功率覆蓋結構及其制作方法
【專利摘要】一種半導體裝置模塊，包括：介電層；半導體裝置，其具有聯(lián)接到介電層上的第一表面；以及傳導墊片，其具有聯(lián)接到介電層的第一表面。該半導體裝置還包括導電散熱器，其具有聯(lián)接到半導體裝置的第二表面和傳導墊片的第二表面的第一表面。金屬化層聯(lián)接到半導體裝置的第一表面和傳導墊片的第一表面。金屬化層延伸穿過介電層并且通過傳導墊片和散熱器電連接到半導體裝置的第二表面。
【專利說明】功率覆蓋結構及其制作方法
[0001]相關申請的交叉引用
本申請主張2013年3月14日提交的美國臨時專利申請序列第61/784，834號的優(yōu)先權，該申請的公開內容通過引用合并于本文中。

【技術領域】
[0002]本發(fā)明的實施例大體上涉及用于封裝半導體裝置的結構和方法，并且更具體地涉及包括改善的熱界面的功率覆蓋(power overlay, POL)封裝結構。

【背景技術】
[0003]功率半導體裝置為用作功率電子電路中的開關或整流器的半導體裝置，例如開關式電源。大部分功率半導體裝置僅用于通信模式(即，它們或者導通或者截止)，且因此對此進行優(yōu)化。許多功率半導體裝置用于高電壓功率應用中且被設計成攜帶大量電流且支持大電壓。在使用中，高電壓功率半導體裝置經(jīng)由功率覆蓋(POL)封裝和互連系統(tǒng)而連接到外部電路上。
[0004]圖1中示出了現(xiàn)有技術的功率覆蓋(POL)結構10的總體結構。用于POL結構10的標準制造過程通常以將一個或多個功率半導體裝置12通過粘合劑16置于介電層14上來開始。金屬互連件18 (例如，銅互連件)然后電鍍到介電層14上來形成與功率半導體裝置12的直接金屬連接。金屬互連件18可為低輪廓(例如，小于200微米厚)平坦互連結構的形式，其提供往返于功率半導體裝置12的輸入/輸出(I/O)系統(tǒng)20的形成。為了連接到外部電路上，如，通過產生與印刷電路板的第二級互連，例如，目前的POL封裝件使用焊球柵陣列(BGA)或盤柵陣列(LGA)。
[0005]散熱件22通常也包括在POL結構10中，以提供移除由半導體裝置12生成的熱并保護裝置12免受外部環(huán)境的方式。散熱件22使用直接覆銅(DBC)基底24來熱聯(lián)接到裝置12上。如圖所示，DBC基底24定位在半導體裝置12的上表面與散熱件22的下表面之間。
[0006]DBC基底24為預制構件，其包括非有機陶瓷基底26，例如礬土，其中上銅片28和下銅片30通過直接覆銅界面或銅焊層31來結合到其兩側上。DBC基底24的下銅片30圖案確定為在DBC基底24附接到半導體裝置12上之前形成一定數(shù)目的傳導接觸區(qū)域。通常，DBC基底可具有大約Imm的總體厚度。
[0007]在POL結構10的制造過程期間，焊料32施加到半導體裝置12的表面上。DBC基底24然后落到焊料32上來使下銅片30的圖案部分與焊料32對準。在DBC基底24聯(lián)接到半導體裝置12上之后，底部填充技術用于將介電有機材料34施加到粘合層16與DBC基底24之間的空間中來形成POL子模塊36。熱墊或熱脂38然后施加到DBC基底24的上銅層28上。
[0008]在POL結構10中使用DBC基底具有許多限制。首先，DBC基底的銅和陶瓷材料的材料性質對DBC基底的設計帶來了固有限制。例如，由于陶瓷的固有剛性和DBC基底24的銅和陶瓷材料的熱膨脹系數(shù)差異，故銅片28、30必須保持相對較薄，以避免由銅材料中的大的溫度波動引起過度的應力置于陶瓷上。此外，由于面對半導體裝置12的DBC基底24的下銅層的表面是平坦的，故DBC基底24不會促進具有不同高度的半導體裝置的POL封裝件的制造。
[0009]另外，DBC基底制造相對昂貴，且為預制構件。當DBC基底24為預制構件時，銅片28,30的厚度基于施加到陶瓷基底26上的銅箔層的厚度確定。另外，由于DBC基底24在與POL結構的構件的其余部分組裝之前制造，故包繞半導體裝置12的介電填料或環(huán)氧樹脂基底在DBC基底24聯(lián)接到半導體裝置12上之后使用底部填充技術來施加。這種底部填充技術耗時，且可導致POL結構內的不期望的空隙。
[0010]因此，將期望提供一種POL結構，其具有改善的熱界面，其克服合并DBC基底的已知POL結構的前述結構和處理限制。還將期望的此類POL結構應對不同厚度的半導體裝置，同時最大限度地降低POL結構的成本。


