[发明专利]可靠的表面安装整体功率模块

说明书

本发明涉及可靠的表面安装整体功率模块，公开了一种产生改进的热‑机械可靠性和更牢靠的二级封装互连的表面安装封装结构。该表面安装封装结构包括子模块，该子模块具有介电层、附连到介电层的半导体装置、电联接至半导体装置的一级金属互连、以及电联接至一级互连且在与半导体装置相反的一侧形成于介电层上的二级I/O连接，其中二级I/O连接构造成将子模块连接到外部电路。子模块的半导体装置附连到多层衬底结构的第一表面，其中介电材料定位在介电层与多层衬底结构之间，以填充表面安装结构中的间隙并向其提供另外的结构完整性。

本申请是于2013年7月30日提交的中国专利申请201310324485.5的分案申请。

技术领域

本发明的实施例总体上涉及用于封装半导体装置的结构和方法，并且更特定地涉及产生改进的热-机械可靠性和更牢靠的二级封装互连的表面安装封装结构。

背景技术

表面安装技术是一种用于构成其中表面安装构件或封装直接安装到印刷电路板(PCB)的表面上的电子电路或其它类似的外部电路的方法。在行业内，表面安装技术已替代将带有引线的构件装配在电路板中的孔内的通孔技术构成方法。

一种普通类型的表面安装的构件是功率半导体装置，其是被用作功率电子电路中的开关或整流器的半导体装置，例如像开关模式电源。大部分功率半导体装置仅仅在变换模式下(即，它们接通或断开)使用，且因此对此进行优化。许多功率半导体装置用于高电压功率应用中，并且被设计成传送大量电流且支持大电压。在使用中，高电压功率半导体装置借助于功率覆盖(power overlay，POL)封装和互连系统表面安装至外部电路，其中POL封装还提供去除由该装置产生的热并保护装置与外部环境隔离的途径。

标准的POL封装制造工艺典型地始于经由粘合剂将一个或多个功率半导体装置放置到介电层上。然后将金属互连(例如铜互连)电镀到介电层上以形成到功率半导体装置的直接金属连接，以便形成POL子模块。金属互连可呈低轮廓(例如厚度小于200微米)、平坦互连结构的形式，其供以形成往来于功率半导体装置的输入/输出(I/O)系统。然后使用用于电和热连接的焊接互连将POL子模块焊接到陶瓷衬底(带DBC的氧化铝、带AMB Cu的AlN等)。然后使用毛细流动(毛细底部填充)、无流动底部填充或注射模制(模塑料，moldingcompound)使用介电有机材料来填充在POL介电层与陶瓷衬底之间的半导体周围的间隙，以形成POL封装。

在现有的表面安装的POL封装中，封装的长期可靠性受到由于构成材料的不同热膨胀系数(CTE)产生的热-机械应力限制。更具体而言，POL封装的介电有机材料/底部填料和陶瓷衬底的不同CTE引起底部填料和陶瓷衬底中的热和弯曲应力。底部填料和陶瓷衬底中的这些热和弯曲应力继而引起封装的翘曲。当封装的翘曲发生时，封装的二级互连的可靠性受影响。

因此，将期望提供一种表面安装封装，其具有减小封装翘曲和热应力的基于应力平衡的设计策略，使得热循环中的封装可靠性可提高。还期望这种封装设计策略改进二级互连的可靠性。

发明内容

本发明的实施例通过提供一种表面安装封装结构来克服前述缺点，该表面安装封装结构产生改进的热-机械可靠性和更牢靠的二级封装互连。

根据本发明的一个方面，一种表面安装结构包括具有介电层和附连到该介电层的至少一个半导体装置的子模块，其中至少一个半导体装置中的每一个包括由半导体材料组成的衬底。该子模块还包括：电联接到至少一个半导体装置的一级金属互连结构，其延伸通过穿过介电层形成的通孔，以便连接到至少一个半导体装置；以及二级输入/输出(I/O)连接，其电联接至一级金属互连结构且在与至少一个半导体装置相反的一侧形成于介电层上，该二级I/O连接构造成将子模块连接到外部电路。该表面安装结构还包括具有第一表面和第二表面的多层衬底结构，其中子模块的至少一个半导体装置附连到多层衬底的第一表面。该表面安装结构还包括一种或多种介电材料，其定位在介电层与多层衬底结构的第一表面之间且至少部分地围绕子模块的至少一个半导体装置，该一种或多种介电材料构造成填充表面安装结构中的间隙且向其提供另外的结构完整性。