专利名称：用来制作封装半导体器件的方法和系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用来制作封装半导 件的方法和系统；特别的，在不暗 示丧失任何一般性的情况下，这种接着发生的处理将涉及通过用于半导 件 的功率封装的成型的全绝缘型的生产。
背景技术：
^^f周知的，功率半导,件，例如功率MOSFET，包括被设计成^^寸集 成相应集成电路的半导体材料管芯的塑料封装，其中一般通过成型获得塑料封 装。
例如，附图la和lb示出了包封在封装2中的半导，件1 (特别是功率 器件)，所^M装2由塑料材料例如通常所说的JEDEC TO-220型环^M脂制成。 半导mi件1包括半导体材料管芯3和至少部分设置于封装2中并且被设计成 支持在相同的封装2中的管芯3，以及向在管芯(3)内的集成电路的外部提供 电连接的弓l线框4。弓战框4包括金属板(通常称为"管芯焊盘")5，所述金 属板5被设置得完全位于封装2中并具有顶表面5a，管芯3被耦合到所述顶表 面5a(例如，MMIA^性材料)；以及多个,AM装2中出来的引线6，例如3 个。在未示出的方式中，管芯焊盘5由具有引线6中的一个(特别地，具有设 置于中心位置的引线)的单片构成，从而形成半导体器件l的电极，并且管芯3 ffiil接合线与剩余的引线6电连接，所述接合线从各自的接触焊盘伸出，ffl51 不接触管芯焊盘5和各自的引线6的管芯3的顶表面支撑。此外封装2在其端 部(与引线6出来的端相对)具有用来例如通过螺钉或者铆钉将半导皿件1 耦合到热沉(未图示)的通孔7。在这点上，管芯焊盘5向前述的热沉传递管芯 3中的集成电路工作时产生的热量。
假定在制造半导mi件1的过程中，并且特别是在封装2成型的制造中需 要确保向热沉进行良好的热传递，并且(至少在绝缘封装的情况下)需要使管 芯焊盘5同封装2的外部电绝缘，需要保证位于管芯焊盘5下的封装的包封材
料的，厚度(特别是与管芯焊盘5的底表面5b接触的材料的，厚度，底表 面5b同与管芯3耦合的顶表面5a相对)。所得到的半导^l件1的热性能和电 性能甚至能根据上述的厚度相当大地改变，而这个厚度又显著的依赖于制作封 装2的技术，特别是在成型步骤中对弓践框4的正确定位。如果封装材料的厚 度大于上限规定值(USL)，弓践框4关于用于封装2的形成的铸模的不正确的 对准会导致热性能的退化(就热阻Rth而言)，或者如果封装材料的厚度大大低 于下限规定值(LSL)，会导致管芯焊盘5的底表面5b的暴露。如果前述厚度小 于下限规定值，在成型过程中也可能发生封装材料的不适当的流动，导致在封 装2的背面形成孔洞。
采用已知的方式，根据成型技术和所得到的封装结构，用于半导 件的 功率封装分为"全成型"和"^^色缘"。在两种情况下，管芯3均l^t装材料完全涂 覆，但是在全成型封装中，可以留下露出的金属的区域(例如，管芯焊盘5的 部分可从封装2的外部到达)，而在全绝缘封装中，需要保证完全没有暴露的金 属。有证据证明，特别是在全绝缘封装中，器件背面上存在过于薄的封装材料 层会不可恢复地危害它的性能。
因此在封装2的成型步骤中，特别是在封装材料的注入以及其随后的硬化 (聚合)过程中，有必要體弓战框4并使其位于在相应铸模内的恰当的和预设 的位置。在过去，已经提出被设计成满足该需要的多种成型工艺。
例如，所提出的技术之一设想在成型腔内^顿固定管脚(所谓的"固定管脚' 技术)，所述固定管脚被固定地耦合至帳具并且与管芯焊盘5的上和下表面的相 对部分邻接，由此在靠近模具时将管芯焊盘保持在期望的位置。如图2所示， 然而， 一旦成型步骤结束，在相应于在成型期间被固定管脚占据的位置的位置 中，封装2具有使得管芯焊盘5暴露的孔隙10。因而这种技术能用于全成型封 装的制造，而不适于全绝缘封装的制造。