【發(fā)明內容】

[0011]本發(fā)明的實施例通過功率覆蓋(POL)結構來克服前述缺陷，其排除了 DBC基底在POL子模塊與散熱件之間的熱界面上的使用。提供改善的熱界面用于半導體裝置，其包括應對具有不同高度的半導體裝置的傳導墊片。
[0012]根據(jù)本發(fā)明的一方面，一種半導體裝置模塊包括:介電層；半導體裝置，其具有聯(lián)接到介電層上的第一表面；傳導墊片，其具有聯(lián)接到介電層的第一表面。該半導體裝置還包括導電散熱器，其具有聯(lián)接到半導體裝置的第二表面和傳導墊片的第二表面的第一表面。金屬化層聯(lián)接到半導體裝置的第一表面和傳導墊片的第一表面。金屬化層延伸穿過介電層并且通過傳導墊片和散熱器電連接到半導體裝置的第二表面。
[0013]根據(jù)本發(fā)明的另一方面，一種形成半導體裝置封裝的方法，包括:將半導體裝置的第一表面附連到介電層的第一表面；以及將傳導墊片的第一表面附連到介電層的第一表面。該方法還包括:將散熱器安置到半導體裝置的第二表面上和傳導墊片的第二表面上，散熱器將半導體裝置電聯(lián)接到傳導墊片；以及在介電層的第二表面上形成金屬互連結構。金屬互連結構延伸穿過在介電層中形成的通孔以接觸半導體裝置的第一表面和傳導墊片的第一表面。
[0014]根據(jù)本發(fā)明的又一方面，一種功率覆蓋(POL)結構，包括:絕緣基底；功率裝置，其經(jīng)由粘合層附接到絕緣基底上；以及，導電墊片，其經(jīng)由粘合層附接到絕緣基底上。該POL結構還包括導電和導熱板條，其聯(lián)接到功率裝置的頂表面和傳導墊片的頂表面；以及，金屬化層，其延伸穿過絕緣基底。金屬化層電聯(lián)接成接觸功率裝置的第一表面和第二表面上的位置。
[0015]根據(jù)一實施例，一種半導體裝置模塊，包括:介電層；半導體裝置，其具有聯(lián)接到介電層上的第一表面；傳導墊片，其具有聯(lián)接到介電層的第一表面；導電散熱器，其具有第一表面，第一表面聯(lián)接到半導體裝置的第二表面和傳導墊片的第二表面；以及
金屬化層，其聯(lián)接到半導體裝置的第一表面和傳導墊片的第一表面，金屬化層延伸穿過介電層并且通過傳導墊片和散熱器電連接到半導體裝置的第二表面。
[0016]根據(jù)一實施例，半導體裝置包括功率裝置。
[0017]根據(jù)一實施例，半導體裝置的第二表面和傳導墊片的第二表面大致共面。
[0018]根據(jù)一實施例，還包括:熱界面層，其涂布散熱器的第二表面，熱界面層包括電絕緣并且導熱的材料。
[0019]根據(jù)一實施例，熱界面層包括有機材料和懸浮于樹脂中的多個導電粒子中的至少一種。
[0020]根據(jù)一實施例，還包括散熱件，其聯(lián)接到熱界面層。
[0021]根據(jù)一實施例，還包括傳導接觸層，其將半導體裝置和傳導墊片聯(lián)接到散熱器。
[0022]根據(jù)一實施例，散熱器的第二表面向周圍空氣暴露用于對流傳熱。
[0023]根據(jù)一實施例，還包括包封件，其包圍半導體裝置和傳導墊片。
[0024]根據(jù)一實施例，一種形成半導體裝置封裝的方法，包括:提供半導體裝置；將半導體裝置的第一表面附連到介電層的第一表面；將傳導墊片的第一表面附連到介電層的第一表面；將散熱器安置到半導體裝置的第二表面和傳導墊片的第二表面上，散熱器將半導體裝置電聯(lián)接到傳導墊片；以及在介電層的第二表面上形成金屬互連結構，金屬互連結構延伸穿過在介電層中形成的通孔，以接觸半導體裝置的第一表面和傳導墊片的第一表面。
[0025]根據(jù)一實施例，還包括:利用聚合物材料來包封半導體裝置、傳導墊片和散熱器的至少一部分。
[0026]根據(jù)一實施例，還包括:在散熱器的頂表面上形成熱界面層。
[0027]根據(jù)一實施例，還包括:將散熱件聯(lián)接到熱界面層。
[0028]根據(jù)一實施例，還包括:利用介電材料底部填充在介電層與熱界面層之間的空間。
[0029]根據(jù)一實施例，一種功率覆蓋(POL)結構，包括:絕緣基底；功率裝置，其經(jīng)由粘合層附接到絕緣基底上；導電墊片，其經(jīng)由粘合層附接到絕緣基底上；導電和導熱板條，其聯(lián)接到功率裝置的頂表面和傳導墊片的頂表面；以及金屬化層，其延伸穿過絕緣基底，金屬化層電聯(lián)接成接觸功率裝置的第一表面和第二表面上的位置。
