專利名稱：層疊的功率轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及半導(dǎo)體器件領(lǐng)域，更具體涉及功率轉(zhuǎn)換和控制結(jié)構(gòu)及其形成方法。
背景技術(shù)：
提供例如用于使用直流一直流(DC-DC)轉(zhuǎn)換器改變直流功率之類的功率轉(zhuǎn)換器 功能的半導(dǎo)體器件被用于各種功能。例如，可轉(zhuǎn)換來自一個(gè)或多個(gè)電池的輸入直流功率以 提供比輸入直流電壓高或低的電壓的一個(gè)或多個(gè)功率輸出。使用集成電路(IC)實(shí)現(xiàn)功率 轉(zhuǎn)換功能通常要求與電壓輸入(V輸入)電耦合的直流高側(cè)晶體管、與接地端電耦合的直流低 側(cè)晶體管以及控制電路。例如，在同步步進(jìn)降壓器件(即“同步降壓”轉(zhuǎn)換器)中，通過交 替地啟用高側(cè)器件和低側(cè)器件來執(zhí)行功率轉(zhuǎn)換以降低電壓，其中由控制電路在高效率和通 過器件的低功率損耗下執(zhí)行開關(guān)和控制功能。需要可在高功率密度(例如高電壓和高電流)下工作的功率轉(zhuǎn)換器電路，尤其是 能在合理成本下高效地轉(zhuǎn)換高密度功率的器件。高功率密度下的一個(gè)挑戰(zhàn)是輸出電路系統(tǒng) 的大小隨著轉(zhuǎn)換器的額定電壓和電流增大而增大。已經(jīng)使用了控制器電路、高側(cè)器件以及 低側(cè)器件的不同實(shí)現(xiàn)方式，其中每種實(shí)現(xiàn)方式均有它自身的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。如

圖1所描繪，共同封裝器件10可包括一個(gè)半導(dǎo)體管芯12上的用于提供控制器 IC的控制電路系統(tǒng)、第二管芯14上的高側(cè)器件以及第三管芯16上的低側(cè)器件。圖2中 描繪了圖1器件的電路圖，圖2還描繪了控制器電路電路12、與νΛλ (VIN)電耦合的高側(cè) MOSFET 14、以及與器件電源接地端(P·)電耦合的低側(cè)MOSFET 16。這些器件可具有如所 描繪的標(biāo)準(zhǔn)封裝引腳輸出和引腳分配。在不同管芯上形成控制器、低側(cè)以及高側(cè)器件會(huì)產(chǎn) 生與控制器IC上的互連寄生效應(yīng)有關(guān)的問題，這些問題會(huì)不利地影響器件性能。這可能源 自接合線中固有的寄生電感、電磁干擾(EMI)、振鈴現(xiàn)象、效率損失等。諸如銅板(或夾具) 接合或帶式連接之類的較高質(zhì)量連接可用于減少寄生效應(yīng)，但這增加了組裝成本。此外，共 同封裝的標(biāo)準(zhǔn)垂直MOSFET會(huì)產(chǎn)生具有與輸出節(jié)點(diǎn)串聯(lián)的寄生電感的電路。由寄生電感引 起的問題在本領(lǐng)域存在已久。雖然可將電容器連接至諸如輸入(Vfli入)和接地端之類的輸 出端子以補(bǔ)償連接至這些節(jié)點(diǎn)的電感的不利影響，但不能將電容連接至諸如輸出(Vf_，也 稱為相節(jié)點(diǎn)或開關(guān)節(jié)點(diǎn))之類的內(nèi)部節(jié)點(diǎn)。此外，例如，由于多個(gè)管芯附連步驟(此示例中為三個(gè)管芯)的原因，以及需要附 加空間用于分開毗鄰管芯以容納管芯附連填料、管芯放置公差以及管芯轉(zhuǎn)動(dòng)公差——該附 加空間降低了可實(shí)現(xiàn)的功率密度，所以包含三個(gè)不同管芯的封裝具有較高制造成本。為減 少毗鄰管芯之間的電干擾，將每個(gè)管芯放置在不同的管芯焊盤上。 共同封裝器件的示例包括具有共同封裝的高側(cè)MOSFET和外部肖特基二極管的不同步降壓器、具有共同封裝的高側(cè)和低側(cè)MOSFET的不同步降壓器、具有共同封裝的高側(cè)和 低側(cè)MOSFET的同步降壓器、具有共同封裝的MOSFET的升壓轉(zhuǎn)換器、以及具有公共封裝的 MOSFET和肖特基二極管的升壓轉(zhuǎn)換器。還可將分立器件分離地安裝于印刷電路板。在該解決方案中，包含控制器電路系 統(tǒng)的第一封裝管芯與包含高側(cè)MOSFET的第二封裝管芯以及包含低側(cè)MOSFET的第三封裝協(xié) 同使用。這三個(gè)封裝安裝在印刷電路板上。然而，因?yàn)楣苄竞捅仨氈圃旌吞幚淼莫?dú)立封裝 的數(shù)量至少增至三倍，這會(huì)增加封裝成本，且在印刷電路板上使用的面積也增大，從而導(dǎo)致 電路板大小增大。存在對(duì)其中器件處理成本和器件覆蓋區(qū)域被減小、同時(shí)提供具有足夠器件電氣特 性以及低寄生電感和電容的功率轉(zhuǎn)換器件的功率轉(zhuǎn)換器的需求。
