CN110021579A - 半导体封装件及用于制造半导体封装件的方法 - Google Patents

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陈惠斌
蒂布西奥·马尔多
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Abstract

本发明涉及半导体封装件及用于制造半导体封装件的方法的实施方式，所述半导体封装件的实施方式可包括电耦合至引线框的一个或多个管芯。所述引线框可包括在外壳内。所述半导体封装件还可包括从所述外壳延伸的一组信号引线、从所述外壳延伸的一组电源引线、以及多个压配合引脚，每个压配合引脚固定地耦合至所述组信号引线和所述组电源引线。所述组信号引线和所述组电源引线可以被配置成与基板耦合。

Description

半导体封装件及用于制造半导体封装件的方法
技术领域
本文档的各方面整体涉及半导体封装件，诸如家用电器、机动车工业和工业应用的功率模块，及用于制造半导体封装件的方法。
背景技术
传统上，为了将半导体封装件耦合至基板诸如印刷电路板，引线被软钎焊到基板。其他设计包括在引线的终端处具有压配合引脚结构的引线。
发明内容
半导体封装件的实施方式可包括：电耦合至引线框的一个或多个管芯。引线框可包括在外壳内。半导体封装件还可包括从外壳延伸的一组信号引线、从外壳延伸的一组电源引线、以及多个压配合引脚，每个压配合引脚固定地耦合至该组信号引线和该组电源引线。该组信号引线和该组电源引线可以被配置成与基板耦合。
半导体封装件的实施方式可包括以下各项中的一项、全部或任一项：
电耦合至引线框的一个或多个管芯可以是功率模块。
压配合引脚可以通过熔焊、软钎焊或硬钎焊耦合至信号引线和电源引线。
该组信号引线可以在外壳的第一侧上，并且该组电源引线可以在外壳的与第一侧相反的第二侧上。
基板可以是印刷电路板。
多个压配合引脚可包括铜。
半导体封装件的实施方式可包括：功率模块，其具有耦合至功率模块的一组信号引线；一组电源引线，其在功率模块的与该组信号引线相反的一侧上耦合至功率模块；和压配合引脚，其熔焊、软钎焊或硬钎焊到信号引线中的每一者和电源引线中的每一者。压配合引脚可以被配置成与电路板耦合。
半导体封装件的实施方式可包括以下各项中的一项、全部或任一项：
功率模块可包括开关、整流器或反相器中的一者。
压配合引脚可以使用夹具通过熔焊、软钎焊或硬钎焊耦合至一组信号引线中的一个和一组电源引线中的一个。
功率模块还可包括引线框，该引线框具有一组信号引线和一组电源引线。
引线框可包含99.9％纯度的铜。
多个压配合引脚可包含CuCrAgFeTiSi合金。
制造半导体封装件的方法的实施方式可包括：提供功率模块，该功率模块具有在第一侧上的一组信号引线和在第二侧上的一组电源引线。该方法还可包括修剪该组信号引线的长度和该组电源引线的长度，以及将多个压配合引脚中的压配合引脚熔焊、软钎焊或硬钎焊到信号引线中的每一者和电源引线中的每一者。该方法还可包括将该组信号引线和该组电源引线弯曲到被配置成与基板耦合的期望角度。
制造半导体封装件的方法的实施方式可包括以下各项中的一项、全部或任一项：
多个压配合引脚可以是分割的压配合引脚。
该方法还可包括：在进行熔焊、软钎焊或硬钎焊之前，将每个压配合引脚耦合至夹具中，将该组信号引线中的每个信号引线的一部分耦合至夹具中，并将该组电源引线中的每个电源引线的一部分耦合至夹具中。
多个压配合引脚可以是带框架的压配合引脚。
该方法还可包括在熔焊、软钎焊或硬钎焊之后从框架中分割多个压配合引脚。
熔焊、软钎焊或硬钎焊还可包括超声波熔焊、软钎焊或硬钎焊和激光熔焊、软钎焊或硬钎焊中的一种。
该方法还可包括将引线支撑件耦合至该组信号引线和该组电源引线以及功率模块，其中引线支撑件被配置成防止该组信号引线和该组电源引线变形。