[0030]根據(jù)一實施例，功率裝置和傳導墊片的頂表面大致共面。
[0031 ] 根據(jù)一實施例，還包括電絕緣層，其具有聯(lián)接到導電散熱器的第一側。
[0032]根據(jù)一實施例，電絕緣層包括有機導熱材料。
[0033]根據(jù)一實施例，還包括散熱件，其聯(lián)接到電絕緣層的第二側。
[0034]根據(jù)一實施例，電絕緣層包括多層基底，多層基底包括:第一層，其具有聯(lián)接到導電散熱器的第一表面；第二層，其具有聯(lián)接到散熱件的第一表面；以及陶瓷層，其聯(lián)接于第一層與第二層之間。
[0035]通過結合附圖提供的本發(fā)明的優(yōu)選實施例的下文的詳細描述，這些和其它優(yōu)點和特征將會更易于理解。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0036]附圖示出了當前構想成用于執(zhí)行本發(fā)明的實施例。
[0037]在附圖中:
圖1為合并DBC基底的現(xiàn)有技術的功率覆蓋(POL)結構的示意性截面?zhèn)纫晥D。
[0038]圖2為根據(jù)本發(fā)明的實施例的POL結構的示意性截面?zhèn)纫晥D。
[0039]圖3為根據(jù)本發(fā)明的另一個實施例的POL結構的示意性截面?zhèn)纫晥D。
[0040]圖4為根據(jù)本發(fā)明的又一個實施例的POL結構的示意性截面?zhèn)纫晥D。
[0041]圖5為根據(jù)本發(fā)明的實施例的POL組件的示意性截面?zhèn)纫晥D。
[0042]圖6至圖16為根據(jù)本發(fā)明的實施例的在制造/構建過程的各種階段期間的POL子模塊的示意性截面?zhèn)纫晥D。
[0043]圖17為根據(jù)本發(fā)明的另一個實施例的帶引線的POL子模塊的一部分的示意性截面?zhèn)纫晥D。
[0044]圖18為根據(jù)本發(fā)明的另一個實施例的帶引線的POL子模塊的一部分的示意性截面?zhèn)纫晥D。
[0045]圖19為根據(jù)本發(fā)明的實施例的具有階梯傳導墊片的POL子模塊的一部分的示意性截面?zhèn)纫晥D。
[0046]圖20為根據(jù)本發(fā)明的實施例的具有多層傳導墊片組件的POL子模塊的一部分的示意性截面?zhèn)纫晥D。
[0047]圖21為根據(jù)本發(fā)明的另一實施例的POL子模塊的一部分的示意截面?zhèn)纫晥D。
[0048]圖22為根據(jù)本發(fā)明的另一實施例的POL子模塊的一部分的示意截面?zhèn)纫晥D。
[0049]圖23為根據(jù)本發(fā)明的另一實施例的POL子模塊的一部分的示意截面?zhèn)纫晥D。

【具體實施方式】
[0050]本發(fā)明的實施例提供了一種具有包括在其中的改善的熱界面的功率覆蓋(POL)結構，以及用于形成此類POL結構的方法。POL結構包括應對不同高度的半導體裝置的傳導墊片和增加包封材料和方法選擇的熱界面層。
[0051]參看圖2，示出了根據(jù)本發(fā)明的實施例的半導體裝置組件或功率覆蓋(POL)結構40。POL結構40包括具有在其中的一個或多個半導體裝置43、44、45的POL子模塊42，根據(jù)各種實施例，半導體裝置可為管芯、二極管或其它功率電氣裝置的形式。如圖2中所示，三個半導體裝置43、44、45設在POL子模塊42中，然而將認識到的是，更多或更少數(shù)目的半導體裝置43、44、45可包括在POL子模塊42中。另外，雖然部件44和45在本文中被描述為半導體裝置，但是部件44、45中的一個或多個可為導電墊片，如關于圖21至圖23更詳細地描述的。除半導體裝置43、44、45之外，POL子模塊42還可包括任何數(shù)目的附加電路構件46，例如，門驅動器。
[0052]半導體裝置43、44、45通過粘合層50聯(lián)接到介電層48上。介電層48可根據(jù)各種實施例為疊層或膜的形式，且可由多種介電材料中的一種形成，如，Kapton?、Ultem?、聚四氟乙烯(PTFE)、Up ilex?、聚砜材料(例如，Udel?、Rade I?)或另一種聚合物膜，如，液晶聚合物(LCP)或聚酰亞胺材料。
[0053]POL子模塊42還包括金屬化層或互連結構52，其通過金屬互連件54形成與半導體裝置43、44、45的直接金屬連接，金屬互連件54延伸穿過形成在介電層48中的通孔56來連接到相應的半導體裝置43、44、45上的接觸墊58上。
