專利名稱：具有集成金屬組件以改善熱性能的半導(dǎo)體封裝的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
0001本發(fā)明一般涉及電子系統(tǒng)和半導(dǎo)體器件領(lǐng)域；且更具體地，是涉及改善熱性能的半導(dǎo)體器件，該器件具有集成的金屬化芯片支座和熱擴(kuò)散器。
背景技術(shù)：
0002本發(fā)明的主題類似于美國專利第6,597,065號處理的主題，該專利的名稱為“Thermally Enhanced Semiconductor Chip havingIntegrated Bonds Over Active Circuits”。
0003排除有源組件產(chǎn)生的熱量屬于集成電路技術(shù)中最根本的挑戰(zhàn)。隨著組件特征尺寸的減小和器件集成度的增加，功率和熱能密度增加。然而，為了將有源器件保持在低操作溫度和高操作速度，就必須不斷地將熱量散失和排除到熱沉外。隨著能量密度的增加，該問題變得更加艱巨。
0004一種應(yīng)用于具有金屬化引線的器件中的已知排熱方法聚焦于通過從有源表面到無源表面的半導(dǎo)體芯片厚度的熱量傳輸。無源表面又被貼附到金屬化引線框架的芯片安裝底座，以便熱能可以流入金屬化引線框架的芯片底座。典型的聚合物貼附材料的層代表熱阻擋層。當(dāng)引線框架被適當(dāng)形成時(shí)，引線框架能夠充當(dāng)至外部熱沉的熱擴(kuò)散器。在許多半導(dǎo)體封裝設(shè)計(jì)中，這意味著引線框架的一部分被制成從塑料器件封裝中突出出來。因而就能夠?qū)⒃摬糠种苯淤N附到所述外部熱沉。例子描述于美國專利第5,594,234號(名稱為“Downset Exposed DieMount Pad Leadframe and Package”)和美國專利第6,072,230號(名稱為“Bending and Forming Method of Fabricating Exposed Leadframes forSemiconductor Devices”)。
0005另一種應(yīng)用于無引線框架的球柵陣列器件中的已知方法采用了一個(gè)熱擴(kuò)散器，該熱擴(kuò)散器與半導(dǎo)體芯片的有源表面附近的電連接相隔一段距離。在這一方法中，熱量必須首先擴(kuò)散通過厚度肉眼可見的模塑材料(典型地是填有無機(jī)顆粒的環(huán)氧樹脂和普通的熱導(dǎo)體)，然后擴(kuò)散到金屬化熱擴(kuò)散器中。通常，該擴(kuò)散器位于模塑封裝件的表面上。在其他器件中，該擴(kuò)散器被嵌入在模塑封裝件中，如名稱為“Semiconductor Package having an Exposed Heat Spreader”的美國專利第6,552,428號中所述的。
0006對于具有小輪廓(都相對于占用面積和器件高度而言)的無引線器件，封裝工藝中的魯棒性(robustness)需求促進(jìn)了這類排熱方法的應(yīng)用，尤其是在封裝工藝中帶有轉(zhuǎn)移模塑和注模方法時(shí)。任何這樣的熱改進(jìn)措施必須是低成本的，以符合降低總半導(dǎo)體器件封裝成本的強(qiáng)勢的市場要求。

發(fā)明內(nèi)容
0007因此，需要一種低成本、熱性能良好、電學(xué)性能高的無引線結(jié)構(gòu)。此外，需要一種通用的半導(dǎo)體封裝結(jié)構(gòu)，其基于根本物理性質(zhì)和設(shè)計(jì)概念，這些概念足夠靈活，以便應(yīng)用于不同的半導(dǎo)體產(chǎn)品系列以及廣泛的設(shè)計(jì)和組裝變型中。其不僅應(yīng)該滿足高的熱學(xué)和電學(xué)性能要求，而且還應(yīng)該在提高工藝成品率和器件可靠性方面實(shí)現(xiàn)改進(jìn)。本發(fā)明致力于這些需求，提供了集成電路的改善的熱性能，尤其適用于SON、SOIC、SOP以及PDIP系列的集成電路。
