具有分布式功能系杆的组合夹子的制作方法

本发明总体上涉及半导体器件和工艺，并且更具体地涉及在晶片级半导体器件制造工艺中使用的组合夹子的结构。

背景技术：

半导体器件(诸如电源系统和DC/DC转换器)的性能在一定程度上取决于寄生电阻和电感的大小。为了减小这些寄生参数的值，许多半导体器件已经使用通过使用厚金属夹连接的细接合线代替了它们的传统连接，因为薄且长的接合线(由于它们的长度和电阻)将显著的寄生阻抗和电感引入到电源电路，而金属夹仅提供低的寄生阻抗和电感。例如，在最近引入的半导体电源系统中，夹子替代了许多连接线。为了它们的功能，夹子被制成为宽且厚的金属件，通常成形为具有成角度脊的平坦连接器。由于其低电阻和高导热性，夹子显著降低了寄生电感，但提供增强的散热。

为了简化半导体电源系统的组装工艺并保持低制造成本，夹子的应用有利地作为晶片级制造流程中的批处理来执行。参考批处理，适合于该处理的夹子通常称为组合夹子。对于可用生产的批处理，以由外框架保持在一起的阵列形式提供夹子。在该框架内，阵列的每个夹子被定位在系杆的离散矩形内，通过到轨道的系杆保持在精确位置中。每个夹子与最近的相邻夹子共享其连接轨道。外框架内的成阵列的夹子的网络由单片金属制成。因为夹子通过系杆在其相应的连接轨道矩形内紧固，所以夹子可以在构造系统(system-under-construction)的组装流程中被精确地组装到半导体芯片。在包装工艺之后，通过锯切将轨道移除。

例如，传统电源系统(诸如DC/DC转换器)的制造可以在以下组装步骤中以广义和近似的方式进行。首先，引线框架由金属片冲压或蚀刻。引线框架单元按规则的行和列排列。每个引线框架单元具有焊盘和多个引脚，其通过以矩形布置的连接轨道保持就位。相邻单元共享连接轨道，其将在包装工艺之后通过锯切移除。每个焊盘用作垂直堆叠的电源系统的基础，包括两个半导体FET(MOS场效应晶体管)芯片和两个连接夹。

金属夹通常成形为包括：用于接触FET端子的平坦区域；以及在与平坦区域成一定角度处的用于到达接触焊盘或引线框架引线的脊。在如图1所示的电源系统的示例中，两个FET 101和102的垂直堆叠需要两种不同形状的夹子。底部(第一)夹子被指定为110，并且顶部(第二)夹子被指定为120。每个形状的夹子被冲压为来自金属片的组合夹子，因此夹子110和120被排列成规则的行和列。每个夹子分别通过系杆111和121保持就位，该系杆111和121分别紧固到连接轨道112和122的离散矩形。这些连接轨道具有将夹子保持在精确的局部固定位置的功能。第一夹子110的连接轨道112和第二夹子120的连接轨道122具有与引线框架130的连接轨道132相同的几何尺寸。

在图2中示出了用于顶部夹子120的夹子阵列的示例。每个夹子120由在x方向中的连接轨道122a以及在垂直于122a的y方向中的连接轨道122b制成的矩形稳定框架围绕。夹子120通过系杆121a(系杆122a的x方向)和系杆121b(系杆122b的y方向)保持就位并相对于稳定框架稳定。类似的几何布局适用于底部夹子110，因此底部夹子110的系杆112a和112b以及顶部夹子120的系杆122a和122b具有匹配的几何尺寸。而且，两个连接轨道与引线框架130的连接轨道132相匹配。

参考图1，为了在每个基板上组装电源系统，第一FET芯片101附接到阵列片的引线框架的焊盘131。同样，可以将集成的电路驱动器和控制芯片103附接到与第一FET芯片101相邻的每个焊盘。然后，对准具有第一组合夹子的片材，以便将第一夹子110的平坦区域垂直地附接到第一FET芯片，以及将第一夹子110的脊110a附接到相应的衬底引脚。第一夹子的连接轨道112a和112b与衬底的连接轨道精确对准。

