包括疊層的電氣器件封裝以及其制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了包括疊層的電氣器件以及其制造方法。實施方式包括：第一載體觸點、第一電氣元件，所述第一電氣元件具有第一頂面和第一底面，所述第一電氣元件包括設置在第一頂面上的第一元件觸點，所述第一底面連接至載體；以及包含有所述第二電氣元件和互連件的嵌入式系統(tǒng)，所述嵌入式系統(tǒng)具有系統(tǒng)頂面和系統(tǒng)底面，其中，所述系統(tǒng)底面包括第一系統(tǒng)觸點和第二系統(tǒng)觸點，并且其中第一系統(tǒng)觸點連接至所述第一部件觸點而第二系統(tǒng)觸點連接至所述第一載體觸點。該封裝器件進一步包括用于封裝第一電氣元件的密封物。
【專利說明】包括疊層的電氣器件封裝以及其制造方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明主要涉及封裝電氣器件，具體地，涉及一種封裝功率半導體器件，該半導體期間包括作為連接夾的層壓封裝件。
【背景技術】
[0002]向更小、更薄、更輕、更低廉的電子系統(tǒng)提供具有縮減功率消耗、更多不同功能和提高了可靠性的必要性推動了所有相關【技術領域】內(nèi)的技術革新的潮流。這對于裝配和封裝領域也是成立的，這些領域提供保護外殼，用以屏蔽外界的機械和熱影響、以及化學或輻射引起的侵襲。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]根據(jù)實施方式,封裝器件包括:載體，包括第一載體觸點；第一電氣兀件，具有第一頂面和第一底面，第一電氣元件包括設置在第一頂面上的第一元件觸點，第一底面連接至載體；以及包括第二電氣元件和互連件的嵌入式系統(tǒng)，該嵌入式系統(tǒng)具有系統(tǒng)頂面和系統(tǒng)底面，其中，該系統(tǒng)底面包括第一系統(tǒng)觸點和第二系統(tǒng)觸點，其中，第一系統(tǒng)觸點連接至所述第一元件觸點，第二系統(tǒng)觸點連接至所述第一載體觸點。該封裝器件進一步括密封第一電氣兀件的密封劑。
[0004]根據(jù)實施方式，封裝半導體器件包括:引線框，包括第一引線、第二引線、第三引線和第四引線。該封裝半導體器件進一步包括:第一半導體器件和層壓封裝件，該第一半導體器件包括第一頂面和第一底面，該第一半導體期間包括設置在第一頂面上的第一器件觸點和第二器件觸點和設置在第一底面上的第三器件觸點，所述層壓封裝件包括互連件和第二半導體器件，所述層壓封裝件具有頂封裝面和底封裝面，其中，所述第一封裝觸點和第二封裝觸點設置在底封裝面上，并且其中，第三封裝觸點和第四封裝觸點設置在頂封裝面上，第一封裝觸點和第二封裝觸點由互連元件連接。所述封裝半導體器件最后包括第一配線或?qū)щ妸A、第二配線或?qū)щ妸A、第三配線或?qū)щ妸A、以及密封第一半導體器件的密封劑，其中，所述第一封裝觸點連接至所述第一引線，其中所述第二封裝觸點連接至所述第一器件觸點，其中，所述第三封裝觸點經(jīng)由所述第一配線或?qū)щ妸A連接至所述第三引線，其中，所述第四封裝觸點經(jīng)由所述第二引線或?qū)щ妸A連接至所述第四引線，其中，所述第二器件觸點經(jīng)由所述第三配線或?qū)щ妸A連接至所述第二引線。
[0005]根據(jù)實施方式，所述封裝半導體器件包括引線框和第一半導體器件，其中，所述引線框包括第一引線、第二引線和第三引線，并且第一半導體器件包括第一頂面和第一底面，所述第一半導體器件進一步包括:設置在第一頂面上的第一裝置觸點和第二裝置觸點，以及設置在第一底面上的第三裝置觸點。所述封裝半導體器件進一步包括層壓封裝件，所述層壓封裝件包括互連件和第二半導體器件，所述層壓封裝件具有頂封裝面和底封裝面，其中，第一封裝觸點、第二封裝觸點和第三封裝觸點設置在底封裝面上。封裝半導體器件最后包括:第一引線或?qū)щ妸A以及第二引線或?qū)щ妸A，其中，第一封裝觸點連接至所述第一導線，其中，所述第二封裝觸點連接至所述第一器件觸點，其中，所述第三封裝觸點經(jīng)由所述第一引線或?qū)щ妸A連接至所述第二引線，并且其中，所述第二器件觸點經(jīng)由所述第二引線或?qū)щ妸A連接至所述第三弓I線。
[0006]根據(jù)實施方式,所述制造封裝電氣兀件的方法包括:將具有第一底面的第一電氣元件放置在載體上，所述第一底面與第一頂面相對，所述第一電氣元件在第一頂面上具有第一元件觸點。所述方法進一步包括:通過設置在層壓封裝件的底面?zhèn)鹊牡谝环庋b觸點和第二封裝觸點將載體的第一載體觸點電連接至第一電氣元件的第一元件觸點，以及密封第一電氣元件。其中，層壓封裝件包括第二電氣元件。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0007]為了更透徹地理解本發(fā)明及其優(yōu)點，現(xiàn)在結合附圖參照下文描述，其中:
[0008]圖1示出半橋電路的示意圖；
[0009]圖2示出互連至半橋電路的兩個功率半導體器件的傳統(tǒng)系統(tǒng)；
[0010]圖3a和圖3b示出了互連至半橋電路的兩個功率半導體器件的另一個傳統(tǒng)系統(tǒng)；
