-
QUERVERWEISE AUF VERWANDTE
ANMELDUNGEN
-
NICHT ANWENDBAR
-
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
-
Derzeit
werden Leistungshalbleitervorrichtungen verwendet, um große Strombeträge mit moderaten
Spannungsniveaus zu schalten. Sie müssen mit relativ großen Wärmesenken
thermisch gekoppelt werden, die sperrig sind und eine Montage erfordern.
Oftmals muss aus Sicherheitsgründen
auch eine Schicht einer elektrischen Isolierung zwischen der Leistungsvorrichtung
und der Wärmesenke
vorhanden sein. Die Schicht einer elektrischen Isolierung kann durch
das Vergießen
des Package oder durch eine Lage eines Dielektrikummaterials, die
zwischen einem Metallteil des Package (z. B. freigelegtes Chip-Paddle)
und der Wärmesenke
angeordnet ist, bereitgestellt werden. Der erste Ansatz weist eine relativ
schlechte Wärmeleitfähigkeit
auf. Der zweite Ansatz macht die Montage der Wärmesenke komplexer.
-
KURZZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
-
Als
Teil des Erzeugens ihrer Erfindung sehen die Erfinder einen Bedarf
an einem kostengünstigen Chip-Package
für Leistungshalbleitervorrichtun gen, das
eine hohe Leistungsdissipationsfähigkeit,
eine hohe Spannungsisolierung (z. B. hohe Durchbruchstärke) und
elektrische Verbindungen für
einen hohen Strom mit dem Chip bereitstellt. Ein gleichzeitiges
Erreichen dieser Ziele war auf dem Stand der Technik jedoch schwierig.
-
Dementsprechend
richtet sich eine erste allgemeine beispielhafte Ausführungsform
gemäß der vorliegenden
Erfindung auf einen Halbleiter-Chip, der einen Leiterrahmen, mindestens
einen Halbleiter-Chip und ein Wärmesenkenelement,
die miteinander integriert sind, umfasst. Der Leiterrahmen weist
eine erste Fläche,
eine zweite Fläche
gegenüberliegend
seiner ersten Fläche,
ein Chip-Anbringungsgebiet, eine benachbart zu dem Chip-Anbringungsgebiet
angeordnete Nase und mindestens einen Leiter, der elektrisch mit
der Nase gekoppelt ist, auf. Der Halbleiter-Chip weist eine erste
Fläche,
die an dem Chip-Anbringungsgebiet an der ersten Fläche des
Leiterrahmens angeordnet ist, und eine zweite Fläche gegenüberliegend seiner ersten Fläche, eine
erste Elektrode, die an der ersten Fläche des Chips angeordnet ist
und elektrisch mit dem Chip-Anbringungsgebiet gekoppelt ist, und
eine zweite Elektrode auf, die an der zweiten Fläche des Chips angeordnet ist.
Das Wärmesenkenelement
ist über
der zweiten Fläche
des Halbleiter-Chips und der Nase des Leiterrahmens angeordnet.
Das Wärmesenkenelement
weist ein elektrisch isolierendes Substrat mit einer ersten Fläche und
einer zweiten Fläche,
eine elektrisch leitende Schicht, die an der ersten Fläche des
Substrats angeordnet ist, und eine wärmeleitende Schicht, die an
der zweiten Fläche des
Substrats angeordnet ist, auf. Die elektrisch leitende Schicht weist
einen ersten Abschnitt, der elektrisch mit der zweiten Elektrode
des Chips gekoppelt ist, und einen zweiten Abschnitt auf, der elektrisch
mit der Nase des Leiterrahmens gekoppelt ist. Der beispielhafte
Halbleiter-Chip umfasst ferner einen Körper eines elektrisch isolierenden
Materials, der zwischen dem Wärmesenken element
und dem Leiterrahmen angeordnet ist und an dem Wärmesenkenelement und dem Leiterrahmen
haftet.
-
Mit
dieser beispielhaften Konstruktion kann ein stabiles und kompaktes
Halbleiter-Chip-Package für
Halbleiterleistungsvorrichtungen mit hoher Leistungsdissipationsfähigkeit
und ausgezeichneter Spannungsisolierung für Hochspannungsanwendungen
konstruiert werden. Die elektrisch leitende Schicht und der Leiterrahmen
stellen Verbindungen für
einen hohen Strom mit dem Chip bereit. Die Konstruktion stellt auch
duale Kühlpfade
für die
Vorrichtung durch die Ober- und Unterseite des Package und die gute
Möglichkeit
für einen
Benutzer, eine externe Wärmesenke
an der Oberseite des Package für eine
zusätzliche
Kühlung
anzubringen, ohne dass die Verwendung eines elektrisch isolierenden
Haftmittels erforderlich ist, bereit.
-
Eine
zweite allgemeine beispielhafte Ausführungsform gemäß der vorliegenden
Erfindung richtet sich auf ein Verfahren zum Herstellen eines Halbleiter-Chips.
