半导体管芯的前侧或背侧互连的附加制造

技术领域

本公开涉及一种用于制造半导体管芯封装的方法和一种半导体管芯封装。

背景技术

在半导体功率器件制造领域中，一个日益严重的问题是功率器件产生的热量的有效耗散。随着半导体功率器件的小型化和密度的提高，该问题进一步恶化。例如，尤其是对于厚的引线框架厚度而言，TO封装内的SiC或GaN器件之类的宽带隙半导体确实具有有效的底侧冷却。然而，在(可靠性)短路测试中已经发现，表面温度超过了层堆叠体的熔点，并且由于散热不足够高效，可能会因过热而导致模制化合物劣化。双侧冷却(顶侧和底侧)可以解决此问题。虽然底侧冷却是现有技术，但顶侧冷却还带来一些由设计规则限制所产生的挑战，所述设计规则限制例如是由于电场而导致的可达1000μm的边缘终止部。如果夹具焊接另外需要在源极焊盘周围留出500μm的间隙，则对于小的(缩小的)芯片尺寸，用于冷却的剩余源极焊盘面积变得非常小，和/或合适的夹具变为用于源极/发射极的互连的非常昂贵的解决方案，并且热机械应力达到了极限。

使半导体功率器件、特别是宽带隙半导体功率器件(例如SiC或GaN功率器件)日益小型化的另一个问题是将大量电流传导出功率器件。因此，小源极焊盘面积不仅带来散热不足的问题，而且带来电流过低的问题，因为前侧互连无法处理高电流输出。除此之外，已知宽带隙半导体能够提供例如>100kHz的相当快的开关速度。在高开关速度的情况下，提供低电感的电导体非常重要。因此，期望制造低电感的前侧和背侧互连。

发明内容

本公开的第一方面涉及一种用于制造半导体管芯封装的方法，该方法包括：提供半导体晶体管管芯，该半导体晶体管管芯包括在第一下主面上的第一接触焊盘、以及可能地向上主面上的第二接触焊盘；在第二接触焊盘上制造前侧电导体、以及可能地向第一接触焊盘上制造背侧电导体；以及施加覆盖半导体管芯和前侧电导体的至少一部分的包封体，其中，前侧电导体和/或背侧电导体是通过金属结构的激光辅助结构化来制造的。

本公开的第二方面涉及一种半导体管芯封装，其包括：半导体晶体管管芯，该半导体晶体管管芯可能地包括在第一下主面上的第一接触焊盘和/或在上主面上的第二接触焊盘；电导体，其设置在第二接触焊盘上并且是通过金属材料的激光辅助结构化来制造的；以及包封体，其覆盖半导体管芯以及电导体的至少一部分。

附图说明

包括附图以提供对实施例的进一步理解，并且附图被并入本说明书中并构成本说明书的一部分。附图示出了实施例，并且与说明书一起用于解释实施例的原理。其他实施例和实施例的许多预期优点将易于理解，因为通过参考以下具体实施方式，它们将变得更好理解。

附图的要素不必相对于彼此成比例。类似的附图标记表示对应的相似部分。

图1显示了用于示出根据第一方面的用于制造半导体管芯封装的方法的流程图。

图2包括图2A至图2F，并且示出了根据第一方面的用于制造半导体管芯封装的方法的示例。

图3显示了用于执行根据第一方面的用于制造半导体管芯封装的方法的设备的示例。

图4显示了根据第二方面的半导体管芯封装的示例。

图5显示了根据第二方面的半导体管芯封装的另一示例，其中，已经通过根据第一方面的方法制造了夹具状结构的示例。

图6示出了通过根据第一方面的方法产生的3D结构的示例。

具体实施方式

在下面的具体实施方式中，参考形成其一部分的附图，并且在附图中通过说明的方式示出了可以实践本公开的特定实施例。在这方面，参考正在描述的附图的取向来使用诸如“顶部”、“底部”、“前”，“背”、“前导”、“尾随”等方向性术语。因为实施例的部件可以以许多不同的取向定位，所以方向性术语用于说明的目的，而绝不是限制性的。应当理解，在不脱离本公开的范围的情况下，可以利用其他实施例并且可以进行结构或逻辑上的改变。因此，以下具体实施方式不应被理解为限制性的，并且本公开的范围由所附权利要求限定。

