CN104465588B - 具有应力释放和散热器的半导体封装件 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及具有应力释放和散热器的半导体封装件。一种半导体装置，具有安装在片芯桨板上的片芯，所述片芯桨板被抬升高于热沉结构并通过系杆热连接至热沉结构。片芯产生的热量从片芯流到片芯桨板，从片芯桨板流到系杆，从系杆流到热沉结构，然后流到外部环境或外部热沉。通过把片芯／桨板子组件提升至热沉结构上方，使封装装置在片芯和片芯附接粘合剂之间和/或片芯附接粘合剂和片芯桨板之间不易分层。可选的热沉环可以围绕片芯桨板。

Description

具有应力释放和散热器的半导体封装件
技术领域
本发明通常涉及封装的半导体装置，更具体地，涉及在半导体传感器装置中释放应力的技术。
背景技术
在传统的封装的半导体装置中，通常使用环氧树脂或其他合适的粘合剂将片芯直接安装在片芯桨板上，当配置使用时，片芯桨板本身可以直接连接互被设计用于传导热量远离产生热量的片芯的外部热沉(heat sink)。这种结构会引起对于桨板和片芯的机械应力，潜在地导致在片芯和环氧树脂之间的界面的不期望的分层，和/或在环氧树脂和桨板之间的界面的不期望的分层。如果解决在环氧树脂和片芯／桨板之间的弱的粘附，那么机械应力可以从环氧树脂转移至片芯本身，导致片芯中的机械故障(例如，裂纹)。
发明概述
根据本公开的一个实施例，提供了一种用于封装的半导体装置的引线框架，所述引线框架包括：热沉结构，其定义第一平面；片芯桨板，其定义基本上平行于所述第一平面并且与所述第一平面间隔开的第二平面；多个系杆，其将所述热沉结构和所述片芯桨板物理且热地互连，以形成热沉/桨板子组件；以及多个引线，其被设置得邻近所述热沉/片芯桨板子组件。
根据本公开的一个实施例，提供了一种封装的半导体装置，包括：引线框架，包括：热沉结构，其定义第一平面的，片芯桨板，其定义基本上平行于所述第一平面并且与所述第一平面间隔开的第二平面，多个系杆，其将所述热沉结构和所述片芯桨板物理且热地互连，以形成热沉/桨板子组件，以及多个引线，设置得邻近所述热沉／桨板子组件；片芯，其安装在所述片芯桨板上；接合线，将所述片芯电连接至所述引线中的相应引线；以及模制化合物，其包封所述片芯和所述接合线以及至少一部分所述引线框架，其中所述热沉结构的一部分和每个引线的一部分被暴露。
根据本公开的一个实施例，提供了一种用于组装半导体装置的方法，所述方法包括：将半导体片芯附接到引线框架的片芯桨板上，其中所述引线框架包括：热沉结构，其定义第一平面；所述片芯桨板，其定义基本上平行于所述第一平面并且与所述第一平面偏移开的第二平面；多个系杆，其将所述热沉结构和所述片芯桨板物理且热地互连，以形成热沉／桨板子组件；以及多个引线，其设置得邻近所述热沉/桨板子组件；利用接合线电连接所述半导体片芯和所述引线；以及利用模制化合物包封所述半导体片芯和所述接舍线，其中所述热沉结构的一部分和每个引线的一部分被暴露。
附图说明
本发明的实施方式通过示例方式示出，并且其不受附图的限制，其中相同的附图标记表示相同的元件。附图中的元件出于简明和清楚的目的示出，而并不必然按比例绘制。例如，为了清楚起见，可以扩大层和区域的厚度。
图1示出了根据本发明一个实施方式的安装在外部热沉上的封装的半导体装置的截面侧视图；
图2-4示出了一种用于组装图1的封装的半导体装置的可能的工艺；以及
图5(A)-5(D)分别示出了根据本发明一个替代实施例的用于封装的半导体装置500的引线框架的引线502、片芯桨板504和四个焊盘506的3D透视图、顶视图、底视图和部分侧视图。
具体实施方式
在此公开本发明的详细示例性实施例。然而，在此公开的特定结构和功能性细节仅仅是代表性的，用于描述本发明的示例实施例的目的。本发明的实施例可以以多种替代方式实施，并且不应被解释为仅限于在此所述的实施方式。此外，在此使用的术语仅仅是为了描述特定的实施例的目的，并不是要限制本发明的实施例。