[0011]圖4示出如何將包括第一器件的封裝電氣器件與嵌入有第二電氣器件的層壓封裝夾相連接的實施方式的截面圖；
[0012]圖5a和圖5b示出包括第一器件和嵌入有第二電氣器件的層壓封裝夾的封裝電氣器件的實施方式的截面圖和頂視圖；
[0013]圖6a和圖6b示出包括第一器件和嵌入有第二電氣器件的層壓封裝夾的封裝電氣器件的另一實施方式的截面圖和頂視圖；
[0014]圖7a和圖7b示出包括第一器件和嵌入有第二電氣器件的層壓封裝夾的封裝電氣器件的又一實施方式的截面圖和頂視圖；
[0015]圖8a和圖Sb示出包括第一器件和嵌入有第二電氣器件的層壓封裝夾的封裝電氣器件的再一實施方式的截面圖和頂視圖；
[0016]圖Sc示出包括第一器件和嵌入有第二電氣器件的層壓封裝夾的封裝電氣器件的實施方式的截面圖，其中，所述第一器件密封在層壓封裝中；以及
[0017]圖9是示出包括層壓封裝夾的封裝電氣器件的制造方法的實施方式。
【具體實施方式】
[0018]以下詳細討論當前優(yōu)選實施方式的制造和使用。然而，應當理解的是，本發(fā)明提供許多能夠概括在具體上下文中的可應用的發(fā)明構思。所討論的具體的實施方式僅僅用于說明用于制造和使用本發(fā)明的具體方法，并不限制本發(fā)明的范圍。
[0019]本發(fā)明的實施方式將在特定上下文中，即作為包括兩個功率半導體晶體管的封裝半橋電路進行描述。然而，本發(fā)明實施方式也可應用于其他器件類型的電路和器件，諸如邏輯或存儲器件、光電器件、MEMES、傳感器或集成電路。
[0020]圖1至圖3示出了使用功率半導體晶體管的傳統(tǒng)半橋電路布置。圖1示出半橋電路的示例性示意圖，該半橋電路包括串聯(lián)連接的具有高邊功率開關(HSS) 103的第一半導體器件101和具有低邊功率開關(LSS) 104的第二半導體器件102。半橋電路包括連接到功率開關103、104的源極、柵極和漏極觸點的終端觸點132、134、142、144、152、154。功率開關103、104的開關由施加到柵極觸點142、144的電壓控制。
[0021]半橋電路通常不集成到一個基板上，因為相應的占地面積過大。相反，半橋電路的單獨功率開關是獨立器件，這些獨立器件一起封裝在單個封裝內(nèi)。圖2是示出了這種傳統(tǒng)半橋電路的截面圖。半橋電路200包括設置在引線框212上的第一功率開關201，其中開關201機械地且電氣地連接至引線框212。引線框212包括引線214、216、218、219。半橋電路進一步包括設置在第一功率開關201上的第二功率開關202。連接層240提供第一功率開關201和第二功率開關202之間的機械連接和電連接。第一功率開關201和第二功率開關202通過配線282、284、286、288電連接至引線214、216、218、219。
[0022]圖3a和圖3b示出了另一個傳統(tǒng)半橋電路。兩個功率開關301、302串聯(lián)連接。兩個功率開關301、302通過配線和夾子(clip)的組合連接至引線。夾子382、392將功率器# 301,302與引線316、318相連接，配線384、394將功率器件301、302與引線314、319相連接。使用夾子282、292而不是焊線減少了系統(tǒng)的電阻率，因為與焊線相比，夾子具有相當大的橫截面。
[0023]傳統(tǒng)的封裝電氣器件共同的問題是封裝的尺寸。
[0024]本發(fā)明實施方式提供層壓封裝件作為第一電氣元件的元件觸點和載體的載體觸點之間的電連接元件。第二元件可以嵌入在層壓封裝件內(nèi)。層壓封裝件的封裝觸點可以經(jīng)由連接元件連接至另一載體觸點。在一實施方式中，在層壓封裝件包括預浸材料。本發(fā)明實施方式的優(yōu)點是使封裝和占地面積的尺寸進一步減小。本發(fā)明實施方式的另一優(yōu)點進一步減小了互連的總體電路徑長度，因為更長的互連會導致電容損耗、電感損耗、高功耗和信號延遲。
[0025]圖4示出在連接件(元件封裝450 )附接至元器件420之前階段的本發(fā)明實施方式。將元件封裝450附接至元器件420具有第一選擇和第二選擇。裝配系統(tǒng)，封裝電氣器件包括元器件420、元件封裝450和密封元器件420的密封材料。參考圖5至圖9討論這種裝配系統(tǒng)的實施方式。
[0026]元器件420包括載體和諸如芯片(或晶片)的第一元件430。第一元件430包含基板?；蹇梢允侵T如硅或鍺的半導體基板，或諸如SiGe、GaAs、InP、GaN或SiC或其他可選擇材料的復合基板。該半導體基板可以是單晶硅或絕緣體上的硅薄膜(SOI)。一個或更多的互連金屬化層可被布置在基板上。在互連金屬化層的頂面設置鈍化層以使其絕緣并構造元件觸點。例如，鈍化層可包含SiN。第一元件430包括頂面或第一主表面431以及底面或第二主表面432。第一兀件430可以是片上系統(tǒng)(SoC)。
[0027]第一芯片430可包括諸如單個半導體器件或集成電路(IC)的分立器件。例如，第一芯片430可包括諸如雙極性晶體管、絕緣柵雙極性晶體管(IGBT)、功率M0SFET、半導體閘流管或二極管的功率半導體器件?？蛇x擇地，第一芯片430例如可以是諸如電阻器、保護器件、電容其、傳感器或檢測器的元件。