0008本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例為半導(dǎo)體器件，該器件包括具有第一表面和第二表面的金屬化引線框架。引線框架包括一個(gè)芯片底座和多個(gè)節(jié)段。芯片底座由多個(gè)帶箍固定，其中每個(gè)帶箍具有一個(gè)溝槽。芯片被安裝在芯片底座上，并被電連接到所述節(jié)段。一個(gè)熱擴(kuò)散器被設(shè)置在引線框架的第一表面上。該熱擴(kuò)散器具有一個(gè)在芯片連接的上方留有空間的中心部分，而且還具有定位件，這些定位件從中心部分的邊緣向外延伸，從而置于所述帶箍的溝槽中。封裝材料包圍著芯片、電連接和熱擴(kuò)散器定位件，并且填充了熱擴(kuò)散器與芯片之間的空間，同時(shí)讓第二引線框架表面和熱擴(kuò)散器中心部分暴露。引線框架和熱擴(kuò)散器的基金屬優(yōu)選為銅。優(yōu)選的引線框架以及熱擴(kuò)散器的厚度在約300和150μm之間。芯片底座帶箍中溝槽的深度優(yōu)選為引線框架厚度的大約一半。優(yōu)選地，熱擴(kuò)散器具有一種三維的類穹頂形狀，連同金屬化的芯片底座近似于一個(gè)包圍著芯片的、幾乎閉合的導(dǎo)熱外殼。而且，熱擴(kuò)散器優(yōu)選形成有至少一個(gè)溝槽，以使其增強(qiáng)與封裝材料的附著力。
0009在本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例中，一個(gè)熱沉與熱擴(kuò)散器中心部分接觸。在本發(fā)明的又一個(gè)實(shí)施例中，另一個(gè)熱沉與引線框架的第二表面接觸。
0010本發(fā)明的一個(gè)技術(shù)優(yōu)點(diǎn)在于，為半導(dǎo)體封裝提供了低成本的設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)選擇，從而建立陡溫度梯度的短路徑，以便將熱通量從高溫IC部分散失到(外部)熱沉。
0011另一個(gè)技術(shù)優(yōu)點(diǎn)在于，本發(fā)明的實(shí)施能夠利用已安裝的設(shè)備基礎(chǔ)來實(shí)現(xiàn)，這樣就不需要對新生產(chǎn)設(shè)備進(jìn)行投資。
0012根據(jù)下文對本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例的描述，并結(jié)合附圖和所附權(quán)利要求中陳述的特征，本發(fā)明所代表的技術(shù)進(jìn)步及其目的將變得明顯。


0013圖1是說明本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的、已封裝的半導(dǎo)體器件的示意性剖視圖，圖1包括了沿圖2中的線A-A’截取的橫截面。
0014圖2是圖1所示的半導(dǎo)體器件的示意性頂視圖。
0015圖3是與圖1類似的視圖，說明了本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例。
具體實(shí)施例方式
0016圖1示出了一個(gè)說明本發(fā)明實(shí)施例的已封裝半導(dǎo)體器件，其被總體地標(biāo)示為100。芯片101通過粘性芯片貼附材料102安裝到一個(gè)金屬化引線框架103的第一表面103a上。貼附粘結(jié)劑102是導(dǎo)熱的；優(yōu)選地，其是填有銀的環(huán)氧樹脂。芯片101的半導(dǎo)體材料優(yōu)選為硅。或者芯片101可包括硅鍺、砷化鎵，或用于器件制造的任何其他半導(dǎo)體材料。
