專利名稱：高功率mcm封裝的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及多芯片模塊，特別涉及多芯片電源模塊。
背景技術：
多芯片模塊(MCM)是公知的。典型的MCM包括設置在一個或多個襯底上的多個不同元件，其中襯底被封閉在模制外殼內(nèi)。不同元件形成用于例如驅(qū)動電機的電子電路。這種電路通常包括可以按照各種方式彼此連接在一起的功率半導體器件。
用于驅(qū)動電機的常規(guī)電路布置公知為半橋式的。半橋布置包括串聯(lián)連接的兩個功率半導體器件。用在半橋布置中的典型的功率半導體器件是MOSFET，盡管其它功率半導體器件也可以使用。
圖1示出了使用一對串聯(lián)連接的MOSFET10、12的半橋布置。如圖1所示，MOSFET10的源電極電連接到MOSFET12的漏電極上。在這種結構中，輸入電壓Vin連接到MOSFET10的漏電極上，而MOSFET12的源電極接地。輸出電壓Vout在MOSFET10和MOSFET12的連接節(jié)點處抽頭。通常，一個或多個肖特基(schottky)二極管14在輸出節(jié)點Vout和地之間與MOSFET12并聯(lián)連接，從而使停滯時間(dead-time)傳導周期(conduction period)期間的損失最小。
半橋布置被廣泛地用在電源裝置中。圖2示意性地示出了MCM中的常規(guī)半橋布置。參見這些圖，根據(jù)常規(guī)布置，MOSFET10、12設置在公共電路板18上。電路板18可以是導熱的，從而可以將在工作期間由MOSFET產(chǎn)生的熱量傳輸?shù)綗岢?未示出)，而熱沉可以設置成與電路板18熱接觸。合適的電路板18可以是絕緣金屬襯底(IMS)。如圖2所示，每個MOSFET10、12的漏電極10A、12A電連接到襯底18上的各個導電焊盤22、24。為了完成半橋，MOSFET10的源電極10B例如通過路由器電連接到MOSFET12的漏電極12A，MOSFET12的源電極12B連接到地，MOSFET10的漏電極10A連接到電壓源，如圖2中示意性地示出的。任選地，如圖2所示，肖特基二極管14可以連接在MOSFET12的漏電極12A和源電極12B之間，如本領域公知的那樣。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種呈現(xiàn)改進的熱處理的緊湊MCM。
根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實施例的MCM包括傳統(tǒng)的功率半導體器件，如常規(guī)的垂直傳導MOSFET，和設置成半橋結構的倒裝片(flip-chip)。如這里使用的，倒裝片是使其控制電極和源電極連接到電路板上的各個焊盤的功率半導體器件。根據(jù)本發(fā)明的一個方案，使用公共導電元件將一個功率半導體器件的漏電極電連接到另一個功率半導體器件的源電極上。功率半導體器件的其它電極連接到電路板上的各個焊盤上。
導電元件包括連接到功率半導體器件的腹板部分(web portion)以及一體地連接到腹板部分的連接器，該連接器用作將腹板部分連接到電路板上的各個導電焊盤上的電連接。因此連接器用作到半橋的輸出節(jié)點的連接。
根據(jù)本發(fā)明的第一實施例，連接器從導電元件的腹板部分的一端延伸出去。即，導電元件是L形的。
根據(jù)第二實施例，連接器從腹板部分的相對端之間的位置延伸出去。即，導電元件是T形的。
根據(jù)第三實施例，腹板部分包括在其相對邊緣上接觸的球，從而代替了整體的連接器。
將從參照附圖的本發(fā)明的下面說明中更明顯看出本發(fā)明的其它特征和優(yōu)點。