[0028]第一元件430具有設置在第一主表面431上的第一元件觸點或第一元件觸墊。第一元件430可進一步包括第一主表面431上的第二元件觸點或第二元件觸墊。第一元件430最后可在第一主表面431或第二主表面432上包括第三元件觸點或第三元件觸墊?？蛇x擇地，第一元件430可具有布置在其第一和第二主表面431、432上的其他觸墊。
[0029]在一實施方式中，載體410是引線框。引線框410可包括引線框觸墊或引線414和416以及晶片附著區(qū)域412。引線框觸墊414、416被配置為電連接至元件觸墊，并且晶片附著區(qū)域412被配置為接納第一元件430。引線框410可包括諸如金屬的導電材料。例如，引線框410可包括銅和/或鎳。
[0030]在其他實施方式中，載體410是基板或印刷電路板(PCB)。載體410可包括載體觸墊414、416和元件放置區(qū)域412。
[0031]第一元件430在元件放置區(qū)域412附接至載體410上。例如，第一元件430的第二主表面432附接至載體410的頂面。第一元件430附接有晶片附著連接425。例如，第二主表面432使用共晶體焊接或環(huán)氧焊接接合到載體410的頂面?？蛇x擇地，第二主表面432使用膠粘帶、焊膏或焊料接合或膠合至載體410的頂面。根據(jù)具體配置，晶片附著連接425可為電連接或為絕緣層。
[0032]第一元件430的第一主表面431上的觸點(觸墊)或多個觸點(多個觸墊)通過使用元件封裝(嵌入式系統(tǒng))450連接至載體觸墊或多個載體觸墊414、416。
[0033]元件封裝450包括封裝頂面或封裝第一主表面451，以及封裝底面或封裝第二主表面452。元件封裝450可根據(jù)期望配置通過第一主表面451或第二主表面452附接至元器件420。
[0034]在一種實施方式中，元件封裝450包括作為封裝材料的疊層470。疊層470可包括導電和非導電(絕緣)材料的交替層。絕緣材料可包含預浸料坯，所述預浸料坯是多孔玻璃纖維膜。該預浸料坯可浸透雙酚A樹脂和硬化劑混合物。導電材料可包括金屬或合金。例如，導電材料可以是銅或鋁。
[0035]疊層470包括多個材料層。例如，疊層包括導電(包括傳導通路和軌跡)和非導電層，是包括由玻璃或碳化纖維加固的聚合材料，并且有時又填加無機粒子(諸如Si02、Al2O3)或類似材料。每層包括大約10 μ m至大約1000 μ m的厚度?？蛇x擇地,元件封裝450可包括其他封裝材料。
[0036]元件封裝450可包括例如為芯片(或晶片)的第二元件455。第二元件455包括基板。該基板可以是諸如硅或鍺的半導體基板，或諸如SiGe、GaAs、InP、GaN或SiC或其他材料的化合物基板。該半導體基板可以是單晶硅或絕緣體上的硅薄膜(SOI)。一個或更多的互連金屬化層可布置在基板上。鈍化層設置在限定元件觸點或元件觸墊的金屬化層的頂面。例如，鈍化層可包含SiN。第二元件455包括第二頂面456和第二底面457。第二元件455可以是片上系統(tǒng)(SoC)。
[0037]第二芯片455可包括諸如單個半導體器件或集成電路(IC)的分立元件。例如，第二芯片455可包括諸如雙極性晶體管、絕緣柵雙極性晶體管(IGBT)、功率M0SFET、半導體閘流管或二極管的功率半導體裝置?？蛇x擇地，第二芯片455可以是諸如電阻器、保護器件、電容器、傳感器或檢測器的元件。
[0038]第二元件455具有設置在第二頂面456上的第一元件觸點或第一元件觸墊。第二元件455可進一步包括第二頂面456上的第二元件觸點或第二元件觸墊。第二元件455最后在第二頂面456或第二底面457上可包括第三元件觸點或第三元件觸墊?？蛇x擇地，第一元件430可在其第二頂面和底面456、457上具有其他觸墊布置。
[0039]元件封裝450可包括連接件462。連接件可以是導電互連、導電軌跡、導電重新分布層或第二載體。元件封裝450可包括連接到第二元件455的元件觸點的第二元件封裝觸點 464、466、468。
[0040]在一個實施方式中，連接件462是引線框。引線框462可包括引線框觸墊或引線以及元件附接區(qū)域463。引線框462可包括諸如金屬的導電材料。例如，引線框462可包括銅和/或鎳。
[0041]第二元件455在芯片附著區(qū)域463附接至第二引線框462上。例如，第二元件455的第二底面457附接至引線框462的頂面。第二元件455附接有晶片附著連接。例如，第二主表面457使用共晶體焊接或環(huán)氧焊接接合到引線框462的頂面?？蛇x擇地，第二主表面457使用膠粘帶、焊膏或焊料通過擴散焊接接合、膠合、焊接或通過納米膏劑連接至引線框462。根據(jù)具體配置，元件附接連接可為電連接或為絕緣隔板。
[0042]在一個實施方式中，第二兀件455是是在第二頂面456上具有源極觸點和柵極觸點以及在第二底面457上具有漏極觸點的晶體管或者功率半導體開關。功率半導體開關的柵極觸點經(jīng)由疊層470中的跡線(trace)連接至元件封裝觸點466，功率半導體開關的源極觸點經(jīng)由疊層470中的跡線連接至元件封裝觸點464，功率半導體開關的漏極觸點經(jīng)由引線框462和通過疊層470的通孔連接連接至元件封裝觸點468。