在需要制造全绝缘封装的情况下，前述工艺可以以用随后被固化的树脂化 合物填充由固定管脚留下的孔隙10 (通常称为"灌封")的最后的脱机步骤(也 就是， 一种不同于成型步骤并且在成型步骤之后的步骤)来完成。图3显示了 所得到的半导体器件1 ，其中参考标记11表示完全封闭孔隙10的填充部。然而， 所得到的工艺有一系列缺点，其中该制作方法持续时间较长；需要额外的设 备和相关的额外的成本；以及由于树脂化合物是形成封装主体的封装材料的外
部的材料的事实而出现可靠性问题的可能性。
为了克服这些缺点，己经提出一种设想j細可伸縮的凸管脚(ejectorpin) 的替换成型方法。详细地说，在初始步骤中，图4a，弓践框4被插入到模具13 的成型腔12中。输Ail道( ) 14与成型腔12流体 并能够引入封装材 料。引线框4fflil使用可伸縮管脚15保持在期望的位置，可伸縮管脚15与管 芯焊盘5接触(如图4a中的箭头突出显示的)以便紧靠其相应顶表面5a 表面5b。为了这个目的，在模具13中设置导轨16，并且可伸縮管脚15ffiil合 适的致动器(未示出)的动作在导轨16内滑行。接下来(图4b)，封装材料17 被注入模具13;可伸缩管脚15保持管芯焊盘5于适当位置来确保封装2的背面 的封装材料17的规格需要的厚度。接下来(附图4c)， 一旦成型腔12被封装材 料M填充后，在它聚合之前，可伸縮管脚15缩回并离开管芯焊盘5 (如附图 4c中的箭头所示，使它们再次在导轨16中滑行)。然后增大封装材料17的注入 压力使得它占据可伸缩管脚15留下的空白空间，以及接下来Mil硬化获得封装 所需要的致密性。
这种方法可以形成具有在弓l线框4背面的封装材料17的厚度的良好精确性 的全绝缘封装。但是，由于用于封装2的制造的封装材料17的磨蚀特性(一般 地，包含具有磨蚀性质的无机部分(被称为填料)的环氧树脂)，其具有可伸缩 管脚15和在成型腔12中的相应的导轨的快m损的问题。这方面在产品成本 和因而生产的器件的性能上带来负面影响。
发明内容
因而本发明的一个目的是要提供一种肖巨够克服前述缺点和问题的方法并且 尤其是在获得的封装材料的厚度的控制中实现优良的精度，也具有降低的成本。
根据本发明提供的用于制造半导4機件的方法，包括
-定位框架结构，框架结构在模具的成型腔内被提供有承载半导体材料管 芯的支撑板；并且
-引入封装材料于所述成型腔以形成被设计成封装所述管芯的封装，其特 征在于所述框架结构具有在所述成型腔中与所述支撑板机械耦合并从所述成型 鹏申出的延伸元件，此外还包括
-在所述延伸元件辅助下控制在所述成型腔内的所述支撑板的定位；以及
-在引入封装材料的所述步骤中，从所述支撑板分开并移离所述延伸元件。
根据本发明同时提供一种用于制造半导mi件的系统，包括
-限定成型腔的模具，成型腔设置成容置所述半导 件的被提供有承载 半导体材料管芯的支撑板的框架结构；及
-引入装置，用以将封装材料引入到所述成型腔中以形成封装所述管芯的 封装，
其特征在于所述框架结构进一步被提供有在所述成型腔中与所述支撑板机械耦 合并M^f述成型腔伸出的延伸元件，以及进一步包括
-定位控制单元，配置成在所述延伸元件的帮助下控制在所述成型腔中的 所述支撑板的定位；
-致动单元，配置成在所^^装材料的弓I入期间/A^f述支撑板分开以及移 离所述延伸元件。
为了更好的理解本发明，完全借助非限制性实例并参照附图，现在描述它 的im实施例，其中
-图la是已知类型的封装半导mi件的示意性透视-图lb是图l中器件的截面-图2是已知类型的具有全模塑封装的半导，件的截面图； -图3是已知类型的具有全绝缘封装的半导,件的截面图； 画图4a—4c示出了在相应成型工艺的连续步骤中，己知^M的具有全绝缘 封装的又一半导体器件的截面；
-图5a—5d示出了在用于M成型来制造的相应工艺的连续步骤中，根据
本发明的实施例的封装半导mi件的截面；
-图6是根据本发明的又一实施例的成型系统的简化方块图。
具体实施例方式
图5a涉及根据本发明的实施例的用于半导mi件的成型工艺的初始步骤。 在本图及后续附图中，与前面介绍过的类似部分将用相同的参考数字标记，并 不再详述。尤其是，半导 件1的引线框4被置于成型设备(已知，的，