附圖簡(jiǎn)述包括在說明書中且構(gòu)成說明書一部分的附圖示出了本發(fā)明的多個(gè)實(shí)施例，且與說 明書一起用于解釋本發(fā)明的原理。在附圖中圖1是常規(guī)功率轉(zhuǎn)換器件的仰視圖；圖2是包括輸出功率器件的電壓轉(zhuǎn)換器件的示意圖；圖3是可用于本發(fā)明的實(shí)施例的半導(dǎo)體管芯的部分橫截面；圖4是本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的平面俯視圖；圖5、6和8-10是用于實(shí)施本發(fā)明的實(shí)施例的第一方法的平面俯視圖，且圖7是該 方法的部分橫截面；圖11-15是本發(fā)明的其他實(shí)施例的平面圖；以及圖16-18是用于本發(fā)明的實(shí)施例的引線框架和“夾具框架”結(jié)構(gòu)的平面圖。應(yīng)當(dāng)注意的是，已簡(jiǎn)化了附圖的某些細(xì)節(jié)，并繪制成便于理解本發(fā)明實(shí)施例，而非 保持嚴(yán)格的結(jié)構(gòu)準(zhǔn)確性、細(xì)節(jié)以及比例。
具體實(shí)施例方式將詳細(xì)參照本發(fā)明的實(shí)施例(示例性實(shí)施例)，在附圖中示出了實(shí)施例的示例。在 可能時(shí)，將在所有附圖中使用相同的附圖標(biāo)記來指示相同或類似的部件。諸如直流一直流轉(zhuǎn)換器之類的常規(guī)功率轉(zhuǎn)換器件的實(shí)施例可典型地包括如上所 述共同封裝在單個(gè)器件中的三個(gè)管芯，該器件具有以諸如圖1所描繪的標(biāo)準(zhǔn)配置排列的輸 入/輸出引線。2009年5月21日提交的題為“基于平面器件、結(jié)構(gòu)以及方法的功率轉(zhuǎn)換器的共同 封裝手段(Co-Packaging Approach for Power Converters Based on Planar Devices, Structure and Method) ”的美國(guó)專利申請(qǐng)S/N 12/470，229中公開了包含在單個(gè)管芯(稱 為“功率管芯”)上的高側(cè)功率輸出晶體管(高側(cè)器件)和低側(cè)功率輸出晶體管(低側(cè)器 件)的器件設(shè)計(jì)。該申請(qǐng)與本發(fā)明一起被共同轉(zhuǎn)讓并通過引用整體結(jié)合在本文中，該申請(qǐng) 描述了將功率管芯與具有不同管芯上的控制器電路系統(tǒng)的控制器IC 一起使用，該控制器 IC可單獨(dú)封裝并放置在諸如印刷電路板(PCB)的支承襯底上，或可作為被共同封裝為諸如 密封半導(dǎo)體器件的單個(gè)半導(dǎo)體器件的兩個(gè)不同管芯。 圖3描繪了來自參照申請(qǐng)的可與本器件一起使用的示例性管芯。圖3的結(jié)構(gòu)可包括電壓轉(zhuǎn)換器功率輸出器件，該器件具有在單個(gè)半導(dǎo)體管芯上形成的高側(cè)功率器件MOSFET30和低側(cè)功率器件MOSFET 32?？梢允墙饘俚膶?dǎo)電層具有第一部分34，該第一部分34連 接至高側(cè)MOSFET的漏極區(qū)，且與電壓輸入(Vfli入)電耦合。導(dǎo)電層的第二部分36連接至低 側(cè)MOSFET的源極區(qū)，且與接地端電耦合。可進(jìn)一步配置該器件使半導(dǎo)體襯底38通過功率 管芯的后面將其輸出提供給功率轉(zhuǎn)換器的電感器。因此該功率管芯可通過背面提供器件開 關(guān)節(jié)點(diǎn)。圖3(以及下述圖7)描繪具有平行的“條形”柵極指部的功率器件。幾何形狀的 變型是可能的，諸如功率器件領(lǐng)域的普通技術(shù)人員所公知的“閉孔型”幾何形狀。閉孔型幾 何形狀指的是具有包圍源極和主體觸點(diǎn)的柵極指部的結(jié)構(gòu)。這些室可以是正方形、矩形、六 角形等。2009年5月26日提交的題為“使用溝槽柵極低側(cè)和LDMOS高側(cè)MOSFET的單管芯輸 出功率級(jí)、結(jié)構(gòu)以及方法(Single Die Output Power Stage Using Trench-Gate Low-Side and LDMOS High-Side MOSFETs，Structure and Method) ”的美國(guó)專利申請(qǐng) S/N 12/471,911 中描述了包含單個(gè)管芯上的高側(cè)MOSFET和低側(cè)MOSFET的另一器件，該申請(qǐng)與本申請(qǐng)一起 被共同轉(zhuǎn)讓并通過引用整體結(jié)合于此。在本申請(qǐng)中詳細(xì)描述的器件也可與本發(fā)明一起使 用。本發(fā)明的實(shí)施例可包括除參考文獻(xiàn)中描述的配置之外的多種配置。實(shí)現(xiàn)功率轉(zhuǎn)換 功能可包括使用包括與電壓輸入(Vfli入)電耦合(并提供開關(guān))的一個(gè)或多個(gè)直流高側(cè)開 關(guān)的第一半導(dǎo)體管芯，以及與接地端電耦合(并提供開關(guān))的一個(gè)或多個(gè)直流低側(cè)開關(guān)。 該器件還可包括第二半導(dǎo)體管芯，該第二半導(dǎo)體管芯包括用于在適當(dāng)時(shí)刻控制高側(cè)和低側(cè) 開關(guān)的選通(和開關(guān)切換)的控制電路。