用于嵌入式半导体芯片和功率转换器的硅封装制造技术

在所描述的示例中，封装晶体管器件(100)包括半导体芯片(101)，其包括具有分布在第一芯片侧和相对的第二芯片侧上的端子的晶体管；以及被配置为脊部(111)的低级硅(l‑g‑Si)的平板(110)，该脊部构成包括适于容纳芯片的凹陷中心区域的凹部，该脊部具有在第一平面中的第一表面，并且该凹陷中心区域具有在第二平面中的第二表面，该第二平面与第一平面间隔开至少等于芯片厚度的深度(112)，该脊部由器件端子(120、121)覆盖，该器件端子连接到附接有第一芯片侧的端子的中心区域中的附接焊盘，使得相对的第二芯片侧的端子(103)与平板脊部上的器件端子共面。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于嵌入式半导体芯片和功率转换器的硅封装
本专利技术大体涉及半导体器件和工艺，并且更具体地涉及用于嵌入式半导体晶体管芯片和嵌入式功率转换器的低级硅封装的结构和晶圆规模制造方法。
技术介绍
在大多数现今的半导体器件中，半导体芯片通常组装在基板诸如金属引线框或多级叠层上，并且包封在坚固材料诸如陶瓷或硬化塑料化合物的封装中。组装过程通常包括将芯片附接到基板焊盘或引线框焊盘的过程，以及使用接合线或焊球将芯片端子连接到基板引线的过程。使用广泛不同的材料(诸如金属、陶瓷和塑料)会对相互的部件粘附造成挑战，并且对于长期的器件稳定性也是如此。示例是相邻部件的分层。对于塑料封装的半导体器件，广泛的研究一直致力于确定器件可靠性问题的纠正措施，该可靠性问题由于热膨胀系数的基于材料的不匹配的热机械应力而引起。由于应力作用引起的退化可以减轻，但不能消除。而且，塑料封装的器件中的电气特性与水分有关的退化已被很好地记录下来，但是已被控制到仅一定程度。已经进行了进一步的努力，以防止在操作温度偏移之后的器件中的金属连接中的疲劳和破裂的发生，但是只取得有限的成功。供电电路的热门系列包括用于将直流电压转换为另一直流电压的功率开关器件。对于新兴的功率输送要求，合适的选择包括具有串联连接并由公共开关节点耦合在一起的两个功率MOS场效应晶体管(FET)的功率块；此类组件也称为半桥。当添加调节驱动器和控制器时，该组件被称为功率级，或者更常见地称为同步降压转换器。在同步降压转换器中，控制FET芯片(也称为高侧开关)连接在电源电压VIN和LC输出滤波器之间，并且同步(同步)FET芯片(也称为低侧开关)连接在LC输出滤波器和接地电位之间。控制FET芯片和同步FET芯片的栅极连接到包括用于转换器的驱动器和控制器的电路系统的半导体芯片；该芯片也连接到接地电位。对于现今的许多功率开关器件，功率MOSFET的芯片以及驱动器和控制器IC的芯片作为单独的部件水平并排地组装。每个芯片通常附接到金属引线框的矩形或正方形焊盘，并且焊盘被引线包围作为输出端子。在其他功率开关器件中，功率MOSFET芯片以及驱动器和控制器IC水平并排地组装在单个引线框上，其又在所有四个侧面上被用作器件输出端子的引线围绕。引线通常成形为没有悬臂延伸部，并且以方形扁平无引脚(QFN)或小外形无引脚(SON)器件的方式布置。从芯片到引线的电连接可以通过接合线来提供，其长度和电阻将明显的寄生电感引入到功率电路中。在一些最近推出的高级组装中，夹片(clip)代替许多连接线。这些夹片宽阔并且引入最小的寄生电感，但是比导线接合更昂贵，且需要更复杂的组装过程。每个组件通常封装在塑料包封中，并且封装的部件被用作于供电系统的板组装的分立构建块。在其他最近引入的方案中，控制FET芯片和同步FET芯片作为堆叠被垂直地组装在彼此的顶部上，其中物理上较大面积的芯片(在那两个中)被附接到引线框焊盘，并且夹片提供到开关节点和堆叠顶部的连接。由于考虑了占空比和导通损耗，与物理尺寸无关，同步FET芯片需要比控制FET芯片的有效面积更大的有效面积。当同步芯片和控制芯片都被源极向下地组装起来时，较大的(在物理上和有效面积)同步芯片被组装到引线框焊盘上，并且较小的(在物理上和有效面积)控制芯片的源极连结到同步芯片的漏极，形成开关节点，并且其漏极连结到输入电源VIN；夹片连接到两个芯片之间的开关节点。该焊盘处于接地电位，并用作可操作产生的热量的散热器；堆叠顶部的细长夹片被连结到输入电源VIN。
技术实现思路
