料，正面覆盖板12由导电材料制成，诸如铜，铝，镀镍/金的 其他金属或层压板，碳制导电材料和离子导电材料。正面元件键合层27由导 电材料制成，诸如填充例如功率MOSFET64的正面和正面覆盖板12之间的 间隙的焊料膏或者导电环氧树脂。图2显示根据本发明的一个实施例的低分布剖面功率模块10的制造步 骤。步骤Ia中，堆叠四层PCB层14a， 14b， 14c和14d并相互相对于对方 套准。虽然没有在图中具体显示，但是四个PCB层14a， 14b， 14c和14d中 的每一层上都已经预先形成电路形成构造要素。然后在步骤IIa中，将该四 层PCB层通常在加热加压状态下层叠到一起。在步骤IIIa中，穿过该层叠板 钻通道孔18及不完全钻孔以形成各个键合区开口 17。接下来，在步骤IVa 中，对各个通道孔18和键合区开口 17电镀导电材料以分别成为镀覆通孔20 和键合区19。在步骤Va中印制焊接掩膜22以保护各个镀覆通孔20和键合 19，防止之后焊料球在其融化而与各个镀覆通孔20和键合区19导电键合期 间发生溢流。在步骤Via中，通过从相应数量的PCB层，在该情况下为PCB层14a 和14b选择性地切除相应的凹嵌口材料，沿键合后的PCB层14a， 14b， 14c 和14d的正面形成凹嵌口 25。切除的方法有机械铣切，不完全机械钻孔和激 光切割。注意，完成步骤Via后显现第三PCB层14c顶部的印刷电路迹线 26。在IC封装技术中被称为芯片附贴的步骤VII中，首先将功率MOSFET 64，IC 60和无源器件62等各个电路元件置于凹嵌口 25内并机械套准。然后， 各个电路元件通过其背面焊接块24导电键合到印刷电路迹线26。如现有技 术中众所周知的一样，取决于所使用的焊料或者环氧树脂的类型，要求温度 超过200°C以形成永久键合。在步骤VIII中，正面覆盖板12置于多层印刷电路板14的顶部，此时，各个电路元件已经导电键合到凹嵌口 25的底面。然后，多层印刷电路板14 的正面与功率MOSFET 64的正面元件键合层27 —起实体导电键合到正面覆 盖板12。在步骤IX中，已经部分制作完成的低分布剖面功率模块首先被翻转。 随后，多个焊料球21被置于多层印刷电路板14上其相应的键合区19和镀附 通孔20上。在步骤X中，所述多个焊接球21被金相键合到其相应的键合区19和镀 附通孔20以形成外部球形栅格阵列30，用于现在完成的低分布剖面功率模 块10与外部系统的进一步的导电连接。综上所述，本发明的上述步骤Ia到步骤X可以被划分为第一部分(步骤ia到步骤vn)和第二部分(步骤vni到步骤x)。第一部分形成多层印刷电路板14以及将功率MOSFET 64, IC 60和无源元件62等各个电路元件导电 键合到凹嵌口 25中。第二部分将多层印刷电路板14的正面与功率MOSFET 64的正面一起实体导电键合到导电的正面覆盖板12。图3显示根据本发明的另一个实施例的低分布剖面功率模块10的制造步 骤。除了步骤Ib到步骤VIb之外，其余的步骤VII到步骤X和前文根据图2 的说明相同。在步骤Ib中，堆叠四层PCB层14a， 14b, 14c和14d并在X-Y 平面内相互相对于对方套准。步骤IIb中，对于四个PCB层14a， 14b， 14c和14d中的每一个PCB层， 通过机械铣切，不完全机械钻孔和激光切割等方法确定和预先切割出每一个 都有特定几何形状的特定数量的窗口，这样，在其后的层叠时，所述四个PCB 层将形成预期的凹嵌口 25。在该情况中，在第一 PCB层14a上形成第一预 切割窗口 15a，在第二PCB层14b上形成第二预切割窗口 15b。由此，在步 骤IIIb中，四层PCB层14a， 14b， 14c和14d在层叠的同时形成凹嵌口 25。在步骤IVb中，穿过层叠的印刷电路板钻通道孔18，与不完全钻孔一起 形成各个键合区开口 17。