[0054]POL子模塊42還包括一個或多個傳導板條或散熱器60，其利用導熱和導電的接觸層62來固定到半導體裝置43、44、45上。根據(jù)各種實施例，例如，傳導接觸層62可為焊料材料、傳導粘合劑或燒結的銀。傳導墊片60為金屬和合金材料，例如銅、鋁、鑰或它們的組合，如，銅鑰或銅鎢，以及復合材料，如，鋁硅、碳化鋁硅、鋁-石墨、銅-石墨等。
[0055]介電填料材料64也設在POL子模塊42中，以在POL子模塊42中填充在半導體裝置43、44、45與傳導墊片60之間和周圍的間隙，以便向POL子模塊42提供附加的結構完整性。根據(jù)各種實施例，介電填料材料64可為聚合材料的形式，例如，底部填充劑(例如，毛細底部填充劑或非流動的底部填充劑)、包封件、硅酮或模制化合物。
[0056]POL結構40還包括便于冷卻半導體裝置43、44、45的散熱件66。散熱件66包括具有高熱導率的材料，如，銅、鋁或復合材料。散熱件66通過形成在傳導墊片60和介電填料材料64上的熱界面基底或層68來聯(lián)接到POL子模塊42上。
[0057]熱界面層68為導熱的電絕緣的聚合材料或有機材料，例如，熱墊、熱漿料、熱脂或熱粘合劑。熱界面層68使散熱件66與傳導墊片60電絕緣。根據(jù)一個實施例，熱界面層68包括懸浮在樹脂或環(huán)氧樹脂的基質中的傳導填料、顆?；蚶w維。例如，熱界面層68可為環(huán)氧樹脂或硅樹脂，其填充有導熱的電絕緣的填料，如礬土和/或氮化硼。根據(jù)一個實施例，熱界面層68具有大約100 μ m的厚度。然而，本領域的技術人員將認識到的是，熱界面層68的厚度可基于設計規(guī)格變化。熱界面層68提供相比于DBC基底優(yōu)異的熱性能，因為熱界面層68不會經(jīng)歷包括在DBC基底內的陶瓷層的熱阻。
[0058]在熱界面層68為熱漿料、熱脂或熱墊(例如，預成形的有機材料片或膜)的實施例中，在圍繞POL子模塊42的周邊的一定數(shù)目的位置處，散熱件66使用螺釘或其它緊固裝置(未示出)固定到POL子模塊42上，引起熱界面層68夾在傳導墊片60與散熱件66之間。作為備選，在熱界面層68為聚合粘合劑的實施例中，熱界面層68以膠粘狀態(tài)施加到POL子模塊42上，且在散熱件66定位到熱界面層68的頂部上之后固化，從而在沒有附加緊固件的情況下將散熱件66結合到POL子模塊42上。如參照圖5更詳細描述那樣，POL子模塊42還包括輸入-輸出(I/O)連接70，其使POL結構40能夠表面安裝到外部電路上，如，印刷電路板(PCB)。根據(jù)示例性實施例，I/O連接70由焊球柵陣列(BGA)焊料焊盤72形成，其構造成附接/附連到PCB上來將POL結構40電聯(lián)接到PCB上，盡管也可使用其它適合的第二級焊料互連件，如，盤柵陣列(LGA)。BGA焊料焊盤72提供高度可靠的互連結構，其在高應力狀態(tài)下抵抗故障。如圖2中所示，焊料焊盤72定位在形成于POL子模塊42的焊料掩模層74中的開口中。
[0059]現(xiàn)在參看圖3，示出了根據(jù)本發(fā)明的備選實施例的POL結構76和POL子模塊78。POL結構76和POL子模塊78包括類似于圖2中的POL結構40和POL子模塊42中所示的構件的一定數(shù)目的構件，且因此用于指出圖2中的構件的標號將用于指出圖3中的類似構件。
[0060]如圖所示，POL子模塊78包括定位在傳導墊片60與散熱件66之間的多層熱界面80。多層熱界面80包括第一熱界面層82、陶瓷絕緣層84和第二熱界面層86。陶瓷絕緣層84包括在POL子模塊78與散熱件66之間對于高電壓應用提供了附加的電絕緣。例如，絕緣層84可由陶瓷材料如礬土或氮化鋁構成。
[0061]如圖所示，第一熱界面層82夾在傳導墊片60與陶瓷絕緣層84之間。根據(jù)一個實施例，圖3的第一熱界面層82包括類似于圖2中的熱界面層68的導熱電絕緣的材料，允許熱從傳導墊片60傳遞至散熱件66,同時使傳導墊片60與散熱件66電絕緣。在不例性實施例中，第一熱界面層82包括填充有導熱但電絕緣的填料如礬土或氮化硼的環(huán)氧樹脂或硅樹脂。
[0062]在備選實施例中，第一熱界面層82包括導電材料，例如焊料、傳導粘合劑或燒結的銀，傳導材料形成為傳導墊片60頂部上的一定數(shù)目的不連續(xù)的墊88，如圖4中所示。根據(jù)各種實施例，鄰接的墊88之間的側向空間90可留下作為空氣間隙，或填充介電填料材料64。