在所述示例中，封装的晶体管器件包括半导体芯片，其包括具有分布在第一芯片侧和相对的第二芯片侧上的端子的晶体管；以及低级硅(l-g-Si)的平板(slab)，其被配置为构成凹部的脊部，该凹部包括适于容纳芯片的凹陷的中心区域，该脊部具有在第一平面中的第一表面，并且该凹陷的中心区域具有在第二平面中的第二表面，该第二平面与第一平面间隔开至少等于芯片厚度的深度，该脊部由与中心区域中的附接焊盘连接的器件端子覆盖，该中心区域附接有第一芯片侧的端子，使得相对的第二芯片侧的端子与平板脊部上的器件端子共面。。附图说明图1示出了实施例的透视图，其中硅MOS场效应晶体管(FET)被翻转附接到并被嵌入到硅封装中。图2示出了图1的组装器件的横截面，该组装器件用于未掺杂或弱掺杂的l-g-Si(低级硅)平板。图3示出了图1的组装器件的横截面，该组装器件用于重掺杂的l-g-Si(低级硅)平板。图4A示出了具有多个平板的l-g-Si晶圆的俯视图。图4B示出了在将凹部蚀刻到平板侧面中的过程之后的单个平板的透视图。图5示出了在凹部中和在平板侧面的脊部上的金属图案的透视图。图6示出了在通过锯切过程将分立器件切单(singulate)之前具有多个组装器件的l-g-Si晶圆的横截面。图7示出了根据示例实施例的嵌入l-g-Si平板中并由其封装的功率转换器的透视图。图8示出了根据示例实施例的嵌入l-g-Si平板中并由其封装的另一个功率转换器的透视图。具体实施方式示例实施例显著地改善了半导体晶体管器件、功率块和功率转换器，该改善关于减小寄生电阻和电感、改善热性能和速度、增强潮湿和温度变化的环境中的操作可靠性，以及降低制造成本。将半导体芯片组装在金属载体上并封装在塑料包封中的常规复合封装组合具有广泛不同的热膨胀系数的材料，引起热机械应力的倾向，并且需要冗长、耗时和昂贵的制造流程。示例实施例通过使用封装的结构概念和制造流程来解决半导体封装的材料和成本问题，其采用和并行化常规半导体晶圆制造的批量生产和受控过程。新封装基于使用由低级的并由此低成本的硅(例如，其可从再生的、未精制的和未掺杂的硅获得)的晶圆切割的硅平板。当以晶圆形式处理时，平板获得适合于组装单晶器件芯片的凹部，并且能够用作载体以及最终封装。新封装概念消除了引线框、接合线、夹片、焊球，以及塑料、陶瓷和金属外壳。相反，制造过程使用实践证明可取的前端技术，诸如蚀刻半导体、金属和绝缘体，沉积金属层、绝缘体和钝化，生长绝缘层，以及通过光致抗蚀剂技术图案化。所得到的器件不再遭受不匹配的热膨胀系数，而是允许最小化热机械应力。而且，因为消除了导线接合和夹片，因此寄生电阻和电感被减小。通过将成品器件的芯片直接附接到电路板上，增强了新器件的导热性并且因此增强了新器件的电性能。图1示出了作为示例实施例的器件100，插入并附接到作为封装110的低级硅的平板的半导体芯片101。芯片包括具有分布在第一芯片侧和相对的第二芯片侧上的端子的晶体管。在图1的示例实施例中，半导体芯片101由单晶硅制成，其厚度102例如为50μm；晶体管是MOS场效应晶体管，其源极端子和栅极端子在第一侧上附接到封装，并且漏极端子103在相对的第二侧上且背对着该封装。在其他实施例中，半导体芯片可以由例如硅锗、砷化镓、氮化镓或用作半导体器件材料的其它III-V和II-IV化合物制成。在其它FET实施例中，漏极端子和栅极端子可以在第一侧上并且附接到封装，并且源极端子可以背对着该封装。在另外的实施例中，晶体管可以是双极型晶体管，其具有在第一侧上并且附接到封装的发射极端子和基极端子，以及位于背对着封装的相对的第二侧上的集电极接触件；或者双极型晶体管可以将集电极接触件和基极接触件附接到封装本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种封装晶体管器件，其包括：具有厚度的半导体芯片，所述芯片包括具有分布在第一芯片侧和相对的第二芯片侧上的端子的晶体管；低级硅即l‑g‑Si的平板，其一侧被绝缘层覆盖并被配置为构成凹部的脊部，所述凹部包括适于容纳所述芯片的凹陷的中心区域，所述脊部具有在第一平面中的第一表面并且所述凹陷的中心区域具有在第二平面中的第二表面，所述第二平面与所述第一平面间隔开至少等于所述芯片厚度的深度，所述脊部由被配置为器件端子的金属层覆盖，并且所述中心区域由被配置为所述晶体管端子的附接焊盘的金属层覆盖；以及所述第一芯片侧的所述端子附接到所述中心平板区域的所述焊盘，使得所述相对的第二芯片侧的所述端子与所述平板脊部上的所述器件端子共面，其中所述平板用作所述晶体管器件的所述封装。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2014.11.06 US 14/534,2541.