具有带导热粘合剂层的基板的封装电子装置的制作方法

具有带导热粘合剂层的基板的封装电子装置
1.相关申请的交叉引用
2.本技术要求于2021年1月27日提交的美国申请no.17/159,925的优先权，其全部内容通过引用并入本文。
技术领域
3.本发明涉及封装电子装置，更具体地，涉及用于将这种装置中的功率半导体管芯与装置封装的主要热界面隔离的技术


背景技术：

4.功率半导体装置是指包括一个或多个这样的半导体管芯的装置，所述半导体管芯被设计成承载大电流(例如，数十或数百安培)和/或能够阻挡高电压(例如，数百、数千或数万伏特)。功率半导体管芯通常由宽带隙半导体材料制成，例如基于碳化硅(“sic”)或氮化镓(“gan”)的半导体材料。功率半导体管芯通常被封装以提供封装电子装置。在本领域中已知各种各样的封装电子装置，包括金属氧化物半导体场效应晶体管(“mosfet”)、金属绝缘体半导体场效应晶体管(“misfet”)、绝缘栅双极结型晶体管(“igbt”)、肖特基二极管等。
5.功率mosfet是一种广泛使用的封装电子装置。功率mosfet是三端子装置，其具有栅极、漏极和源极端子以及通常被称为半导体主体的半导体层结构。在半导体主体中形成由沟道区隔开的源极区和漏极区，并且与沟道区相邻地布置栅电极(其可以用作栅极端子或者电连接到栅极端子)。mosfet可以通过向栅电极施加偏置电压而导通(以传导电流通过源极区和漏极区之间的沟道区)，并且可以通过去除偏置电压(或者将偏置电压降低到阈值电平以下)而关断(以阻挡电流流过沟道区)。
6.分立的和多芯片的功率封装电子装置都是商业上可获得的。分立功率封装电子装置是指包括单个功率半导体管芯的封装功率半导体模块，例如封装mosfet、肖特基二极管、igbt等。多芯片功率封装电子装置是指包括两个或更多个功率半导体管芯的功率半导体模块，所述功率半导体管芯被设置(并且通常被互连)在公共封装内。分立的功率封装电子装置包括功率电子工业的一大部分，因为它们可以以非常低的成本实现并且可以容易组合以形成更复杂的电路。
7.功率封装电子装置通常在装置工作期间由于施加到这些装置的大电压和/或流过半导体管芯、接合线和引线的大电流而产生大量的热。为了防止这种热量损坏装置，半导体管芯通常被附接到到金属底座，该金属底座充当用于从封装排出热量的散热器(heat sink)。例如，通常用铝块作底座，并且这些铝块的上侧可以镀有诸如镍或银的金属，其允许分立半导体装置附接到底座。


技术实现要素：

8.根据本发明的一些实施例，提供了封装电子装置，其包括：功率半导体管芯，其包括第一端子和第二端子；引线框，包括下侧和上侧，上侧包括管芯焊盘区域；第一引线和第
二引线；电介质基板；以及在电介质基板的上侧上的导热粘附层。功率半导体管芯在引线框的管芯焊盘区域上，并且引线框在导热粘附层的上侧上。
9.在一些实施例中，第一引线可以与引线框是一体的并且通过引线框电连接到功率半导体管芯的第一端子。在一些实施方案中，电介质基板可以包括陶瓷基板，并且导热粘附层包括金属钎焊层。金属钎焊层可以例如直接附接到陶瓷基板和引线框的下侧。
10.在一些实施例中，第二引线可以不电连接到管芯焊盘区域，并可以电连接到功率半导体管芯的第二端子。例如，第二引线可以经由接合线电连接到功率半导体管芯的第二端子。
11.在一些实施例中，封装电子装置还可以包括包覆成型封装件，其包封功率半导体管芯的上侧和侧表面和/或电介质基板的下侧上的下金属包覆层。在一些实施例中，引线框和下金属包覆层可以由相同的金属形成。该金属钎焊层可以是第一金属钎焊层，并且第二金属钎焊层可以被设置在该下金属包覆层的上侧与该电介质基板的下侧之间。
12.在一些实施例中，第一引线和管芯焊盘区域可以是单片引线框结构的一部分。
13.在一些实施方案中，封装电子装置可进一步包括在金属钎焊层的上侧上的上金属包覆层和插入在上金属包覆层与引线框之间的基板附接金属层。
14.根据本发明的其它实施例，提供了封装电子装置，其包括：电介质基板；在电介质基板的下侧上的第一金属包覆层；引线框，具有包括管芯焊盘区域的上侧和在电介质基板的上侧上的下侧；以及在引线框的管芯焊盘区域上的功率半导体管芯。
15.在一些实施例中，封装电子装置还可以包括包覆成型包封物，其包封功率半导体管芯的上侧和侧表面以及电介质基板的至少上侧；在第一金属包覆层与陶瓷基板之间的第一金属钎焊层；和/或在陶瓷基板上侧上的第二金属钎焊层。在一些实施例中，第二金属包覆层可以被设置在第二金属钎焊层的上侧上，并且引线框通过基板附接金属层被安装在第二金属包覆层的上侧上。在一些实施方案中，第二金属钎焊层可以直接附接到陶瓷基板的上侧和引线框的下侧两者。
16.在一些实施例中，电介质基板可以是陶瓷基板。在一些实施例中，引线框可以进一步包括与管芯焊盘区域成一体并电连接到管芯焊盘区域的第一引线。在一些实施例中，封装电子装置还可以包括经由接合线电连接到功率半导体管芯的端子的第二引线。