接下来，在步骤Vb中对各个通道孔18和键合区开 口 17电镀导电材料，分别成为镀覆通孔20和键合区19。在步骤VIb中印制 焊接掩模22，保护各个镀覆通孔20和键合区19，防止之后焊料球在其融化 而与各个镀覆通孔20和键合区19导电键合期间发生溢流。虽然上文的描述包含许多特殊性，但这些特殊性不应被认为是对本发明范围的相应的限制，而只是提供对本发明的一些优选实施例的说明。例如，在所述功率MOSFET 64和IC 60的模块之外，本发明也可以在修改后用于封 装多种其他类型的半导体模块，或者甚至封装诸如微型电机械系统(MEMS， Miniature Electro Mechanical System)器件的微型机械器件。纵观全文的说明和附图，本文参照具体的结构给出若干示例性的实施例。 本技术领域的普通熟练人员将理解的是，本发明能够以若干其他具体的形式 实施，并且本技术领域的普通熟练人员能够实现这样的其他实施例而不必过 分强调经验。作为本专利文件的目的，本发明的范围不限于前文描述的特定 的示例性实施例，而是由附后的权利要求定义。处于权利要求的等效内容的 含义和范围内的任何及所有修改都将被认为包括在本发明的精神和范围之 内。
权利要求
1.一种低分布剖面功率模块，其特征在于，该低分布剖面功率模块包括导电的正面覆盖板；多层印刷电路板，该多层印刷电路板进一步包括多个经键合的印刷电路层，每一个印刷电路层在其上都具有电路形成装置，该多层印刷电路板实体导电键合到所述正面覆盖板；以及所述多层印刷电路板沿其正面进一步包括a)多个凹嵌口，每一个凹嵌口在其底面上都具有电路形成装置；b)位于多个凹嵌口内的多个电路元件，每个电路元件都具有背面元件键合装置，该背面元件键合装置导电键合到所述电路形成装置；由此，该低分布剖面功率模块以低分布剖面，经增强的机械坚固性和对电磁干扰/射频干扰的屏蔽包围所述多个电路元件。
2. 如权利要求1所述的低分布剖面功率模块，其特征在于，所述多个电路元 件中的至少一个元件进一步包括正面元件键合装置，该正面元件键合装置导 电键合到所述正面覆盖板，由此所述至少一个电路元件是垂直型器件。
3. 如权利要求2所述的低分布剖面功率模块，其特征在于，所述正面覆盖板 具有热传导性，以促进所述多个电路元件中的至少一个电路元件的散热。
4. 如权利要求3所述的低分布剖面功率模块，其特征在于，该低分布剖面功 率模块进一步包括球型栅格阵列，该球型栅格阵列从外部通过金相方式附接 到位于多层印刷电路板背面的相应电路形成装置上，以实现低分布剖面功率 模块与外部系统的进一步的电连接。
5. 如权利要求4所述的低分布剖面功率模块，其特征在于，所述正面覆盖板 由铜，铝，镀镍/金的金属或层压板，碳制导电材料或离子导电材料制成。
6. 如权利要求3所述的低分布剖面功率模块，其特征在于，该低分布剖面功率模块进一步包括散热装置，该散热装置从外部通过热传导方式，附接到所 述正面覆盖板的正面，以促进所述多个电路元件中的至少一个电路元件的散 犰。"、 o
7. 如权利要求1所述的低分布剖面功率模块，其特征在于，所述多个电路元 件是倒装的元件，以该低分布剖面功率模块的取向作为参照，该元件的有源 电路和元件键合装置位于其背面。
8. 如权利要求2所述的低分布剖面功率模块，其特征在于，所述多个电路元 件中的至少一个电路元件是倒装的元件，以该低分布剖面功率模块的取向作 为参照，该元件的有源器件区域及其元件键合装置的第一部分位于其背面， 其元件键合装置的第二部分位于其正面。
9. 如权利要求7所述的低分布剖面功率模块，其特征在于，所述倒装的元件 是集成电路，功率MOSFET，功率双极型器件或者二极管。
10. 如权利要求8所述的低分布剖面功率模块，其特征在于，所述倒装的元 件是功率MOSFET器件，以该低分布剖面功率模块的取向作为参照，该功率 MOSFET器件进一步具有位于其背面的有源器件区域，源极触点和栅极触点 以及位于其正面的漏极触点。