接下来，第二FET芯片102垂直地附接到第一夹子110。具有第二组合夹子的片材被对准，以便将第二夹子120的平坦区域垂直地附接到第二FET芯片，以及将第二夹子120的脊120a连接到相应的衬底引脚。第二夹子的连接轨道122a和122b与底部夹子的连接轨道和衬底的连接轨道精确对准。图1示出了第一(底部)夹子的连接轨道112a、112b，第二(顶部)夹子的连接轨道122a、122b以及引线框架的连接轨道132的对准。图3示出了完成的组件的X射线侧视图，揭示了堆叠和对准的金属连接轨道112a、122a和132。这些连接轨道的所有三个在单片化工艺(singulation process)期间必须被切割。

在下一个工艺步骤中，将FET芯片和夹子的垂直堆叠阵列封装在封装材料160诸如模制化合物中。由于市场压力要求关于尺寸和厚度的小型化的产品轮廓，因此，在第二夹子的顶部上方的包装材料的厚度161及其系杆和连接轨道必须保持较薄。

为了将组装的阵列分割成分立的封装系统，应用旋转锯140和141来切割经过塑料封装化合物并且沿着衬底、第一夹子和第二夹子的三个对准的连接轨道的层级。单片化步骤在图1的示例中通过锯和它们的切割方向指示。切口的方向由箭头150和151指示。锯切步骤产生系统的封装侧壁。

图4中显示了由锯140的锯切工艺产生的封装系统的侧壁的视图。该视图揭示了通过封装材料160和三层级切割连接轨道的横截面，其中锯在单片化操作期间必须切断。顶部切口属于系杆121b，其将夹子120连接到现在移除的连接轨道122a。在中间的切口属于系杆111b，其将夹子110连接到现在移除的连接轨道112a。底部切口属于引线框架130的一些引线和系杆131b，其将引线和焊盘131连接到现在移除的引线框架轨道132。

技术实现要素：

在所描述的示例中，组合夹子具有单向合并以形成细长的夹子链的系杆的相应端部。链彼此平行地排列，在相邻链之间没有系杆。链具有在两端部处系到垂直于链的轨道的链端部，以形成具有作为稳定框架的轨道的夹子的矩阵。至少一个组合夹子具有平坦区域、脊和从平坦区域延伸的系杆。系杆的端部部分在共同的方向中对准。

附图说明

图1(现有技术)示出了具有两层垂直堆叠的组合夹子的传统电源系统的条带；在每层级内，夹子通过系杆在x和y方向中稳定到连接轨道；通过对准连接轨道来垂直对准连接轨道的层级。

图2(现有技术)示出了示例性夹子阵列的俯视图。

图3(现有技术)示出了用于电源系统中的夹子的传统堆叠和对准的连接轨道的侧视图。

图4(现有技术)示出了在单片化的切割工艺之后的传统封装侧壁的视图。

图5示出了被设计为在没有y方向系杆的x方向行中的组合夹子的夹子的透视图。

图6示出了图5的夹子的侧视图。

图7描绘了在y方向中具有稳定框架的x方向的行中的组合夹子的条带的俯视图。

图8示出了示例性垂直堆叠的电源系统的条带的透视图，其由具有仅在x方向中的系杆的组合夹子构造。

图9示出了用于电源系统的引线框架条带的俯视图，其具有垂直对齐的平行的第一组合夹子行，第一夹子仅在x方向中具有系杆。

图10示出了用于电源系统的引线框架条带的俯视图，其具有垂直对准的平行的第一和第二组合夹子行，第一和第二夹子仅在x方向中具有系杆。

图11示出仅具有用于系统中使用的引线框架的连接轨道的堆叠式电源系统的侧视图。

图12示出了在单片化锯切工艺之后的封装侧壁的视图，示出了仅用于系统中使用的引线框架的切割系杆。

具体实施方式

垂直组装在金属引线框架上的电源系统的锯切操作已导致封装系统的显著产量损失。产量损失的失败分析揭示出，封装化合物的碎裂和底层金属的暴露是主要原因。发现碎裂出的封装化合物的来源主要来自搁置在系统的顶部夹子的顶部上的模制材料的薄层。在图4中指示了碎裂的封装材料162的位置的一些示例。

