导热电子封装

相关申请交叉引用

本申请是要求于2021年2月18日提交的美国申请第17/179,030号的优先权的国际申请，该申请是2019年5月29日提交的美国申请第16/425,063号的继续部分申请，其要求2018年5月29日提交的美国临时申请第62/677,519号的权益，所述美国临时申请的内容以全文引用的方式并入本文中。

背景技术

对电子器件的封装可用于多种目的。例如，封装可以防止物理损坏和腐蚀，提供电隔离，并且使封装内的电子器件能够散热。由于集成电路(IC)制造的飞速发展以及几乎在所有应用领域(诸如，电力电子、便携式电子器件、消费电子器件、家用电子器件、计算电子器件、汽车、铁路、航空航天和国防、工业驱动器和电机控件、医疗装置等)中不断增长的市场需求，封装变得越来越重要。然而，例如在恶劣的机械、热和电环境中，对这些电子器件的设计和性能要求很苛刻。这可能是由于电子器件的高固有功耗造成的。

电子工业中的封装解决了上述问题，但它们也带来了并入具有一种或多种不同背面电位的多个管芯的挑战。例如，这些封装可以使用块向上(slug-up)表面安装技术(SMT)封装，这种封装对于从管芯到散热器的热路径的性能特性不理想。这些封装可能还需要将外部散热焊盘附接到印刷电路板(PCB)底部的焊盘，并且可以使用标准的引线框架材料作为导热焊盘，从而有可能将散热性能限制在PCB上较大的铜区域。此类配置存在几个缺点。这些缺点可包括但不限于无法最小化从内部管芯散发热量的热路径、内部管芯与连接至散热器的任何外部散热片之间缺乏电隔离，从而阻止散热器保持在非零电位，以及防止封装的完全功率耗散。通过本文所述的方法和系统解决了这些和其他缺点。

发明内容

应当理解，下面的一般描述和下面的详细描述都仅仅是示例性和说明性的，而不是限制性的。提供了用于导热电子封装的方法和系统。

一种设备，包括带有金属基板、导热电介质和多个金属焊盘的电路板。设备还包括多个管芯，其中多个管芯中的每一个管芯耦接到多个金属焊盘中相应的一个金属焊盘，并且多个管芯包括第一管芯和第二管芯。

基于多个管芯中的每一个管芯被耦接到多个金属箔焊盘中相应的一个金属箔焊盘，第一管芯被配置成展现出第一底侧电位，并且第二管芯被配置成展现出第二底侧电位。所述设备进一步被配置成至少经由所述金属基板、所述导热电介质和所述多个金属焊盘将来自所述多个管芯的热量传导离开所述多个管芯。

一种方法包括制造带有金属基板、导热电介质和多个金属焊盘的电路板。该方法还包括用于包括多个管芯的步骤，其中多个管芯中的每一个管芯耦接到多个金属焊盘中相应的金属焊盘，并且多个管芯包括第一管芯和第二管芯。

基于多个管芯中的每一个管芯被耦接到多个金属箔焊盘中相应的一个金属箔焊盘，第一管芯被配置成展现出第一底侧电位，并且第二管芯被配置成展现出第二底侧电位。所述设备进一步被配置成至少经由所述金属基板、所述导热电介质和所述多个金属焊盘将来自所述多个管芯的热量传导离开所述多个管芯。

对附加的优点将在下面的描述中部分地阐述，或者可以通过实践来了解。借助于所附权利要求中特别指出的要素和组合将实现并且获得这些优点。

附图说明

包含在本说明书中并且构成本说明书一部分的附图说明了实施方案，并且与说明书一起用于解释方法和系统的原理：

图1是根据本公开的一个方面的分割焊盘的四方扁平封装(QFP)；

图2是根据本公开的一个方面的轮廓视图；

图3是根据本公开的一个方面的剖视图；

图4是根据本公开的一个方面的等距视图；并且

图5是根据本公开的一个方面的顶视图；

图6是根据本公开的一个方面的示例性管芯配置。

图7A和7B是根据本公开的示例性设备配置。

图8是根据本公开的示例性设备配置。

图9是根据本公开的示例性设备配置。

图10是根据本公开的方法的一个方面的流程图。

具体实施方式

在公开和描述本发明的方法和系统之前，应当理解，这些方法和系统不限于特定的方法、特定的部件或特定的实施方式。还应当理解，本文所使用的术语仅出于描述特定实施方案的目的，而不旨在进行限制。

