CN101819955A

CN101819955A - 具有增强散热性的半导体封装结构

Info

Publication number: CN101819955A
Application number: CN201010164154A
Authority: CN
Inventors: 弗朗西斯·J·卡尔尼; 迈克尔·J·瑟登
Original assignee: Semiconductor Components Industries LLC
Current assignee: Semiconductor Components Industries LLC
Priority date: 2004-12-20
Filing date: 2004-12-20
Publication date: 2010-09-01
Anticipated expiration: 2024-12-20
Also published as: HK1147596A1; CN101819955B

Abstract

具有增强散热性的半导体封装结构。在一实施例中，一具有增强散热性的封装的半导体装置包括一引线框架和一半导体芯片，所述半导体芯片包括一主载流电极或发热电极。所述半导体芯片的所述主载流电极面对所述封装的顶面或远离下一级装配。所述封装的半导体装置进一步包括一不平的、阶跃形的或波动形的连接结构，所述连接结构将所述载流电极连接到所述引线框架上。高热导率的成型材料的使用和薄的封装外形进一步增强了散热性。

Description

具有增强散热性的半导体封装结构

本分案申请是基于申请号为2004800445283，申请日为2004年12月20日，发明名称为“具有增强散热性的半导体封装结构”的中国专利申请的分案申请。

技术领域

本发明一般涉及半导体装置封装结构，尤其是涉及包封在具有改进散热性的封装结构里的半导体元件。

背景技术

对于具有更高性能和更小尺寸的电子系统有着持续需求。这种需求使得电子元件设计者和生产者面临着许多挑战。这样的挑战包括：对半导体器件发出的热量的控制，所述半导体器件通常紧密排列在一起或紧邻电路板上的敏感逻辑电路。

在当前的封装结构中，普遍使用塑料封装装置。但塑料封装存在的一个问题是，塑料成形材料常常限制了封装件的热传导性。这样，半导体器件产生的大部分热量通过封装的下部传递，所述封装紧邻印刷电路板。由于印刷电路板变的越来越密集组装，所以电路板不能完全消散或处理大量的热量。一旦这样，电路板就会弯曲变形，导致电路板及其上面的元件受损。另外，热量本身也会损坏电路板上的其它元件或组成电路板的材料。

由于这个问题，现在的半导体产业正在朝这样一种封装方式转移，所述封装方式可以将热量从封装的顶部传递出去，而不是通过印刷电路板来传递热量。这样的装置也可包括一热沉，所述热沉黏着于封装的顶面，这样可以进一步提高散热性。

DirectFET封装就是这样一个封装，美国国际整流器公司曾在2002年1月以题名“DirectFET^TM技术”在“Board MountingApplication Note 2002”上展示了该项技术。在该设计中，由于塑料成型材料已知的较差的热传导性，因此其被完全除去。

这种设计有一些缺点，首先，因为封装没有使用成型材料，所以半导体是没有被保护起来的，容易损坏和被污染。同时，这种设计使用的是非标准化的生产技术，增加了生产成本和周期。另外，在某些应用中，这种设计将主载流电极(如源极)向下放置或紧邻印刷电路板，这将使热传导能力变的更差。在另外一些应用中，这种设计将主载流电极向上放置或远离印刷电路板，但和末钝化的热沉直接接触，在操作中这是安全性的考虑。

发明内容

因此，需要一种既能提高散热性，又不有损于装置的可靠性、安全性、生产周期和成本的半导体封装结构。

根据本发明一个方面，提供了一种半导体封装结构，包括：一传导基板，所述传导基板包括一晶片托盘部分和垫部分；一连接于所述晶片托盘部分的电子芯片，其中所述电子芯片在相对于所述晶片托盘部分的一表面上包含有一主载流电极；一连接结构，所述连接结构将所述主载流电极连接到所述垫部分；以及一热导率大于或等于3.0Watts/mK的包封层，其中所述包封层覆盖了所述电子芯片和所述连接结构的至少一部分。

根据本发明又一方面，提供了一种无引线半导体封装结构，其具有增强的散热性，包括：一引线框架，其包含一终端部分；一半导体器件，其在一表面上具有一第一电极；一阶跃形连接结构，其连接到所述第一电极和所述终端部分；以及一钝化层，其覆盖所述半导体器件和所述阶跃形连接结构的至少一部分，并且其中所述封装结构的高度小于1.10毫米。

