具有堆疊的單獨(dú)封裝的功率器件的集成功率組件的制作方法
【專利說(shuō)明】具有堆疊的單獨(dú)封裝的功率器件的集成功率組件
[0001]相關(guān)申請(qǐng)的交叉引用
[0002]本申請(qǐng)要求2014年12月11日提交的、序列號(hào)62/090501的題目為“Package onPackage with Dual Gauge”的臨時(shí)專利申請(qǐng)的權(quán)益和優(yōu)先權(quán)。通過(guò)引用將在該臨時(shí)申請(qǐng)中公開(kāi)的內(nèi)容完全地并入于本申請(qǐng)。
技術(shù)領(lǐng)域
[0003]本公開(kāi)涉及具有堆疊的單獨(dú)封裝的功率器件的集成功率組件。
【背景技術(shù)】
[0004]為了改善功率轉(zhuǎn)換器的形狀因子、電性能和熱性能以及制造成本，經(jīng)常期望將功率轉(zhuǎn)換器電路的部件集成到功率半導(dǎo)體封裝中。現(xiàn)在的功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求在以諸如半橋或共源共柵(cascode)開(kāi)關(guān)的多種配置下封裝不同類型的功率晶體管時(shí)的多功能性和適應(yīng)性。
[0005]在常規(guī)的功率半導(dǎo)體封裝中，單獨(dú)的半導(dǎo)體裸片被并排布置并且通過(guò)它們相應(yīng)的導(dǎo)電夾被耦合到諸如印刷電路板(PCB)的共用的支撐表面。然而，通過(guò)導(dǎo)電夾和PCB在半導(dǎo)體裸片之間的布線可能不期望地增加電阻。此外，單獨(dú)地橫向布置的半導(dǎo)體裸片的形狀因子要求在PCB上保留相當(dāng)大的區(qū)域。而且，功率器件在工作期間經(jīng)常產(chǎn)生顯著的熱量，如果熱量沒(méi)有從功率器件充分地消散，則這可能導(dǎo)致它們的溫度上升到合適的溫度范圍以外。
[0006]因此，在本領(lǐng)域中需要在保持或者改善熱性能、電性能和形狀因子的同時(shí)，提供具有單獨(dú)封裝的功率器件的集成功率組件以在封裝功率器件時(shí)增加功率器件的選擇和多樣性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本公開(kāi)涉及一種基本上如在至少一個(gè)附圖所示和/或結(jié)合至少一個(gè)附圖所描述的并且如在權(quán)利要求中所闡述的、具有堆疊的單獨(dú)封裝的功率器件的集成功率組件。
【附圖說(shuō)明】
[0008]圖1A圖示了根據(jù)本申請(qǐng)的一個(gè)實(shí)施方式的功率轉(zhuǎn)換器的示例性電路圖。
[0009]圖1B圖示了根據(jù)本申請(qǐng)的一個(gè)實(shí)施方式的復(fù)合開(kāi)關(guān)的示例性電路圖。
[0010]圖2A圖示了根據(jù)本申請(qǐng)的一個(gè)實(shí)施方式的功率開(kāi)關(guān)級(jí)的示例性集成功率組件的一部分的橫截面圖。
[0011]圖2B圖示了根據(jù)本申請(qǐng)的一個(gè)實(shí)施方式的功率開(kāi)關(guān)級(jí)的示例性集成功率組件的一部分的橫截面圖。
[0012]圖2C圖示了根據(jù)本申請(qǐng)的一個(gè)實(shí)施方式的功率開(kāi)關(guān)級(jí)的示例性集成功率組件的一部分的橫截面圖。
[0013]圖3圖示了根據(jù)本申請(qǐng)的一個(gè)實(shí)施方式的三相逆變器的透視圖。
[0014]圖4A圖示了根據(jù)本申請(qǐng)的一個(gè)實(shí)施方式的復(fù)合開(kāi)關(guān)的示例性集成功率組件的一部分的橫截面圖。
[0015]圖4B圖示了根據(jù)本申請(qǐng)的一個(gè)實(shí)施方式的復(fù)合開(kāi)關(guān)的示例性集成功率組件的一部分的橫截面圖。
[0016]圖4C圖示了根據(jù)本申請(qǐng)的一個(gè)實(shí)施方式的復(fù)合開(kāi)關(guān)的示例性集成功率組件的一部分的橫截面圖。