如说明书和所附权利要求书中所使用的，单数形式“一”(“a”)、“一个”(“an”)和“该”(“the”)包括复数对象，除非上下文另外明确指出。范围可以在本文中表示为从“大约”一个特定值开始和/或到“大约”另一个特定值。当表达这样的范围时，另一个实施方案包括从一个特定值开始和/或到另一个特定值。类似地，当通过使用先行词“大约”将值表示为近似值时，应当理解，特定值形成另一个实施方案。还应当理解，每个范围的端点相对于另一个端点以及独立于另一个端点很明显。

“任选的”或“任选地”是指随后描述的事件或情况可能发生或可能不发生，并且该描述包括所述事件或情况发生的情况和未发生的情况。

在本说明书的具体实施方式和权利要求书中，单词“包括”(“comprise”)和该单词的变体，诸如“包括”(“comprising”和“comprises”)是指“包括但不限于”，并且不旨在排除例如其他部件、整数或步长。“示例性”的意思是“......的示例”，并且不旨在传达一个优选或理想实施方案的指示。“诸如”不是限制性的，而是出于解释的目的。

公开了可用于执行所公开的方法和系统的部件。本文公开了这些和其他部件，并且应当理解，当公开这些部件的组合、子集、交互作用、组等时，虽然可能没有明确公开每个不同的单独和集体组合和排列的具体参考，对于所有方法和系统，每个方法和系统在本文中都被特别考虑和描述。这适用于本申请的所有方面，包括但不限于所公开的方法中的步骤。因此，如果可以执行多种附加步骤，则应当理解，可以用所公开方法的任何特定实施方案或实施方案的组合来执行这些附加步骤中的每一个附加步骤。

通过参考以下对优选实施方案的详细描述和包括在其中的示例，并且参考附图及其之前和之后的描述，可以更容易地理解本方法和系统。

已经进行了某些尝试来实现电子封装内管芯的电隔离。在图1中公开了一种这样的配置。根据本公开的该方面，四方扁平封装(QFP)100的单个暴露的铜焊盘被分成三个单独的焊盘105至107。每个相应的焊盘可以耦接到相应的单独的管芯102至104，这些管芯继而耦接到外部引线101。图1的方面是修改暴露的铜QFP的现有设计来实现管芯的电隔离的尝试，但未能像本公开的某些方面那样实现所需的封装热传导或完全功率耗散。

现在参考根据图2的本公开的一个方面，设备200包括电路板240。根据该方面，电路板240可以是任何类型的电路板，诸如印刷电路板(PCB)、多层PCB、柔性或刚性PC、印刷线路板(PWB)或IMS或绝缘金属衬底电路板，由导电和非导电材料(诸如，FR-4、聚酰亚胺、HTC电介质、铝或铜)的任何组合制成。

同样根据该方面，电路板240还包括金属基板243、导热电介质242和多个金属焊盘241、261、271、281。根据该方面，金属基板243可包括包含任何类型的导电材料的层。例如，1至2毫米厚的铜、铝或其他金属层。金属基板可被配置成与多个金属焊盘电绝缘。同样根据该方面，导热电介质242可包括包含任何类型的非导电或电绝缘材料的层。虽然被描述为电介质材料，但是导热层还可以包括绝缘金属衬底。

再次参考根据图2的本公开的一个方面，电路板240还可以包括多个管芯220至221，其中管芯220至221中的每一个管芯可耦接到多个金属焊盘241、261、271、281中相应的金属焊盘，例如其中每一个金属焊盘包括金属箔。金属箔可以例如由铜、镀铜、金、镀金和任何其他合适的导电材料制成。根据该方面，基于管芯220至221中的每一个管芯耦接到多个金属箔焊盘241、261、271、281中相应的金属箔焊盘，第一管芯220被配置成展现出第一底侧电位，并且第二管芯221被配置成展现出第二底侧电位。例如，根据该方面的第一底侧电位和第二底侧电位可以不同，使得管芯可以例如以不同的电源电压电平或接地参考电平来操作，或者这些电平可以相同。在其他方面，管芯的底侧电位可以三者均不相同、三者均相同、其中两者相同并且另一者不相同，并且可以是任何值，包括零电位。

