包含絕緣體上硅的半導(dǎo)體封裝體的制作方法
【專利摘要】來自絕緣體上硅（SOI）芯片的熱傳遞通過在半導(dǎo)體封裝體中以引線框上凸塊方式安裝芯片而得到改善，連接SOI芯片的有源層到金屬引線的焊料或其它金屬凸塊用于將封裝體安裝在印刷電路板或其它支撐結(jié)構(gòu)上。
【專利說明】包含絕緣體上硅的半導(dǎo)體封裝體
[0001]相關(guān)申請的交叉引用
[0002]本申請涉及2006年5月2日提交的名稱為“Bump-on-Leadframe (BOL) PackageTechnology with Reduced Parasitics”的申請 N0.11/381，292,通過引用其全文合并于本文。
【背景技術(shù)】
[0003]絕緣體上硅半導(dǎo)體芯片可用于希望它在芯片中形成的半導(dǎo)體器件之間提供非常有效的絕緣屏障的應(yīng)用。絕緣體上硅(SOI)芯片由三層組成:(I)有源層，其中形成半導(dǎo)體器件，(2)絕緣層，以及(3)處理層。絕緣層夾設(shè)在有源層和處理層之間。有源層和處理層由硅形成；絕緣層通常由二氧化硅(常常簡稱為〃氧化物〃)形成。絕緣層還可由熱生長氧化物和沉積玻璃或氧化物的夾層組成。處理層通常是三層中最厚的。因為有緣層和處理層由硅形成，并且因此具有相同的溫度膨脹系數(shù)，所以芯片是非常熱穩(wěn)定的。此外，因為絕緣層提供很強的絕緣屏障，所以有源層中形成的器件可采用延伸通過有源層的隔離結(jié)構(gòu)非常有效地彼此電絕緣。
[0004]圖1A示出了包含SOI芯片3的常規(guī)SOT-狀半導(dǎo)體封裝體I的截面圖。SOT或〃小外形晶體管"是工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)封裝體，用在離散晶體管或低引腳數(shù)集成電路的封裝體中。SOI芯片3包括有源層3A、絕緣層31和處理層3H。SOI芯片3通過處理層3H的暴露表面安裝到引線2B。有源層3A中的器件(未示出)通過有源層3A的表面上的接觸焊盤(未示出)且通過焊線4A和4B電連接到引線2A和2B。〃鷗翼〃狀引線2A和2B從模塑料5突出，引線2A和2B的下表面安裝到印刷電路板(PCB) 6。
[0005]圖1B示出了包含SOI芯片13的常規(guī)雙無引線(DFN)半導(dǎo)體封裝體11的截面圖。SOI芯片13包括有源層13A、絕緣層131和處理層13H。SOI芯片13通過處理層13H的暴露表面安裝到散熱塊12B。有源層13A中的器件(未示出)通過有源層13A的表面上的接觸焊盤(未示出)且通過焊線14A和14B電連接到引線12A和12C。弓丨線12A和12C的外表面與模塑料15的側(cè)表面和底表面共面，即，與圖1A中的引線2A和2B不同，引線12A和12C不從模塑料15突出。引線12A和12C的下表面以及散熱塊12B用于安裝封裝體11到PCB16。
[0006]但是，SOI芯片的良好電絕緣特性產(chǎn)生了熱問題，其中有源層中形成的器件產(chǎn)生的熱被絕緣層阻擋。例如，在封裝體I和11中，SOI芯片3和13的有源層由絕緣層和處理層(焊線通常非常薄且不能傳遞大量的熱)與引線物理隔離和熱隔離。用于絕緣層的諸如二氧化硅的材料通常是良好的熱絕緣體。結(jié)果，有源層中的溫度可達到不可接受的高水平，并且可能損壞或者破壞SOI芯片中形成的器件。
