具有分布式功能系杆的組合夾子的製作方法

2023-05-15 19:14:01 1

本發明總體上涉及半導體器件和工藝，並且更具體地涉及在晶片級半導體器件製造工藝中使用的組合夾子的結構。

背景技術：

半導體器件(諸如電源系統和DC/DC轉換器)的性能在一定程度上取決於寄生電阻和電感的大小。為了減小這些寄生參數的值，許多半導體器件已經使用通過使用厚金屬夾連接的細接合線代替了它們的傳統連接，因為薄且長的接合線(由於它們的長度和電阻)將顯著的寄生阻抗和電感引入到電源電路，而金屬夾僅提供低的寄生阻抗和電感。例如，在最近引入的半導體電源系統中，夾子替代了許多連接線。為了它們的功能，夾子被製成為寬且厚的金屬件，通常成形為具有成角度脊的平坦連接器。由於其低電阻和高導熱性，夾子顯著降低了寄生電感，但提供增強的散熱。

為了簡化半導體電源系統的組裝工藝並保持低製造成本，夾子的應用有利地作為晶片級製造流程中的批處理來執行。參考批處理，適合於該處理的夾子通常稱為組合夾子。對於可用生產的批處理，以由外框架保持在一起的陣列形式提供夾子。在該框架內，陣列的每個夾子被定位在系杆的離散矩形內，通過到軌道的系杆保持在精確位置中。每個夾子與最近的相鄰夾子共享其連接軌道。外框架內的成陣列的夾子的網絡由單片金屬製成。因為夾子通過系杆在其相應的連接軌道矩形內緊固，所以夾子可以在構造系統(system-under-construction)的組裝流程中被精確地組裝到半導體晶片。在包裝工藝之後，通過鋸切將軌道移除。

例如，傳統電源系統(諸如DC/DC轉換器)的製造可以在以下組裝步驟中以廣義和近似的方式進行。首先，引線框架由金屬片衝壓或蝕刻。引線框架單元按規則的行和列排列。每個引線框架單元具有焊盤和多個引腳，其通過以矩形布置的連接軌道保持就位。相鄰單元共享連接軌道，其將在包裝工藝之後通過鋸切移除。每個焊盤用作垂直堆疊的電源系統的基礎，包括兩個半導體FET(MOS場效應電晶體)晶片和兩個連接夾。

金屬夾通常成形為包括：用於接觸FET端子的平坦區域；以及在與平坦區域成一定角度處的用於到達接觸焊盤或引線框架引線的脊。在如圖1所示的電源系統的示例中，兩個FET 101和102的垂直堆疊需要兩種不同形狀的夾子。底部(第一)夾子被指定為110，並且頂部(第二)夾子被指定為120。每個形狀的夾子被衝壓為來自金屬片的組合夾子，因此夾子110和120被排列成規則的行和列。每個夾子分別通過系杆111和121保持就位，該系杆111和121分別緊固到連接軌道112和122的離散矩形。這些連接軌道具有將夾子保持在精確的局部固定位置的功能。第一夾子110的連接軌道112和第二夾子120的連接軌道122具有與引線框架130的連接軌道132相同的幾何尺寸。

在圖2中示出了用於頂部夾子120的夾子陣列的示例。每個夾子120由在x方向中的連接軌道122a以及在垂直於122a的y方向中的連接軌道122b製成的矩形穩定框架圍繞。夾子120通過系杆121a(系杆122a的x方向)和系杆121b(系杆122b的y方向)保持就位並相對於穩定框架穩定。類似的幾何布局適用於底部夾子110，因此底部夾子110的系杆112a和112b以及頂部夾子120的系杆122a和122b具有匹配的幾何尺寸。而且，兩個連接軌道與引線框架130的連接軌道132相匹配。

參考圖1，為了在每個基板上組裝電源系統，第一FET晶片101附接到陣列片的引線框架的焊盤131。同樣，可以將集成的電路驅動器和控制晶片103附接到與第一FET晶片101相鄰的每個焊盤。然後，對準具有第一組合夾子的片材，以便將第一夾子110的平坦區域垂直地附接到第一FET晶片，以及將第一夾子110的脊110a附接到相應的襯底引腳。第一夾子的連接軌道112a和112b與襯底的連接軌道精確對準。