圖1表示根據(jù)現(xiàn)有技術的半橋電路的電路結構；圖2表示用在根據(jù)現(xiàn)有技術的常規(guī)MCM中的半橋結構；圖3表示根據(jù)本發(fā)明的結構；圖4表示根據(jù)本發(fā)明的MCM布局的頂部平面圖；
圖5表示在箭頭方向沿著線5-5看到的根據(jù)本發(fā)明第一實施例的MCM的剖面圖；圖6表示在箭頭方向沿著線5-5看到的根據(jù)本發(fā)明第二實施例的MCM的剖面圖；圖7示意性地表示根據(jù)本發(fā)明第三實施例的MCM的一部分的剖面圖；圖8A-8C表示用在根據(jù)本發(fā)明的MCM中的公共導電元件的變形；圖9示意性地表示根據(jù)本發(fā)明第四實施例的MCM的一部分的剖面圖。
具體實施例方式
參見圖3，根據(jù)本發(fā)明的MCM包括半橋電路，它是通過一對串聯(lián)連接的功率半導體器件來實現(xiàn)的，其中一個功率半導體器件是常規(guī)器件，另一個是倒裝片。根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實施例，第一個功率半導體器件是常規(guī)垂直傳導功率MOSFET30，它具有設置在其第一主表面上的源極接觸件32和柵極接觸件34以及位于其相對的第二主表面上的漏極接觸件36。功率MOSFET30的漏極接觸件36例如通過焊料層或?qū)щ姯h(huán)氧樹脂電連接到導電焊盤38上。導電焊盤38是印刷電路板40的一部分。印刷電路板40可以是被絕緣的金屬襯底(IMS)或雙鍵合銅(DBC)，它包括其上設置導電焊盤38的導熱但電絕緣的襯底39。引線框架結構可以代替印刷電路板而不脫離本發(fā)明。
根據(jù)本發(fā)明的一個方案，本發(fā)明的MCM中的另一個功率半導體器件是倒裝式MOSFET42。倒裝式MOSFET42包括在一個主表面上的漏電極44和在其相對主表面上的源電極46和柵電極48。源電極46電連接到導電焊盤50，而柵電極48電連接到導電焊盤52。導電焊盤50和導電焊盤52設置在襯底39和電路板40的形成部分上?？蛇x地，肖特基二極管(未示出)在輸出節(jié)點和地之間與倒裝片42并聯(lián)連接，以便使停滯時間(dead-time)傳導期間的損失最小。
如圖3示意性地示出的，根據(jù)本發(fā)明的半橋電路通過將MOSFET30的源極接觸件32直接連接到倒裝式MOSFET42的漏極接觸件44上來實現(xiàn)，從而獲得圖1所示的串聯(lián)連接。在圖3所示的優(yōu)選結構中，導電焊盤38用作輸入連接點Vin，而導電焊盤50用作地連接點。在優(yōu)選實施例中，輸出連接點Vout是MOSFET30的源極接觸件32和倒裝式MOSFET42的漏極接觸件44之間的點。
圖4示出了根據(jù)本發(fā)明的MCM54的頂部平面圖。MCM54包括其上設置多個元件C1、C2、C3、C4的印刷電路板40。根據(jù)本發(fā)明的一個方案，MCM54也包括導電元件56。導電元件56用于將功率半導體器件如常規(guī)MOSFET30(圖3)連接到倒裝片半導體器件，如倒裝式MOSFET42(圖3)，并且還用作根據(jù)圖3所示布置的輸出連接點。如傳統(tǒng)公知的，模制外殼58包封設置在電路板40上的所有元件。形成在電路板40上的電路可以經(jīng)外部引線(未示出)連接到外部部件上，其中外部引線可以設置在模制外殼58的外部的任何位置上。例如，外部引線可以按照球柵陣列(BGA)或基板陣列格式(land array format)設置在MCM54的邊緣上或設置在電路板40的底表面上。