[0007]因此，為SOI芯片提供半導(dǎo)體封裝體以利去除芯片中半導(dǎo)體器件產(chǎn)生的熱量是非常有用的。這樣的解決方案從電和熱兩者角度看可使SOI芯片延長其潛在的壽命。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]根據(jù)本發(fā)明的半導(dǎo)體封裝體，絕緣體上硅(SOI)芯片以引線框上凸塊(BOL)或〃倒裝芯片"方式定向，其有源層面對引線和焊料或其它金屬凸塊，以在有源層的表面連接接觸焊盤與引線。焊料可包括合金、諸如鉛-錫(Pb-Sn)或錫-銀(Sn-Ag)金屬的二元或三元化合物，或者可包括任何軟金屬，例如金、銀或錫。這形成了有源層中產(chǎn)生的熱可容易傳遞到印刷電路板或者其上安裝有封裝體的其它結(jié)構(gòu)的熱通道。
[0009]本發(fā)明可應(yīng)用于廣泛種類的封裝體，包括SOT-狀和DFN封裝體。
[0010]在某些實施例中，SOI芯片的有源層通過絕緣溝槽分成熱島，每個熱島通過一個或多個焊料塊連接到引線。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0011]通過參考下面的附圖將更好地理解本發(fā)明，附圖不必按比例繪制，且其中相同的部件具有類似的附圖標(biāo)記。
[0012]圖1A示出了常規(guī)的包含絕緣體上硅(SOI)芯片的SOT-狀封裝體的截面圖。
[0013]圖1B示出了常規(guī)的包含SOI芯片的DFN封裝體的截面圖。
[0014]圖2A示出了模塑的SOT-狀半導(dǎo)體封裝體的截面圖，其包含引線框上凸塊(BOL)安裝的SOI芯片，其中沒有散熱塊。
[0015]圖2B示出了雙平面無弓I線(DFN)半導(dǎo)體封裝體的截面圖，其包含BOL-安裝的SOI芯片，其中沒有散熱塊。
[0016]圖3A示出了模塑的SOT-狀半導(dǎo)體封裝體的截面圖，其包含BOL-安裝的SOI芯片，其中具有暴露的散熱塊。
[0017]圖3B示出了雙平面無弓I線(DFN)半導(dǎo)體封裝體的截面圖，其包含BOL-安裝的SOI芯片，其中具有暴露的散熱塊。
[0018]圖4是圖3B所示DFN封裝體的更加詳細的截面圖。
[0019]圖5是圖3B的封裝體中的SOI芯片的平面圖，示出了由溝槽隔離的熱島以及從每個熱島延伸的一個或多個熱通孔。
【具體實施方式】
[0020]圖2A示出了根據(jù)本發(fā)明的模塑SOT-狀封裝體30。封裝體30包含SOI芯片21，SOI芯片21具有處理層22、絕緣層23和有源層24。SOI芯片21以引線框上凸塊(BOL)或〃倒裝晶片〃方式分別通過凸塊34A和34B安裝在引線2A和2B上。SOI芯片21定向為使有源層24面對引線2A和2B。焊料凸塊34A和34B分別與位于有源層24表面的接觸焊盤25A和25B電接觸且從其向下延伸。焊料凸塊34A和34B可由半導(dǎo)體封裝體中所用的任何類型的焊料制造，例如，鉛-錫(Pb-Sn)或錫-銀(Sn-Ag)焊料，或者諸如純錫(Sn)、純銀(Ag)或金(Au)的軟金屬。
[0021]SOI芯片21、焊料凸塊34A和34B以及部分引線2A和2B包封在模塑料5中，模塑料5 —般由塑料制造?！苞t翼”狀引線2A和2B，通常由諸如鋁的金屬制造，從模塑料5突出且安裝到印刷電路板(PCB) 6。
[0022]有源層24 —般包含多個半導(dǎo)體器件(MOSFETs、雙極晶體管、二極管等)，其某些可在有源層24中的電路運行時產(chǎn)生大量的熱。如圖2A所示，存在兩個熱通道，有源層24中產(chǎn)生的熱可通過其傳導(dǎo)到PCB6:第一通道包括接觸焊盤25A、焊料塊34A和引線2A，以及第二通道包括接觸焊盤25B、焊料塊34B和引線2B。這些熱通道的每一個也可用作連接SOI芯片中的電路與PCB6的電通路。