封装碎裂的根本原因是第一夹子的连接轨道112a、112b，第二夹子的连接轨道122a、122b与引线框架的轨道132之间的统计学上干扰的对准。干扰进而由传递模制工艺期间的金属扫掠引起。模制化合物进入模腔的进程影响系杆的对准。作为扰动对准的结果，单片化步骤的旋转锯必须切割经过稍微不对准的连接轨道，从而碎裂出封装化合物。

通过一种方法来解决对准和碎裂问题，以通过完全消除连接轨道并且在现在不同地耦接的系杆和临时主框架之间分配传统连接轨道的功能来避免任何对准偏移，该临时主框架在单片化步骤期间移除。

在新的布置中，夹子仍然具有平坦区域和成角度的脊，并且阵列由单片金属冲压。作为组合夹子，夹子对准成行，彼此平行延伸。沿着行，夹子通过基本上在行的线路中取向的系杆彼此耦接。然而，相邻的行不通过系杆连接，从而消除了任何系杆。相反，通过将每个行端部耦接到主框架来确保行的稳定性，所述主框架垂直于行延伸并且不会并入包装材料中。因此，其可以容易地在单片化工艺中被修整。因此，单片化步骤的旋转锯不具有待切割的连接轨道，简化了单片化工艺。锯只切割经过封装材料，直到它们切割经过引线框架系杆。技术优点是不存在碎裂出的封装材料件。

另一个技术优点是，夹子金属片的新设计减少了锯刀片的磨损和撕裂，因为锯要切割的金属更少。同样，因为可以提高锯切操作的速度，所以可以减少单片化步骤的时间。

图5示出了总体表示为500的示例金属夹，其被设计为组合夹子，而不需要连接轨道的稳定框架。为了本描述的目的，术语夹子和组合夹子是指功率晶体管模块的预先形成的导电互连，其在功率晶体管从包含功率晶体管的其它单元的半导体晶片分离之后附接到功率晶体管。夹子可以作为一片式部件提供，而组合夹子通常作为通过连接杆保持在一起的网络单元提供，其将在单片化时被修整。如本文进一步实施的，术语连接轨道被应用于金属连接，其(诸如通过锯切)在单片化工艺中被去除，而术语系杆被应用于金属连接，其可以在单片化工艺中被切断但是占优势(prevail)。

夹子500的优选金属是厚度范围为约0.1mm至0.3mm，更优选约0.125mm或0.25mm的铜。已知铜具有高的导电率和热导率，适用于半导体器件，并且特别是功率晶体管。替代金属包括铝和铁-镍合金。夹子500的至少一个表面，且优选两个表面具有可焊接的冶金制品。优选的技术包括沉积锡层或镍、钯和(对于一些器件)金的连续顺序层。

如图5所示，示例性夹子500包括细长的平坦区域510和脊510a。平坦区域510的尺寸设定为接触MOS FET(场效应晶体管)的端子。脊510a不在区域510的平面中延续，而是相对于区域510以一定角度延续。该角度设计成建立与衬底的端子的接触，诸如与引线框架的引线接触，该引线框架的引线用作用于垂直堆叠的半导体电源系统的衬底。在图5的示例中，角度由通过外力的平滑弯曲产生。在其它夹子中，角度由通过蚀刻产生的突然步骤中的偏移产生。图6的侧视图描绘了脊510a远离平面区域510的强弯曲。

图5示出了示例夹子500具有从平坦区域510延伸的系杆530。示例夹子500具有四个系杆530。其它实施例可在细长区域510的每一端部具有至少一个系杆。系杆被设计成使得在短部分530a之后，所有系杆530的端部部分530b在共同的方向(本文称为x方向)中对准。优选地，端部部分彼此平行。在所示的优选实施例中，系杆处于与平坦区域510相同的平面中。图6示出了在平坦区域510的平面中系杆部分530b的这种延续。然而，在其它实施例中，系杆可以从平坦区域的平面偏移。

参考图7，其示出了夹子500优选地以条带形式使用，因为优选地夹子从单片金属冲压或蚀刻以获得它们的轮廓和形状。在图7的示例中，矩阵700被示为具有多行(或链)701的组合夹子。图7描绘了三个链701。然而，矩阵可以包括更多的链。夹子的链在x方向中线性排列并且优选地平行，每个链包括多个夹子。在图7中，链701示出了更大的多个链中的三个夹子。链中的夹子被对准，使得系杆的相应端部部分530b在单个方向(x方向)中合并以形成细长的系杆730，并因此形成细长的夹子的链。应当注意，链没有交联的系杆，即在y方向中的系杆，其将一个链与相邻的链连接。

