TWI722362B - 壓合電力模組及相關方法 - Google Patents

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李根赫
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Abstract

半導體封裝之實施方案可包括：一或多個裸晶，電性耦接至引線框架。引線框架可包括在殼體內。半導體封裝亦可包括：一組信號引線、一組電力引線以及複數個壓合接腳。此組信號引線從殼體延伸。此組電力引線從殼體延伸。此等壓合接腳之每一者係固定地耦接至此組信號引線及此組電力引線。此組信號引線及此組電力引線可配置以與基材耦接。

Description

壓合電力模組及相關方法
此文件之態樣大致上係關於半導體封裝，諸如用於家用電器、汽車工業、及工業應用之電力模組。
傳統上，為了將半導體封裝耦接至諸如印刷電路板的基材上，將引線軟焊至基材。其他設計包括在引線之末端處具有壓合接腳(pin)結構的引線。
半導體封裝之實施方案可包括：一或多個裸晶，電性耦接至引線框架。此引線框架可包括在殼體內。此半導體封裝亦可包括：一組信號引線、一組電力引線以及複數個壓合接腳。此組信號引線從殼體延伸。此組電力引線從殼體延伸。此等壓合接腳之每一者係固定地耦接至此組信號引線及此組電力引線。此組信號引線及此組電力引線可配置以與基材耦接。
半導體封裝之實施方案可包括下列之一者、所有者或任意者：
電性耦接至引線框架的一或多個裸晶可為電力模組。
壓合接腳可通過焊接(welding)、軟焊(soldering)或硬焊(brazing)耦接至信號引線及電力引線。
此組信號引線可在殼體的第一側上，且此組電力引線可在殼體之與第一側相對的第二側上。
基材可為印刷電路板。
複數個壓合接腳可包括銅。
半導體封裝之實施方案可包括：電力模組，此電力模組具有耦接至電力模組之一組信號引線；一組電力引線，其在電力模組之相對於此組信號引線的一側上耦接至電力模組；及壓合接腳，其焊接、軟焊或硬焊至信號引線之每一者及電力引線之每一者。壓合接腳可配置以與電路板耦接。
半導體封裝之實施方案可包括下列之一者、所有者或任意者：
電力模組可包括開關、整流器或反相器中之一者。
壓合接腳可使用夾具而通過焊接、軟焊或硬焊耦接至此組信號引線之一者及此組電力引線之一者。
電力模組可更包括引線框架，此引線框架具有此組信號引線及此組電力引線。
引線框架可包括99.9%純度的銅。
複數個壓合接腳可包括銅鉻銀鐵鈦矽合金(CuCrAgFeTiSi alloy)。
製造半導體封裝之方法的實施方案可包括：提供電力模組，此電力模組具有在第一側上的一組信號引線及在第二側上的一組電力引線。此方法亦可包括：修整此組信號引線的長度及此組電力引線的長度以及將複數個壓合接腳中之壓合接腳焊接、軟焊或硬焊至信號引線之每一者及電力引線之每一者。此方法亦可包括：將此組信號引線及此組電力引線彎曲至所欲角度，此所欲角度配置以與基材耦接。
製造半導體封裝之方法的實施方案可包括下列之一者、所有者或任意者： 複數個壓合接腳可為經單離化(singulated)的壓合接腳。
此方法可更包括在焊接、軟焊、或硬焊之前：將壓合接腳之每一者耦接至夾具中、將此組信號引線中之信號引線之每一者的一部分耦接至夾具中以及將組電力引線中之電力引線之每一者的一部分耦接至夾具中。
複數個壓合接腳可為框架式(framed)壓合接腳。
此方法可更包括在焊接、軟焊、或硬焊之後，將複數個壓合接腳從框架單離化。
焊接、軟焊、或硬焊可更包括超音波焊接、軟焊或硬焊以及雷射焊接、軟焊或硬焊中之一者。
此方法可更包括將引線支撐件耦接至此組信號引線及此組電力引線且耦接至電力模組，其中引線支撐件配置以防止此組信號引線及此組電力引線之變形。
此引線框架可包括99.9%純度的銅，且壓合接腳可包括銅鉻銀鐵鈦矽合金。
所屬領域中具有通常知識者從實施方式、圖式、以及申請專利範圍將清楚了解前述及其他態樣、特徵、及優點。
