專利名稱：折疊的柔性無接合引線的多芯片功率封裝的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及到集成功率模塊，確切地說是涉及到用于大功率密度的折疊的柔性無接合引線的多芯片功率模塊。諸如微處理器、汽車電子產(chǎn)品、以及通信所用調(diào)壓器之類的要求大功率轉(zhuǎn)換的應(yīng)用，已經(jīng)引起了以更低的成本來獲得更高的功率密度的傾向。因此，為了滿足將來的功率密度要求，就要求集成功率模塊的解決方案而不是傳統(tǒng)的分立解決方案。但模塊形式的功率電子元件(例如器件、IC、無源元件等)的集成由于模塊中存在各種各樣的材料而被復(fù)雜化。
僅僅在最近才出現(xiàn)了二種市售的用于DC-DC功率轉(zhuǎn)換的現(xiàn)有技術(shù)多芯片功率封裝，提供了一種集成系統(tǒng)解決方案。用于調(diào)壓器的第一種市售封裝涉及到采用球網(wǎng)格陣列(BGA)技術(shù)的封裝結(jié)構(gòu)。采用BGA技術(shù)的模塊，將例如多層印刷電路板(PCB)襯底上的二個(gè)金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管(MOSFET)、一個(gè)驅(qū)動(dòng)器芯片、以及一些無源元件安置在11mm×11mm的小的占地面積中。

圖1A是這種封裝101的局部剖面，它包括多層PCB 104上的MOSFET 102以及無源元件103。在封裝101內(nèi)部，用引線接合105，形成到MOSFET 102的互連，且銅軌線106被連接到封裝101背面上的BGA焊料凸點(diǎn)107，以便附著PCB。利用多層PCB 104的銅層來對(duì)BGA焊料凸點(diǎn)107進(jìn)行連接。模塑料108填充了封裝101。封裝的厚度為3mm或以上。
第二種市售封裝在10mm×10mm的區(qū)域內(nèi)包含MOSFET和IC，提供了微處理器用調(diào)壓器的一種集成解決方案。此封裝的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)是采用諸如賓州West Chester的Amkor Technology公司的MicroLeadFrameTH(MLF)技術(shù)之類的腐蝕到襯底中的引線框。圖1B是采用MLF的封裝109，管芯附著材料112被安裝到暴露的管芯葉片113。用引線接合114和115來得到封裝內(nèi)部的器件互連。銅引線框116上的接觸(未示出)被一直引到其上安裝封裝109的PCB。模塑料117填充了封裝109。此封裝的厚度為0.9mm或以上。
功率MOSFET管芯包含3個(gè)端子(柵、源、以及漏)，因而在封裝層面處僅僅需要少量端子連接。但諸如圖1A和圖1B之類的多芯片解決方案分別使用了諸如132焊料凸點(diǎn)BGA和68引線MLF之類的標(biāo)準(zhǔn)封裝。圖2A示出了第二種市售封裝的68引線MLF引腳連接和線路板布局設(shè)計(jì)。在圖2A中，MLF封裝201包含分裂的引線框202和MLF引腳203。在圖2B中，焊料凸點(diǎn)BGA封裝204具有BGA焊料球陣列205。如可以看到的那樣，確切地說是從圖2A和2B可見，功率器件的這些標(biāo)準(zhǔn)IC封裝導(dǎo)致了大量的連接冗余。而且，這些設(shè)計(jì)已經(jīng)達(dá)到了線路板布局的間距要求極限。例如，采用MLF技術(shù)的市售封裝的引線連接要求0.5mm的間距，這對(duì)于在厚度大于2oz的任何銅平面上進(jìn)行圖形來說是不可能的。而且，這些封裝的復(fù)雜的引線連接和緊密的間距要求也使板上的熱通道設(shè)計(jì)復(fù)雜化，而板上的熱通道設(shè)計(jì)對(duì)于適當(dāng)?shù)臒岚才攀呛苤匾摹?br> 二種目前可得到的市售封裝都采用每個(gè)器件的多重引線接合以及IC互連來降低引線接合的高電阻效應(yīng)。但加入更多的平行引線來降低電阻最終達(dá)到了極限(2-3mΩ)，且工藝變得非常昂貴。