0017芯片101具有有源表面101a(其包括諸如集成電路、分立晶體管和二極管的組件)和無源部件(其包括電容器和電阻器)。器件工作時(shí)，有源表面101a產(chǎn)生熱能/熱量，為了維持優(yōu)選的工作溫度并防止有源組件過熱，必須將這種熱能/熱量轉(zhuǎn)移走。
0018排除熱能的最有效的方法是利用傳導(dǎo)。不太有效、但仍受歡迎的方法是通過對流和輻射進(jìn)行熱傳輸。就定量而言，熱傳導(dǎo)的能量傳輸由一個(gè)微分方程表示，根據(jù)傅立葉方法，將單位時(shí)間的熱通量表示為熱導(dǎo)率λ乘以溫度下降方向的溫度T的梯度，再乘上垂直于溫度梯度方向的面積qdQ/dt＝-λ·(grad T)·q在該方程中，Q是熱通量的矢量(在大小和方向上)，λ是熱導(dǎo)率(一種材料特性)。熱通量沿著溫度差值的方向，并與該差值的大小成比例。
0019如果在一段長度L上，溫度下降從高溫T2到低溫T1是穩(wěn)定均勻的，那么(grad T)簡化為(T2-T1)/LdQ/dt＝-λ·(q/L)·(T2-T1)λ·(q/L)稱為熱導(dǎo)，其倒數(shù)L/(λ·q)稱為熱阻(類似于歐姆定律)。
0020在本發(fā)明中，同時(shí)提高λ·q和(grad T)，以便增加從半導(dǎo)體芯片101的有源表面101a上的發(fā)熱有源組件垂向?qū)ё叩臒嵬俊?br> 0021除了增加從有源芯片表面垂向?qū)ё叩臒嵬客?，還有一種傳統(tǒng)的可能的在相反方向上傳導(dǎo)熱能的方法，該相反方向是從半導(dǎo)體材料芯片101至其無源表面101b，然后到引線框架103。通過引線框架103的第二表面103b，熱通量能夠進(jìn)入周圍環(huán)境或者所貼附的襯底。
0022引線框架103由基金屬材料制成，優(yōu)選銅或銅合金。替代性基金屬包括黃銅、鋁、鐵鎳合金(例如“合金42”)以及因瓦合金。通常，基金屬由鍍層完全覆蓋；例如，銅基金屬可以鍍有一鎳層。(在此定義引線框架的起始材料稱為“基金屬(base metal)”，表示金屬類型。因此，“基金屬”的術(shù)語不應(yīng)被解釋為電化學(xué)中的意義(與“貴金屬”相對)或結(jié)構(gòu)上的意義)。
0023引線框架103的基金屬源于一種厚度范圍優(yōu)選為100μm至300μm的金屬片。更薄片也是可能的。這一厚度范圍的延展性提供了5％至15％的伸長率，這有利于節(jié)段彎曲和成形操作。引線框架是從起始金屬片壓印或蝕刻而成的。
0024如上所述，引線框架103通?？杀诲兩侠缫绘噷?，該鍍層優(yōu)選是粗糙的非反射鎳，其厚度在0.2至1.0μm之間，優(yōu)選為0.5±25μm。鎳為優(yōu)選金屬，是因?yàn)楫?dāng)鎳被置于當(dāng)代器件的錫基焊料之下時(shí)，鎳可以減小錫須化的傾向。鍍鎳層對于引線框架的彎曲和成形工藝是易延展的。
0025圖1包括一個(gè)沿圖2所示器件的線A-A’截取的橫截面。因此，引線框架103的材料在圖1中顯示是連續(xù)的，但它實(shí)際上包括芯片底座104和多個(gè)支撐芯片底座104的帶箍105。每個(gè)帶箍105具有一個(gè)深度106a和寬度106b的溝槽106(參見圖2)。優(yōu)選地，帶箍溝槽的深度106a大致是引線框架材料厚度的一半，因而深度為約50至150μm。圖1中沒有示出引線框架的多個(gè)節(jié)段107(但它們被清楚地表示在圖2中)。半導(dǎo)體芯片101被電連接到引線框架的節(jié)段；例如，圖1示出了一對接合引線或鍵合引線108，它們用作芯片接觸焊盤與引線框架節(jié)段(未示出)之間的芯片連接。
