电器件封装和制作电器件封装的方法 |
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| 申请号 | CN201310225176.2 | 申请日 | 2013-06-07 | 公开(公告)号 | CN103489845B | 公开(公告)日 | 2017-11-24 |
| 申请人 | 英飞凌科技股份有限公司; | 发明人 | K.霍赛尼; J.马勒; | ||||
| 摘要 | 本 发明 涉及电器件封装和制作电器件封装的方法。用于制造电器件封装的系统和方法被公开。 实施例 包括：载体；部署在载体上的组件，该组件具有第一组件 接触 焊盘；以及在第一组件接触焊盘与第一载体接触焊盘之间的第一电连接，其中第一电连接包括第一中空空间，而第一中空空间包括第一液体。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种电器件封装，其包括： |
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| 说明书全文 | 电器件封装和制作电器件封装的方法技术领域背景技术[0003] 功率器件的领域被划分成两个主要的范畴：二端器件（二极管），其状态完全依赖于它们连接的外部功率电路；和三端器件，其状态不仅依赖于它们的外部功率电路，而且还依赖于它们的驱动端（栅级或者基级）上的信号。晶体管和晶闸管属于那个范畴。 [0004] 第二种分类比较不明显，但是对器件性能具有强的影响：一些器件是诸如肖特基二极管和 MOSFET之类的多数载流子器件, 而其它器件是诸如晶闸管、双极晶体管、和 IGBT 之类的少数载流子器件。前者仅使用一种类型的电荷载流子，而后者使用两种类型的电荷载流子（即电子和空穴）。多数载流子器件更快，但是少数载流子器件的电荷注入考虑到更好的导通状态性能。 发明内容[0005] 根据本发明的实施例，电器件封装包括：载体；部署在载体上的组件，该组件具有第一组件接触焊盘；以及在第一组件接触焊盘与第一载体接触焊盘之间的第一电连接，其中第一电连接包括第一中空空间，而第一中空空间包括第一液体。 [0006] 根据本发明的另一个实施例，电器件封装包括：具有第一引线和第二引线的引线框架；部署在引线框架上的芯片，其中芯片包括底表面和顶表面，并且其中第一芯片接触焊盘和第二芯片接触焊盘被部署在顶表面上；以及电连接和热连接第一芯片接触焊盘与第一引线的第一电连接，其中第一电连接包含第一液体。 [0007] 根据本发明的另一实施例，制造电器件封装的方法包括：在载体上放置具有底表面的芯片，而芯片在顶表面上具有第一和第二芯片接触焊盘；以及用第一电连接来连接第一芯片接触焊盘与第一载体接触焊盘，而第一电连接包括第一中空空间中的流体。附图说明 [0008] 为了对本发明的更加完全的理解、以及其中的好处，现在参照连同附图被采用的下面的描述，在其中： [0009] 图1a、1c和1e图示了沿着第一方向的传导连接元件的实施例； [0010] 图1b 和1d图示了沿着正交于第一方向的第二方向的传导连接元件的实施例； [0011] 图2a至2d图示了封装电器件的实施例； [0012] 图3a至3b图示了封装电器件的另一实施例；并且 [0013] 图4示出了制造封装电器件的方法的实施例的流程图。 具体实施方式[0014] 目前优选的实施例的制作和使用在下面被详细讨论。应该领会的是，然而，本发明提供许多能够在很多特定上下文中被具体化的可应用的发明的概念。被讨论的特定的实施例仅仅是说明制作和使用本发明的特定方法的，而不限制本发明的范围。 [0015] 本发明将关于在特定上下文中的实施例被描述，即功率半导体器件封装。然而，本发明也可以应用于诸如电器件封装之类的其它封装。 [0017] 在常规的封装的功率半导体器件中，热量是通过芯片的底部侧并且通过运输热量的金属引线框架架来从器件中被耗散到外部环境。 [0018] 本发明的实施例提供了电连接元件，所述电连接元件被配置为同时提供优良的电传导性和热传导性。电连接元件连接组件接触焊盘（component contact pad）和载体接触焊盘（carrier contact pad），来运输来自组件的热量和电流。本发明的实施例在电组件与载体之间提供夹子、桥、管子、主体（body）或者管道，其中夹子、桥、管子、主体或者热管道组成芯子或者包括液体的中空空间。在一个实施例中，具有液体填充的中空空间的电连接元件被完全密封(encapsulate)。