[0063]現(xiàn)在一起參看圖3和圖4，第二熱界面層86夾在陶瓷絕緣層84與散熱件66之間。根據(jù)一個實施例，第二熱界面層86包括類似于圖2中的熱界面層68的導熱電絕緣的材料。在備選實施例中，第二熱界面層86為既導熱又導電的材料，例如，填充有銀的環(huán)氧樹脂或硅樹脂。
[0064]圖5示出了根據(jù)本發(fā)明的實施例的合并POL結構40 (圖2)和POL結構76 (圖3、圖4)的POL組件92。如圖所示，POL結構40、76的相應的I/O連接70聯(lián)接到外部電路構件94上，例如印刷電路板(PCB)。盡管POL組件92中示出了兩個POL結構40、76，但本領域的技術人員將認識到的是根據(jù)本發(fā)明的各種實施例，POL組件92可包括任何數(shù)目的POL結構。此外，POL組件92可包括單個類型的多個POL結構，如，兩個或多個POL結構40，或兩個或多個POL結構76。
[0065]雖然關于圖2至圖5描述的實施例被示出包括散熱件66，但是本領域技術人員將認識到散熱件66可以在包括低功率或無功率半導體裝置的POL結構中省略。在這樣的實施例中，熱界面層68、80也可被可選地省略,從而使傳導墊片的頂表面暴露用于對流傳熱。
[0066]現(xiàn)在參看圖6至圖16，根據(jù)本發(fā)明的實施例，提供了圖2中的POL子模塊42和圖3與圖4中的POL子模塊78的制造技術的過程步驟的詳細視圖。首先參看圖6，POL子模塊42、78的構建過程以將粘合層50施加到介電層48上開始。在技術的下一步中，如圖7中所示，一個或多個半導體裝置44、45 (例如，兩個半導體裝置)通過粘合層50固定到介電層48上。為了將半導體裝置44、45固定到介電層48上，半導體裝置44、45的頂表面96置于粘合層50上。粘合劑50然后固化來將半導體裝置44、45固定到介電層48上。
[0067]如圖8中所示，多個通孔56然后形成為穿過粘合層50和介電層48。根據(jù)本發(fā)明的實施例，通孔56可通過激光燒蝕或激光鉆孔過程、等離子蝕刻、光限定(photo-definit1n)或機械鉆孔過程形成。
[0068]盡管穿過粘合層50和介電層48形成通孔56在圖8中示為在將半導體裝置44、45置于粘合層50上之后執(zhí)行，但將認識到的是，半導體裝置44、45的放置可發(fā)生在通孔形成之后。作為備選，取決于由通孔尺寸施加的約束，半導體裝置44、45可首先置于粘合層50和介電層48上，其中通孔56隨后形成在對應于形成在半導體裝置44、45上的多個金屬化的電路和/或連接墊接觸墊58的位置處。此外，可使用預先鉆孔的通孔和后鉆孔的通孔的組合。
[0069]現(xiàn)在參看圖9和圖10，在將半導體裝置44、45固定到介電層48上且形成通孔56時，通孔56被清潔(如，通過活性離子蝕刻(RIE)除塵過程)且隨后金屬化來形成金屬化層或互連層54。金屬化層54通常通過濺射和電鍍應用的組合來形成，盡管認識到也可使用金屬沉積的其它無電方法。例如，鈦粘附層和銅晶種層可首先經(jīng)由濺射過程來施加，隨后為電鍍過程，其將銅的厚度增加到期望的水平。然后將所施加的金屬材料圖案確定為具有所期望的形狀的金屬互連件54，且其功能為通過介電層48和粘合層50形成的豎直饋通。金屬互連件54從半導體裝置44、45的電路和/或連接墊接觸墊58延伸出來，穿過通孔/開口 56，且穿出介電層48的頂表面98。
[0070]如圖11中所示，焊料掩模層74施加到圖案化金屬互連件54上，以提供保護性涂層并限定互連墊。在備選實施例中，將認識到的是，互連墊可具有有助于可焊接性的金屬精整，如，Ni 或 Ni/Au。
[0071]現(xiàn)在參看圖12，在制造技術的下一個步驟中，傳導接觸層62施加到半導體裝置44,45的底表面100上。傳導墊片60的底表面102然后通過傳導接觸層62聯(lián)接到半導體裝置44、45上。
[0072]根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，且如圖12中所示，半導體裝置44、45可具有變化的厚度/高度。為了平衡相應的半導體裝置44、45的總體高度，傳導墊片60可為不同高度，以便各個半導體裝置44、45/傳導墊片對60的總體厚度/高度相等，且傳導墊片60的后表面〃平坦化(planarized)"。