[0023]封裝體30的傳熱特性遠好于圖1A所示的可比現(xiàn)有技術(shù)封裝體1，因為有兩個高導(dǎo)熱通道，SOI芯片21中產(chǎn)生的熱可通過其傳遞到PCB6。而且，SOI芯片21中產(chǎn)生的某些熱通過輻射和轉(zhuǎn)換從引線2A和2B去除。
[0024]制造封裝體30的工藝是本領(lǐng)域熟知的。在示例性工藝中，焊料球開始設(shè)置在接觸焊盤25A和25B上，并且充分加熱以使焊料粘附到接觸焊盤。焊料球的設(shè)置可通過在芯片上的“模板”掩模滴球而設(shè)置，從而使球僅落在球要與其連接的焊盤的頂部或者恰在其附近的芯片上。然后，SOI芯片21倒轉(zhuǎn)，并且焊料球分別與引線2A和2B接觸，因此其還是引線框的一部分。然后，再一次加熱焊料(回流)，從而使焊料球形成粘合到接觸焊盤25A和引線2A的焊料塊34A和粘合到接觸焊盤25B和引線2B的焊料塊34B。一旦焊料凸塊34A和34B粘合到SOI芯片21和引線2A和2B，則組件通過注塑工藝包封在模塑料5中，然后，引線與引線框中的其它引線分開。
[0025]圖2B示出了安裝在雙無引線(DFN)封裝體40中的SOI芯片21。SOI芯片21分別通過焊料凸塊44A和44B以BOL-方式安裝在引線12A和12B上。焊料凸塊44A和44B分別與接觸焊盤25A和25B電接觸且從其向下延伸。
[0026]SOI芯片21、焊料凸塊44A和44B以及引線12A和12B包封在一般由塑料制造的模塑料15中。與封裝體30中從模塑料5突出的鷗翼狀引線2A和2B不同，引線12A和12B具有與模塑料15的底表面15B共面的底表面12AB和12BB以及與模塑料15的側(cè)表面15A和15C共面的側(cè)表面12AL和12BL。弓丨線12A和12B的底表面12AB和12BB安裝到印刷電路板(PCB) 6。
[0027]如圖2B所示，存在兩個熱通道，有源層24中產(chǎn)生的熱可通過其傳遞到PCB6，第一通道包括接觸焊盤25A、焊料塊44A和引線12A，以及第二通道包括接觸焊盤25B、焊料塊44B和引線12B。這些熱通道的每一個還可用作連接SOI芯片21中的電路與PCB6的電通道。
[0028]封裝體40的熱傳輸特性遠好于如圖1B所示的可比較的現(xiàn)有技術(shù)的封裝體，因為有兩個高導(dǎo)熱通道，SOI芯片21產(chǎn)生的熱可通過其傳遞到PCB6。
[0029]圖3A示出了根據(jù)本發(fā)明的模塑SOT-狀封裝體50。封裝體50包含SOI芯片21A，具有處理層22A、絕緣層23A和有源層24A，還包含暴露的芯片焊盤或散熱塊2C。接觸焊盤25A、25B和25C設(shè)置在有源層24A的暴露的表面處。除了封裝體50中模塑料5的底表面29與引線2A和2B的安裝表面2AM和2BM共面外，封裝體50類似于圖2A所示的封裝體30。在封裝體50中，SOI芯片21A以BOL方式分別通過焊料凸塊34A、34B和34C安裝在引線2A和2B以及散熱塊2C上。焊料凸塊34A、34B和34C分別與設(shè)置在有源層24A表面的接觸焊盤25A、25B和25C電接觸且從接觸焊盤25A、25B和25C向下延伸。
[0030]SOI芯片21A、焊料凸塊34A、34B和34C、散熱塊2C以及引線2A和2B的部分包封在模塑料5中。散熱塊2C具有與模塑料5的底表面29共面且由底表面29圍繞的暴露表面。散熱塊2C的底表面28與PCB6接觸。
[0031]如圖3A所示，存在三個熱通道，有源層24A中產(chǎn)生的熱可通過其傳導(dǎo)到PCB6。第一通道包括接觸焊盤25A、焊料塊34A和引線2A，第二通道包括接觸焊盤25B、焊料塊34B和引線2B，并且第三通道包括接觸焊盤25C、焊料塊34C和散熱塊2C。這些熱通道的每一個還可用作連接SOI芯片中的電路與PCB6的電通路。
