CN117727728A - 用于半导体管芯的减小应力夹具 - Google Patents

Abstract

本公开涉及一种引线框架和半导体封装件，该引线框架用于将半导体管芯与底板连接，该引线框架包括：一个或多个引线部，该一个或多个引线部构造为将引线框架与底板连接；第一接触元件，该第一接触元件构造为与半导体管芯的源极连接；以及第二接触元件，该第二接触元件构造为与半导体管芯的漏极连接，其中，第二接触元件包括至少两个接触部，在引线框架的组装状态下，至少两个接触部中的每一个利用其接触区域与半导体管芯的漏极接触，各个接触部的接触区域彼此间隔开。

Description

用于半导体管芯的减小应力夹具

技术领域

本公开涉及用于将半导体管芯与底板连接的引线框架或夹具，以及包括这种引线框架的半导体封装件。

背景技术

为了将半导体管芯与诸如印刷电路板等底板连接，可以使用引线框架。该连接包括机械连接和电连接。这种引线框架是已知的，并且是现有引线结合连接件的演变产物。

引线框架在其一端处可以包括一个或多个接触元件，利用该一个或多个接触元件使引线框架与半导体管芯连接。此种连接通常由焊料材料实现。引线框架在其另一端处可以包括一个或多个引线部，利用该一个或多个引线部使引线框架与印刷电路板连接。鉴于半导体由例如硅、锗或砷化镓的半导体材料制成，引线框架可以由铜制成。

US2021/0296218A1公开了一种共源共栅HEMT半导体器件，该共源共栅HEMT半导体器件包括引线框架、附接至引线框架的管芯焊盘、以及附接至管芯焊盘的HEMT管芯。HEMT管芯焊盘包括在第一侧的HEMT源极和HEMT漏极，以及在第二侧的HEMT栅极。该器件还包括附接至HEMT管芯的源极的MOSFET管芯，并且该MOSFET

管芯包括MOSFET源极、MOSFET栅极和MOSFET漏极。MOSFET漏极与HEMT源极连接，并且MOSFET源极包括MOSFET源极夹具。MOSFET源极夹具包括柱，以便将MOSFET源极与HEMT栅极连接，并且通过导电材料来建立MOSFET源极到HEMT栅极之间的连接。

US2020/0273790A1公开了一种模制半导体封装件，该模制半导体封装件包括具有一个或多个第一引线的引线框架，该一个或多个第一引线与管芯焊盘整体形成，并且沿第一方向从焊盘向外延伸。半导体管芯在其第一侧处附接至管芯焊盘。夹具框架的金属夹具在管芯的第二侧处附接至电源端子。与金属夹具整体形成的一个或多个第二引线沿与第一方向不同的第二方向从夹具向外延伸。管芯埋入在模塑料(mold compound)中。一个或多个第一引线和一个或多个第二引线在模制塑料的不同侧处露出并且彼此在竖直方向上不重叠。在模制塑料内，夹具从电源端子之上的第一高度转换至与引线在同一平面中的第二高度。

发明内容

铜和半导体材料具有不同的热膨胀系数，这可能导致当引线框架发热时引线框架和半导体管芯之间的连接部受到应力。引线框架的这种发热可能例如由施加在引线框架上的高电压和/或以高频率切换造成。对于最苛刻的应用，电压较高(650V以上)并且切换频率也较高。在这种应用中，由于铜材料和半导体材料的不同热膨胀系数而引起的应力在半导体材料中引起裂纹，最终导致半导体管芯失效。

本公开旨在消除一方面的引线框架的接触元件与另一方面的半导体管芯之间的应力，特别是当半导体封装件在高电压和/或高频率下操作时。

下文阐述了本文公开的某些示例的方面的概述。应当理解的是，呈现这些方面仅为了向读者提供这些特定实施例的简要概述，并且这些方面不旨在限制本公开的范围。实际上，本公开可以涵盖可能未阐述的各种方面和/或方面的组合。

在本公开的第一方面，提出了一种引线框架，该引线框架用于将半导体管芯与底板连接，该引线框架包括：一个或多个引线部，该一个或多个引线部构造为将引线框架与底板连接；第一接触元件，该第一接触元件构造为与半导体管芯的源极连接；以及第二接触元件，该第二接触元件构造为与半导体管芯的漏极连接，其中，第二接触元件包括至少两个接触部，在引线框架的组装状态下，接触部中的每一个利用其接触区域与半导体管芯的漏极接触，各个接触部的接触区域彼此间隔开。

