用于改进接合的封装半导体装置、引线框和方法与流程

1.本公开涉及封装半导体装置、其对应的引线框和其制造方法。


背景技术：

2.封装半导体装置的部件之间的分层是并且始终是受关注问题，也是装置潜在的故障模式。对于其封装过程包括将半导体管芯或芯片接合到引线框的管芯垫或管芯座上的装置，例如四方扁平无引线(“qfn”)和四方扁平封装(“qfp”)封装等“无引线”封装的情况，可能造成分层的一个界面是管芯垫与用于将半导体管芯接合到所述管芯垫的环氧树脂之间的界面。
3.不同的环氧树脂用于不同的封装和应用。对于其中需要高热导穿过环氧树脂以便将热从芯片导离的应用，已知使用负载金属的环氧树脂，也就是说，环氧树脂基体中嵌入有金属颗粒的环氧树脂。通过适当选择金属，通常为银，此类负载金属的环氧树脂相对于其它类型的环氧树脂可提供高热导率。然而，这些类型的环氧树脂还通常展现对管芯垫较低的粘附性，这继而增大分层的风险。
4.缓解此风险的一种方式是使管芯垫的表面粗糙化，由此提高粘附性。然而，粗糙化过程会增加引线框的成本；期望的是提供降低分层风险的替代方式。


技术实现要素：

5.根据本发明措施的第一方面，提供一种封装半导体装置，包括：具有第一厚度的引线框，所述引线框包括管芯垫；所述引线框上的半导体管芯；以及环氧树脂，其位于所述半导体管芯与所述管芯垫之间并被布置成将所述半导体管芯接合到所述管芯垫；其中，在所述半导体管芯下方的至少一个区域中，所述管芯垫具有小于所述第一厚度的第二厚度；其中，所述管芯垫在所述至少一个区域中具有至少一个穿孔；并且其中，所述环氧树脂填充所述至少一个穿孔，并在所述穿孔下方延伸以及横向超出所述穿孔。通过横向延伸超出所述穿孔，环氧树脂形成具有头部的柱塞或钉子。环氧树脂柱塞或钉子的头部可将环氧树脂层锁定到管芯垫，由此降低分层风险并提高各部分之间的粘附性。
6.在一个或多个实施例中，环氧树脂具有高热导率，例如至少10w/m.k。负载金属的环氧树脂可因提供冷却半导体管芯的高导热路径而尤其适合大功率或高温应用。
7.在一个或多个实施例中，所述至少一个区域包括长通道或沟槽的网络。在此类实施例中，长通道网络可从中心辐射延伸。由此可形成厚度减小的单个区域，这可有利于避免在随后的处理期间捕集空气或形成空隙。
8.在一个或多个实施例中，所述至少一个区域横向延伸超出半导体管芯。然而，优选的是，所述至少一个区域不延伸到管芯垫的周边，由此防止在随后的包封期间使包封材料渗入所述区域。
9.在一个或多个实施例中，所述引线框还包括与所述管芯垫电隔离的多个引线。所述封装半导体装置还可包括包封所述半导体管芯的模塑料。所述封装半导体装置可被配置
为四方扁平无引线qfn封装或四方扁平封装qfp。
10.在一个或多个实施例中，第二厚度在第一厚度的40％到60％的范围内。此类厚度范围可在管芯垫强度与供环氧树脂从穿孔渗出到厚度减小的区域中的空间之间提供良好的折衷。
11.根据本公开的第二方面，提供一种用于上文所论述的封装半导体装置中的引线框，所述引线框具有第一厚度并包括管芯垫；其中在至少一个区域中，所述管芯垫具有小于第一厚度的第二厚度；并且其中所述管芯垫在所述至少一个区域中具有至少一个穿孔。相比于具有粗糙化表面的引线框，所述引线框可具有减小的制造成本。
12.所述至少一个区域可包括长通道的网络，并且所述长通道的网络可从中心辐射延伸。
13.在使用时，所述至少一个区域横向延伸超出位于所述引线框上的半导体管芯。所述引线框还可包括被配置成在使用时与所述管芯垫电隔离的多个引线。
14.根据本公开的另一方面，提供一种制造封装半导体装置的方法，所述方法包括：提供具有第一厚度的引线框，所述引线框包括管芯垫，其中在至少一个区域中，所述管芯垫具有小于所述第一厚度的第二厚度，并且其中所述管芯垫在所述至少一个区域中具有至少一个穿孔；提供半导体管芯；以及使用环氧树脂将所述半导体管芯接合到所述管芯垫，使得所述环氧树脂填充所述至少一个穿孔并在所述穿孔下方延伸以及横向超出所述穿孔。