如上所述，多个链701优选地在x方向中彼此平行地排列，并且在相邻链之间的y方向中没有系杆。此外，多个链端部730a系到垂直于链701的轨道740。轨道740在y方向中。以这种方式，夹子的矩阵700包括作为稳定框架的轨道740。框架已经被冲压并形成有来自单片金属(诸如铜、铝或银)的夹子的矩阵。因此，框架用作主框架，以确保在半导体系统的组装期间每个夹子的必要的稳定性和精度。在组装步骤期间完成其稳定作业之后，在单片化步骤期间移除主框架的轨道740。

通过考虑实施例，简化解决方案的技术优点变得明显，其中如图7中所示的组合夹子的示例矩阵应用于制造诸如转换器或调节器的电子器件条带，尤其是诸如DC/DC转换器的半导体电源系统。用于实现这些功能的有源电子组件可以多样化为MOS场效应晶体管(MOSFET)，基于GaN、GaAs和其它III-V和II-IV材料的晶体管、SiC和双极晶体管。图8中示出了垂直堆叠和封装的转换器的示例系统的所得条带800。通过锯切最终将条带单片化成分立系统。

为了清楚起见，在透明材料的包装860中示出的转换器的示例条带800被构造在包括多个分立单元的衬底的条带上。衬底条带可以是金属引线框架条带或使用带的堆叠条带。每个衬底具有用于组装(优选地通过焊接)半导体芯片或芯片堆叠的焊盘。每个衬底还具有多个端子，诸如金属引线和金属接触焊盘。在图8的示例实施例中，衬底是引线框架。通过图8的透明包装可见，每个单元的引线框架830适用于四方扁平无引线(QFN)和小外形无引线(SON)型模块。引线837可以近似均匀地分布在引线框架的一个或多个侧面上。在图8的示例器件中，引线837位于焊盘831的两侧上，使得其它焊盘侧没有引线。

引线框架优选地由铜或铜合金制成，但是替代金属选择包括铝、铁-镍合金和Kovar^TM。可以制备引线框架的两个表面以便于焊料附接，诸如通过镀锡层或通过镍、钯和金的顺序镀覆层。同样，至少一个表面可以具有沉积的金属层，以诸如通过镀银层来提高导热性。图8中所示的示例实施例的引线框架金属的优选厚度是0.2mm，但是其它实施例可以使用更薄或更厚(例如，0.3mm)的引线框架金属。从低成本和批处理的观点来看，优选从片状金属开始，并且优选为冲压或蚀刻引线框架以作为由连接轨道832的矩形框架互连的单元的条带。相邻单元共享连接轨道。在包装工艺之后通过修整连接轨道832(优选地通过锯切)来单片化单元，其产生转换器的封装。在切口切断引线837和轨道832之间的金属连接的情况下，切口将在由单片化工艺产生的封装侧壁处可见。

在图8中，每个焊盘用作垂直堆叠的电源系统的基础，包括两个半导体FET(MOS场效应晶体管)芯片和两个连接夹子。为了简化半导体电源系统的组装过程并保持低制造成本，夹子在晶片级制造流程中作为批处理应用。夹子在x方向中被设置为平行的行，其中平行的行通过主框架740稳定，如图7中所讨论的。具有阵列夹子栅格的主框架由单片金属制造(通过冲压或蚀刻)。一行的夹子通过系杆紧固到相邻的夹子。然而，在y方向中没有到平行链的夹子的交叉连接。夹子具有精确、稳定的位置，使得夹子可以在构造系统的组装流程期间被精确地组装到半导体芯片。

在转换器的组装流程中，第一FET芯片801的端子被附接到引线框架阵列的相应焊盘831。同样，可以将集成电路驱动器和控制芯片803附接到与第一FET芯片801相邻的每个焊盘。然后，对准具有第一组合夹子的片材，以便将第一夹具的平坦区域810垂直地附接到第一FET芯片101的相对端子，以及将第一夹子的脊810a附接到衬底引脚。如结合图5所述，金属夹子一般成形为包括用于接触FET端子的平坦区域以及与平坦区域成一定角度的用于接触焊盘或衬底引线的脊。