Das Verfahren umfasst das Zusammenbauen eines Leiterrahmens, mindestens
eines Halbleiter-Chips und eines Wärmesenkenelements. Der Leiterrahmen
weist eine erste Fläche,
eine zweite Fläche
gegenüberliegend
seiner ersten Fläche,
ein Chip-Anbringungsgebiet, eine benachbart zu dem Chip-Anbringungsgebiet
angeordnete Nase und mindestens einen Leiter, der elektrisch mit
der Nase gekoppelt ist, auf. Der mindestens eine Halbleiter-Chip weist
eine erste Fläche,
eine zweite Fläche
gegenüberliegend
seiner ersten Fläche,
eine an der ersten Fläche
des Chips angeordnete erste Elektrode und eine an der zweiten Fläche des
Chips angeordnete zweite Elektrode auf. Die erste Fläche des
Chips ist an dem Chip-Anbringungsgebiet des Leiterrahmens angeordnet,
wobei die erste Elektrode des Chips durch einen Körper eines
elektrisch leitenden Haftmittels elektrisch mit dem Chip-Anbringungsgebiet gekoppelt
ist. Das Wärmesenkenelement
weist ein elektrisch isolierendes Substrat mit einer ersten Fläche und
einer zweiten Fläche,
eine elektrisch leitende Schicht, die an der ersten Fläche des
Substrats angeordnet ist, und eine wärmeleitende Schicht auf, die an
der zweiten Fläche
des Substrats angeordnet ist. Das Wärmesenkenelement ist über der
zweiten Fläche
des Halbleiter-Chips
und der Nase des Leiterrahmens angeordnet, wobei die elektrisch
leitende Schicht einen ersten Abschnitt, der elektrisch mit der zweiten
Elektrode des Chips gekoppelt ist, und einen zweiten Abschnitt aufweist,
der elektrisch mit der Nase des Leiterrahmens gekoppelt ist. Das
beispielhafte Verfahren umfasst ferner das Anordnen eines Körpers eines
elektrisch isolierenden Materials, der zwischen dem Wärmesenkenelement
und dem Leiterrahmen angeordnet wird und an dem Wärmesenkenelement
und dem Leiterrahmen haftet.
-
Die
obigen beispielhaften Ausführungsformen
und die anderen Ausführungsformen
der Erfindungen werden in Bezug auf die Figuren in der detaillierten
Beschreibung beschrieben. In den Figuren können sich gleiche Bezugszeichen
auf gleiche Elemente beziehen und werden Beschreibungen einiger Elemente
möglicherweise
nicht wiederholt.
-
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
-
1 zeigt
eine perspektivische Draufsicht einer beispielhaften Ausführungsform
eines Halbleiter-Chip-Package gemäß der vorliegenden Erfindung.
-
2 zeigt
eine perspektivische Unteransicht einer beispielhaften Ausführungsform
eines Halbleiter-Chip-Package gemäß der vorliegenden Erfindung.
-
3 zeigt
eine Seitenansicht einer beispielhaften Ausführungsform eines Halbleiter-Chip-Package
gemäß der vorliegenden
Erfindung.
-
4 zeigt
eine Nebeneinander-Ansicht von Komponenten der beispielhaften Ausführungsform, die
in 1–3 gezeigt
sind, vor dem Zusammenbau gemäß der vorliegenden
Erfindung.
-
5–8 zeigen
Querschnittsansichten eines beispielhaften Halbleiter-Chips während des Herstellens
durch ein beispielhaftes Verfahren gemäß der ersten Erfindung der
vorliegenden Anwendung.
-
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
DER ERFINDUNG
-
Die
vorliegende Erfindung wird hierin nachfolgend in Bezug auf die begleitenden
Zeichnungen, in denen beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung
gezeigt sind, ausführlicher
beschrieben. Diese Erfindung kann jedoch in verschiedenen Formen ausgeführt sein
und sollte nicht als auf die hierin ausgeführten Ausführungsformen beschränkt betrachtet werden.
Vielmehr werden diese Ausführungsformen derart
bereitgestellt, dass diese Offenbarung gründlich und vollständig ist
und den Schutzumfang der Erfindung einem Fachmann vollständig übermittelt.
In den Zeichnungen können
die Dicken der Schichten und Gebiete zu Klarheitszwecken übertrieben
sein. In der Beschreibung werden die gleichen Bezugszeichen verwendet,
um die gleichen Elemente zu bezeichnen. Die Elemente können bei
verschiedenen Ausführungsformen
verschiedene Beziehungen und verschiedene Positionen aufweisen.
-
Es
ist auch zu verstehen, dass, wenn eine Schicht als sich ”an” einer
anderen Schicht oder einem Substrat befindend bezeichnet ist, sie
sich direkt an der anderen Schicht oder dem Substrat befinden kann
oder auch Zwischenschichten vorhanden sein können. Es ist auch zu verstehen,
dass, wenn ein Element, wie beispielsweise eine Schicht, ein Gebiet oder
ein Substrat, als sich ”an” einem
anderen Element befindend, mit einem anderen Element ”verbunden”, ”elektrisch
verbunden”, ”gekoppelt” oder ”elektrisch
gekoppelt” bezeichnet
ist, es sich direkt an dem anderen Element befinden kann, direkt
mit diesem verbunden oder gekoppelt sein kann, oder ein oder mehrere
Zwischenelemente vorhanden sein können. Im Gegensatz dazu gibt
es keine Zwischenelemente oder -schichten, wenn ein Element als
sich ”direkt
an” einem
anderen Element oder einer anderen Schicht befindend, ”direkt
verbunden mit” oder ”direkt
gekoppelt mit” einem
anderen Element oder einer anderen Schicht bezeichnet ist. Der Begriff ”und/oder”, der hierin
verwendet wird, umfasst jede beliebige und alle Kombinationen eines
oder mehrerer der zugehörigen
aufgelisteten Elemente.