0026圖1進(jìn)一步示出了一個(gè)熱擴(kuò)散器110，該熱擴(kuò)散器被設(shè)置在引線框架的第一表面103a上。熱擴(kuò)散器110具有一個(gè)在芯片101上方留有空間的中心部分110a和芯片連接107。而且，熱擴(kuò)散器110具有多個(gè)定位件110b，這些定位件從中心部分110a的邊緣向外延伸，從而處于引線框架帶箍105的溝槽106中。該熱擴(kuò)散器優(yōu)選由銅制成，厚度范圍與引線框架100到300μm的金屬相當(dāng)。
0027典型地，熱擴(kuò)散器是從金屬片中壓印和成形的。在這個(gè)過程中，定位件110b得到的構(gòu)形使得封裝材料被牢固地錨定在熱擴(kuò)散器上。圖1示意性示出了適當(dāng)成形的定位件的一個(gè)例子，這些定位件至少有一個(gè)用于封裝粘合的彎曲。該圖進(jìn)一步示出了一種將定位件的尖端或末端111定位在帶箍溝槽106中的方式。利用溝槽的深度，這種定位確保熱擴(kuò)散器的錨定足夠牢固，以抵抗轉(zhuǎn)移模塑工藝中模塑化合物(或稱模塑料)的任何壓力。
0028在其最后的形狀中，熱擴(kuò)散器100包括一個(gè)三維鐘形金屬部件。對于器件100而言，該鐘形熱擴(kuò)散器連同引線框架的金屬化芯片底座104近似于一個(gè)包圍著芯片101的集成的強(qiáng)導(dǎo)熱性外殼。
0029器件100由封裝材料120封裝，該封裝材料包圍著芯片101、電連接108以及擴(kuò)散器定位件110b。封裝材料填充了擴(kuò)散器110與芯片101之間的空間，但是讓第二引線框架表面103b和熱擴(kuò)散器中心部分110暴露。優(yōu)選的封裝材料是含有導(dǎo)熱填料的模塑化合物。
0030圖1的橫截面是沿圖2的線A-A’截取的。圖2本身是本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的示意性頂視圖，其中虛線表示塑料封裝內(nèi)的器件特征。參考數(shù)字110a顯示了熱擴(kuò)散器的中心部分的輪廓。四個(gè)定位件110b從中心部分的邊緣向外延展，并置于引線框架的芯片底座帶箍105的溝槽106中。安裝在底座103上的芯片101具有多個(gè)接觸焊盤201，為清楚起見，圖2中僅示出了四個(gè)焊盤。接合引線108將芯片焊盤201連接到引線框架節(jié)段107；為清楚起見，圖2僅示出了多個(gè)節(jié)段之外的四條接合連接。
0031在圖3的示意性截面圖中，圖1中的器件100被示為貼附有熱沉，實(shí)際上，圖3示出了兩個(gè)熱沉，但對于某些應(yīng)用，一個(gè)熱沉就已足夠。第一熱沉301由貼附材料302安裝在具有熱擴(kuò)散器110暴露中心部分110a的器件表面。第二熱沉303由貼附材料304安裝在具有芯片底座104暴露表面103b的引線框架表面上。熱沉301和/或303可以提供陡溫度梯度(grad T)，用以增強(qiáng)從有源芯片表面101a上的發(fā)熱有源器件中導(dǎo)走的熱通量。同時(shí)，具有高熱導(dǎo)率λ和垂直于溫度梯度的大面積q的金屬化引線框架和金屬化熱擴(kuò)散器的結(jié)合提高了λ·q的乘積。
0032雖然參考說明性實(shí)施例描述了本發(fā)明，但這種描述不應(yīng)以限制意義來解釋。參考本發(fā)明的描述，本發(fā)明的說明性實(shí)施例以及其他實(shí)施例的各種修改和組合對于本領(lǐng)域技術(shù)人員而言是明顯的。例如，本發(fā)明覆蓋了制于硅、硅鍺、砷化稼、或任何其他用于集成電路制造的半導(dǎo)體材料的襯底上的集成電路。作為另一個(gè)例子，本發(fā)明一般覆蓋了發(fā)熱半導(dǎo)體單元。這一概念包括單片以及多片器件。而且，這一概念包括采用絲焊法組裝和倒裝法組裝的器件。
權(quán)利要求