设备200可以进一步被配置成将热量从管芯220至221传导离开。根据该方面，来自管芯220至221中的热量可以至少经由例如金属基板243、导热电介质242以及多个金属焊盘241、261、271、281进行传导。例如，由于功率耗散或其他原因从管芯220至221产生的热量可以通过导热电介质242，通过金属基板243，从管芯220至221传导到金属焊盘241、261、271、281，并且经由外部散热片244离开设备200，该外部散热片可以是金属基板243的一部分或与该金属基板分开，并且可以耦接到散热器(未示出)。

根据本公开的另一方面，设备200还包括多条引线210至211，所述多条引线可被配置成耦接到第二设备，诸如单独的PCB或其他电子器件，并且耦接到管芯220或管芯221中的至少一个管芯。可经由例如将引线210至211配置为耦接到金属箔焊盘241，261、271、281中的一个或多个金属箔焊盘，继而使这些金属箔焊盘分别经由一个或多条引线接合部260至262耦接到管芯220或管芯221中的一个或多个管芯，将引线210至211电耦接到管芯220或管芯221中的一个或多个管芯。根据图1的方面，引线210可以耦接到金属焊盘281，该金属焊盘可以经由引线接合部262耦接到管芯220。根据该相同的方面，引线211可以耦接到金属焊盘241，该金属焊盘可以经由引线接合部260耦接到管芯221。引线可以例如被耦接到金属焊盘241，该金属焊盘可以经由导电材料(诸如，焊料、烧结的银浆或银填充导电环氧树脂)耦接到管芯221。根据该方面，引线210至211可以进一步被配置成物理地耦接到或穿过非导电壳体250，该非导电壳体被配置成至少部分地包封电路板240。壳体材料可以是例如塑料、陶瓷、金属等。例如，非导电壳体250可包括塑料或其他绝缘或非导电材料，该塑料或其他绝缘或非导电材料被配置成包封电路板240的侧面，同时使金属基板243暴露，并且还可以包括可以包封设备的底部部分的塑料盖251。或者塑料壳体可以例如填充有非导电封装材料。

多个金属焊盘241、261、271、281还可以包括电隔离的金属焊盘对或金属焊盘集合。在一个方面，第一金属焊盘271和第二金属焊盘261彼此电隔离，并且第三焊盘281和第四焊盘241也彼此电隔离。根据该方面，第一管芯220可被配置成耦接到第一焊盘271、第二焊盘261和第三焊盘281，并且第二管芯221可被配置成耦接到第二焊盘261和第四焊盘241。例如，管芯220至221可被配置成经由一个或多条引线接合部260至262(例如，如在上文和本文所公开的)或经由导电管芯附接材料(诸如，焊料、烧结的银浆或银填充环氧树脂)耦接到金属焊盘。

根据又一方面，设备240的多个金属焊盘241、261、271、281中的每一个金属焊盘可被配置成耦接到多条引线210至211中的至少一条引线，并且多个金属焊盘241、261、271、281中的每一个金属焊盘可以耦接到导热电介质242，而导热电介质242可以耦接到金属基板244。根据另一方面，设备240还可以包括耦接到管芯220至221的散热器(未示出)，其中设备240进一步被配置成将热量从管芯220至221传导至散热器。虽然为了便于说明参照两个管芯220和221描述了设备200，但是本领域的技术人员将理解，设备200可包括任何数量的管芯。

图3和图4根据图2公开了根据各方面的非导电壳体250、350、450和引线210至211、301至303、401至402的配置的各种有利位置。例如，金属基板344、444可位于设备200、300、400的顶部，并且可以用作散热器、外部散热片或用于可连接至散热器的设备的导热焊盘230。散热器可以在设备200、300、400的外部。然后可以根据图2的方面或其他方式来配置或连接管芯320至321、焊盘341至343和引线301至303。在根据图4和图5的方面，除金属基板344、444之外，非导电壳体可包封整个电路板，包括设备的侧面和底部，其中根据图2的方面，设备的底部可包括塑料盖，诸如塑料盖251或非导电环氧树脂或塑料封装。

