TWI415233B - 具改良式散熱能力之半導體裝置 - Google Patents

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Description

具改良式散熱能力之半導體裝置
本發明是於2007年7月9日提出申請之第11/817,042號，名稱為“Semiconductor Deviceand Method For Manufacturing A Semiconductor Device Having Improved Heat Dissipation Capabilities”的美國專利申請案的連續申請案，其主張於2006年8月11日提出申請之第60/837,353號，名稱為“Method for Assembling Metal Heat Sink Onto Semiconductor Device”的美國臨時申請案的優先權。
本申請案亦主張於2006年8月10日提出申請之第60/836,835號，名稱為“Bridge Rectifier Package With Heat Sink”的美國臨時申請案的優先權。
上述各個前案整體於本文併入參考。
本發明的態樣一般有關半導體裝置以及製造半導體裝置的方法，且尤關於封裝於含有金屬板之外殼內的半導體裝置。
諸如整流器的半導體裝置中效率減少的主要原因在於正常操作期間散熱不充分。減緩此問題的二種方法涉及散熱器的使用，以及封裝半導體裝置之外殼的壁厚的減少。
圖1A與1B分別為由Vishay Intertechnology,Inc.製造之內部具有四個半導體晶粒(未顯示)的Vishay半導體商標之單相串聯(inline)橋式整流器裝置10的立體及側視圖。裝置10是經由引線14通孔可安裝的裝置10，且包括於裝置10的操件期間保護半導體晶粒的外部環氧化合物外殼12，半導體晶粒產生的熱透過引線14及外殼12轉移。圖1B是裝置10的側視圖，其說明其到基板11(例如電路板)的通孔安裝，以及進一步說明散熱器(諸如鮨片名鋁板)13如何可被用來增加外殼12的散熱效能，外殼12內部被晶粒產生的熱經由引線14被轉移到基板11，且透過外殼12到散熱器13及/或周圍環境。裝置10、基板11、及散熱器13藉著使用諸如自然或強制空氣對流的冷卻技術被冷卻。環氧化合物外殼12的導熱係數遠小於散熱器13，然而，此通常導致裝置10有差的散熱性能。不幸地，外殼12在保護半導體裝置對抗溼氣以及組裝過程及其它環境上的污染方面是必要的。外殼12一般是藉著以轉移模製法(transfer molding process)將半導體裝置封裝入諸如熱固塑膠的模製化合物(mold compound)中而形成。
於使用於半導體業的典型的轉移模製機中，安裝於引線框架上的薄的電子工件被夾在二半分開的模具之間。該模具在裝置周圍界定出模穴，以充分的間隙容許模製化合物射入並在裝置周圍流動以將其封裝。於模製步驟期間，模製化合物被射入入口，而在該模具內部的空氣從一通氣口逸散。柱塞將液化的模製化合物驅使進入該模穴。該模製化合物被容許固化且該模具被開啟，釋出被封裝的半導體裝置。
如前述，為增強散熱，裝置製造者會減少用來封裝每個裝置之模製化合物的封裝層的厚度。較薄的封裝層亦有助於改善裝置性能或可靠度，抵抗在熱應力及其它參數下的塗層損壞。想要較薄封裝層的另一原因在於，較小的半導體裝置一般比較大的半導體裝置更合人意。然而，因為內模具表面與電子工件間的距離被縮減，所以欲得到環繞整個裝置的高品質無空隙的封裝變得更困難。
為得到無空隙的密封，液化模製化合物必須要進入模具入口且在模製化合物流動波前(flow front)到達模具通氣孔之前全部充填該模穴內的空間。倘若模製化合物在模具完全充填之前到達通氣孔，則氣泡會陷在模具中，產生空隙。