[0043]如圖4中的箭頭所示，元件封裝450可通過上部或第一主封裝面451或下部或第二主封裝面452附接至器件420。在一種實施方式中，元件封裝可將元器件420的兩個元件觸點連接至載體410的兩個載體觸點416、414。
[0044]圖5a和圖5b是不出了封裝電氣器件500的實施方式。封裝電氣器件可以是半橋電路。封裝電氣器件包括諸如功率晶體管芯片530的第一元件和嵌入式系統(tǒng)550，嵌入式系統(tǒng)550包括諸如第二功率晶體管芯片555的第二元件。第一元件530通過嵌入式系統(tǒng)550機械地且電氣地連接至載體觸點516。
[0045]圖5a和圖5b 出電氣兀件封裝500 (例如:半橋電路)的實施方式。電氣兀件封裝的第一兀件530包括:上表面或第一主表面531上的諸如源極觸點的第一觸點532和諸如柵極觸點的第二觸點539，以及下表面的或第二主表面533上的諸如漏極觸點的第三元件觸點536。第三元件觸點(例如，漏極觸點)536經(jīng)由背側金屬化層(BSM) 525機械地和電氣地連接至諸如金屬引線框的載體510的芯片附著區(qū)域512。BSM層525可包括諸如Cr、Ti或Ta層的阻擋層，該阻擋層保護第一元件530以防止不希望的金屬原子擴散到元件內(nèi)部，BSM層525還可包括諸如Au，Ag或Cu層的層(或?qū)佣询B)，該層(或?qū)佣询B)可表現(xiàn)為進入金屬引線框510的高擴散系數(shù)。第二觸點539通過配線或?qū)щ妸A(例如:金屬夾)584連接到載體觸點519 (例如，引線519)。在一個具體實例中，第二觸點539通過配線584連接到引線519。配線584可通過球型焊接工藝、楔形焊接工藝、帶焊接工藝、色帶焊接工藝及其組合連接到第二觸點539和引線519。
[0046]元件530的第一元件觸點532通過連接件550(嵌入式系統(tǒng))連接到載體觸點516。連接件550包括諸如第二功率晶體管芯片的第二元件555、諸如導電互連、導電軌跡、重新分布層或引線框的互連件562，以及密封材料(例如，疊層)。第二元件包括第二元件555的第二頂面556上的諸如漏極接觸點的第一觸點561和諸如柵極觸點的第二觸點563，以及第二部件555的第二底面557上的諸如源極觸點的第三觸點565。嵌入式系統(tǒng)550的互連件562提供多重功能。
[0047]互連件562電連接至第一元件530的第一元件觸點532 (例如:源極觸點)以及第二元件555的第三觸點565 (例如:源極觸點)。此外，互連件562在元件觸點532、565與載體觸點(例如，引線)516之間提供導電連接(用作內(nèi)部或嵌入夾)。最后，互連件562連同通孔568建立到嵌入式系統(tǒng)550的主封裝面551或頂部封裝面上的封裝觸點569的導電通路，從而提供到外部電路的互連通道。
[0048]第二元件555的第一元件觸點561通過元件封裝觸點564電連接至載體觸點(例如:引線)514，第二元件555的第二元件觸點563通過元件封裝觸點566電連接至載體觸點(例如:引線)518。第一和第二元件觸點561、563通過連接元件(例如:導線或?qū)щ妸A)592、594連接至載體觸點514、518。在一個實例中，配線592、594可通過使用例如球型接合工藝、楔形接合工藝、墊座接合工藝、帶狀接合工藝及其組合或者導電夾連接在觸點561、563和引線514、518之間。在一種具體實例中，連接元件594包括配線和包含夾子的連接件592。
[0049]電氣元件封裝500可進一步包括密封物(未示出)。密封物用密封材料密封第一部件530。密封物可進一步地密封(或部分密封)連接元件550 (嵌入式系統(tǒng))、連接元件584、592,594 和載體 510。
[0050]密封物的密封材料可以是模塑料或疊層。在一實施方式中，密封材料可以是與嵌入式系統(tǒng)550的密封材料不同的材料。例如,嵌入式系統(tǒng)570的密封材料可以是疊層,并且密封物的密封可以是模塑料。
[0051]密封物的封裝材料可包括諸如環(huán)氧樹脂、聚氨基甲酸乙酯或聚丙烯酸酯化合物的熱固材料?？蛇x擇地，封裝材料可包括諸如聚砜、聚亞苯基硫化物或聚醚酰亞胺的熱塑性材料。在一種實例中，密封210可包括諸如Si改性聚酰亞胺的聚酰亞胺。
[0052]由于電氣元件封裝500可提供模塊特性，所以可能存在多個擴展配置。例如，可通過將第三元件附接至連接件592的平坦區(qū)將第三元件布置在電氣元件封裝500上。在另一實例中，散熱件可設置在嵌入式封裝550的頂面上，希望提供有效的且增強的熱管理。
[0053]圖6a和圖6b是不出了 s封裝電氣器件600 (例如:半橋電路)的另一實施方式。封裝式電氣器件600包括第一元件(例如:功率晶體管芯片)630和連接件650 (嵌入式系統(tǒng))，該連接元件包括第二元件(例如:功率晶體管芯片)655。除了數(shù)字中的第一位，圖6a和6b的元件與圖5a和5b的元件是相同或相似的。此外,諸如第一元件630的源極觸點的第一元件觸點632以及諸如第二元件(例如，功率晶體管芯片)655的第三觸點665與連接件650的互連件662電接觸。