[0073]如圖13中所示，制造POL子模塊42、78的構建技術繼續(xù)施加介電填料材料64來在POL子模塊42、78中填充于半導體裝置44、45與傳導墊片60之間和周圍的間隙，以便約束介電層48，且向POL子模塊42、78提供附加的電絕緣和結構完整性。在一個實施例中，介電填料材料64使用包覆模制技術施加且固化。在介電填料材料64固化之后，介電填料材料64的部分104使用磨削操作移除來露出傳導墊片60。如圖14中所示，該磨削操作還可用于移除傳導墊片60的高度上的任何變化，以便傳導墊片60的頂表面106和介電填料材料64的頂表面108共面。作為備選，包覆模制或包封技術可用于施加介電填料材料64,使得固化的介電填料材料64的頂表面108與沒有磨削步驟的傳導墊片60的頂表面106齊平。在又一個實施例中，介電填料材料64可使用底部填充技術來施加。
[0074]在制造過程的下一步驟中，如圖15中所示，熱界面112的第一側110施加到傳導墊片60和介電填料材料64的相應的頂表面106、108上。在熱界面112包括單個熱界面層68(圖2)的實施例中，熱界面112在一個步驟中施加到傳導墊片60和介電填料材料64的頂表面106、108上。作為備選，熱界面112可為如圖3和圖4中所示的多層熱界面80。還參看圖3和圖4，多層熱界面80的獨立層使用構建技術按順序施加到傳導墊片60和介電填料材料64的頂表面106、108上，其中第一熱界面層82施加到介電填料材料64和傳導墊片60的頂部上，陶瓷絕緣層84接下來施加到第一熱界面層82的頂部上，且第二熱界面層86最后施加到陶瓷絕緣層84的頂表面上。
[0075]在制造技術的下一個步驟中，I/O連接70施加到焊料掩模層74上。在一個實施例中，如圖16中所示，I/O連接70為焊料焊盤72。在構建技術的備選實施例中，如圖17中所示，I/O連接70構造為用于貫穿孔構件的引線114。在POL子模塊42、78的構建過程完成之后，散熱件66附連到熱界面112的第二側116上。POL子模塊42、78可為單一的以用于表面安裝到外部電路上，如PCB94(圖5)。
[0076]現(xiàn)在參看圖18，示出了 POL子模塊118的備選實施例。POL子模塊118包括類似于圖2中的POL子模塊42中所示的構件的一定數(shù)目的構件，且因此用于指出圖2中的構件的標號還將用于指出圖18中的類似構件。
[0077]如圖所示，POL子模塊118包括通過粘合層50安裝到介電層48上的半導體裝置44。金屬互連件54延伸穿過形成在介電層48中的通孔56，以將接觸墊(未示出)連接到半導體裝置44上。傳導墊片120通過傳導接觸層62聯(lián)接到各個半導體裝置44上。類似于圖2的傳導墊片60，傳導墊片120包括金屬或合金材料，例如，銅、鋁、鑰或它們的組合。介電填料材料64提供成在POL子模塊118中填充在半導體裝置44與傳導墊片120之間和周圍的間隙。熱界面112如熱界面層68 (圖2)或多層熱界面80 (圖3)設在介電填料材料64和傳導墊片120的頂部上。
[0078]如圖18中所示，傳導墊片120聯(lián)接到引線框架122上。根據(jù)本發(fā)明的實施例，弓丨線框架122在將傳導墊片120置入傳導接觸層62中之前預先附接到傳導墊片120上。例如，引線框架122和引導墊片60可由普通銅板預先制造，或引線框架122可通過高溫聯(lián)接過程預先附接到傳導墊片60上，如，軟釬焊、銅焊、焊接或用于組裝到POL子模塊118中的其它類似的方法。作為備選，將認識到的是，引線框架122可改為在完成POL子模塊118的制造之后后附接。
[0079]現(xiàn)在參看圖19和圖20，示出了 POL子模塊124的兩個備選實施例，其應對POL子模塊124包括不同高度的半導體裝置126、128的情形。另外，POL子模塊124包括類似于圖2中的POL子模塊42中所示的構件的一定數(shù)目的構件，且因此用于指出圖2中的構件的標號還將用于指出圖19和圖20中的類似構件。
[0080]首先參看圖19，示出了包括具有階梯構型的傳導墊片130的備選實施例。如圖所示，傳導墊片130的第一部分132具有第一高度或厚度134，且傳導墊片130的第二部分136具有第二高度或厚度138，其應對半導體裝置126、128的不同高度，同時保持傳導墊片130的平坦頂表面140。