高側(cè)和低側(cè)開關(guān)(即功率器件)可包括諸如場(chǎng)效 應(yīng)晶體管(FET)或雙極晶體管之類的各種類型的一個(gè)或多個(gè)晶體管。如本文所使用，“晶 體管”是包括柵極、源極以及漏極(M0SFET晶體管)或基極、發(fā)射極以及集電極(雙極晶體 管)的電子器件，其中通過向晶體管器件施加閾值電壓可使流過晶體管的電流在選定時(shí)刻 導(dǎo)通和截止。也如本文所使用，“控制器IC”是包括可用于在適當(dāng)時(shí)刻控制高側(cè)和低側(cè)開關(guān) 的選通(和開關(guān)切換)的控制電路系統(tǒng)的半導(dǎo)體管芯。雖然使用晶體管提供本發(fā)明的一個(gè) 實(shí)施例，但如果使用了具有足夠低電阻和高速度的MEMS器件，則功率器件可包括微機(jī)電開 關(guān)(MEMS)。取決于應(yīng)用，還可使用其他開關(guān)器件。本發(fā)明的各個(gè)實(shí)施例也可具有多個(gè)輸入/輸出引腳配置。雖然本發(fā)明的各實(shí)施例 不受特定引腳配置限制，除非這樣指明，但在一個(gè)示例性實(shí)施例中，可使用圖4器件40的引 腳分配配置。應(yīng)當(dāng)注意，為便于本發(fā)明的描述，圖4-6和8-10是器件頂面的平面圖，而圖1 是器件底面的平面圖。圖5-10中描繪了用于提供諸如步進(jìn)降壓(“同步降壓”)器件之類的電壓轉(zhuǎn)換器 的本發(fā)明的第一實(shí)施例。同步降壓轉(zhuǎn)換器使用NMOS高側(cè)和NMOS低側(cè)器件實(shí)現(xiàn)高性能，而 升壓轉(zhuǎn)換器可使用低側(cè)NM0S，具有與輸出負(fù)載串聯(lián)連接的肖特基二極管。不同步降壓器可 使用高側(cè)NMOS或PM0S，其中肖特基二極管或多個(gè)二極管用作低側(cè)器件以代替FET。圖5描 繪諸如四方扁平無引線(QFN)引線框架的引線框架，其包括多個(gè)引線50和管芯焊盤52。第 一半導(dǎo)體管芯54可以是單片管芯，其包括與圖3器件相似的高側(cè)和低側(cè)功率輸出器件，以 及提供開關(guān)節(jié)點(diǎn)V胃的半導(dǎo)體襯底，該第一半導(dǎo)體管芯54通過例如導(dǎo)電環(huán)氧樹脂或其他導(dǎo) 電管芯附連技術(shù)附連至管芯焊盤。在以上參考的兩個(gè)共同待審申請(qǐng)中描述了一致的器件。在該實(shí)施例中，引線56直接連接至引線框架管芯焊盤，以提供與包括管芯焊盤的連續(xù)金屬部分整體形成的“融合引線”。參照?qǐng)D4，這些引線56是該器件的Vswh引腳輸出，且將通過 功率管芯的背面電耦合至功率管芯V胃。未在該簡(jiǎn)化圖中描繪其他引線框架結(jié)構(gòu)，諸如連接 桿，將管芯焊盤附連至引線框架、引線框架軌、以及與作為引線框架條的一部分同時(shí)組裝用 于其他器件的附加管芯焊盤。在形成與圖5相似的結(jié)構(gòu)之后，在第一半導(dǎo)體管芯上形成包括第一部分60和第二 部分62的金屬化層。也可在管芯54組裝到管芯焊盤52上之前形成提供中間導(dǎo)電平面的 該金屬化，例如在管芯制造期間形成。如圖6所描繪，形成金屬化60使之接觸導(dǎo)電層的部 分34，該部分連接至高側(cè)MOSFET的漏極區(qū)。導(dǎo)體34與電壓輸入(V·)電耦合，從而使金 屬60與￥肖入耦合。形成金屬化62以接觸導(dǎo)電層的部分36，該部分連接至低側(cè)MOSFET的 源極區(qū)。導(dǎo)體36與電源接地端地(P·)電耦合，從而使金屬62與接地端耦合。雖然如圖7 所描繪的分別形成金屬60、62作為接觸下層34、36的覆蓋層，但也可構(gòu)想使用通過電介質(zhì) 層到下層34、36的一個(gè)或多個(gè)導(dǎo)電觸點(diǎn)的方案。在形成與圖6所描繪相似的結(jié)構(gòu)之后，具有控制器電路系統(tǒng)的控制器IC管芯80 的后面附連至金屬化62，如圖8所描繪。如果使用了導(dǎo)電管芯附連粘合劑，則控制器IC的 后面(如果暴露，則為半導(dǎo)體襯底)可通過金屬62和導(dǎo)體36與器件接地端(P·)電耦合， 以提供確?？刂破鱅C芯片80的正確控制和操作所必需的連接。隨后，可使用接合線90將控制器IC 80上的接合焊盤(未單獨(dú)描繪出)電連接 (電耦合)至各個(gè)位置，諸如電連接至引線框架的引線50，如圖9中所描繪。接合線91可 將控制器IC 80上的接合焊盤連接至焊盤區(qū)92，該焊盤區(qū)92利用觸點(diǎn)連接至低側(cè)器件的柵 電極。另一接合線93可將控制器IC 80上的接合焊盤連接至焊盤區(qū)94，該焊盤區(qū)94利用 觸點(diǎn)連接至高側(cè)器件的柵電極。另一接合線95可將控制器IC上的接合焊盤連接至焊盤區(qū) 96，該焊盤區(qū)96可利用觸點(diǎn)耦合至功率管芯的襯底，以提供到開關(guān)節(jié)點(diǎn)V胃的電連接。