根据本发明还一方面，提供了一种电子封装结构，包括：一半导体管芯，其具有一主载流电极以及控制电极；一阶跃形连接结构，其连接于所述主载流电极；第二连接结构，其连接于所述控制电极；以及一包封层，其覆盖所述半导体管芯的至少一部分，同时又外露所述阶跃形连接结构的一部分。

附图说明

图1所示是依据本发明实施例的封装结构的放大截面图；

图2所示是依据本发明第二实施例的封装结构的放大截面图；

图3所示是依据本发明第三实施例的封装结构的放大截面图；

图4所示是依据本发明第四实施例的封装结构的放大截面图；

图5所示是依据本发明第五实施例的封装结构的放大截面图；

图6所示是图1和图4的封装结构的内部连接配置的实施例；

图7所示是图1和图4的封装结构的内部连接配置的另一实施例；

图8所示是图2和图3的封装结构的内部连接配置的实施例；

图9所示是图2和图3的封装结构的内部连接配置的另一实施例；

具体实施方式

为了便于理解，附图中的元件不一定按比例绘制，相同的元件编号会在适当的不同的图例中使用。虽然在描述本发明的时候使用了QFN/DFN封装实施例，但本领域的技术人员应当明白本发明同样适用于其它形式的封装，尤其是那些在其中高散热性很重要的封装。

图1所示是依据本发明，具有增强散热性或热传导性的半导体封装结构、QFN/DFN封装、无引线封装装置或封装10的放大了的截面图。封装装置10包含一传导基底或引线框架11，所述引线框架包括一晶片托盘(flag)部分、板(plate)或管芯(die)附着部分13以及一引线、终端、连接、或垫部分14。引线框架11包括，比如，铜、铜合金(例如：TOMAC 4、TAMAC 5、2ZFROFC或CDA194)、镀铜的铁/镍合金(如：镀铜合金42)、电镀铝，电镀塑料等之类的材料。电镀材料包括铜、银、多层镀，比如镍-钯以及金。晶片托盘部分13和垫部分14用来与下一级封装(如：印刷电路板)上的压点相连或耦合。

封装10进一步包括一电子芯片或半导体器件17，其使用管芯附着层19与晶片托盘部分13连接。半导体器件17包括诸如功率MOSFET装置、双极晶体管、绝缘栅双极晶体管、晶闸管、二极管、模拟或数字集成电路、敏感元件、无源元件或其它的电子装置。在一示例性实施例中，半导体器件17包含一功率MOSFET装置，所述装置包括一源极、上源极或主载流电极21、一漏极、下漏极或载流电极23以及一栅极或控制电极26(如图6所示)。源极21包括诸如可软焊金属，铝、铝合金等之类的材料。漏极23一般包括可软焊金属层，例如TiNiAg，CrNiAu或类似材料。依据本发明，半导体芯片17是主载流电极或源极“向上(up)”放置的结构。也就是说，半导体芯片17中产生主要热量的电极(比如，电极21)是远离或背离封装10的一面的，所述面附着于下一级装配。这种定位促使热量从封装10的顶面28传递出去，而不是通过下一级装配或芯片本身传递。

一波动形的、阶跃的连接结构、或不平的连接结构或传导夹片或带片31连接于源极21和垫部分14，这样在半导体芯片17和垫部分14之间就有了电通路。传导夹片31包括诸如硬铜或铜合金，并视需要镀上银以用来焊接连接或传导环氧树脂连接。在所述实施例中及依据本发明，夹片31优选地是波动形、阶跃形或不平的，这样夹片31的一部分就可以更靠近封装10的顶面28而不接触到半导体芯片17。与一扁平的或平坦的夹片相比较，所述不平的夹片可以为半导体芯片34的改进热传导提供更低的热阻通路。优选地，夹片31至少50％的表面接触到电极21，而夹片31表面的其余部分是起伏的或远离电极21。优选地，夹片31至少包含有两个阶梯。结合图6和图7说明和论述了控制电极26的可选的连接或内部连接配置。

在引线框架11、半导体芯片17和夹片31的至少一部分上面有一利用单腔模具或低压注塑工艺形成的包封层或钝化层29。依据本发明，包封层29包括一种高热导率的成型材料。优选地，包封层29包括一种热导率大于3.0Watts/MK的成型材料。合适的高热导率的成型材料可通过加利福尼亚住友塑料美国公司(比如EME A700系列)和加利福尼亚日立化学公司(比如，CEL 9000系列成型材料)获得。