17.根据本发明的又一些实施例，提供了封装电子装置，其包括：电介质基板；电介质基板的下侧上的第一金属包覆层；安装在电介质基板的上侧上的功率半导体管芯；包覆成型包封物，包覆成型包封物包围功率半导体管芯的上侧和侧表面，并且至少部分地包围电介质基板的侧壁，同时暴露第一金属包覆层的至少一部分；以及第一引线和第二引线，第一引线和第二引线各自延伸穿过包覆成型包封物并且电连接到功率半导体管芯。功率半导体管芯与第一金属包覆层电隔离。
18.在一些实施方案中，功率基板可以是陶瓷基板，并且第一金属钎焊层可以在陶瓷基板的上侧上。
19.在一些实施例中，封装电子装置还包括引线框，该引线框包括具有管芯焊盘区域的上侧。引线框的下侧可以安装在第一金属钎焊层的上侧上，并且功率半导体管芯可以安装在管芯焊盘区域上。在一些实施方案中，第一金属钎焊层可以直接附接到陶瓷基板和引线框的下侧。
20.在一些实施例中，第一引线可以与引线框成一体并且可以电连接到功率半导体管芯的第一端子。
21.在一些实施例中，第二引线可以不电连接到管芯焊盘区域，而是可以经由接合线电连接到功率半导体管芯的第二端子。
22.在一些实施方案中，第一金属包覆层经由第二金属钎焊层安装在陶瓷基板的下侧上。
23.在一些实施方案中，所述装置可以进一步包括在所述第一金属钎焊层的上侧上的上金属包覆层和插入所述上金属包覆层与所述引线框之间的基板附接金属层。
附图说明
24.图1是常规的封装分立电子装置的示意性截面图。
25.图2是另一常规的封装电子装置的示意性截面图。
26.图3是根据本发明实施例的封装电子装置的示意性截面图。
27.图4是在施加包覆成型包封之前的图3的封装电子装置的示意性透视图。
28.图5是根据本发明的另外的实施例的封装电子装置的示意性截面图。
29.图6是在施加包覆成型包封之前的图5的封装电子装置的示意性透视图。
30.图7是图3-4的封装电子装置的修改版本的示意性截面图。
31.图8是图5-6的封装电子装置的修改版本的示意性截面图。
32.图9是图3-4的封装半导体装置的另一修改版本的示意性截面图。
33.图10是图5-6的封装电子装置的另一修改版本的示意性截面图。
34.图11是通过直接接合(direct bonding)形成的图3-4的封装电子装置的另一修改版本的示意性截面图。
35.图12是通过直接接合形成的图5-6的封装电子装置的另一修改版本的示意性截面图。
36.注意，当在图中示出多个相似元件时，它们可以使用两部分参考标号来标识。这些元件在这里可以单独地由它们的全部附图标记(例如，端子12-1)表示，并且可以共同地由它们的附图标记的第一部分(例如，端子12)表示。
具体实施方式
37.封装的分立电子装置通常安装在较大电子系统的印刷电路板上。在此，这些印刷电路板可以被称为客户主板。封装的分立电子装置通常安装在客户主板上的散热器上，使得通过封装的分立电子装置的主要热界面排出的热也可以排出客户主板。封装电子装置的主要热界面是指用于从封装电子装置内散热的主要路径。通常，用户主板上的散热器被实现为金属(例如，铜或铝)垫盘或块。客户主板上的散热器通常是电活性的(即，具有非零电压)。
38.大多数常规封装的分立电子装置不将功率半导体管芯与封装的主要热界面电隔离。相反，将导热但电绝缘的材料(例如薄电介质层(例如，硅树脂层))插入封装的分立电子装置和客户主板上的散热器之间。该薄电介质层在此可以被称为“热垫”，该热垫将封装(并因此，功率半导体管芯)和用户主板之间的主要热界面与用户主板上的电子电路电隔离。使
用这种热垫将封装半导体装置与客户主板电隔离对于在较低电压(例如，数十伏)和电流水平下操作的封装电子装置是可接受的和方便的。然而，随着被设计成阻挡数千或数万伏的电子装置被引入，热垫上的电容耦合可能足够强到负面地影响封装的分立电子装置的性能，和/或可能使热垫的材料劣化，这可能导致主要热界面和客户主板上的金属垫盘之间的短路。这种短路通常将使得封装的分立电子装置不能工作，并且还可能损坏或甚至毁坏装置。
39.根据本发明的实施例，提供了封装电子装置，每个封装电子装置包括与装置的主热界面电隔离的功率半导体管芯。与常规解决方案相比，本文所公开的封装电子装置可表现出改善的可靠性和/或载流容量(额定值)，并且可以以很少的附加成本或无附加成本，并且在用于大规模生产制造环境时可能以更低的成本来表现出改善的可靠性和/或载流容量。
40.根据本发明的一些实施例，提供了包括电介质(例如陶瓷)基板的封装电子装置，该基板在其上侧具有金属钎焊层。该金属钎焊层可以直接附接到包括集成引线的引线框的主体。电介质基板良好地导热，并且可以提供优良的电压隔离(其能够隔离数万伏)。此外，其上具有钎焊金属层的电介质基板可表现出优异的热机械可靠性。