接下來，第二FET晶片102垂直地附接到第一夾子110。具有第二組合夾子的片材被對準，以便將第二夾子120的平坦區域垂直地附接到第二FET晶片，以及將第二夾子120的脊120a連接到相應的襯底引腳。第二夾子的連接軌道122a和122b與底部夾子的連接軌道和襯底的連接軌道精確對準。圖1示出了第一(底部)夾子的連接軌道112a、112b，第二(頂部)夾子的連接軌道122a、122b以及引線框架的連接軌道132的對準。圖3示出了完成的組件的X射線側視圖，揭示了堆疊和對準的金屬連接軌道112a、122a和132。這些連接軌道的所有三個在單片化工藝(singulation process)期間必須被切割。

在下一個工藝步驟中，將FET晶片和夾子的垂直堆疊陣列封裝在封裝材料160諸如模製化合物中。由於市場壓力要求關於尺寸和厚度的小型化的產品輪廓，因此，在第二夾子的頂部上方的包裝材料的厚度161及其系杆和連接軌道必須保持較薄。

為了將組裝的陣列分割成分立的封裝系統，應用旋轉鋸140和141來切割經過塑料封裝化合物並且沿著襯底、第一夾子和第二夾子的三個對準的連接軌道的層級。單片化步驟在圖1的示例中通過鋸和它們的切割方向指示。切口的方向由箭頭150和151指示。鋸切步驟產生系統的封裝側壁。

圖4中顯示了由鋸140的鋸切工藝產生的封裝系統的側壁的視圖。該視圖揭示了通過封裝材料160和三層級切割連接軌道的橫截面，其中鋸在單片化操作期間必須切斷。頂部切口屬於系杆121b，其將夾子120連接到現在移除的連接軌道122a。在中間的切口屬於系杆111b，其將夾子110連接到現在移除的連接軌道112a。底部切口屬於引線框架130的一些引線和系杆131b，其將引線和焊盤131連接到現在移除的引線框架軌道132。

技術實現要素：

在所描述的示例中，組合夾子具有單向合併以形成細長的夾子鏈的系杆的相應端部。鏈彼此平行地排列，在相鄰鏈之間沒有系杆。鏈具有在兩端部處繫到垂直於鏈的軌道的鏈端部，以形成具有作為穩定框架的軌道的夾子的矩陣。至少一個組合夾子具有平坦區域、脊和從平坦區域延伸的系杆。系杆的端部部分在共同的方向中對準。

附圖說明

圖1(現有技術)示出了具有兩層垂直堆疊的組合夾子的傳統電源系統的條帶；在每層級內，夾子通過系杆在x和y方向中穩定到連接軌道；通過對準連接軌道來垂直對準連接軌道的層級。

圖2(現有技術)示出了示例性夾子陣列的俯視圖。

圖3(現有技術)示出了用於電源系統中的夾子的傳統堆疊和對準的連接軌道的側視圖。

圖4(現有技術)示出了在單片化的切割工藝之後的傳統封裝側壁的視圖。

圖5示出了被設計為在沒有y方向系杆的x方向行中的組合夾子的夾子的透視圖。

圖6示出了圖5的夾子的側視圖。

圖7描繪了在y方向中具有穩定框架的x方向的行中的組合夾子的條帶的俯視圖。

圖8示出了示例性垂直堆疊的電源系統的條帶的透視圖，其由具有僅在x方向中的系杆的組合夾子構造。

圖9示出了用於電源系統的引線框架條帶的俯視圖，其具有垂直對齊的平行的第一組合夾子行，第一夾子僅在x方向中具有系杆。

圖10示出了用於電源系統的引線框架條帶的俯視圖，其具有垂直對準的平行的第一和第二組合夾子行，第一和第二夾子僅在x方向中具有系杆。

圖11示出僅具有用於系統中使用的引線框架的連接軌道的堆疊式電源系統的側視圖。

圖12示出了在單片化鋸切工藝之後的封裝側壁的視圖，示出了僅用於系統中使用的引線框架的切割系杆。

具體實施方式

垂直組裝在金屬引線框架上的電源系統的鋸切操作已導致封裝系統的顯著產量損失。產量損失的失敗分析揭示出，封裝化合物的碎裂和底層金屬的暴露是主要原因。發現碎裂出的封裝化合物的來源主要來自擱置在系統的頂部夾子的頂部上的模製材料的薄層。在圖4中指示了碎裂的封裝材料162的位置的一些示例。

