專利名稱：半導(dǎo)體功率元件裝置及其封裝方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于降低導(dǎo)通電阻，提高導(dǎo)通電流及增加散熱效率的半導(dǎo)體功率元件裝置及其封裝方法，特別是指一種利用兩個(gè)漏級(jí)接點(diǎn)分別固定連接在第一、第二金屬導(dǎo)線架上的第一、第二兩個(gè)垂直式功率元件，相互重疊連接構(gòu)成并聯(lián)結(jié)構(gòu)，并使該第一、第二導(dǎo)線架搭接成上、下雙金屬板，利用上層金屬板擴(kuò)大散熱的封裝表面。
背景技術(shù)：
臺(tái)灣發(fā)明專利公告第426850號(hào)揭示了一種“瀑布堆棧式晶片模組”，其主要包括一積層板，該積層板上至少具有多個(gè)接點(diǎn)；多個(gè)晶片，配置于該積層板上，其中每一晶片包括有多個(gè)焊墊；一重配置層，配置并電連接于這些焊墊上；一第一絕緣層，配置于上述重配置層與焊墊之間，且通過多個(gè)插塞使重配置層與焊墊成電氣性連接；多個(gè)凸塊接點(diǎn)，分別配置于重配置層上的第一、第二區(qū)域，其中第一、第二區(qū)域中的凸塊接點(diǎn)以鏡像方式配置，且每兩個(gè)對(duì)應(yīng)的凸塊接點(diǎn)均通過重配層電連接。其中上述晶片分為第一、二列交錯(cuò)疊合，第一列晶片的第一區(qū)域面對(duì)第二列晶片的第二區(qū)域，而第一列晶片的第二區(qū)域面對(duì)第二列晶片的第一區(qū)域，且相對(duì)面的第二區(qū)域與第一區(qū)域?qū)?yīng)的凸塊接點(diǎn)，分別以一導(dǎo)電凸塊連接。另外，二軟片式承載器，分別將該二列芯片的二端的芯片與積層板的接點(diǎn)電連接。
另外，臺(tái)灣發(fā)明專利公告第423082號(hào)揭示了一種“高積體的晶片疊上晶片封裝”，主要包括一晶片疊上晶片模組，該模組設(shè)有至少兩個(gè)在電氣上連接在一起的作用區(qū)的獨(dú)立晶片，其中該兩個(gè)晶片的作用區(qū)系相互面對(duì)；以及一晶片疊上晶片組件連接裝置，用以在電氣上將所述晶片連接到外部電路。
目前公知的半導(dǎo)體功率元件裝置，諸如用于高速切換開關(guān)元件的功率金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管(MOSFET)，用于電力切換開關(guān)的絕緣柵極雙極性晶體管(IGBT)，雙極性面結(jié)型晶體管(BJT)，功率二極管(DIODE)，或整流器(RECTIFIER)等，傳統(tǒng)的單一功率元件裝置，漏級(jí)/源極(或集極/射極)的導(dǎo)通電阻(即，RDS-ON)較大，其相對(duì)功率損耗也大，并且伴隨產(chǎn)生較大熱量，進(jìn)而影響其產(chǎn)品使用壽命。因此，降低導(dǎo)通電阻、提高導(dǎo)通電流及增加散熱效率，提高產(chǎn)品特性，為高功率半導(dǎo)體領(lǐng)域所急欲解決的課題。但如果從傳統(tǒng)電路設(shè)計(jì)方面著手改善，不但增加功率組件電路及結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，且研發(fā)時(shí)間長、成本非常高。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的主要目的在于提供一種降低導(dǎo)通電阻，提高導(dǎo)通電流、增加散熱效率，且節(jié)省封裝體積的半導(dǎo)體功率元件裝置。