15.所述方法可另外包括用模塑料包封所述半导体管芯，其中所述管芯垫的具有所述第二厚度的所述区域的表面保持暴露。
16.本发明的这些方面和其它方面将从下文描述的实施例中显而易见，并且所述方面将参考所述实施例来阐明。
附图说明
17.将仅通过举例参考附图来描述实施例，在附图中
18.图1示出穿过常规封装半导体装置的横截面；
19.图2示出穿过根据本公开的封装半导体装置的横截面；
20.图3示出穿过图2中示出的封装半导体装置的不同横截面；
21.图4示出根据本公开的封装半导体装置的示意后视图；
22.图5示出安装在pcb上的封装半导体装置；以及
23.图6示出根据本公开的示例方法的流程图。
24.应注意，各图是图解性的，并未按比例绘制。为在图中清楚和便利起见，这些图的各部分的相对尺寸和比例已通过在大小上放大或减小而示出。相同的附图标记一般用于指代修改后且不同的实施例中的相应的或相似的特征。
具体实施方式
25.图1示出穿过常规封装半导体装置100的示意性截面。封装装置包括半导体管芯110。半导体管芯110借助环氧树脂130安装到形成引线框的部分的管芯垫或管芯座122上，所述引线框大体上以120指代。引线框120包括管芯垫122以及多个接合凸台124，所述多个接合凸台124在其顶部表面用作焊线的第2接合垫并在其底部表面用作焊盘，所述焊盘围绕
封装100的各侧布置。在最终封装状态，引线框120的管芯垫122与每个接合凸台124电分离和隔离。接合线140将接合凸台124连接到位于半导体管芯110的顶部表面上的金属触点垫。半导体管芯包封于例如环氧树脂模塑料(emc)的包封材料150中，所述环氧树脂模塑料使半导体管芯与环境密封隔绝。在最终封装装置中，管芯垫122的底部表面暴露，每个接合凸台124的底部表面也如此。接合凸台124的侧边缘或表面也大体上暴露。引线框的这些暴露部分随后可在使用时焊接到pcb上。emc大体上填充管芯垫与接合凸台之间的间隙，使得封装半导体装置100的底部表面是平面的。
26.如介绍时所提及，对于一些应用，重要的是环氧树脂130可高效地将热导离半导体管芯110。为此，已知使用所谓的“高热”环氧树脂130。环氧树脂如果呈现至少10w/m.k的热导率则通常可视为“高热”环氧树脂。然而，高热环氧树脂往往会在界面135处出现与管芯垫的粘附较弱的情况，尽管这可通过粗糙化管芯垫的表面而在某一程度上缓解，但该过程使总成本增加。
27.图2示出穿过根据本公开的一个或多个实施例的封装半导体装置的示意性横截面，其中分层风险已通过在环氧树脂与管芯垫之间提供锁定机构而缓解或避免。就如在图1中所示的封装半导体装置中那样，半导体装置200包括半导体管芯110。半导体管芯110借助环氧树脂130安装到形成引线框的部分的管芯垫或管芯座222上，所述引线框大体上以220指代。引线框220包括管芯垫222以及围绕封装200的各侧布置的多个接合凸台124。接合线140将接合凸台124连接到位于半导体管芯110的顶部表面上的金属触点垫(未示出)。半导体管芯包封于将半导体管芯与环境密封隔绝的emc 150中。
28.图2中的装置的管芯垫具有图案化底部表面。也就是说，存在其中管芯垫的厚度从示为t1的第一厚度减小到示为t2的第二厚度的至少一个区域。厚度t1是引线框的“全”厚度或“常规”厚度，通常将在100到300μm的范围内，并且可为200μm。厚度减小的区域的厚度通常在全厚度的25％与75％之间的范围内，更具体地说可在t1的40％与60％之间的范围内，或为t1的50％，也就是说，所述厚度通常可为管芯垫其余部分厚度的一半。下文中将相对于图4更详细地论述一个或多个区域的形状或几何形状；然而，如图2中所示，所述区域可包括跨半导体管芯延伸的一个或多个沟槽或指形件，并且可(如所示)甚至延伸超出管芯的宽度。在具有减小的厚度的所述至少一个区域内，管芯垫具有从中穿过的一个或多个且通常为若干个的穿孔226。穿孔完全延伸穿过管芯垫。可在引线框中以任何合适的方式提供具有减小的厚度的一个或多个区域。例如，本领域的技术人员将熟悉选择性蚀刻等适当过程，其中首先掩蔽引线框的部分，然后对引线框的暴露部分进行化学蚀刻以减小其厚度。或者，可通过选择性蚀刻或通过冲压或钻孔等其它技术提供穿孔。