目前有一些方面可以對(duì)市售封裝的設(shè)計(jì)進(jìn)行改善。模塊的結(jié)構(gòu)可以被適配成提供更好的熱安排。模塊可以被制作得更薄。更多的器件可以被容納。提供多個(gè)引線接合來降低電阻的代價(jià)能夠被降低或避免。若引腳連接或引線的數(shù)目被減少，則能夠簡化封裝的裝配。
因此，本發(fā)明的目的是改進(jìn)傳熱、減小多芯片功率模塊的厚度、在功率模塊封裝內(nèi)允許更高的功能集成、消除引線接合、使設(shè)計(jì)能夠無引線、以及簡化I/O引腳連接。
當(dāng)考慮本發(fā)明的下列詳細(xì)描述時(shí)，本發(fā)明的這些和其它的目的將變得顯而易見。
因此，本發(fā)明提供了一種電子裝配件或模塊，它包括基于折疊的單層柔性電路的無引線框的多芯片半導(dǎo)體封裝。倒裝芯片釘頭凸點(diǎn)(studbump)半導(dǎo)體功率管芯以及IC被附著到圖形化的柔性襯底；柔性襯底的延伸部分被折疊，并被附著到管芯的背面，以便電接觸和熱接觸。整個(gè)封裝被注塑，僅僅柔性襯底底部處的銅接觸焊盤被暴露，以便進(jìn)行到任何線路板的標(biāo)準(zhǔn)表面安裝附著。
倒裝芯片釘頭凸點(diǎn)半導(dǎo)體管芯是這樣一種管芯，其中，通過管芯表面上的導(dǎo)電“凸點(diǎn)”，管芯被電連接到封裝載體，致使封裝載體提供從管芯到封裝外部的連接。此封裝載體例如可以是襯底或引線框。
在本發(fā)明中，釘頭凸點(diǎn)為器件連接提供了很短的或低阻(小于1mΩ)通路。而且，具有釘頭凸點(diǎn)的器件的封裝電感與引線接合的1nH相比，能夠被降低到0.1nH。因此，在高頻應(yīng)用中，本發(fā)明的封裝產(chǎn)生的噪聲顯著地低于現(xiàn)有技術(shù)解決方案的噪聲。
本發(fā)明較之現(xiàn)有解決方案顯著地改善了熱安排。封裝中的器件被附著到連續(xù)柔性的襯底。與分裂引線框(圖2A所示MLF模塊)不同，安裝在連續(xù)柔性的襯底上的各個(gè)器件產(chǎn)生的熱具有更寬廣的散熱面積。
本發(fā)明還由于其三維封裝結(jié)構(gòu)而能夠雙面冷卻。功率MOSFET在管芯背面上具有漏連接。在常規(guī)的封裝方法(例如BGA和MLF封裝)中，管芯面向上被附著在襯底上，以便能夠通過漏焊盤散熱。用來附著源和柵焊盤(在管芯的頂面上)的引線接合僅僅提供了從管芯頂側(cè)取出熱量的有限溝道。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案中，器件被面朝下(倒裝芯片)置于在源和柵上具有金的金屬凸點(diǎn)的襯底上，從而提供更迅速的到線路板的散熱路徑。柔性的襯底還被折疊和附著到漏接觸，從而增加了另一到襯底的散熱溝道。由于其三維構(gòu)造，此封裝在非常小的板面積內(nèi)提供了改進(jìn)的從器件二側(cè)的散熱。散熱器可以被附著到此封裝的任何一側(cè)或二側(cè)。同時(shí)，與常規(guī)引線接合封裝相比，倒裝芯片釘頭凸點(diǎn)提供了更短的互連，從而降低了電阻發(fā)熱以及寄生噪聲。