41.在一些实施例中，提供了一种封装电子装置，其包括在其上侧具有管芯焊盘区域的引线框，以及具有安装在引线框的管芯焊盘区域上的至少第一端子和第二端子的功率半导体管芯。这里，功率半导体管芯的“端子”是指管芯上的导电(例如，金属)结构，通过该结构，电信号可以被输入到管芯和/或从管芯输出。端子可以包括例如导电焊盘、块、触点等。该装置还包括多个引线，其中这些引线中的第一引线与引线框集成是一体的，并通过引线框电连接到功率半导体管芯的第一端子。该装置还包括电介质基板，该电介质基板具有在电介质基板的上侧上的导热粘附层，例如金属钎焊层。引线框安装在金属钎焊层的上侧上。
42.在其他实施例中，提供了封装电子装置，其包括：电介质基板；在电介质基板的下侧上的第一金属包覆层；具有包括管芯焊盘区域的上侧和安装在电介质基板的上侧上的下侧的引线框；以及安装在引线框的管芯焊盘区域上的功率半导体管芯。
43.在其他实施例中，提供了封装电子装置，其包括：在其下侧上具有第一金属包覆层的电介质基板；安装在功率基板上的功率半导体管芯；包覆成型包封物，包围功率半导体管芯的上表面和侧表面，并且至少部分地包围电介质基板的侧壁，同时暴露第一金属包覆层的至少一部分；以及多个引线，延伸穿过包覆成型包封物并电连接到功率半导体管芯。在这些装置中，功率半导体管芯与第一金属包覆层电隔离。
44.在所有上述实施例中，电介质基板可以是陶瓷基板。在一些实施方案中，金属钎焊层可以直接附接到陶瓷基板的上侧和引线框的下侧两者。所述装置可以包括作为单片引线框结构的一部分的集成引线，以及不附接到引线框或电连接到引线框的管芯焊盘区域的浮动引线(尽管它们可以通过功率半导体管芯连接到引线框)。这些浮动引线可以直接连接到功率半导体管芯的端子，或者可以通过接合线连接到功率半导体管芯的端子。包覆成型封装件可以包封功率半导体管芯的上侧和侧表面以及电介质基板的上侧及侧表面的至少一部分。
45.在一些实施方案中，电介质基板可进一步包括在金属钎焊层的上侧上的上金属包覆层和插入在上金属包覆层与引线框之间的基板附接金属层。
46.现在将参照附图更详细地讨论本发明的实施例。应当理解，本文公开的不同实施例的特征可以以任何方式组合以提供许多附加实施例。因此，将理解，下面关于具体示例描述本发明的各种特征，但是这些特征可以被添加到其它实施例和/或代替其它实施例的示例特征使用，以提供许多附加实施例。因此，本发明应当被理解为包括这些不同的组合。另外，虽然示例实施例关注于mosfet实现方式，但是应当理解，相同的技术可以用于其他封装电子装置，诸如绝缘栅双极晶体管(igbt)、肖特基二极管、栅控晶闸管等。
47.图1是常规的、现有技术的封装的分立电子装置1的示意性截面图。如图1所示，封装装置1包括功率半导体管芯10、引线框30形式的具有一个或多个集成引线34的底座、一个或多个浮动引线36、以及包覆成型包封物50。引线框30、引线34、36和包覆成型包封物50一起形成用于功率半导体管芯10的封装件20。引线框30包括管芯附接区32和一个或多个集成引线34。浮动引线36最初可以与引线框30集成，但是在制造过程中可以与引线框30分离，并且可以由包覆成型包封物50保持在适当位置。功率半导体管芯10使用管芯附接材料14附接(例如，焊接)到引线框30的上侧上的管芯附接区32。功率半导体管芯10可以包括多个端子12。例如，功率mosfet可以包括栅极端子、源极端子和漏极端子。这些端子12通常位于功率半导体管芯10的上侧和/或下侧上，并且可以包括例如暴露的金属焊盘。端子12(例如，功率mosfet的源极端子)设置在功率半导体管芯10的下侧上，并通过管芯附接材料14和引线框30电连接到集成引线34。一个或多个接合线16将功率半导体管芯10上侧上的端子12连接到浮动引线36。每个端子12可连接到单个浮动引线36或多个浮动引线36。绝缘包封剂50可包括包覆成型包封物，其形成为覆盖功率半导体管芯10的上侧和侧表面以及引线框30的至少一部分。
48.封装的分立电子装置1通常安装在客户主板上。如上所述，封装的分立电子装置1通常将安装在客户主板上的金属焊盘上，并且诸如硅树脂层的热垫将插入客户主板上的金属焊盘与引线框30的下侧之间，以便将功率半导体管芯10与客户主板电隔离。引线34、36可以连接到用户主板上的其它焊盘或管芯等。
49.图2是传统封装的分立电子装置2的示意性截面图。传统封装的分立电子装置2包括功率半导体管芯10、功率基板40形式的底座、以及包覆成型包封物50。如本文所使用的，术语“功率基板”是指在其两侧上具有金属包覆层的电介质基板。引线36、功率基板40和包覆成型包封物50一起形成用于功率半导体管芯10的封装20。引线36包括可以通过包覆成型包封物50保持在适当位置的浮动引线。
50.功率基板40包括陶瓷基板42。在陶瓷基板42的下侧上形成下部金属包覆层46-1，并在陶瓷基板42的上侧上形成上部金属包覆层46-2。有两种主要类型的电源基板。第一种类型被称为活性金属钎焊(“amb”)功率基板，其包括第一和第二金属钎焊层44-1、44-2，它们分别用于将第一和第二金属包层46-1、46-2接合到陶瓷基板42。焊接(soldering)不能用于将金属接合到电介质表面，但是钎焊(brazing)可以。金属钎焊材料与焊料具有一些相似性，但是接合过程在较高温度下进行，并且最典型地在真空中进行。与传统的焊料连接相比，所得到的接合在可靠性上非常高。第二种类型的功率基板被称为直接接合基板(或者，更典型地，直接接合铜或“dbc”功率基板，因为金属包覆层46-1、46-2典型地是铜层)。dbc功率基板通过将金属包覆层46-1、46-2直接压在电介质基板42上同时在受控气氛中进行热处理而形成。dbc功率基板不如amb功率基板可靠。