在此使用的单数形式“一，，和“该／所述，，意图也包括复数形式，除非上下文清楚地表明不同于此。将进一步理解，术语“包含，、“具有”、和／或“包括”指明了所声明的特征、步骤或部件的存在，但是并不排除一个或多个其他特征、步骤或部件的存在或附加。还应当注意，在一些替代实施例中，所提到的功能／行为可以不按附图所示的顺序发生。例如，根据所涉及的功能/行为，连续示出的两个附图实际上可以基本上同时地执行，或者，有时也可以以相反的顺序执行。
本发明的一个实施例是包括用于封装的半导体装置的引线框架的产品。所述引线框架包括：定义了第一平面的热沉结构；定义了基本上平行于所述第一平面并且与所述第一平面移位开的第二平面的片芯桨板；多个系杆(tie bar)，其将所述热沉结构和所述片芯桨板物理且热地互连以形成热沉／桨板子组件；以及，设置得邻近所述热沉/桨板子组件的多个引线。
本发明的另一个实施例是用于纽装产品的方法和由此所得到的产品。将片芯片芯接合到引线框架的片芯桨板上，其中所述引线框架包括：定义了第一平面的热沉结构；定义了基本上平行于所述第一平面并且与所述第一平面移位开的第二平面的所述片芯桨板；多个系杆，其将所述热沉结构和所述片芯桨板物理且热地互连，以形成热沉／桨板子组件；以及，设置得邻近所述热沉/桨板子组件的多个引线。利用一个或多个相应的接合线把所述片芯导线接舍至所述引线中的一个或多个。施加模制化合物以包封所述片芯和所述一个或多个接合线，其中暴露出所述热沉结构的一部分和每个引线的一部分。
图1示出了根据本发明一个实施方式的安装在外部热沉150上的封装的半导体装置100的截面侧视图。该封装装置100具有片芯102，其通过片芯附接粘合剂106片芯接合至片芯桨板104，并通过接合线110导线接合至多个引线108。片芯桨板104通过多个系杆114连接至热沉环112。片芯102、片芯桨板104、接合线110以及系杆114被包封，并且引线108和热沉环112被嵌入在电绝缘的模制化合物116内，以形成QFP(四方扁平封装)封装的半导体装置100，其具有延伸超出模制化合物116的横向尺寸的引线。
本领域技术人员将理解，本发明的替代实施例包括QFN(四方扁平无引线)封装的半导体装置，其引线不延伸超出模制化合物的横向尺寸。另外的替代实施例包括(但不限于)：球栅阵列(BGA)封装、模制阵列封装(MAP)、以及其他的引线封装。
无论封装装置是QFP装置还是QFN装置或是某种其他类型的装置，至少每个引线108的一些表面是暴露的(即，不是被完全包封在模制化合物116内)。类似地，如图1所示，热沉环112的底面也是暴露的。
常规地，可以使用电绝缘的片芯接合粘合剂106将片芯102附接到片芯桨板104。本领域技术人员将理解，可以使用合适的替代手段，例如片芯附接带。引线108可以由铜、铜合金、镀铜的铁/镍合金、或镀铝等形成。通常，铜引线首先预镀有镍底层、然后有钯中间层，最后有非常薄的金上层。接合线110由导电材料(诸如，铝、银、金或铜)形成，并且可以是被涂覆的或者是未被涂覆的。如现有技术中已知的，模制化合物116可以是塑料、环氧树脂、硅填充树脂、陶瓷、无卤化物的材料等，或其组合。
如图1所示，热沉环112位于封装装置100底部处的第一平面中，而片芯桨板104位于基本上平行于第一平面并且移位于第一屏幕上方的第二平面中，系杆114在片芯桨板104和热沉环112之间提供向下的台阶。类似地，每个引线108提供从位于第二平面中的上或内引线部分至位于第一平面中的下或外引线部分的向下的台阶(中间部分)。根据特定的实现方式，引线108可以具有任何合适的形状，例如“鸥翼”形或“J”形。
在图1的结构中，使用导热焊料152将封装装置100安装在外部热沉150上。在操作中，片芯102内产生的热量从片芯102经由片芯接合粘合剂106热传导至片芯桨板104，从片芯桨板104经由系杆114热传导至热沉环112，并从热沉环112经由焊料152热传导至热沉150。这样，在此实施例中，热沉环112形成热沉结构，该热沉结构作为片芯桨板104和外部热沉150之间的热路径的一部分。
在传统的封装的半导体装置中，片芯桨板将位于第一平面中，从而当配置使用时，片芯桨板将与热沉(诸如，热沉105)直接地或者至少相对紧密地热接触。然而，在图1所示的结构中，片芯桨板104位于第二平面中，从而使得片芯102和片芯桨板104与第一平面移位开，并因此与热沉150移位开。因此，在图1的结构中，消除或至少减小了在传统的封装装置的结构中由与热沉的紧密热接触而导致的机械应力。因此，可以避免现有技术中的相应的不期望的分层。
