CN117477283A - 压配合连接器和插座 - Google Patents

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Abstract

本公开内容提供了压配合连接器和插座。一种半导体器件包括电子载体、附接到电子载体的第一焊盘的导电插座、以及导电压配合连接器，所述导电压配合连接器包括凸缘和从凸缘延伸到压配合连接器的第一端的基部部分，其中，压配合连接器处于固定位置，由此基部部分设置在插座内并由插座牢固地保持，并且其中，压配合连接器的基部部分被配置成在固定位置中保持凸缘与插座的上端之间的垂直间隔。

Description

压配合连接器和插座
背景技术
半导体功率模块用于各种应用，例如汽车、工业电机驱动、AC-DC电源等。半导体功率模块通常包括多个功率半导体器件(例如功率MOSFET(金属氧化物半导体场效应晶体管)、IGBT(绝缘栅双极晶体管)、HEMT(高电子迁移率晶体管)等)、以及安装在公共衬底上的其他元件，例如无源部件、接合线等。半导体功率模块的电互连必须承受大量的电流、电压和热量。
期望以比常规解决方案更低的成本生产具有类似或更好的性能特性的半导体功率模块。
发明内容
公开一种半导体器件组合件。根据实施例，半导体器件包括电子载体、附接到所述电子载体的第一焊盘的导电插座、以及导电压配合连接器，所述导电压配合连接器包括凸缘和从所述凸缘延伸到所述压配合连接器的第一端的基部部分，其中，所述压配合连接器处于固定位置，由此所述基部部分设置在所述插座内并由所述插座牢固地保持，并且其中，所述压配合连接器的所述基部部分被配置成在所述固定位置中保持所述凸缘与所述插座的上端之间的垂直间隔。
单独地或组合地，所述插座包括机械和电地连接到所述第一焊盘的上表面的套筒(sleeve)，并且其中，所述压配合连接器的所述基部部分被配置成通过与所述套筒的摩擦配合来保持垂直间隔。
单独地或组合地，所述基部部分具有第一直径，并且其中，所述第一直径等于或大于所述套筒的最小直径。
单独地或组合地，所述插座具有圆柱形几何形状，并且其中，所述基部部分具有多边形几何形状，并且其中，所述基部部分的边缘与所述套筒接合以提供摩擦配合。
单独地或组合地，所述电子载体包括结构化金属化层，并且其中，所述结构化金属化层包括所述第一焊盘。
单独地或组合地，所述电子载体包括导电引线框架，所述引线框架还包括所述第一焊盘。
单独地或组合地，在所述固定位置中所述凸缘与所述插座的上端之间的垂直间隔距离在50μm与500μm之间。
单独地或组合地，在所述固定位置中所述凸缘与所述插座的上端之间的垂直间隔距离在200μm与300μm之间。
单独地或组合地，所述垂直间隔距离与所述插座的总高度之间的比率在100:1与5:1之间。
单独地或组合地，所述垂直间隔距离与所述插座的总高度之间的比率在25:2与25:3之间。
单独地或组合地，所述半导体器件组合件还包括安装在所述电子载体上的第一半导体管芯，其中，所述压配合连接器经由所述插座和所述结构化金属化层的第一焊盘电连接到所述第一半导体管芯的端子。
单独地或组合地，所述第一半导体管芯是功率器件，并且其中，所述电子载体是以下中的任一个：DCB衬底、IMS衬底、或AMB衬底。
公开了一种电子载体互连系统。根据实施例，电子载体互连系统包括被配置成固定到电子载体的导电插座、导电压配合连接器，所述导电压配合连接器包括凸缘和从所述凸缘延伸到压配合连接器的第一端的基部部分，其中，所述压配合连接器被配置成在固定位置中机械和电地连接到所述插座，由此所述基部部分设置在所述插座内并由所述插座牢固地保持，并且其中，所述压配合连接器的所述基部部分被配置成在所述固定位置中保持所述凸缘与所述插座的上端之间的垂直间隔。
单独地或组合地，所述基部部分具有第一直径，并且其中，所述第一直径等于或大于套筒的最小直径。
单独地或组合地，所述插座具有圆柱形几何形状，并且其中，所述基部部分具有多边形几何形状，并且其中，所述基部部分的边缘与所述套筒接合以提供摩擦配合。