[0054]此外，互連件662提供在元件觸點632/665和載體觸點616之間的電連接。在這種實施方式中，相對于圖5a/5b的實施方式中的嵌入式系統(tǒng)550嵌入式系統(tǒng)(層壓封裝件)650的尺寸比較小。這允許將諸如柵極觸點639的第二元件放置于相鄰于嵌入式系統(tǒng)650的短邊，然而圖5b中的實施方式相對應的第二觸點539位于嵌入式系統(tǒng)550的長邊的后方或相鄰的位置。因此，連接件684、692與連接件584、592相比配置不同。具體地，連接件692將諸如第二元件655的漏極觸點的元件觸點連接至載體觸點619的同時,連接元件684將諸如柵極觸點的第二元件觸點639連接至載體觸點614。因此，嵌入式系統(tǒng)550、650相對于集成系統(tǒng)500、600的架構設計提供了靈活的解決方案。例如，系統(tǒng)500、600可優(yōu)化以使得電容和/或電感損耗最小化。此外，系統(tǒng)500、600并不局限于半橋電路，且能夠配置用于各種應用。
[0055]圖7a和圖7b示出封裝電氣器件700的實施方式。封裝電氣裝置可以是半橋電路。封裝電氣器件包括諸如功率晶體管芯片730的第一元件和包括諸如第二功率晶體管芯片755的第二元件的連接件(嵌入式系統(tǒng))750。第一元件730通過連接件750機械地且電氣地連接至載體觸點716。
[0056]圖7a和圖7b進一步示出了第一元件730包括芯片730的頂面上的諸如漏極觸點的第一元件觸點732和諸如柵極觸點的第二元件觸點739以及位于芯片730的底面733上的諸如源極觸點的第三元件觸點736 ;而第二元件755包括第二底面756上的諸如源極觸點的第一元件觸點761和諸如柵極觸點的第二元件觸點763，以及第二頂面757上的諸如漏極觸點的第三元件觸點765。
[0057]第一元件730的第三元件觸點(例如:源極觸點)736機械地且電氣連接至載體710的頂面。第二元件觸點739通過連接件784連接至載體觸點719，其中，連接件784包括配線或?qū)щ妸A。在一具體實例中，第二元件觸點739通過配線784連接至載體觸點719。配線784可經(jīng)由球型焊接工藝、楔形焊接工藝或其組合將第二元件觸點739連接至載體觸點719。
[0058]嵌入式系統(tǒng)750的互連件762電連接至第一元件730的第一元件觸點732 (例如:漏極觸點)和第二元件755的第三元件觸點765 (例如:漏極觸點)。此外，互連件762提供第一元件730的第一元件觸點732 (例如:漏極觸點)和載體觸點716之間的導電連接(用作內(nèi)部或嵌入夾)。最后，互連件762經(jīng)由通孔768連接到第一元件730的第一元件觸點(例如:漏極觸點)732?；ミB件762設置在嵌入式系統(tǒng)750的頂面701上。
[0059]第二元件755的第一元件觸點(例如，源極觸點)761電連接至載體觸點716，并且第二元件觸點763 (例如，柵極觸點)經(jīng)由連接元件794電連接至載體觸點718。第二元件觸點(例如:柵極觸點)763經(jīng)由互連766通路至嵌入式系統(tǒng)750外?；ミB766可設置在第一元件730上。連接件794包括配線或?qū)щ妸A。在一個具體實例中，第二元件觸點(例如，柵極觸點)763經(jīng)由第一元件730的互連766并通過配線794通路至引線718。配線794可經(jīng)由球型焊接工藝、楔形焊接工藝或其組合連接到第二元件觸點739和配線789。在這種實施方式中，只有三個載體觸點716、718和719是電連接的。此外，封裝電氣器件700提供相對較大的可到達的頂面701，該頂面可用于建立額外裝置和/或散熱件附件。
[0060]電氣元件封裝700可進一步包括密封物(未示出)。密封物用密封材料將第一元件730密封。密封物可進一步密封(或部分密封)嵌入式系統(tǒng)750，連接件784、794和載體710。
[0061]圖8a和圖Sb示出封裝電氣器件800的實施方式。封裝電氣器件可以是半橋電路。封裝電氣器件包括諸如功率晶體管芯片830的第一元件和連接件(嵌入式系統(tǒng))850，該連接件包括諸如第二功率晶體管芯片855的第二元件。第一元件830通過連接件850機械地且電氣連接至載體觸點816。
[0062]圖8a和圖8b進一步示出元件830包括:第一元件830的頂面831上的諸如源極觸點的第一元件觸點832和諸如柵極觸點的第二元件觸點839，以及第一部件830的底面833上的諸如漏極觸點的第三元件觸點836 ;而第二元件855包括:第二部件855的底面856上的諸如源極觸點的第一元件觸點861和諸如柵極觸點的第二元件觸點863，以及第二元件855的頂面857上的諸如漏極觸點的第三元件觸點865。
[0063]第一芯片830的第三元件觸點(例如，漏極觸點)836機械地且電氣地連接至載體810。第二元件觸點839通過連接件884連接至載體觸點819，其中，連接件884包括電線或?qū)щ妸A。在一個具體實例中，第二元件觸點839通過配線884連接至載體觸點819。配線884可經(jīng)由球型焊接工藝、楔形焊接工藝或其組合連接第二元件觸點839和載體觸點819。
[0064]連接件(嵌入式系統(tǒng))850的互連元件862經(jīng)由通孔868將第二元件855的第三元件觸點865 (例如，漏極觸點)電連接至載體觸點816。