封裝碎裂的根本原因是第一夾子的連接軌道112a、112b，第二夾子的連接軌道122a、122b與引線框架的軌道132之間的統計學上幹擾的對準。幹擾進而由傳遞模製工藝期間的金屬掃掠引起。模製化合物進入模腔的進程影響系杆的對準。作為擾動對準的結果，單片化步驟的旋轉鋸必須切割經過稍微不對準的連接軌道，從而碎裂出封裝化合物。

通過一種方法來解決對準和碎裂問題，以通過完全消除連接軌道並且在現在不同地耦接的系杆和臨時主框架之間分配傳統連接軌道的功能來避免任何對準偏移，該臨時主框架在單片化步驟期間移除。

在新的布置中，夾子仍然具有平坦區域和成角度的脊，並且陣列由單片金屬衝壓。作為組合夾子，夾子對準成行，彼此平行延伸。沿著行，夾子通過基本上在行的線路中取向的系杆彼此耦接。然而，相鄰的行不通過系杆連接，從而消除了任何系杆。相反，通過將每個行端部耦接到主框架來確保行的穩定性，所述主框架垂直於行延伸並且不會併入包裝材料中。因此，其可以容易地在單片化工藝中被修整。因此，單片化步驟的旋轉鋸不具有待切割的連接軌道，簡化了單片化工藝。鋸只切割經過封裝材料，直到它們切割經過引線框架系杆。技術優點是不存在碎裂出的封裝材料件。

另一個技術優點是，夾子金屬片的新設計減少了鋸刀片的磨損和撕裂，因為鋸要切割的金屬更少。同樣，因為可以提高鋸切操作的速度，所以可以減少單片化步驟的時間。

圖5示出了總體表示為500的示例金屬夾，其被設計為組合夾子，而不需要連接軌道的穩定框架。為了本描述的目的，術語夾子和組合夾子是指功率電晶體模塊的預先形成的導電互連，其在功率電晶體從包含功率電晶體的其它單元的半導體晶片分離之後附接到功率電晶體。夾子可以作為一片式部件提供，而組合夾子通常作為通過連接杆保持在一起的網絡單元提供，其將在單片化時被修整。如本文進一步實施的，術語連接軌道被應用於金屬連接，其(諸如通過鋸切)在單片化工藝中被去除，而術語系杆被應用於金屬連接，其可以在單片化工藝中被切斷但是佔優勢(prevail)。

夾子500的優選金屬是厚度範圍為約0.1mm至0.3mm，更優選約0.125mm或0.25mm的銅。已知銅具有高的導電率和熱導率，適用於半導體器件，並且特別是功率電晶體。替代金屬包括鋁和鐵-鎳合金。夾子500的至少一個表面，且優選兩個表面具有可焊接的冶金製品。優選的技術包括沉積錫層或鎳、鈀和(對於一些器件)金的連續順序層。

如圖5所示，示例性夾子500包括細長的平坦區域510和脊510a。平坦區域510的尺寸設定為接觸MOS FET(場效應電晶體)的端子。脊510a不在區域510的平面中延續，而是相對於區域510以一定角度延續。該角度設計成建立與襯底的端子的接觸，諸如與引線框架的引線接觸，該引線框架的引線用作用於垂直堆疊的半導體電源系統的襯底。在圖5的示例中，角度由通過外力的平滑彎曲產生。在其它夾子中，角度由通過蝕刻產生的突然步驟中的偏移產生。圖6的側視圖描繪了脊510a遠離平面區域510的強彎曲。

圖5示出了示例夾子500具有從平坦區域510延伸的系杆530。示例夾子500具有四個系杆530。其它實施例可在細長區域510的每一端部具有至少一個系杆。系杆被設計成使得在短部分530a之後，所有系杆530的端部部分530b在共同的方向(本文稱為x方向)中對準。優選地，端部部分彼此平行。在所示的優選實施例中，系杆處於與平坦區域510相同的平面中。圖6示出了在平坦區域510的平面中系杆部分530b的這種延續。然而，在其它實施例中，系杆可以從平坦區域的平面偏移。

參考圖7，其示出了夾子500優選地以條帶形式使用，因為優選地夾子從單片金屬衝壓或蝕刻以獲得它們的輪廓和形狀。在圖7的示例中，矩陣700被示為具有多行(或鏈)701的組合夾子。圖7描繪了三個鏈701。然而，矩陣可以包括更多的鏈。夾子的鏈在x方向中線性排列並且優選地平行，每個鏈包括多個夾子。在圖7中，鏈701示出了更大的多個鏈中的三個夾子。鏈中的夾子被對準，使得系杆的相應端部部分530b在單個方向(x方向)中合併以形成細長的系杆730，並因此形成細長的夾子的鏈。應當注意，鏈沒有交聯的系杆，即在y方向中的系杆，其將一個鏈與相鄰的鏈連接。