引线框架在本领域中还称为“夹具”，可以利用该“夹具”将半导体管芯附接至印刷电路板。因为铜具有优良的电传播特性，所以框架通常由铜制成，但这本身不是必需的。引线框架包括还称为“引线”的一个或多个引线部，该一个或多个引线部通常从半导体封装件突出，并且利用该一个或多个引线部将引线框架与底板连接。可以经由引线将信号传递至底板。

引线框架还包括两个接触元件，该两个接触元件与管芯的源极和漏极连接，并且当管芯还包括栅极时，可以存在与所述栅极连接的第三接触元件。如上所述，尤其在半导体管芯的漏极处，与半导体材料相比，引线框架材料的不同热膨胀系数可能在半导体管芯中引起应力。

本公开提出将在组装状态下与半导体管芯的漏极连接的接触元件具体化为具有两个不同接触部的接触元件，该两个不同接触部彼此间隔开并且各自具有接触部分，利用该接触部分使该两个不同接触部与半导体管芯的漏极接触。由于接触部的这种间隔，当引线框架材料膨胀时，该接触部不仅在竖直方向上膨胀(如现有技术中)，而且该接触部还可以在侧向方向上膨胀。这样，与半导体材料的热膨胀相比，由于引线框架材料的额外热膨胀会引起应力，此时材料热量可以在较大表面区域上扩散并且该应力的峰值较低。在某些实施例中，发明人已经实现超过50％的应力降低。

根据本公开的实施例，引线框架制为单个部件。例如，在引线框架的组装状态下，引线框架可以折叠在半导体管芯上方，使得引线框架完全在半导体管芯的外部，而引线框架的各部分没有彼此互连。

根据本公开的实施例，第二接触元件与半导体管芯之间的连接通过接触部中的每一个的接触区域与半导体管芯的漏极之间的焊接连接来形成。焊接是将引线框架与管芯连接的公知方式。为了保证最佳连接，优选将单独连接部中的每一个焊接至半导体管芯的漏极。

在实施例中，第二接触元件的接触部中的至少一个包括放气孔。特别地，当通过焊接连接来形成接触部和半导体管芯的漏极之间的连接时，并且当接触部相对较宽(例如0.4mm或更宽)时，可以存在放气孔。放气孔是一种经过证实的技术，该放气孔允许焊料材料的固化期间形成的气体从连接区域逸出，从而产生更耐用连接部。

在可替代实施例中，第二接触元件的接触部足够窄以允许经由接触部的侧面使这种气体逸出，使得不需要放气孔，并且使得当从上方观察时，接触部为基本实心。特别地，当各个接触部的宽度小于0.4mm时，可能会出现此种情况。

在实施例中，所有接触部具有相同宽度。然而，这种构造不是必需的，很可能为至少两个接触部中的一个宽于至少两个接触部中的另一个。

根据本公开的实施例，第二接触元件的至少两个接触部彼此平行布置，在两个相邻接触部之间限定有狭缝。当在微观尺度上观察时，狭缝的宽度可能随时间变化，狭缝的宽度随着引线框架的接触部发热并且侧向膨胀而减小。接触部的平行取向允许接触部在其整个长度上以相同量膨胀，使得当狭缝具有足够宽度时，在侧向方向上的膨胀可以不受阻碍、不受限制并且是均匀的。

例如，狭缝的宽度小于接触部的宽度。特别地，狭缝的宽度与接触部的宽度之间的比率可以在0.1与0.3之间。

根据本公开的实施例，第二接触元件的接触部通过悬垂部相互互连，在引线框架的组装状态下，该悬垂部不接触漏极。该悬垂部特别确保了相对较薄和较弱的接触部不弯曲，使得接触部和漏极整齐对准，并且可以在不会对接触部和漏极施加应力的情况下，确保漏极和接触部之间的接触。

根据本公开的实施例，引线框架由包括铜的材料制成，并且优选完全由铜制成。铜是具有优异电传播特性并且相对便宜的材料。

根据本公开的实施例，在引线框架的组装状态下，第一接触元件和第二接触元件相互间隔开。即，为了防止引线框架短路，优选电子不可能直接从与半导体管芯的源极连接的第一接触元件转移至与半导体管芯的栅极连接的第二接触元件。当存在与半导体管芯的栅极连接的第三接触元件时，优选第三接触元件也与第一和第二接触元件间隔开。

