CN101796612A - 包括功率半导体管芯和热沉的子组件及其形成方法 - Google Patents

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Abstract

一种半导体组件包括第一子组件，该第一子组件包括热沉和第一构图聚合物层，第一构图聚合物层设置在热沉表面上，以限定第一表面的暴露部。第一表面的暴露部从第一层沿着热沉表面径向向内延伸。子组件还包括第二构图聚合物层，第二构图聚合物层设置在第一构图聚合物层的径向靠外的部分上。第一层和第二层限定用于容纳功率半导体管芯的单元。在热沉表面的暴露部上以及单元中设置焊料材料。在第一层的径向向内的部分上的单元内设置功率半导体管芯，并且功率半导体管芯通过焊料材料热耦合到热沉。

Description

包括功率半导体管芯和热沉的子组件及其形成方法
相关申请的交叉引用
本申请涉及与其同一日期递交、名称为“Subassembly That IncludesA Power Semiconductor Die And A Heat Sink Having An ExposedSurface Portion Thereof”、序号为No.11/827,592的美国专利申请，其全部内容通过引用结合于此。
技术领域
本发明涉及用于电子设备所使用的半导体器件的安装组件和封装，更具体而言，涉及用于功率半导体器件的安装组件和封装。
背景技术
随着电子行业的发展，电子器件趋于小型化。这种趋势影响了半导体封装技术，半导体封装技术使裸IC芯片与其他组件之间能够进行连接。通常，半导体封装的占用面积(footprint)大于芯片的占用面积。为了适应小型化趋势，已经减小了封装与芯片之间的尺寸差异，由此产生了被称作芯片级封装(CSP)的新封装类型。芯片级封装被粗略定义为比裸硅管芯多占用不超过约20％的附加面积(长度和宽度)的封装。芯片级封装的焊料球小于根据联合电子设备工程委员会(JEDEC)的国际标准布置的球栅阵列(BGA)。当用于个人和便携式电子装置时，越小越好，并且各种产品需要不同的芯片级封装类型，当前这些芯片级封装类型的宽阵列是可得到的。
某些半导体器件被设计用于在紧凑的空间中处理相对高的电压。例如，通常在电子电源等中，安装暴露于大于100VAC(例如，265VAC或415VAC)的RMS电压的半导体器件。这些半导体器件会消耗相对大的功率，因此常常相应地安装到热沉等器件上，并且电连接到各种类型的电子设备。
许多这种用于电源应用的半导体器件通用于JEDEC标准TO-220和DO-218封装(www.jedec.org)。在图1中示出示例性的TO-220封装110。TO-220封装110包括压力钳140、定位器130、热沉120、插入在封装110与热沉120之间的分隔件150和半导体管芯(图1中未示出)，并且引线114从封装110的一侧穿出。高压半导体器件还可以在与TO-220封装相类似的各种其他封装中是可用的。
每年，对更快、更小、更轻和成本更低的电子系统的持续关注正使得组件、板和系统封装更加复杂。这种复杂性是由于作为电子产品小型化的关键的更精细的节距和更薄的阵列表面安装封装的更广泛使用造成的。随着更精细节距(0.80、0.65、0.50和0.40mm)阵列型封装更广泛的使用，用于台式计算机系统的典型系统母板上的大多数部件保持在1.27和1.00mm的节距表面安装部件。便携式系统以更快的速度转向更精细的节距。部件的节距和整体外形高度对于制造工艺的复杂性起到了至关重要的作用。使用节距更精细、低外形的部件需要按更紧凑的规格限制来操作的组装设备和工艺。需要更高精确度的组装工艺包括：取放、焊料膏印刷涂覆、回流、检查和返工。使用节距更精细、更低外形的部件使复杂性增加，这样会对成品得率和返工制造组件产生不利影响，使其更复杂且成本更高。