[0081]圖20中示出了 POL子模塊24的備選實施例，其中第一傳導墊片142使用第一傳導接觸層144聯(lián)接到半導體裝置126上，第一傳導接觸層144例如，類似于傳導接觸層62 (圖2)的焊料。第一傳導墊片142尺寸確定為使得第一傳導墊片142的上表面146和半導體裝置128的上表面148共面。第二傳導接觸層150然后施加到第一傳導墊片142和半導體裝置128的頂表面上。在一個實施例中，第二傳導接觸層150包括焊料。尺寸確定為至少跨越半導體裝置126、128的整個寬度的第二傳導墊片152然后附連到如圖所示的第二傳導墊片152上。
[0082]雖然本發(fā)明的實施例被描述為包括用于高電壓功率應用的功率半導體裝置，但本領域技術人員將認識到本文中所陳述的技術同樣可適用于合并無功率半導體裝置或具有僅延伸到半導體裝置的單側的電連接件的半導體裝置的低功率應用和芯片封裝。在這樣的應用中，可形成集成芯片封裝，類似于POL子模塊42 (圖2)，但并無熱界面層，如關于圖21更詳細地描述，從而使得傳導墊片60的背側暴露用于對流冷卻。替代地，熱界面層68可形成于傳導墊片60頂部以提供在傳導墊片60與周圍環(huán)境之間的電絕緣并且防止短路，如關于圖22更詳細地描述地。
[0083]現(xiàn)參考圖21至圖23，半導體裝置組件113關于本發(fā)明的替代實施例描述。半導體裝置組件113包括與圖2的POL子模塊42中示出的構件相似的多個構件，在本文中使用類似的附圖標記指示類似構件。
[0084]首先參考圖21所示的實施例，半導體裝置組件113包括聯(lián)接到介電層48的頂表面上的半導體裝置44。根據(jù)各種實施例，半導體裝置44為功率半導體裝置，諸如開關或整流器。半導體裝置組件113還包括導電墊片45。傳導墊片45為導電材料，諸如銅、銅-鑰、銅-鎢、鋁-硅、鋁-碳化硅、鋁-石墨、銅-石墨等。
[0085]如圖所示，半導體裝置44的第一表面39和傳導墊片45的第一表面41經(jīng)由粘合層50聯(lián)接到介電層48。傳導墊片45的大小使得傳導墊片45的第二表面49與半導體裝置44的第二表面47基本上共面，如圖21所示。傳導板條或散熱器60經(jīng)由傳導接觸層62聯(lián)接到半導體裝置44的第二表面47和傳導墊片45的第二表面49。
[0086]傳導接觸層62為導電和導熱材料，諸如例如，焊料材料、傳導粘合劑或燒結銀。散熱器60包括導熱和導電的材料。因此，散熱件60將半導體裝置44的第二表面47電聯(lián)接到傳導墊片45并且便于遠離半導體裝置44的傳熱。金屬化層54延伸穿過在介電層48中形成的通孔56并且形成到半導體裝置44的第一表面39和第二表面47的電連接。
[0087]根據(jù)其中半導體裝置44為低功率裝置的實施例，傳導板條60的頂表面59可保持暴露用于對流冷卻，如圖21所示。替代地,如圖22中所示,熱界面112諸如熱界面層68(圖2)或其它絕緣材料可作為保護層施加以涂布傳導板條60的頂表面59。
[0088]參考圖23，在其中半導體裝置44為高功率裝置的實施例中，散熱件，諸如散熱件66經(jīng)由熱界面層112聯(lián)接到傳導板條60以提供用于半導體裝置44的額外傳熱。根據(jù)各種實施例，熱界面層112可為單層基底，其為導熱的并且導電或電絕緣的，如關于熱界面層68所描述地(圖2)。替代地，熱界面層112可為類似于關于圖3和圖4所描述的熱界面層80的多層基底。
[0089]雖然在圖21至圖23中公開的實施例在上文中描述為包括一個功率半導體裝置44、傳導墊片45和散熱器60，但是本領域技術人員將認識到在本發(fā)明的范圍內半導體裝置組件113可被制造成具有一個或多個半導體裝置、傳導墊片和散熱器。
[0090]有利的是，本發(fā)明的實施例因此提供了一種POL封裝和互連結構，其包括沒有DBC基底的缺陷的熱界面。例如，由于熱界面層68和多層熱界面80可在發(fā)生于介電填料材料64被施加且固化之后的制造步驟中應用，故介電填料材料64可使用包封或包覆模制技術施加，而非更昂貴且耗時的底部填充過程，底部填充過程更可能導致空隙。另外，由于在封裝構建過程期間形成熱界面，而非提供為預制構件，故熱界面的尺寸和材料可基于期望的操作特征來定制。此外，使用傳導墊片60、120、130、142和/或152提供了應對不同高度的半導體裝置的能力。