图2-4示出了用于组装图1的封装的半导体装置100的一种可能的工艺过程。
图2的(A)和(B)分别示出了包括图1的片芯桨板104、引线108、热沉环112以及系杆114的引线框架200的截面侧视图和俯视图。应注意，引线框架200是非嵌入式引线框架，其元件未嵌入在模制化合物中。如此，在组装工艺的包封阶段期间，需要在随后的模制化合物的施加之前适当地支撑这些元件(在下文中参考图4描述)。
本领域技术人员将理解，使用包括图2的引线框架200的实例的二维阵列的引线框架组件，来纽装图1的封装装置100的不同实例的二维阵列，其中，除了引线框架组件的最外面的引线之外，每个引线108是该引线框架组件中引线结构的一部分，该引线结构包括用于引线框架200的邻近实例的相应的引线。在组装工艺的最后，在锯切或激光单颗化步骤中分离出单个的封装装置100，在该步骤中每个引线结构被切成两个引线108，对于封装装置100的两个不同实例中的每一个各用一个引线。对于特定的实现方式，然后可以使引线形成适当形状(例如，鸥翼或J形)。
如图2的(B)所示，引线框架200还包括四个支撑杆202，其在应用模制化合物116之前为二维引线框架组件中的包括片芯桨板104、热沉环112和系杆114的每一个子组件提供机械支撑。尽管在附图中未示出，但是支撑杆202也具有与引线108的类似的向下的台阶。
图3的(A)和(B)分别示出了图2的引线框架200在已经(i)使用片芯接合粘合剂106将片芯102片芯接合至片芯桨板104以及(ii)使用接合线110将片芯102导线接合至引线108之后的截面侧视图和俯视图。
图4的(A)、(B)和(C)分别示出了图3的细件在已经应用模制化合物116以(i)包封片芯102、片芯桨板104、接合线110和系杆114并且已经(ii)嵌入引线108和热沉环112，保留引线108的末端和热沉环112的底部暴露之后的截面侧视图、X射线俯视图和底视图。
如现有技术中所知的，应用模制化合物116的一种方式是使用传统注入模制机的模制插入。模制材料通常作为液体聚合物施加，然后对其加热通过在UV或环境气氛中固化将其形成固体。模制材料也可以是固体，将其加热形成液体以供施加，然后冷却形成固体模。随后，使用烤箱固化来使模制材料固化以完成聚合物的交联。如现有技术中已知的，可以使用引线上的坝条(dam bar)设计来施加模制化舍物116，其中之后使用适当的清除(de-junking)工艺来去除任何多余的模制化合物。在替代实施例中，可以使用其他的包封工艺。
注意，该实施例涉及模制化合物的单个应用。在替代实施例中，在图3的片芯接合和导线接合之前，预模制引线框架200，在这种情况下，图4中的相应的包封步骤将涉及将模制化合物116施加在预模制的引线框架的顶部上。
图5(A)-5(D)分别示出了根据本发明一个替代实施例的用于封装的半导体装置500的引线框架的引线502、片芯桨板504和四个焊盘506的3D透视图、顶视图、底视图和部分侧视图。如图中所示，片芯桨板504具有形成了X形的两个交叉臂，而四个焊盘506都是三角形的形状。
如图5(D)所示，四个焊盘506位于封装装置500的底部处的第一平面中，而片芯桨板504位于基本上平行于第一平面并且移位于第一平面上方的第二平面中，多个系杆508在片芯桨板504和四个焊盘506之间提供向下的台阶。类似地，每个引线502提供从上引线部分至下引线部分的向下的台阶。在图5中的特定实现方式中，引线502为“鸥翼”形。
在图5的结构中，可以使用导热焊料以与图1所示类似的方式，将封装装置500安装在外部热沉上。在操作中，在安装在片芯桨板504上的片芯或多个片芯(未示出)内产生的热量将从片芯经由用于将片芯固着至片芯桨板的粘合剂热传导至片芯桨板504，从片芯桨板504经由12个系杆508热传导至四个焊盘506，并且从四个焊盘506经由用于将封装装置500固着至外部热沉(未示出)的焊料热传导至外部热沉。因此，在这个实施方式中，四个焊盘506形成这样的热沉结构，该热沉结构是片芯桨板504和外部热沉之间的热路径的一部分。