单独地或组合地，在所述固定位置中所述凸缘与所述插座的上端之间的垂直间隔距离在50μm与500μm之间。
本领域技术人员在阅读以下详细描述并查看附图时将认识到附加特征和优点。
附图说明
附图的元件不一定相对于彼此按比例绘制。相同的附图标记表示对应的类似部分。可以组合各种所示实施例的特征，除非它们彼此排斥。在附图中示出并且在下面的描述中详细描述了实施例。
图1A和图1B示出了根据实施例的半导体器件组合件，所述半导体器件组合件包括电子载体、导电插座和导电压配合连接器。图1A示出了其上设置有插座的电子载体的平面图；以及图1B示出了具有固定在插座内的压配合连接器的电子载体的侧视图。
图2A、图2B和图2C示出了将压配合连接器插入插座的特写视图。图2A示出了插座的侧视图；图2B示出了插入之前的插座和压配合连接器的下部的侧视图；以及图2C示出了插入后的插座和压配合连接器的下部的侧视图。
图3A、图3B、图3C、图3D和图3E示出了根据各种实施例的可以与压配合连接器一起使用的插座。
图4示出了根据实施例的插入插座中的压配合连接器的平面示意图。
图5A和图5B示出了根据实施例的半导体器件组合件，所述半导体器件组合件包括被配置为引线框架的电子载体、导电插座和导电压配合连接器。图5A示出了封装之前的半导体器件组合件，以及图5B示出了封装之后的半导体器件组合件。
具体实施方式
本文中描述一种半导体器件组合件，其包括具有插座的电子载体和被配置成插入到插座中的压配合连接器。压配合连接器包括凸缘和从凸缘延伸到压配合连接器的第一端的基部部分。通过将基部部分插入插座中，将压配合连接器固定到插座。有利地，压配合连接器的基部部分被配置成在固定位置中保持凸缘和插座的上端之间的垂直间隔。因此，当压配合连接器插入插座时，防止凸缘接触插座的上端。其中，这改善了组合件，因为止动(stopping)特征和插座之间的接合稳定了压配合连接器的位置，并且因为用于形成止动特征的机器公差使压配合连接器的高度偏差减到最小。
参考图1A-1B，半导体器件组合件100包括电子载体102。电子载体102是被配置成适应在其上安装多个功率半导体器件的衬底。电子载体102可以是例如DBC(直接接合铜)衬底、AMB(活性金属钎焊)衬底、IMS(绝缘金属衬底)、PCB(印刷电路板)、或例如金属引线框架。
电子载体102包括至少一个电介质层104。一般而言，电介质层104可以包括各种电绝缘材料中的任何一种，例如陶瓷、塑料、层压板等。更具体地，电介质层104例如在DBC、AMB或IMS衬底的情况下可以包括陶瓷材料，例如Al2O3(氧化铝)、AlN(氮化铝)等，并且例如在PCB的情况下可以包括预浸材料(预浸渍纤维)，例如FR-2、FR-4、CEM-1、G-10等。
电子载体102包括设置在电子载体102的主侧上的第一结构化金属化层106。第一结构化金属化层106包括设置在电介质层104上并且彼此电隔离的多个焊盘108。焊盘108的尺寸可以被设计成适应一个或多个半导体管芯110在其上的安装。单独地或组合地，焊盘108的尺寸可以被设计成适应无源元件(例如，电容器、电阻器、电感器和本文公开的插座112)的安装。单独地或组合地，焊盘108可以形成将两个或更多个器件连接在一起的电互连结构的一部分。图1A-1B中所示的布局仅示出了许多潜在配置中的一种，更一般地，焊盘108的尺寸、形状和布置可以变化并且适于特定应用。电子载体102可以另外包括设置在电子载体102的后侧上的第二金属化层113。第二金属化层113可以是用于将电子载体102热耦接到冷却装置(诸如散热器)的连续层。一般而言，第一结构化金属化层106和第二金属化层113可以包括或镀有以下中的任何一种或多种：Cu、Ni、Ag、Au、Pd、Pt、NiV、NiP、NiNiP、NiP/Pd、Ni/Au、NiP/Pd/Au或NiP/Pd/AuAg。
