具有改进的管芯附接的晶体管封装制造技术

晶体管设备结构可以包括基台、载体基台上的晶体管设备以及基台和晶体管管芯之间的金属接合层，金属接合堆叠提供晶体管管芯到基台的机械附接。金属接合堆叠可以包括金、锡和镍。金属接合层中镍和锡的组合的重量百分比大于百分之50并且金属接合层中金的重量百分比小于百分之25。于百分之25。于百分之25。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】具有改进的管芯附接的晶体管封装
[0001]优先权声明
[0002]本申请要求于2020年10月30日向美国专利商标局提交的序列号为17/085,386的美国专利申请的优先权，其公开内容通过引用并入本文。


[0003]本公开涉及微电子设备，并且更具体地涉及高功率、高频晶体管和相关的设备封装。

技术介绍

[0004]要求高功率处置能力和/或在诸如R频带(0.5
‑
1GHz)、S频带(3GHz)和X频带(10GHz)之类的高频下操作的电气电路近年来变得越来越流行。特别地，可以对用于放大无线电(包括微波)频率下的射频(RF)信号的RF晶体管放大器有很高的需求。这些RF晶体管放大器可能需要表现出高可靠性、良好的线性度并处置高输出功率水平。即使在RF域之外，其它类型的晶体管设备(包括直流(DC)偏置晶体管放大器和高功率晶体管开关)也可能需要处置高输出功率水平。
[0005]晶体管设备可以在硅中实现或使用宽带隙半导体材料(即，带隙大于1.40eV)(诸如碳化硅(“SiC”)和III族氮化物材料)实现。如本文所使用的，术语“III族氮化物”是指在氮和元素周期表的III族元素(通常是铝(Al)、镓(Ga)和/或铟(In))之间形成的那些半导体化合物。该术语还指三元和四元化合物，诸如AlGaN和AlInGaN。这些化合物具有经验式，其中一摩尔氮与总共一摩尔III族元素结合。
[0006]基于硅的晶体管设备通常使用横向扩散金属氧化物半导体(“LDMOS”)晶体管来实现。硅LDMOS晶体管设备可以表现出高水平的线性度并且制造起来可能相对便宜。基于III族氮化物的晶体管设备通常使用高电子迁移率晶体管(“HEMT”)实现并且主要用在要求高功率和/或高频操作的应用中，其中LDMOS晶体管设备可以具有固有的性能限制。
[0007]晶体管放大器可以包括一个或多个放大级，每个级通常被实现为晶体管放大器。为了增加输出功率和电流处置能力，晶体管放大器通常以“单位单元”构造实现，其中大量个体“单位单元”晶体管电并联布置。晶体管放大器可以被实现为单个集成电路芯片或“管芯”，或者可以包括多个管芯。管芯或芯片可以指一小块半导体材料或在其上制造电子电路元件的其它衬底。当使用多个晶体管放大器管芯时，它们可以串联和/或并联连接。