如之前所述的，在传统的封装的半导体装置中，片芯桨板位于第一平面中，从而当配置使用时，片芯桨板将与外部热沉(诸如，热沉150)直接地或者至少相对紧密地热接触。然而，在图5所示的结构中，片芯桨板504位于第二平面中，从而使得片芯(一个或多个)和片芯桨板504与第一平面移位开，并因此与外部热沉移位开。因此，在图5的结构中，消除或至少减少了在传统封装装置结构中的由于与热沉紧密热接触所导致的机械应力。因此，可以避免现有技术中的相应的不期望的分层。
如在此使用的，术语“安装在…上，，，如，“安装在片芯桨板上的第一片芯”中的，覆盖以下情况：第一片芯直接安装在片芯桨板上而没有插入其他片芯或其他结构的情况(如图3中片芯102安装在片芯桨板104上中那样)，以及，第一片芯直接安装在另一片芯上，该另一片芯本身直接安装在片芯桨板上的情况。注意，“安装在…上”还覆盖这样的情况，其中在第一片芯和片芯桨板之间存在两个或多个介于中间的片芯。根据情况，术语“安装”除了物理连接之外还可以暗示了电连接，其中电连接可以通过一个或多个接合线、一个或多个焊料凸块、和/或任何其他合适的技术来提供。
至此应理解，已经提供了改善的封装的半导体装置，以及形成所述改善的封装的半导体装置的方法。并未公开电路细节，因为其知识对于完全理解本发明来说是不需要的。
虽然在说明书和权利要求中使用了诸如“前”、“后”、“顶”、“底”、“之上”、“上方”、“之下”等相对术语描述了本发明，但是这些术语用于描述性的目的，并且并不必然描述永久性的相对位置。应理解，如此使用的这种术语在适当情况下可以互换，从而，例如在此描述的本发明的实施例能够在这里所示出或以其他方式描述的其它取向工作。
除非另有说明，使用诸如“第一”和“第二”的术语来任意区分这种术语所描述的元素。因此，这些术语并不必然意图表示这些元素的时间上的或其他的优先次序。此外，权利要求中诸如“至少一个”和“一个或多个”的引语的使用不应当被解释为暗示了通过“一”(不定冠词“a”或“an”)对另一权利要求元素的引入将包含这样引入的权利要求元素的任何特定权利要求限制到仅包含一个该元素的发明，即使在同一权利要求包含引语“一个或多个”或“至少一个”以及不定冠词(诸如，“一”(“a”或“an”)时也是如此。这同样适应于使用定冠词(“所述”)。
虽然这里参考特定的实施例描述了本发明，但是可以进行各种中修改和改变而不脱离如下面的权利要求阐述的本发明的范围。因此，说明书和附图被视为是说明性的而不是限制性的，并且所有这些修改都被包含在本发明的范围内。在此就特定实施例描述的任何益处、优点或问题的解决方案不应被解释为任何或者全部权利要求的关键性的、必需的或实质性的特征或元素。
应当理解，在此描述的示例性的方法的步骤并不必需按照所描述的顺序执行，并且这些方法的步骤的顺序应当理解为仅仅是示例性的。同样地，在这些方法中可以包括附加的步骤，并且在与本发明各种实施例一致的方法中，可以省略或者组合某些步骤。
虽然通过相应的标记以特定的顺序引述了下面的方法权利要求(如果有的话)中的元素，但是除非权利要求的引述以另外的方式暗示了用于实施这些元素中的某些或全部的特定顺序，否则这些元素不应被限制为按照该特定顺序执行。
在此对“一个实施例”或“一实施例”的引用，表示与所述实施例相关地描述的特定特征、结构或特性可以被包含在本发明的至少一个实施例中。在说明书的不同部分出现的短语“在一个实施例中”并不必然全部都涉及同一实施例，也不表示分立的或替代的实施例必然与其他实施例互斥。这同样适应于术语“实现方式”。
在本申请中被权利要求覆盖的实施例限于这样的实施例：(1)通过本申请文件使得能够实现的，以及(2)与法定主旨对应的。，不能使其实现的实施例以及不与法定主旨对应的实施例被明确放弃权利，即使其落在权利要求的范围之内。

Claims (14)

1.一种用于封装的半导体装置的引线框架，所述引线框架包括：
热沉结构，其定义第一平面；
片芯桨板，其定义基本上平行于所述第一平面并且与所述第一平面间隔开的第二平面，所述片芯桨板包括两个交叉臂，其形成具有四个三角形开口的X形；以及所述热沉结构包括四个三角形焊盘，其与所述X形的片芯桨板中的四个三角形开口对应；