【具體實(shí)施方式】
[0017]以下的描述包含關(guān)于本公開(kāi)中的實(shí)施方式的具體信息。本申請(qǐng)中的附圖和它們伴隨的詳細(xì)的描述只針對(duì)示例性的實(shí)施方式。除非另有說(shuō)明，圖中的相同或?qū)?yīng)的元件可以由相同或?qū)?yīng)的附圖標(biāo)記指示。而且，本申請(qǐng)中的附圖和圖示一般是不成比例的并且并不旨在與實(shí)際的相對(duì)尺寸相對(duì)應(yīng)。
[0018]現(xiàn)在參考圖1A，圖1A圖示了根據(jù)本申請(qǐng)的實(shí)施方式的示例性功率轉(zhuǎn)換電路的電路圖。如在圖1A中所示，功率轉(zhuǎn)換電路100包括驅(qū)動(dòng)器集成電路(IC) 110以及具有高側(cè)開(kāi)關(guān)120和低側(cè)開(kāi)關(guān)130的功率開(kāi)關(guān)級(jí)102。驅(qū)動(dòng)器IC 110被配置成提供作為柵極驅(qū)動(dòng)信號(hào)的高側(cè)驅(qū)動(dòng)信號(hào)HO和低側(cè)驅(qū)動(dòng)信號(hào)L0，以驅(qū)動(dòng)功率開(kāi)關(guān)級(jí)102的相應(yīng)的高側(cè)開(kāi)關(guān)120和低側(cè)開(kāi)關(guān)130。在功率開(kāi)關(guān)級(jí)102中，高側(cè)開(kāi)關(guān)120和低側(cè)開(kāi)關(guān)130被耦合在正輸入端子Vinw和負(fù)輸入端子V1^之間并且作為輸出節(jié)點(diǎn)的開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)140在高側(cè)開(kāi)關(guān)120和低側(cè)開(kāi)關(guān)130之間。
[0019]如在圖1A中圖示的，高側(cè)開(kāi)關(guān)120(例如Q1)包括具有漏極122(例如DO、源極124(例如31)和柵極126 (例如6!)的控制晶體管。低側(cè)開(kāi)關(guān)130 (例如Q2)包括具有漏極132(例如D2)、源極134(例如S2)和柵極136(例如G2)的同步(下文中“同步”(sync))晶體管。高側(cè)開(kāi)關(guān)120的漏極122被耦合到正輸入端子VIN(+)，同時(shí)高側(cè)開(kāi)關(guān)120的源極124被耦合到開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)140。高側(cè)開(kāi)關(guān)120的柵極126被耦合到向柵極126提供高側(cè)驅(qū)動(dòng)信號(hào)HO的驅(qū)動(dòng)器IC 110。如在圖1A中圖示的，低側(cè)開(kāi)關(guān)130的漏極132被耦合到開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)140，同時(shí)低側(cè)開(kāi)關(guān)130的源極134被耦合到負(fù)輸入端子VIN(-)。低側(cè)開(kāi)關(guān)130的柵極136被耦合到向柵極136提供低側(cè)驅(qū)動(dòng)信號(hào)LO的驅(qū)動(dòng)器IC 110。
[0020]在實(shí)施方式中，高側(cè)開(kāi)關(guān)120和低側(cè)開(kāi)關(guān)130中的至少一個(gè)包括諸如硅金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管(MOSFET)的IV族半導(dǎo)體器件。在另一實(shí)施方式中，高側(cè)開(kāi)關(guān)120和低側(cè)開(kāi)關(guān)130中的至少一個(gè)包括諸如氮化鎵(GaN)高電子迀移率晶體管(HEMT)的II1-V族半導(dǎo)體器件。在其他實(shí)施方式中，高側(cè)開(kāi)關(guān)120和低側(cè)開(kāi)關(guān)130可以包括諸如雙極結(jié)型晶體管(BJT)和絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)的其他合適的半導(dǎo)體器件。
