具有超薄封裝的高性能功率晶體管制造技術

場效應晶體管封裝包含具有第一線性厚度(150a)的引線框架和減小厚度的引線框架墊(151)；場效應晶體管芯片(140)的第一端附接到墊以及第二和第三端遠離墊；第二線性厚度(1l0a)的金屬板(110)連接第二晶體管端至封裝端；第三線性厚度(112a)的金屬板(112)連接第三晶體管端至封裝端；第一線性厚度(約0.125mm)和第二線性厚度(約0.125mm)的總和加上附接材料(約0.05mm)構成封裝厚度(約0.3mm)。

【技術實現步驟摘要】
具有超薄封裝的高性能功率晶體管專利
本專利技術通常涉及半導體器件和工藝領域，并且更具體的，涉及能有高電流、高功率和高速度的超薄QFN封裝功率晶體管的結構和制造方法。
技術介紹
對于當今多數功率轉換器件來說，功率MOSFET芯片作為單個元件組裝。器件使用金屬引線框架，典型地，其具有由引線圍繞的矩形墊；墊作為襯底，用于附接半導體芯片，而引線作為輸出端。一般地，引線被形成為沒有懸臂，并且以方形扁平無引線(QFN)或小外形無引線(SON)器件的方式設置。可以以多種方式提供芯片到引線的電連接。在一類器件中，通過粘結導線來提供連接。由于導線的長度和電阻的原因，這些導線會將顯著的寄生電感引入到功率電路中。典型地，每個組件封裝在塑料外罩中，并且被封裝元件用作離散構造塊，用于電源系統的板組裝。在其他類器件中，金屬夾替代了多個或所有的連接導線。這些夾較寬，并且跟導線相比，引入較小的寄生電感和電阻。這些類的器件是幾毫米的。為了將器件厚度減少至約I. 5mm,另一最近引入的功率 MOSFET組件通過提供具有組件墊的引線框架而避免了連接夾和導線粘結，且其中組件墊針對功率芯片分為兩部分，其中在一個芯片側上具有第一和第二端以及在相反芯片側上具有第三端。芯片是倒裝安裝(使用金屬凸塊或者由注射器分配的焊膏)在引線框架墊上，以致第一端接觸一個墊部分，并且第二端接觸另一墊部分。這兩個引線框架部分具有彎曲邊沿，以致，在倒裝安裝后，邊沿變得與第三端共面；所有的三個MOSFET端均可以這樣附接至印刷電路板(PCB)。在這樣的附接后，引線框架墊遠離PCB，但是由于其分成了作為兩個管芯端的兩個部分，所以熱沉不能附接于墊。在又一最近引入的功率MOSFET封裝中，引線框架具有分成兩部分的平墊，其可以附接至PCB。功率芯片的第一和第二端附接到這些墊部分。遠離引線框架墊的第三芯片端與金屬夾接觸，其具有朝向引線框架的引線彎曲的邊沿，從而允許所有的三個管芯端均被安裝在PCB上。這些夾是由金屬形成，其足夠厚以允許熱沉附接到夾以用于冷卻第三芯片端。另一最近提出的功率MOSFET封裝，通過無引線粘結或夾的封裝結構，將器件厚度減小至I. O至I. 5mm。該結構需要引線框架墊是半刻蝕的以形成較厚和較薄的部分。這意味著，引線框架不能被沖壓。在芯片裝配工藝中，墊的共面側是面向下的。作為其他需求，需要研發特殊的倒裝芯片設備，其可以從底面附接芯片；FET源極附接到較厚的墊部分，并且 FET柵極附接至較薄的墊部分。在封罩工藝中，封裝化合物覆蓋了這個較薄的部分。另外， 分離件部分需要使得封裝端與FET漏極在一個水平上，并且必須沉積額外的金屬層并且圖案化以模仿標準QFN占地面積。
技術實現思路
申請人認識到，在市場中種類繁多的手持式、筆記本式、汽車的和醫藥的產品中功率轉換器的廣泛應用，需要MOS場效應晶體管(FETS)的封裝，其不僅允許直接應用至已建立的印刷電路板(PCB)，還具有遠小于傳統I. 5mm的厚度。此外，功率FETS應該提供包括接近理論最大值的電流、功率和速度的性能。申請人看到了，從非常接近接頭/結(junction) 的兩個表面冷卻晶體管封裝將會降低操作接頭溫度，以致可以處理更高的電流；通過減少寄生電阻和電感，降低導通損失將會減小功率損失，因此可以增加效率；以及，降低封裝相關電容將會減少轉換損失，因此提聞了速度性能。申請人解決了減小高功率MOSFET封裝的整體厚度的問題，這是因為當他們發現約O. 3mm厚度的封裝可以獲得作為工業可行性線性厚度O. 125mm的夾和工業可行生線性厚度O. 125mm的引線框架的總和，其中引線框架具有墊，該墊具有為了附接與線性引線框架厚度共面的芯片而減小的厚度。金屬引線框架和夾暴露在相反封裝面上，接近接頭的雙重冷卻將使得電流處理增加至約35A。