51.功率半导体管芯10使用管芯附接材料14接合(例如，焊接)到第二金属包层46-2的上侧。功率半导体管芯10的第一端子12位于其顶侧上，并经由第一接合线16电连接到第一浮动引线36-1。功率半导体管芯10的第二端子12设置在其下侧上，并通过管芯附接材料14和上金属包层46-2电连接到第二浮动引线36-2。注意，多个接合线36可以附接在端子12和/或上金属包层46-2与相应的浮动引线36-1、36-2之间。同样，可以提供多个浮动引线36-1和/或36-2，其每个都分别通过接合线16连接到端子12或上金属包层46-2。包覆成型包封物50覆盖功率半导体管芯10的上侧和侧表面以及功率基板40的大部分。功率基板40用作主要热界面，用于从装置封装20耗散功率半导体管芯10中产生的热量。作为该主要热界面的一部分的陶瓷基板42将功率半导体管芯10与封装电子装置2可以安装在其上的客户主板(未示出)电隔离。
52.图3是根据本发明实施例的封装电子装置100的示意性截面图。图4是在施加绝缘包封物之前的图3的封装电子装置100的示意性透视图。参考图3和4，封装电子装置100包括功率半导体管芯110、具有集成引线134的引线框130形式的底座、浮动引线136、功率基板140和绝缘包封剂150。引线框130、引线134、136、功率基板140和绝缘包封剂150一起形成用于功率半导体管芯110的封装120。引线框130包括管芯附接区132和一个或多个集成引线134。浮动引线136最初可与引线框130成一体，但可在制造工艺期间与引线框130分离并可通过绝缘包封剂150保持在适当位置。功率半导体管芯110使用管芯附接材料114接合(例如，焊接)到引线框130的上侧上的管芯附接区132。
53.功率半导体管芯110可以是被设计成阻挡高电压电平(例如，几百伏或更高)和/或承载大电流的半导体装置。功率半导体管芯110可以使用宽带隙半导体材料形成，例如碳化硅和/或氮化镓基和/或氮化铝基半导体系统(例如gan、algan、ingan、aln等)。可以使用其它宽带隙材料，例如在其它iii-v族半导体系统或ii-vi族半导体系统中形成的装置。功率半导体管芯110可以包括例如mosfet、misfet、igbt、肖特基二极管、栅控晶闸管等。功率半导体管芯110可以具有垂直结构，其中管芯的上侧包括至少一个端子，并且管芯的下侧也包括至少一个端子。例如，该装置可以包括具有垂直延伸的漂移区的垂直mosfet，在导通状态操作期间电流流过该漂移区。
54.功率半导体管芯110包括多个端子112。例如，如果功率半导体管芯110是功率mosfet，则功率半导体管芯可以包括三个端子112。这些端子112通常位于功率半导体管芯110的上侧和/或下侧上，并且可以包括例如暴露的金属焊盘。在图3-4的实施例中，装置包括三个端子112，即位于功率半导体管芯110的上侧上的栅极和漏极端子112-1、112-2和位于功率半导体管芯110的下侧上的源极端子112-3(漏极端子112-2在图3中不可见)。一个或多个接合线116将功率半导体管芯110的上侧上的端子112-1、112-2连接到相应的浮动引线136-1、136-2。注意，可提供多个浮动引线136-1和/或136-2，且接合线116可分别在多个浮动引线136-1或136-2与相应的112-1或112-2之间延伸。源极端子112-3通过管芯附接材料114和引线框130电连接到集成引线134。绝缘包封剂150可以包括包覆成型包封剂，其被形成为覆盖功率半导体管芯110和引线框130的上侧和侧表面以及功率基板140的至少一部分。然而，应当理解，本发明的实施例不限于此。例如，在其他实施例中，绝缘包封物可以包括硅树脂凝胶或另一化合物。绝缘包封物150可以将浮动引线136保持在它们的适当位置。
55.功率基板140包括电介质基板142、第一和第二金属钎焊层144-1、144-2以及下和
上金属包覆层146-1、146-2。电介质基板142可以包括任何绝缘基板。在一些实施例中，电介质基板142可以包括陶瓷基板。在示例实施例中，电介质基板142可由氧化铝(矾土)、氮化铝或氮化硅形成。可基于封装电子装置100的电压阻断能力(以确保充分的电隔离)和材料成本考虑来选择电介质基板142的厚度。例如，假设电介质基板142由氧化铝形成，对于具有800伏的额定阻断电压的封装电子装置100，厚度可以在0.2mm的范围内，而对于具有10,000伏的额定阻断电压的封装电子装置100，厚度可以在0.5-1.0mm的范围内。