半导体器件组合件100包括安装在第一结构化金属化层106的焊盘108上的多个管芯110。可使用导电粘合剂(例如，焊料、烧结物等)将管芯110安装在这些焊盘108上。一般来说，半导体管芯110可包括各种器件类型，例如，分立器件、逻辑器件、定制电路、控制器、感测器件、无源元件等。根据实施例，半导体管芯110中的至少一些被配置为功率器件。功率器件是指一种类型的半导体器件，其额定承受高电压，例如至少100V(伏特)的电压，更通常为600V、1,200V或更高量级的电压，和/或额定承受高电流，例如1A(安培)量级的电流，更通常为10A、50A或更高量级的电流。功率器件的示例包括分立二极管和分立晶体管，例如MOSFET(金属氧化物半导体场效应晶体管)、IGBT(绝缘栅双极晶体管)、HEMT(高电子迁移率晶体管)等。半导体管芯110中的至少一些可以具有横向器件配置，其中器件被配置为控制平行于管芯的主表面流动的电流。半导体管芯110中的至少一些可具有垂直配置，其中器件被配置为控制在管芯的主表面与管芯的后表面之间垂直流动的电流。
半导体器件组合件100可形成功率模块的部分。特别地，功率模块可以包括电子载体102，其中多个半导体管芯110是形成半桥电路的高侧开关和低侧开关的功率晶体管。功率模块可另外包括半导体管芯110中的一个或多个，其作为控制半桥电路的切换操作的驱动器管芯。功率模块可以另外包括安装在电子载体102上的无源器件，例如电容器、电感器、电阻器等。可以使用焊接到器件和/或金属焊盘的金属互连元件(例如，夹子、带、接合线等)来实现功率电子衬底上的各种元件之间的电互连。功率模块可以包括塑料壳体，该塑料壳体保护安装在电子载体102上的各种元件。
半导体器件组合件100另外包括附连到焊盘108的插座112。插座112是导电结构，其与焊盘108形成电连接并提供用于压配合连接器114的插入的锚固机构。插座112被配置成使用导电粘合剂附接到焊盘108。例如，插座112可以包括面向焊盘108的基本上平坦的下表面。可以使用导电粘合剂(诸如焊料、烧结物或导电胶)将插座112附接到焊盘108。一般而言，插座112可以包括各种导电金属中的任一种，例如Cu、Ni、Ag、Au、Pd、Pt等、和其合金。
半导体器件组合件100另外包括压配合连接器114。压配合连接器114是被设计成插入插座112中的导电结构。压配合连接器114可以包括金属芯，例如Cu、Al等，并且可以包括一层或多层防腐蚀镀层，例如Ni、Ag、Au等。压配合连接器114包括设置在压配合连接器114的第二端116处的配合特征，其插入外部电子部件中的孔中。这些配合特征可以被配置成塑性变形和/或可以包括弹簧加载的接触机构(如图所示)以增强I/O连接。
插座112与压配合连接器114的组合提供了电互连机构，用于以快速且可靠的方式将安装在电子载体102上的各种部件与诸如PCB(印刷电路板)的外部电子部件(未示出)电连接。压配合连接器114经由插座112电连接到焊盘108。插座112又电连接到安装在电子载体102上的各种部件。例如，被配置为垂直器件的半导体管芯110中的一个可以安装在焊盘108中的一个上，焊盘108中的一个又包括插座112和压配合连接器114，从而提供到管芯110的后表面端子的直接电接触点。可替换地，半导体管芯110的上表面端子可通过电互连元件与焊盘108中的被隔离焊盘108的组合来接入，所述焊盘108包括插座112和设置在其上的压配合连接器114。
参考图2A-2C，示出了插座112和压配合连接器114的插入插座112中的下部的详细视图。插座112包括接收压配合连接器114的套筒118。根据一实施例，套筒118具有圆柱形几何形状，这意味着套筒118的内侧壁从插座112的平面图角度来看具有圆形形状，并且套筒118的直径D1在套筒118的整个深度上是恒定的。