根据本公开的实施例，第二接触元件包括多个离散的单独接触部，特别包括2个和10个之间的接触部。接触部的确切数量可以根据例如冷却要求和在半导体管芯和引线框架的界面处允许的机械应力而变化。

在半导体管芯的漏极处通过形成具有至少两个接触部的第二接触元件而实现的优点还可以通过形成具有至少两个接触部的第一接触元件而在半导体管芯的源极处实现。在这种实施例中，引线框架的第一接触元件包括至少两个接触部，在引线框架的组装状态下，每个接触部利用其接触区域与半导体管芯的源极接触，各个接触部的接触区域彼此间隔开。

不言而喻的是，已经描述为对第二接触元件的接触部有利的任何实施例也可以在第一接触元件的接触部上实施，以产生相同或相似的技术优点。

根据第二方面，本公开涉及一种半导体封装件，该半导体封装件包括半导体管芯和如上所述的引线框架，该引线框架与半导体管芯连接。

特别地，半导体管芯是金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)。

应注意的是，与本公开的作为引线框架的第一方面相关联的定义和优点也与本公开的作为半导体封装件的第二方面相关联。

附图说明

图1示出了根据本公开的引线框架的第一示例性实施例；

图2示出了图1所示的引线框架的接触元件中的一个的详细视图；并且

图3示出了包括引线框架的第二示例性实施例的半导体封装件的示例性实施例。

具体实施方式

结合附图描述本公开。应当强调的是，根据行业中的标准实践，未按比例来绘制各种特征。事实上，为了清楚讨论，可以任意增加或减小各种特征的尺寸。

在附图中，相似部件和/或特征可以具有相同的附图标记。如果在说明书中仅使用第一附图标记，则该描述适用于具有相同第一附图标记的相似部件中的任意一个，而与第二附图标记无关。

参照下文描述的示例，本公开的上述和其它方面将显而易见并且得到阐释。

应注意的是，在附图的描述中，相同的附图标记表示执行相同或基本相似功能的相同或相似部件。

参照特定示例进行更详细描述，其中一些示例在附图中示出，使得可以更详细理解本公开的特征的方式。应注意的是，附图仅示出了典型示例，因此不应当认为是限制权利要求的主题的范围。结合附图以有助于理解本公开，因此附图不一定按比例绘制。在本领域的技术人员结合附图阅读描述后，要求保护的主题的优点对于本领域的技术人员将变得显而易见。

上文的后续描述仅提供了优选的一个或多个示例性实施例，并且不旨在限制本公开的范围、适用性或构造。相反，随后对优选示例性实施例的描述将为本领域技术人员提供实施本公开的优选示例性实施例的使能描述，应当理解的是，在不脱离本公开的范围的情况下，可以对元件的功能和布置(包括来自不同实施例的特征的组合)进行各种改变。

除非上下文明确要求，否则在整个说明书和权利要求书中，词语“包括”、“包含”等应当解释为具有包含性的意义，而不是排他性或穷举性的意义；即，具有“包括但不局限于”的意义。如本文所用的，词语“本文”、“上文”、“下文”以及类似含义的词语在本申请中使用时是指本申请的整体而不是本申请的任何特定部分。在上下文允许的情况下，在具体实施方式中使用单数或复数的词语还可以分别包括复数或单数。引用两个以上项目的列表的词语“或”覆盖了该词语的所有以下解释：列表中的任何项目、列表中的所有项目、以及列表中的项目的任何组合。

可以根据以下具体实施方式对该技术进行这些和其它改变。尽管本文描述了本技术的某些示例，并且描述了所设想的最佳模式，但是无论该描述显得多么详细，本技术都可以通过多种方式进行实践。系统的细节在仍然由本文公开的技术所涵盖的同时在该系统的具体实施方式中可以有相当大的变化。如上所述，当描述本技术的某些特征或方面时使用的特定术语不应认为暗示该术语在本文中重新定义为限于该术语相关联的本技术的任何特定特性、特征或方面。通常，在以下权利要求中使用的术语不应解释为将技术限制于在说明书中公开的具体示例，除非具体实施方式部分明确定义了这种术语。因此，本技术的实际范围不仅包括公开的示例，而且还包括在权利要求下实践或实施本技术的所有等效方式。