现在参考图5和图6，设备500和设备600的管芯520至522、620至622还可以包括第三管芯522、622，其中第三管芯522、622被配置成展现出第三底侧电位。第三底侧电位可以与其他两个管芯520至521、620至621的第一底侧电位和第二底侧电位中的一者或两者相同或不同。根据该方面，第一管芯520、620包括集成电路，第二管芯521、621包括NMOS晶体管电路，并且第三管芯522、622包括PMOS晶体管电路。在该配置中，第二管芯和第三管芯521至522、621至622可以用作用于第一管芯520、620的相应的正输出信号和负输出信号的驱动器电路。IC管芯可以半桥或全H桥式开关放大器配置来驱动2至4个NMOS或2至2个NMOS和1至2个PMOS晶体管。可以使用IC管芯和分立半导体部件的任何组合，包括模拟IC、数字IC、混合信号IC或这三者的组合。

图5在示例性实施方案中从至少三个管芯520至522耦接到电路板540的有利位置示出了根据图2的本公开的一个方面。如图5的细节A所示，电路板540可包括三层，诸如金属基板543、电介质层542和金属箔焊盘531至533，其中管芯520至522可耦接到金属箔焊盘531至533中相应的一个金属箔焊盘。根据该方面，设备500包括至少三个管芯520至522，所述至少三个管芯可以分别耦接到金属箔焊盘531至533，其中每个管芯可以彼此电隔离，使得三个管芯520至522可包括不同的或相同的底侧电位。另选地，两个管芯可具有相同的底侧电位，而第三管芯具有不同的底侧电位。

设备500可以进一步被配置成将热量从多个管芯520至522传导离开。根据该方面，来自管芯520至522的热量可以至少经由例如金属基板543、导热电介质542和多个金属焊盘531至533传导。例如，由于功率耗散或其他原因从管芯520至522产生的热量可以通过导热电介质542，通过金属基板543从管芯传导到金属焊盘531至533，并且经由可耦接到散热器(未示出)的外部散热片离开设备500。设备500还可以包括多条引线510至512，所述多条引线可被配置成耦接到第二设备，诸如单独的PCB或其他电子器件，并且耦接到管芯520至522中的至少一个管芯。

现在参考图6，在另选方面，第一管芯620可被配置或制造成定制集成电路(IC)或可编程逻辑装置。例如，第一管芯620可以是微处理器、微控制器、FPGA、DSP、功率放大器、运算放大器、脉宽调制器(PWM)、参考电压、晶体管(例如，NMOS、PMOS、双极结、MOSFET)、模拟、数字、混合信号或任何其他类型的IC。根据一个方面，第二管芯621可包括NMOS晶体管电路，并且第三管芯622可包括PMOS晶体管电路。另选地，可以切换第二管芯621或第三管芯622，使得第二管芯621包括PMOS晶体管电路，并且第三管芯622包括NMOS晶体管电路。第二管芯和第三管芯621至622可包括任何类型的晶体管或相关电路，诸如金属氧化物场效应晶体管、双极结型晶体管、二极管或任何其他类型的半导体装置。根据图6的方面，NMOS管芯621可经由管芯621的NMOS晶体管源电压或电流耦接到第一管芯620的输出端，而PMOS管芯622可经由管芯622的PMOS漏极电压或电流耦接到第一管芯620的输出端。根据该方面，第二管芯和第三管芯621至622可被配置成用于第一管芯620的输出端的输出级电压或电流放大器电路。此外，设备600可包括引线610至611，这些引线可耦接到一个或多个附加部件(例如，IC、晶体管、电阻器、任何电部件等)、设备和/或任何电装置/系统。例如，设备600可电耦接到一个或多个附加部件、设备和/或电装置/系统。

在其他方面，设备600还可以包括附加的管芯，这些附加的管芯可包括一个或多个附加的定制IC、晶体管或分别耦接到附加的金属焊盘的其他类型的半导体装置，这些附加的金属焊盘彼此电隔离并且被配置成经由导热电介质和金属基板将热量从相应的管芯中的每一个管芯传导离开设备。

本文所述的任何设备(例如，设备100至600等)可进一步配置成用于增加相关联电子封装的外部引脚和/或内部引脚和金属基板之间的爬电保护。例如，本文所述的任何设备(例如，设备200、设备500、设备600等)可进一步在其非导电壳体内配置空隙(例如，自由空间区域等)，以人工地拉长电子封装的外部和/或内部引脚和金属基板之间的表面距离。

