三重堆叠半导体封装的制作方法

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三重堆叠半导体封装的制造方法与工艺

本发明涉及包括衬底和堆叠功率器件的多芯片模块(MCM)半导体封装和相关装配方法。



背景技术:

对半导体设备更低成本、更高性能、提高的微型化和更大封装密度的需求促使了MCM封装结构产生。MCM封装包括安装在单独的半导体封装内的两个或更多管芯和可选择的其他半导体组件。多个管芯和其他组件能够以纵向的方式、横向的方式或纵向与横向组合的方式安装。

一些MCM封装是包括功率金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET,在下文中“功率FET”)的MCM功率封装,有时在同一封装中还包括控制器管芯。用于MCM功率封装的一种已知的解决方案包括堆叠方形扁平无引脚(QFN)模块和至少第一金属夹(clip),QFN模块其上具有带有第一功率FET的底部QFN引线框,第一金属夹上具有第二功率FET,其中一个或更多个金属夹在装配过程中从卷盘(reel)提供。在装配过程中,使用专门的拾取和放置机器将所有的一个或更多个夹附接和堆叠在底部引线框的顶部上,这涉及在对每个MCM功率封装一次一个地附接夹之前从其卷盘切断铜夹。



技术实现要素:

公开的实施例确认了一种用于形成具有金属夹的堆叠多芯片模块(MCM)功率封装的传统装配过程,其涉及通常需要处理以卷盘形式保持的单个金属夹的专门的拾取和放置装配设备。确认了一次一个地附接金属夹导致了低效率,其体现在低的每小时产量/单位(UPH)生产率。此外,通过拾取和放置附接金属夹能够导致回流工艺中的夹不对准和各种夹处理问题。

公开的实施例包括用于形成堆叠MCM功率封装的三重叠堆装配方法,该方法在向下设置(downset)引线框(LF)板上的向下设置第一夹板上堆叠第二夹板。第二夹板、第一夹板和LF板通常均包括在它们的轨道(长侧轨道和/或侧轨道)中的至少一个中的对准孔。第二夹板、第一夹板和LF板通常通过适当的夹具设备,使用用于互相对准的对准孔紧密配合在一起。第一夹板和LF板可以足够薄至可压缩,以使其在压缩成型过程中的弯曲可以为至少~0.025mm,以确保通常在由封装底面上的QFN封装提供的暴露的管芯附接焊盘(DAP)处基本没有模渗出,这提供了在其典型的端应用中的带有紧密配合电路板表面的更直接的热界面。

附图说明

根据示例实施例,图1为用于形成堆叠MCM功率封装的示例三重叠堆装配方法的流程图。

根据示例实施例,图2A为底部LF板的特写详细透视图,该底部LF板具有包括带有低压侧(LS)场效应晶体管(FET)的互连的LF的完整向下设置,被示出附接在互连的LF的第一管芯附接区域上,而图2B为远观透视图。

根据示例实施例,图3A为具有包括互连的夹的完整向下设置的向下设置第一夹板的特写详细透视图,以及图3B描绘了向下设置第一夹板在其上具有LS FET的底部LF板上的紧密配合。

根据示例实施例,图4A为LS FET之上的向下设置第一夹板的夹上的中介层(interposer)的特写详细透视图,而图4B为远观透视图。

根据示例实施例,图5A为附接到向下设置第一夹板的夹上的中介层上的HS FET的特写详细透视图,而图5B为远观透视图。

根据示例实施例,图6A为与第一夹板和底部LF板紧密配合的第二夹板的特写详细透视图,而图6B描绘了第二夹板和向下设置第一夹板的紧密配合。

图6C为金属环氧树脂或焊膏的剖面图,该金属环氧基树脂或焊膏被施加于如图所示的区域,以提供在第二夹板上的相应夹到底部LF之间的电接触和在向下设置第一夹板上的相应夹到底部LF之间的电接触,以使它们各自粘接在一起并形成电连接路径。

根据示例实施例,图7A描绘了附接到底部LF板的LF的第二管芯附接区域的控制器管芯的特写详细透视图,而图7B是远观透视图,以及图7C是在底部LF上的第一夹上装配第二夹的剖面图。