本發(fā)明提供的半導(dǎo)體功率元件裝置包括第一與第二兩個(gè)垂直式功率元件，所述功率元件的柵極區(qū)與柵極區(qū)、源極區(qū)與源極區(qū)相對(duì)應(yīng)地重疊連接在一起，并接引出有接腳；上述功率元件的漏級(jí)，分別連接在第一和第二兩金屬導(dǎo)線架上，其中第一導(dǎo)線架的一端包含有一接腳，第二導(dǎo)線架的一端包含有垂直于該導(dǎo)線架延伸的側(cè)壁與平行于該導(dǎo)線架的搭接面，兩導(dǎo)線架搭接成上、下雙金屬板，利用上層金屬板擴(kuò)大散熱的封裝表面。
本發(fā)明的另一目的在于提供一種用于降低導(dǎo)通電阻，提高導(dǎo)通電流及增加散熱效率，并且節(jié)省封裝體積的半導(dǎo)體功率元件裝置的封裝方法。
上述封裝方法的步驟包括將第一與第二兩個(gè)垂直式功率元件對(duì)稱地固定在第一與第二兩導(dǎo)線架上，漏級(jí)接點(diǎn)分別與導(dǎo)線架形成電氣性連接；其中第一導(dǎo)線架的一端形成擴(kuò)大的設(shè)接面，另一端延伸出一接腳和兩個(gè)分離的接腳；第二導(dǎo)線架的一端包含有垂直于該導(dǎo)線架延伸的側(cè)壁與平行于該導(dǎo)線架的搭接面，另一端延伸出一接腳搭接面；將第一功率元件的柵極與源極接點(diǎn)通過金屬線分別與兩個(gè)分離的接腳形成電氣性連接；通過錫爐，用錫球移載裝置將錫球移植在第一、第二功率元件的柵極與源極接點(diǎn)，及第一導(dǎo)線架接腳與第二導(dǎo)線架的搭接面上；將第二導(dǎo)線架翻轉(zhuǎn)連接在第一導(dǎo)線架上，并使第二功率元件與第一功率元件的柵極與柵極、源極與源極接點(diǎn)相對(duì)重疊連接；通過烤箱，加熱并加壓使錫球熔融，而使第一、第二功率元件及第一、第二導(dǎo)線架相對(duì)焊接在一起；用塑膠鑄模材料封裝，使第一及第二導(dǎo)線架在半導(dǎo)體功率元件裝置表面形成上、下雙金屬板，利用上層金屬板擴(kuò)大散熱的封裝表面。
本發(fā)明將兩個(gè)功率元件結(jié)合成一個(gè)并聯(lián)結(jié)構(gòu)的方式，不但制造簡單，且該半導(dǎo)體功率元件裝置的導(dǎo)通電阻值也可降低二分之一，其并聯(lián)電路的電流承受值加倍，由兩個(gè)導(dǎo)線架構(gòu)成上、下雙金屬板擴(kuò)大了散熱的封裝表面，從上層金屬板通過外部空氣散熱的效率達(dá)到加倍效果，并且節(jié)省封裝空間。


圖1(A)為顯示本發(fā)明的半導(dǎo)體功率元件裝置頂面的立體圖。
圖1(B)為顯示本發(fā)明的半導(dǎo)體功率元件裝置底面的立體圖。
圖1(C)為顯示本發(fā)明的半導(dǎo)體功率元件裝置封裝前的分解狀態(tài)立體圖。
圖2為封裝本發(fā)明半導(dǎo)體功率元件裝置的中間步驟側(cè)視圖，其中塑膠模鑄材料以點(diǎn)劃線表示。
圖3(A)至圖3(E)為本發(fā)明半導(dǎo)體功率元件裝置的封裝步驟示意圖。
圖4為本發(fā)明半導(dǎo)體功率元件裝置的電子電路圖。
圖5為本發(fā)明半導(dǎo)體功率元件裝置的等效電路圖。
圖6為本發(fā)明半導(dǎo)體功率元件裝置另一種實(shí)施型態(tài)示意圖。
圖7為本發(fā)明半導(dǎo)體功率元件裝置另一種封裝型態(tài)示意圖。