-
Die
hierin verwendeten Begriffe dienen lediglich Erläuterungszwecken der vorliegenden
Erfindung und sollten nicht als die Bedeutung oder den Schutzumfang
der vorliegenden Erfindung einschränkend betrachtet werden. Wie
bei dieser Beschreibung verwendet kann eine Singularform, wenn nicht
ein bestimmter Fall hinsichtlich des Kontexts definitiv angegeben
ist, eine Pluralform umfassen. Die Ausdrücke ”umfassen” und/oder ”umfassend”, die bei dieser Beschreibung
verwendet werden, definieren weder die erwähnten Formen, Anzahlen, Schritte,
Aktionen, Operationen, Organe, Elemente und/oder Gruppen dieser
noch schließen
sie das Vorhandensein oder den Zusatz einer/s oder mehrerer anderer
verschiedener Formen, Anzahlen, Schritte, Operationen, Organe, Elemente
und/oder Gruppen dieser oder den Zusatz dieser aus. Räumlich relative Begriffe,
wie beispielsweise ”über”, ”oberhalb”, ”obere(r/s)”, ”darunter”, ”unter”, ”unterhalb”, ”untere(r/s)” und dergleichen
können
hierin zur Vereinfachung der Beschreibung verwendet werden, um die
Beziehung eines Elements oder Merkmals zu einem anderen Element/anderen
Elementen oder einem anderen Merkmal/anderen Merkmalen wie in den
Figuren dargestellt zu beschreiben. Es ist zu verstehen, dass die räumlich relativen
Begriffe zusätzlich
zu der in den Figuren gezeigten Ausrichtung verschiedene Ausrichtungen
der Vorrichtung (z. B. Package) bei der Verwendung oder beim Betrieb
umfassen sollen. Wenn beispielsweise die Vorrichtung in den Figuren
umgedreht wird, wären
Elemente, die als ”unterhalb” oder ”unter” oder ”darunterliegend
unter” anderer/n
Elemente(n) oder Merkmale(n) beschrieben sind, dann ”über” den oder ”oberhalb” der anderen
Elemente(n) oder Merkmale(n) ausgerichtet. Somit kann der beispielhafte
Begriff ”oberhalb” sowohl
eine Ausrichtung oberhalb als auch unterhalb umfassen.
-
Wie
hierin verwendet werden Begriffe, wie beispielsweise ”erste(r/s)”, ”zweite(r/s)” etc. verwendet,
um verschiedene Elemente, Komponenten, Gebiete, Schichten und/oder
Abschnitte zu beschreiben. Es ist jedoch offensichtlich, dass die
Elemente, Komponenten, Gebiete, Schichten und/oder Abschnitte nicht
durch diese Begriffe definiert sein sollten. Die Begriffe werden
lediglich verwendet, um ein Element, eine Komponente, ein Gebiet,
eine Schicht oder einen Abschnitt von einem anderen Element, einer
anderen Komponente, einem anderen Gebiet, einer anderen Schicht
oder einem anderen Abschnitt zu unterscheiden. Somit kann sich ein
erstes Element, eine erste Komponente, ein erstes Gebiet, eine erste
Schicht oder ein erster Abschnitt, das, die oder der beschrieben
wird, auch auf ein zweites Element, eine zweite Komponente, ein
zweites Gebiet, eine zweite Schicht oder einen zweiten Abschnitt
beziehen, ohne von dem Schutzumfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen.
-
1 zeigt
eine perspektivische Draufsicht einer beispielhaften Ausführungsform 100 eines Halbleiter-Chip-Package
gemäß der vorliegenden Erfindung
in Form eines Power Quad Flat No-lead-Package (”PQFN-Package”). Das Package 100 umfasst
einen Leiterrahmen 110 mit ersten mehreren Leitern 114 und
einen Körper 150 aus
elektrisch isolierendem Vergussmaterial, der einen Halbleiter-Chip
und ein Wärmesenkenelement
umgibt, die nachstehend beschrieben sind, und zwar in Form eines
Quaders mit einer Oberseite, einer Unterseite und vier Seiten mit
einem dünnen
Profil. Aus diesem Grund wird das Package als ”Quad Flat” bezeichnet. Der Leiterrahmen 110 ist
an der Unterseite des Package 100 angeordnet, und das Wärmesenkenelement
ist an der Oberseite des Package 100 angeordnet. In 1 ist
eine obere wärmeleitende
Schicht 132 des Wärmesenkenelements
gezeigt, die Metall umfassen kann. Die wärmeleitende Schicht 132 ist
in dem Package elektrisch von den Spannungen isoliert, und eine
externe Wärmesenke
(außerhalb
des Package 100) kann ohne das Risiko eines Koppelns hoher
Spannungen mit der externen Wärmesenke thermisch
mit der wärmeleitenden
Schicht 132 gekoppelt werden. 2 zeigt
eine perspektivische Unteransicht des Halbleiter-Chip-Package 100.
Es ist zu sehen, dass der Leiterrahmen 110 ferner ein Chip-Anbringungsgebiet 115 (z.
B. Chip-Paddle) und zweite mehrere Leiter 116 umfasst.
Die Leiter 114 und 116 weisen Flächen auf,
die mit der Unter- und Oberseite
des Package bündig
sind, und die Leiter erstrecken sich nicht über die Package-Flächen hinaus
(aus diesem Grund wird das Package in dem Sinne, dass sich keine
Leiter über
den Package-Körper
hinaus erstrecken, als ”No-lead” bezeichnet).
In dem Package 100 ist wie nachstehend erläutert ein Halbleiter-Chip
an dem Chip-Anbringungsgebiet 115 befestigt und kann dieser
eine Flächenelektrode
aufweisen, die elektrisch mit einer Fläche des Chip-Anbringungsgebiets
gekoppelt ist. Die andere Fläche des
Chip-Anbringungsgebiets 115, diejenige, die durch den Körper 150 des
Vergussmaterials freigelegt ist, kann durch einen Körper eines
elektrisch leitenden Haftmittels, wie beispielsweise Lot, elektrisch mit
einer Verbindungsplatine gekoppelt sein. Das leitende Haftmittel,
und im Speziellen das Lothaftmittel, koppelt das Chip-Anbringungsgebiet 115 auch
thermisch mit der Verbindungsplatine.