本揭露、其態樣及實施方案不限於本文中揭示之特定組件、組裝程序或方法元件。技術領域所已知之與所意欲的半導體封裝一致的許多其他組件、組裝程序及/或方法元件顯然將適用於本揭露之具體實施方案。據此，例如，雖然揭示具體實施方案，但此類實施方案及實施組件可包括如此類半導體封裝之技術領域中已知的任何形狀、尺寸、風格、類型、模式、版本、量度、濃度、材料、數量、方法元件、步驟及/或類似者以及與所意欲的操作及方法一致的實施組件及方法。
參見第1圖，繪示與印刷電路板(PCB) 4耦接的半導體封裝2之實施方案。如圖所示，半導體封裝2包括具有一組信號引線8的電力模組6，此組信號引線8耦接至電力模組6的一側上。舉非限制性實例而言，電力模組可包括開關、整流器、或反相器中之一者。此組信號引線8通過壓合接腳10耦接至印刷電路板，此等壓合接腳10耦接至形成於印刷電路板中的開口中。在特定實施方案中，這些開口可為穿過印刷電路板的鑽孔或以其他方式形成的通孔。然而，在其他實施方案中，壓合接腳10可耦接至在印刷電路板上形成或經由焊接、軟焊或硬焊耦接至印刷電路板的接腳接收器中。
在電力模組6之相對於此組信號引線8的一側上，一組電力引線12耦接至電力模組6。電力引線12通過壓合接腳14耦接至印刷電路板。在各種實施方案中，壓合接腳14可通過印刷電路板中的開口或通過如本文中揭示的任何接腳接收器耦接至印刷電路板。壓合接腳10及壓合接腳14係各別焊接、軟焊或硬焊至信號引線8及電力引線12。在特定實施方案中，壓合接腳10、14係使用夾具或導件各別焊接（或軟焊、或硬焊）至信號引線8及電力引線12的末端。在各種實施方案中，引線8、12係由針對熱性能及電學性能的高純度材料所製成，且壓合接腳係由比引線之材料更適合於接合性能的不同材料所製成。
儘管第1圖所繪示的電力模組6具有引線8及電力引線12兩者，但在特定實施方案中，可僅使用一組引線，引線8或電力引線12。在一些實施方案中，引線8可分布在電力模組的相對兩側上；在其他實施方案中，電力引線12可分布在電力模組的相對兩側上。在其他實施方案中，引線8可分布在電力模組的相鄰側上；在其他實施方案中，電力引線12可分布在電力模組的相鄰側上。在又其他實施方案中，引線8可分布在電力模組之多於兩側上；且在其他實施方案中，電力引線可分布在電力模組之多於兩側上。
壓合接腳的材料可具有某些性質，以允許壓合接腳耐受壓合接腳對基材之插入及抽拉的力。在一些實施方案中，壓合接腳可由德國維蘭德股份有限公司(Wieland-Werk, AG of Ulm, Germany)以商標名稱K88所銷售的銅鉻銀鐵鈦矽合金所製成。在此類實施方案中，材料可因其所欲之降伏強度(yield strength)結合其導電性及良好的應力鬆弛抗性來選擇。基於合金之這三種材料性質的考量，可採用各種其他金屬合金材料作為壓合接腳使用。在各種實施方案中，壓合接腳可由錫、鎳、其他銅錫合金所形成，諸如錫青銅(CuSn4 、CuSn6 )、矽鎳銅(CuNiSi)或具有所欲降伏強度及導電性的其他合適材料。如本文所描述的半導體封裝之實施方案的結構可減少在其他半導體封裝中看到的共面性問題。壓合接腳插入可為快速、便宜及可靠的製造製程，其允許在裝置中修復壓合接腳至多兩次。以此方式，由於壓力配合接腳可經修復，電力模組可重複使用超過任何特定壓合接腳的壽命。
在各種實施方案中，電力模組包括電性耦接至引線框架的一或多個裸晶。引線框架可包括在殼體內。舉非限制性實例而言，引線框架可由99.9%純度的銅（或高於99%的銅）製成，儘管在各種實施方案中可使用其他純度的銅（較純或較不純）或其他金屬，諸如（舉非限制性實例而言）銀、金、鋁、上述之任何組合及任何其他導電金屬。在各種實施方案中，其中引線框架包括99.9%或更高純度的銅，銅材料可能不適合作為壓合接腳使用，此係因為壓合接腳可能變形/彎曲過多以致無法成功地作用為壓合接腳。如前文所述，壓合接腳可與信號引線組及電力引線中之一者或兩者耦接。在各種實施方案中，壓合接腳可通過下述方式（舉非限制性實例而言）耦接至引線：焊接、軟焊、硬焊、雷射焊接、超音波焊接、熱焊接、雷射軟焊、雷射硬焊、超音波軟焊、超音波硬焊、或任何其他適於將引線的金屬耦接至壓合接腳並同時保存導電性的方式。在如本文所描述的半導體封裝之各種實施方案中，壓合接腳並未如其他半導體封裝般整合成引線框架的原始結構，而是在後續製程中分開地與引線耦接。舉非限制性實例而言，壓合接腳可為（舉非限制性實例而言）具有實心壓入區的實心接腳、具有彈性壓入區的順應性接腳或經設計以像壓合接腳一樣作用的任何其他類型的結構。順應性接腳經設計以在插入期間變形，且在插入至可靠的電性連接及機械連接（諸如印刷電路板）中時維持永久的接觸法向力。