56.第一金属硬焊层144-1形成在电介质基板142的下侧上，并且用于将下金属包覆层146-1接合到电介质基板142。类似地，第二金属硬焊层144-2形成在电介质基板142的上侧上，并且用于将上金属包覆层146-2接合到电介质基板142。第一和第二金属钎焊层144-1、144-2可以包括例如金属合金，所述金属合金包括两种或更多种金属，例如铜、银、镍、金等。第一和第二金属钎焊层144-1、144-2可以是薄层(例如，它们可以具有在1-10微米之间的厚度)。第一和第二金属包层146-1、146-2可以包括电镀金属层，该电镀金属层包括诸如铜或铝(或其它适当的金属)的金属。第一和第二金属包层146-1、146-2可以比电介质基板142厚或薄，因为电介质基板142的厚度通常将基于装置的额定电压而变化(因为额定电压越高，电介质基板142需要越厚以实现给定水平的电隔离)。在一些实施例中，引线框130和金属包覆层146可以由相同的金属或金属合金形成，但是本发明的实施例不限于此。通过在陶瓷基板142上沉积相应的金属钎焊层144，然后在金属钎焊层144上沉积金属包覆层，并在例如500-1000
°
℃的高温下固化功率基板140合适的时间，可以将每个金属包覆层146接合到陶瓷基板142。
57.引线框130的下侧经由基板附接材料160接合(例如，焊接)到功率基板140的上侧。基板附接材料160可包括例如焊料和烧结材料。上金属包层146-2促进经由基板附接材料160将功率基板140接合到引线框130。上金属包层146-2的厚度可以基于装置的额定电流而变化。下金属包覆层146-1促进将功率基板140接合到客户主板(未示出)上的金属焊盘。
58.功率基板140用作高导热路径，其充当用于从封装电子装置100耗散功率半导体管芯110中产生的热量的主要热界面。通常为陶瓷基板的电介质基板142将功率半导体管芯110与封装电子装置100可安装在其上的客户主板(未示出)电隔离。因此，封装电子装置100提供了图1的常规封装电子装置1所不能提供的电隔离，并且可以在不需要任何诸如硅树脂垫盘的热垫的情况下接合到客户主板。由于引线框130与客户主板电隔离，所以封装电子装置100可以包括集成引线134。如上所述，在图1的常规封装电子装置1是高功率装置的情况下，不能使用集成引线，因为用户主板上的热垫通常不提供足够的电隔离。集成引线134的提供避免了如在图2的常规封装电子装置2中所要求的那样，需要使用接合线连接116将功率半导体管芯110的下侧上的端子电连接到装置的引线，此外，消除集成引线134通常将需要对现有生产线进行改进调整，这可能是成本过高的。
59.图5是根据本发明的另外的实施例的封装电子装置200的示意性截面图。图6是在施加包覆模制包封物之前的图5的封装电子装置200的示意性透视图。
60.参考图5和6，可以看出，封装电子装置200类似于上面参考图3和4讨论的封装分立电子装置100。因此，封装电子装置200的与封装电子装置100的对应元件相同或基本相同的元件使用与图3-4中使用的相同的参考标号来标记，并且因此将一般地省略对这些类似元件的进一步描述。
61.如可以看到的，封装电子装置200和封装电子装置100之间的主要差别在于：(1)封装电子装置200的功率基板240在封装电子装置200中被不包括上金属包覆层的基板结构240代替(即，封装电子装置100的上金属包覆层146-2被省略)，以及(2)封装电子装置200不包括基板附接材料160。因此，在封装电子装置200中，引线框130通过第二金属硬钎焊层144-2接合到基板结构240。由于省略了上部金属包层146-2和基板附接材料160，这种布置减少了主要热路径中的层数。因此，可以减小封装电子装置200与客户板上的散热器之间的散热路径的热阻，从而导致增加的热传递。这可以允许装置处理更高的电流水平和/或提高装置可靠性。另外，省略这两层降低了材料成本，并潜在地简化了装置制造。
62.封装电子装置200还可以具有优于上述封装电子装置100的若干附加优点。
63.首先，使用基板附接材料粘附到底座的封装电子装置(例如封装电子装置100)中的一个潜在故障点是基板附接材料可能不能在底座和引线框之间形成强接合。陶瓷基板142和在封装电子装置200中提供的引线框130之间的钎焊连接可以是更可靠的连接，并因此封装电子装置200可以不易失效。
64.其次，可能重要的是，引线框130安装在基板结构(这里，基板结构240)上而不倾斜(即，由基板结构240和引线框130的附接表面限定的平面应当彼此平行)。实际上，当使用基板附接材料160将引线框130安装到功率基板140时可能难以确保是这样的情况，并因此必须仔细地控制基板附接材料160的厚度，并且可能需要采取其他步骤以确保功率基板140和引线框130的配合表面之间的距离保持高度均匀。当基板结构240被钎焊到引线框130时，基板结构240和引线框130之间的距离可以保持均匀，从而消除了对在使用基板附接材料160将功率基板140和引线框130接合在一起时所需的特殊工艺步骤的需要。