如图所示，图9描绘了引线框架位置上方的第一夹子(第一FET芯片未示出)。应当注意，夹子链的互连的夹子区域810与相应的引线框架焊盘对准，并且系杆811的位置不与引线框架连接轨道832对准。第一夹子的脊810a附接到相应的引线框架的引线。作为组合夹子，第一夹子在x方向中成行地对准并且彼此平行地延伸。沿着行，夹子通过基本上在行的线路中取向的系杆811彼此耦接。然而，相邻的行不通过系杆连接，从而消除了用于第一夹子的任何连接轨道。相反，通过将每个行端部耦接到主框架来确保行的稳定性，主框架垂直于行延伸并且不会被并入在包装材料中(参见图7)。因此，其可以容易地在单片化工艺中被修整。

在图8的实施例的继续组装流程中，第二FET芯片802然后通过端子垂直地附接到第一夹子的平坦区域810。然后，对准具有第二组合夹子的片材，以便将第二夹子的平坦区域820垂直地附接到第二FET芯片802的相对端子，并且将第二夹子的脊820a附接到衬底引脚。在图8中的电源系统的示例实施例中，两个不同FET芯片801和802的垂直堆叠需要两种不同形状的夹子。如图所示，图10描绘了在第一夹子和引线框架位置上的第二夹子(第一和第二FET芯片未示出)。应当注意，第二夹子链的互连夹子区域820与相应的第一夹子区域810(和引线框架焊盘)对准，并且系杆821的位置不与引线框架连接轨道832对准。第二夹子的脊820a附接到引线框架的相应引线。作为组合夹子，第二夹子在x方向中成行对准，它们彼此平行延伸。沿着行，夹子通过基本上在行的线路(x方向)中取向的系杆821彼此耦接。然而，相邻的行不通过系杆在y方向中连接，从而消除了用于第二夹子的任何连接轨道。相反，通过将每个行端部耦合到主框架来确保行的稳定性，主框架垂直于行延伸并且不并入包装材料中(参见图7)。因此，其可以容易地在单片化工艺中被修整。

图11示出了组装的芯片和夹子的堆叠的假想的x射线视图。该视图可以在x方向或y方向中取得。在任一情况下，仅存在衬底(引线框架)的连接轨道，在单片化工艺期间将必须切割该连接轨道，因为夹子不具有连接轨道。

在下一个工艺步骤中，FET芯片和夹子的垂直堆叠的阵列被包装在诸如模制化合物的封装材料860中。由于市场压力在尺寸和厚度方面要求小型化产品，因此第二夹子的顶部上方的包装材料的厚度861可以保持为与技术允许的一样薄。

为了将图8的具有组装的转换器阵列的条带单片化为分立的封装系统，应用旋转锯840沿着衬底连接轨道的方向切割经过塑料封装化合物并经过衬底(引线框架)的连接轨道832。这些切口的方向在图8的示例中由箭头850和851指示。

由锯切工艺产生的封装系统的侧壁的视图显示在图12中。该视图揭示了经过封装材料860和引线837的切割系杆837a的横截面，其中锯在单片化操作中在去除引线框架连接轨道832期间必须切割为单个系杆。因此，图12(显示根据示例实施例的转换器)与图4(显示传统转换器)的比较示出了在封装材料860的顶表面附近不存在金属部件。因此，单片化操作不必克服未对准的系杆，并且不会在切割金属和薄塑料材料之间引起任何应力，这些是传统生产中塑料碎裂和不期望的暴露金属的原因。

示例实施例适用于场效应晶体管，并且还适用于功率晶体管、双极晶体管、绝缘栅极晶体管、晶闸管等。作为另一个示例，可以进一步延长堆叠的转换器的高电流能力，并且通过使第二夹子的顶表面未被包装而进一步提高效率，因此第二夹子可以优选通过焊接连接到散热器。在该构造中，六面体形模块可以将其热量从大表面耗散到散热器。

在所描述的实施例中修改是可能的，并且在权利要求的范围内的其他实施例是可能的。