如本文中所描述，被配置成用于增加相关联电子封装的外部和/或内部引脚和金属基板之间的爬电保护的任何设备(例如，设备100至600等)，通过为设计提供两个益处来改进任何现有配置，例如，增加电压隔离和增加非导电壳体的材料选择。

例如，对于高压电路应用，爬电要求通常比间隙要求更苛刻。对于增加的电压隔离，通过增加如本文所述的任何设备(例如，设备100至600等)的爬电距离大于间隙距离，可在暴露于空气的两个导体之间实现最大理论电压隔离，并且在导电基板和与其结合的电路系统之间提供额外电压隔离。如本文中所描述的任何设备(例如，设备100至600等)的增加的爬电距离对非导电壳体中选择的任何材料所需的爬电距离系数设置较低的阈值-提供此部件的材料选择中的更多灵活性。

图7A和7B示出了配置有爬电沟槽的设备700(例如，设备100至600等)。设备700可以配置有金属基板701、导热电介质材料702、多个金属焊盘703、多个管芯704、非导电壳体705、多条引线706和爬电沟槽707(例如，在非导电壳体705和金属基板701的侧面上等)。爬电沟槽707可以包括在设备700的相对侧(例如，不同侧、第二侧等)上，以进一步将内部引脚与金属基板701隔离。可以在设备700的相对侧上包括爬电沟槽707，以例如形成设备700的封闭的爬电沟槽区域。对于其中使用非导电密封剂材料来底部填充相应电路腔的设备和/或电子封装，第二侧和/或相对的沟槽可以不配置和/或是不必要的。

图7B示出了设备700(例如，设备100至600等)，其配置有非导电壳体705内的爬电沟槽707(例如，空隙区域等)，以人工地拉长设备700的引脚与金属基板701之间的表面距离。示例配置增加了设备700的外部和/或内部引脚与金属基板701之间的爬电距离709(例如，沿着两个导电部分之间的表面的距离等)，以在设备700的设计中引起增加的电压隔离，以及增加非导电壳体702的材料选择。通过增加爬电距离709大于间隙距离708，可以在暴露于空气的任何两个导体之间实现最大理论电压隔离。

对于本文所述的任何设备(例如，设备100至700等)，由于爬电的性质，爬电沟槽可以包括在金属基板和电连接到所述多个管芯的导电元件之间的任何地方。另外，所述沟槽可以倒置。例如，可以将突出的壁添加到壳体以增加爬电和间隙，而不是在壳体中添加空隙。图8示出了具有爬电沟槽和/或空隙区域的设备(例如，设备100至700、设备100至700等)的基板801的实例，以及具有添加到壳体以增加爬电和间隙的突出壁(例如，爬电壁等)的设备(例如，设备100至700等)的基板802的实例。

为了维持用于本文所述的任何设备(例如，设备100至700等)的金属基板的定位，可以在“对齐位置”中去除爬电沟槽。例如，图9示出了在901处，设备900(例如，设备100至700等)的对齐位置置于正方形封装的每个拐角中。一方面，对齐位置可以置于将维持爬电距离的任何地方。此类特征在制造期间定位设备(例如，设备100至700、设备900等)的金属基板，使得在基板定位可影响沟槽宽度的情况下，沟槽宽度是一致的。此类特征还可有助于将引线框与其在多个金属焊盘上的配合位置对准。

现在参考根据图10的一个方面，一种方法可包括步骤1001，用于将电路板配置为包括金属基板、导热电介质、多个金属焊盘和多个管芯。例如，步骤1001可包括制造、生产或使用绝缘金属衬底(IMS)电路板，该IMS电路板包括金属基板、导热电介质和被制造成作为不同的层集成在IMS电路板内的多个金属焊盘。

方法1000还可以包括步骤1002，该步骤用于将多个管芯中的每一个管芯耦接到多个金属焊盘中相应的一个金属焊盘，其中所述多个管芯包括第一管芯和第二管芯。例如，步骤1002可包括将第一管芯和第二管芯焊接(soldering)或以其他方式电耦接到IMS板的金属焊盘。根据其他方面，方法1000可包括以下步骤：将多个金属焊盘配置为包括四个焊盘，其中每个焊盘通过例如被电介质材料分开而彼此电隔离，该电介质材料可以是IMS板或陶瓷衬底的导热电介质层的一部分。根据该方面，该方法可包括将第一管芯配置为全部经由引线接合和/或任何其它电耦接方式耦接到第一焊盘、第二焊盘和第三焊盘，然后第二管芯也可以经由引线接合和/或任何其它电耦接方式耦接到第二焊盘和第四焊盘。然后，焊盘可以通过焊接或焊接在一起或以其他方式电连接而耦接到电路板的至少一条引线。