65.第三，在形成图3-4的封装电子装置100中使用的基板附接工艺步骤包括回流步骤，其中装置100被加热以便熔化基板附接材料160以将引线框130接合到功率基板140。此步骤在封装电子装置200的制造中不是必需的，且因此可促进大规模生产制造中的较快的生产周期(cycle time)。此外，在制造功率半导体200时，可以仅存在一个焊接步骤，即用来将功率半导体管芯110安装到引线框130的管芯附接步骤，因为省略了包括在封装电子装置100的制造工艺中的基板附接步骤。在制造封装电子装置100时，可能需要使用具有高熔点的管芯附接材料114，以确保管芯附接材料114在后续的基板附接焊接步骤期间不会回流(基板附接材料可被选择为具有较低的熔点)。由于在制造封装电子装置200时可以省略基板附接焊接步骤，所以可以使用管芯附接材料114的更宽选择，这可以允许使用降低成本和/或呈现改进的可靠性的材料。
66.图7是封装电子装置100a的示意性截面图，其是图3-4的封装电子装置100的修改版本。通过比较图3和图7可以看出，封装电子装置100a与封装半导体装置100相同，除了在封装半导体装置100a中省略了接合线116，因为浮动引线136直接接合到功率半导体管芯110上侧的端子112。在封装电子装置100a中，栅极和漏极端子112-1、112-2位于半导体管芯110的上表面的相对侧上，并且浮置引线136-1、136-2同样位于装置100a的相对侧上。在其它实施例中，所有三个引线134、136-1、136-2可从装置的同一侧延伸。
67.图8是封装电子装置200a的示意性截面图，其是图5-6的封装电子装置200的修改版本。封装电子装置200a是封装电子装置200的修改版本，其包括封装电子装置100a与封装电子装置100相比所包括的相同修改。特别地，封装电子装置200a省略了接合线116，而是具
有直接接合到功率半导体管芯110的上侧上的端子112-1、112-2的浮动引线136。
68.图9是作为图3-4的封装电子装置100的另一修改版本的封装电子装置100b的示意性截面图。如通过比较图3和9可以看出的，除了封装电子装置100b不是“分立”装置并且替代地包括两个功率半导体管芯110-1、110-2之外，封装电子装置100b与封装电子装置100相同。在一个示例实施例中，这两个功率半导体管芯110-1、110-2可以是并联电连接的功率mosfet。如图所示，一对浮动栅极引线136-1、136-2通过接合线116电连接到功率半导体管芯110的栅极端子112-1(在其它实施例中，可以提供单个浮动栅极引线136)。每一管芯110的漏极端子(在图9中不可见)可连接到一个或多个浮动漏极引线136(在图9中也不可见)。每个功率半导体管芯110的源极端子112-3可以在相应的功率半导体管芯110的底侧上，并且可以通过引线框130连接到一个或多个集成引线134。
69.图10是封装电子装置200b的示意性截面图，其是图5-6的封装电子装置200的另一修改版本。封装电子装置200b是封装电子装置100b的对应例，在于与单个功率半导体管芯相对它包括两个功率半导体管芯110。
70.应当理解，当多个功率半导体管芯110被包括在根据本发明的实施例的封装电子装置中时，半导体管芯110可以相同或不同，并且可以以各种方式彼此电连接以及电连接到封装的引线134、136。因此，在示例实施例中，可以提供串联或并联连接的多个功率mosfet，可以提供串联或并联连接的多个功率肖特基二极管，可以串联或并联连接一个或多个功率mosfet和一个或多个功率肖特基二极管，等等。
71.在主要散热路径中提供电介质基板142的一个潜在问题是，电介质基板142与主要散热路径中的金属层相比通常具有不同的热膨胀系数。当封装电子装置在正常操作期间加热和冷却(热循环)时，这可能在材料堆叠内产生应力和应变，并且可能弱化主要散热路径的不同层之间的接合。这可能降低装置的性能，或者甚至损坏和毁坏装置。因此，可以选择形成在电介质基板142的任一侧上的金属层的厚度，使得电介质基板142之上和之下的金属层将以相似的速率膨胀/收缩。这可以提高装置的可靠性。在另一应用中，可选择形成于电介质基板142的任一侧上的金属层146的厚度，以在封装的暴露的背侧上提供期望的平坦或凸的曲率。与凹形背表面相比，平坦或凸形的装表面的存在使得在安装到散热器时能够更有效和可靠地散热。
72.虽然本发明的实施例已经在上面被描述为包括具有金属钎焊层的电介质基板，但是将理解的是，本发明的实施例不限于此。例如，在其他实施例中，一个或多个金属钎焊层可以用导热粘合剂代替。与钎焊界面相比，这些实施例可具有降低的热机械可靠性，但对于具有降低的温度循环(例如，较低功率装置、在气候受控环境中使用的装置)和低振动(例如，许多非汽车应用)的应用可能是足够的。
73.功率半导体管芯已经被附接到诸如功率基板的底座。然而，这些已知的装置不包括具有连接到功率半导体管芯的端子的一体引线的引线框。