為完全充填模穴，模製化合物必須在上模具表面與裝置的上表面之間、下模具表面與裝置的下表面之間流動，並且進入圍繞裝置外周的空間內。然而，因為上及下模具表面與該裝置間的距離被縮減以使密封塗層更薄，模製化合物變得更加難以穿過此等區域。
倘若此距離被縮減得太多，則模製化合物會在模製化合物波前已經取代在裝置上方及下方空間中的空氣之前，繞著裝置的外周流動。結果是空隙在封裝材料中，因為氣泡在該裝置中央被擠壓掉。
因此，利用傳統設備的半導體裝置轉移模製已要求從內模具表面到該裝置的距離至少約200－250微米。此確使模製化合物的層流(laminar flow)進入該模具且圍繞該裝置。當然，確實的最小距離限制是所使用之特定模製化合物、其包含的填充料以及諸如溫度的製程參數的函數，但是，一般而言，將從內模具表面到裝置的距離縮減到小於某最小距離會導致由於空隙的形成所造之無法接受的製程損失。
圖2是諸如描述於圖1A及1B之半導體10的橫剖面圖。類似於圖1中的裝置，裝置10是可經由引線112安裝的通孔，且包括外部環氧化物外殼110，於裝置10的操作期間保護半導體晶粒106，由晶粒106產生的熱透過引線112及外殼110轉移。環氧化物外殼110的導熱性通常導致裝置10有不良的散熱性能。諸如整流器的半導體裝置方面效率減少的主要原因在於正常操作期間散熱不充分。不幸地，如上述，倘若減少外殼的厚度來達到較佳的熱狀態，則諸如IPE或空隙130(見圖2)的模製失敗容易增加，導致由絕緣的破壞所造成像是高壓(high－potential；hipot)測試或耐電壓測試的失敗的問題。
因此，能同時兼顧散熱器及較薄壁厚以便能充分消散諸如橋式整流器的半導體裝置中的熱是吾人想要的。
根據本發明，提供一種可安裝到基板的半導體裝置。該裝置包括半導體晶粒及導電引線框架，該導電引線框架具有第一與第二端部及第一附著表面與第二附著表面。該晶粒在該第一附著表面上與該引線框架的該第一端部電氣接觸。外露外殼封入該半導體晶粒及該引線框架的該第一端部，該外殼包括面向該引線框架之該第二附著表面的金屬板。
根據本發明的一態樣，該半導體裝置包含功率半導體裝置。
根據本發明的另一態樣，該功率半導體裝置包含整流器，該整流器包含橋式整流器。
根據本發明的另一態樣，該半導體裝置包含表面可安裝裝置。
根據本發明的另一態樣，該半導體裝置包含通孔可安裝裝置。
根據本發明的另一態樣，該半導體裝置包含積體電路。
根據本發明的另一態樣，該積體電路包含晶片級封裝(chip－scale package)。
根據本發明的另一態樣，介電質、導熱層間材料被配置於該引線框架的該金屬板與該第二附著表面之間。
根據本發明的另一態樣，該層間材料是導熱黏著劑。
根據本發明的另一態樣，該層間材料包含網板印刷層。
根據本發明的另一態樣，該外殼進一步包含模製化合物。
根據本發明的另一態樣，該模製化合物的一部分與該金屬板共平面。
根據本發明的另一態樣，與該金屬板共平面的該模製化合物的該部分圍繞該金屬板。
圖3是表面可安裝半導體裝置30的一實施例的左上方立體圖。此外，圖4－7分別顯示半導體裝置30之頂視圖、底視圖、左側視圖(右側測圖鏡像)及前視圖(後視圖鏡像)。半導體裝置30包括半導體晶粒(在圖3－7中看不見)，例如諸如二極體、MOSFET、或另一種型態的晶粒/積體電路。該晶粒包含在外殼40內。電氣接觸晶粒的導電附著區域32(例如引線框架)穿透過外殼40延伸，使得其等外部可存取。外殼40的大部分表面是以諸如模製化合物的材料形成。然而，如圖5所示，外殼40的一表面的至少一部分是由作為散熱器的金屬板45形成。於此實施例中，金屬板45位於裝置30的底表面上。此外，於此實施例中，外殼40的底表面亦包括由與外殼其餘部分相同的材料(例如模製化合物)形成的周邊唇或邊緣47。周邊唇47大大地圍繞金屬板45且可與之共平面。