圖5示出了在箭頭方面看到的沿著線5-5的MCM54的剖面圖。如圖5所示，根據(jù)本發(fā)明第一實施例，MCM54包括導電元件56。導電元件56包括腹板部分60，該腹板部分60將倒裝式MOSFET 42的漏極接觸件44連接到常規(guī)MOSFET30的源極接觸件32上。如前面參照圖3所述的，倒裝式MOSFET42的源極接觸件46通過導電層62如焊料或?qū)щ姯h(huán)氧樹脂電連接到導電焊盤50。同樣，倒裝式MOSFET42的柵極接觸件48通過導電層62電連接到導電焊盤52。常規(guī)MOSFET30的漏極接觸件36也通過導電層62電連接到導電焊盤38。
根據(jù)本發(fā)明的一個方案，導電元件56還包括連接器64，連接器64從其一端伸出并通過導電層62電連接到導電焊盤66。腹板部分60和連接器64彼此成一體，并且在本發(fā)明的優(yōu)選實施例中，它們形成一個主體。
在根據(jù)本發(fā)明的MCM中，導電焊盤66用作半橋電路的輸出Vout(圖3)，而導電焊盤50和導電焊盤38分別連接到地和輸入Vin(圖3)。
圖6表示根據(jù)本發(fā)明第二實施例的MCM54的剖面圖。圖6所示的剖面圖是在其中所示的箭頭方向看到的沿著圖4的線5-5截取的。在圖6所示的實施例中，導電元件56包括設置在常規(guī)MOSFET30和倒裝式MOSFET42之間的連接器64。此外，第二實施例的所有特征與第一實施例的相同，因此這里不再說明。
如圖5和6所示，常規(guī)MOSFET30和倒裝式MOSFET42被夾在導電元件56的腹板部分60和電路板40之間，因此，由于它們各自的厚度，使導電元件56的腹板部分60與電路板40隔開。因此，為了電連接導電焊盤66，導電元件56的連接器64延伸到導電焊盤66。
如從圖5清楚看出的，導電元件56是L形的，導電元件56的連接器64設置在其一端。如本發(fā)明第二實施例中使用的導電元件56可以是T形的，因此將其連接器64設置在腹板部分60的中間附近的任何位置上，如圖6所示。
參見圖7，根據(jù)本發(fā)明第三實施例的MCM54包括導電元件56，它具有平坦的腹板部分60，與第一和第二實施例相同，該腹板部分60將倒裝式MOSFET42的漏極接觸件44連接到常規(guī)MOSFET30的源極接觸件32。如本發(fā)明第三實施例中使用的導電元件56可以是IMS，它具有用作平坦腹板部分60的金屬導電層、導熱但電絕緣的陶瓷體67以及與腹板部分60相對設置的另一個金屬導電層61。在第三實施例中使用IMS允許合適地布線以及常規(guī)MOSFET30的柵電極(未示出)的連接。
本發(fā)明第三實施例中的導電元件56還包括連接器64。本發(fā)明第三實施例中的連接器64是連接到導電焊盤66和腹板部分60的導電球。在第三實施例中，常規(guī)MOSFET30的漏極接觸件36以及倒裝式MOSFET42的源極接觸件46和柵極接觸件48通過導電球68連接到各個導電焊盤38、50、52。
參見圖8A-8C，根據(jù)本發(fā)明的導電元件56可以包括其它增強裝置。例如，如圖8A所示，根據(jù)第一實施例的公共導電元件56可包括在其頂表面上的脊70。脊70增加了導電元件56的頂表面面積，這可幫助消散更多的熱量并幫助導電元件56更好地粘接到MCM54的模制外殼58的樹脂模具上。
參見圖8B，根據(jù)第一實施例的導電元件56可包括設置在其相對邊緣上的一對凹槽72、74。凹槽72、74允許樹脂模具形成在導電元件56的周圍，由此獲得導電元件56和模制外殼58的樹脂模具之間的更好的粘接性。
參見圖8C，根據(jù)第一實施例的導電元件56可以只形成為具有一個凹槽72。
圖8A-8C中所示的所有增強裝置也可以適用于第二和第三實施例中使用的導電元件56。
參見圖9，根據(jù)本發(fā)明第四實施例，導電元件56可以通過模制外殼58露出，從而提高從MCM的頂部進行的散熱。