申請人進一步發現，新的組件允許沒有彎曲邊沿的夾， 從而降低了寄生電阻和電感，從而增加了效率和速度。作為意外的得益，申請人發現，沒有邊緣的夾降低了晶體管“關-開-關”操作的常規“擾動”。在示意性優選實施例中，功率FET封裝具有6mm的長度和5mm的寬度。第一 FET 端是源極，第二端是漏極，以及第三端是柵極。漏極附接到引線框架墊，源極和柵極附接到夾。所有的三個端在具有標準QFN占地面積的一個封裝側面上并且可以附接至PCB ;在相反封裝表面上的引線框架墊的暴露金屬可以用于附接熱沉。封裝的厚度由引線框架的線性厚度和夾的線性厚度之和構成，總共O. 3mm，包括粘結材料。由于熱沉附接到夾并且引線框架墊也被冷卻，FET封裝能夠處理約25至40A的電流。引線框架墊具有比引線框架線性厚度(第一線性厚度)更小的厚度；在將芯片附接到墊之后，芯片和墊的總共厚度等于第一線性厚度。當制造與原始第一線性厚度相比厚度減小的墊時，圍繞墊的至少一個周邊保留原始線性厚度的邊沿可以具有技術優勢的，因為這樣的邊沿利于組件工藝。例如，圍繞所有四個墊側的邊沿作為容納芯片附接材料(例如焊錫)的曼延的止擋。示意性功率FET封裝的制造開始于選擇第一線性厚度的引線框架。最小的商業可獲得的厚度是O. 125_。可以通過部分刻蝕引線框架的一部分來獲得減小厚度的墊(例如O.075mm);然而，引線框架的一個表面保持共面，并且這樣針對封裝端提供了一個平面。然后，FET芯片附接到墊；在示意性示例中引用的，FET漏極附接到墊。附接材料包括導電膠粘劑和焊錫。如表述的，在芯片附接后，芯片和墊具有第一線性厚度。FET的源極和柵極通過夾連接到封裝端，源極通過第二線性厚度的夾并且柵極通過厚度減小(相對第二厚度減小)的夾。與傳統的使用具有彎曲邊沿和無刻蝕墊的功率FET封裝相比，這些夾都沒有彎曲邊沿，并且因此減少了 20至30%的寄生電阻和電感，并且減少了與封裝有關的電容。因此，功率和轉換損失減少了，并且效率和速度提高了。在后面的封罩工藝中，前面提到的減小厚度的夾被封罩化合物所覆蓋，同時較厚夾的表面留下用于附接適于直接冷卻由FET操作電流引起的熱的熱沉。附圖說明圖I示出了在引線框架和夾間裝配的并且封罩在透明封裝材料中的功率場效應晶體管的頂視圖。圖2勾畫了沿圖I中所示的線的圖I的封裝FET的截面。圖3圖示了沿圖I中所示的線的圖I的封裝FET的截面。圖4A勾畫了沿圖I中線記號圖2的圖I的封裝FET的另一實施例的截面。圖4B是在圖4A中實施例中采用的引線框架的透視圖，示出了刻蝕進引線框架墊內的腔。圖5是圖I的FET示意性電路圖，其強化了寄生電阻和電感。具體實施方式圖I、圖2和圖3圖示了專利技術的示意性實施例，半導體功率芯片140的封裝預計安裝在例如母板的襯底上。典型地，封裝用于封裝功率場效應晶體管(FET)、功率開關、功率轉換器，其處理大電流(例如，25至40A)并且因此產生顯著的熱。芯片140具有厚度140a ; 例如示出的，厚度140a優選約O. 05mm ;在其他實施例中，芯片140可以更厚些或者更薄些。 FET具有第一、第二和第三端。通常標注為100的功率器件，以頂視(圖I)和截面(圖2和 3)示出。圖I中的剖面線指示截面的位置。為清楚目的，圖I的頂視圖在假定封裝化合物 130是透明的情況下示出；在實際中，為了保護半導體芯片抵抗可見波長狀態下的光，絕緣化合物必須是不透明的(例本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種場效應晶體管封裝，包括：具有第一線性厚度的引線框架，該引線框架具有減小厚度的墊；附接到所述墊的場效應晶體管芯片，該晶體管具有與所述墊接觸的第一端以及遠離所述墊的第二和第三端；連接所述第二晶體管端至封裝端的具有第二線性厚度的金屬板，以及連接所述第三晶體管端至封裝端的具有第三線性厚度的金屬板；以及所述第一和第二線性厚度的總和構成封裝厚度。

【技術特征摘要】
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【專利技術屬性】
技術研發人員：J·A·和布搜摩，O·J·洛佩茲，J·A·諾奇爾，
申請(專利權)人：德克薩斯儀器股份有限公司，
類型：發明
國別省市：