会降低成品得率的封装工艺的一个方面是半导体管芯可以安装到热沉或散热块的精确度。该工艺的精确度主要取决于所采用的取放机器。另外，也会降低成品得率的封装工艺的另一封装方面是能够控制焊料厚度的精确度。
发明内容
根据本发明，提供了一种半导体组件。该半导体组件包括第一子组件，第一子组件包括热沉和第一构图聚合物层，所述第一构图聚合物层设置在热沉表面上，以限定第一表面的暴露部分。第一表面的暴露部分从第一层沿着热沉表面径向地向内延伸。子组件还包括第二构图聚合物层，第二构图聚合物层设置在第一构图聚合物层的径向靠外的部分上。第一层和第二层限定了用于容纳功率半导体管芯的单元。在热沉表面的暴露部分上以及单元中设置焊料材料。在第一层的径向向内的部分上的单元内放置功率半导体管芯，并且功率半导体管芯通过焊料材料热耦合到热沉。
根据本发明的一个方面，半导体组件还可以包括半导体封装，其中，第一子组件、焊料和管芯位于该半导体封装中。
根据本发明的另一方面，该半导体封装可以是芯片级封装。
根据本发明的另一方面，所述第一构图聚合物层和所述第二构图聚合物层中的至少一个可以包括聚酰亚胺。
根据本发明的另一方面，功率半导体管芯可以具有给定形状的占用面积，并且第一构图聚合物层与给定形状相符。
根据本发明的另一方面，半导体组件还可以包括第二子组件。第二子组件可以包括第二热沉和第三构图聚合物层，所述第三构图聚合物层设置在热沉的表面上，以限定表面的暴露部分。表面的暴露部分从第三层沿着第二热沉表面径向向内延伸。第二子组件还包括第四构图聚合物层，所述第四构图聚合物层设置在第三构图聚合物层的径向靠外的部分上。第三层和第四层限定了用于容纳功率半导体管芯的单元。在第二热沉表面的暴露部分上设置第二焊料材料。功率半导体管芯还位于第三层的径向向内的部分上的单元内，并且通过第二焊料材料热耦合到第二热沉。
根据本发明的另一方面，提供了一种半导体组件，该半导体组件包括：热沉和第一构图聚合物层，所述第一构图聚合物层设置在热沉的表面上，以限定第一表面的暴露部分。第一表面的暴露部分从第一层沿着热沉表面径向向内延伸。在热沉表面的暴露部分上设置焊料材料，并且在第一层上设置功率半导体管芯，并且该功率半导体管芯通过焊料材料热耦合到热沉。
附图说明
图1示出功率半导体管芯的示例性封装。
图2(a)和2(b)分别示出待安装到半导体管芯的第一热沉和在热沉上形成的第一构图聚合物层的横截面图和顶视图。
图3(a)和3(b)分别示出在第一热沉上形成的第一构图聚合物层的横截面图和顶视图。
图4(a)和4(b)分别示出位于第一热沉表面上的焊料材料的横截面图和顶视图。
图5(a)和5(b)分别示出设置在第一热沉上并且接触构图聚合物层之一的功率半导体管芯的横截面图和顶视图。
图6(a)和6(b)分别示出施用到半导体管芯的暴露表面的焊料材料的横截面图和顶视图。
图7(a)和7(b)分别示出包括安装到两个热沉的半导体管芯的成品半导体组件的横截面图和顶视图。
图8(a)和8(b)分别示出当只有管芯的x-y位置受聚合物限制时待安装到半导体管芯的第一热沉和在第一热沉上形成的第一构图聚合物层的横截面图和顶视图。
图9(a)和9(b)分别示出位于图8(a)和图8(b)所示的第一热沉表面上的焊料材料的横截面图和顶视图。
图10(a)和10(b)分别示出位于图9(a)和图9(b)所示的第一热沉表面上的功率半导体管芯的横截面图和顶视图。
图11(a)和11(b)分别示出施用到图10(a)和图10(b)所示的半导体管芯的暴露表面的焊料材料的横截面图和顶视图。
图12(a)和12(b)分别示出包括参照图8至图11的安装到两个热沉的半导体管芯的成品半导体组件的横截面图和顶视图。