[0032]為了利于通過散熱塊2C傳熱，散熱塊2C通過水平橫截面剖取的面積充分大于(例如，三至五倍或更大)引線2A或2B分別通過垂直于引線2A或2B的壁的截面剖取的面積。
[0033]圖3B示出了雙平面無引線(DFN)封裝體60中安裝的SOI芯片21A。除了封裝體60還包含暴露的芯片焊盤或散熱塊12C外，封裝體60類似于圖2B所示的封裝體40。在封裝體60中，SOI芯片21A以BOL方式分別通過焊料凸塊44A、44B和44C安裝在引線12A和12B以及散熱塊12C上。焊料凸塊44A、44B和44C分別與位于有源層24A表面的接觸焊盤25A、25B和25C電接觸且從接觸焊盤25A、25B和25C向下延伸。
[0034]SOI芯片21A、焊料凸塊44A、44B和44C、引線12A和12B以及散熱塊12C包封在模塑料15中。引線12A和12B的底表面12AB和12BB與模塑料15的底表面39共面，且其側(cè)表面12AL和12BL與模塑料15的側(cè)表面15A和15C共面。引線12A和12B的底表面12AB和12BB以及散熱塊12C的底表面38安裝到PCB6。
[0035]如圖3B所示，存在三個熱通道，有源層24A中產(chǎn)生的熱可通過其傳遞到PCB6。第一通道包括接觸焊盤25A、焊料塊44A和引線12A，第二通道包括接觸焊盤25B、焊料塊44B和引線12B，以及第三通道包括接觸焊盤25C、焊料塊44C和散熱塊12C。這些熱通道的每一個還可用作連接SOI芯片2IA中的電路與PCB6的電通路。
[0036]為了利于通過散熱塊12C傳熱，散熱塊12C通過水平截面剖取的面積充分大于(例如，為五倍或更大)引線12A或12B分別通過垂直于引線12A或12B的壁的截面剖取的面積。
[0037]在某些實施例中，SOI芯片的有源層分成〃熱島〃，從而一個熱島中的器件與另一個熱島中器件產(chǎn)生的熱絕緣。圖4是圖3B的DFN封裝體60的詳細剖視圖，示出了有源層24A被絕緣溝槽72A、72B、72C和72D穿過，產(chǎn)生熱島71A、71D和71E。溝槽72A、72B、72C和72D —般填充有絕緣介質(zhì)，例如氧化硅、氮化硅、具有沉積玻璃的熱生長二氧化硅或包含或圍繞沉積的多晶硅層的熱生長二氧化硅。
[0038]圖5是圖3B的封裝體中SOI芯片2IA的平面圖。示出了其上剖取圖4的截面4_4。如所示，溝槽72A、72B、72C和72D的每一個以圍繞熱島的封閉圖的形狀形成，即溝槽72C圍繞熱島71D，溝槽72D圍繞熱島71E，并且雙溝槽72A和72B圍繞熱島71A。熱島71D包含MOSFET Ml，熱島71A包含MOSFET M2和MOSFET M3，并且熱島7IE包含MOSFET M4。還示出了沒有被溝槽72A、72B、72C和72D之一圍繞的內(nèi)島區(qū)域71C。
[0039]結(jié)合參看圖4和5，可見熱島71D通過接觸焊盤25A連接到包括焊料塊44A和引線12A的熱通道，熱島71E通過接觸焊盤25B連接到包括焊料塊44B和引線12B的熱通道，以及熱島7IA通過接觸焊盤25C連接到包括焊料塊44C和散熱塊12C的熱通道。如圖5所示，熱島7IA還經(jīng)由在圖4的截面之外的焊料凸塊44D、44E和44K連接到散熱塊。