[0091]因此，根據(jù)本發(fā)明的一實施例，半導體裝置模塊包括:介電層；半導體裝置，其具有聯(lián)接到介電層的第一表面；以及，傳導墊片，其具有聯(lián)接到介電層的第一表面。半導體裝置還包括導電散熱器，導電散熱器具有聯(lián)接到半導體裝置的第二表面和傳導墊片的第二表面的第一表面。金屬化層聯(lián)接到半導體裝置的第一表面和傳導墊片的第一表面。金屬化層延伸穿過介電層并且通過傳導墊片和散熱器電連接到半導體裝置的第二表面。
[0092]根據(jù)本發(fā)明的另一實施例，一種形成半導體裝置封裝的方法包括提供半導體裝置；將半導體裝置的第一表面附連到介電層的第一表面；以及，將傳導墊片的第一表面附連到介電層的第一表面上。該方法還包括將散熱器安置于半導體裝置的第二表面和傳導墊片的第二表面上，散熱器將半導體裝置電聯(lián)接到傳導墊片；以及，在介電層的第二表面上形成金屬互連結構。該金屬互連結構延伸穿過在介電層中形成的通孔以接觸半導體裝置的第一表面和傳導墊片的第一表面。
[0093]根據(jù)本發(fā)明的又一方面，功率覆蓋(POL)結構包括:絕緣基底；功率裝置，其經(jīng)由粘合層附接到絕緣基底上；以及，導電墊片，其經(jīng)由粘合層附接到絕緣基底上。POL結構還包括:導電和導熱板條，其聯(lián)接到功率裝置的頂表面和傳導墊片的頂表面；以及，金屬化層，其延伸穿過絕緣基底。金屬化層電聯(lián)接以接觸在功率裝置的第一表面和第二表面上的位置。
[0094] 盡管已經(jīng)僅結合有限數(shù)目的實施例詳細描述了本發(fā)明，但應容易理解的是，本發(fā)明不限于此類公開的實施例。相反，本發(fā)明可改變來合并迄今未描述的任何數(shù)目的改型、變化、置換或等同布置，但這與本發(fā)明的要旨和范圍相當。此外，盡管已經(jīng)描述了本發(fā)明的各種實施例，但將理解的是本發(fā)明的方面可僅包括所述的實施例中的一些。因此，本發(fā)明不被看作是由前述描述限制，而是僅由所附權利要求的范圍限制。
【權利要求】
1.一種半導體裝置模塊，包括: 介電層； 半導體裝置，其具有聯(lián)接到所述介電層上的第一表面； 傳導墊片，其具有聯(lián)接到所述介電層的第一表面； 導電散熱器，其具有第一表面，所述第一表面聯(lián)接到所述半導體裝置的第二表面和所述傳導墊片的第二表面；以及 金屬化層，其聯(lián)接到所述半導體裝置的第一表面和所述傳導墊片的第一表面，所述金屬化層延伸穿過所述介電層并且通過所述傳導墊片和所述散熱器電連接到所述半導體裝置的第二表面。
2.根據(jù)權利要求1所述的半導體裝置封裝，其特征在于，所述半導體裝置包括功率裝置。
3.根據(jù)權利要求1所述的半導體裝置封裝，其特征在于，所述半導體裝置的第二表面和所述傳導墊片的第二表面大致共面。
4.根據(jù)權利要求1所述的半導體裝置封裝，其特征在于，還包括:熱界面層，其涂布所述散熱器的第二表面，所述熱界面層包括電絕緣并且導熱的材料。
5.根據(jù)權利要求4所述的半導體裝置封裝，其特征在于，所述熱界面層包括有機材料和懸浮于樹脂中的多個導電粒子中的至少一種。
6.根據(jù)權利要求4所述的半導體裝置封裝，其特征在于，還包括散熱件，其聯(lián)接到所述熱界面層。
7.根據(jù)權利要求1所述的半導體裝置封裝，其特征在于，還包括傳導接觸層，其將所述半導體裝置和所述傳導墊片聯(lián)接到所述散熱器。
8.根據(jù)權利要求1所述的半導體裝置封裝，其特征在于，所述散熱器的第二表面向所述周圍空氣暴露用于對流傳熱。
9.根據(jù)權利要求1所述的半導體裝置封裝，其特征在于，還包括包封件，其包圍所述半導體裝置和所述傳導墊片。
10.一種形成半導體裝置封裝的方法，包括: 提供半導體裝置； 將所述半導體裝置的第一表面附連到介電層的第一表面； 將傳導墊片的第一表面附連到所述介電層的第一表面； 將散熱器安置到所述半導體裝置的第二表面和所述傳導墊片的第二表面上，所述散熱器將所述半導體裝置電聯(lián)接到所述傳導墊片；以及 在所述介電層的第二表面上形成金屬互連結構，所述金屬互連結構延伸穿過在所述介電層中形成的通孔，以接觸所述半導體裝置的第一表面和所述傳導墊片的第一表面。
【文檔編號】H01L23/14GK104051376SQ201410094324
【公開日】2014年9月17日 申請日期:2014年3月14日 優(yōu)先權日:2013年3月14日
【發(fā)明者】A.V.高達, S.S.喬漢, P.A.麥康奈利 申請人:通用電氣公司