74.根据本发明的进一步实施例，提供了封装电子装置，其包括安装在引线框上的一个或多个功率半导体管芯，该引线框使用导热粘合剂附接到电介质基板。图11和12分别示出了具有这种结构的图3-4和5-6的封装电子装置的修改版本。如图11所示，封装电子装置100c与封装半导体装置100相同，除了基板附接材料层160被导热粘合剂浆料162(例如，陶瓷填充的或金属加载的粘合剂浆料)代替，使得引线框130通过直接接合操作附接到功率基
板140。图12是作为图5-6的封装电子装置200的修改版本的封装电子装置200c的示意性截面图。封装电子装置200c是图11的封装电子装置100c的对应物，因为第二金属钎焊层144-2被导热粘合剂膏162代替。这种粘合剂浆料的示例可以是图12的实施例中的陶瓷填充或金属加载的粘合剂浆料162，使得电介质基板142可以附接到引线框130。
75.如上所述，根据本发明的实施例，可以使用(1)金属钎焊层或(2)陶瓷或金属填充的粘合剂膏将引线框接合到下面的电介质基板。在此，术语导热粘附层是指引线框和下面的底座之间的导热接合层，并且包括金属钎焊层和陶瓷或金属填充的粘合剂浆料。
76.尽管上面已经参考包括功率半导体管芯的封装电子装置讨论了本发明的实施例，但是将理解，本发明的实施例不限于此。例如，本文公开的所有实施例可以包括一个或多个射频(“rf”)半导体管芯来代替功率半导体管芯。例如，包括在封装电子装置中的半导体管芯可以包括被设计为放大rf信号的高电子迁移率晶体管(“hemt”)放大器。
77.以上已经参考附图描述了本发明的实施例，在附图中示出了本发明的实施例。然而，应当理解，本发明可以以许多不同的形式实施，并且不应当被解释为限于上面阐述的实施例。相反，提供这些实施例是为了使本公开透彻和完整，并且将向本领域技术人员充分传达本发明的范围。在本文中相同的数字表示相同的元件。
78.应当理解，尽管在整个说明书中使用术语第一、第二等来描述各种元件，但是这些元件不应当被这些术语限制。这些术语仅用于将一个元件与另一个元件区分。例如，第一元件可以被称为第二元件，并且类似地，第二元件可以被称为第一元件，而不脱离本发明的范围。术语“和/或”包括相关的所列项中一个或多个的任何和所有组合。
79.本文所用的术语仅是为了描述特定实施例的目的，而不是要限制本发明。如本文所用，单数形式“一”和“该”旨在也包括复数形式，除非上下文另有明确相反指示。还将理解，术语“包括”、“包含”和/或“含有”当在本文中使用时指定所陈述的特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件的存在，但不排除一个或多个其它特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或其群组的存在或添加。
80.应当理解，当诸如层、区域或基板的元件被称为在另一元件“上”或延伸到另一元件“上”时，其可以直接在另一元件上或直接延伸到另一元件上，或者也可以存在中间元件。相反，当元件被称为“直接在另一元件上”或“直接延伸到”另一元件上时，则不存在中间元件。还将理解，当元件被称为“附接”、“连接”或“耦合”到另一元件时，其可以直接附接、直接连接或直接耦合到另一元件，或者也可以存在中间元件。相反，当元件被称为“直接附接”、“直接连接”或“直接耦合”到另一元件时，则不存在中间元件。
81.相对术语(例如“下方”或“上方”或“上”或“下”或“顶”或“底”)可在本文中用于描述一个元件、层或区域与另一元件、层或区域的关系，如图中所示。应当理解，这些术语旨在包括除了图中所示的取向之外的装置的不同取向。
82.在此参考作为本发明的理想化实施例(和中间结构)的示意图的截面图描述本发明的实施例。为了清楚起见，附图中的层和区域的厚度可能被放大。另外，例如由于制造技术和/或公差而导致的图示形状的偏差是可以预期的。
83.在附图和说明书中，已经公开了本发明的典型实施例，并且尽管采用了特定术语，但是它们仅以一般和描述性意义使用，而不是为了限制的目的，本发明的范围在所附权利要求中阐述。

技术特征：
1.一种封装电子装置，包括：功率半导体管芯，其包括第一端子和第二端子；引线框，包括下侧和上侧，所述上侧包括管芯焊盘区域；第一引线和第二引线；电介质基板；以及在所述电介质基板的上侧上的导热粘附层，其中所述功率半导体管芯在所述引线框的所述管芯焊盘区域上，并且所述引线框在所述导热粘附层的上侧上。2.根据权利要求1所述的封装电子装置，其中，所述第一引线与所述引线框是一体的，并且通过所述引线框电连接至所述功率半导体管芯的所述第一端子。3.根据权利要求2所述的封装电子装置，其中，所述电介质基板包括陶瓷基板，并且所述导热粘附层包括金属钎焊层。4.根据权利要求3所述的封装电子装置，其中，所述金属钎焊层直接附接到所述陶瓷基板和所述引线框的下侧。5.