具有其倒裝芯片凸點(diǎn)器件的本發(fā)明的結(jié)構(gòu)，提供了比目前可得到的市售封裝薄得多的多芯片功率模塊封裝。常規(guī)功率模塊的厚度主要決定于引線接合互連的環(huán)路高度。利用倒裝芯片凸點(diǎn)器件和折疊柔性，本發(fā)明能夠達(dá)到小于0.6mm的封裝外形，較之采用BGA技術(shù)的封裝的3mm以及MLF封裝的0.9mm厚度，這是一個(gè)顯著的改進(jìn)。
與現(xiàn)有解決方案相比，線路板附著所要求的引腳連接的數(shù)目也被顯著地減少了。
本發(fā)明的銅焊盤可以厚于2oz，使得引線連接的間距可以更大。更大的焊盤和間距(1mm或以上)使得SMT(表面安裝技術(shù))更容易操作。
從此處所述實(shí)施方案，本發(fā)明的這些或其它的情況將顯而易見。
附圖的簡要說明在這些附圖中圖1A示出了市場可購得的采用BGA技術(shù)的產(chǎn)品。
圖1B示出了市場可購得的采用MLF技術(shù)的產(chǎn)品。
圖2A示出了市場可購得的MLF基封裝的引腳連接/板布局設(shè)計(jì)。
圖2B示出了市場可購得的BGA基封裝的引腳連接/板布局設(shè)計(jì)。
圖3是本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案的內(nèi)部圖。
圖4是安裝在圖形化柔性襯底襯底上的面朝下(倒裝芯片)管芯的平面圖。
圖5示出了柔性襯底的折疊和到管芯背面的附著。
圖3是根據(jù)本發(fā)明的折疊柔性無接合引線多芯片功率封裝的一個(gè)實(shí)施方案的內(nèi)部圖。包括半導(dǎo)體功率管芯以及IC管芯的各個(gè)器件301、301’、301”、301等被附著到連續(xù)柔性襯底302的主體部分306。各個(gè)器件管芯表面上的器件301、301’、301”、301等具有帶有倒裝芯片凸點(diǎn)的器件焊盤(未示出)。柔性襯底302的延伸部分303和303’被分別折疊在器件301和301’以及器件301”和301上。此柔性襯底在其底部表面上配備有銅接觸焊盤(圖3中看不到)以及用來附著線路板的連接304。模塑料以細(xì)長矩形箱的形狀305被形成在封裝的周圍。用于半導(dǎo)體封裝的柔性襯底是一些疊層，它典型地包括焊料掩模層、銅層、以及聚合物層，例如E.I duPont de Nemoursand Co.所出售的商標(biāo)為Kapton的聚酰亞胺。
圖4是附著到圖形化柔性襯底上的面朝下(倒裝芯片)管芯的平面圖。圖形化的柔性襯底402具有用來附著線路板的連接404，并具有用來附著管芯背面的延伸部分403和403’。延伸部分403和403’分別具有第一部分406和406’以及第二部分407和407’。第一部分406和406’各具有相鄰和平行于圖形化柔性襯底402的主體部分409的邊沿的邊沿，器件管芯401的頂面被附著到此主體部分409。各個(gè)第一部分406和406’被焊料掩模覆蓋。第二部分407和407’具有至少部分地暴露的襯底402的銅層，并與其各自的第一部分406和406’連接，且從第一部分406和406’延伸到各自延伸部分403和403’的末端，離圖形化柔性襯底402主體部分409最遠(yuǎn)。
一開始，倒裝芯片凸點(diǎn)(例如金栓塞)被制作在器件管芯401表面上的器件焊盤上。此制作在晶片層面處完成。
如從圖4和圖5可見，制造封裝結(jié)構(gòu)的方法包括3個(gè)步驟。
如圖4所示，首先，凸點(diǎn)器件管芯401被附著到圖形化柔性襯底402。導(dǎo)熱的環(huán)氧樹脂被分散在圖形化的襯底上。然后利用拾放機(jī)將凸點(diǎn)器件管芯401降低到環(huán)氧樹脂，并準(zhǔn)確地置于襯底的接觸焊盤上。熱壓工藝被用來建立釘頭凸點(diǎn)到柔性襯底上銅焊盤的物理接觸。此熱壓工藝還用作導(dǎo)熱環(huán)氧樹脂的固化工藝，從而僅僅在一個(gè)加工步驟中就得到與下方填料的堅(jiān)固的倒裝芯片互連。