引线框可包含99.9％纯度的铜，并且压配合引脚可包含CuCrAgFeTiSi合金。
对于本领域的普通技术人员而言，通过具体实施方式以及附图并通过权利要求书，上述以及其他方面、特征和优点将会显而易见。
附图说明
将在下文中结合附图来描述各实施方式，其中类似标号表示类似元件，并且：
图1是与印刷电路板(PCB)耦合的半导体封装件的实施方式的侧视图；
图2A是具有修剪引线的功率模块的俯视图；
图2B是功率模块的俯视图，该功率模块具有耦合至修剪引线的压配合引脚；
图2C是具有弯曲引线的功率模块的俯视图；
图2D是具有弯曲的修剪引线的半导体封装件的实施方式的侧视图；
图2E是与印刷电路板(PCB)耦合的半导体封装件的实施方式的侧视图；
图3示出了将分割的压配合引脚耦合至功率模块的修剪引线的方法的实施方式；
图4是将框架型压配合引脚耦合至功率模块的修剪引线的方法的另一种实施方式；
图5是耦合在熔焊夹具中的压配合引脚的实施方式；并且
图6是与压配合插入支撑件囊耦合的半导体封装件的实施方式。
具体实施方式
本公开、其各方面以及实施方式并不限于本文所公开的具体部件、组装工序或方法元素。本领域已知的符合预期半导体封装件的许多另外的部件、组装工序和/或方法元素将显而易见地能与本公开的特定实施方式一起使用。因此，例如，尽管本发明公开了特定实施方式，但是此类实施方式和实施部件可包括符合预期操作和方法的本领域已知用于此类半导体封装件以及实施部件和方法的任何形状、尺寸、样式、类型、模型、版本、量度、浓度、材料、数量、方法元素、步骤等。
参照图1，示出了与印刷电路板(PCB)4耦合的半导体封装件2的实施方式。如图所示，半导体封装件2包括功率模块6，该功率模块6具有在一侧上耦合至功率模块6的一组信号引线8。作为非限制性示例，功率模块可包括开关、整流器或反相器中的一者。该组信号引线8通过压配合引脚10耦合至PCB，压配合引脚10耦合至形成在印刷电路板中的开口中。在特定实施方式中，这些开口可以是钻出或以其他方式形成的通过PCB的通孔。然而，在其他实施方式中，压配合引脚10可以耦合至形成在PCB上的引脚接收器中，或者通过熔焊、软钎焊或硬钎焊耦合至接收器。
在功率模块6的与一组信号引线8相反的一侧上，一组电源引线12耦合至功率模块6。电源引线12通过压配合引脚14耦合至PCB。在各种实施方式中，压配合引脚14可以通过PCB中的开口或通过如本文公开的任何引脚接收器耦合至PCB。压配合引脚10和14分别熔焊、软钎焊或硬钎焊到信号引线8和电源引线12。在特定实施方式中，压配合引脚10、14分别使用夹具或引导件熔焊(或软钎焊或硬钎焊)到信号引线8和电源引线12的端部。在各种实施方式中，引线8和12由用于热和电性能的高纯度材料制成，并且压配合引脚由比引线的材料更适于接合性能的不同材料制成。
虽然图1所示的功率模块6具有引线8和电源引线12，但是在特定实施方式中，可以仅使用一组引线，引线8或者电源引线12。在一些实施方式中，引线8可以分布在功率模块的两个相反侧上；在其他实施方式中，电源引线12可以分布在功率模块的两个相反侧上。在其他实施方式中，引线8可以分布在功率模块的相邻侧上；在其他实施方式中，电源引线12可以分布在功率模块的相邻侧上。在另一些实施方式中，引线8可以分布在功率模块的多于两个侧面上；而在其他实施方式中，电源引线可以分布在功率模块的多于两个侧面上。