然后，例如，可利用如圖10所描繪的夾具(夾板)使信號(hào)V輸入和Pgnd附連至適當(dāng) 的引線框架引線。可形成，例如，由銅形成的第一導(dǎo)電夾具100，以將金屬60電耦合至多個(gè) 第一引線框架引線，且可形成夾具102以將金屬62電耦合至多個(gè)第二引線。因?yàn)榻饘?0 通過層34與功率管芯Vfli入電耦合，所以通過夾具100在功率管芯νΛλ (以及通過接合線連 接90的控制器IC)與引線框架引線之間建立適當(dāng)?shù)腣fli入連接。此外，因?yàn)榻饘?2通過層 36與功率管芯P·電耦合，所以通過夾具102在功率管芯Ρ·(以及通過接合線連接90的 控制器IC)與引線框架引線之間建立適當(dāng)?shù)腜em連接。描繪Vfli入夾具100 夾具102 的圖10可與圖4的信號(hào)引腳輸出進(jìn)行比較。在一個(gè)實(shí)施例中，可分別使晶體管有源區(qū)上方 的每個(gè)夾具100、102與金屬60、62之間的接觸區(qū)最大化。可執(zhí)行諸如鈍化、密封的形成、從引線框架條分離等等之類的對(duì)圖10器件的各種 其他處理來提供諸如驅(qū)動(dòng)器MOS(DrMOS)器件之類的完工器件。應(yīng)注意，可按照除所描述次 序之外的次序來進(jìn)行各個(gè)處理步驟，所描述次序詳細(xì)給出了用于提供完工半導(dǎo)體器件的一 個(gè)示例性實(shí)施例。因此，根據(jù)如所述的實(shí)施例形成的器件可產(chǎn)生出將輸出功率器件(高側(cè)和低側(cè)) 和控制器IC封裝到單個(gè)半導(dǎo)體封裝中的器件。因?yàn)榭刂破鱅C管芯的外圍完全在輸出管芯 的外圍內(nèi)，所以可提供具有比常規(guī)器件小的覆蓋區(qū)域的封裝。此外，該器件可包括單個(gè)管芯焊盤，該單個(gè)管芯焊盤同時(shí)提供高側(cè)輸出功率器件、低側(cè)輸出功率器件以及控制器IC的功能。所描述的器件比可比擬的常規(guī)器件包括更少管芯，且提供無功能損失和等效功率電平。 此外，消除了高側(cè)器件的源極與輸出節(jié)點(diǎn)(開關(guān)節(jié)點(diǎn)Vswh)之間的寄生電感。該器件結(jié)構(gòu)與 夾具(夾板)銅接合技術(shù)相容，該技術(shù)能降低組裝成本、電阻以及寄生電容。圖11中描繪了另一實(shí)施例。在該實(shí)施例中，夾板110比圖10的夾板102覆蓋更大 面積的金屬層36，更具體而言，覆蓋控制器IC 80下方的區(qū)域。因此，在附連控制器IC 80 之前以及引線接合之前，可分別將夾板100、110附連至金屬層34、36的表面。該實(shí)施例可 在控制器IC 80與功率管芯40之間提供附加屏蔽，這能減少功率管芯與控制器IC之間的 電氣干擾。此外，焊盤92、94可鍍有MAu，以減少或消除在引線接合之前進(jìn)行的各種組裝工 藝期間的氧化。圖12中描繪了另一實(shí)施例。在該實(shí)施例中，例如，引線框架的引線與接合線120 連接，而不是與圖10實(shí)施例的夾具(夾板)連接。圖13描繪包括引線框架管芯焊盤130和引線框架引線132的實(shí)施例。在該實(shí)施 例中，引線132與管芯焊盤是非整體地形成的，但也可構(gòu)想具有該安排的實(shí)施例。圖13進(jìn) 一步描繪與圖7和8的結(jié)構(gòu)60相似、且相似地連接至高側(cè)MOSFET的漏極區(qū)、還與電壓輸入 (V輸入)電耦合的導(dǎo)電層的第一部分134。該導(dǎo)電層的第二部分136與圖7和8的結(jié)構(gòu)62 相似，且相似地連接至低側(cè)MOSFET的源極區(qū)，還與接地端電耦合?？蛇M(jìn)一步配置該器件使 半導(dǎo)體襯底將其輸出提供給功率轉(zhuǎn)換器的電感器，以使功率管芯的背面可提供器件開關(guān)節(jié) 點(diǎn)。焊盤138為高側(cè)器件的柵極提供電觸點(diǎn)，且焊盤140為低側(cè)器件的柵極提供電觸點(diǎn)。圖 13進(jìn)一步描繪控制器IC管芯80、將該控制器IC上的接合焊盤連接至引線框架的引線132 的第一接合線142、以及將導(dǎo)電層部分134、136分別連接至引線框架的引線以提供Vfli入和 Pgnd的第二接合線144。如圖所描繪，控制器IC直接位于高側(cè)功率器件和低側(cè)功率器件二者上方，從而導(dǎo) 電層部分134、136 二者直接插入功率管芯54與控制器IC 80之間。因此控制器IC 80橋 接導(dǎo)電層部分134、136 二者之間的間隙。如果控制器IC的大小與功率管芯的大小相比需 要將控制器IC放置在功率管芯的低側(cè)和高側(cè)器件二者上方，則上述安排是必須的。因而， 將控制器IC連接至導(dǎo)電層部分134、136的管芯附連粘合劑是不導(dǎo)電的，以防止電源一接地 端短路。在該實(shí)施例中，可通過具有到高側(cè)柵極的接觸的焊盤區(qū)138向控制器IC提供到高 側(cè)器件的柵極的連接，且可通過具有到低側(cè)柵極的接觸的焊盤區(qū)140向控制器IC提供到低 側(cè)器件的柵極的連接。