图13(a)和13(b)分别示出当只有焊料厚度受聚合物控制时待安装到半导体管芯的第一热沉和在第一热沉上形成的第一构图聚合物层的横截面图和顶视图。
图14(a)和14(b)分别示出位于图13(a)和图13(b)所示的第一热沉表面上的焊料材料的横截面图和顶视图。
图15(a)和15(b)分别示出位于图14(a)和图14(b)所示的第一热沉上的功率半导体管芯的横截面图和顶视图。
图16(a)和16(b)分别示出施用到图15(a)和图15(b)所示的半导体管芯的暴露表面的焊料材料的横截面图和顶视图。
图17(a)和17(b)分别示出包括参照图13至图16的安装到两个热沉的半导体管芯的成品半导体组件的横截面图和顶视图。
具体实施方式
本发明提供了一种用于半导体器件的安装系统，所述安装系统克服了现有技术安装系统的上述限制。该安装系统尤其适用于分立的功率半导体器件，例如用于功率线性和开关应用的功率半导体器件。这类器件的示例包括，但不限于，电阻器、整流器、晶体管等。例如，本文所讨论的安装系统可以结合诸如芯片级封装的表面安装技术封装来使用。可能合适的标准化封装示例包括，但不限于，JEDEC TO-220和DO-218封装。在随后的详细描述中，使用类似的附图标记来表示一个或多个附图中出现的类似元件。
图2(a)和图2(b)分别示出待安装到半导体管芯的第一热沉210的横截面图和顶视图。热沉210可以由任何合适的导热材料形成，这些导热材料例如是，但不限于，Cu、Al及其合金。根据本发明，可固化聚合物被施用到第一热沉210的上表面，并且使用已知的丝网印刷(stenciling and screening)技术对其进行构图，以形成第一构图聚合物层212。合适的聚合物包括，但不限于，聚酰亚胺、硅橡胶和氟橡胶。第一构图聚合物层212限定其中可以放置有焊料的单元211的侧壁。接着，在图3(a)和3(b)中，再次使用已知的丝网印刷技术，在第一聚合物层212上方形成第二构图聚合物层214。第二构图聚合物层214限定其内适于放置管芯的边界。第一构图层212的暴露部分213(即，没有被第二构图层214覆盖的那些部分)限定最终可以安装管芯的表面。如图4(a)和图4(b)所示，在形成了第一构图聚合物层和第二构图聚合物层之后，例如，使用注射器以传统方式将焊料216分发到由第一构图层212限定的单元211内的热沉210上。在图5(a)和图5(b)中，取放组装机器或机器人用于将半导体管芯218定位在第一构图层212的暴露部分213上。第二构图层214的边界有助于管芯在热沉210上的精确放置和对准。
可以对第二热沉重复图2至图5所示的工艺，第二热沉将与管芯218的与第一热沉210相对的面接触。在这种情况下，第二热沉220首先经历图2至图4所示的工艺步骤，以在第二热沉220上形成第一构图层212和第二构图层214。接着，如图6(a)和图6(b)所示，将焊料222分发到管芯218的暴露表面上。然后，将第二热沉子组件(即，在其上设置有构图层212和214的热沉220)设置在管芯218上方，使得管芯218接触第二热沉子组件的第二构图层212的暴露表面部。图7(a)和图7(b)分别示出了包括安装到两个热沉的半导体管芯的成品半导体组件的横截面图和顶视图。
使用图2至图7描述的安装工艺具有多个优点。例如，使用用以限制管芯在热沉上的位置的第二构图层(例如，第二构图层214)限制了管芯的旋转和面外误对准。以此方式，第二构图层与取放组装机器积极配合，以有助于放置工艺，并且结果，取放组装机器不单独负责放置管芯。另外，使用直接与热沉接触的第一构图层(例如，第一构图层212)使得能够精确控制整体焊料厚度和厚度均匀度。例如，在某些情况下，成品封装中的焊料厚度可以保持在约0.25mil至3mil的容限内。另外，因为形成第一构图层和第二构图层的聚合物通常相对柔软和柔韧，所以施用到管芯上的应力水平可以降低。
