[发明专利]半导体管芯的对称封装

说明书

本发明涉及与本发明一起共同拥有且共同提出的专利申请第[美国代理记事表(Attorney Docket)第M-7546号]号，它在此处被全文引用作为参考。

                  背景技术

呈集成电路芯片(IC)形态的半导体器件在其被结合进诸如计算机或蜂窝电话的产品中时一般必需安装在诸如印刷电路板的平坦表面上。现在，没有一种表面安装半导体封装技术能满足下一代分立功率半导体器件和IC的需要。

这种表面安装功率封装应当包括至少以下特征：

1.低电阻；

2.分流并减小器件金属互连内横向电阻(1ateral resistance)的能力；

3.低热阻；

4.垂直(通过背面)或横向(顶侧)实现大电流的能力；

5.可制造性高；

6.低固有材料成本(intrinsic material cost)；

7.低制造成本；

8.功率应用中的可靠运行；

9.便于至少三个(且优选地更多)到半导体的隔离连接的能力；

10.低剖面(高度)和小覆盖面积。

功率半导体器件和IC有两种，因其具有低的导通态电压降(因此具有低功耗)而传导大电流的那些，以及因其耗费大量功率而传导“大”电流的那些。因为这种功率器件的各种各样的使用、结构和运行，所以所列的初始两个特征(即低电阻)可以代替第三特征(低热阻)而实现，但是理想地，一个封装应当既提供低电阻又提供低热阻。

第四个特征，即横向或垂直大电流流动，说明功率封装理想地应当是对横向或垂直功率器件两者均可应用，但是，两个方向中的至少一个应当是大电流可用的。

当然，封装必须是高度可制造的，因为功率晶体管在世界范围内得以每年几十亿个地大量使用。对于这种器件的供给者和可能的用户，任何内在的制造可重复性或产率问题将有严重的后果。

另一个特征是低成本，包括封装材料成本及其制造成本。当然，材料成本是基本的，因为诸如金引线、塑料铸模、铜引线框等特定材料是基于世界原材料市场的，不能通过半导体产量的简单增加而大幅改变。使用更少量材料的封装设计生产起来本质上更便宜。

功率应用中封装的可靠性意味着，它必须经受得住功率器件中通常遭遇到的运行条件，诸如电流尖脉冲、比正常遇到的更高的环境温度、明显的自加热、重复热瞬变导致的热震等。电流或加热的重复脉冲可以引起与疲劳相关的损伤，尤其在金相接合和界面处。更少的界面是优选的。

二极管、瞬变抑制器和熔断器需要二引出端封装，而支持至少三个连接线的封装对分立晶体管是有用的。对于各种智能功率半导体元件，四个连接线直至八个连接线是极为有用的。在八个不同的连接线以上，这种功率封装技术的使用集中在功率集成电路上。

低剖面表面安装封装，虽然不是普遍要求，但却使之便于PC板的制造，因为封装在低剖面封装中的功率器件具有与同一板上的其它IC相同的特性，并且因而避免了对特殊处理的需要。在如电池组、PCMCIA卡和蜂窝电话的一些情形下，低剖面封装在满足最终产品的临界厚度方面可能是至关重要的。

小覆盖区域通常是整个产品尺寸的根源，尤其在便携式电子设备中，在该电子设备中，尺寸是重要的消费者购买标准-越小越好。

在相关考虑中，板上封装覆盖区越小，且它所包含的半导体管芯越大，则给定尺寸的性能越大。

虽然这些目的可能看起来明显，但事实是，现在的功率半导体封装技术未充分地、节约成本地满足这些需要，并且在一些情况下根本不满足该需要。传统封装的许多缺点是使用键合引线的结果。键合引线提供了附加电阻，并且在其热传导上效率低下，尤其是连接到功率MOSFET(金属-氧化物-半导体场效应晶体管)、绝缘栅极双极晶体管，或双极晶体管中顶侧源极焊点上的引线。一些公司已经试图开发到栅极上的无键合引线连接(abond-wireless connection)，但是，这些尝试仍未成功，而且这些公司已经不得不回到引线键合栅极连接上。

图1A示出了一种这样的对制造功率MOSFET的工艺流程的尝试，它包括与栅极键合引线联合的无键合引线源极连接。在此流程中，管芯和顶部引线框之间的环氧树脂管芯粘结(和局部固化)之后，然后将管芯翻转过来，并通过环氧树脂将其粘结到底部引线框上。因为通过连接杆施加到引线框的管芯粘结部分上的扭矩，所以维持均匀的界面环氧树脂层是非常困难的。此外，在此流程中，引线键合必需在无键合引线管芯粘结后发生。在进行引线键合后，模塑、修剪和成型还必需进行。