现在转至图1，图1示出了引线框架1，该引线框架1与任何半导体管芯和任何底板隔离并且作为独立部件。这样，引线框架加工者可以从引线框架制造者处接收具有图1所示的形状的引线框架1。引线框架包括多个引线部6，可以利用该多个引线部6将引线框架1与印刷电路板(图1中未示出)连接。用于引线框架1的典型材料是铜，尽管这不是必需的。

如图所示，引线框架1包括：第一接触元件7，该第一接触元件7在引线框架1的组装状态下与半导体管芯的源极连接；第二接触元件8，该第二接触元件8在引线框架1的组装状态下与半导体管芯的漏极连接；以及第三接触元件12，该第三接触元件12在引线框架1的组装状态下与半导体管芯的栅极连接。应注意的是，第一接触元件7、第二接触元件8和第三接触元件12布置成相互间隔并且不彼此接触，使得电子不可能从接触元件7、8、12中的一个流至接触元件7、8、12中的另一个。如图1所示的处于非组装状态的引线框架1将是这种情况，但是特别地如图3所示的处于组装状态的引线框架1也将是这种情况。

特别参照图2，其中，更详细示出了第二接触元件8，可以看出的是，第二接触元件8包括至少两个(这里是五个)接触部9A、9B。在引线框架的组装状态下，利用接触部9A、9B的接触区域15A、15B使这些接触部9A、9B中的每一个与半导体的漏极接触。接触部9A、9B的对应的接触区域15A、15B间隔开，并且在接触区域15A、15B之间限定有狭缝11。该狭缝11确保当接触元件8的材料由于受热而膨胀时，该接触元件8的材料可以在其与半导体管芯的漏极连接的位置处在侧向方向上膨胀。特别地，狭缝11的宽度将通常小于接触部9A、9B的宽度。优选地，狭缝11的宽度与接触部9A、9B的宽度之间的比率将在0.1与0.3之间。

特别地，第二接触元件8包括多个离散的单独接触部9A、9B，其中，两个相邻接触部9A、9B由狭缝11分开。第二接触元件8包括至少两个离散接触部9A、9B，但是可以例如包含多达10个离散接触部9A、9B，其中本图示出了该离散接触部9A、9B中的五个。这里，接触部9A、9B中的每一个具有相同宽度，但这本身不是必需的。

一般而言，当存在较少的接触部9A、9B时，该较少接触部9A、9B中的每一个可以比当存在较多的接触部9A、9B时更宽。例如，当仅存在两个或三个接触部9A、9B时，接触部9A、9B中的每一个可以宽于0.4mm，并且接触部9A、9B可以包括放气孔以允许接触部9A、9B与半导体管芯的漏极的最佳结合。虽然本实施例中未示出，但是在图1和图3中，这种放气孔10例如示出在第一接触元件7处。例如，在本实施例中存在五个接触部9A、9B，例如，每个接触部可以具有小于0.4mm的宽度。在这种情况下，可以放弃实施放气孔，这是因为在焊料材料的固化期间上升的气体可以经由接触部9A、9B的侧面在连接表面下方逸出。

特别地，可以注意到接触部9A、9B中的每一个是基本平直的(当从上方观察时)以及接触部9A、9B中的每一个是彼此平行布置的。这确保了接触部9A、9B在受热时可以均匀膨胀，从而产生最小量的内应力。

现在转至图3，图3示出了半导体封装件100，该半导体封装件100包括半导体管芯2和引线框架1，诸如关于图1和图2描述的引线框架1，尽管与先前讨论的引线框架1相比，图3中示出的引线框架1在一些细节上有所不同。特别地，半导体管芯2可以是金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)。

这种半导体管芯2可以包括栅极13、源极3和漏极4。第一接触元件7、第二接触元件8和第三接触元件12分别与源极3、漏极4和栅极13连接。可以例如利用施加后固化的焊料材料来实现接触元件7、8、12和半导体管芯2之间的连接。

尽管在所示实施例中，第一接触元件7、第二接触元件8和第三接触元件12均与引线框架1一体形成，但是在不脱离本文公开的发明构思的情况下，完全能够经由一个或多个引线结合来在栅极13与引线框架1之间和/或在源极3与引线框架1之间建立电连接。