圖14描繪其中控制器IC足夠小而僅覆蓋低側(cè)輸出功率器件、且不橋接導(dǎo)電層部 分134、136之間的間隙的實(shí)施例。因而，將控制器IC連接至低側(cè)器件的金屬136的管芯附 連粘合劑可以是不導(dǎo)電的或?qū)щ姷?。如果?dǎo)電，則控制器IC的背面將與P·電耦合。構(gòu)想了如圖15中所描繪的實(shí)施例，其中控制器IC 80如圖13 —樣橋接導(dǎo)體部分 134與136之間的間隙，且使用了夾具150和152。夾具150將導(dǎo)電層部分134電耦合至 V·引線，且夾具152將導(dǎo)電層部分136電耦合至Pem引線。因此，V·引線(圖4中的引 腳輸出8-20)通過夾具150、導(dǎo)電層部分134(與圖7中的導(dǎo)體60相似)以及導(dǎo)電層34電 耦合至V輸λ (輸出器件功率輸入)(圖7)。Pcnd引線(圖4中的引腳輸出22-39)通過夾具 152、導(dǎo)電層部分136 (與圖7中的導(dǎo)體62相似)以及導(dǎo)電層34電耦合至P·(輸出器件接地端)(圖7)。在該實(shí)施例中，將控制器IC連接至導(dǎo)體層部分134、136的管芯附連粘合劑 是不導(dǎo)電的。然而，導(dǎo)熱材料可改善離開功率管芯的熱傳導(dǎo)。在各個(gè)實(shí)施例中，用于控制器IC的管芯附連可以是在封裝組裝期間分配或在切 割之前涂敷在控制器IC管芯背面上的環(huán)氧化物。對(duì)于小于約1.0mm的封裝厚度，可使控制 器IC和功率管芯減薄至約150微米(6密耳)或更薄?？赏ㄟ^從控制器IC到高側(cè)器件頂 部上的金屬和低側(cè)器件上的金屬的“下接合”來直接建立到控制器IC的V·和P_連接。 為使引線接合回路高度最小，可使用諸如焊球縫合(stitch on ball)或逆向接合之類的標(biāo) 準(zhǔn)接合技術(shù)或其他技術(shù)。為減少組裝期間的氧化風(fēng)險(xiǎn)，這些焊盤可，例如，利用化學(xué)鍍工序 鍍有MAu。如果將銅夾具用于各個(gè)實(shí)施例，則在放置控制器IC管芯之前將其附連?？蓪⒖刂破鱅C 80放置在相比于其他節(jié)點(diǎn)較安靜的電路節(jié)點(diǎn)上。通過使控制器IC 與開關(guān)節(jié)點(diǎn)(Vswh)分離，可減少噪聲和其他干擾以產(chǎn)生優(yōu)于常規(guī)器件的改善電氣性能。圖16-18中描繪了用于為使用框架系統(tǒng)的特定器件形成匹配引線框架和導(dǎo)電夾 具的系統(tǒng)的實(shí)施例。在該實(shí)施例中，引線框架和“夾具框架”是針對(duì)圖10的管芯設(shè)計(jì)的。圖 16描繪包括四個(gè)管芯焊盤52、與圖5中所描述相似的引線50、56、引線框架軌160、以及將 管芯焊盤52附連至引線框架軌160的連接桿162。在圖16中，特別設(shè)計(jì)這些夾具使之附連 至引線164、166，且附連至半導(dǎo)體管芯的有源表面(電路側(cè))。引線56與管芯焊盤52整體 地形成，以從功率管芯的背面提供V胃。圖17描繪包括軌170、連接桿172以及夾具174和176的夾具框架結(jié)構(gòu)，這些零件 可與所描繪的形狀不同。夾具174與圖10的夾具100相似，且將附連至引線164且附連至 半導(dǎo)體管芯的有源表面。夾具176與圖10的夾具102相似，且將附連至引線166。因此，每 對(duì)夾具174和176適于附連至單個(gè)半導(dǎo)體管芯的有源表面(即用于附連至電路側(cè))。連接 桿172將各個(gè)夾具附連至夾具框架軌170。圖18描繪圖17結(jié)構(gòu)與圖16結(jié)構(gòu)的對(duì)齊，其將圖10的夾具100、102的對(duì)齊與引 線50和管芯焊盤52匹配。在制造期間，使每個(gè)夾具的一部分彎曲，以使每個(gè)夾具的第一部 分180可接觸引線框架的引線56，且每個(gè)夾具的第二部分182可以不同的程度地附連至功 率管芯的頂部，或附連至形成于功率管芯上方的導(dǎo)電層。在使用夾具框架系統(tǒng)時(shí)，可利用導(dǎo)電粘合劑將諸如功率管芯之類的管芯附連至圖 16的每個(gè)管芯焊盤52，以使每個(gè)管芯焊盤與設(shè)置在連接至該管芯焊盤的管芯背面的V胃電 耦合。在每個(gè)管芯上形成覆蓋導(dǎo)電層(它也可在管芯附連之前形成)，其第一部分連接至提 供乂《^的金屬層，且其第二部分連接至提供P·的金屬層。然后圖17的夾具174、176可利 用焊料、導(dǎo)電膠等附連至覆蓋導(dǎo)電層和每個(gè)夾具的引線，同時(shí)附連至夾具框架軌170。然后 控制器IC可附連至每個(gè)功率管芯上的一個(gè)或多個(gè)夾具。如果夾具的一部分未插入控制器 IC與功率管芯之間，則可在夾具附連之前附連控制器IC。可在組裝過程期間的適當(dāng)時(shí)刻執(zhí) 行任何引線接合?？蓪⒏竭B至圖16的引線框架和圖17的夾具框架的器件密封在模制化合 物中，然后可例如利用鋸子使每個(gè)經(jīng)組裝器件與引線框架和夾具框架分離，該鋸子將夾具 和引線框架引線從軌160、170分離以產(chǎn)生完工的半導(dǎo)體器件。