在各種實施方案中，半導體封裝可包括種類廣泛的其他電子組件，舉非限制性實例而言，包括線圈、電容器、致動器、感測器、主動電子組件、被動電子組件、上述之任何組合及可適配在半導體封裝之殼體內的任何其他電力操作及/或導電結構或裝置。舉非限制性實例而言，如本文中揭示之具殼體的電力模組可為防鎖死煞車(anti-lock breaking system，ABS)模組、電子穩定控制(electronic stability control，ESC)模組、感測器模組、防盜天線、防盜模組、電力分布模組、電力轉換模組、電力調節模組及能夠放置在殼體中的任何其他離散裝置(discrete device)。在這些應用中使用壓合接腳可使應用的組裝程序更容易且更可靠。
參見第2A圖至第2E圖，繪示用於製造半導體封裝之方法的實施方案中封裝在各步驟處或各步驟後的配置。參見第2A圖，繪示出電力模組16，此電力模組16具有在此電力模組之第一側上的一組信號引線18及在此電力模組之第二側上的一組電力引線20。此方法包括修整信號引線18的長度及電力引線20的長度。舉非限制性實例而言，可使用引線切割機、切割器、鉗子(pliers)或用於修整引線的其他合適設備來修整引線。如第2B圖所示，在將複數個壓合接腳22中之壓合接腳焊接（或軟焊或硬焊）至電力模組26的信號引線的引線之每一者之後，繪示電力模組26。焊接（或軟焊或硬焊）的製程可為本文件中所揭示的任何者。在此方法的各種實施方案中，複數個壓合接腳30之壓合接腳亦可焊接至電力模組26的電力引線30之每一者。如前文所討論，焊接（或軟焊或硬焊）壓合接腳的製程取決於封裝上特定引線的位置。第2A圖至第2E圖中所繪示的製程繪示其中複數個引線18及電力引線20在相對側上的製程。在僅有引線或電力引線的實施方案中，此方法包括僅在存在的引線上焊接（或軟焊或硬焊）壓合接腳。在引線位於相鄰側或多於一側的實施方案中，焊接製程可通過多個步驟來進行，一次一側或一次多側的壓合接腳。在一些實施方案中，單一側上的壓合接腳可為非同時焊接；而是可焊接一或多個壓合接腳，其餘的壓合接腳則在一或多個額外的焊接步驟中焊接。
在各種實施方案中，此複數個壓合接腳可為經單離化的壓合接腳。在其他實施方案中，複數個壓合接腳可為框架式壓合接腳。在焊接（或軟焊或硬焊）之前，此方法可更包括將壓合接腳中之一者、所有者或任何者耦接至夾具中。在特定實施方案中，此方法可包括將此組信號引線中之單一引線之每一者的一部分耦接至夾具中。在各種實施方案中，此方法可包括將此組電力引線中之電力引線之每一者的一部分耦接至夾具中。在一些方法實施方案中，信號引線及電力引線兩者可與夾具耦接以用於焊接、軟焊或硬焊。與第5圖及第6圖中所繪示者類似的焊接支撐結構可用於各種實施方案中。
參見第2C圖及第2D圖，此方法可包括將一組信號引線32及一組電力引線34彎曲至所欲角度，此所欲角度配置以與基材（諸如印刷電路板）耦接。參見第2E圖，此方法可更包括通過壓合接腳40將半導體封裝36耦接至基材38。基材可包括由合適材料製成的印刷電路板，此等合適材料諸如阻燃劑4(fire retardant 4，FR-4)玻璃環氧樹脂、阻燃劑5(fire retardant 5，FR-5)、及雙馬來亞醯胺-三氮雜苯(Bismaleimide-Triazine，BT)樹脂或直接接合的銅(direct bonded copper，DBC)。在各種實施方案中，此方法可更包括將引線支撐件耦接至此組信號引線及此組電力引線。引線支撐件可配置以在運送期間及/或插入期間防止此組信號引線及此組電力引線之變形。