[0021]在實(shí)施方式中，高側(cè)開(kāi)關(guān)120和低側(cè)開(kāi)關(guān)130(也被分別地稱為功率開(kāi)關(guān)120和功率開(kāi)關(guān)130)均可以包括II1-V族半導(dǎo)體器件(例如III族氮化物晶體管)和IV族半導(dǎo)體器件(例如硅晶體管)。通過(guò)在功率開(kāi)關(guān)級(jí)102中包括至少一個(gè)III族氮化物晶體管，功率轉(zhuǎn)換電路100可以利用由III族-氮化物材料提供的高擊穿電場(chǎng)、高飽和速度和二維電子氣(2DEG)。例如，可能期望該至少一個(gè)III族氮化物晶體管在功率轉(zhuǎn)換電路100中作為增強(qiáng)型器件工作。這可以通過(guò)將諸如耗盡型GaN晶體管的至少一個(gè)III族氮化物晶體管以共源共柵的方式與IV族晶體管耦合以產(chǎn)生諸如在圖1B中的增強(qiáng)型復(fù)合開(kāi)關(guān)142的增強(qiáng)型復(fù)合開(kāi)關(guān)。
[0022]現(xiàn)在參考圖1B，圖1B圖示了根據(jù)本申請(qǐng)的實(shí)施方式的具有與IV族晶體管共源共柵的II1-V族晶體管的復(fù)合晶體管的示例性電路圖。增強(qiáng)型復(fù)合開(kāi)關(guān)142包括復(fù)合源極S1、復(fù)合柵極G1和復(fù)合漏極D1。增強(qiáng)型復(fù)合開(kāi)關(guān)142可以與圖1A中的高側(cè)開(kāi)關(guān)120和低側(cè)開(kāi)關(guān)130中的至少一個(gè)相對(duì)應(yīng)。例如，將一個(gè)增強(qiáng)型復(fù)合開(kāi)關(guān)142作為高側(cè)開(kāi)關(guān)120利用的同時(shí)，將另一增強(qiáng)型復(fù)合開(kāi)關(guān)142作為圖1A中的功率轉(zhuǎn)換電路100中的低側(cè)開(kāi)關(guān)130利用。因此，增強(qiáng)型復(fù)合開(kāi)關(guān)142的復(fù)合源極S1、復(fù)合柵極G1和復(fù)合漏極D1可以分別與高側(cè)開(kāi)關(guān)120的源極124(例如31)、柵極126(例如G1)和漏極122(例如D1)相對(duì)應(yīng)。增強(qiáng)型復(fù)合開(kāi)關(guān)142的復(fù)合源極S1、復(fù)合柵極Gi和復(fù)合漏極Di可以分別與低側(cè)開(kāi)關(guān)130的源極134(例如S2)、柵極136 (例如G2)和漏極132(例如D2)相對(duì)應(yīng)。
[0023]如在圖1B中圖示的，增強(qiáng)型復(fù)合開(kāi)關(guān)142包括與IV族晶體管170共源共柵的II1-V族晶體管160ο例如，II1-V族晶體管160可以是諸如GaN HMET的III族氮化物異質(zhì)結(jié)場(chǎng)效應(yīng)晶體管(HFET)。在本實(shí)施方式中，II1-V族晶體管160是諸如耗盡型GaN晶體管的耗盡型晶體管。IV族晶體管170可以是諸如硅功率MOSFET的硅基功率半導(dǎo)體器件。在本實(shí)施方式中，IV族晶體管170可以是諸如增強(qiáng)型硅晶體管的增強(qiáng)型晶體管。