图3所示的引线框架1与图1和图2所示的引线框架1之间的重要区别是图3所示的引线框架1的接触部9A、9B在其外端与悬垂部14连接。悬垂部14不接触半导体管芯2的漏极4，并且在引线框架1的处理期间保护接触部9A、9B不弯曲。除上述功能之外，悬垂部14基本桥接各个接触部9A、9B，并且因此可以替代称为“桥接部”。

附图标记列表

1 引线框架

2 半导体管芯

3 源极

4 漏极

5 底板

6 引线部

7 第一接触元件

8 第二接触元件

9 接触部

10 放气孔

11 狭缝

12 第三接触元件

13 栅极

14 悬垂部

15 接触区域

100 半导体封装件

Claims (14)

1.一种引线框架(1)，所述引线框架(1)用于将半导体管芯(2)与底板(5)连接，所述引线框架(1)包括：

一个或多个引线部(6)，所述一个或多个引线部(6)构造为将所述引线框架(1)与所述底板(5)连接；

第一接触元件(7)，所述第一接触元件(7)构造为与所述半导体管芯(2)的源极(3)连接；以及

第二接触元件(8)，所述第二接触元件(8)构造为与所述半导体管芯(2)的漏极(4)连接，

其中，所述第二接触元件(8)包括至少两个接触部(9A、9B)，在所述引线框架(1)的组装状态下，所述接触部(9A、9B)中的每一个利用其接触区域(15A、15B)与所述半导体管芯(2)的所述漏极(4)接触，各个接触部(9A、9B)的所述接触区域(15A、15B)彼此间隔开。

2.根据权利要求1所述的引线框架(1)，其中，所述引线框架(1)制为单个部件。

3.根据前述权利要求中任一项所述的引线框架(1)，其中，所述第二接触元件(8)与所述半导体管芯(2)之间的连接通过所述接触部(9A、9B)中的每一个的所述接触区域(15A、15B)与所述半导体管芯(2)的所述漏极(4)之间的焊接连接来形成。

4.根据前述权利要求中任一项所述的引线框架(1)，其中，所述第二接触元件(8)的所述接触部(9A、9B)中的至少一个包括放气孔(10)。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的引线框架(1)，其中，所述第二接触元件(8)的所述接触部(9A、9B)中的至少一个的宽度小于0.4mm。

6.根据前述权利要求中任一项所述的引线框架(1)，其中，所述第二接触元件(8)的所述至少两个接触部(9A、9B)布置成彼此平行，在两个相邻接触部(9A、9B)之间限定有狭缝。

7.根据权利要求6所述的引线框架(1)，其中，所述狭缝(11)的宽度小于所述接触部(9A、9B)的宽度，优选地，所述狭缝(11)的宽度与所述接触部(9A、9B)的宽度之间的比率在0.1与0.3之间。

8.根据前述权利要求中任一项所述的引线框架(1)，其中，所述第二接触元件的所述接触部(9A、9B)通过悬垂部(14)相互互连，所述悬垂部(14)在所述引线框架(1)的组装状态不接触所述漏极(4)。

9.根据前述权利要求中任一项所述的引线框架(1)，其中，所述引线框架(1)由包括铜的材料制成。

10.根据前述权利要求中任一项所述的引线框架(1)，其中，所述第一接触元件(7)和所述第二接触元件(8)在所述引线框架(1)的组装状态下相互间隔开。

11.根据前述权利要求中任一项所述的引线框架(1)，其中，所述第二接触元件(8)包括多个离散的单独接触部(9A、9B)，特别包括2个和10个之间的接触部(9A、9B)。

12.根据前述权利要求中任一项所述的引线框架(1)，其中，所述第一接触元件(7)包括至少两个接触部，在所述引线框架(1)的组装状态下，所述接触部中的每一个利用其接触区域与所述半导体管芯(2)的所述源极(3)接触，各个接触部的所述接触区域彼此间隔开。

13.一种半导体封装件(100)，包括半导体管芯(2)和根据权利要求1至12中任一项所述的引线框架(1)，所述引线框架(1)与所述半导体管芯(2)连接。

14.根据权利要求13所述的半导体封装件(100)，其中，所述半导体管芯(2)是金属氧化物半导体场效晶体管(MOSFET)。