方法1000还可以包括步骤1003，该步骤用于基于将多个管芯中的每一个管芯耦接到相应的一个管芯而将第一管芯配置为展现出第一底侧电位，并且将第二管芯配置为展现出第二底侧电位。耦接到第一管芯的金属焊盘可以耦接到第一引线，该第一引线耦接到用于生成第一底侧电位的第一外部源，并且耦接到第二管芯的金属焊盘可以耦接到第二引线，该第二引线耦接到用于生成第二底侧电位的第二外部源。根据一个方面，第一管芯的第一底侧电位和第二管芯的第二底侧电位可具有不同的值。电路板可以将热量从多个管芯传导离开。例如，热量经由金属基板、导热电介质和多个金属焊盘从第一管芯和第二管芯耗散。根据该方面，例如，电路板的层可以被构造或布置成使得从第一管芯和第二管芯耗散的功率可以从管芯通过导热电介质热传导到金属焊盘，然后通过金属基板从电路板离开并且进入外部散热器。

根据其他方面，方法1000还可以包括用于通过焊接或以其他方式电耦接将引线配置为耦接到第二设备和管芯中的至少一个管芯的步骤。该方法还可以包括用于配置非导电壳体诸如塑料，以至少部分地包封电路板的步骤。该方法还可以包括以下步骤：将金属基板配置为与多个金属焊盘电隔离，诸如通过在它们之间包括电介质材料，并且使每个金属焊盘由箔或其他导电材料制成。

非导电壳体可以被配置成至少部分地包封所述电路板。非导电壳体可配置有在电路板的引线(例如，多条引线)与金属基板之间的空隙。空隙可以人工地拉长电路板的引线与金属基板之间的表面距离，以增加引线与金属基板之间的爬电距离(沿着两个导电部分之间的表面的距离)。空隙导致非导电壳体的电压隔离增加和材料选择增加。

根据本公开的又一方面，方法1000还可以包括以下步骤：将散热器配置为耦接到管芯，并且进一步将电路板配置为将热量从管芯传导至散热器。例如，散热器可以是用于吸收来自管芯的过多或不希望的热量的装置或物质，管芯可以采用风扇冷却、液体冷却、冷却板、珀尔帖冷却装置或热导管，并且可以由铝、铜或其他导热材料制成。根据另一方面，方法1000还可以包括用于配置第三管芯以展现出与第一管芯和第二管芯的底侧电位可以不同或相同的第三底侧电位的步骤。根据该方面，第一管芯可以是被焊接或以其他方式电耦接到焊盘的定制IC或其他半导体或电子电路。同样根据该方面，第二管芯可以是NMOS晶体管或任何其他类型的晶体管或电子电路，并且第三管芯可以是PMOS晶体管或任何其他类型的晶体管或电子电路。

虽然已经结合优选实施方案和特定示例描述了方法和系统，但是并不旨在将范围限于所阐述的特定实施方案，因为本文的实施方案在所有方面都旨在是示例性而非限制性的。

除非另有明确说明，否则决不旨在将本文阐述的任何方法解释为要求其步骤以特定顺序执行。因此，在方法权利要求没有实际列举其步骤要遵循的顺序的情况下，或者在权利要求书或说明书中没有特别声明步骤应限于特定顺序的情况下，则无论如何在任何情况下都不旨在可以推断出顺序。这适用于任何可能的非表达的解释基础，包括：有关步骤安排或操作流程的逻辑问题；源自语法组织或标点符号的简单含义；说明书中描述的实施方案的数量或类型。

对于本领域的技术人员将显而易见的是，在不脱离本发明范围或精神的情况下可以进行各种修改和变型。通过考虑本文所公开的说明书和实践，其他实施方案对于本领域的技术人员将是显而易见的。说明书和示例旨在仅被认为是示例性的，真实的范围和精神由所附权利要求书指示。