在此没有详述)的模具13的成型腔12中。弓践框4包括完全置于成型腔12中 的管芯焊盘5，和多个伸出成型腔12的引线6 (附图5a只表示了其中之一)。 方便地，管芯焊盘5和引线6具有相同的厚度，如几毫米，并且ffiii定形和加 工同一金属材料带形成，所述金属材料如为铜。
弓l线框4进一步包括在成型腔12中与管芯焊盘5耦合并弓I出到相同的成型 腔12的外部的延伸元件20。尤其是，延伸元件20包括置于成型腔12内的连接 部20a，和设置于成型腔12外的柄部(grip portion) 20b。连接部20a与管芯焊 盘5在易断区(易断区22)机械;tK接。在 实施例中，延伸元件20由具有 管芯焊盘5的单i央制成(特别的，从同一金属带开始)，以及易断区22为位于 管芯焊盘5和连接部20a之间的相同金属带的弱化区域。例如，易断区22通过 材料的移除并因而所述金属带的厚度减小的方式获得。
伸出于成型腔12外的柄部20b依需要的方式在成型操作期间实现定位弓战 框4的管芯焊盘5。详细的，完整的连接到从成型腔12引出的引线6的管芯焊 盘5的第一末端和机械连接到也从成型腔12引出的柄部20b的相同的管芯焊盘 5的第二个径向相对端都具有以fflil分别夹紧在引线6和柄部20b的模具13的 上半部13a和下半部13b之间的精确的方式确定的位置。管芯焊盘5因此被正 确和稳定的定位，尤其是它的末端部分关于模具13的成型腔12定中心，以保 证在管芯焊盘5背部获得封装材料的重复和精确的厚度(该厚度通过附图5a中 h表示，并且如箭头所示)。
在接下来的成型工艺的步骤中(附图5b)，封装材料17，这种情况下为环 氧树脂(或其他非导电热固性塑料材料)，在压力下通31注AMil 14注入到成 型腔12中，通道14例如设置在引线6伸出成型腔12的点处。在这一步骤中， 封装材料完全填充成型腔12，然而所述成型腔12絲达到需要的致密度(热固 性步骤还在进行中)。
接下来(附图5c)，机械拉动柄部20b，使它移离成型腔12 (沿箭头所示 方向)，例如釆用恰当的液压致动器的方式(未示出)。这种操作产生易断区22 的断裂，连接部20a从管芯焊盘5的分开，以及在成型腔12内不禾拥封装材料 而形成空白空间23。在本步骤中，延伸元件20并没有完全移出模具13，而只 是横向靠近地移位直到它正确地位于成型腔12的末端为止(换句话说，当连接 部20a完全的离开成型腔12时该移位基本停止)。这时，继续封装材料17的传
递以便填充先前由连接部20a占据的空白空间23，以及然后继续直到达到需要 的致密度为止(聚合化工艺完成)。在这个步骤期间，在成型腔12末端的延伸 元件20的存在可以防止封装材料17从成型腔12的不合需要的外溢。
接下来(图5d)， 一旦用于半导傳^l件1的封装2的成型的工艺完成，延 伸元件20整个移出成型腔12和成型设备。模具13打开，分开上半部13a和下 半部13b以便能够取出现在被封装的并且为后续处理步骤准备的半导皿件1 。
如图6中所示，用于执行前述工艺的成型系统30包括模具13，设计成 接收引线框4和用于它们的利用封装材料17的封装的相应管芯3;致动单元32， 设计鹏成型操作期间与引线框4进行合作，以及特别是用于从管芯焊盘5分 开并移离延伸元件20;引入单元34，设计成在模具13的成型腔12中的封装材 料17的压力下控制引入；以及位置控制单元36，设计成，在初始成型工艺步骤 中，与用于在成型腔12中的管芯焊盘5的定位控制的延伸元件20合作。
所描述的工艺具有多个优点。
尤其是，它实现了在简单和经济的方式(不需其他附加设备)，获得包含仅 仅由一种塑性封装材料制成的全绝缘型封装2的半导体器件1，不具有现有技术 的缺点(并且尤其是不具有与使用可伸缩的凸管脚等相关的缺点，并且关于使 用固定销具有更好的精度)。
所描述的工艺保证了在成型期间弓l线框4精确和可控的定位，并且因而可 以在封装2的背部获得封装材料17的重复和准确的厚度。这样得到的半导皿 件1具有预先设定的和可重复的机械和电学性能，防止了缺陷的增加和性能的 退化。