如上所述，多個鏈701優選地在x方向中彼此平行地排列，並且在相鄰鏈之間的y方向中沒有系杆。此外，多個鏈端部730a繫到垂直於鏈701的軌道740。軌道740在y方向中。以這種方式，夾子的矩陣700包括作為穩定框架的軌道740。框架已經被衝壓並形成有來自單片金屬(諸如銅、鋁或銀)的夾子的矩陣。因此，框架用作主框架，以確保在半導體系統的組裝期間每個夾子的必要的穩定性和精度。在組裝步驟期間完成其穩定作業之後，在單片化步驟期間移除主框架的軌道740。

通過考慮實施例，簡化解決方案的技術優點變得明顯，其中如圖7中所示的組合夾子的示例矩陣應用於製造諸如轉換器或調節器的電子器件條帶，尤其是諸如DC/DC轉換器的半導體電源系統。用於實現這些功能的有源電子組件可以多樣化為MOS場效應電晶體(MOSFET)，基於GaN、GaAs和其它III-V和II-IV材料的電晶體、SiC和雙極電晶體。圖8中示出了垂直堆疊和封裝的轉換器的示例系統的所得條帶800。通過鋸切最終將條帶單片化成分立系統。

為了清楚起見，在透明材料的包裝860中示出的轉換器的示例條帶800被構造在包括多個分立單元的襯底的條帶上。襯底條帶可以是金屬引線框架條帶或使用帶的堆疊條帶。每個襯底具有用於組裝(優選地通過焊接)半導體晶片或晶片堆疊的焊盤。每個襯底還具有多個端子，諸如金屬引線和金屬接觸焊盤。在圖8的示例實施例中，襯底是引線框架。通過圖8的透明包裝可見，每個單元的引線框架830適用於四方扁平無引線(QFN)和小外形無引線(SON)型模塊。引線837可以近似均勻地分布在引線框架的一個或多個側面上。在圖8的示例器件中，引線837位於焊盤831的兩側上，使得其它焊盤側沒有引線。

引線框架優選地由銅或銅合金製成，但是替代金屬選擇包括鋁、鐵-鎳合金和KovarTM。可以製備引線框架的兩個表面以便於焊料附接，諸如通過鍍錫層或通過鎳、鈀和金的順序鍍覆層。同樣，至少一個表面可以具有沉積的金屬層，以諸如通過鍍銀層來提高導熱性。圖8中所示的示例實施例的引線框架金屬的優選厚度是0.2mm，但是其它實施例可以使用更薄或更厚(例如，0.3mm)的引線框架金屬。從低成本和批處理的觀點來看，優選從片狀金屬開始，並且優選為衝壓或蝕刻引線框架以作為由連接軌道832的矩形框架互連的單元的條帶。相鄰單元共享連接軌道。在包裝工藝之後通過修整連接軌道832(優選地通過鋸切)來單片化單元，其產生轉換器的封裝。在切口切斷引線837和軌道832之間的金屬連接的情況下，切口將在由單片化工藝產生的封裝側壁處可見。

在圖8中，每個焊盤用作垂直堆疊的電源系統的基礎，包括兩個半導體FET(MOS場效應電晶體)晶片和兩個連接夾子。為了簡化半導體電源系統的組裝過程並保持低製造成本，夾子在晶片級製造流程中作為批處理應用。夾子在x方向中被設置為平行的行，其中平行的行通過主框架740穩定，如圖7中所討論的。具有陣列夾子柵格的主框架由單片金屬製造(通過衝壓或蝕刻)。一行的夾子通過系杆緊固到相鄰的夾子。然而，在y方向中沒有到平行鏈的夾子的交叉連接。夾子具有精確、穩定的位置，使得夾子可以在構造系統的組裝流程期間被精確地組裝到半導體晶片。

在轉換器的組裝流程中，第一FET晶片801的端子被附接到引線框架陣列的相應焊盤831。同樣，可以將集成電路驅動器和控制晶片803附接到與第一FET晶片801相鄰的每個焊盤。然後，對準具有第一組合夾子的片材，以便將第一夾具的平坦區域810垂直地附接到第一FET晶片101的相對端子，以及將第一夾子的脊810a附接到襯底引腳。如結合圖5所述，金屬夾子一般成形為包括用於接觸FET端子的平坦區域以及與平坦區域成一定角度的用於接觸焊盤或襯底引線的脊。