-
3 zeigt
eine Seitenansicht des Halbleiter-Chip-Package 100, wobei
Abschnitte des Körpers 150 des
Vergussmaterials entfernt sind. Wie es zu sehen ist, weist der Leiterrahmen 110 eine
erste Fläche 111,
eine zweite Fläche 112 gegenüberliegend der
ersten Fläche 111,
das Chip-Anbringungsgebiet 115 und die Leiter 114 und 116 auf,
wobei die Leiter 116 elektrisch mit dem Chip-Anbringungsgebiet 115 gekoppelt
sind. Das Package 100 umfasst ferner einen Halbleiter-Chip 120 mit
einer ersten Fläche 121, die
an dem Chip-Anbringungsgebiet 115 an der ersten Fläche 111 des
Leiterrahmens 110 angeordnet ist, und einer zweiten Fläche 122 gegenüberliegend seiner
ersten Fläche 121.
Die Halbleitervorrichtung 120 kann einen vertikalen Leistungstransistor
mit einer ersten stromleitenden Elektrode 125 (z. B. Drain), die
an seiner ersten Fläche 121 angeordnet
ist, einer Steuerelektrode 124 (z. B. Gate), die an seiner
zweiten Fläche 122 angeordnet
ist, und einer zweiten stromleitenden Elektrode 126 (z.
B. Source) umfassen, die auch an seiner zweiten Fläche 122 angeordnet
ist. Die erste stromleitende Elektrode 125 ist durch einen
Körper 117 aus
elektrisch leitendem Haftmittel, das Lot umfassen kann, elektrisch
mit dem Chip-Anbringungsgebiet 115 gekoppelt.
-
Das
Halbleiter-Chip-Package 100 umfasst ferner ein Wärmesenkenelement 130,
das über
der zweiten Fläche 122 des
Halbleiter-Chips 120 angeordnet ist. Das Wärmesenkenelement 130 weist
ein elektrisch isolierendes Substrat 140 mit einer ersten Fläche 141 und
einer zweiten Fläche 142,
eine erste elektrisch leitende Schicht 131 und eine zweite
elektrisch leitende Schicht 132, die an der ersten Fläche 141 des
Substrats angeordnet ist, und eine wärmeleitende Schicht 132,
die an der zweiten Fläche 142 des Substrats
angeordnet ist, auf. Ein Abschnitt einer zweiten leitenden Schicht 133 ist
der Steuerelektrode 124 des Halbleiter-Chips 120 zugewandt
und ist durch einen Körper 137 eines
elektrisch leitenden Haftmittels, das Lot umfassen kann, elektrisch
damit gekoppelt. Ein weiterer Abschnitt der zweiten elektrisch leitenden
Schicht 133 ist einer Nase T zugewandt, die den Leiter 114 hält, und
ist durch einen Körper 137 eines
elektrisch leitenden Haftmittels elektrisch damit gekoppelt. Auf
diese Weise ist die Elektrode 124 elektrisch mit einem
Leiter 114 gekoppelt. Eine Haftmittelmaskenschicht 135 (z.
B. Lotmaske) kann an den elektrisch leitenden Schichten 131 und 133 an
der Fläche 141 des
Substrats 140 angeordnet sein, um die Körper 137 davon abzuhalten,
zusammenzufließen
(was ihre Höhen
vermindern würde
und ihre Leitfähigkeit
potenziell verringern würde).
Auf ähnliche
Weise ist ein erster Abschnitt der ersten elektrisch leitenden Schicht 131 der zweiten
stromleitenden Elektrode 126 des Halbleiter-Chips 120 zugewandt
und ist er durch einen Körper 137 eines
elektrisch leitenden Haftmittels, der Lot umfassen kann, elektrisch
damit gekoppelt. Wie es nachstehend in Bezug auf 4 beschrieben
ist, ist ein zweiter Abschnitt der ersten leitenden Schicht 131 einer
Nase zugewandt, die andere Leiter hält, und ist er durch einen
Körper 137 eines
elektrisch leitenden Haftmittels elektrisch damit gekoppelt.
-
Für eine bessere
Ansicht der elektrischen Verbindungen zwischen dem Chip 120 und
den leitenden Schichten 131 und 133 zeigt 4 eine
Nebeneinander-Ansicht der ersten Fläche 111 des Leiterrahmens 110 mit
dem daran angeordneten Chip 120 auf der linken Seite der
Figur und des Wärmesenkenelements 130 mit
der ersten Fläche 141 des Substrats 140 und
den leitenden Schichten 131 und 133 auf der rechten
Seite der Figur. Dort sind die Körper 137 eines
leitenden Haftmittels an den Elektroden 124 und 126 des
Chips 120 und an zwei Nasen T des Leiterrahmens 110 angeordnet
gezeigt, welche die Leiter 114 halten (durch eine Nase
werden drei Leiter gehalten und durch eine andere Nase wird ein weiterer
Leiter gehalten). An Abschnitten der leitenden Schichten 131 und 133 ist
eine Haftmittelmaskenschicht 135 (z. B. eine Lotmaske)
angeordnet, um den Fluss der Haftmittelkörper zu begrenzen und zu verhindern,
dass sie zusammenfließen.