在另一實(shí)施例中，例如，可利 用拾取和放置裝置將夾具與軌分離并放置在功率管芯上。 因此，本發(fā)明的實(shí)施例可包括各種所描述的元件。在一個(gè)實(shí)施例中，提供具有管芯焊盤的引線框架，且利用導(dǎo)電管芯附連粘合劑將第一半導(dǎo)體管芯附連至該管芯焊盤。該第一管芯可包括在第一半導(dǎo)體管芯上和中形成的功率轉(zhuǎn)換器高側(cè)和低側(cè)器件?？梢允前雽?dǎo)體襯底的第一管芯的背面可通過導(dǎo)電粘合劑將該器件的開關(guān)節(jié)點(diǎn)提供給管芯焊盤。與管芯 焊盤整體形成且與其電耦合的引線框架引線因此可與該器件的開關(guān)節(jié)點(diǎn)耦合以提供V胃信 號(hào)?？稍诘谝话雽?dǎo)體管芯上形成導(dǎo)電層，該導(dǎo)電層包括覆蓋高側(cè)器件的第一部分和在低側(cè) 器件上形成的與該第一部分電絕緣的第二部分。導(dǎo)電層的第一部分可電耦合至高側(cè)器件的 漏極，該高側(cè)器件的漏極也與器件電壓輸入(V輸入)電耦合。導(dǎo)電層的第二部分可與低側(cè)器 件的源極電耦合，該低側(cè)器件的源極也與器件接地端(P·)電耦合。第一夾具可與導(dǎo)電層 的第一部分電耦合，且與一個(gè)或多個(gè)引線框架引線電耦合，以使Vfli入與其所附連的引線框 架引線電耦合。第二夾具可與導(dǎo)電層的第二部分電耦合，且與一個(gè)或多個(gè)引線框架引線電 耦合，以使Prail與其所附連的引線框架引線電耦合?？衫脤?dǎo)電或不導(dǎo)電粘合劑使其上和 其中形成有控制器電路系統(tǒng)的第二半導(dǎo)體管芯附連至導(dǎo)電層的第二部分(它可提供P·)。 因此，第一半導(dǎo)體管芯直接置于第二半導(dǎo)體管芯與管芯焊盤之間，且第二管芯附連至第一 管芯的有源表面。在另一實(shí)施例中，可利用不導(dǎo)電管芯附連粘合劑使控制器IC附連至導(dǎo)電 層的第一部分和導(dǎo)電層的第二部分二者。在又一實(shí)施例中，可利用導(dǎo)電或不導(dǎo)電管芯附連 粘合劑使控制器IC附連至第一夾具或第二夾具?？蓪⒌谝话雽?dǎo)體管芯(功率管芯)和控 制器IC密封在塑性樹脂中，或以其他方式封裝以提供具有兩個(gè)半導(dǎo)體管芯和單個(gè)管芯焊 盤的功率轉(zhuǎn)換器。與包括單個(gè)封裝中的三個(gè)或多個(gè)管芯或使用提供相似功能的多個(gè)密封器 件的常規(guī)器件相比，該器件可具有降低的成本、簡(jiǎn)化的組件處理以及改善的電氣特性。盡管陳述本發(fā)明的寬泛范圍的數(shù)值范圍和參數(shù)是近似值，仍然盡可能精確地報(bào)告 在特定示例中陳述的數(shù)值。然而，任何數(shù)值固有地包含必然來自它們相應(yīng)的試驗(yàn)測(cè)量中存 在的標(biāo)準(zhǔn)差的某些誤差。而且，應(yīng)當(dāng)理解本文中公開的所有范圍為包含其中所包含的任何 和所有的子范圍。例如，“小于10”的范圍可包括在最小值0和最大值10之間(含0和10) 的任何和所有子范圍，即具有等于或大于0的最小值和等于或小于10的最大值的任何和所 有子范圍，例如1到5。在某些情況下，該參數(shù)所述的數(shù)值可取負(fù)值。在這種情況下，陳述為 “小于10”的示例值范圍可取負(fù)值，例如-1、-2、-3、-10、-20、-30等。雖然已經(jīng)關(guān)于一個(gè)或多個(gè)實(shí)現(xiàn)示出了本發(fā)明，但是可對(duì)所示示例作出變化和/或 修改，而不背離所附權(quán)利要求的精神和范圍。此外，雖然已經(jīng)關(guān)于若干實(shí)現(xiàn)中的僅一個(gè)實(shí)現(xiàn) 公開了本發(fā)明的具體特征，但在任何給定或具體功能需要和有利時(shí)，可將這樣的特征與另 一實(shí)現(xiàn)的一個(gè)或多個(gè)其它特征組合。此外，就術(shù)語“包括”、“包含”、“具有”、“有”、“帶有”或 它們的變型在詳細(xì)描述和權(quán)利要求中使用而言，這些術(shù)語旨在以與術(shù)語“包括”相似的方式 包括。術(shù)語“至少一個(gè)”用于表示可選擇所列出項(xiàng)目中的一個(gè)或多個(gè)。此外，在本文的討論 和權(quán)利要求中，相對(duì)于兩種材料所使用的術(shù)語“在……之上”、一個(gè)在另一個(gè)“之上”表示兩 種材料之間存在至少一些接觸，而“在……上方”表示這些材料接近但可能具有一種或多種 附加的插入材料，以使接觸是可能的但不是必需。如本文所使用，“在……之上”或“在…… 上方”均不表示任何方向性。術(shù)語“共形”描述一種涂層材料，其中下層材料的角受到共形 材料的保護(hù)。術(shù)語“約”表示可在某種程度上改變所列出的值，只要該改變不會(huì)導(dǎo)致過程或 結(jié)構(gòu)與所示實(shí)施例的不一致。最后，“示例性”表示用該描述作為示例，而不是表示它是最理 想的。通過考慮說明書和本文所公開的發(fā)明的實(shí)施，本發(fā)明的其它實(shí)施例對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù) 人員將變得顯而易見。旨在認(rèn)為說明書和示例僅僅是示例性的，而由所附權(quán)利要求指明本發(fā)明的真實(shí)范圍和精神 。