最后，可以清楚在不超出由所附权利要求限定的本发明的范围盼瞎况下可 以对在此所描述和阐明的进行修改和变化。
特别的，所述工艺能够有利地与要求控制封装材料的厚度的其他类型的封 装一起使用。例如，其可以用在非绝缘封装，或其它需要在化合物封装材料中 的引线框全封装的任何类型的封装(也适合于信号应用，并且不是功率应用) 中。
可以清楚封装2可以采用不同的糊犬，相似的可采用不同数目的引线6 (管 芯3和引线6之间的相同的电连接可以改变)。
此外，延伸元件20的连接部20a可采用不同的方式通过具有易断的相应区
域与管芯焊盘5机械耦合，而不是由具有管芯焊盘的单片制成；，成型方法 在任何情况下保持基本不变。
权利要求
1.一种制作半导体器件(1)的方法，包括-将被提供有用来承载半导体材料管芯(3)的支撑板(5)的框架结构(4)定位于模具(13)的成型腔(12)中；以及-将封装材料(17)引入所述成型腔(12)中以形成被设计成封装所述管芯(3)的封装(2)，-其特征是所述框架结构(4)被提供有在所述成型腔(12)的内部与所述支撑板(5)机械耦合并从所述成型腔(12)出来的延伸元件(20)，以及进一步包括-在所述延伸元件(20)辅助下控制所述成型腔(12)内的所述支撑板(5)的定位；以及-在所述引入封装材料(17)的步骤中，从所述支撑板(5)分开并移离所述延伸元件(20)。
2. 如权利要求1所述的方法，其中所述延伸元件(20)在易断区(22)与 所述支撑板(5)耦合，所述分开步骤包括断^Jlf述易断区(22)。
3. 如权利要求2所述的方法，其中所述延伸元件(20)与所述支撑板(5) 一体形成，以及所述易断区相应于被设置在所述支撑板(5)和所述延伸元件(20) 之间的弱化区(22)。
4. 如权利要求1所述的方法，其中所述的/A^f述支撑板(5)移离所述延伸 元件(20)的步骤包括在所述成型腔(12)中形成不存^EM装材料(17)的空 白空间(23)，所述空白空间与所述支撑平板(5)接触；以及所述引入封装材 料(17)的步骤进一步包括填充所述空白空间(23)。
5. 如权利要求4所述的方法，其中所^^"装材料(17)包括热固性材料， 尤其是环氧树脂；所述引入封装材料(17)的步骤还包括在所述填充所述空白 空间(23)的步骤之后硬化所^M装材料(17)的步骤。
6. 如权利要求1所述的方法，其中所述/A^f述支撑板(5)分开所述延伸元 件(20)的步骤包括从所述延伸元件(20)的设置在所述成型腔(12)夕卜的柄 部(20b)拉动所述延伸元件(20)。
7. 如权利要求1所述的方法，其中所述AAi^述支撑板(5)移离所述延伸元 件(20)的步骤包括将所述延伸元件(20)从所述成型腔(12)取出。
8. 如权利要求7所述的方法，其中所述取出步骤包括{妙万述延伸元件(20) 与所述成型腔(12)的^齐平，以便横向地Sifi所述成型腔(12);进一步 包括，在所述引A^寸装材料(17)步骤后，将所述延伸元件(20) ;A^述模具 (13)完全去除的步骤。
9. 如权利要求1所述的方法，其中所述控制定位步骤包括将所述延伸元件 (20)夹置于所述模具(13)的第一半部(13a)和第二半部(13b)之间。
10. 如权禾腰求9所述的方法，其中所述夹置步骤包括关于所述成型腔(12) 将所述支撑板(5)的一部分定中心。
11. 如权利要求l所述的方法，其中所述管芯(3)与所述支撑板(5)的顶 表面(5a)耦合；以及所述控制定位步骤包括控制在不与所述管芯G)接触的 所述支撑板(5)的底表面(5b)上的所述封装材料(17)的厚度(h)。
12. 如禾又利要求1所述的方法，其中所述半导^l件(1)为功率器件，并 且所述封装(2)为功率封装，其配置i^覆并完全绝缘所述支撑板(5)和所 述管芯(3)。