应当理解，除非另外特别指出，否则本文所述的各种示例性实施例的特征可以彼此组合。

如在本说明书中所采用的，术语“接合”、“附接”、“连接”、“耦合”和/或“电连接/电耦合”并不意味着元件或层必须直接接触在一起；可以在“接合”、“附接”、“连接”、“耦合”和/或“电连接/电耦合”的元件之间分别设置中间元件或中间层。然而，根据本公开，上述术语还可以可选地具有特定含义，即元件或层直接接触在一起，即在“接合”、“附接”、“连接”、“耦合”和/或“电连接/电耦合”的元件之间不分别设置中间元件或中间层。

此外，关于形成在表面“之上”或定位于表面“之上”的部分、元件或材料层而使用的词语“之上”在本文中可以用来表示该部分、元件或材料层定位(例如放置、形成、沉积等)为“间接地在”隐含表面“上”，并且在隐含表面与该部分、元件或材料层之间布置有一个或多个附加的部分、元件或层。然而，关于形成在表面“之上”或定位于表面“之上”的部分、元件或材料层而使用的词语“之上”可选地还可以具有以下特定含义：该部分、元件或材料层定位(例如放置、形成、沉积等)为“直接在”隐含表面“上”，例如与隐含表面直接接触。

详细描述

图1显示了用于示出根据第一方面的用于制造半导体管芯封装的方法的流程图。

根据图1，用于制造半导体管芯封装的方法100包括：(110)提供半导体晶体管管芯，该半导体晶体管管芯可能地包括在第一下主面上的第一接触焊盘和/或在上主面上的第二接触焊盘；(120)向第二接触焊盘上制造前侧电导体，以及可能地还向第一接触焊盘上制造背侧电导体；以及(130)施加覆盖半导体管芯和前侧电导体的至少一部分的包封体。

根据图1的方法100的示例，制造前侧电导体和/或背侧电导体包括

i.向第二接触焊盘和/或第一接触焊盘上沉积金属材料，以及

ii.用激光束照射金属材料的至少一部分。

根据其另一示例，该方法还包括：通过将另一金属材料施加到所制造的金属结构上并且用激光束照射该另一金属材料的至少一部分而重复步骤i.和ii.。之后，可以根据需要将步骤i.和ii.重复多次，以便获得电导体的期望结构。因此该方法可以称为加法式制造方法。

根据其另一示例，该方法还包括在激光辅助结构化之后调节金属材料的后处理。这种后处理可以包括例如用于对金属材料进行退火的热处理，以使得可以修复晶体缺陷并且可以优化金属材料的晶粒尺寸。还可以控制金属材料中可能的空隙或缺陷，特别是可以减少空隙或缺陷的数量。

后者至多可以通过图2来解释，图2包括图2A至图2F，显示了半导体管芯以及要在其接触焊盘上建立的结构的示意性截面表示。应该提到的是，图2涉及半导体管芯的第二上表面上的前侧电导体的激光辅助制造。可以执行该相同的过程以代替在半导体管芯的第一下表面上制造背侧电导体，或除了在半导体管芯的第一下表面上制造背侧电导体之外还可以执行该相同的过程。