可替换地，电连接元仅部分地被密封，从而具有大的暴露的表面。相比常规的的电连接元件，夹子、桥、管子、主体或者具有液体填充的中空空间的管道的好处是，它提供了好了高达100 倍的热传导，并且因此改进了组件的冷却。 [0019] 图 1a 和 1b 示出了电连接元件或者电连接 100 的实施例。图 1a 是沿着第一方向的电连接元件的横截面视图。电连接元件 100 可以是传导夹子、传导桥、传导管子、传导主体或者传导管道或热管道。电连接元件 100 可以包括传导壳 110 和嵌入其中的芯子或者中空空间 120。电连接元件100 内的中空空间 120 可以被完全密封，而没有接触外面环境的机会。在一个实施例中，中空空间 120 可以包括毛细管结构。例如，中空空间 120 可以包括沿着中空空间 120 内壁的多孔毛细管衬里（lining）。 [0020] 中空空间 120 可以至少部分地被填充液体。例如，中空空间 120 被完全填充液体。在一个实施例中，液体 130 包括酒精、水(H2O)或者其组合，或者由酒精、水(H2O)或者其组合组成。可替换地，液体包括甲苯（Toluene）。电连接元件 100 可以是真空密闭的封闭管道或者管子。图 1b 示出了沿着第二方向的电连接元件 100 横截面视图，其中第二方向与第一方向正交。 [0021] 电连接元件100 可以包括金属。金属可以是铜或者铜合金、铝或者铝合金、镍或者镍合金、铁或者铁合金或者其组合。可替换地，电连接元件100 可以包括其它传导材料。金属可以完全包裹和密闭芯子120。电连接元件 100 的高度h可以是大约 100µm 至大约 400µm, 或者大约 200µm 至大约 300µm。电连接元件 100 的宽度w可以是大约 1mm 至大约 6mm, 或者大约 2mm 至大约 4mm。电连接元件100 的长度 l可以是大约 1mm 至大约 10mm, 或者大约 3mm 至大约 8mm。 [0022] 电连接元件 100 同时包括优良的热传导能力和电传导能力，因为它组合了金属 110 的电传导性和热传导性，其中热传导性基于在电传导元件 100 的芯子 120 中的液体的热对流（convection）。例如，电连接元件 100 的芯子 120 中的液体在电连接元件 100 接触组件接触焊盘的点处（在那里热量或者高温被应用）被蒸发，而沿着电连接元件 100 的其它部分（在那里温度较低）凝结。当然，热量可以被应用到电连接元件 100 的其它部分。电连接元件 100 是具有比纯金属电连接的热传导性好了高达 100 倍的热传导性的优良热量导体。 [0023] 图 1c 和 1d 示出电连接元件 150 的另一个实施例。图 1c 图示了电连接元件 150 的沿着第一方向的横截面视图。电连接元件 150 可以包括与电连接元件 100相同或类似的材料或者尺寸。电连接元件 150 可以是夹子、管子、主体、桥梁或者管道。电连接元件 150 包括传导壳 160 和在其中的多个空间或者中空空间 171、172 。 [0024] 电连接元件 150 内的多个中空空间 171、172 可以被完全密封，而没有接触外面环境的机会。多个中空空间 170 可以至少部分地被填充液体。可替换地，中空空间 170 的一些可以至少部分地被填充液体，而其它不是这样。图 1d 示出了具有全部四个中空空间 171-174 （在图 1c 中两个中空空间 173和174 没有被示出）的沿着第二方向（与第一方向正交）的电连接元件 150。在一些实施例中，多个空间 171-174 可以以不同的配置被布置。 例如，短的中空空间可以被沿着长度 l 一个接一个被布置。 [0025] 图 1e 示出了电连接元件 180 的还有另一个实施例。图 1e 是沿着第一方向的横截面视图。电连接元件 180 可以包括与电连接元件 100 或者 150 相同或者类似的材料、尺寸或者配置。电连接元件 180 可以包括传导壳 190 和其中的芯子或者中空空间 195。中空空间 195 可以至少部分地被填充液体。电连接元件 180 在连接元件 180 的一端是弯曲的。 [0026] 图 2a至2d 示出了封装的电器件 200 的实施例。封装的电器件 200 可以是封装的功率半导体器件或者高功率半导体器件。下面的讨论集中在封装的半导体器件上。然而，本发明的实施例也可以应用到其它封装的器件上。 [0027] 封装的电器件 200 包括组件 210。