根据示例实施例,图8A描绘了成型后的MCM单元侧视图,而图8B描绘了成型过程中底部LF和第一夹底部对模具型腔的弹簧作用。

根据示例实施例,图9A描绘了封装锯切之后的示例完整切单的(singulated)MCM功率封装的俯视图,以及图9B描绘了该封装的底部透视图。

具体实施方式

在本公开中,阐明的行为或事件可以以不同的次序和/或与其他行为或事件同时发生。一些阐明的行为或事件对于根据本公开实施方法可以是不必要的。

根据示例实施例,图1为用于形成堆叠MCM功率封装的示例三重叠堆装配方法100的流程图。该封装能够包括多种封装类型,包括但不限于方形扁平无引脚(QFN),双边扁平无引脚(DFN),小外形集成电路(SOIC),双列直插式封装(DIP),晶体管外形(TO),薄的缩小型封装(TSSOP)和小型晶体管(SOT)。公开的半导体封装的晶体管通常是纵向晶体管管芯(芯片),其能够依据特定的产品电连接需求被装配成正面朝上或正面朝下。

步骤101包括提供包括互连的向下设置LF的底部LF板,每个互连的向下设置LF包括至少第一管芯附接区域,并且典型地还包括第二管芯附接区域,以及多个端子。本说明中,LF或夹的“向下设置”指的是夹或LF的主要部分与夹或LF的引线部分之间的垂直距离。步骤102包括将切单的LS晶体管附接到相应的第一管芯附接区域。通常可以使用任何合适的管芯附接材料。

步骤103包括在底部LF板上放置包括向下设置并互连以接触LS晶体管的第一夹的第一夹板。通常提供焊料以形成夹与LS晶体管的接合焊盘之间的接触,并且尽管未明确公开,焊料通常在其它夹与晶体管触点之间,如下所述。

步骤104包括在LS晶体管之上的第一夹中的每个上附接切单的介电中介层。步骤105包括在中介层上附接切单的HS晶体管。步骤106包括使包括第二夹的第二夹板紧密配合以互连至HS晶体管,这包括使第二夹板,第一夹板和底部LF板紧密配合在一起。可选地,在步骤107后可以将控制器管芯附接到底部LF上的第二管芯区域。然后可以将控制器管芯丝焊到底部LF上的端子。在示例电路配置中:HS和LS晶体管均为金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET),其在VDD和GND之间串联堆叠;控制器被耦合从而为HS MOSFET晶体管和LS MOSFET晶体管的栅极提供栅极偏压;并且电路的输出在HS晶体管和LS晶体管之间的共同节点取得。

根据示例实施例,图2A为具有包括互连的底部LF 205的完整向下设置的底部LF板200的特写详细透视图,每个互连的底部LF 205带有附接在互连的LF的第一管芯附接区域205a上的LS FET 210,而图2B是其远观透视图。示出了向下设置凸片(tab)215和对准孔218。确认了完整的板向下设置,以提供更简单的装配过程、更好的平面化控制和更简单的装配加工。

尽管并未示出,可选择的金属(例如铜)块可设于LS FET 210下方。更普遍地,所公开的实施例的纵向晶体管能够包括双极型晶体管,其包括晶闸管(一对紧密耦合的双极结晶体管,也称为可控硅整流器),结型栅场效应晶体管(JFET),和各种纵向MOSFET,其包括双扩散金属氧化物半导体(DMOS)、高电子迁移率晶体管(HEMT,诸如GaN HEMT)和绝缘栅双极型晶体管(IGBT)。在FET的情况下,FET能够包括p沟道FET或n沟道FET。

图3A为具有包括互连的第一夹305(其带有示为315的向下设置凸片)的完整向下设置的向下设置第一夹板300的特写详细透视图。根据示例实施例,图3B描绘了向下设置第一夹板在其上具有LS FET的底部LF板上的紧密配合。图3B中所示的对准孔218用于紧密配合过程中的对准。金属夹板能够包括铜(或其他合适的金属)以提供高电导率和低热阻。夹板中的单元更坚硬,因为相比于传统的单个的铜夹(其被确认为易碎的,且在被附接到LF和管芯之后易于来回移动和旋转),它们连接在一起。底部LF板200和第一夹板300通常向下设置到与这里限定为至少2mil不同的不同长度,以便适应不同的芯片和封装厚度,诸如对于通常能够以范围从8mil(=203.2μm)到20mil(=508μm)的管芯厚度。

根据示例实施例,图4A为LS FET之上的向下设置第一夹板的第一夹305上的中介层410的特写详细透视图,而图4B为远观透视图。根据示例实施例,图5A为附接到向下设置第一夹板300的第一夹305上的中介层410上的HS FET 510的特写详细透视图,而图5B为远观透视图。

根据示例实施例,图6A是具有第二夹605的第二夹板600的特写详细透视图,该第二夹板600在中介层410上的HS FET 510之上紧密配合第一夹板300,并且紧密配合带有所示的其第二管芯附接区域205b的底部LF板200,而图6B描绘了第二夹板600与向下设置第一夹板300的紧密配合。该板对板的装配和紧密配合过程改进了产量并降低了过程复杂性。相比于切单的单元装配过程,提供了更紧密的装配作为LF板200,并且相应的夹板300和600紧密配合在一起。