圖8為本發(fā)明實(shí)施在平面式布局的半導(dǎo)體功率元件裝置的實(shí)施型態(tài)示意圖。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明所涉及的半導(dǎo)體功率元件裝置，諸如用于電子電路元件的功率金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管，或者絕緣柵極雙極性晶體管等，為垂直式布局，即漏級(jí)(Drain)/或集極(Collector)在下面，而源極(Source)/或射極(Emitter)與柵極(Gate)在上面的布局方式，其中該功率元件也可以是二極管、整流器以及雙極性面結(jié)型晶體管。以下將配合附圖實(shí)施例說明本發(fā)明應(yīng)用于降低導(dǎo)通電阻，提高導(dǎo)通電流及增加散熱效率，并且節(jié)省封裝空間的半導(dǎo)體功率元件裝置及其封裝方法。
如圖1(A)至圖1(C)和圖2所示，本發(fā)明的半導(dǎo)體功率元件裝置1，其包括第一功率元件Q1與第二兩個(gè)功率元件Q2，所述功率元件Q1、Q2的柵極區(qū)G1與柵極區(qū)G2，源極區(qū)S1與源極區(qū)S2相對(duì)應(yīng)地重疊連接在一起，并分別連接接腳G、S；上述功率元件Q1、Q2的漏級(jí)D1、D2，分別連接在第一金屬導(dǎo)線架10與第二兩金屬導(dǎo)線架20上。其中第一導(dǎo)線架10的一端包含有一接腳D，另一端朝外延伸出固定的設(shè)接面11，并設(shè)有固定孔12；第二導(dǎo)線架20的一端包含有垂直于該導(dǎo)線架延伸的側(cè)壁21和平行于該導(dǎo)線架的搭接面22，與第一導(dǎo)線架10的設(shè)接面11搭接，另一端伸設(shè)有一接腳D′，與第一導(dǎo)線架10的接腳D搭接。因此，兩個(gè)功率元件Q1、Q2實(shí)質(zhì)上結(jié)合形成一個(gè)并聯(lián)結(jié)構(gòu)，并且該第一導(dǎo)線架10及第二導(dǎo)線架20搭接形成上、下雙金屬板，利用上層金屬板擴(kuò)大散熱的封裝表面。
如圖3(A)至圖3(E)所示，上述半導(dǎo)體功率元件裝置1封裝方法的步驟包括步驟一如圖3(A)所示，先將第一功率元件Q1與第二功率元件Q2對(duì)稱地固定在第一導(dǎo)線架10與第二兩導(dǎo)線架20上，漏級(jí)接點(diǎn)D1、D2分別與導(dǎo)線架10、20形成電氣性連接；其中第一導(dǎo)線架10的一端延伸出一接腳D和兩個(gè)分離的接腳G、S；第二導(dǎo)線架20的一端包含有垂直于該導(dǎo)線架延伸的側(cè)壁21和平行于該導(dǎo)線架的搭接面22，另一端延伸出一接腳D′。
步驟二如圖3(B)所示，將第一功率元件Q1的柵極G1與源極S1接點(diǎn)用金屬線分別與接腳G、S形成電氣性連接。
步驟三如圖3(C)所示，通過錫爐，用錫球移載裝置(圖中未示出)將錫球30分別移植在第一、第二功率元件Q1、Q2的柵極G1、G2與源極S1、S2接點(diǎn)，及第一導(dǎo)線架20的接腳D與第二導(dǎo)線架10的搭接面22和接腳D′上。
步驟四如圖3(D)所示，將第二導(dǎo)線架20翻轉(zhuǎn)連接在第一導(dǎo)線架10上，并使第二功率元件Q2的柵極區(qū)G2和源極區(qū)S2分別與第一功率元件Q1的柵極區(qū)G1和源極區(qū)S1的接點(diǎn)相對(duì)重疊連接；再通過烤箱(圖中未示出)，加熱并加壓使錫球30熔融，將第一、第二功率元件Q1、Q2及第一、第二導(dǎo)線架10、20相對(duì)焊接在一起。
步驟五如圖3(E)所示，用塑膠鑄模材料40封裝，使第一及第二導(dǎo)線架10、20在半導(dǎo)體功率元件裝置1表面形成上、下雙金屬板，利用上層金屬板擴(kuò)大散熱的封裝表面。
如上所述，利用本發(fā)明的半導(dǎo)體功率元件裝置及其封裝方法，實(shí)質(zhì)上是將兩個(gè)功率元件通過金屬焊接材料焊接結(jié)合形成一個(gè)并聯(lián)結(jié)構(gòu)，并因此可以產(chǎn)生如下的功效(1)電流從漏級(jí)端D流至源極端S時(shí)，流經(jīng)并聯(lián)電路，因而可承受電流ID加倍，如圖4所示。