组件 210 可以包括芯片（或者管芯）。组件 210 包括衬底。衬底可以是诸如硅或者锗之类的半导体衬底，或者诸如 SiGe、GaAs、InP 或者 SiC、或者可替换地其它材料之类的化合物衬底。半导体衬底可以是单晶硅或者绝缘衬底上的硅（silicon-on insulator）(SOI)。一个或者多个互连的金属化层可以被布置在衬底上。钝化层被部署在芯片的顶表面上，以使结构金属焊盘互相电绝缘。钝化层可以包括例如 SiN。组件 210 的顶表面是第一主要表面 211。衬底的底表面是组件 210 的第二主要表面 212。组件 210 可以是片上系统(SoC)。 [0028] 芯片210 可以包括诸如单个半导体器件之类的的分立器件或者集成电路(IC)。 例如，芯片 210 可以包括诸如双极型晶体管、绝缘栅双极型晶体管(IGBT)、功率 MOSFET、晶闸管或者二极管之类的功率半导体器件。可替换地，芯片 210 可以例如是诸如电阻器、保护器件、电容器、传感器或者探测器之类的组件。 [0029] 在一个实施例中，组件 210 在第一主要表面 211 上具有栅极接触焊盘或者栅极接触 215 以及源极接触焊盘或者源极接触 216。组件 210 在芯片的第二主要表面212上进一步具有漏极接触焊盘或者漏极接触。可替换地，芯片 210 在它的第一和第二主要表面 211、212 上可以具有其它接触焊盘布置。在一个实施例中，芯片 210 在第一主要表面 211 上可以包括全部的接触焊盘。 [0030] 在一个实施例中，载体220是引线框架。引线框架220可以包括引线框架接触焊盘或者引线 225和226以及管芯附着区域 227。引线框架接触焊盘 225、226 被配置为电连接到组件接触焊盘，而管芯附着区域 227被配置为容纳组件 210。引线框架 220可以包括诸如金属之类的传导材料。例如，引线框架 220 可以包括铜和/或者镍。在其它实施例中，载体 220是衬底或者印刷电路板(PCB)。载体 220可以包括载体接触焊盘 225、226 和组件放置区域 227。 [0031] 组件210在组件放置区域 227被附着到载体220。例如，组件210的第二主要表面 212被附着到载体220的顶表面。组210用管芯附着连接230被附着。例如，第二主要表面212通过使用低共熔接合(eutectic bonding)或者环氧接合（epoxy bonding）来被接合到载体 220的顶表面。可替换地，第二主要表面212通过使用粘合带（adhesive tape）、焊膏（solder paste）或者焊料（solder）来被接合或者胶粘（glue）到载体220的顶表面。依赖于特定的配置，管芯附着连接230可以是电连接或者可以是绝缘势垒（insulating barrier）。 [0032] 栅极接触焊盘 215 经由接合线(wire bond) 252被电连接或者接合到载体接触焊盘 225。接合线 252 可以包括铜(Cu)、金(Au)或者铝(Al)。接合线252可以经由球形接合（ball bonding）工艺或者楔形接合（wedge bonding）工艺连接栅极接触焊盘 215 和/或载体接触焊盘 225。 [0033] 源极接触焊盘 216用电连接元件 250被连接到第二载体接触焊盘 226。在一个实施例中，电连接元件 250 不是接合线。电连接元件 250 可以包括传导夹子、传导桥梁、传导管子、传导主体或者传导管道。电连接元件250被配置为在组件210与载体220之间同时提供优良的电传导性和热传导性。电连接元件 250 可以比常规电连接高效得多地冷却组件 210。 [0034] 电连接元件250可以是关于图 1a至1e 所描述的电连接元件的实施例中的一个。电连接元件 250 包括芯子或者中空空间。中空空间可以包括液体，或者可以至少部分地被填充液体。液体可以是酒精、水(H2O)、甲苯、其组合或者其它材料。 [0035] 电连接元件 250 可以包括金属。金属可以包括铜或者铜合金、铝或者铝合金、镍或者镍合金、或铁或者铁合金。可替换地，电连接元件250可以包括其它材料。电连接元件 250 可以用焊料、焊膏、传导树脂（conductive resin）或者传导带240来被连接到源极接触焊盘 216 和载体接触焊盘 226。 [0036] 组件 210 可以用密封 260 来被密闭或者密封。密封260可以是模塑料(molding compound)、层压板(laminate)、或者盒子。 [0037] 密封260可以部分地密封载体 220 和完全地密封组件 210。在一个实施例中，密封 260 可以如图 2c 中所示的那样完全地密封电连接 250。这个实施例具有提供针对负面环境影响的优良保护的好处。在一个实施例中，密封 262 可以如图 2d中所示的那样不完全地密封电连接250。例如，整个顶表面或者至少作为顶表面的实质部分可以被暴露，并且没有被密封 262 覆盖。这个实施例具有提供了组件 210 的优良冷却和散热的好处。 [0038] 在一个实施例中，组件 210 可以被附着到散热装置（heat sink）。散热装置可以被布置在组件 210与载体220之间。在一个实施例中，载体 220可以包括散热装置。封装、密封、电连接元件和散热装置提供了用于从组件 210 中移除热量到外部环境的装置。一般地，大电流器件或者功率器件具有大的组件和封装表面区域和低的热阻。在一个实施例中，封装的器件200可以不包括散热装置。 [0039] 图 3a至3a 示出了封装电器件 300 的实施例。封装电器件 300 可以是封装功率或者高功率半导体器件。下面的讨论集中在封装半导体器件上。然而，本发明的实施例也可以应用到其它封装器件。 [0040] 封装电器件 300 包括组件 310。组件310可以包括管芯或者芯片。组件 310 包括衬底。衬底可以是诸如硅或者锗之类的半导体衬底，或者诸如 SiGe、GaAs、InP 或者 SiC 之类的化合物衬底。半导体衬底可以是单晶硅或者绝缘衬底上的硅（SOI）。一个或者多个互连金属化层可以被布置在衬底上。钝化层被部署在芯片的顶表面上，以使结构金属焊盘互相电绝缘。钝化层可以包括例如 SiN。组件 310 的顶表面是第一主要表面 311。衬底的底部是组件310的第二主要表面312。组件 310 可以是片上系统（SoC）。 [0041] 组件 310 可以包括诸如单个半导体器件之类的分立器件或者集成电路(IC)。 例如，组件 310 可以包括诸如双极型晶体管、绝缘栅双极型晶体管（IGBT）、功率 MOSFET、晶闸管或者二极管之类的功率半导体器件。可替换地，组件310例如可以是电阻器、保护器件、电容器、传感器或者探测器。 [0042] 在一个实施例中组件 310 在第一主要表面 311 上具有第一接触焊盘或者和第二接触焊盘。可选地，组件 310 在第一主要表面311 上包括第三接触焊盘。可替换地，第三接触焊盘被布置在第一主要表面 311对面的第二主要表面312上。 [0043] 在一个实施例中，载体 320 是载体。载体 320包括第一和第二载体接触焊盘 325、326。第一和第二载体接触焊盘 325、326被配置为电连接到第一和第二组件接触焊盘，并且组件放置区域 327被配置为容纳组件 310。载体 320可以包括诸如金属、衬底或者印刷电路板（PCB）之类的传导材料。 [0044] 组件 310 在组件放置区域 327被附着到载体 320。例如，组件310的第二主要表面 312 被附着到载体320的顶表面。在一个实施例中，第二主要表面 312 通过使用绝缘接合来被接合到载体 320 的顶表面。绝缘接合可以是环氧接合或者树脂接合或者粘合带。管芯附着连接 330 可以是绝缘势垒。 [0045] 第一组件接触焊盘 315 经由第一电连接元件 355 被电连接或接合到第一载体接触焊盘 325，而第二组件接触焊盘 316经由第二电连接元件356被电连接或接合到第二载体接触焊盘 326。可选的第三组件接触焊盘可以经由第三电连接元件被连接到第三载体接触焊盘。第一至第三连接元件可以是关于图 1a至1e描述的连接元件的实施例。可替换地，第二接触元件 356和/或者第三接触元件可以包括接合线，并且接合线可以用球形接合工艺或者楔形接合工艺来被连接到焊盘。电连接元件包括芯子或者中空空间。芯子或者中空空间可以包括液体。液体可以是酒精、水（H2O）、甲苯、其组合或者其它材料。 [0046] 电连接元件可以是相同的或者不同的。在一个特定的实施例中，第一连接元件 355 可以是铜或者铜合金热管道，第二连接元件 356可以是铜或者铜合金热管道，而第三连接元件可以是接合线。此外，第一连接元件 355 可以被连接到源极芯片接触焊盘，第二连接元件可以被连接到漏极芯片接触焊盘，而接合线可以被连接到栅极芯片接触焊盘。 [0047] 组件310可以用密封360被密闭或者密封。密封360可以包括模塑料、层压板、或者盒子。 [0048] 密封360可以部分地密封载体 320 和完全地密封组件 310。在一个实施例中，如图 3a 中所示的那样，密封360 可以完全地密封电连接元件 355、356。这个实施例具有提供对负面环境影响的优良保护的好处。在一个实施例中，如图 3b中所示的那样，密封362可以不完全地密封电连接元件355、356。例如，整个顶表面或者至少作为电连接元件 355、356的顶表面的实质部分可以被暴露，并且没有被密封 362 覆盖。这个实施例具有提供了组件 310 的优良冷却和散热的好处（双侧冷却）。 [0049] 在一个实施例中，组件 310 可以被附着到散热装置。散热装置可以被布置在组件 310与载体320 之间。在一个实施例中，载体 320 可以包括散热装置。封装、密封、电连接元件和散热装置提供了为从组件310中移除热量到外部环境中的装置。一般地，大电流器件或者功率器件具有大的组件和封装表面区域以及低的热阻。在一个实施例中，封装的器件 300可以不包括散热装置。 [0050] 图 4 示出了用于制作封装电器件的方法的实施例的流程图。在第一步骤 402 中，诸如芯片之类的组件被布置在载体上。组件可以是分立器件或者集成电路(IC)。组件可以包括在第一主要表面和/或在第二主要表面上的组件接触焊盘。组件可以被放置在载体的管芯附着区域上。例如，组件的第二主要表面被附着到载体的顶表面。 [0051] 在第二步骤 404 中，第一组件接触焊盘与第一载体接触焊盘相连接。第一电连接元件被连接到第一组件接触焊盘，并且被连接到第一载体接触焊盘。第一电连接元件包括与图 1a至1e 的实施例中所述的电连接元件相同的或者类似的材料、液体和/或者尺寸。第一电连接元件用焊料、焊膏或者传导树脂来被连接到第一组件接触焊盘和第一载体接触焊盘。 [0052] 在下一个步骤 406 中，第二组件接触焊盘与第二载体接触焊盘相连接。第二电连接元件被连接到第二组件接触焊盘，并且被连接到第二载体接触焊盘。第二电连接元件包括与图 1a至1e 的实施例中所述的电连接元件相同的或者相似的材料、液体和/或尺寸。第二电连接元件被用焊料、焊膏或者传导树脂来被连接到第二组件接触焊盘和第二载体接触焊盘。可替换地，第二电连接元件是接合线。接合线可以包括铜（Cu）、金（Au）或者铝（Al）。接合线可以经由球形接合工艺或者楔形接合工艺来被连接到第二组件接触焊盘和/或者第二载体接触焊盘。 [0053] 在可选的步骤 408中，第三组件接触焊盘与第三载体接触焊盘相连接。第三电连接元件被连接到第三组件接触焊盘，并且被连接到第三载体接触焊盘。第三电连接元件包括与图 1a至1e 的实施例中所述的电连接元件相同的或者类似的材料、液体和/或尺寸。第三电连接元件用焊料、焊膏或者传导树脂来连接到第三组件接触焊盘和第三载体接触焊盘。可替换地，第三电连接元件是接合线。接合线可以包括铜（Cu）、金（Au）或者铝（Al）。接合线可以经由球形接合工艺或者楔形接合工艺来被连接到第三组件接触焊盘和/或第三载体接触焊盘。 [0054] 在步骤 410 处，电器件被密封。密封材料可以是模塑料、层压板、或者盒子。组件、第一、第二和可选的第三电连接元件可以被完全地密封，而载体可以被部分地密封。可替换地，组件可以被完全地密封，而第一、第二和可选的第三电连接元件中的至少一个可以被部分地密封。在一个实施例中，组件和第二连接元件被完全地密封，而第一电连接元件和载体被部分地密封。 [0055] 最后在步骤 412 处，密封可选地被部分地移除。在一个实施例中，密封可以从电连接元件中的至少一个中被移除。例如，密封可以从第一电连接中被移除，但是不从第二和第三电连接元件中被移除。可替换地，密封可以从第一和第二电连接元件中被移除，但是不从第三电连接元件中被移除。密封可以通过机械抛光或者激光烧蚀（laser ablation）来被移除。 [0057] 此外，本发明应用的范围不意图限于说明书中所述的工艺、机械、制造、物质组分、装置、方法和步骤的特定实施例。根据本发明的公开，本领域的技术人员将容易地领会的是，根据本发明可以利用执行与在这里所述的相应的实施例基本上相同的功能或者实现与在这里所述的相应的实施例基本上相同的结果的、现在现存的或者后来被开发的工艺、机械、制造、物质组分、装置、方法、或者步骤。因此，所附权利要求意图包括这样的工艺、机械、制造、物质组分、装置、方法、或者步骤在它们的范围内。 |
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