權(quán)利要求
一種用于形成功率轉(zhuǎn)換器的方法，包括提供包括高側(cè)功率輸出開關(guān)和低側(cè)功率輸出開關(guān)的第一半導(dǎo)體管芯；在所述高側(cè)功率輸出開關(guān)上方形成第一導(dǎo)電層部分，所述第一導(dǎo)電層部分與所述高側(cè)功率輸出開關(guān)的漏極以及器件電壓輸入(V輸入)電耦合；在所述低側(cè)功率輸出開關(guān)上方形成第二導(dǎo)電層部分，所述第二導(dǎo)電層部分與所述低側(cè)功率輸出開關(guān)的源極以及器件接地端(PGND)電耦合；將所述第一半導(dǎo)體管芯附連至管芯焊盤；以及將包括控制器電路系統(tǒng)的第二半導(dǎo)體管芯附連在所述第一半導(dǎo)體管芯上方，以使所述第一半導(dǎo)體管芯置于所述第二半導(dǎo)體管芯與所述管芯焊盤之間。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，還包括提供所述第一半導(dǎo)體管芯包括具有與所述高側(cè)功率輸出開關(guān)的開關(guān)節(jié)點(diǎn)(V胃)電耦合 的半導(dǎo)體襯底的器件；以及在所述第一半導(dǎo)體管芯與所述管芯焊盤附連期間使用導(dǎo)電管芯附連粘合劑，以將所述 第一半導(dǎo)體管芯的半導(dǎo)體襯底與所述管芯焊盤電耦合，以使與所述管芯焊盤整體形成的引 線框架引線與所述高側(cè)功率輸出開關(guān)的V胃電耦合。
3.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，進(jìn)一步包括將所述第二管芯通過引線接合 至與所述第一管芯的襯底電耦合的接合焊盤，以將開關(guān)節(jié)點(diǎn)(V胃)從所述第一半導(dǎo)體管芯 提供給所述第二半導(dǎo)體管芯。
4.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，還包括將第一夾具附連至所述第一導(dǎo)電層部分且附連至至少一個(gè)第一引線框架引線，以將V 提供給所述至少一個(gè)引線框架引線；以及 將第二夾具附連至所述第二導(dǎo)電層部分且附連至至少一個(gè)第二引線框架引線，以將 Pgnd提供給所述至少一個(gè)第二引線框架引線。
5.如權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于，還包括附連所述第一夾具和附連所述第二夾具包括提供包括第一夾具和第二夾具的夾具框 架，第一夾具和第二夾具分別通過至少一個(gè)連接桿附連至至少一個(gè)夾具框架軌； 將所述第一夾具附連至所述第一導(dǎo)電層部分和所述至少一個(gè)第一引線； 將所述第二夾具附連至所述第二導(dǎo)電層部分和所述至少一個(gè)第二引線；以及 從所述至少一個(gè)夾具框架軌和所述至少一個(gè)連接桿去除所述第一夾具和所述第二夾具。
6.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，還包括提供具有與所述管芯焊盤整體形成的至少一個(gè)融合引線的引線框架；以及 使用導(dǎo)電管芯附連粘合劑將所述第一管芯附連至所述管芯焊盤，且將所述融合引線與 開關(guān)節(jié)點(diǎn)(Vswh)電耦合，其中V胃由所述第一管芯的襯底通過所述導(dǎo)電管芯附連粘合劑提供給所述管芯焊盤。
7.—種功率轉(zhuǎn)換器件，包括包括高側(cè)功率輸出開關(guān)和低側(cè)功率輸出開關(guān)的第一半導(dǎo)體管芯，其中所述第一半導(dǎo)體 管芯附連至引線框架管芯焊盤；與所述高側(cè)功率輸出開關(guān)的漏極和器件電壓輸入(Vfli入)電耦合的第一導(dǎo)電層部分；與所述低側(cè)功率輸出開關(guān)的源極和器件接地端(Pem)電耦合的第二導(dǎo)電層部分； 覆蓋在所述第一半導(dǎo)體管芯上方的其上包括控制器電路系統(tǒng)的第二半導(dǎo)體管芯，從而 所述第一半導(dǎo)體管芯置于所述第二半導(dǎo)體管芯與所述引線框架管芯焊盤之間。
8.如權(quán)利要求7所述的功率轉(zhuǎn)換器件，其特征在于，還包括 所述第一半導(dǎo)體管芯的半導(dǎo)體襯底，用于提供所述高側(cè)功率輸出開關(guān)的開關(guān)節(jié)點(diǎn) (Vswh)；導(dǎo)電管芯附連粘合劑，用于將所述第一半導(dǎo)體管芯的所述半導(dǎo)體襯底附連至所述管芯 焊盤；與所述管芯焊盤整體形成的至少一個(gè)引線框架引線，用于通過所述第一管芯的半導(dǎo)體 襯底、所述管芯附連粘合劑以及所述管芯焊盤從所述高側(cè)功率輸出開關(guān)接收VSWⅡ。