根据权利要求1-4中任一项所述的封装电子装置，其中，所述第二引线不与所述管芯焊盘区域电连接，并且电连接至所述功率半导体管芯的第二端子。6.根据权利要求1-4中任一项所述的封装电子装置，其中，所述第二引线经由接合线电连接到所述功率半导体管芯的第二端子。7.如权利要求1-6中任一项所述的封装电子装置，还包括包覆成型包封物，所述包覆成型包封物包封所述功率半导体管芯的上侧和侧表面。8.根据权利要求1-4中任一项所述的封装电子装置，还包括在所述电介质基板的下侧上的下金属包覆层。9.根据权利要求8所述的封装电子装置，其中，所述引线框和所述下金属包覆层由相同的金属形成。10.根据权利要求9或10所述的封装电子装置，其中，所述金属钎焊层是第一金属钎焊层，并且其中第二金属钎焊层在所述下金属包覆层的上侧与所述电介质基板的下侧之间。11.根据权利要求1-10中任一项所述的封装电子装置，其中，所述第一引线和所述管芯焊盘区域是单片引线框结构的一部分。12.根据权利要求1至11中任一项所述的封装电子装置，还包括在所述金属钎焊层的上侧上的上金属包覆层和插入在所述上金属包覆层与所述引线框之间的基板附接金属层。13.根据权利要求1-12中任一项所述的封装电子装置，还包括在所述电介质基板的下侧上的下金属包覆层。14.一种封装电子装置，包括：电介质基板；在所述电介质基板的下侧上的第一金属包覆层；引线框，具有上侧和下侧，所述上侧包括管芯焊盘区域，所述下侧在所述电介质基板的上侧上；功率半导体管芯，其在所述引线框的所述管芯焊盘区域上。15.根据权利要求14所述的封装电子装置，还包括包覆成型包封物，所述包覆成型包封
物包封所述功率半导体管芯的上侧和侧表面以及所述电介质基板的至少上侧。16.根据权利要求14或15所述的封装电子装置，其中所述电介质基板包括陶瓷基板。17.根据权利要求16所述的封装电子装置，还包括在所述第一金属包覆层与所述陶瓷基板之间的第一金属钎焊层。18.根据权利要求17所述的封装电子装置，还包括在所述陶瓷基板的上侧上的导热粘附层。19.根据权利要求17所述的封装电子装置，还包括在所述陶瓷基板的上侧上的第二金属钎焊层。20.根据权利要求19所述的封装电子装置，其中，所述第二金属钎焊层直接附接至所述陶瓷基板的上侧和所述引线框的下侧。21.根据权利要求19所述的封装电子装置，还包括在所述第二金属钎焊层的上侧上的第二金属包覆层，并且其中所述引线框通过基板附接金属层安装在所述第二金属包覆层的上侧上。22.根据权利要求14-21中任一项所述的封装电子装置，其中所述引线框还包括第一引线，所述第一引线与所述管芯焊盘区域是一体的并与其电连接。23.根据权利要求14-22中任一项所述的封装电子装置，还包括第二引线，所述第二引线经由接合线电连接到所述功率半导体管芯的端子。24.一种封装电子装置，包括：电介质基板；在所述电介质基板的下侧上的第一金属包覆层；功率半导体管芯，其安装在所述电介质基板的上侧上；包覆成型包封物，其围绕所述功率半导体管芯的上侧和侧表面，并且至少部分地围绕所述电介质基板的侧壁，同时暴露所述第一金属包覆层的至少一部分；以及第一引线和第二引线，所述第一引线和所述第二引线各自延伸穿过所述包覆成型包封物并且电连接到所述功率半导体管芯，其中所述功率半导体管芯与所述第一金属包覆层电隔离。25.根据权利要求24所述的封装电子装置，其中，所述电介质基板包括陶瓷基板，并且第一金属钎焊层在所述陶瓷基板的上侧上。26.根据权利要求25所述的封装电子装置，还包括引线框，所述引线框包括具有管芯焊盘区域的上侧，其中，所述引线框的下侧安装在所述第一金属钎焊层的上侧上，并且所述功率半导体管芯安装在所述管芯焊盘区域上。27.根据权利要求25或26所述的封装电子装置，其中，所述第一金属钎焊层直接附接至所述陶瓷基板和所述引线框的下侧。28.根据权利要求25-27中任一项所述的封装电子装置，其中，所述第一引线与所述引线框是一体的，并且电连接到所述功率半导体管芯的第一端子。29.根据权利要求25-28中任一项所述的封装电子装置，其中，所述第二引线不与所述管芯焊盘区域电连接，并且经由接合线电连接至所述功率半导体管芯的第二端子。30.根据权利要求26所述的封装电子装置，其中，所述第一金属包覆层经由第二金属钎焊层安装在所述陶瓷基板的下侧上。
31.根据权利要求26所述的封装电子装置，还包括在所述第一金属钎焊层的上侧上的上金属包覆层和插入在所述上金属包覆层与所述引线框之间的基板附接金属层。

技术总结
一种封装电子装置，包括：功率半导体管芯，其包括第一端子和第二端子；引线框，其包括下侧和上侧，该上侧包括管芯焊盘区域；第一引线和第二引线，其中第一引线与引线框是一体的并且通过引线框电连接到功率半导体管芯的第一端子；电介质基板；以及在电介质基板的上侧上的导热粘附层。功率半导体管芯在引线框的管芯焊盘区域上，并且引线框在导热粘附层的上侧上。上。上。


技术研发人员：S
受保护的技术使用者：沃孚半导体公司
技术研发日：2022.01.10
技术公布日：2023/9/23