29.如图2中所示，用于将半导体管芯接合到管芯垫上的环氧树脂130延伸到穿孔226中。“管芯附接”过程与常规过程相同：通常使用施配泵将预定义量的环氧树脂置于引线框管芯垫的中心区域上而施配环氧树脂。然后将管芯施于管芯垫中。根据本公开，被施加以协助表面张力将环氧树脂铺展到管芯垫上的压力随后也协助表面张力对穿孔进行填充和过填充。环氧树脂填充穿孔，从而形成柱塞，并且朝向装置底部延伸超出所述穿孔。也就是说，环氧树脂形成从穿孔突出的柱塞232，使得所述柱塞232的最下表面234在管芯垫的厚度减小部分的下表面下方。如所示，最下表面234可在管芯垫半导体的全厚度部分的下表面上方，在其它实施例中，穿过穿孔的环氧树脂柱塞甚至可进一步向下延伸超出管芯垫的全厚
度部分的下表面。穿过穿孔的环氧树脂柱塞不仅在厚度减小的管芯垫的表面下方延伸，所述环氧树脂柱塞还在管芯垫下方横向延伸超出穿孔，如在头部228处所示。也就是说，穿孔下方的柱塞下部比穿孔本身宽。这会产生锁定作用，其中环氧树脂的较宽部分具有与钉子头部类似的作用。
30.实现具有比穿孔本身更宽的头部的柱塞的一种方式是利用表面张力：管芯垫的材料很容易被环氧树脂润湿，因此一旦环氧树脂流过穿孔并开始从底部排出，在表面张力的影响下，所述环氧树脂将沿着管芯垫厚度减小的区域的下表面自然铺展开。环氧树脂对穿孔壁和引线框的厚度减小的部分的底部表面的润湿性可在管芯附接过程之前通过合适的预处理——例如具体地说通过对引线框进行等离子清洗——来增加。
31.从当前转到图4：管芯垫的厚度减小的区域或多个区域可具有各种不同几何形状或图案中的一者。图4中示出一个非限制性的此类图案。该图示出根据本公开的一个或多个实施例的封装半导体装置的后侧视图。封装400是大体上矩形封装，并且可通常但未必是qfn或qpn封装。如在此后视图中可见，封装包括将多个接合凸台124与管芯垫222电隔离的包封物150。半导体管芯借助环氧树脂130(未示出)接合到管芯垫的上表面。在图4中，半导体管芯因其附接到管芯垫的上表面而不可见，但其轮廓通过虚线410描绘。
32.管芯垫222具有厚度减小的区域。在此示例中，厚度减小的区域由从中央中心446径向延伸以形成星形或雪花图案的一系列细长指形件或沟槽342、344、346形成。因此，在此示例中，所述区域是单个互连区域。然而，其它配置是可能的。例如，可存在由多个平行指形件沟槽形成的厚度减小的多个单独区域；在另一非限制性示例中，可存在彼此成直角的指形件沟槽网格。尽管如上文针对一系列平行沟槽所指示，单独区域是可能的，但通常优选的是，这些区域互连以形成单个网格，以便降低在封装半导体装置随后焊接例如到pcb的期间形成气穴的风险。应了解，厚度减小的区域或多个区域覆盖管芯垫面积相对小的分率。通常，所述区域覆盖不超过25％或甚至不超过10％的表面积。通常为15％的覆盖率。受影响的表面积分率可有限，以免显著降低管芯垫强度。
33.图4中还可见环氧树脂的多个柱塞头部430。环氧树脂柱塞填充管芯垫的厚度减小的区域中的穿孔；所述穿孔因此不可见或未所示，但可沿着指形件沟槽布置，如从柱塞的位置可见。如上文所论述，归因于环氧树脂沿着管芯垫的厚度减小的区域的下表面的铺展，环氧树脂的柱塞头部430具有比穿孔自身大的直径。尽管不限于此，但穿孔通常为大体上圆形，且穿孔通常可具有在15与150μm之间的范围内的直径，优选地具有在30与100μm之间的范围内的直径。孔的直径或更一般地说其“大小”应优选足以确保环氧树脂可在管芯附接压力和表面张力的组合影响下从孔中流过；相反地，孔不应过大，以免环氧树脂从中掉落而非形成具有头部的柱塞或钉子。如所提及，延伸超出穿孔的直径的环氧树脂柱塞头部同样为大体上圆形，并且可具有处于50与150μm之间的范围内的直径。在其它实施例中，头部的铺展可被厚度减小的沟槽或指形件约束，使得头部在沿着沟槽的方向上是细长的；通常，细长头部将具有不超过约200μm的长度。