[0008]晶体管放大器常常包括匹配电路，诸如被设计为改善有源晶体管管芯(例如，包括MOSFET、HEMT、LDMOS等)和与其连接用于基本操作频率的信号的传输线之间的阻抗匹配的阻抗匹配电路，以及被设计为至少部分地终止设备操作期间可能生成的谐波(诸如二阶和三阶谐波)的谐波终止电路。谐波的终止也会影响互调失真产物的产生。
[0009](一个或多个)晶体管放大器管芯以及阻抗匹配和/或谐波终止电路可以被封在集成电路设备封装中。集成电路封装可以指将一个或多个管芯封装在保护管芯免受物理损坏和/或腐蚀并支持用于连接到外部电路的电接触的支撑外壳或封装中。集成电路设备封装
中的输入和输出阻抗匹配电路通常包括提供阻抗匹配电路的至少一部分的LC网络，其被配置为将有源晶体管管芯的阻抗匹配到固定值。封装通常包括其上安装管芯的附接表面或“基台”，密封管芯并保护管芯免受湿气和灰尘颗粒影响的电绝缘密封剂材料(诸如塑料或陶瓷)。导电引线(本文也称为封装引线)可以从封装延伸，并且被用于将晶体管放大器电连接到外部电路元件(诸如输入和输出传输线以及偏置电压源)。
[0010]如上所述，基于III族氮化物的晶体管放大器常常用在高功率和/或高频应用中。通常，在操作期间，(一个或多个)基于III族氮化物的放大器管芯内生成高水平的热量。如果(一个或多个)晶体管放大器管芯变得太热，那么晶体管放大器的性能(例如，输出功率、效率、线性度、增益等)会恶化和/或(一个或多个)晶体管放大器管芯会损坏。因此，基于III族氮化物的晶体管放大器通常安装在可以优化以用于散热的封装中。
[0011]在一些封装设计中，封装的基台包括导热衬底，其也可以被称为“散热块(heat slug)”或“散热器(heat sink)”。封装级散热块被设计为将热量从集成电路带走并引向外部散热器。通常，散热块由导热材料(例如，金属)形成。在一些封装构造中，散热块还用作电端子，其为安装在其上的管芯提供参考电位(例如，接地)。例如，基台可以是CPC(铜、铜
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钼、铜层压结构)或铜凸缘，其提供用于管芯的附接表面和散热块。
[0012]一种半导体封装设计是“露天腔体”或“开放腔体”封装，其中(通常是陶瓷的)盖被放置在金属散热块上。陶瓷盖密封露天腔体，露天腔体包括晶体管放大器管芯和/或其它集成电路以及相关联的电连接。露天腔体陶瓷封装的封装引线可以使用高温钎焊工艺附接到散热块。
[0013]另一种半导体封装设计是模制设计(或“包覆成型”封装)，其中将塑料或其它非导电材料直接模制(例如，通过注射模制或传递模制)到散热块上以形成直接接触并封装晶体管放大器管芯和/或其它集成电路和相关联电连接以及散热块的固体结构。模制塑料封装的封装引线可以使用引线框架附接到散热块，其中包括封装引线的外框架被放置在散热块周围。在管芯附接和线接合之后，塑料密封剂材料被模制在散热块和封装引线周围。