1.一種半導(dǎo)體器件，包括金屬化引線框架，其具有一個(gè)由多個(gè)帶箍支撐的芯片底座，每個(gè)帶箍具有一個(gè)溝槽；半導(dǎo)體芯片，其安裝在所述芯片底座上，并且具有從所述芯片至所述引線框架的電連接；設(shè)置在所述引線框架上的熱擴(kuò)散器，所述熱擴(kuò)散器具有一個(gè)在所述芯片的上方留有空間的中心部分以及從所述中心部分往外延伸且伸入所述引線框架的溝槽中的定位件；和封裝材料，其包圍著所述芯片、電連接以及熱擴(kuò)散器的定位件，填充了所述熱擴(kuò)散器與芯片之間的所述空間，讓所述引線框架熱擴(kuò)散器中心部分的表面暴露。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的器件，其中所述熱擴(kuò)散器進(jìn)一步包括一個(gè)三維鐘形組件，其連同所述金屬化芯片底座近似于一個(gè)包圍所述芯片的閉合導(dǎo)熱外殼。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的器件，進(jìn)一步包括第一熱沉，其與所述熱擴(kuò)散器中心部分接觸。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的器件，進(jìn)一步包括第二熱沉，其與所述引線框架的所述第二表面接觸。
5.根據(jù)權(quán)利要求1-4中任一項(xiàng)所述的器件，其中所述引線框架由銅或銅合金制成。
6.根據(jù)權(quán)利要求1-5中任一項(xiàng)所述的器件，其中所述引線框架的厚度范圍為約100至300μm。
7.根據(jù)權(quán)利要求1-6中任一項(xiàng)所述的器件，其中所述芯片底座具有四個(gè)帶箍。
8.根據(jù)權(quán)利要求1-7中任一項(xiàng)所述的器件，其中所述帶箍溝槽的深度大致為所述引線框架材料厚度的一半。
9.根據(jù)權(quán)利要求1-8中任一項(xiàng)所述的器件，其中所述熱擴(kuò)散器由銅制成。
10.根據(jù)權(quán)利要求1-9中任一項(xiàng)所述的器件，其中所述熱擴(kuò)散器材料的厚度范圍為約100至300μm。
11.根據(jù)權(quán)利要求1-10中任一項(xiàng)所述的器件，其中所述熱擴(kuò)散器具有四個(gè)定位件。
12.根據(jù)權(quán)利要求1-11中任一項(xiàng)所述的器件，其中所述芯片通過導(dǎo)熱粘結(jié)劑安裝在所述芯片底座上。
13.根據(jù)權(quán)利要求1-12中任一項(xiàng)所述的器件，其中所述封裝材料是具有導(dǎo)熱填充材料的模塑化合物。
14.一種裝置，包括具有第一表面和第二表面的金屬化引線框架，所述引線框架包括一個(gè)用于安裝發(fā)熱物體的底座；固定所述底座的多個(gè)帶箍，每個(gè)帶箍具有一個(gè)溝槽；和設(shè)置在所述引線框架的所述第一表面上的熱擴(kuò)散器，所述熱擴(kuò)散器包括一個(gè)在所述底座的上方留有空間的部分，以及從所述部分的邊緣向外延伸從而置于所述帶箍的所述溝槽中的定位件。
全文摘要
一種半導(dǎo)體器件，其包括一個(gè)安裝在引線框架(103)上的芯片(101)，所述芯片處于一個(gè)熱擴(kuò)散器(110)中心部分(100a)的下方。所述熱擴(kuò)散器(110)具有定位件(110b)，所述定位件從中心部分(100a)向外和向下延伸到引線框架(103)的溝槽(106)中。封裝材料(120)填充了芯片(101)與熱擴(kuò)散器(110)之間的空隙。帶箍(105)抵抗?jié)沧⒌姆庋b材料的壓力將定位件(110b)的尖端(111)固定到溝槽(106)中。
文檔編號H01L23/10GK1961428SQ200580017609
公開日2007年5月9日 申請日期2005年6月20日 優(yōu)先權(quán)日2004年6月18日
發(fā)明者A·L·夸勒, W·D·博伊德, C·哈加, L·S·斯旺森 申請人:德克薩斯儀器股份有限公司