[0040]溝槽72A、72B、72C和72D可通過常規(guī)的光刻和蝕刻工藝形成在有源層24A中。例如，溝槽掩模可形成且圖案化在有源層24A的暴露表面上，其在要設(shè)置溝槽的區(qū)域之上具有開口。有源層24A可通過溝槽掩模中的開口蝕刻向下至絕緣層23A，以采用反應(yīng)離子蝕刻形成溝槽，例如采用溴化氫(HBr)或六氟化硫(SF6)或類似的氣體。然后，溝槽被熱氧化，且然后可通過化學(xué)氣相沉積填充諸如二氧化硅的絕緣材料或諸如非摻雜多晶硅的半絕緣材料。如本領(lǐng)域所知，可采用其它的材料或工藝填充溝槽。
[0041]上面的描述旨在示例而不是限制。本發(fā)明的很多選擇性實施例對本領(lǐng)域的技術(shù)人員而言是明顯的。本發(fā)明的一般原理僅限定在所附的權(quán)利要求中。
【權(quán)利要求】
1.一種半導(dǎo)體封裝體，包括: 引線； 絕緣體上硅(SOI)芯片，該SOI芯片包括夾設(shè)在處理層和有源層之間的絕緣層，該SOI芯片以該有源層面對該引線的方式在該封裝體中定向；以及 金屬凸塊，連接該有源層的表面處的接觸焊盤與該引線； 其中該引線的至少一部分、該SOI芯片和該金屬凸塊包封在模塑料中。
2.如權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體封裝體，其中該接觸焊盤形成在該有源層中的熱島中，該熱島由該有源層的表面和該絕緣層之間延伸的至少一個溝槽圍繞，該溝槽填充有電介質(zhì)材料。
3.如權(quán)利要求2所述的半導(dǎo)體封裝體，其中該熱島由雙溝槽圍繞。
4.如權(quán)利要求2所述的半導(dǎo)體封裝體，其中該熱島包含至少一個半導(dǎo)體器件。
5.如權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體封裝體，其中該半導(dǎo)體封裝體包括SOT-狀封裝體，該引線從該模塑料的外表面突出。
6.如權(quán)利要求5所述的半導(dǎo)體封裝體，還包括散熱塊和第二金屬凸塊，該第二金屬凸塊在該有源層的表面處連接第二接觸焊盤與該散熱塊，該散熱塊具有暴露表面，該暴露表面與該模塑料的底表面共面且由該底表面圍繞。
7.如權(quán)利要求6所述的半導(dǎo)體封裝體，其中該散熱塊的水平截面面積為沿著垂直于該引線的側(cè)壁的截面剖取的該引線的面積的至少五倍。
8.如權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體封裝體，其中該半導(dǎo)體封裝體包括DFN-型封裝體，該引線的至少一個表面與該模塑料的外表面共面。
9.如權(quán)利要求8所述的半導(dǎo)體封裝體，還包括散熱塊和第二金屬凸塊，該第二金屬凸塊在該有源層的表面處連接第二接觸焊盤與該散熱塊，該散熱塊具有暴露表面，該暴露表面與該模塑料的底表面共面且由該底表面圍繞。
10.如權(quán)利要求9所述的半導(dǎo)體封裝體，其中該散熱塊的水平截面面積為沿著垂直于該引線的壁的截面剖取的面積至少五倍。
11.如權(quán)利要求9所述的半導(dǎo)體封裝體，其中該接觸焊盤形成在該有源層的熱島中，該熱島由該有源層的表面和該絕緣層之間延伸的至少一個溝槽圍繞，該溝槽填充有電介質(zhì)材料，并且其中該第二接觸焊盤形成在該有源層的第二熱島中，該第二熱島由該有源層的該表面和氧化物層之間延伸的至少一個第二溝槽圍繞，該第二溝槽填充有該電介質(zhì)材料。
12.如權(quán)利要求11所述的半導(dǎo)體封裝體，其中該熱島包含至少一個半導(dǎo)體器件。
【文檔編號】H01L21/00GK103890904SQ201280050797
【公開日】2014年6月25日 申請日期:2012年8月12日 優(yōu)先權(quán)日:2011年8月16日
【發(fā)明者】R.K.威廉斯 申請人:先進模擬科技公司