9.如權(quán)利要求8所述的功率轉(zhuǎn)換器件，其特征在于，還包括 電連接至所述第一半導(dǎo)體管芯的所述襯底的接合焊盤；以及將所述第二半導(dǎo)體管芯電耦合至所述接合焊盤以向所述第二半導(dǎo)體管芯提供V胃的引 線接合。
10.如權(quán)利要求7所述的功率轉(zhuǎn)換器件，其特征在于，還包括附連至所述第一導(dǎo)電層部分以及所述引線框架的至少一個(gè)第一引線的第一導(dǎo)電夾具， 從而所述引線框架的所述至少一個(gè)第一引線與V輸入電耦合；以及附連至所述第二導(dǎo)電層部分以及所述引線框架的至少一個(gè)第二引線的第二導(dǎo)電夾具， 從而所述引線框架的所述至少一個(gè)第二引線與P·電耦合。
11.一種半導(dǎo)體器件，包括包括高側(cè)功率輸出晶體管和低側(cè)功率輸出晶體管的第一半導(dǎo)體管芯，其中所述第一半 導(dǎo)體管芯附連至引線框架管芯焊盤；與所述高側(cè)功率輸出晶體管的漏極和器件電壓輸入(V輸入)電耦合的第一導(dǎo)電層部分；與所述低側(cè)功率輸出晶體管的源極和器件接地端(Pem)電耦合的第二導(dǎo)電層部分； 所述第一半導(dǎo)體管芯的半導(dǎo)體襯底，用于提供所述高側(cè)功率輸出晶體管的開關(guān)節(jié)點(diǎn) (VsWⅡ) ；導(dǎo)電管芯附連粘合劑，用于將所述第一半導(dǎo)體管芯的所述半導(dǎo)體襯底附連至所述管芯 焊盤；與所述管芯焊盤整體形成的至少一個(gè)引線框架引線，用于通過所述第一管芯的半導(dǎo)體 襯底、所述管芯附連粘合劑以及所述管芯焊盤從所述高側(cè)功率輸出晶體管接收V胃；覆蓋在所述第一半導(dǎo)體管芯上方的其上包括控制器電路系統(tǒng)的第二半導(dǎo)體管芯，從而 所述第一半導(dǎo)體管芯置于所述第二半導(dǎo)體管芯與所述引線框架管芯焊盤之間； 電耦合至所述第一管芯的所述半導(dǎo)體襯底的接合焊盤；將所述第二半導(dǎo)體管芯電耦合至所述接合焊盤以向所述第二半導(dǎo)體管芯提供VSWⅡ的引 線接合；附連至所述第一導(dǎo)電層部分以及所述引線框架的至少一個(gè)第一引線的第一導(dǎo)電夾具， 從而所述引線框架的所述至少一個(gè)第一引線與V輸入電耦合；以及附連至所述第二導(dǎo)電層部分以及所述引線框架的至少一個(gè)第二引線的第二導(dǎo)電夾具，從而所述引線框架的所述至少一個(gè)第二引線與P·電耦合。
12.一種用于形成半導(dǎo)體器件的裝置，包括 至少第一和第二夾具框架軌；用于附連至半導(dǎo)體管芯的有源表面的第一夾具，其中所述第一夾具附連至所述第一夾具框架軌；以及用于附連至半導(dǎo)體管芯的有源表面的第二夾具，其中所述第二夾具附連至所述第二夾具框架軌。
13.如權(quán)利要求12所述的裝置，其特征在于，所述第一夾具與所述第二夾具形狀不同， 且所述第一和第二夾具適于附連至單個(gè)半導(dǎo)體管芯的有源表面。
14.一種功率轉(zhuǎn)換器件，包括包括高側(cè)功率輸出晶體管和低側(cè)功率輸出晶體管的第一半導(dǎo)體管芯； 在所述第一半導(dǎo)體管芯上方的金屬層；以及覆蓋所述第一半導(dǎo)體管芯的其上包括控制器電路系統(tǒng)的第二半導(dǎo)體管芯， 其中所述金屬層具有直接置于所述第一半導(dǎo)體管芯與所述第二半導(dǎo)體管芯之間的至 少一部分。
15.如權(quán)利要求14所述的功率轉(zhuǎn)換器件，其特征在于，所述金屬層是中間導(dǎo)電面，包括與器件電壓輸入(V輸入)電耦合的第一金屬層部分；以及 與器件接地端(P·)電耦合的第二金屬層部分。
16.如權(quán)利要求15所述的功率轉(zhuǎn)換器件，其特征在于，所述第二半導(dǎo)體管芯直接覆蓋 所述第一金屬層部分和所述第二金屬層部分二者。
17.如權(quán)利要求15所述的功率轉(zhuǎn)換器件，其特征在于，所述第二半導(dǎo)體管芯直接覆蓋 所述第二金屬層部分，且不直接覆蓋所述第一金屬層部分。
18.如權(quán)利要求15所述的功率轉(zhuǎn)換器件，其特征在于，還包括管芯焊盤，其中所述第一 半導(dǎo)體管芯置于所述管芯焊盤與所述第二半導(dǎo)體管芯之間。
全文摘要
一種功率轉(zhuǎn)換器可包括輸出電路，該輸出電路具有可在單個(gè)管芯(“功率管芯”)上形成的高側(cè)器件和低側(cè)器件。該功率轉(zhuǎn)換器可進(jìn)一步包括在不同管芯上形成的控制器集成電路(IC)，該不同管芯可電耦合至功率管芯并與功率管芯共同封裝。功率管芯可附連至引線框架的管芯焊盤，且控制器IC管芯可附連至第一管芯的有源表面，以使第一管芯插入控制器IC管芯與管芯焊盤之間。
文檔編號(hào)H01L23/12GK101990709SQ200980112927
公開日2011年3月23日 申請(qǐng)日期2009年11月17日 優(yōu)先權(quán)日2008年12月23日
發(fā)明者D·B·貝爾, F·赫伯特, N·凱爾科 申請(qǐng)人:英特賽爾美國(guó)股份有限公司