优选地，封装10的总高度34小于大约1.10毫米。在一更优选实施例中，高度34大约小于0.8毫米。另外，半导体芯片17之上的包封层29的厚度小于大约0.53毫米。这些尺寸和波动形的夹片31、主载流电极21的取向以及高热导率的成型材料一起共同提供了加强的散热效果。特别地，评估尺寸相当的封装10和DirectFET产品的热学研究表明，依据本发明的封装10有相等的或更好的热阻(封装顶面的接合点)特性，所述封装10包括热导率大于或等于大约3.0Watts/MK的成型材料，且高度34小于大约0.80毫米。

如图所示的波动形夹片31有一个或多个可选的模锁(mold lock)特征或槽口(notch)39，所述槽口39是用来在包封层29与夹片31之间提供更好的黏着。也可使用更多或更少的槽口39。另外，封装10包括一可选的热沉装置43，所述热沉装置可通过诸如高热导率的环氧树脂材料42黏着到封装10上，所述环氧树脂材料，比如CEL9750HFLO(AL3)或CEL9210HFLO(AL2)可通过住友塑料美国公司获得，而EMF 760a可通过日立化学公司获得。应当明白，热沉43对所有论述的封装实施例，包括之后的图2至图5所示的实施例都是可选的。在考虑安全性的应用中，可以选择涂上一层绝缘材料(比如热胶)的热沉43。

图2所示是依据本发明的第二实施例半导体封装结构、QFN/DFN封装、无引线封装装置或封装100的放大截面图。在封装100中，使用波动形或不平的连接结构或带式连接结构231而不是波动形夹片31来将半导体芯片17的主载流电极21连接于垫部分14，除此之外，封装100与封装10类似。

带式连接结构231是指一柔性的矩形导体，其中，带式连接结构231(如图7所示)的宽度51要大于带式连接结构231的厚度52。适合于带式连接结构231的材料包括：金、铝、银、钯、铜或类似物。带式连接231的接合通常包括超声楔形接合端232至源极21的接合以及超声楔形接合端232至垫部分14的接合。在一实施例中，形成厚度为大约25微米而宽度大约为75微米的带式连接结构231。或者，形成的典型的带式连接结构231的厚度52在6到50微米之间而宽度52在50到1,500微米之间。图1和图2实施例的一个优点是封装10和100的顶面是电绝缘的，这样就避免了已有技术上的安全性问题。

图3所示是依据本发明的第三实施例半导体封装结构、QFN/DFN封装、无引线封装装置或封装110的放大截面图。在封装110中，包封层129只覆盖了一部分波动形夹片31，除此之外，封装110与封装10类似。也就是说，在封装110中，夹片31的部分310是外露的，这就进一步增强了封装的散热性，虽然半导体芯片17仍然是被包封层129钝化或覆盖的。在该实施例中，包封层129优选地包括类似于包封层29的材料。

图4所示是依据本发明的另一实施例半导体封装结构、QFN/DFN封装、无引线封装装置或封装200的放大截面图。在封装200中，包封层229只覆盖了带式连接结构231或连接结构的一部分，除此之外，封装200与封装100类似。也就是说，在封装200中，带式连接结构231的部分331是外露的，这就进一步增强了封装的散热性，虽然半导体芯片17仍然是被包封层229钝化或覆盖的。在该实施例中，包封层229优选地包括类似于包封层29的材料。

在形成封装110和封装200的一个优选方法里，当连接结构31和231形成后，将装置放进造模设备里以便于部分310和331接触或邻接到模穴(mold cavity)的一个表面。模穴的这个表面可以充当掩膜以防止包封层129和229覆盖到部分310和331。

图5所示是依据本发明的又一实施例半导体封装结构、QFN/DFN封装、无引线封装装置或封装210的放大截面图。在封装210中，波动形或不平的连接结构或带式连接结构431是欧米伽(omega)或大体上是欧米伽形状的，除此之外，封装210与封装100类似。也就是说，带式连接结构431包含有基础部分432和位于半导体芯片上方的上部部分433，其中基础部分432的宽度小于上部部分433的宽度。欧米伽形状的带式连接结构431设置了具有更多传导表面的波动形连接结构，这就提供了具有增强的散热性的封装。在一可选实施例中，类似于图3和图4所示的封装，欧米伽形状带式连接结构431的一部分是外露的。

图6至图9所示是在封装之前，用于本发明的不同的连接结构装置的实施例。图6所示为图1中的引线框架11和半导体芯片17，另外还有控制电极的连接结构61，所述控制电极的连接结构61将半导体芯片17上的控制电极26(参考“具体实施方式”开始第3段)连接于垫部分114。在该实施例中，控制电极连接结构61包括一带式连接结构。一般而言，所选择的控制电极26上的区域其长大致为带式连接结构的宽度的三倍，其宽大致为带式连接结构厚度的三倍。带式连接结构61的一个优点是，与引线接合所需的接触面积相比，带式连接结构需要的面积要小，且不会影响可制造性、稳定性和强度。