图2A示出了：半导体管芯22，其包括第一下主面和与第一下主面相对的第二上主面，以及将第一主面和第二主面彼此连接的侧面；以及设置在第二上主面上的接触焊盘22.2、22.3和22.4。半导体管芯22可以是IGBT或MOSFET管芯，并且接触焊盘22.2可以是源极或发射极接触焊盘，并且接触焊盘22.3和22.4可以分别是例如栅极接触焊盘、电流感测接触焊盘或温度感测接触焊盘。应当提及的是，还可以向接触焊盘上施加一个或多个附加金属层，以增大接触焊盘抵抗激光辅助结构化处理的抗应力性。

图2B示出了在向源极接触焊盘22.2的上表面上施加第一量的金属材料23.1(例如，铜)之后的半导体管芯22。如图2B所示，金属材料可以以诸如球或块的部分的形式施加。然而，也可以使用其他施加金属材料的方法，如将结合图3所示出并说明的。

无论如何，金属材料可以被直接施加到源极接触焊盘22.2和/或第一接触焊盘的上表面上，而没有任何焊料层或其他中间层。作为其例外，在特殊情况下，可以在构建该结构之前施加阻挡层或包括两个或更多个阻挡层的阻挡层堆叠体。这将在下面更详细地说明。

图2C示出了在用如箭头指示的强激光束照射金属材料期间的半导体管芯22。激光源可以是例如红外激光器，例如Nd：YAG激光器，其发射红外光谱中的辐射，特别是在1064nm波长处的辐射。激光照射加热金属材料23.1并使之熔化，从而使金属材料23.1的各部分流入彼此中，并且在冷却和固化之后将形成均匀且连贯的金属材料块。

图2D示出了在完成激光照射之后的半导体管芯22。结果，沉积的金属材料23.1已经变成均匀且连贯的金属(特别是铜)材料块23。

图2E示出了在将第二量的金属材料23.2施加到所制造的金属材料23的上表面上之后的半导体管芯22。之后，以与结合图2C示出和解释的相同的方式执行用于照射第二量的金属材料23.2的新的激光照射，并且在此不再示出。

图2F示出了在完成该新的激光照射之后的半导体管芯22。结果，所沉积的金属材料23.2也已经变成均匀且连贯的金属(特别是铜)材料块23。

以这种方式，即通过依次重复施加金属材料并随后用激光束对其进行照射的步骤，可以向接触焊盘上构建或多或少复杂的3D结构。

根据图1或图2所示的方法的示例，可以以这样的方式执行方法100，使得可以以这样的方式构建金属结构，使得其横向尺寸在生长该结构的同时增大。特别地，可以在将另一量的金属材料施加到该结构上的每个步骤中增大横向尺寸。以此方式，即使从相当小尺寸的接触焊盘开始，也可以构建大型3D结构以结合低电感实现改进的散热。

作为进一步的优点，本公开提供了扩展半导体管芯的上表面上的接触焊盘的间距的可能性和/或布置另外的接触焊盘的可能性。通常，本公开允许放宽设计规则。此外，由于金属结构的可压缩性以及一些弹力作用，本公开提供了抵抗z高度变化的更高的鲁棒性。可以自由选择金属材料，而铜是优选的。高宽比和扇出几何形状也可以是可选的。本公开的方法可以进一步用于金属产品和结构的软件定义的制造，也用于数量少的产品。作为本公开的另一优点，该方法允许制造具有圆化的边缘的金属结构，这与例如打孔的其他方法相反，例如打孔的其他方法通常产生相当尖锐的边缘。圆化的拐角对于高压应用非常重要，因为它们可以防止拐角或边缘附近的高电场。

应当进一步注意的是，该方法可以应用于任何种类的半导体材料的半导体芯片。然而，该方法对于宽带隙半导体管芯(例如，SiC半导体管芯或GaN半导体管芯，特别是其功率半导体管芯)而言是特别感兴趣的，因为它们往往非常小，因此接触焊盘也非常小。在小接触焊盘的情况下，在其上构建厚的互连结构以耗散由SiC或GaN功率管芯产生的热量变得非常有利。该方法还可以进一步应用于多管芯应用，即，应用于两个或更多个半导体管芯，并且特别是应用于在半导体管芯之间制造电互连。