在本發(fā)明的優(yōu)選實施例中，導電元件56可以由銅或銅合金構成。但是，在不脫離本發(fā)明的情況下也可以使用其它合適材料。
而且，在本發(fā)明的優(yōu)選實施例中，形成半橋電路的功率半導體器件可以是MOSFET。其它的功率半導體器件如IGBT、功率雙極晶體管、半導體閘流管和功率二極管等，可以代替根據(jù)本發(fā)明的包括導電元件56的MCM中的一個或兩個功率半導體器件。
盡管前面已經(jīng)關于其特殊實施例介紹了本發(fā)明，很多其它改形和修改方式以及其它用途對于本領域技術人員是很明顯的。優(yōu)選地，本發(fā)明不受種類具體公開的限制，而只受所附權利要求的限制。
權利要求
1.一種多芯片模塊，包括具有設置在其主表面上的第一導電焊盤、第二導電焊盤和第三導電焊盤的襯底；導電元件，所述導電元件包括腹板部分和從所述腹板部分的第一主表面伸出的連接器；第一半導體管芯和第二半導體管芯，每個半導體管芯具有設置在其第一主表面上的第一指示的第一接觸件和設置在其第二相對主表面上的第二指示的第二接觸件；其中所述第一半導體管芯的所述第一接觸件電連接到所述第一導電焊盤，所述第二半導體管芯的所述第二接觸件連接到所述第二導電焊盤，所述連接器連接到所述第三導電焊盤，并且所述第一半導體管芯的所述第二接觸件和所述第二半導體管芯的所述第一接觸件連接到所述腹板部分的所述第一主表面上。
2.根據(jù)權利要求1所述的多芯片模塊，其中所述襯底是絕緣金屬襯底、雙鍵合銅或引線框架結構之一。
3.根據(jù)權利要求1所述的多芯片模塊，其中所述半導體管芯是MOSFET，其所述第一接觸件是源極接觸件，其所述第二接觸件是漏極接觸件。
4.根據(jù)權利要求1所述的多芯片模塊，其中每個所述半導體管芯是MOSFET或IGBT之一。
5.根據(jù)權利要求1所述的多芯片模塊，還包括模制外殼。
6.根據(jù)權利要求5所述的多芯片模塊，其中所述導電元件通過所述模制外殼至少部分地露出，從而散去來自所述半導體管芯的熱量。
7.根據(jù)權利要求1所述的多芯片模塊，其中所述腹板部分包括兩個自由端，所述連接器設置在所述腹板部分的一端。
8.根據(jù)權利要求1所述的多芯片模塊，其中所述腹板部分包括兩個自由端，所述連接器設置在所述兩個自由端之間。
9.根據(jù)權利要求1所述的多芯片模塊，其中所述元件是L形的。
10.根據(jù)權利要求1所述的多芯片模塊，其中所述元件是T形的。
11.根據(jù)權利要求1所述的多芯片模塊，還包括與所述襯底熱接觸的熱沉。
12.根據(jù)權利要求1所述的多芯片模塊，還包括與所述元件熱連通的熱沉。
13.根據(jù)權利要求1所述的多芯片模塊，其中所述腹板部分包括從所述腹板部分的第二主表面伸出的多個脊。
14.根據(jù)權利要求1所述的多芯片模塊，其中所述腹板部分包括在其每個相對端上的凹槽。
15.根據(jù)權利要求1所述的多芯片模塊，其中所述腹板部分包括在其一端上的凹槽。
16.根據(jù)權利要求1所述的多芯片模塊，其中所述連接器是球接觸件。
17.根據(jù)權利要求1所述的多芯片模塊，其中所述元件包括另一個球接觸件，每個所述球接觸件設置在所述腹板部分的各個端上。
全文摘要
一種多芯片模塊(54)包括導電元件，該導電元件用作連接器，用于電連接至少兩個功率半導體器件(30、42)的各個電接觸件并用作輸出連接器。導電元件提高了通過模塊的頂部傳遞來自功率半導體器件的熱量的性能。
文檔編號H01L25/07GK1675765SQ03819813
公開日2005年9月28日 申請日期2003年7月15日 優(yōu)先權日2002年7月15日
發(fā)明者C·P·斯卡佛 申請人:國際整流器公司