[0065]第二元件855的第一元件觸點(例如，源極觸點)861經(jīng)由互連866電連接至第一元件830的第一觸點(例如，源極觸點)832。第二元件855的第二元件觸點863 (例如，柵極觸點)經(jīng)由互連864和連接件894電連接至載體觸點814。連接件894可包括配線或?qū)щ妸A。在一個具體實例中，第二元件觸點(例如，柵極觸點)863經(jīng)由第一元件830的互連864和配線894通路至載體觸點814。配線894可經(jīng)由球型焊接工藝、楔形焊接工藝或其組合連接第二元件觸點863和載體觸點814。在這種實施方式中，只有三個載體觸點814、816和819電連接。此外，封裝電氣器件800的實施方式提供相對大的可到達的頂面801，該頂面可用于建立額外裝置和/或散熱件附件。
[0066]電氣元件封裝800進一步包括密封物。在圖8c的實施方式中，密封物802是疊層。疊層802和疊層870可以是相同或者是不同的。可選擇地，密封材料802是模塑料。
[0067]圖8c示出密封圖8中的電氣元件的【具體實施方式】。然而，電氣元件可以被不同地方式密封。例如，封裝材料802可覆蓋互連件862。
[0068]圖8c可提供如何密封圖5至圖7中的實施方式的實例。
[0069]對于圖5至圖8中示出的封裝電氣器件的不同實施方式，機械連接可涉及將金屬接合至金屬表面。有幾種方法用于接合金屬交界面。在一實施方式中應用導電粘合劑。導電粘合劑可包括熱塑性或熱固性樹脂(例如，環(huán)氧化合物、聚酰亞胺、改性硅)，熱塑性或熱固性樹脂包含大量的(高達80%) Ag、鍍Ag、Cu、Ni或Au的高導電薄片。導電薄片的長度可為數(shù)十μπι。導電粘合劑能夠是絲網(wǎng)印刷、模版印刷、點放置或分散于待連接的交界面上。在施用導電粘合劑之后，層在溫度范圍100°C至250°C固化幾分鐘。
[0070]在另一種實施方式中，采用納米粘合劑產(chǎn)物。納米粘合劑產(chǎn)物包括具有Ag或Au微粒的金屬油墨，該微粒測量時在尺寸上是數(shù)十nm。納米粘合劑可通過噴墨式打印機施加至基板。在接觸界面之間的接合構造通過燒結納米粘合劑形成(例如，在220°C?250°C、1?5MPa壓強下持續(xù)I?2分鐘)。
[0071]在進一步的實施方式中，應用焊接技術?？墒褂弥T如Pb/Sn以及Au/Sn的焊接材料。焊接技術可包括擴散焊接，也被稱為固-液互擴散接合。金屬薄膜夾層施用有擴散粘合，該金屬薄膜夾層在低溫融化并與高熔融界面層的金屬快速反應，以形成一個或更多的金屬間相。這些金屬化合物(BCs)具有比原始低熔融界面顯著高的熔點。因此此后連接處不會再融化，除非被加熱到使金屬間相熔解的較高溫度。AuSn, AgSn, CuSn和AgIn經(jīng)常用于擴散焊接。軟焊接和擴散焊接可在30(TC?40(TC溫度、或低于350°C的溫度實現(xiàn)。在一些實施方式中，期望較低處理溫度以更好地保證疊層架構的完整性。通過在烤箱中的壓力下應用批焊/固化，使得在低于250°C時形成焊接連接成為可行。
[0072]在一種實施方式中，在存在或不存在焊接材料的情況下，可應用反應性納米工藝(RNT)粘合以將兩個金屬交界面結合。RNT接合依賴于存在如Ni/Al、Al/Ti或Ti/a_Si的交替元件的I?30nm厚的反應性納米雙分子層。在納米堆的不同金屬之間的自動傳導熱混合工藝可通過局部熱脈沖、激光脈沖或電脈沖在反應層的周邊點火。由熱反應產(chǎn)生的熱釋放促使待連接的金屬面之間的互擴散過程。通過應用幾個MPa的接合壓力，接觸面的接合可在幾毫秒內(nèi)發(fā)生。由自動傳導反應產(chǎn)生的熱量保持局部接近于接觸界面，并且不會滲透到金屬對立面太多而造成無法連接。
[0073]在一種實施方式中,Nanovelcro技術可不應用焊料而用于接合金屬交界面。運用該焊接技術，包括被應用于待連接的接觸界面導電碳納米管的薄層。兩個接觸層在壓力下嚙合，在不應用焊料的情況下形成電接觸和機械接觸。
[0074]圖9示出制造封裝電氣器件900的方法的實施方式。在第一步驟902中，將元件放置在載體上。該元件可以是半導體芯片。例如，半導體芯片可以是諸如雙極性晶體管、絕緣柵雙極性晶體管(IGBT)、功率MOSFET、半導體閘流管或二極管的功率半導體器件。可選擇地，該元件可以是例如電阻器、保護裝置、電容器、傳感器或檢測器。載體可以是引線框、基板或印刷電路板。例如，引線框可包括銅和/或鎳。
[0075]該元件可使用焊料、焊膏、導電樹脂或?qū)щ妿щ娊雍现凛d體。可選擇地，元件使用絕緣接合接合至載體。絕緣接合可包括環(huán)氧或樹脂接合或膠粘帶。元件附接連接可以是絕緣層。
[0076]在步驟904中，連接件(嵌入式系統(tǒng)或?qū)訅悍庋b件)放置于元件上，從而將元件的頂面的第一元件觸點連接至第一載體觸點。連接件可包括諸如半導體芯片的另一元件。例如，半導體芯片可以是諸如雙極性晶體管、絕緣柵雙極性晶體管(IGBT)、功率MOSFET、功率半導體開關或二極管的功率半導體器件?？蛇x擇地，例如，元件可以為例如電阻、保護裝置、電容器、傳感器或探測器。元件可嵌入在層壓封裝件中。