半導體裝置30可根據廣泛不同的技術及材料來製造。裝置30亦可具有廣泛不同的內部架構。以下的例子將呈現根據一特定技術建構的此一架構，其僅藉由例子呈現且不視為本發明的限制。
圖57是通孔可安裝半導體裝置200內部橫剖面側視圖。諸如銅墊、銲球、引線、引線框架或引線框架端子的導電附著區域202各具有一表面203，配置來提供與半導體晶粒206的電氣通信(雖然為示例目的只提及一晶粒，但可看見三晶粒)。晶粒206可以，例如是二極體、MOSFET、或任何種類的晶粒/積體電路。表面203可以諸如藉由焊接的任何適何方式附著到晶粒206。通孔可安裝引線212(一可見)亦可與半導體裝置晶粒206及/或導電附著區域202電氣通信。
外殼210至少部分地封入晶粒206及導電附著區域202。外殼210可以是諸如塑膠的模製化合物，被模製至導熱元件202及/或層間材料206。外殼210可以藉種種諸如覆蓋模製(overmolding)或射出模製(injection molding)的周知的方法依任何想要的架構/形狀形成。如所示，外殼210大約3.5 mm厚，具有類似於半導體裝置10(顯示於圖1)之外殼12外部部位的架構。然而，位在導電附著區域202與層間材料208(以下討論)間的外殼210的部位230在厚度方面被減少。換言之，在導電附著區域202的側面205上外殼210的厚度實質上較在設有晶粒206的導電附著區域202的側面203上外殼210的厚度薄。
如近一步顯示於圖57者，層間材料208以塗層或以其它方式施加到外殼部位230(即在導電附著區域202的側面205上的外殼210的部位)的曝露表面。層間材料208具有高介電常數及高導熱係數。層間材料208可採導熱矽彈性體材料、油脂、環氧化物、模製化合物、彈性量模式墊、熱膠帶、流體或凝膠的形式。例如，層間材料208可以是市售由DOW CORING製造之諸如SE4486及SE4450的導熱黏著劑、由Emerson & Cuming製造的282、以及由BERGQUIST製造的SA2000。最後，諸如金屬板220的金屬散熱器被固定到層間材料208。金屬板220可以以任何適合的方式固定。舉例來說，倘若層間材料208是以黏著劑形成，則層間材料208本身可用來固定金屬板220。因此，圖57所示的半導體裝置同時兼顧散熱器及較薄外殼壁，從而增強該裝置的散熱，使得該裝置能承載較高的電流。
圖58－61顯示圖57所示之通孔可安裝半導體裝置於製程期間的橫剖面圖。圖58顯示晶粒206安裝到導電附著區域202的上表面。於圖59中，外殼210是於覆蓋模製(overmolding)步驟中形成。外殼210包括圍繞晶粒206之上部位以及接觸導電附著區域202之側面205的下部位。凹部240形成於外殼部位230中，可同時容納層間材料208與金屬板220。圖60顯示位於凹部240中的層間材料208，且圖61顯示插置於凹部240中且與層間材料208接觸的金屬板220。在許多情形中，層間材料208可在將金屬板220插置於凹部240中之前首先被施加到金屬板220。此外，如前述，層間材料208可作為將金屬板220固定於凹部240中的黏著劑。
藉著使用層間材料208，從導電附著區域202(見圖57)之表面延伸的外殼的厚度可有利地減少而同時仍能避免由IPE(Internal Parts Exposure，內部部件曝露)或空隙所對半導體裝置200造成的有害作用。於某些情形中，外殼厚度d能減少50%或更多。舉例來說，外殼厚度d可以從1.0 mm減到0.5 mm的厚度。特別是，半導體裝置200即使因為在外殼厚度方面的減少，仍能避免高壓(hipot)測試失敗問題。層間材料208有效地作為屏蔽，於高壓測試期間提供高介電強度而同時因為其高導熱係數亦容許良好導熱。