(2)源極與漏級(jí)間的導(dǎo)通電阻值RDS(ON)變小，約為原來二分之一(如圖5所示)，即該兩功率元件的導(dǎo)通電阻值RDS1(RDS1=Δf(VG1)]]>，是VG1的函數(shù))，及RDS2(RDS2=Δf(VG2)]]>，為VG2的函數(shù))的并聯(lián)電阻值。
(3)崩潰電壓不變。
(4)封裝后體積不變。
(5)第一及第二導(dǎo)線架在半導(dǎo)體功率元件裝置表面形成上、下雙金屬板，利用上層金屬板擴(kuò)大散熱的封裝表面，如圖1(A)及圖1(B)所示，提高了散熱效率。
另外，又如圖6所示，因應(yīng)半導(dǎo)體功率元件裝置微小化，在細(xì)微加工制程中實(shí)際上可應(yīng)用的空間極其有限，為避免柵極G1與接腳G連接時(shí)金屬線跨越源極S1區(qū)而造成短路，因此功率元件Q1、Q2的排列，可將柵極G1區(qū)設(shè)置成與接腳G相同方向且距離最短。
圖7為本發(fā)明半導(dǎo)體功率元件裝置1另一種封裝型態(tài)，此實(shí)施例與其他實(shí)施例的不同之處在于，封裝時(shí)將第二導(dǎo)線架20(上層金屬板)表面用塑膠鑄模材料40絕緣，避免該上層金屬板被誤觸，并且可利用該表面標(biāo)示元件型號(hào)等。
圖8為本發(fā)明在平面式布局的半導(dǎo)體功率元件裝置1的封裝型態(tài)。本實(shí)施例的構(gòu)造及封裝方法如同上述實(shí)施例，因此不再贅述，本實(shí)施例與其他實(shí)施例的不同之處在于，將第一導(dǎo)線架10上的第一功率元件Q1的柵極G1、漏級(jí)D1與源極S1接點(diǎn)分別用金屬線與接腳G、D、S形成電氣性連接；將第二導(dǎo)線架20上的第二功率元件Q2的柵極G2、漏級(jí)D2與源極S2接點(diǎn)，重疊連接在第一導(dǎo)線架10上第一功率元件Q1相應(yīng)的柵極G1、漏級(jí)D1與源極S1接點(diǎn)上。如此同樣地可以達(dá)到本發(fā)明的目的與功效。
綜上所述，利用本發(fā)明用于降低導(dǎo)通電阻，提高導(dǎo)通電流及增加散熱效率，并且節(jié)省封裝空間的半導(dǎo)體功率元件裝置及其封裝方法，不但可大幅縮短研發(fā)時(shí)間，降低生產(chǎn)成本外，更可使半導(dǎo)體功率元件裝置的導(dǎo)通電阻值降低二分之一，其并聯(lián)電路承受電流值流經(jīng)值加倍，兩個(gè)導(dǎo)線架構(gòu)成上、下雙金屬板，利用上層金屬板擴(kuò)大散熱的封裝表面，提高了散熱效率，且節(jié)省了封裝空間。
上述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例，并不局限本發(fā)明的封裝型式及其實(shí)施范圍，即不偏離本發(fā)明的范圍所作的類似變化與修飾，應(yīng)仍屬本發(fā)明的涵蓋范圍。
權(quán)利要求