[0024]如在圖1B中圖示的，II1-V族晶體管160 (例如Q3)包括漏極162 (例如D3)、源極164(例如S3)和柵極166 (例如G3)。IV族晶體管170 (例如Q4)包括漏極17 2 (例如D4)、源極174 (例如S4)和柵極176(例如G4) cJI1-V族晶體管160的漏極162被耦合到復(fù)合漏極Dl，同時(shí)II1-V族晶體管160的源極164被耦合到開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)180。II1-V族晶體管160的柵極166被耦合到IV族晶體管170的源極174。如在圖1B中圖示的，IV族晶體管170的漏極172被耦合到開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)180，同時(shí)IV族晶體管170的源極174被耦合到復(fù)合源極SI。IV族晶體管170的柵極176被耦合到復(fù)合柵極G I。
[0025]在增強(qiáng)型復(fù)合開(kāi)關(guān)142中，IV族晶體管170的漏極172被連接到II1-V族晶體管的源極164使得在反向電壓情況下，兩個(gè)器件都將處于阻斷模式。如所配置的，IV族晶體管170可以是低電壓器件而II1-V族晶體管160可以是高電壓器件。在增強(qiáng)型復(fù)合開(kāi)關(guān)142中，II1-V族晶體管160的柵極166被連接到IV族晶體管170的源極174。因此，在IV族晶體管170的柵極176上沒(méi)有偏置電壓時(shí)，II1-V族晶體管160可以是關(guān)斷的，使得增強(qiáng)型復(fù)合開(kāi)關(guān)142是常關(guān)斷型器件。
[0026]根據(jù)本申請(qǐng)的實(shí)施方式，II1-V族晶體管160和IV族晶體管170可以在集成功率組件中的印刷電路板(PCB)上被耦合到一起。根據(jù)本申請(qǐng)的實(shí)施方式，IV族晶體管170在位于PCB上的IV族半導(dǎo)體裸片上，并且II1-V族晶體管160在位于IV族半導(dǎo)體裸片之上的II1-V族半導(dǎo)體裸片上。在集成功率組件中，II1-V族晶體管160可以被耦合到IV族晶體管170，這樣可以提供降低的形狀因子和增強(qiáng)的熱消散。
[0027]現(xiàn)在參考圖2A，圖2A圖示了根據(jù)本申請(qǐng)的一個(gè)實(shí)施方式的功率開(kāi)關(guān)級(jí)的示例性集成功率組件的一部分的橫截面圖。如在圖2A中圖示的，半導(dǎo)體封裝221包括具有功率開(kāi)關(guān)220的半導(dǎo)體裸片204、具有非刻蝕段254a和非刻蝕段254d以及部分刻蝕段254b和部分刻蝕段254c的引線框架254以及具有部分刻蝕導(dǎo)電夾256a和無(wú)腿導(dǎo)電夾256b的引線框架256。而且，半導(dǎo)體封裝221包括基本覆蓋引線框架254、半導(dǎo)體裸片204和引線框架256的模制化合物292a。
[0028]如在圖2A中圖示的，半導(dǎo)體裸片204包括功率開(kāi)關(guān)220。在實(shí)施方式中，功率開(kāi)關(guān)220可以與圖1A的功率轉(zhuǎn)換電路100中的高側(cè)開(kāi)關(guān)120相對(duì)應(yīng)。功率開(kāi)關(guān)220包括控制晶體管，該控制晶體管具有位于半導(dǎo)體裸片204的上表面上的功率電極222(例如漏極電極)以及位于半導(dǎo)體裸片204的下表面上的功率電極224(例如源極電極)和位于半導(dǎo)體裸片204的下表面上控制電極226(例如柵極電極)。功率開(kāi)關(guān)220的功率電極222和功率電極224和控制電極226均可以包括諸如鈦、銅、鎳或銀的可焊接的前金屬。功率電極222(例如漏極電極)被電耦合以及機(jī)械耦合到引線框架256的無(wú)腿導(dǎo)電夾256b，無(wú)腿導(dǎo)電夾256b又被電耦合以及機(jī)械耦合到引線框架254的非刻蝕段254d。功率開(kāi)關(guān)220的控制電極226(例如柵極電極)和功率電極224(例如源極電極)被分別電耦合以及機(jī)械耦合到引線框架254的部分刻蝕段254b和部分刻蝕段254c。
[0029]如在圖2A中圖示的，模制化合物292a基本覆蓋具有功率開(kāi)關(guān)220的半導(dǎo)體裸片204、具有非刻蝕段254a和254d以及部分