第二，如圖5中箭頭508和508’所示，柔性襯底延伸部分的第二部分(圖4中的407和407’以及圖5中的507和507’)被折疊。第三，用例如環(huán)氧樹脂或焊料，延伸部分的第二部分(圖4中的407和407’以及圖5中的507和507’)被附著到管芯背面501。延伸的柔性襯底第二部分的圖形化軌線使MOSFET管芯與其它器件管芯的背面501保持隔離。
諸如銀填充的環(huán)氧樹脂之類的導(dǎo)電環(huán)氧樹脂在本發(fā)明中用來將延伸部分507和507’附著到管芯背面501，使封裝能夠不包含引線。
然后，如圖5所示，用模塑料包封此結(jié)構(gòu)，覆蓋從柔性襯底到至少表面的整個(gè)厚度。僅僅柔性襯底背面上的連接被暴露，以便進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)的SMT板附著工藝。
對(duì)封裝實(shí)體進(jìn)行一些改變是可能的。也可以在器件上采用焊料凸點(diǎn)代替金釘頭凸點(diǎn)來得到所述結(jié)構(gòu)中的器件互連。在此情況下，可以用焊料回流和下方填充工藝來將器件附著到柔性襯底。雖然如此，但焊料凸點(diǎn)要求在器件的鋁接觸焊盤上淀積可焊接的金屬化(例如Ti-Ni-Au/Ag)。
封裝實(shí)體中的另一改變例子是用環(huán)氧樹脂或焊料將柔性銅帶附著到各個(gè)器件的漏，來代替折疊襯底的圖形化延伸部分。這些銅帶將把MOSFET的漏焊盤連接到它們在柔性襯底上的各自接觸焊盤?！鞍辈⒉慌懦渌脑虿襟E?！耙粋€(gè)”并不排除多個(gè)。單個(gè)處理器或其它的單元可以滿足權(quán)利要求所述的幾個(gè)裝置的功能。
權(quán)利要求
1.一種電子裝配件，它包含包含柔性襯底(302)的封裝載體，此襯底(302)包含在聚合物層與焊料掩模層之間的至少一個(gè)銅層；此襯底(302)具有主體部分(306)和至少一個(gè)延伸部分(303)；安裝在襯底(302)的主體部分(306)的表面上的至少一個(gè)半導(dǎo)體管芯(301)，此至少一個(gè)半導(dǎo)體管芯(301)具有釘頭凸點(diǎn)電連接；且此至少一個(gè)延伸部分(303)被折疊成在部分襯底(302)上方延伸，所述部分包括此至少一個(gè)半導(dǎo)體管芯(301)。
2.權(quán)利要求1的電子裝配件，還包含一個(gè)或多個(gè)電接觸焊盤，所述接觸焊盤由一部分銅層形成，所述部分在襯底(302)的主體部分(306)的第二表面上暴露于裝配件外部，所述接觸焊盤是裝配件外部上僅有的電接觸。
3.權(quán)利要求1的電子裝配件，其中，裝配件的厚度小于0.9mm。
4.權(quán)利要求3的電子裝配件，其中，裝配件的厚度為0.6mm或更小。
5.權(quán)利要求1的電子裝配件，還包含一個(gè)或多個(gè)電接觸焊盤，所述接觸焊盤由在襯底(302)的主體部分(306)第二表面上暴露于裝配件外部的一部分銅層形成，至少一個(gè)半導(dǎo)體管芯(301)和接觸焊盤被互連而無需引線接合。
6.權(quán)利要求1的電子裝配件，其中，至少一個(gè)延伸部分(303)不在襯底(302)的所有主體部分(306)上方延伸。
7.權(quán)利要求1的電子裝配件，還包含第二延伸部分(303’)，第二延伸部分(303’)被折疊成在襯底(302)主體部分(306)的第二部分上方延伸，第二至少一個(gè)半導(dǎo)體管芯(301”)被安裝在所述第二部分上。
8.權(quán)利要求7的電子裝配件，其中，至少一個(gè)延伸部分(303)和第二延伸部分(303’)不在襯底(302)的所有主體部分(306)上方延伸。