於本發明某些實施例中，使用網板印刷法，層間材料208被塗層或施加到導電附著區域202。網板印刷技術已廣泛用於圖形藝術領域以產生藝術作品，且已知道使用於生產印刷電路板以轉移相當大規模遮罩圖型到印刷電路板上。網板印刷技術包括使用印刷模板以選擇性地轉移影像到基板上。該影像典型上被轉移是藉著機械地將給定材料壓穿過印刷模板的多孔(例如網目)部位到基板上而同時該印刷模板相鄰的非多孔部位不容許材料的印刷。使用於產生圖形藝術作品的網板印刷材料包括塗料及/或油墨，而使用於電路板生產方面轉移遮罩圖型的材料包括遮罩材料。使用於網板印刷的印刷模板通常是藉著雷射銑切一影像到印刷模板上或藉由照相顯影步驟來產生，其中影像被照相轉移到未被顯影的印刷模板上，且該印刷模板接著被顯影以顯露該影像。未被顯影的印刷模板典型包括被非多孔材料塗層的網。於顯影之際，非多孔材料的部位被移除產生印刷模板的多孔部分，或依經照相轉移的影像的架構產生孔口於該印刷模板中。因該影像實際上被轉移到經顯影的印刷模板，該印刷模板接著有用以如上述地將相同的影像轉移到基板。網板印刷的技術及使用印刷模板於此種印刷是眾所周知的，因此將不更詳細描述。
因而已描述的半導體裝置包括藉著減少封裝晶粒的外殼的厚度以及藉著提供金屬散熱器所產生之經增強的熱移除路徑。在具有增加的化合物密度以及因而增加的熱通量密度的特色的產品設計方面，吾人想要將熱傳導離安裝基板。在各基板上，針對基板提供的冷卻由電隔離的半導體裝置封裝本身來補充，而在各基板上針對基板提供的冷卻一般會導致針對相當大的表面面積提供單一操作溫度。半導體裝置可在更合宜的溫度操作而不會在它們的足跡方面有顯著的改變，且/或無額外的隔離要求，減少產品再設計的需要。
上述關於通孔可安裝半導體裝置的本發明的態樣亦適用於表面可安裝半導體裝置，諸如圖8所示之共同申請之美國第11/827,041號申請案。
圖62是用以製造諸如圖57所示之根據本發明態樣之半導體裝置200的半導體裝置之方法的流程圖。在方塊902的步驟，其中半導體晶粒被配置用以與諸如銅墊、引線框架端子的導電附著區域的第一附著區域電氣通信。
接下來，在方塊904，導熱介電層間材料被施加到作為散熱器的金屬板。該層間材料可被塗層到該金屬板上且可作為黏著劑。在步驟906，該金屬板附著到該導電附著區域的第二附著區，使得該層間材料接觸該第二附著區。倘若層間材料是黏著劑，其可作為將該金屬板固定到該第二附著區之用。
在方塊908，設置可以以諸如塑膠的材料構成的外殼，將該晶粒、該層間材料、該金屬板及該導電附著區域至少部分封入。該外殼以此種方式被固定(例如藉由模製)，使得該半導體裝置的外部包裝由該外殼來提供。倘若不採用該層間材料及金屬板，該自該導電附著區域延伸的外殼的厚度可以比可能的還要小而仍能避免由空隙及類似者造成的問題(例如電氣絕緣破壞)。
可明瞭的是可以想出描述於本文之本發明的其它形式的態樣而不背離所附之申請專利範圍的精神及範疇，且應可瞭解到本發明的態樣並不侷限於以上描述的實施例。
10．．．橋式整流裝置
11．．．基板
12．．．外殼
13．．．散熱器
14．．．引線
30．．．半導體裝置
32．．．導電附著區域
40．．．外殼
45．．．金屬板
47．．．周邊唇
106．．．半導體晶粒
110．．．外殼
112．．．引線
130．．．空隙
200．．．半導體裝置
202．．．導電附著區域/導熱元件
203．．．表面/側面
205．．．側面
206．．．半導體晶粒/層間材料
208．．．層間材料
210．．．外殼
212．．．引線
220．．．金屬板
230．．．部位
240．．．凹部
圖1A及1B分別是用於傳統通孔可安裝半導體裝置的包裝的立體圖及側視圖。
圖2是用於傳統通孔可安裝半導體裝置的包裝的橫剖面圖。
圖3是根據本發明建構之半導體裝置的一實施例的左上方立體圖。
圖4是頂視圖。
圖5是底視圖。
圖6是左側視圖(右側視圖的鏡像)。
圖7是前視圖(後視圖的鏡像)。
圖8是根據本發明建構之半導體裝置的另一實施例的左上方的立體圖。
圖9是頂視圖。
圖10是底視圖。