[0077]連接件可包括幾個觸點。連接件可包括互連、導電跡線和通孔，以將第一元件觸點連接至第一載體觸點和嵌入在層壓封裝件中的另一元件。第一元件觸點和第一載體觸點可使用焊料、焊膏、導電樹脂或?qū)щ妿Ы雍现翆訅悍庋b件。
[0078]在一實施方式中，連接件(嵌入式系統(tǒng)或?qū)訅悍庋b件)可將第一元件觸點連接至第一載體觸點和第二載體觸點。此外，連接元件可將第一元件觸點連接至第一載體觸點，并且將第二元件觸點連接至第二載體觸點。
[0079]在步驟906中，第二元件觸點和/或可選第三元件觸點使用連接元件與第二載體觸點和/或可選的第三載體觸點相連接。連接件可包括配線或金屬夾。在一具體實例中，第二元件觸點和/或第三元件觸點通過一條配線或多條配線連接到它們相應的載體觸點。配線通過球型接合工藝、楔形接合工藝、墊座接合工藝、帶狀接合工藝或其組合接合。
[0080]在最終的步驟908中，用封裝材料密封或封裝該元件。封裝材料可包括模塑料、疊層或外殼。封裝材料可部分封裝載體并完全封裝元件。封裝材料可完全地或者部分地封裝連接件(嵌入式系統(tǒng)或?qū)訅悍庋b件)。例如，使用封裝材料封裝連接單元的底部主表面而不封裝頂部主表面。在一實施方式中，連接件的封裝材料和層壓材料不同?？蛇x擇地，連接件的封裝材料和層疊層材料相同。
[0081]盡管已詳細描述了本發(fā)明及其優(yōu)點，應當理解的是，在不偏離由所附權利要求所限定的本發(fā)明的實質(zhì)和范圍的條件下，可進行各種變化、替代和修改。
[0082]此外，本申請的范圍并非意指對說明中的描述的過程、設計、制造、材料成分、手段、方法以及步驟的限制。由于本領域中的普通技術人員可從本發(fā)明的公開中容易地理解過程、設計、制造、材料成分、手段、方法或步驟、目前存在的或稍后將被開發(fā)出來的，所以根據(jù)本發(fā)明利用本文中所描述對應的實施方式執(zhí)行基本相同的功能或達到基本相同的結果。因此，所附權利要求旨在將這樣的過程、設計、制造、材料成分、手段、方法或步驟包括在其范圍內(nèi)。
【權利要求】
1.一種封裝器件，包括: 載體，包括第一載體觸點； 第一電氣元件，所述第一電氣元件具有第一頂面和第一底面，所述第一電氣元件包括設置在所述第一頂面上的第一元件觸點，所述第一底面連接至所述載體； 嵌入式系統(tǒng)，包括第二電氣元件和互連件，所述嵌入式系統(tǒng)具有系統(tǒng)頂面和系統(tǒng)底面，其中，所述系統(tǒng)底面包括第一系統(tǒng)觸點和第二系統(tǒng)觸點，其中，所述第一系統(tǒng)觸點連接至所述第一元件觸點，所述第二系統(tǒng)觸點連接至所述第一載體觸點；以及密封物，密封所述第一電氣元件。
2.根據(jù)權利要求1所述的封裝器件，進一步包括: 所述載體，具有第二載體觸點； 所述第一電氣元件，在所述第一頂面上具有第二元件觸點；以及 第一連接件，連接所述第二元件觸點和所述第二載體觸點。
3.根據(jù)權利要求2所述的封裝器件，進一步包括:包括元件附接區(qū)域的所述載體，以及在所述第一底面具有第三元件觸點的所述第一電氣元件，其中所述第三元件觸點電連接至所述載體的所述元件附接區(qū)域。
4.根據(jù)權利要求3所述的封裝器件，其中，所述第一電氣元件是第一晶體管，其中，所述第一元件觸點是所述第一晶體管的第一源極觸點，其中，所述第二元件觸點是所述第一晶體管的第一柵極觸點，并且其中，所述第三元件觸點是所述第一晶體管的第一漏極觸點。
5.根據(jù)權利要求4所述的封裝器件，其中，所述第二電氣元件是第二晶體管，其中，所述第二晶體管包括第二頂面和第二底面，其中，第二源極觸點布置在所述第二底面上，并且其中，第二漏極觸點和第二柵極觸點布置在所述第二頂面上。
6.根據(jù)權利要求5所述的封裝器件，其中，所述第一源極觸點與所述第二源極觸點電連接。
7.根據(jù)權利要求6所述的封裝器件，進一步包括: 所述載體，具有第三載體觸點和第四載體觸點； 第二連接件；以及 第三連接件， 其中，所述第二連接件將所述第二柵極觸點連接至所述第三載體觸點，并且其中，所述第三連接件將所述第二漏極觸點連接至所述第四載體觸點。
8.根據(jù)權利要求3所述的封裝器件，其中，所述第一電氣元件是第一晶體管，其中，所述第一元件觸點是所述第一晶體管的第一漏極觸點，其中，所述第二元件觸點是所述第一晶體管的第一柵極觸點，并且其中，所述第三元件觸點是所述第一晶體管的第一源極觸點。
9.根據(jù)權利要求8所述的封裝器件，其中，所述第二電氣元件是第二晶體管，其中，所述第二晶體管包括第二頂面和第二底面，其中，第二源極觸點和第二柵極觸點布置在所述第二底面上，并且其中，第二漏極觸點被布置在所述第二頂面上。
10.根據(jù)權利要求9所述的封裝器件，其中，所述第一漏極觸點與所述第二漏極觸點電連接。
11.根據(jù)權利要求10所述的封裝器件，進一步包括具有第三載體觸點的所述載體，并且進一步包括第二連接件，其中所述第二連接件將所述第二柵極觸點連接至所述第三載體觸點。
12.根據(jù)權利要求1所述的封裝器件，其中，所述嵌入式系統(tǒng)包括嵌入層壓材料中的第二元件。
13.根據(jù)權利要求1所述的封裝器件，其中，所述載體進一步包括第二載體觸點，其中，所述第一電氣元件包括在所述第一頂面上的第二元件觸點，其中，所述嵌入式系統(tǒng)包括在所述系統(tǒng)底面上的第二系統(tǒng)觸點，并且其中，所述第二系統(tǒng)觸點電連接至所述第二元件觸點，所述第二系統(tǒng)觸點電連接至所述第二載體觸點。