13. —种制造半导mi件(1)的系统(30)，包括隱限定成型腔(12)的模具(13)，设计成容置所述半导 件(1)的框 架结构(4)，所述框架结构(4)被提供有承载半导体材料管芯(3)的支撑板 (5);以及國引入单元(34)，用于将封装材料(17)引入至所述成型腔(12)中以 形成被设计^^t装所述管芯(3)的封装(2)，其特征是，所述框架结构(4)还被提供有在所i^成型腔(12)内部与所述 支撑板(5)机械耦合并从所述成型腔(12)出来的延伸元件(20)，以及进一 步包括-控制定位单元(36)，配置成在所述延伸元件(20)的辅助下控制所述 成型腔(12)内的所述支撑板(5)的定位；以及-致动单元(32) ， Sfigj^所^^寸装t才料(17)的引入期间将所述延伸 元件(20)从所述支撑板(5)分开并移离。
14.如权利要求13所述的系统，其中所述延伸元件(20)与所述支撑板(5) 在易断区(22)处耦合，所述致动单元(32)配置成使所述易断区(22)断裂。
15. 如权利要求14所述的系统，其中所述延伸元件(20)与所述支撑板(5) 一体形成，以及所述易断区相应于被设置在所述支撑板(5)和所述延伸元件(20) 之间的弱化区(22)。
16. 如权利要求13所述的系统，其中所繊动单元(32)进一步配置鹏 所述成型腔(12)中形成没有所^^"装材料(17)、与所述支撑板(5)接触的 空白空间(23);以及所述引入单元(34)进一步配置成用所述封装材料(17) 填充所述空白空间(23)。
17. 如权利要求16所述的系统，其中所^^t装材料(17)包括热固性材料， 尤其是环氧树脂，以及所述引入单元(34)配置成在填充所述空白空间(23) 后硬化所翻装材料(17)。
18. 如权利要求13所述的系统，其中所繊动单元(32)进一步配置成通 过设置在所述成型腔(12)外部的延伸元件(20)的柄部(20b)拉动所述延伸 元件(20)。
19. 如权利要求13所述的系统，其中所職动单元(32)进一步配置劇各 所述延伸元件(20)从所述成型腔(12)取出。
20. 如权利要求13所述的系统，其中所繊动单元(32)进一步配置成使 所述延伸元件(20)与所述成型腔(12)的一个末端齐平，以便横向地靠近所 述成型腔(12)，以及，在引入所i^^装材料(17)后，将所述延伸元件(20) 完全,A^述模具(13)去除。
21. 如权利要求13所述的系统，其中所述模具(13)包括第一半部(13a) 和第二半部(13b)，以及所述定位控制单元(36)配置劍各所述延伸元件(20) 夹置于所述模具(13)的第一半部(13a)和第二半部(13b)之间，特别是以 便关于所述成型腔(12)将所述支撑板(5)的一部分定中心。
22. 如权禾腰求13所述的系统，其中所述管芯(3)与所述支撑板(5)的 顶表面(5a)耦合，以及所述控制定位单元(36)进一步配置成控制在不与所 述管芯(3)接触的戶万述支撑板(5)的底表面(5b)上的所述封装材料(17) 的厚度(h)。
23. 如权利要求13所述的系统，其中所述半导4機件(1)为功率器件，以 及所述封装(2)为功率封装，其配置，覆并完全绝缘所述支撑板(5)和所 述管芯(3)。
全文摘要
本发明涉及用来制作封装半导体器件的方法和系统。一种用于制作半导体器件(1)的方法，包括以下步骤将框架结构(4)定位于模具(13)的成型腔(12)中，所述框架结构被提供有承载半导体材料管芯(3)的支撑板(5)；以及在成型腔(12)中引入封装材料(17)以形成被设计成封装管芯(3)的封装(2)。框架结构(4)进一步被提供有在成型腔(12)的内部与支撑板(5)机械耦合并从成型腔出来的延伸元件(20)，并且该方法进一步包括以下步骤在延伸元件(20)的辅助下控制成型腔(12)内的支撑板(5)的定位；以及在引入封装材料(17)的步骤中，从支撑板(5)分开并移离延伸元件(20)。
文档编号H01L23/495GK101350319SQ200810161130
公开日2009年1月21日 申请日期2008年7月4日 优先权日2007年7月5日
发明者A·米诺蒂 申请人:意法半导体股份有限公司