一种封装晶体管器件，其包括：具有厚度的半导体芯片，所述芯片包括具有分布在第一芯片侧和相对的第二芯片侧上的端子的晶体管；低级硅即l-g-Si的平板，其一侧被绝缘层覆盖并被配置为构成凹部的脊部，所述凹部包括适于容纳所述芯片的凹陷的中心区域，所述脊部具有在第一平面中的第一表面并且所述凹陷的中心区域具有在第二平面中的第二表面，所述第二平面与所述第一平面间隔开至少等于所述芯片厚度的深度，所述脊部由被配置为器件端子的金属层覆盖，并且所述中心区域由被配置为所述晶体管端子的附接焊盘的金属层覆盖；以及所述第一芯片侧的所述端子附接到所述中心平板区域的所述焊盘，使得所述相对的第二芯片侧的所述端子与所述平板脊部上的所述器件端子共面，其中所述平板用作所述晶体管器件的所述封装。2.根据权利要求1所述的器件，其中所述晶体管是MOS场效应晶体管即MOSFET，其中所述第一芯片侧上的所述端子为漏极端子，并且所述第二芯片侧上的所述端子为源极端子。3.根据权利要求1所述的器件，其中所述晶体管是双极型晶体管，其中所述第一芯片侧上的所述端子是发射极端子，并且所述第二芯片侧上的所述端子是集电极端子。4.根据权利要求1所述的器件，其中所述第一平面和所述第二平面之间的所述深度由以小于垂直的角度倾斜的所述l-g-Si材料的阶梯进行桥接。5.根据权利要求4所述的器件，其中所述附接焊盘跨所述阶梯导电地连接到所述器件端子，所述连接被钝化层覆盖。6.一种封装电子系统，其包括：具有厚度的第一组半导体芯片和第二组半导体芯片，所述第一组的每个芯片包括具有分布在第一芯片侧和相对的第二芯片侧上的端子的晶体管，所述第二组的每个芯片包括具有在一个芯片侧上的端子的集成电路；低级硅即l-g-Si的平板，其一侧被绝缘层覆盖并被配置为构成凹部的脊部，所述凹部包括适于容纳所述第一组的所述芯片和所述第二组的所述芯片的凹陷的中心区域，所述脊部具有第一平面中的第一表面并且所述凹陷的中心区域具有第二平面中的第二表面，所述第二平面与所述第一平面间隔开至少等于所述芯片的所述厚度的深度，所述脊部由被配置为系统端子的金属层覆盖，所述中心区域由被配置为用于所述晶体管和电路的端子的附接焊盘的金属层覆盖；以及所述第一芯片组的所述第一侧端子和所述第二芯片组的所述电路端子，其附接到所述中心平板区域的所述焊盘，使得所述第一组芯片的所述第二侧的所述端子和所述第二组芯片的所述背侧与所述平板脊部上的所述系统端子共面，其中所述平板用作所述系统的所述封装。7.根据权利要求6所述的系统，其中所述封装的电子系统是功率转换器，其具有作为第一组的低侧芯片和高侧芯片，所述低侧芯片具有漏极向下MOSFET，所述高侧芯片具有源极向下MOSFET，以及作为第二组的芯片，其具有驱动器和控制器电路以及在一侧上的所有端子，所述低侧芯片具有在所述第一芯片侧上的所述漏极端子以及在所述第二芯片侧上的所述源极端子和栅极端子，所述高侧芯片具有在所述第一芯片侧上的所述源极端子以及在所述第二芯片侧上的所述漏极端子和栅极端子。8.根据权利要求6所述的系统，其中所述封装的电子系统是功率转换器，其具有作为第一组的低侧芯片和高侧芯片，所述低侧芯片具有源极向下MOSFET，所述高侧芯片具有漏极向下MOSFET，以及作为第二组的芯片，其具有驱动器和控制器电路以及在一侧上的所有端子，所述低侧芯片具有在所述第一芯片侧上的所述漏极端子和栅极端子以及在所述第二芯片侧上的所述源极端子，所述高侧芯片具有在所述第一芯片侧上的所述源极端子和栅极端子以及在所述第二芯片侧上的所述漏极端子，由此需要翻转所述低侧芯片和所述高侧芯片，以便将所述芯片的所述第一侧端子附接到所述中心平板区域的所述焊盘。9.一种用于制造半导体平板的方法，其包括：提供包括多个平板部位的低级硅即l-g-Si的晶圆，所述晶圆在第一平面中具有表面；在所述表面上形成第一绝缘层，所述层覆盖所有平板部位；从每个平板部位的中心部分去除所述第一绝缘层以暴露所述下面的l-g-Si，在所述周边部位部分上保留未去除的所述第一绝缘层以形成脊部，所述脊部构成每个中心部分；蚀刻每个平板部位的所述中心区域的所暴露的l-g-Si以产生具有第二l-g-Si表面的凹部，所述第二l-g-Si表面具有在从所述第一平面凹陷深度的第二平面中的平坦中心部分，并且产生在所述第一lg-Si表面和所述第二lg-Si表面之间的斜面，由此每个平板适合作为...

【专利技术属性】
技术研发人员：O·J·洛佩兹，J·A·纳奎尔，T·葛瑞布斯，S·J·莫洛伊，
申请(专利权)人：德克萨斯仪器股份有限公司，
类型：发明
国别省市：美国,US