Bei dem zusammengebauten Package ist die erste Fläche 141 des
Wärmesenkenelements 130 umgedreht
und auf den Leiterrahmen 110 und den Chip 120 gesetzt,
wie es durch das Pfeilsymbol in der Figur angegeben ist. Hierbei
ist der unterste Abschnitt der ersten elektrisch leitenden Schicht 131 der
Nase T ganz links des Leiterrahmens 110 zugewandt, die
drei Leiter 114 zusammenhält, und wird er durch einen
Körper 137 eines
elektrisch leitenden Haftmittels elektrisch damit gekoppelt. Auch
sind zwei zentrale Abschnitte der ersten elektrisch leitenden Schicht 131 zwei
entsprechenden Abschnitten der Elektrode 126 des Chips 120 zugewandt
und werden sie durch einen Körper 137 eines
elektrisch leitenden Haftmittels elektrisch damit gekoppelt. Ähnlich werden
elektrische Verbindungen zwischen Abschnitten der zweiten elektrisch leitenden
Schicht 131 und der Elektrode 124 des Chips 120 und
der Nase T ganz rechts des Leiterrahmens 110 hergestellt,
die die Elektrode 124 mit dem Leiter 114 ganz
rechts elektrisch koppeln.
-
Um
den Zusammenbau des Wärmesenkenelements 130 mit
dem Leiterrahmen 110 und dem Chip 120 zu unterstützen, kann
der Leiterrahmen 110 ferner eine oder mehrere vertikale
Ausrichtungsnasen 113 umfassen, die jeweils an einer Seite
des Leiterrahmens 110 angeordnet sind. Mit dem über dem Chip 120 und
dem Leiterrahmen 110 angeordneten Wärmesenkenelement 130 berühren den
Nasen 113 nur das elektrisch isolierende Material des Substrats 140,
wodurch ein elektrischer Kurzschluss zwischen den leitenden Schichten 131, 133 und
dem Leiterrahmen 110 ver hindert wird. Das heißt, die
leitenden Schichten 131 und 133 sind von den Rändern des Substrats 140 zumindest
an den Bereichen, die den Nasen 113 zugewandt sind, nach
innen versetzt. Die vertikalen Nasen 113 können leicht
durch herkömmliche
Leiterrahmenstanzprozesse ausgebildet werden. Bei einem anfänglichen
Stanzschritt kann das Material für
jede Nase 113 zusammen mit den anderen Komponenten des
Leiterrahmens, die definiert werden, aus dem Rohmaterial definiert
werden. Bei einem nachfolgenden Stanzschritt kann der distale Abschnitt
jeder Nase in vertikaler Richtung gebogen werden. Bei beispielhaften
Ausführungsformen
ist jede von zwei oder mehr Nasen 113 mit 0,5 mm von einem
Rand des Substrats 140 beabstandet und kann jede einen
Rand des Substrats 140 berühren.
-
Die
wärmeleitende
Schicht 132 kann ein Metall mit hoher thermischer Leitfähigkeit
umfassen, wie beispielsweise Aluminium (Al), eine Al-Legierung, Kupfer
(Cu) oder ein Cu-Legierung. Die elektrisch leitenden Schichten 131 und 133 können ein
gut leitendes Material, wie beispielsweise Kupfer (Cu), umfassen,
das mit einer Subschicht einer Nickel-(Ni-) oder Gold-(Au-)Schicht
beschichtet sein kann, um eine Oxidation vor dem Zusammenbau zu
verhindern. Die Schichten 131 und 133 können eine
Dicke in dem Bereich von 1 mil bis 4 mil (~25 Mikrometer bis ~200
Mikrometer) oder mehr aufweisen, um hohe Stromniveaus für den Chip 120 zu
unterstützen.
Das Substrat 140 weist vorzugsweise eine Dicke von 0,5–2,0 mm, eine
thermische Leitfähigkeit
von mindestens 1 Watt/Meter Kelvin (W/mK) und eine Durchbruchspannung
von mindestens 50 Volt auf. Das Substrat 140 weist typischerweise
eine thermische Leitfähigkeit
in dem Bereich von 10 W/mK bis 100 W/mK und eine Durchbruchspannung
in dem Bereich von 100 bis 600 Volt auf. Bei einigen Ausführungsformen
ist die Durchbruchspannung vorzugsweise 200 Volt oder größer, und
stärker
bevorzugt 400 Volt oder größer. Das
Substrat 140 kann eine Zusammensetzung aus einem oder mehreren
Keramikmaterialien, ein elektrisch isolierendes Polymer, das mit
wärmeleitenden Partikeln
gefüllt
ist (z. B. gefülltes
Epoxidharz), einen thermisch leitenden Kunststoff oder eine Kombination
zweier oder mehrerer dieser umfassen. Die Keramikmaterialien umfassen
Metalloxide und Metallnitride. Beispielhafte Metalloxide umfassen
Al2O3 und BeO, und
beispielhafte Metallnitride umfassen AlN und SiN. Ein mit wärmeleitenden
Partikeln gefülltes elektrisch
isolierendes Polymer kann ein mit einem oder mehreren aufgeladenen
Keramikmaterialien gefülltes
Epoxidharz umfassen. Die thermisch leitenden Kunststoffmaterialien
weisen eine thermische Leitfähigkeit
von mindestens 1 W/mK auf und umfassen eine homogene Zusammensetzung
eines oder mehrerer Polymermaterialien und können ein oder mehrere feste
Füllstoffmaterialien
in Partikel- und/oder Pulverform, auf homogene Weise gemischt mit
dem Polymer/den Polymeren, aufweisen. Ein beispielhaftes thermisch
leitendes Material ist CoolPoly® von
Il Kwang Polymer Co., Ltd. in GyeongGi-do, Korea. CoolPoly® umfasst
ein flüssigkristallines
Polymer und einen oder mehrere Füllstoffe
und weist eine homogene Zusammensetzung auf.