34.优选的是，如图4所示，管芯垫的厚度减小的区域不会延伸到其周边。这避免了包封物模塑料在模塑过程期间从周边渗到沟槽中以及沿着沟槽渗漏的风险。
35.应了解，图2示出封装半导体装置沿着截面a
…
a'的横截面(但为方便起见，在图2中示出比沿着图4中的该横截面的柱塞430少的穿孔226)。出于完整性，在图3中示出另一横
截面，这次是穿过区段b
…
b'。图3大体上类似于图2，不同之处在于，在此横截面中，厚度减小的单个沟槽的整个长度不可见，而实际上可见三个沟槽342、344和346的部分，管芯垫的厚度减小的区域的部分开始于所述沟槽。示出填充沟槽342和346中的穿孔226的两个柱塞232。然而，在此横截面中，沟槽344中没有一个穿孔直接可见，因此通过虚线轮廓描绘出隐藏的穿孔326，并以轮廓示出下一柱塞的头部332的视图。
36.现转而参看图5，该图示出根据一个或多个实施例的封装半导体装置沿着与图2相同的横截面——即，示出一个沟槽的全长——借助焊料520安装到pcb 510上的组件500。如本领域技术人员所熟悉的，单独的焊点524将接合凸台124连接到pcb 510上的各个迹线(未示出)。管芯垫借助焊点522焊接到pcb。如可见，在管芯垫的具有全厚度或第一厚度的区域中，所述焊点具有与到接合凸台520的接点相同的厚度。然而，焊料流到通过管芯垫的厚度减小而在厚度减小的区域中形成的凹部或沟槽中，使得在此区域中焊料较厚，以免留下空隙。如所示，焊料因此与环氧树脂的柱塞头部332直接接触。
37.图6示出根据本公开的制造封装半导体装置的方法的流程图。所述方法包括在第一步骤610中提供具有第一厚度的引线框。所述引线框具有管芯垫，其中在至少一个区域中，所述管芯垫具有小于第一厚度的第二厚度，并且其中所述管芯垫在所述至少一个区域中具有至少一个穿孔。所述方法还包括在第二步骤620中提供半导体管芯；以及在另一步骤630中使用环氧树脂将半导体管芯接合到管芯垫，使得环氧树脂填充所述至少一个穿孔并在所述至少一个穿孔下方以及横向延伸超出所述穿孔。
38.通过阅读本公开，对本领域的技术人员来说，其它变型和修改将显而易见。此类变型和修改可涉及在半导体装置封装的领域中已知的并且可代替或附加于本文所描述的特征而使用的等同特征和其它特征。
39.尽管所附权利要求书涉及特征的特定组合，但应理解，本发明的公开内容的范围还包括本文中明确地或隐含地公开的任何新颖特征或任何新颖特征组合或其任何一般化形式，而不管其是否涉及当前在任何权利要求中要求的相同发明或其是否缓解与本发明所缓解的技术问题相同的任一或所有技术问题。
40.在单独实施例的上下文中描述的特征可组合提供于单个实施例中。相反，为简洁起见，在单个实施例的上下文中描述的各种特征也可单独地或以任何子组合形式提供。申请人特此提醒，在审查本技术或由此衍生的任何另外的申请期间，可能会根据此类特征和/或此类特征的组合而制订新的权利要求。
41.为了完整起见，还指出，术语“包括”并不排除其它元件或步骤，术语“一”并不排除多个，并且权利要求书中的附图标记不应被解释为限制权利要求书的范围。
42.符号列表：
43.100 封装半导体装置
44.110 半导体管芯
45.120 引线框
46.122 管芯垫
47.124 接合凸台
48.130 环氧树脂
49.135环氧树脂/管芯垫界面
50.140 接合线
51.150 包封材料
52.200 封装半导体装置
53.220 引线框
54.222 管芯垫
55.226 穿孔
56.228 头部
57.232 栓塞
58.234 柱塞的最下表面
59.326 穿孔轮廓
60.332 头部
61.342 沟槽
62.344 沟槽
63.346 沟槽
64.400 封装半导体装置
65.410 半导体管芯轮廓
66.430 柱塞头部
67.446 中心
68.500 组件
69.510 pcb
70.520 焊料
71.522 焊点
72.524 焊点。