圖11是左側視圖。
圖12是右側視圖。
圖13是前視圖。
圖14是後視圖。
圖15是根據本發明建構之半導體裝置的另一實施例的左上方的立體圖。
圖16是頂視圖。
圖17是底視圖。
圖18是左側視圖。
圖19是右側視圖。
圖20是前視圖。
圖21是後視圖。
圖22是根據本發明建構之半導體裝置的另一實施例的左上方的立體圖。
圖23是頂視圖。
圖24是底視圖。
圖25是左側視圖。
圖26是右側視圖。
圖27是前視圖。
圖28是後視圖。
圖29是根據本發明建構之半導體裝置的另一實施例的左上方的立體圖。
圖30是頂視圖。
圖31是底視圖。
圖32是左側視圖。
圖33是右側視圖。
圖34是前視圖。
圖35是後視圖。
圖36是根據本發明建構之半導體裝置的另一實施例的左上方的立體圖。
圖37是頂視圖。
圖38是底視圖。
圖39是左側視圖。
圖40是右側視圖。
圖41是前視圖。
圖42是後視圖。
圖43是根據本發明建構之半導體裝置的另一實施例的左上方的立體圖。
圖44是頂視圖。
圖45是底視圖。
圖46是左側視圖。
圖47是右側視圖。
圖48是前視圖。
圖49是後視圖。
圖50是根據本發明建構之半導體裝置的另一實施例的左上方的立體圖。
圖51是頂視圖。
圖52是底視圖。
圖53是左側視圖。
圖54是右側視圖。
圖55是前視圖。
圖56是後視圖。
圖57是根據本發明之一態樣建構之通孔可安裝半導體裝置的另一實施例的左上方的橫剖面圖。
圖58－61顯示圖3所示之通孔可安裝半導體裝置於製程期間的橫剖面圖。
圖62是根據本發明之態樣之用以製造半導體裝置的方法的流程圖。
30．．．半導體裝置
32．．．導電附著區域
40．．．外殼

Claims (14)

  1. 一種半導體裝置，可安裝到基板，該半導體裝置包含：半導體晶粒；導電引線框架，具有第一與第二端部及第一附著表面與第二附著表面，其中該半導體晶粒在該第一附著表面上與該引線框架的該第一端部電氣接觸；以及外露外殼，封入該半導體晶粒及該引線框架的該第一端部，該外殼包括面向該引線框架之該第二附著表面的金屬板，其中，該外殼的一部份位於該引線框架的該第二附著表面與該金屬板之間，其中，該外殼包含單一類型的模製化合物，且進一步地，其中，位於該第二附著表面的側面的該外殼厚度，其從該第二附著表面延伸至該金屬板的底外側部分，實質上較位於該第一附著表面的側面的該外殼厚度薄。
  2. 如申請專利範圍第1項之半導體裝置，其中該半導體裝置包含功率半導體裝置。
  3. 如申請專利範圍第2項之半導體裝置，其中該功率半導體裝置包含整流器。
  4. 如申請專利範圍第3項之半導體裝置，其中該整流器包含橋式整流器。
  5. 如申請專利範圍第1項之半導體裝置，其中該半 導體裝置包含表面可安裝裝置。
  6. 如申請專利範圍第1項之半導體裝置，其中該半導體裝置包含通孔可安裝裝置。
  7. 如申請專利範圍第1項之半導體裝置，其中該半導體裝置包含積體電路。
  8. 如申請專利範圍第7項之半導體裝置，其中該積體電路包含晶片級封裝。
  9. 如申請專利範圍第8項之半導體裝置，進一步包含介電、導熱層間材料，其具有高導熱係數，係配置於該金屬板與該引線框架之該第二附著表面之間。
  10. 如申請專利範圍第9項之半導體裝置，其中該層間材料是導熱黏著劑。
  11. 如申請專利範圍第9項之半導體裝置，其中該層間材料包含網板印刷層。
  12. 如申請專利範圍第1項之半導體裝置，其中該外殼進一步包含單一類型的模製化合物。
  13. 如申請專利範圍第12項之半導體裝置，其中部分的該模製化合物與該金屬板共平面。
  14. 如申請專利範圍第13項之半導體裝置，其中與該金屬板共平面的該部分的模製化合物圍繞該金屬板。
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