9.一種電子裝配件，包含柔性襯底(402)，它具有主體部分(409)和至少一個(gè)延伸部分(403)，此至少一個(gè)延伸部分(403)包含第一部分(406)和第二部分(407)，第一部分(406)位于第二部分(407)與襯底(402)的主體部分(409)之間；以及至少一個(gè)半導(dǎo)體管芯(401)，具有頂面和背面，頂面與背面相對(duì)并被安裝在襯底(402)主體部分(409)的表面上，第一部分(406)被折疊，且第二部分(407)在襯底(402)的表面上被附著至半導(dǎo)體管芯(401)的背面。
10.權(quán)利要求9的電子裝配件，其中，此至少一個(gè)半導(dǎo)體管芯(401)是包含源、柵、以及漏連接的MOSFET，源和柵連接位于頂面上，而漏連接位于背面上。
11.權(quán)利要求9的電子裝配件，其中，此至少一個(gè)半導(dǎo)體管芯(401)包含電連接，所述電連接是釘頭凸點(diǎn)。
12.權(quán)利要求9的電子裝配件，其中，襯底(402)包含位于聚合物層與焊料掩模層之間的至少一個(gè)銅層，此襯底(402)還包含一個(gè)或多個(gè)電接觸焊盤，所述接觸焊盤由一部分銅層形成，所述部分在襯底(402)主體部分(409)的第二表面上暴露于裝配件的外部，所述表面平行于頂面延伸，且所述接觸焊盤是裝配件外部上僅有的接觸焊盤。
13.權(quán)利要求9的電子裝配件，其中，裝配件的厚度小于0.9mm。
14.權(quán)利要求13的電子裝配件，其中，裝配件的厚度為0.6mm或更小。
15.權(quán)利要求9的電子裝配件，其中，襯底(402)包含位于聚合物層與焊料掩模層之間的至少一個(gè)銅層，此襯底(402)包含一個(gè)或多個(gè)電接觸焊盤，所述接觸焊盤由一部分銅層形成，所述部分在襯底(402)主體部分(409)的第二表面上暴露于裝配件的外部，所述表面平行于頂面延伸，且所述接觸焊盤被互連而無需引線接合。
16.權(quán)利要求9的電子裝配件，其中，不提供引線框。
17.一種裝配電子模塊的方法，包含將凸點(diǎn)器件管芯(401)在凸點(diǎn)器件管芯(401)的第一表面處附著到柔性襯底(402)；將柔性襯底(402)的第一延伸部分(406)折疊成使柔性襯底的第二延伸部分(407)在凸點(diǎn)器件管芯(401)的第二表面上方；并將第二延伸部分(407)附著到凸點(diǎn)器件管芯(401)的第二表面。
18.權(quán)利要求17的方法，其中，凸點(diǎn)器件管芯(401)包含金釘頭凸點(diǎn)。
19.權(quán)利要求17的方法，其中，凸點(diǎn)器件管芯(401)包含焊料凸點(diǎn)。
20.權(quán)利要求17的方法，還包含將模塊包封在模塑料中。
全文摘要
一種多芯片無引線接合的集成電路和功率管芯封裝基于折疊的單層柔性電路。此封裝由倒裝接合到圖形化的柔性襯底的金屬釘頭凸點(diǎn)功率管芯以及IC組成。柔性襯底的延伸部分被折疊并附著到管芯的背面，以便進(jìn)行電接觸和/或熱接觸。I/O引腳沿著封裝的外圍，以便進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)的SMT安裝，散熱器同時(shí)被附著到封裝的二側(cè)，以便進(jìn)行雙面冷卻。
文檔編號(hào)H01L23/538GK1711639SQ200380103020
公開日2005年12月21日 申請(qǐng)日期2003年11月3日 優(yōu)先權(quán)日2002年11月12日
發(fā)明者S·哈奎, G·布倫寧 申請(qǐng)人:皇家飛利浦電子股份有限公司