在各種實施方案中，在電力模組的一側上具有信號引線且在電力模組的相對側上具有電力引線之經模製的電力模組可被置放於定位導引夾具的X軸中。信號引線及電力引線可在置放於導引夾具中之前被修整至預定長度。一組壓合接腳亦可被置放於導引夾具中的Y軸位置中。在一些實施方案中，壓合接腳可為經單離化的壓合接腳。在其他實施方案中，壓合接腳可為框架式壓合接腳。電力模組的壓合接腳及引線可通過焊接、軟焊、或硬焊而耦接。在各種實施方案中，如第6圖所繪示，經焊接的壓合信號引線及經焊接的壓合電力引線可在將半導體封裝插入至基材（諸如印刷電路板）中的期間被置放於支撐件袋中。相較於在引線與壓合接腳之間使用卡合(click)或插入耦接機制的封裝中所見者，引線與壓合接腳的焊接/軟焊/硬焊可提供更強且更可靠的連接。然而，在一些實施方案中，可使用在引線與壓合接腳之間的卡合或插入耦接機制來耦接壓合接腳中之一者、一些者或所有者。
參見第3圖，繪示製造包括複數個經單離化的壓合接腳42之半導體封裝的方法的另一實施方案。示出具有一組信號引線46及一組電力引線48的電力模組44，其中信號引線46及電力引線48係經修整。複數個經單離化的壓合接腳42可經由在本文中揭示的各種焊接、軟焊或硬焊之方法而焊接至此組信號引線46及此組電力引線48。
參見第4圖，繪示製造包括複數個框架式壓合接腳50之半導體封裝的方法的另一實施方案。繪示具有一組信號引線54及一組電力引線56的電力模組52，其中信號引線54及電力引線56係經修整。複數個框架式壓合接腳50可通過如前文所述之焊接、軟焊或硬焊而焊接至此組信號引線54及此組電力引線54。在壓合接腳50已焊接至電力模組52的引線54及56之後，此方法更包括將壓合接腳50從框架單離化。
現在參見第5圖，繪示在焊接、軟焊或硬焊夾具60中的單個壓合接腳58。此夾具有助於在焊接製程之前及期間，將壓合接腳與對應的引線保持耦接。參見第6圖，繪示由壓合插入支撐件袋64所支撐的複數個壓合接腳62。壓合插入支撐件袋64可用以在焊接程序之前及期間，將壓合接腳62與引線66保持耦接。在其他實施方案中，支撐件袋64亦可用以在將電力模組插入至基板中的期間及/或載運送電力模組的期間，支撐在引線66與壓合接腳62之間的焊接位置。
本文所述的結構及方法可應用至使用壓合接腳連接性的多種應用，包括壓合排針(pin header)、整合的殼體或模組、或使用引線及壓合接腳之組合的任何其他半導體封裝。壓合排針具體包括具有接觸終點(terminal)的塑膠殼體的總成。如本文所述，終點可經修整，且壓合接腳焊接、軟焊、或硬焊至末端。這將允許終點及壓合接腳由不同材料製成，而不影響封裝或壓合接腳之性能。此類技術可用於家用電器、汽車工業、工業應用或需要具高可靠性連接之高性能電子器件(electronics)的其他應用中。
在如本文所揭示之各種電力模組實施方案中於電力引線及信號/信號引線兩者上使用壓合接腳，可有助於解決用於電力模組的高功率應用之焊料裂紋問題。所描述的製造半導體之方法可在目前設備上以最小的製程改變或機器修改來執行，同時維持（若並非增加的話）半導體封裝的性能。
各種封裝實施方案可包括下列之一者、所有者、或任意者：
半導體封裝是電力模組。
使用夾具而通過焊接、軟焊或硬焊中之一者將壓合接腳耦接至信號引線及電力引線。
此組信號引線係在殼體的第一側上，且此組電力引線係在殼體之與第一側相對的第二側上。
電力模組包括開關、整流器、或反相器中之一者。
複數個壓合接腳包括銅鉻銀鐵鈦矽合金。
各種方法之實施方案可包括下列之一者、所有者、或任意者：
引線框架可包括99.9%純度的銅，且壓合接腳包括銅鉻銀鐵鈦矽合金。
焊接、軟焊、及硬焊包括超音波焊接、雷射焊接、超音波軟焊、超音波硬焊、雷射軟焊或雷射硬焊中之一者。
此方法更包括將引線支撐件耦接至此組信號引線及此組電力引線且耦接至電力模組，其中引線支撐件配置以防止此組信號引線及此組電力引線之變形。