多个系杆，其将所述热沉结构和所述片芯桨板物理且热地互连，以形成热沉/桨板子组件，其中所述系杆沿着所述X形的片芯桨板在多个位置处将所述片芯桨板连接至所述热沉结构，其中所述系杆包括：
位于所述两个交叉臂的外围处的第一多个系杆；以及
位于所述两个交叉臂的交叉部处的第二多个系杆；以及
多个引线，其被设置得邻近所述热沉/片芯桨板子组件。
2.根据权利要求1所述的引线框架，其中每个系杆包括在所述第二平面和所述第一平面之间的向下的台阶。
3.根据权利要求1所述的引线框架，其中：
所述片芯桨板具有实心矩形形状；以及
所述热沉结构是尺寸大于所述片芯桨板的尺寸的矩形热沉环。
4.根据权利要求3所述的引线框架，其中所述系杆绕所述片芯桨板的外围将所述片芯桨板连接至所述热沉结构。
5.根据权利要求1所述的引线框架，其中：
所述引线具有位于所述第一平面内的外端、位于所述第二平面内的内端、以及在所述内端和外端之间延伸并连接所述内端和外端的中间部分。
6.一种封装的半导体装置，包括：
引线框架，包括：
热沉结构，其定义第一平面的，
片芯桨板，其定义基本上平行于所述第一平面并且与所述第一平面间隔开的第二平面，所述片芯桨板包括两个交叉臂，其形成具有四个三角形开口的X形；以及所述热沉结构包括四个三角形焊盘，其与所述X形的片芯桨板中的四个三角形开口对应；
多个系杆，其将所述热沉结构和所述片芯桨板物理且热地互连，以形成热沉/桨板子组件，其中所述系杆沿着所述X形的片芯桨板在多个位置处将所述片芯桨板连接至所述热沉结构，其中所述系杆包括：
位于所述两个交叉臂的外围处的第一多个系杆；以及
位于所述两个交叉臂的交叉部处的第二多个系杆；以及
多个引线，设置得邻近所述热沉/桨板子组件；
片芯，其安装在所述片芯桨板上；
接合线，将所述片芯电连接至所述引线中的相应引线；以及
模制化合物，其包封所述片芯和所述接合线以及至少一部分所述引线框架，其中所述热沉结构的一部分和每个引线的一部分被暴露。
7.根据权利要求6所述的封装的半导体装置，进一步包括：
连接至所述热沉结构的暴露部分的热沉。
8.根据权利要求6所述的封装的半导体装置，其中所述引线具有位于所述第一平面内的外端、位于所述第二平面内的内端、以及在所述内端和外端之间延伸并且连接所述内端和外端的中间部分。
9.根据权利要求6所述的封装的半导体装置，其中每个系杆包括在所述第二平面和所述第一平面之间的向下的台阶。
10.根据权利要求6所述的封装的半导体装置，其中：
所述片芯桨板具有实心的矩形形状；以及
所述热沉结构是尺寸大于所述片芯桨板的尺寸的矩形热沉环。
11.根据权利要求10所述的封装的半导体装置，其中所述系杆绕所述片芯桨板的外围将所述片芯桨板连接至所述热沉结构。
12.一种用于组装半导体装置的方法，所述方法包括：
将半导体片芯附接到引线框架的片芯桨板上，其中所述引线框架包括：
热沉结构，其定义第一平面；
所述片芯桨板，其定义基本上平行于所述第一平面并且与所述第一平面偏移开的第二平面，所述片芯桨板包括两个交叉臂，其形成具有四个三角形开口的X形；以及所述热沉结构包括四个三角形焊盘，其与所述X形的片芯桨板中的四个三角形开口对应；
多个系杆，其将所述热沉结构和所述片芯桨板物理且热地互连，以形成热沉/桨板子组件，其中所述系杆沿着所述X形的片芯桨板在多个位置处将所述片芯桨板连接至所述热沉结构，其中所述系杆包括：
位于所述两个交叉臂的外围处的第一多个系杆；以及
位于所述两个交叉臂的交叉部处的第二多个系杆；以及
多个引线，其设置得邻近所述热沉/桨板子组件；
利用接合线电连接所述半导体片芯和所述引线；以及
利用模制化合物包封所述半导体片芯和所述接合线，其中所述热沉结构的一部分和每个引线的一部分被暴露。
13.根据权利要求12所述的方法，进一步包括：
连接热沉至所述热沉结构的暴露部分。
14.根据权利要求12所述的方法，其中：
每个系杆包括在所述第二平面和所述第一平面之间的向下的台阶；以及
所述引线具有位于所述第一平面内的暴露的外端、位于所述第二平面内的被包封的内端、以及在所述内端和外端之间延伸并连接所述内端和外端的中间部分。
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