图7所示为图2中的引线框架11和半导体芯片17，另外还有以上结合图6论述的带式连接结构61。图7还一步展示了多个或多重带式连接结构231，并包括前文中所述的宽度51。

图8所示为图1中的引线框架11和半导体芯片17，另外还有引线接合结构71，所述引线接合结构71将半导体芯片17上的控制电极226连接到引线框架11上的垫部分114。在该实施例中，控制电极226包括适合于引线接合的金属，比如铝或铝合金。引线接合71是通过常规引线接合工艺实现的，并且包括诸如铝或金。在一优选实施例中，引线接合结构71的弯曲部分的高度小于波动形夹片31的高度，这样图3实施例中的引线接合结构71不外露。

图9所示为图2中的引线框架11和半导体芯片17，另外还有引线接合结构71，所述引线接合结构71将半导体芯片17上的控制电极226连接到引线框架11上的垫部分114。在该实施例中，控制电极226包括适合于引线接合的金属，比如铝或铝合金。引线接合71是通过常规引线接合工艺实现的，并且包括诸如铝或金。在一优选实施例中，引线接合结构71的弯曲部分的高度小于带式连接结构231的高度，这样图4实施例中的引线接合结构71不外露。

现在，应了解已经提供了一种半导体封装结构，所述半导体封装结构具有增强了的散热或热传导特性。封装包括一调整了取向的电子芯片，以便发热部分或主载流电极远离封装的一面，所述面黏着于下一级装配。这样就提供了一条改进的通过封装顶部的热通道。封装进一步包括一波动形连接结构，所述连接结构的一部分置于更靠近封装的顶部，因此，进一步减小了热阻通路。另外，封装加入了一种高热导率(大于3.0W/mK)的成型材料，并且封装的外形薄，这也进一步增强了散热性。在一可选实施例中，波动形连接结构的一部分是外露的以便于进一步增强散热性。在另一实施例中，波动形连接结构是欧米伽形状的，为热传导提供了更多的传导表面积。在又一实施例中，为了进一步增强散热性，在封装的顶部加了一个热沉装置。

Claims

1.一种半导体封装结构，包括：

一传导基板，所述传导基板包括一晶片托盘部分和垫部分；

一连接于所述晶片托盘部分的电子芯片，其中所述电子芯片在相对于所述晶片托盘部分的一表面上包含有一主载流电极；

一波动形连接结构，所述波动形连接结构将所述主载流电极连接到所述垫部分，其中所述波动形连接结构具有至少一个覆在所述电子芯片的表面上而没有在所述电子芯片的边缘上方延伸的阶梯；以及

一包含热导率大于或等于3.0Watts/mK的成型材料的包封层，其中所述包封层覆盖了所述电子芯片和所述连接结构的至少一部分。

2.如权利要求1所述的封装结构，其中所述波动形连接结构包括一波动形夹片。

3.如权利要求2所述的封装结构，其中所述波动形夹片的一部分是外露的。

4.如权利要求1所述的封装结构，其中所述波动形连接结构具有至少两个覆在所述电子芯片的表面上而没有在所述电子芯片的边缘上方延伸的阶梯。

5.如权利要求1所述的封装结构，其中所述波动形连接结构包括一波动形带式连接。

6.如权利要求5所述的封装结构，其中所述波动形带式连接的一部分是外露的。

7.如权利要求5所述的封装结构，其中所述波动形带式连接的部分大体上是欧米伽形状的。

8.如权利要求1所述的封装结构，其中所述包封层完全覆盖所述波动形连接结构。

9.如权利要求1所述的封装结构，其中所述封装结构的高度小于1.10毫米。

10.如权利要求1所述的封装结构，其中所述电子芯片进一步包括一控制电极，且其中传导基板进一步包括一第二垫部分，且其中一第二连接结构将所述控制电极连接到所述第二垫部分。

11.如权利要求10所述的封装结构，其中所述第二连接结构包括一带式连接。

12.如权利要求10所述的封装结构，其中所述第二连接结构包括一引线接合。

13.如权利要求1所述的封装结构，其中所述波动形连接结构包括一模锁。

14.如权利要求1所述的封装结构，其进一步包括一黏着于所述半导体封装结构上部表面的热沉。