压配合连接器114包括凸缘120和从凸缘120延伸到压配合连接器114的第一端124的基部部分122。凸缘120是远离压配合连接器114横向延伸的突出部。从图2C中可以看出，凸缘120布置成当压配合连接器114插入插座112中时在插座112的上端126上方延伸。凸缘120延伸的厚度T1通常可以在500μm至2mm的范围内。厚度T1取决于形成压配合连接器114和/或插座112的材料，其中，选择特定值以在压配合连接器114过度插入的情况下具有足够的强度，如下面将进一步详细描述的。从压配合连接器114的平面图角度来看，凸缘120可以具有不同的几何形状。例如，凸缘120形成圆环，该圆环在每个方向上从压配合连接器114的基部部分122向外突出。可替换地，凸缘120可以形成在两个相反的方向上从基部部分122向外延伸的两个翼部，而压配合连接器114在横向于翼部的延伸的方向上保持均匀的厚度。
基部部分122是指压配合连接器114的从凸缘120延伸到压配合连接器114的第一端124的部分，其中压配合连接器114的第一端124是与压配合连接器114的第二端116相反的端部。如图2C所示，压配合连接器114可以布置在固定位置中，由此基部部分122设置在插座112内并由插座112牢固地保持。在固定位置中，压配合连接器114机械和电地接触插座112，并且基部部分122用作将压配合连接器114固定就位的机械锚固机构。
压配合连接器114的基部部分122被配置成在固定位置中保持凸缘和插座的上端之间的垂直间隔距离VD1。垂直间隔VD1是凸缘120和插座112的上端126之间的间隙。在如图2C所示的固定位置中，压配合连接器114的基部部分122接触套筒118的内侧壁，并防止凸缘120移动得更靠近插座112的上端126。换言之，当基部部分122插入插座112中时，压配合连接器114的基部部分122呈现力阈值，其中在凸缘120可以接触插座112的上端126之前必须克服该力阈值。
根据实施例，压配合连接器114的基部部分122被配置成通过与套筒118的摩擦配合来保持垂直间隔距离VD1。即，基部部分122产生摩擦阻碍，该摩擦阻碍阻挡压配合连接器114在插入时的任何进一步向下移动。
根据实施例，基部部分122具有第一直径D1，该第一直径D1可以是基部部分122的最大直径，并且等于或大于套筒118的最小直径MD1。如图2C所示，当压配合连接器114插入插座112中时，基部部分122的外表面接触套筒118的侧壁。如图所示，基部部分122的具有第一直径D1的截面延伸到套筒118中，因为基部部分122和插座112彼此接合并相互作用，使得基部部分122和套筒118的侧壁之间的摩擦力防止基部部分122进一步移动超过垂直间隔距离VD1。第一直径D1可以略大于套筒118的最小直径MD1，例如，在套筒118的最小直径MD1的101％和105％内。这可以使套筒118在插入期间塑性变形，从而增强摩擦配合。如图所示，基部部分122可以具有延伸到压配合连接器114的第一端124的锥形区域。该锥形区域可以便于将基部部分122插入小于基部部分122的套筒118中。
基部部分122可以具有满足第一直径D1等于或大于套筒118的最小直径MD1的要求的不同几何形状。例如，基部部分122可以具有锥形几何形状，该锥形几何形状在基部部分122的整个深度上具有等于第一直径D1的基本均匀的直径。在另一实施例中，基部部分122可以包括下部部分和上部部分之间的过渡部，在下部部分中，基部部分122的直径小于最小直径MD1，在上部部分中，基部部分122具有第一直径D1。例如，过渡部可以是突变的，例如阶梯形的，或逐渐倾斜的。在另一实施例中，基部部分122具有与套筒118不同的几何形状，其示例将在下面参考图4进一步详细描述。在另一示例中，套筒118的内侧壁可以包括与基部部分122中的对应突起和/或凹部机械接合的突起或搁架(shelf)结构。单独地或组合地，可以定制套筒118的内侧壁和/或基部部分122的材料成分以产生或增强机械止动。例如，这些结构中的一个或两个可涂覆有金属，该金属在套筒118的内侧壁与基部部分122彼此接触时增强摩擦。