如圖所示，圖9描繪了引線框架位置上方的第一夾子(第一FET晶片未示出)。應當注意，夾子鏈的互連的夾子區域810與相應的引線框架焊盤對準，並且系杆811的位置不與引線框架連接軌道832對準。第一夾子的脊810a附接到相應的引線框架的引線。作為組合夾子，第一夾子在x方向中成行地對準並且彼此平行地延伸。沿著行，夾子通過基本上在行的線路中取向的系杆811彼此耦接。然而，相鄰的行不通過系杆連接，從而消除了用於第一夾子的任何連接軌道。相反，通過將每個行端部耦接到主框架來確保行的穩定性，主框架垂直於行延伸並且不會被併入在包裝材料中(參見圖7)。因此，其可以容易地在單片化工藝中被修整。

在圖8的實施例的繼續組裝流程中，第二FET晶片802然後通過端子垂直地附接到第一夾子的平坦區域810。然後，對準具有第二組合夾子的片材，以便將第二夾子的平坦區域820垂直地附接到第二FET晶片802的相對端子，並且將第二夾子的脊820a附接到襯底引腳。在圖8中的電源系統的示例實施例中，兩個不同FET晶片801和802的垂直堆疊需要兩種不同形狀的夾子。如圖所示，圖10描繪了在第一夾子和引線框架位置上的第二夾子(第一和第二FET晶片未示出)。應當注意，第二夾子鏈的互連夾子區域820與相應的第一夾子區域810(和引線框架焊盤)對準，並且系杆821的位置不與引線框架連接軌道832對準。第二夾子的脊820a附接到引線框架的相應引線。作為組合夾子，第二夾子在x方向中成行對準，它們彼此平行延伸。沿著行，夾子通過基本上在行的線路(x方向)中取向的系杆821彼此耦接。然而，相鄰的行不通過系杆在y方向中連接，從而消除了用於第二夾子的任何連接軌道。相反，通過將每個行端部耦合到主框架來確保行的穩定性，主框架垂直於行延伸並且不併入包裝材料中(參見圖7)。因此，其可以容易地在單片化工藝中被修整。

圖11示出了組裝的晶片和夾子的堆疊的假想的x射線視圖。該視圖可以在x方向或y方向中取得。在任一情況下，僅存在襯底(引線框架)的連接軌道，在單片化工藝期間將必須切割該連接軌道，因為夾子不具有連接軌道。

在下一個工藝步驟中，FET晶片和夾子的垂直堆疊的陣列被包裝在諸如模製化合物的封裝材料860中。由於市場壓力在尺寸和厚度方面要求小型化產品，因此第二夾子的頂部上方的包裝材料的厚度861可以保持為與技術允許的一樣薄。

為了將圖8的具有組裝的轉換器陣列的條帶單片化為分立的封裝系統，應用旋轉鋸840沿著襯底連接軌道的方向切割經過塑料封裝化合物並經過襯底(引線框架)的連接軌道832。這些切口的方向在圖8的示例中由箭頭850和851指示。

由鋸切工藝產生的封裝系統的側壁的視圖顯示在圖12中。該視圖揭示了經過封裝材料860和引線837的切割系杆837a的橫截面，其中鋸在單片化操作中在去除引線框架連接軌道832期間必須切割為單個系杆。因此，圖12(顯示根據示例實施例的轉換器)與圖4(顯示傳統轉換器)的比較示出了在封裝材料860的頂表面附近不存在金屬部件。因此，單片化操作不必克服未對準的系杆，並且不會在切割金屬和薄塑料材料之間引起任何應力，這些是傳統生產中塑料碎裂和不期望的暴露金屬的原因。

示例實施例適用於場效應電晶體，並且還適用於功率電晶體、雙極電晶體、絕緣柵極電晶體、晶閘管等。作為另一個示例，可以進一步延長堆疊的轉換器的高電流能力，並且通過使第二夾子的頂表面未被包裝而進一步提高效率，因此第二夾子可以優選通過焊接連接到散熱器。在該構造中，六面體形模塊可以將其熱量從大表面耗散到散熱器。

在所描述的實施例中修改是可能的，並且在權利要求的範圍內的其他實施例是可能的。