压配合引脚的材料可以具有某些特性，以便允许压配合引脚承受将压配合引脚插入基板和从基板拔出的力。在一些实施方式中，压配合引脚可以由CuCrAgFeTiSi合金制成，该合金由德国乌尔姆的Wieland-Werk公司(Wieland-Werk,AG of Ulm,Germany)以商品名K88销售。在这样的实施方式中，由于其期望的屈服强度以及其导电性和良好的抗应力松弛性，可以选择该材料。基于对合金的这三种材料特性的考虑，可以使用各种其他金属合金材料用作压配合引脚。在各种实施方式中，压配合引脚可以由锡；镍；其他铜锡合金诸如CuSn4、CuSn6；CuNiSi或具有期望屈服强度和导电性的其他合适材料形成。如本文所述的半导体封装件的实施方式的结构可以减少在其他半导体封装件中看到的共面性问题。压配合引脚插入可能是一种快速、廉价和可靠的制造工艺，其允许在设备中修理压配合引脚多达两次。以这种方式，由于压配合引脚可以被修理，功率模块可以在任何特定压配合引脚的寿命之外被重复使用。
在各种实施方式中，功率模块包括电耦合至引线框的一个或多个管芯。引线框可包括在外壳内。作为非限制性示例，引线框可以由99.9％纯度的铜(或高于99％的铜)制成，但是在各种实施方式中，可以使用其他纯度的铜(纯度或高或低)或其他金属，作为非限制性示例，所述金属诸如为银、金、铝、它们的任意组合以及任何其他导电金属。在引线框包含99.9％或更高纯度铜的各种实施方式中，铜材料可能不适合用作压配合引脚，因为它可能变形/弯曲太多，以至于不能成功地用作压配合引脚。如前所述，压配合引脚可以与一组信号引线和电源引线中的一个或两个耦合。在各种实施方式中，作为非限制性示例，压配合引脚可以通过熔焊、软钎焊、硬钎焊、激光熔焊、超声波熔焊、热熔焊、激光软钎焊、激光硬钎焊、超声波软钎焊、超声波硬钎焊或适合于将引线的金属耦合至压配合引脚同时保持导电性的任何其他方式耦合至引线。在如本文所述的半导体封装件的各种实施方式中，压配合引脚不像在其他半导体封装件中那样集成到引线框的原始结构中，而是在后续工艺中与引线单独耦合。作为非限制性示例，压配合引脚可以是作为非限制性示例具有实心压入区的实心引脚、具有弹性压入区的顺应引脚，或者设计成作用类似压配合引脚的任何其他类型的结构。顺应引脚设计成在插入过程中变形，并在插入可靠的电连接和机械连接诸如PCB时保持永久接触法向力。
在各种实施方式中，半导体封装件可包括各种各样的其他电子部件，作为非限制性示例，所述电子部件包括线圈、电容器、致动器、传感器、有源电子部件、无源电子部件、它们的任意组合，以及可以装配在半导体封装件的外壳内的任何其他电操作和/或导电结构或设备。作为非限制性示例，具有与本文公开的外壳类似的外壳的功率模块可以是防抱死制动(ABS)模块、电子稳定性控制(ESC)模块、传感器模块、防盗天线、防盗模块、功率分配模块、功率转换模块、功率调节模块以及能够放置在外壳中的任何其他分立设备。在这些应用中使用压配合引脚可以使应用的组装过程更容易和更可靠。
参照图2A-2E，示出了在用于制造半导体封装件的方法的实施方式中的各个步骤处或之后的封装件的配置。参照图2A，示出了功率模块16，该功率模块16具有在功率模块的第一侧上的一组信号引线18和在功率模块的第二侧上的一组电源引线20。该方法包括修剪信号引线18的长度和电源引线20的长度。作为非限制性示例，可以使用引线切割机、切割器、钳子或用于修剪引线的其他合适设备来修剪引线。如图2B所示，示出了在将多个压配合引脚22中的压配合引脚熔焊(或软钎焊或硬钎焊)到功率模块26的信号引线中的每个引线之后的功率模块16。熔焊(或软钎焊或硬钎焊)的过程可以是本文档中公开的任何过程。在该方法的各种实施方式中，多个压配合引脚30中的压配合引脚也可以熔焊到功率模块26的电源引线30中的每一者。如此前所讨论的，熔焊(或软钎焊或硬钎焊)压配合引脚的过程取决于封装件上特定引线的位置。图2A-2E所示的过程示出了多个引线18和电源引线20在相反侧上的过程。在只有引线或电源引线的实施方式中，该方法包括仅在存在的引线上熔焊(或软钎焊或硬钎焊)压配合引脚。在引线位于相邻侧或多于一个侧面上的实施方式中，熔焊过程可以通过多个步骤进行，一次熔焊一个侧面上的压配合引脚，或者一次熔焊多个侧面上的压配合引脚。在一些实施方式中，压配合引脚可以不同时熔焊在单侧上；而是可以熔焊一个或多个，并且在一个或多个附加熔焊步骤中熔焊其余引脚。