包括被配置成保持垂直间隔距离VD1的基部部分122的压配合连接器114具有以下优点。基部部分122的配置允许压配合连接器114在组装步骤期间保持在机械稳定的位置，同时防止凸缘120在这些组装步骤期间用作止动机构。这些组装步骤可以包括管芯附着、焊接、引线接合、封装等。当电子载体102由处理设备通过各种处理步骤移动时，保持压配合连接器114的对准和位置。利用基部部分122，凸缘120提供次级止动机构，该次级止动机构在过度插入的情况下(例如，在装置与印刷电路板配合并且过大的插入力施加到压配合连接器114的情况下)用作故障保护。作为比较，在不保持垂直间隔距离VD1的配置中，凸缘120可以在这些组装步骤期间直接搁置在插座的上端126上，因为它提供了唯一的止动机构。在这种情况下，由于套筒118与基部部分122之间的间隙(leeway)，压配合连接器114可能移动和/或变得未对准。此外，如在压配合连接器114中的多个压配合连接器之间，第二端116的垂直位置可由于公差窗口而变化。
发明人已经观察到，以下尺寸关系提供了上述压配合连接器114的有益对准和机械固定。根据实施例，在绝对意义上，处于固定位置中的凸缘120和插座112的上端126之间的垂直间隔距离VD1在50μm与500μm之间。在更具体的实施例中，垂直间隔距离VD1可以在200μm与300μm之间。单独地或组合地，垂直间隔距离VD1可以与插座112的总高度H1相关。根据实施例，凸缘120和插座112的上端126之间的垂直间隔距离VD1与插座112的总高度H1之间的比率在100:1与5:1之间。在更具体的实施例中，凸缘120和插座112的上端126之间的垂直间隔距离VD1与插座112的总高度H1之间的比率在25:2与25:3之间。
参考图3A-3E，示出了插座112的各种配置。插座112表示插座112的不同可能配置，其可以附接到电子载体102并提供用于压配合连接器114以上述方式插入的锚固机构。可以看出，插座112可以被配置成使得套筒118完全延伸穿过插座112的底侧，例如，如图3A-3C的实施例中所示。单独地或组合地，可以从插座112的底侧和顶侧中的一个或两个省略凸缘状结构，例如，如图3B-3E的实施例中所示。
参考图4，示出了其中基部部分122具有与套筒118不同的几何形状的实施例。更具体地，插座112具有圆柱形几何形状，并且基部部分122具有矩形几何形状。基部部分122的尺寸可以被设计成通过适当选择第一直径D1使得基部部分122的边缘130在插入时与套筒118的内侧壁接触并接合。该概念更普遍地适用于其中基部部分122具有多边形几何形状的任何配置，该多边形几何形状具有在插入时与套筒118接合的尖锐边缘。
参考图5A-5B，示出了其中电子载体102包括导电引线框架的实施例。如图5A所示，半导体管芯110安装在引线框架的管芯焊盘132部分上。引线框架可以另外包括与管芯焊盘132间隔开的多条引线134。可使用电互连器(例如接合线、夹子等(未示出))来实现半导体管芯110与引线134之间的电连接。被配置为引线框架的电子载体102可以由基本上均匀厚度的导电金属片提供，导电金属为诸如铜(Cu)、铝(Al)、镍(Ni)、镍磷(NiP)、银(Ag)、钯(Pd)、金(Au)等、合金或其组合。插座112附连到引线框架的管芯焊盘132部分。在其他实施例中，插座112可以附连到引线框架的其他焊盘部分，包括引线134的着陆焊盘部分。参考图5B，压配合连接器114可以以与上述相同的方式布置在插座112内。随后，可以执行封装工艺以形成包括例如模制化合物、环氧树脂、热固性塑料等的封装体。在该示例中，除了一些引线134之外或代替一些引线134，可以提供压配合连接器114。
诸如“第一”、“第二”等术语用于描述各种元件、区域、区段等，并且也不旨在是限制性的。在整个说明书中，相同的术语指代相同的元件。
如本文所用，术语“具有”、“含有”、“包含”、“包括”等是开放式术语，其指示所述元件或特征的存在，但不排除另外的元件或特征。除非上下文另有明确说明，否则冠词“一(a)”、“一个(an)”和“该(the)”旨在包括复数以及单数。