11. 一种包围多个电路元件的低分布剖面功率模块的制造方法，其特征在 于，该方法包括A)形成多层印刷电路板，该多层印刷电路板具有(1) 多个经键合的印刷电路层，每一个印刷电路层在其上都具有电 路形成装置；和(2) 沿该多层印刷电路板的正面的(2a)多个凹嵌口，每一个凹嵌口在其底面上都具有电路形成 装置；和(2b)位于多个凹嵌口内的多个电路元件，每一个电路元件都具有导电键合到所述电路形成装置的背面元件键合装置；B) 提供导电的正面覆盖板；和C) 将多层印刷电路板的正面实体导电键合到所述正面覆盖板的背面。
12. 如权利要求11所述的低分布剖面功率模块的制造方法，其特征在于，其 中形成多层印刷电路板的步骤进一步包括Al)形成多个经键合的印刷电路层，每一个印刷电路层在其上都具有电 路形成装置；A2)通过从该印刷电路层的相应层数中选择性地去除相应的多个凹嵌口 材料，沿该多个经键合的印刷电路层的正面产生多个凹嵌口； A3)将多个电路元件放置到该多个凹嵌口内；禾口A4)通过各个印刷电路层的背面元件键合装置将多个电路元件导电键合 到所述电路形成装置。
13. 如权利要求ll所述的低分布剖面功率模块的制造方法，其特征在于，其 中形成多层印刷电路板的步骤进一步包括Al)根据多层印刷电路板的层次要求提供多个印刷电路层，每一个印刷 电路层在其上都具有电路形成装置；A2)对于每个印刷电路层，确定并预先切割出每一个都具有特定几何形 状的特定数量的窗口，因此在其后的层叠时，该多个印刷电路层将形成所述多个凹嵌口；A3)堆叠并层压该多个印刷电路层，因此同时形成所述多个凹嵌口；A4)如有因多层印刷电路板的规定的必要，在所述多个经层叠的印刷电 路层的每一层上形成其他电路形成装置；A5)将多个电路元件放置到所述多个凹嵌口内；和A6)通过各个电路元件的背面元件键合装置将多个电路元件导电键合到 所述电路形成装置。
14. 一种包围多个电路元件的低分布剖面功率模块的制造方法，其特征在 于，该方法包括A) 提供导电的正面覆盖板；B) 形成多层印刷电路板，该多层印刷电路板包括(1) 多个经键合的印刷电路层，每一个印刷电路层在其上都具有电 路形成装置；和(2) 沿该多层印刷电路板的正面的--(2a)多个凹嵌口，每一个凹嵌口在其底面上都具有电路形成 装置；和(2b)位于该多个凹嵌口内的多个电路元件，每个电路元件都 具有能被导电键合到所述正面覆盖板的正面元件键合装置和导电键 合到所述电路形成装置的背面元件键合装置；和C) 将所述多层印刷电路板的正面及所有正面元件键合装置实体导电键 合到所述正面覆盖板。
15.如权利要求14所述的低分布剖面功率模块的制造方法，其特征在于，其 中提供导电的正面覆盖板的步骤进一步包括使用具有热传导性的正面覆盖 板材料，以促进所述多个电路元件的散热。
全文摘要
本发明提供一种功率模块，用于封装具有倒装功率MOSFET器件的电子系统。该功率模块包括正面覆盖板和键合到该正面覆盖板上的多层印刷电路板。尤其是，所述印刷电路板的正面包括多个凹嵌口，每一个凹嵌口在其底面上都具有印刷电路迹线。在凹嵌口内设置键合到该印刷电路迹线的功率MOSFET和其他电路元件。由于电路元件被包围在功率模块内，因此该功率模块具有低分布剖面，增强的机械坚固性和屏蔽EMI/RFI的特征。另外，一些电路元件可以配备也被键合到正面覆盖板的正面键合层以实现与功率模块内部的双面键合。本发明也提供了该低分布剖面功率模块的制造方法。
文档编号H01L23/552GK101257011SQ200810081909
公开日2008年9月3日 申请日期2008年2月21日 优先权日2007年2月23日
发明者明 孙, 龚德梅 申请人:万国半导体股份有限公司