-
Die
Schichten 131–133 können durch
einen beliebigen herkömmlichen
Prozess an den Flächen des
Substrats 140 haftend gemacht werden. Das Substrat 140 und
die Schichten 131–133 können zusammen
ein direkt gebondetes Kupfersubstrat (DBC-Substrat von direct-bonded
copper substrate), ein isoliertes Metallsubstrat (IMS von insulated
metal substrate) oder dergleichen umfassen. Ein beispielhaftes direkt
gebondetes Kupfersubstrat umfasst eine Lage aus Keramikmaterial,
wie beispielsweise Aluminiumoxid, mit einer Lage aus Kupfer, die
durch einen Hochtemperaturoxidationsprozess an jede Fläche der
Keramiklage gebondet wird (das Kupfer und das Substrat werden auf
eine kontrollierte Temperatur in einer Stickstoffatmosphäre erwärmt, die
eine kleine Menge Sauer stoff, etwa 30 ppm, enthält, was eine eutektische Kupfer-Sauerstoff-Bonding-Schicht zwischen
jeder Kupferlage und den Oxiden, die in dem Keramikmaterial vorhanden
sind, bildet). Ein beispielhaftes isoliertes Metallsubstrat umfasst
eine Metalllage, wie beispielsweise eine Aluminium- oder Kupferlage,
die mit einer Schicht aus Dielektrikummaterial (typischerweise ein
epoxidharzbasiertes Material) bedeckt ist, die wiederum mit einer
Kupferschicht bedeckt ist. Die Aluminium- oder Kupferlage kann die
wärmeleitende
Schicht 132 bereitstellen, und die Kupferschicht kann strukturiert
sein, um die elektrisch leitenden Schichten 131 und 133 bereitzustellen.
-
Die
Merkmale der vorliegenden Erfindung stellen ein stabiles und kompaktes
PQFN-Halbleiter-Chip-Package mit hohem thermischem Leistungsvermögen, ausgezeichneter
Spannungsisolierung für
Hochspannungs-Leistungsanwendungen und
dualen Kühlpfaden
für die
Vorrichtung durch die Ober- und Unterseite des Package bereit. Die
Merkmale sorgen ferner dafür,
dass der Benutzer leicht eine externe Wärmesenke an der Oberseite des
Package für
ein zusätzliches
Kühlen
anbringen kann, ohne dass die Verwendung elektrisch isolierender Haftmittel
erforderlich ist (die allgemein weniger thermisch leitend sind als
Metalllote). Das Substrat 140, die Schichten 131–132 und
ein Körper 137 eines
leitenden Haftmittels stellen einen stark thermisch leitenden Pfad
von dem Halbleiter-Chip 120 zu der Oberseite des Package
bereit, während
eine ausgezeichnete Dielektrikumdurchbruchstärke und eine hohe Spannungsisolierung
bereitgestellt werden, um die Sicherheitsanforderungen für Hochspannungs-Leistungsvorrichtungen
zu erfüllen.
Sie verbinden auch die Elektroden 124 und 126 des
Chips 120 mit einer Reihe von Leitern 114 über einen
zusätzlichen
Körper 137 eines
leitenden Haftmittels und Leiterrahmennasen T. Die wärmeleitende
Schicht 132, die vorzugsweise ein oder mehrere Metalle
umfasst, stellt eine hohe thermische Leitfähigkeit und eine hohe Verbin dungsfähigkeit
mit der externen Wärmesenke
für eine
zusätzliche
Wärmedissipationsfähigkeit
bereit. Der Leiterrahmen 110 und das elektrisch isolierende
Material 150 versehen die Packages mit einem Power Quad
Flat No-lead-Package-Format (”PQFN-Package-Format”) zum einfachen
Befestigen an einem Verbindungssubstrat. Die Nasen 113 des
Leiterrahmens 110 helfen beim Positionieren des Wärmesenkenelements 130 über dem Chip 120 und
dem Leiterrahmen 110 während
des Zusammenbaus, der durch verschiedene automatisierte Fertigungsmaschinen
erfolgen kann.
-
Es
sei angemerkt, dass mehr als ein Chip an die erste Fläche 112 des
Leiterrahmens 110 montiert werden können, wobei ihre Oberseite
mit den Leitern 114 mittels in der leitenden Schicht 131 ausgebildeten
Mustern verbunden wird. Im Gegensatz zu Standard-Packages, die nur
Leiterrahmen verwenden, kann die leitende Schicht 131 flexibel
strukturiert sein (d. h. kann leicht angepasst werden), um dem Entwurf
von Elektroden an dem einen oder den mehreren an dem Leiterrahmen 110 montierten
Halbleiter-Chip(s) zu folgen, und kann sie ferner strukturiert sein,
um Verbindungen zwischen zwei oder mehr Chips und auch mit den Leitern 114 bereitzustellen. Bei
diesen Beispielen und den oben bereitgestellten Beispielen kann
die Haftmittelmaske 135 strukturiert sein und verwendet
werden, um unerwartete Ausdehnungen des Lots oder Haftmittels zwischen
den Mustern der Schicht 131 zu verhindern.
-
Beispielhafte
Verfahren zum Herstellen eines beispielhaften Halbleiter-Chip-Package 100 sind in
Bezug auf 5–11 gezeigt.