14.一種封裝半導體器件，包括: 引線框，包括第一引線、第二引線、第三引線和第四引線； 第一半導體器件，包括第一頂面和第一底面，所述第一半導體器件包括設置在所述第一頂面上的第一器件觸點和第二器件觸點以及設置在所述第一底面上的第三器件觸點； 層壓封裝件，包括互連件和第二半導體器件，所述層壓封裝件具有頂封裝面和底封裝面，其中，第一封裝觸點和第二封裝觸點設置在所述底封裝面上，并且其中，第三封裝觸點和第四封裝觸點設置在所述頂封裝面上，所述第一封裝觸點和所述第二封裝觸點由所述互連件連接； 第一配線或?qū)щ妸A； 第二配線或?qū)щ妸A； 第三配線或?qū)щ妸A；以及 密封材料，密封所述第一半導體器件， 其中，所述第一封裝觸點連接到所述第一引線，其中所述第二封裝觸點連接到所述第一器件觸點，其中所述第三封裝觸點經(jīng)由所述第一配線或?qū)щ妸A連接到所述第三引線，其中所述第四封裝觸點經(jīng)由所述第二配線或?qū)щ妸A連接至所述第四引線，并且其中，所述第二器件觸點經(jīng)由所述第三配線或?qū)щ妸A連接至所述第二引線。
15.根據(jù)權利要求14所述的器件，其中，所述第一器件觸點是第一源極觸點，其中，所述第二器件觸點是第一柵極觸點，其中，所述第三器件觸點是漏極觸點，其中，所述第二半導體器件包括第二源極觸點、第二柵極觸點和第二漏極觸點，其中，所述第二源極觸點連接至所述第一封裝觸點和所述第二封裝觸點，其中，所述第二柵極觸點連接至所述第三封裝觸點，并且其中，所述第二漏極觸點連接至所述第四封裝觸點。
16.根據(jù)權利要求14所述的器件，其中，所述第一半導體器件和所述第二半導體器件是功率晶體管。
17.根據(jù)權利要求14所述的器件，其中，所述密封材料和所述層壓封裝件包括預浸材料。
18.一種封裝半導體器件，包括: 引線框，包括第一引線、第二引線和第三引線； 第一半導體器件，包括第一頂面和第一底面，所述第一半導體器件進一步包括設置在所述第一頂面上的第一器件觸點和第二器件觸點以及設置在所述第一底面上的第三器件觸點； 層壓封裝件，包括互連件和第二半導體器件，所述層壓封裝件具有頂封裝面和底封裝面，其中第一封裝觸點、第二封裝觸點和第三封裝觸點被設置在所述底封裝面上；第一引線或?qū)щ妸A；以及 第二引線或?qū)щ妸A， 其中，所述第一封裝觸點連接至所述第一引線，其中，所述第二封裝觸點連接至所述第一器件觸點，其中，所述第三封裝觸點經(jīng)由所述第一引線或?qū)щ妸A連接至所述第二引線，并且其中，所述第二器件觸點經(jīng)由所述第二引線或?qū)щ妸A連接至所述第三引線。
19.根據(jù)權利要求18所述的器件，其中，所述第一器件觸點是第一漏極觸點，其中，所述第二器件觸點是第一柵極觸點，其中，所述第三器件觸點是源極觸點，其中，所述第二半導體器件包括第二源極觸點、第二柵極觸點和第二漏極觸點，其中，所述第二源極觸點連接至所述第一封裝觸點，其中，所述第二漏極觸點連接至所述第二封裝觸點，并且其中，所述第二柵極觸點連接至所述第三封裝觸點。
20.根據(jù)權利要求18所述的器件，其中，所述第一器件觸點是第一源極觸點，其中，所述第二器件觸點是第一柵極觸點，其中，所述第三器件觸點是漏極觸點，其中，所述第二半導體器件包括第二源極觸點、第二柵極觸點和第二漏極觸點，其中，所述第二漏極觸點連接至所述第一封裝觸點，其中，所述第二源極觸點連接至所述第二封裝觸點，并且其中，所述第二柵極觸點連接至所述第三封裝觸點。
21.根據(jù)權利要求18所述的器件，其中，所述第一半導體器件和所述第二半導體器件是功率晶體管。
22.根據(jù)權利要求18所述的器件，進一步包括:密封材料，其中所述密封材料和所述層壓封裝件包括預浸材料。
23.一種制造封裝元件的方法，所述方法包括: 將具有第一底面的第一電氣元件放置在載體上，所述第一底面與第一頂面相對，所述第一電氣元件在所述第一頂面上具有第一元件觸點； 通過設置在層壓封裝件的底面?zhèn)鹊牡谝环庋b觸點和第二封裝觸點，將所述載體的第一載體觸點電連接至所述第一電氣元件的所述第一元件觸點，所述層壓封裝件包括第二電氣元件；以及 密封所述第一電氣兀件。
24.根據(jù)權利要求23所述的方法，進一步包括:通過第一引線或第一導電夾，將設置在所述第一電氣元件的所述第一頂面上的第二元件觸點與第二載體觸點電連接。
25.根據(jù)權利要求24所述的方法，進一步包括:通過第二引線或第二導電夾，將設置在所述層壓封裝件的頂面?zhèn)壬系牡谌庋b觸點與所述載體的第三載體觸點電連接。
26.根據(jù)權利要求25所述的方法，進一步包括:通過第三引線或第三導電夾，將設置在所述層壓封裝件的頂面?zhèn)壬系牡谒姆庋b觸點與所述載體的第四載體觸點電連接。
【文檔編號】H01L21/60GK103579154SQ201310326243
【公開日】2014年2月12日 申請日期:2013年7月30日 優(yōu)先權日:2012年7月30日
【發(fā)明者】約阿希姆·馬勒, 愛德華·菲爾古特, 哈利勒·哈希尼, 喬治·邁爾-伯格 申請人:英飛凌科技股份有限公司