为了示出本发明的优点，根据以上讨论的技术来制造三个样品。将样品的焊料厚度分别选定为55微米、65微米和75微米。发现55微米的样品的厚度在约52.8微米与54.6微米之间变化。发现65微米的样品的厚度在约64.5微米与69.2微米之间变化。发现75微米的样品的厚度在约74.4微米与79.2微米之间变化。
第一构图层和第二构图层限定的单元211的尺寸和形状不限于图2至图7中所示的尺寸和形状。而是，可以根据需要，选择单元的尺寸和形状，用于不同的管芯几何形状或占用面积(例如，方形、六边形、圆形)。还可以选择单元构造以符合其他因素，例如，流体溢出、防止短路等。此外，构图层212和214的侧壁不限于用于图2至图7所示的两个构图层中每个构图层的四个聚合物线性分段。而是，可以采用聚合物分段的任何合适构造和数目。例如，可以由具有分别限定方形、矩形或圆形的形状的单个连续聚合物分段，来限定方形、矩形或圆形单元。可替选地，可以采用所需的任意数目的多个连续或不连续的聚合物分段。
在上述本发明的实施例中，采用一个构图聚合物层(例如，构图层214)来限制或控制热沉210表面上的管芯的x-y位置，并且使用第二构图聚合物层(构图层212)来控制在z方向上的焊料厚度。在本发明的其他实施例中，只采用一个聚合物层来控制管芯的x-y位置和在z方向上的焊料厚度中的任一个。
图8至图10示出本发明的实施例，在该实施例中，只采用单个聚合物层来限制或控制管芯在热沉表面上的x-y位置。如再次分别示出热沉210的横截面图和平面图的图8(a)和8(b)所示，将可固化聚合物施用到第一热沉210的上表面，并且使用已知的丝网印刷技术对其进行构图，以形成用于限制或控制管芯的x-y位置的定向构图聚合物层214。定向层214限定可以放置焊料的单元211的侧壁。接着，在图9(a)和图9(b)中，使用注射器以传统方式将焊料216分发到例如热沉210上的由定向构图层214限定的单元211中。在图10(a)和图10(b)中，取放组装机器或机器人用于将半导体管芯218定位到单元211中，使得管芯218接触焊料216。定向构图层214的边界有助于管芯218在热沉210上的精确放置和对准。
可以对第二热沉重复图8至图10所示的工艺，第二热沉与管芯218的与第一热沉210相对的面接触。在这种情况下，第二热沉220首先经历图8至图9所示的工艺步骤，以在第二热沉220上形成定向构图层。接着，如图11(a)和图11(b)所示，将焊料222分发到管芯218的暴露表面上。然后，将第二热沉子组件(即，在其上设置有具有定向构图层214的热沉220)设置在管芯218上方，使得管芯218位于由第二热沉子组件的定向构图层214限定的单元内。管芯218接触第二热沉组件的焊料222，以形成图12所示的完整的半导体组件。
图13至图15示出本发明的实施例，在该实施例中，只采用单个聚合物层来控制在z方向上的焊料的整体厚度和厚度均匀度。如再次分别示出热沉210的横截面图和平面图的图13(a)和13(b)所示，将可固化聚合物施用到第一热沉210的上表面，并且使用已知的丝网印刷技术对其进行构图，以形成用于控制在z方向上的焊料厚度的厚度控制构图聚合物层212。接着，在图14(a)和图14(b)中，使用注射器以传统方式将焊料216分发到例如在热沉210上的由厚度控制构图层212限定的单元211内。在图15(a)和图15(b)中，取放组装机器或机器人用于将半导体管芯218定位到厚度控制层212上。