In Bezug auf 5 können der Leiterrahmen 110 und
der Halbleiter-Chip 120 zusammengebaut werden. Ein Körper 117 eines
leitenden Haftmittels, wie beispielsweise einer Lotpaste, kann an
dem Chip-Anbringungsgebiet 115 und/oder der Elektrode 125 des
Chips 120 angeordnet werden, und der Halbleiter-Chip 120 kann
an dem Chip-Anbringungsgebiet 115 angeordnet werden, wobei
seine erste Fläche 121 dem Chip-Anbringungsgebiet 115 zugewandt
ist. Als Nächstes
können
die Körper 137 eines
leitenden Haftmittels an den Elektroden 124 und 126 des
Chips 120 angeordnet werden, wie es in 6 gezeigt
ist. Danach kann das Wärmesenkenelement 130 an
dem Chip 120 und den Nasen T des Leiterrahmens 110 angeordnet
werden, wie es in 7 gezeigt ist. Es können herkömmliche
Bestückungsgeräte verwendet
werden. Wenn vertikale Nasen 113 vorhanden sind, können sie
durch die Geräte
verwendet werden, um die Anordnung des Wärmesenkenelements 130 an
dem Leiterrahmen 110 auszurichten. Als Nächstes wird
die Anordnung in dem Fall, dass die Körper 117 und 137 eines
leitenden Haftmittels Lot umfassen, einem Reflow-Prozess ausgesetzt,
der bewirkt, dass die Körper 117 und 137 aufgeschmolzen
und an das Chip-Paddle 115,
die Elektroden 124–126 und die
leitenden Schichten 131 und 133 gebondet werden.
In dem Fall, dass die Körper 117 und 137 eines leitenden
Haftmittels ein leitendes Polymer, wie beispielsweise ein mit Lot
gefülltes
Epoxidharz (das für Anwendungen
mit geringer Leistung verwendet werden kann), umfassen, werden die
Körper 117 und 137 beispielsweise
durch eine chemische Reaktion, indem sie ultraviolettem Licht ausgesetzt
werden und/oder Wärme
ausgesetzt werden, ausgehärtet. Die
Nasen 113 halten das Wärmesenkenelement 130 während der
obigen Behandlungsprozesse für die
Körper 117 und 137 an
seiner Stelle. Die resultierende Anordnung ist in 8 gezeigt.
-
In
Bezug auf 9 kann als Nächstes ein Körper 150 eines
elektrisch isolierenden Materials über dem Wärmesenkenelement 130 und
um die Seiten hiervon herum, über
den Nasen 113 und den anderen freigelegten Abschnitten
des Leiterrahmens 110 und um die Seiten des Halbleiter-Chips 120 und der
Körper 117 und 137 eines
leitenden Haftmittels herum angeordnet werden. Das Ergebnis des
Vergussprozesses ist ein roher Package-Körper 150', der sich über der
wärmeleitenden
Fläche 132 des Wärmesen kenelements 130 erstreckt.
Der Körper 150' eines elektrisch
isolierenden Materials haftet an Abschnitten beider Flächen des
Substrats 140 des Wärmesenkenelements 130.
Es kann ein einfacher Vergussvorgang verwendet werden, um einen
rohen Package-Körper 150' auszubilden.
Die Rückseite des
Leiterrahmens 110 bleibt vorzugsweise freigelegt, um eine
Wärmeleitung
zu einem Substrat zu ermöglichen,
an dem das fertige Package angebracht werden soll. Vor dem Vergussprozess
kann eine dünne
Zusatzlage an der zweiten Fläche 112 des
Leiterrahmens 110 haftend gemacht werden, um das Vergussmaterial
davon abzuhalten, die Unterseiten des Chip-Anbringungsgebiets 115 und
der Leiter 114 und 116 zu bedecken. Es können auch
andere weithin bekannte Techniken verwendet werden, um zu verhindern,
dass das Vergussmaterial diese Bereiche bedeckt. Als Nächstes wird
die Oberseite des rohen Package-Körpers 150' abgetragen,
um die wärmeleitende
Schicht 132 freizulegen. Es können Laserablations- oder andere
Fräsprozesse
verwendet werden. Beispielsweise kann der von DISCO Corporation
hergestellte DFS8910-Flächenhobel
verwendet werden. Das Ergebnis dieser Verarbeitung ist in 3 gezeigt.
-
Ein
weiteres beispielhaftes Verfahren ist in Bezug auf 10–11 und 8–9 beschrieben.
In Bezug auf 10 können der Halbleiter-Chip 120 und
das Wärmesenkenelement 130 zusammengebaut
werden. Es können
herkömmliche Bestückungsgeräte verwendet
werden. Vor dem Zusammenbau können
die Körper 137 eines
leitenden Haftmittels an den Abschnitten von 131 und 133 angeordnet
werden, die mit den Elektroden 124 und 126 des
Chips 120 und den Nasen T des Leiterrahmens 110 gekoppelt
werden. Danach kann ein Körper 117 eines
leitenden Haftmittels, wie beispielsweise einer Lotpaste, an dem
Chip-Anbringungsgebiet 115 angeordnet werden, und kann
die Anordnung des Halbleiter-Chips 120 und des Wärmesenkenelements 130 an
dem Chip-Anbringungsgebiet 115 und den Nasen T des Leiterrahmens 110 angeordnet
werden, wie es in 11 gezeigt ist.
-
Es
können
herkömmliche
Bestückungsgeräte verwendet
werden. Wenn vertikale Nasen 113 vorhanden sind, können sie
durch die Geräte
verwendet werden, um die Anordnung des Wärmesenkenelements 130 an
dem Leiterrahmen 110 auszurichten. Als Nächstes wird
die Anordnung in dem Fall, dass die Körper 117 und 137 eines
leitenden Haftmittels Lot umfassen, einem Reflow-Prozess ausgesetzt, der
bewirkt, dass die Körper 117 und 137 aufgeschmolzen
und an das Chip-Paddle 115, die Elektroden 124–126 und
die leitenden Schichten 131 und 133 gebondet werden.
In dem Fall, dass die Körper 117 und 137 eines
leitenden Haftmittels ein leitendes Polymer, wie beispielsweise
ein mit Lot gefülltes
Epoxidharz (das für
Anwendungen mit geringer Leistung verwendet werden kann), umfassen,
werden die Körper 117 und 137 beispielsweise
durch eine chemische Reaktion, indem sie ultraviolettem Licht ausgesetzt
werden und/oder Wärme
ausgesetzt werden, ausgehärtet.