技术实现思路

[0014]根据本公开的一些实施例，晶体管设备结构包括基台上的晶体管管芯和基台与晶体管管芯之间的金属接合层，金属接合堆叠提供晶体管管芯到基台的机械附接。金属接合层包括金、锡和镍，并且其中金属接合层中镍和锡的组合的重量百分比大于百分之50，金属接合层中金的重量百分比小于百分之25。
[0015]在一些实施例中，金属接合层中金的重量百分比小于百分之10。
[0016]在一些实施例中，金属接合层中金的重量百分比小于百分之5。
[0017]在一些实施例中，金属接合层还包括位于包括锡的金属接合层的一部分与晶体管管芯之间的阻挡层。
[0018]在一些实施例中，阻挡层包括铂。
[0019]在一些实施例中，金属接合层在第一方向上位于基台和晶体管管芯之间，并且金属接合层在垂直于第一方向的第二方向上的最长尺寸超过3.5mm。
[0020]在一些实施例中，晶体管设备结构还包括金属接合层和晶体管管芯之间的衬底接触层。
[0021]在一些实施例中，衬底接触层包括厚度在2μm和8μm之间的金层。
[0022]在一些实施例中，晶体管管芯包括衬底、衬底上的沟道层、沟道层上的势垒层以及穿透衬底、沟道层和势垒层的通孔。金属接合层的第一部分位于衬底和基台之间，并且金属接合层的第二部分在通孔的侧壁上。
[0023]在一些实施例中，金属接合层的第一部分的成分与金属接合层的第二部分的成分不同。
[0024]在一些实施例中，衬底包括碳化硅。
[0025]在一些实施例中，晶体管管芯包括栅极端子和漏极端子，并且金属接合层将栅极端子电连接到基台。
[0026]在一些实施例中，晶体管设备结构的操作频率在50本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种晶体管设备结构，包括：基台；基台上的晶体管管芯；以及基台与晶体管管芯之间的金属接合层，金属接合堆叠提供晶体管管芯到基台的机械附接，其中金属接合层包括金、锡和镍，并且其中金属接合层中镍和锡的组合的重量百分比大于百分之50，以及金属接合层中金的重量百分比小于百分之25。2.如权利要求1所述的晶体管设备结构，其中金属接合层中金的重量百分比小于百分之10。3.如权利要求1所述的晶体管设备结构，其中金属接合层中金的重量百分比小于百分之5。4.如权利要求1所述的晶体管设备结构，其中金属接合层还包括位于包括锡的金属接合层的一部分与晶体管管芯之间的阻挡层。5.如权利要求4所述的晶体管设备结构，其中阻挡层包括铂。6.如权利要求1所述的晶体管设备结构，其中金属接合层在第一方向上位于基台和晶体管管芯之间，以及其中金属接合层在垂直于第一方向的第二方向上的最长尺寸超过3.5mm。7.如权利要求1所述的晶体管设备结构，还包括位于金属接合层和晶体管管芯之间的衬底接触层。8.如权利要求7所述的晶体管设备结构，其中衬底接触层包括厚度在2μm和8μm之间的金层。9.如权利要求1所述的晶体管设备结构，其中晶体管管芯包括：衬底；衬底上的沟道层；沟道层上的势垒层；以及通孔，穿透衬底、沟道层和势垒层，其中金属接合层的第一部分位于衬底和基台之间，以及其中金属接合层的第二部分位于通孔的侧壁上。10.如权利要求9所述的晶体管设备结构，其中金属接合层的第一部分的成分与金属接合层的第二部分的成分不同。11.如权利要求9所述的晶体管设备结构，其中衬底包括碳化硅。12.如权利要求1所述的晶体管设备结构，其中晶体管管芯包括栅极端子和漏极端子，以及其中金属接合层将栅极端子电连接到基台。13.如权利要求1所述的晶体管设备结构，其中晶体管设备结构的操作频率在500MHz和75GHz之间。14.如权利要求1所述的晶体管设备结构，其中晶体管设备结构的功率输出在50W和200W之间。15.一种晶体管设备结构，包括：
基台；基台上的晶体管管芯；以及金属接合层，在第一方向上位于基台和晶体管管芯之间，金属接合层提供晶体管管芯到基台的机械附接，其中金属接合层的成分主要包括镍和锡，以及其中金属接合层在垂直于第一方向的第二方向上的最长尺寸超过3.5mm。16.如权利要求15所述的晶体管设备结构，其中金属接合层中镍和锡的组合的重量百分比大于百分之50。17.如权利要求16所述的晶体管设备结构，其中金属接合层还包括金，以及其中金属接合层中金的重量百分比小于百分之10。18.如权利要求15所述的晶体管设备结构，其中金属接合层还包括在金属接合层的锡部分和晶体管管芯之间的阻挡层。19.如权利要求18所述的晶体管设备结构，其中阻挡层包括铂。20.如权利要求15所述的晶体管设备结构，还包括位于基台和金属接合层之间的接触层。21.如权利要求20所述的晶体管设备结构，其中接触层包括厚度在2μm与8μm之间的金层。22.如权利要求15所述的晶体管设备结构，其中晶体管管芯包括：衬底；衬底上的沟道层；沟道层上的势垒层；以及通孔，穿透衬底、沟道层和势垒层，其中金属接合层的第一部分位于衬底和基台之间，以及其中金属接合层的第二部分位于通孔的侧壁上。23.如权利要求22所述的晶体管设备结构，其中金属接合层的第一部分的成分与金属接合层的第二部分的成分不同。24.如权利要求15所述的晶体管设备结构，其中晶体管设备结构的操作频率在500MHz和75GHz之间。25.一种晶体管设备结构，包括：晶体管管芯，包括半导...

【专利技术属性】
技术研发人员：A，
申请(专利权)人：沃孚半导体公司，
类型：发明
国别省市：