应当理解，除非另有特别说明，否则本文所述的各种实施例的特征可以彼此组合。
尽管本文已经示出和描述了具体实施例，但是本领域普通技术人员将理解，在不脱离本发明的范围的情况下，各种替代和/或等同实施方式可以代替所示出和描述的具体实施例。本申请旨在覆盖本文所讨论的具体实施例的任何修改或变化。因此，本发明旨在仅由权利要求和其等同方案限制。

Claims (16)

1.一种半导体器件组合件，包括：
电子载体；
导电插座，所述导电插座附接到所述电子载体的第一焊盘；以及
导电压配合连接器，所述导电压配合连接器包括凸缘和从所述凸缘延伸到所述压配合连接器的第一端的基部部分；
其中，所述压配合连接器处于固定位置，由此所述基部部分设置在所述插座内并由所述插座牢固地保持，并且
其中，所述压配合连接器的所述基部部分被配置成在所述固定位置中保持所述凸缘与所述插座的上端之间的垂直间隔。
2.根据权利要求1所述的半导体器件组合件，其中，所述插座包括机械和电地连接到所述第一焊盘的上表面的套筒，并且其中，所述压配合连接器的所述基部部分被配置成通过与所述套筒的摩擦配合来保持所述垂直间隔。
3.根据权利要求2所述的半导体器件组合件，其中，所述基部部分具有第一直径，并且其中，所述第一直径等于或大于所述套筒的最小直径。
4.根据权利要求2所述的半导体器件组合件，其中，所述插座具有圆柱形几何形状，并且其中，所述基部部分具有多边形几何形状，并且其中，所述基部部分的边缘与所述套筒接合以提供所述摩擦配合。
5.根据权利要求1所述的半导体器件组合件，其中，所述电子载体包括结构化金属化层，并且其中，所述结构化金属化层包括所述第一焊盘。
6.根据权利要求1所述的半导体器件组合件，其中，所述电子载体包括导电引线框架，所述引线框架还包括所述第一焊盘。
7.根据权利要求1所述的半导体器件组合件，其中，在所述固定位置中所述凸缘与所述插座的上端之间的垂直间隔距离在50μm与500μm之间。
8.根据权利要求7所述的半导体器件组合件，其中，在所述固定位置中所述凸缘与所述插座的上端之间的所述垂直间隔距离在200μm与300μm之间。
9.根据权利要求1所述的半导体器件组合件，其中，所述垂直间隔距离与所述插座的总高度之间的比率在100:1与5:1之间。
10.根据权利要求9所述的半导体器件组合件，其中，所述垂直间隔距离与所述插座的总高度之间的比率在25:2与25:3之间。
11.根据权利要求1所述的半导体器件组合件，还包括安装在所述电子载体上的第一半导体管芯，其中，所述压配合连接器经由所述插座和所述结构化金属化层的第一焊盘电连接到所述第一半导体管芯的端子。
12.根据权利要求11所述的半导体器件组合件，其中，所述第一半导体管芯是功率器件，并且其中，所述电子载体是以下中的任何一个：DCB衬底、IMS衬底、或AMB衬底。
13.一种电子载体互连系统，包括：
导电插座，所述导电插座被配置成固定到电子载体；
导电压配合连接器，所述导电压配合连接器包括凸缘和从所述凸缘延伸到所述压配合连接器的第一端的基部部分；
其中，所述压配合连接器被配置成在固定位置中机械和电地连接到所述插座，由此所述基部部分设置在所述插座内并由所述插座牢固地保持，并且
其中，所述压配合连接器的所述基部部分被配置成在所述固定位置中保持所述凸缘与所述插座的上端之间的垂直间隔。
14.根据权利要求13所述的电子载体互连系统，其中，所述基部部分具有第一直径，并且其中，所述第一直径等于或大于套筒的最小直径。
15.根据权利要求13所述的电子载体互连系统，其中，所述插座具有圆柱形几何形状，并且其中，所述基部部分具有多边形几何形状，并且其中，所述基部部分的边缘与所述套筒接合以提供摩擦配合。
16.根据权利要求13所述的电子载体互连系统，其中，在所述固定位置中所述凸缘与所述插座的上端之间的垂直间隔距离在50μm与500μm之间。
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