Die resultierende Anordnung ist im Wesentlichen die gleiche wie
die in 8 gezeigte.
-
Dann
kann als Nächstes, ähnlich wie
bei dem zuvor beschriebenen beispielhaften Verfahren, der Körper 150 eines
elektrisch isolierenden Materials über dem Wärmesenkenelement 130 und
um die Seiten hiervon herum, über
den Nasen 113 und den anderen freigelegten Abschnitten
des Leiterrahmens 110 und um die Seiten des Halbleiter-Chips 120 und der
Körper 117 und 137 eines
leitenden Haftmittels herum angeordnet werden. Das Ergebnis des
Vergussprozesses ist ein roher Package-Körper 150, der sich über der
wärmeleitenden
Fläche 132 des
Wärmesenkenelements 130 erstreckt,
wie es in 9 gezeigt ist. Ähnlich wie
bei dem zuvor beschriebenen beispielhaften Verfahren kann auch die
Oberseite des rohen Package-Körpers 150' abgetragen
werden, um die wärmeleitende
Schicht 132 freizulegen, wie es in 10 gezeigt
ist. Wie zuvor können
Laserablations- oder andere Fräsprozesse
verwendet werden.
-
Es
ist zu verstehen, dass, wenn die Durchführung einer Aktion eines beliebigen
der hierin offenbarten und beanspruchten Verfahren nicht auf dem Abschluss
einer anderen Aktion basiert, die Aktionen in einer beliebigen zeitlichen
Sequenz (z. B. zeitlichen Reihenfolge) in Bezug aufeinander durchgeführt werden
können,
was eine gleichzeitige Durchführung
und eine verschachtelte Durchführung
verschiedener Aktionen umfasst. (Eine verschachtelte Durchführung kann
beispielsweise stattfinden, wenn Teile von zwei oder mehr Aktionen
auf eine gemischte Weise durchgeführt werden.) Dementsprechend sei
angemerkt, dass, während
die Verfahrensansprüche
der vorliegenden Anmeldung Sätze
von Aktionen wiederzugeben, die Verfahrensansprüche nicht auf die Reihenfolge
der im Anspruchswortlaut aufgeführten
Aktionen beschränkt
sind, sondern stattdessen alle obigen möglichen Reihenfolgen abdecken,
die eine gleichzeitige und verschachtelte Durchführung von Aktionen und andere
mögliche
Reihenfolgen umfassen, die oben nicht explizit beschrieben sind, wenn
es nicht anderweitig durch den Anspruchswortlaut ausgeführt ist
(wie beispielsweise durch explizites Angeben, dass eine Aktion einer
anderen Aktion vorausgeht oder folgt).
-
12 ist
eine Seitenansicht eines beispielhaften Systems 300, das
ein Verbindungssubstrat 310 mit mehreren elektrischen Verbindungs-Pads 315 und
ein Package 100 umfasst, das an dem oberseitigen Verbindungssubstrat 310 angeordnet
ist. Die Leiter 114 und 116 und das Chip-Anbringungsgebiet 115 des
Package 100 sind elektrisch mit den jeweiligen Pads 315 gekoppelt.
Das System 300 umfasst auch ein elektrisches Package 304,
das durch jeweilige Haftmittelkörper 305 elektrisch
mit jeweiligen Pads 315 des Verbindungssubstrats 310 gekoppelt ist.
Das Package 304 kann durch eine oder mehrere elektrische
Spuren 311, die in oder an dem Verbindungssubstrat 310 angeordnet
sind, elektrisch mit dem Package 100 gekoppelt sein. An
der wärmeleitenden
Schicht 132 kann durch eine Schicht eines thermisch leitenden
Haftmittels 295 eine Wärmesenke 290 an
dem Package 100 angebracht sein.
-
Die
oben beschriebenen Halbleiter-Chip-Packages können bei elektrischen Anordnungen
verwendet werden, die Platinen mit daran befestigten Packages umfassen.
Sie können
auch in Systemen, wie beispielsweise Leistungs-Controller, Stormversorgungen,
Computer etc., verwendet werden.
-
Eine
Angabe von ”ein(e)” und ”der/die/das” soll ein(e)
oder mehrere bedeuten, wenn dies nicht ausdrücklich gegenteilig angegeben
ist.
-
Die
Begriffe und Ausdrücke,
die hierin verwendet wurden, werden als Begriffe der Beschreibung
und nicht der Einschränkung
verwendet, und es besteht bei der Verwendung solcher Begriffe und Ausdrücke nicht
die Absicht, Äquivalente
der gezeigten und beschriebenen Merkmale auszuschließen, da
zu erkennen ist, dass innerhalb des Umfangs der beanspruchten Erfindung
verschiedene Abwandlungen möglich
sind.
-
Ferner
können
ein oder mehrere Merkmale einer oder mehrerer Ausführungsformen
der Erfindung mit einem oder mehreren Merkmalen anderer Ausführungsformen
der Erfindung kombiniert werden, ohne von dem Schutzumfang der Erfindung
abzuweichen.
-
Während die
vorliegende Erfindung insbesondere in Bezug auf die gezeigten Ausführungsformen
beschrieben wurde, sei angemerkt, dass verschiedene Änderungen,
Modifikationen, Anpassungen und äquivalente
Anordnungen auf der Grundlage der vorliegenden Offenbarung vorgenommen
werden können
und innerhalb des Schutzumfangs der Erfindung und der beigefügten Ansprüche liegen
sollen.