可以对第二热沉重复图13至图15所示的工艺，第二热沉与管芯218的与第一热沉210相对的面接触。在这种情况下，第二热沉220首先经历图13至图14所示的工艺步骤，以在第二热沉220上形成厚度控制构图层212。接着，如图16(a)和图16(b)所示，将焊料222分发到管芯218的暴露表面上。然后，将第二热沉子组件(即，在其上设置有具有厚度控制构图层212的热沉220)定位在管芯218上方，使得管芯218位于第二热沉子组件的厚度控制构图层212上。管芯218接触第二热沉组件的焊料222，以形成图17(a)和图17(b)所示的完整组件。

Claims (24)

1.一种半导体组件，包括：
i.第一子组件，包括：
热沉；
第一构图聚合物层，所述第一构图聚合物层设置在所述热沉的表面上，以限定第一表面的暴露部分，所述第一表面的暴露部分从所述第一层沿着所述热沉表面径向向内延伸；
第二构图聚合物层，所述第二构图聚合物层设置在所述第一构图聚合物层的径向靠外的部分上，所述第一层和所述第二层限定了用于容纳功率半导体管芯的单元；
ii.焊料材料，所述焊料材料设置在所述热沉表面的暴露部上和所述单元中；以及
iii.功率半导体管芯，所述功率半导体管芯位于所述第一层的径向向内的部分上的单元内，并且通过所述焊料材料热耦合到所述热沉。
2.根据权利要求1所述的半导体组件，还包括：
半导体封装，所述第一子组件、焊料和管芯位于所述半导体封装中。
3.根据权利要求2所述的半导体组件，其中，
所述半导体封装是芯片级封装。
4.根据权利要求1所述的半导体组件，其中所述第一构图聚合物层和所述第二构图聚合物层中的至少一个包括：聚酰亚胺。
5.根据权利要求1所述的半导体组件，其中，
所述功率半导体管芯具有给定形状的占用面积，以及所述第一构图聚合物层与所述给定形状相符。
6.根据权利要求1所述的半导体组件，还包括第二子组件，所述第二子组件包括：
第二热沉；
第三构图聚合物层，所述第三构图聚合物层设置在所述热沉的表面上，以限定所述表面的暴露部分，所述表面的暴露部分从所述第三层沿着所述第二热沉的表面径向向内延伸；
第四构图聚合物层，所述第四构图聚合物层设置在所述第三构图聚合物层的径向靠外的部分上，所述第三层和所述第四层限定了用于容纳功率半导体管芯的单元；
第二焊料材料，所述第二焊料材料设置在所述第二热沉表面的暴露部分上，以及
其中，所述功率半导体管芯还位于所述第三层的径向向内的部分上的单元内、并且通过所述第二焊料材料热耦合到所述第二热沉。
7.一种半导体组件，包括：
热沉；
第一构图聚合物层，所述第一构图聚合物层设置在所述热沉的表面上，以限定所述第一表面的暴露部分，所述第一表面的暴露部分从所述第一层沿着所述热沉表面径向向内延伸；
焊料材料，所述焊料材料设置在所述热沉表面的暴露部分上；以及
功率半导体管芯，所述功率半导体管芯位于所述第一构图层上、并且通过所述焊料材料热耦合到所述热沉。
8.根据权利要求7所述的半导体组件，还包括：
半导体封装，所述第一子组件、焊料和管芯位于所述半导体封装中。
9.根据权利要求8所述的半导体组件，其中，
所述半导体封装是芯片级封装。
10.根据权利要求7所述的半导体组件，其中所述第一构图聚合物层和所述第二构图聚合物层中的至少一个包括：聚酰亚胺。
11.根据权利要求7所述的半导体组件，其中，
所述功率半导体管芯具有给定形状的占用面积，以及所述第一构图聚合物层与所述给定形状相符。
12.根据权利要求7所述的半导体组件，还包括第二子组件，所述第二子组件包括：
第二热沉；
第三构图聚合物层，所述第三构图聚合物层设置在所述热沉的表面上，以限定所述表面的暴露部分，所述表面的暴露部分从所述第三层沿着所述第二热沉的表面径向向内延伸；
第四构图聚合物层，所述第四构图聚合物层设置在所述第三构图聚合物层的径向靠外的部分上，所述第三层和所述第四层限定了用于容纳功率半导体管芯的单元；