在各种实施方式中，多个压配合引脚可以是分割的压配合引脚。在其他实施方式中，多个压配合引脚可以是带框架的压配合引脚。在熔焊(或软钎焊或硬钎焊)之前，该方法还可包括将一个、所有或任何压配合引脚耦合至夹具中。在特定实施方式中，该方法可包括将该组信号引线中的每个信号引线的一部分耦合至夹具中。在各种实施方式中，该方法可包括将该组电源引线中的每个电源引线的一部分耦合至夹具中。在一些方法实施方式中，信号引线和电源引线都可以与夹具耦合以用于熔焊、软钎焊或硬钎焊。类似于图5和图6所示的那些的熔焊支撑结构可以用于各种实施方式中。
参照图2C和图2D，该方法可包括将该组信号引线32和该组电源引线34弯曲到被配置成与基板诸如PCB耦合的期望角度。参照图2E，该方法还可包括通过压配合引脚40将半导体封装件36耦合至基板38。基板可包括由合适材料制成的PCB，诸如阻燃剂4(FR-4)玻璃环氧树脂、阻燃剂5(FR-5)和双马来酰亚胺-三嗪(BT)树脂，或者直接键合铜(DBC)。在各种实施方式中，该方法还可包括将引线支撑件耦合至该组信号引线和该组电源引线。引线支撑件可以被配置成防止该组信号引线和该组电源引线在运输和/或插入期间变形。
在各种实施方式中，在功率模块的一侧具有信号引线并且在功率模块的相反侧具有电源引线的模制功率模块可以被放置在定位导向夹具的X轴中。信号引线和电源引线可以在被放置到导向夹具中之前修剪到预定长度。一组压配合引脚也可以被放置在Y轴位置的导向夹具中。在一些实施方式中，压配合引脚可以是分割的压配合引脚。在其他实施方式中，压配合引脚可以是框架型压配合引脚。压配合引脚和功率模块的引线可以通过熔焊、软钎焊或硬钎焊耦合。在各种实施方式中，在将半导体封装件插入基板诸如PCB中期间，熔焊的压配合信号引线和熔焊的压配合电源引线可以放置在如图6所示的支撑件囊中。引线与压配合引脚的熔焊/软钎焊/硬钎焊可以提供比在引线和压配合引脚之间使用点击或插入耦合机构的封装件中可见的更强和更可靠的连接。然而，在一些实施方式中，一个、一些或所有压配合引脚可以使用引线和压配合引脚之间的点击或插入耦合机构来耦合。
参照图3，示出了制造包括多个分割的压配合引脚42的半导体封装件的方法的另一种实施方式。示出了具有一组信号引线46和一组电源引线48的功率模块44，其中信号引线46和电源引线48被修剪。多个分割的压配合引脚42可以通过本文公开的各种熔焊、软钎焊或硬钎焊方法熔焊到一组信号引线46和一组电源引线48。
参照图4，示出了制造包括多个带框架的压配合引脚50的半导体封装件的方法的另一种实施方式。示出了具有一组信号引线54和一组电源引线56的功率模块52，其中信号引线54和电源引线56被修剪。如前所述，多个带框架的压配合引脚50可以通过熔焊、软钎焊或硬钎焊熔焊到一组信号引线54和一组电源引线54。该方法还包括在压配合引脚50已经熔焊到功率模块52的引线54和56之后，从框架中分割压配合引脚50。
现在参照图5，示出了熔焊、软钎焊或硬钎焊夹具60中的单个压配合引脚58。夹具可以有助于在熔焊过程之前和期间保持压配合引脚与相应的引线耦合。参照图6，示出了由压配合插入支撑件囊64支撑的多个压配合引脚62。压配合插入支撑件囊64可以用于在熔焊过程之前和期间保持压配合引脚62与引线66耦合。在其他实施方式中，在将功率模块插入基板中和/或在功率模块的运输期间，支撑件囊64也可以用于支撑引线66和压配合引脚62之间的熔焊位置。
本文所述的结构和方法可以应用于使用压配合引脚连接的各种应用，包括压配合引脚接头、集成外壳或模块，或者使用引线和压配合引脚的组合的任何其他半导体封装件。压配合引脚接头具体包括带有接触端子的塑料外壳的组件。如本文所述，可以修剪端子，并将压配合引脚熔焊、软钎焊或硬钎焊到端部。这将允许端子和压配合引脚由不同的材料制成，而不会影响封装件或压配合引脚的性能。这种技术可以用于家用电器、机动车工业、工业应用，或需要高性能电子器件和高可靠性连接的其他应用。