1.一種用于降低導(dǎo)通電阻、提高導(dǎo)通電流及增加散熱效率的半導(dǎo)體功率元件裝置的封裝方法，其步驟包括將第一與第二兩個(gè)垂直式功率元件對(duì)稱地固定在第一與第二兩導(dǎo)線架上，漏級(jí)接點(diǎn)分別與導(dǎo)線架形成電氣性連接；其中第一導(dǎo)線架的一端形成擴(kuò)大的設(shè)接面，另一端延伸出一接腳和兩個(gè)分離的接腳；第二導(dǎo)線架的一端包含有垂直于該導(dǎo)線架延伸的側(cè)壁與平行于該導(dǎo)線架的搭接面，另一端延伸出一接腳搭接面；將第一功率元件的柵極與源極接點(diǎn)通過金屬線分別與兩個(gè)分離的接腳形成電氣性連接；通過錫爐，用錫球移載裝置將錫球移植在第一、第二功率元件的柵極與源極接點(diǎn)，及第一導(dǎo)線架接腳與第二導(dǎo)線架的搭接面上；將第二導(dǎo)線架翻轉(zhuǎn)連接在第一導(dǎo)線架上，并使第二功率元件與第一功率元件的柵極與柵極、源極與源極接點(diǎn)相對(duì)重疊連接；通過烤箱，加熱并加壓使錫球熔融，而使第一、第二功率元件及第一、第二導(dǎo)線架相對(duì)焊接在一起；用塑膠鑄模材料封裝，使第一及第二導(dǎo)線架在半導(dǎo)體功率元件裝置表面形成上、下雙金屬板，利用上層金屬板擴(kuò)大散熱的封裝表面。
2.如權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體功率元件裝置的封裝方法，其中功率元件包括功率二極管，整流器，垂直式及平面式功率金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管，雙極性面結(jié)型晶體管以及絕緣柵極雙極性晶體管。
3.一種用于降低導(dǎo)通電阻，提高導(dǎo)通電流及增加散熱效率的半導(dǎo)體功率元件裝置，其包括第一與第二兩個(gè)垂直式功率元件，所述功率元件的柵極區(qū)與柵極區(qū)、源極區(qū)與源極區(qū)相對(duì)應(yīng)地重疊連接在一起，并接引出有接腳；上述功率元件的漏級(jí)，分別連接在第一和第二兩金屬導(dǎo)線架上，其中第一導(dǎo)線架的一端包含有一接腳，第二導(dǎo)線架的一端包含有垂直于該導(dǎo)線架延伸的側(cè)壁與平行于該導(dǎo)線架的搭接面，兩導(dǎo)線架搭接成上、下雙金屬板，利用上層金屬板擴(kuò)大散熱的封裝表面。
4.如權(quán)利要求3所述的半導(dǎo)體功率元件裝置，其中第二導(dǎo)線架的一端延伸出一接腳，搭接在第一導(dǎo)線架的接腳上。
5.如權(quán)利要求3所述的半導(dǎo)體功率元件裝置，其中第一導(dǎo)線架的一端延伸出一用于固定的設(shè)接面。
6.如權(quán)利要求3所述的半導(dǎo)體功率元件裝置，其中第一、第二功率元件的柵極與源極接點(diǎn)，及第一與第二導(dǎo)線架的搭接面上，通過金屬焊接材料焊接形成并聯(lián)結(jié)構(gòu)。
7.如權(quán)利要求3所述的半導(dǎo)體功率元件裝置，其中功率元件包括功率二極管，整流器，垂直式及平面式功率金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管，雙極性面結(jié)型晶體管以及絕緣柵極雙極性晶體管。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于降低導(dǎo)通電阻，提高導(dǎo)通電流及增加散熱效率的半導(dǎo)體功率元件裝置及封裝方法，該裝置將連接在第一、第二金屬導(dǎo)線架上的第一、第二兩個(gè)垂直式功率元件并聯(lián)連接，兩導(dǎo)線架搭接成的上、下雙金屬板，擴(kuò)大了散熱的封裝表面，該半導(dǎo)體功率元件裝置可以使導(dǎo)通電阻值降低二分之一，并聯(lián)電路所能承受的電流流經(jīng)值加倍，并提高了散熱效率，節(jié)省了封裝空間。
文檔編號(hào)H01L21/02GK1472784SQ0212699
公開日2004年2月4日 申請(qǐng)日期2002年7月30日 優(yōu)先權(quán)日2002年7月30日
發(fā)明者蘇玉昆 申請(qǐng)人:華瑞股份有限公司