第二焊料材料，所述第二焊料材料设置在所述第二热沉表面的暴露部分上，以及
其中，所述功率半导体管芯还位于所述第三层的径向向内的部分上的单元内、并且通过所述第二焊料材料热耦合到所述第二热沉。
13.根据权利要求7所述的半导体组件，其中，
所述功率半导体管芯位于所述第一构图层的径向向内的部分上，并且所述半导体组件还包括第二构图聚合物层，所述第二构图聚合物层设置在所述第一构图聚合物层的径向靠外的部分上，所述功率半导体管芯位于由所述第二构图聚合物层限定的区域内。
14.一种半导体组件，包括：
热沉；
第一构图聚合物层，所述第一构图聚合物层设置在所述热沉的表面上，以限定用于容纳功率半导体管芯的单元；
焊料材料，所述焊料材料设置在位于所述单元内的所述热沉表面的暴露部分上；以及
功率半导体管芯，所述功率半导体管芯位于所述单元内、并且通过所述焊料材料热耦合到所述热沉。
15.根据权利要求14所述的半导体组件，还包括：
半导体封装，所述第一子组件、焊料和管芯位于所述半导体封装中。
16.根据权利要求15所述的半导体组件，其中，
所述半导体封装是芯片级封装。
17.根据权利要求14所述的半导体组件，其中，
所述第一构图聚合物层和所述第二构图聚合物层中的至少一个包括：聚酰亚胺。
18.根据权利要求14所述的半导体组件，其中，
所述功率半导体管芯具有给定形状的占用面积，以及所述第一构图聚合物层与所述给定形状相符。
19.根据权利要求14所述的半导体组件，还包括第二子组件，所述第二子组件包括：
第二热沉；
第三构图聚合物层，所述第三构图聚合物层设置在所述第二热沉的表面上，以限定所述表面的暴露部分，所述表面的所述暴露部分从所述第三层沿着所述第二热沉表面径向向内延伸；
第四构图聚合物层，所述第四构图聚合物层设置在所述第三构图聚合物层的径向靠外的部分上，所述第三层和所述第四层限定了用于容纳功率半导体管芯的单元；
第二焊料材料，所述第二焊料材料设置在所述第二热沉的表面的暴露部分上，以及
其中，所述功率半导体管芯还位于所述第三层的径向向内的部分上的单元内、并且通过所述第二焊料材料热耦合到所述第二热沉。
20.一种形成半导体组件的方法，包括：
在热沉的表面上形成第一构图聚合物层，以限定第一表面的暴露部分，所述第一表面的暴露部分从所述第一层沿着所述热沉表面径向向内延伸；
在所述第一构图聚合物层的径向靠外的部分上形成第二构图聚合物层，所述第一层和所述第二层限定了用于容纳功率半导体管芯的单元；
将焊料材料施用到所述热沉表面的暴露部分上和所述单元中；以及
将功率半导体管芯定位在所述第一层的径向向内的部分上的所述单元内，使得所述管芯通过所述焊料材料热耦合到所述热沉。
21.根据权利要求20所述的方法，还包括：
将第一子组件、焊料和管芯收容在半导体封装中。
22.根据权利要求21所述的方法，其中，
所述半导体封装是芯片级封装。
23.根据权利要求20所述的方法，其中，
所述功率半导体管芯具有给定形状的占用面积，以及所述第一构图聚合物层与所述给定形状相符。
24.根据权利要求20所述的方法，还包括形成第二子组件，所述形成第二子组件包括：
在第二热沉的表面上形成第三构图聚合物层，以限定所述表面的暴露部分，所述第二热沉表面的暴露部分从所述第三层沿着所述第二热沉表面径向向内延伸；
在所述第三构图聚合物层的径向靠外的部分上形成第四构图聚合物层，所述第三层和所述第四层限定了用于容纳功率半导体管芯的单元；
将第二焊料材料施用到所述第二热沉表面的暴露部分上；以及
将功率半导体管芯定位在所述第三层的径向向内的部分上的所述单元内。
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