LF板到夹板的紧密配合通常使用夹具执行。夹具通常由诸如铝、不锈钢或塑料纤维的材料制成。夹具被设计为稍大尺寸的矩形外形以匹配LF板和夹板。在夹具的外围的较长侧上有销针的凸起。如上所述,LF板和夹板侧轨道包括:通常在LF的较长侧上的对准孔218;以及基本在相同位置(在制造公差之内)的夹板,以便能够使用光学方法,并且以便将LF和夹板相互对准,使得销针将穿过对准孔218插入堆叠夹和LF中。

因此,为紧密配合LF板200与夹板300和600,通过使销针与LF上的对准孔218对准并引导销针穿过LF的对准孔,将LF板200与夹板300和600放置在夹具上。在紧密配合过程的最后,底部LF 200与第一夹板300和第二夹板600均被放置在夹具上,其中销针平行且相互对准地穿过引线框的所有对准孔218。

图6C为金属(例如银)环氧树脂或焊膏618的剖面图,该金属环氧基树脂或焊膏618被施加于如图所示的区域,以提供在第二夹板600上的相应夹到底部LF板200之间的接触和在向下设置第一夹板300上的相应夹到底部LF板200之间的接触,以使它们各自粘接在一起并形成电连接路径。如上所述,尽管不一定示出,焊料通常在夹接触部分和半导体管芯之间。

图7A描绘了附接到底部LF板200的LF 205的第二管芯附接区域205b的控制器管芯710的特写详细透视图,而图7B是远观透视图。控制器管芯710上的接合焊盘的丝焊大体如下。根据示例实施例,图7C是在底部LF板200的底部LF 205上的第一夹板300的第一夹上装配第二夹板600的第二夹的剖面图。

图8A描绘了成型后的MCM单元800的侧视图,包括在底部LF 205上的第一夹305上的第二夹605。模具示为808。可压缩的向下设置DAP防止模子溢料并确保叠堆起的每层之间的良好连接。所示的底部LF 205的暴露的焊盘是TDFN和QFN封装的标准部分,其通常总是具有暴露的焊盘以用于增大封装的最大功率耗散率。底部LF 205的材料可以是铜合金,诸如A194,EFTEC或者C7025,具有从0.15mm至0.4mm的典型厚度。夹的材料能够与LF的材料相同,诸如铜或者铜合金。

根据示例实施例,图8B描绘了在成型过程中由于底部LF 205和第一夹305的向下设置对底部模具型腔820的弹簧作用。双向下设置区域815作用类似弹簧。当底部模具型腔820关闭时,其挤压底部LF 205,并且双向下设置区域815的作用类似弹簧,以确保没有模塑化合物滑流至底部模具型腔820与底部LF 205之间,从而防止模子溢料。弯曲量可以为从0.025mm至0.075mm,但是公开的实施例不限于依赖特定应用这一范围内的这些值。

根据示例实施例,图9A描绘了封装锯切之后完整切单的MCM功率封装900的俯视图,以及图9B描绘了该封装900的底部透视图。模具示为808。

公开的实施例的优点包括公开的三重LF/夹板堆叠概念的明显更简单的装配过程。通常只需要已知的工具和机器。提供了能够经受处理问题的坚硬且更坚固的装配。由于更少的拾取和放置处理,可以实现更快的装配过程和更高的每小时产量/单位(UPH)。其他优点包括:填充有相同标准LF和夹大小的所有单元和夹的通常更简单的设计;以及每条中所有单元内良好的夹定位,因为在设计的过程中执行了所有的对准以提供能够实现一个或更多个LF和夹板紧密配合过程的对准孔。通过上述的可压缩板设计,还能够提供良好的堆叠连接。

公开的实施例能够与各种装配流程整合以形成各种不同的封装半导体集成电路(IC)装置和相关产品。可以使用各种封装基板,半导体管芯可以包括其中的不同元件和/或其上的层,这包括阻挡层、介电层、装置结构、有源元件和无源元件(包括源极区、漏极区、位线、基极、发射极、集电极、导线和导电通孔)。此外,半导体管芯能够通过各种过程形成,包括双极型晶体管、绝缘栅双极型晶体管(IGBT)、CMOS、BiCMOS和MEMS。

在权利要求的范围内,所述的实施例中修改是可能的,并且其他的实施例是可能的。

再多了解一些
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