在如本文所公开的那些的各种功率模块实施方式中，在电源引线和信号/信号引线上使用压配合引脚可以帮助解决功率模块的高功率应用中的软钎焊裂纹问题。所描述的制造半导体的方法可以在现有设备上以最小的工艺改变或机器修改来执行，同时即使不提高也能保持半导体封装件的性能。
各种封装件实施方式可包括下列各项中的一项、全部或任一项：
半导体封装件是功率模块。
压配合引脚使用夹具通过熔焊、软钎焊或硬钎焊中的一种耦合至信号引线和电源引线。
该组信号引线位于外壳的第一侧上，并且该组电源引线位于外壳的与第一侧相反的第二侧上。
功率模块包括开关、整流器或反相器中的一者。
多个压配合引脚包含CuCrAgFeTiSi合金。
各种方法实施方式可包括下列各项中的一项、全部或任一项：
引线框可包含99.9％纯度的铜，并且压配合引脚包含CuCrAgFeTiSi合金。
熔焊、软钎焊和硬钎焊包括超声波熔焊、激光熔焊、超声波软钎焊、超声波硬钎焊、激光软钎焊或激光硬钎焊中的一种。
该方法还包括将引线支撑件耦合至该组信号引线和该组电源引线以及功率模块，其中引线支撑件被配置成防止该组信号引线和该组电源引线变形。
在以上描述中提到半导体封装件的具体实施方式以及实施部件、子部件、方法和子方法的地方，应当显而易见的是，可在不脱离其实质的情况下作出多种修改，并且这些实施方式、实施部件、子部件、方法和子方法可应用于其他半导体封装件。

Claims (10)

1.一种半导体封装件，包括：
一个或多个管芯，所述一个或多个管芯电耦合至引线框；所述引线框包括在外壳内；
一组信号引线，所述组信号引线从所述外壳延伸；
一组电源引线，所述组电源引线与所述组信号引线相对地从所述外壳延伸；和
多个压配合引脚，每个压配合引脚熔焊、软钎焊或硬钎焊到所述组信号引线和所述组电源引线；
其中所述多个压配合引脚被配置成与电路板耦合。
2.根据权利要求1所述的半导体封装件，其中所述引线框包含99.9％纯度的铜。
3.根据权利要求2所述的半导体封装件，其中所述多个压配合引脚包含CuCrAgFeTiSi合金。
4.一种半导体封装件，包括：功率模块，
所述功率模块包括：
一组信号引线，所述组信号引线耦合至所述功率模块；
一组电源引线，所述组电源引线在所述功率模块的与所述组信号引线相反的一侧上耦合至所述功率模块；和
压配合引脚，所述压配合引脚熔焊、软钎焊或硬钎焊到各信号引线和各电源引线；
其中所述压配合引脚被配置成与电路板耦合。
5.根据权利要求4所述的半导体封装件，其中所述功率模块还包括引线框，所述引线框包括所述组信号引线和所述组电源引线。
6.根据权利要求5所述的半导体封装件，其中所述引线框包含99.9％纯度的铜。
7.一种用于制造半导体封装件的方法，所述方法包括：
提供功率模块，所述功率模块包括在第一侧上的一组信号引线和在第二侧上的一组电源引线；
修剪所述组信号引线的长度和所述组电源引线的长度；
将多个压配合引脚中的压配合引脚熔焊、软钎焊或硬钎焊到各信号引线和各电源引线；以及
将所述组信号引线和所述组电源引线弯曲到被配置成与基板耦合的期望角度。
8.根据权利要求7所述的方法，其中所述多个压配合引脚是分割的压配合引脚或带框架的压配合引脚。
9.根据权利要求7所述的方法，还包括在进行熔焊、软钎焊或硬钎焊之前：
将每个压配合引脚耦合至夹具中；
将所述组信号引线中的每个信号引线的一部分耦合至所述夹具中；
将所述组电源引线中的每个电源引线的一部分耦合至所述夹具中。
10.根据权利要求7所述的方法，还包括在进行熔焊、软钎焊或硬钎焊之后，从框架中分割所述多个压配合引脚。
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