在上述描述中提及半導體封裝之特定實施方案及實施組件、子組件、方法及子方法之處，應容易明瞭，在不背離其精神之情況下，可作出諸多修改，且此等實施方案、實施組件、子組件、方法及子方法可應用於其他半導體封裝。
2、36‧‧‧半導體封裝4‧‧‧印刷電路板6、16、26、44、52‧‧‧電力模組8、18、54‧‧‧信號引線、引線10、14、22、40、58、62‧‧‧壓合接腳12、56‧‧‧電力引線、引線20、34、48‧‧‧電力引線30‧‧‧電力引線/壓合接腳32、46‧‧‧信號引線38‧‧‧基材42‧‧‧經單離化的壓合接腳50‧‧‧框架式壓合接腳、壓合接腳60‧‧‧夾具64‧‧‧支撐件袋66‧‧‧引線
下文中將結合隨附圖式描述實施方案，其中類似符號表示類似元件，且： 第1圖是與印刷電路板(PCB)耦接的半導體封裝之實施方案的側視圖； 第2A圖是具有修整引線的電力模組之俯視圖； 第2B圖是具有耦接至修整引線的壓合接腳的電力模組之俯視圖； 第2C圖是具有經彎曲的引線的電力模組之俯視圖； 第2D圖是具有經彎曲的修整引線的半導體封裝之實施方案的側視圖； 第2E圖是與印刷電路板(PCB)耦接的半導體封裝之實施方案的側視圖； 第3圖繪示將經單離化的壓合接腳耦接至電力模組的修整引線的方法之實施方案； 第4圖是將框架式壓合接腳耦接至電力模組的修整引線的方法之另一實施方案； 第5圖是耦接在焊接夾具中的壓合接腳之實施方案；及 第6圖是與壓合插入支撐件袋耦接的半導體封裝之實施方案。
2‧‧‧半導體封裝
4‧‧‧印刷電路板(PCB)
6‧‧‧電力模組
8‧‧‧信號引線、引線
10、14‧‧‧壓合接腳
12‧‧‧電力引線、引線

Claims (10)

  1. 一種半導體封裝，包括：一或多個裸晶，電性耦接至一引線框架，其中該引線框架係包括在一殼體內；一第一組引線，從該殼體延伸；一第二組引線，相對於該第一組引線從該殼體延伸；以及複數個壓合接腳，壓合接腳之每一者以直線方位焊接、軟焊或硬焊至該第一組引線及該第二組引線；其中該等壓合接腳配置以與一電路板耦接。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之半導體封裝，其中該引線框架包括99.9%純度的一銅。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之半導體封裝，其中該等壓合接腳包括一銅鉻銀鐵鈦矽合金。
  4. 一種半導體封裝，包括：一電力模組，包括：一第一組引線，耦接至該電力模組；一第二組引線，其在該電力模組之相對於該第一組引線的一側上耦接至該電力模組；以及一壓合接腳，以直線方位焊接、軟焊或硬焊中之一者至該第一組引線之每一者及該第二組引線之每一者；其中該壓合接腳配置以與一電路板耦接。
  5. 如申請專利範圍第4項所述之半導體封裝，其中該電力模組更包括一引線框架，該引線框架包括該第一組引線及該第二組引線。
  6. 如申請專利範圍第5項所述之半導體封裝，其中該引線框架包括99.9%純度的一銅。
  7. 一種用於製造半導體封裝之方法，包括：提供一電力模組，該電力模組包括在一第一側上的一第一組引線及在一第二側上的一第二組引線；修整該第一組引線的一長度及該第二組引線的一長度；將複數個壓合接腳中之一壓合接腳焊接、軟焊或硬焊中之一者至該第一組引線之每一者及該第二組引線之每一者；以及將該第一組引線及該第二組引線彎曲至一所欲角度，該所欲角度配置以與一基材耦接。
  8. 如申請專利範圍第7項所述之方法，其中該等壓合接腳是經單離化(singulated)的壓合接腳或框架式(framed)壓合接腳。
  9. 如申請專利範圍第7項所述之方法，更包括在焊接、軟焊或硬焊中之一者之前：將該等壓合接腳之每一者耦接至一夾具中；以及將該第一組引線中之引線之每一者的一部分耦接至該夾具中；將該第二組引線中之引線之每一者的一部分耦接至該夾具中。
  10. 如申請專利範圍第7項所述之方法，更包括在焊接、軟焊或硬焊中之一者之後，將該等壓合接腳從一框架單離化。
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