根据图1或图2所示的方法的示例，方法100还包括施加包封体，使得金属结构的上表面至少部分地不被包封体覆盖。这是非常有利的，因为在这种情况下，可以在暴露的金属结构的顶部上施加另一散热器，从而允许高效的双侧冷却。替代地或除此之外，可以向金属结构的上表面中构建有源冷却结构。例如，冷却通道可以形成到上表面中，该冷却通道与入口和出口连接，从而可以向冷却通道供应冷却介质。当形成背侧电互连时，也可以采用所有这些措施和特征。

根据图1或图2所示的方法的示例，半导体晶体管管芯包括在第二主面上的一个或多个另外的接触焊盘，其中，该方法还包括通过金属结构的激光辅助结构化在另外一个或多个接触焊盘上也制造电导体。稍后也将示出其示例。

根据图1或图2所示的方法的示例，该方法还包括在制造金属结构之前，将阻挡层或包括两个或更多个阻挡层的阻挡层堆叠体设置到第二接触焊盘和/或第一接触焊盘上。取决于所选择的金属化，在金属化材料和半导体管芯的上表面之间实施这样的阻挡层可能是必要的或期望的。合适的薄层可以是例如Ti、TiN、Ta、TaN、TiW、W或这些材料的堆叠体。

根据第一方面的方法的示例，还可能的是，半导体管芯包括在第一下主面上的接触焊盘，并且在该接触焊盘上制造背侧互连。在这种情况下，可能是向前侧或背侧互连中的任一个或它们两者施加激光辅助结构。

根据第一方面的方法的示例，该方法还包括提供管芯载体并将半导体管芯设置到管芯载体上。例如，可以在通过金属结构的激光辅助结构化制造前侧电导体之前和/或在通过金属结构的激光辅助结构化制造背侧电导体之后，将半导体管芯设置到管芯载体上。

图3示出了用于执行根据第一方面的用于制造半导体管芯封装的方法的设备的示例。

如图3所示的设备30基于供应粉末形式的金属材料。特别地，设备30包括粉末供给构件31，其中，大量的金属粉末设置在平台上，该平台可以连续向上移动。刮板32在平台上方将一部分粉末输送到构建平台33，在此处可以将该部分粉末沉积到接触焊盘上或具有给定几何形状的尚未开发的金属结构上。

还可能是金属材料的球或块被抛到接触焊盘或管芯载体的表面上，然后在飞行中被撞击的激光束熔化。

设备30还包括激光源34和反射镜35或其他种类的偏转单元，以用于将激光束偏转到构建平台33中的至少一部分金属粉末上。反射镜35可以是可旋转的，从而以任何方式将激光束偏转在金属粉末的任何期望区域上。设备30还包括用于收集未使用的金属粉末的溢流容器36。

图4示出了根据第二方面的半导体管芯封装的示例。

图4的半导体管芯封装10包括：管芯载体11；设置在管芯载体11上的半导体晶体管管芯12，半导体晶体管管芯12包括在第一下主面上的第一接触焊盘12.1和在上主面上的第二接触焊盘12.2；设置在第二接触焊盘12.2上并通过金属材料的激光辅助结构化制造的电导体13；以及覆盖管芯载体11、半导体管芯12和电导体13的至少一部分的包封体14。

根据图4的半导体管芯封装10的示例，电导体13直接与第二接触焊盘12.2连接，其间没有另外的层。

根据图4的半导体管芯封装的另一示例，阻挡层设置在第二接触焊盘和半导体管芯12的上主面之间。根据其另一示例，阻挡层包括以下中的一种：Ti、TiN、Ta、TaN、TiW、W或这些材料的任何种类的堆叠体。

根据图4的半导体管芯封装的示例，半导体管芯11是SiC管芯。

根据图4的半导体管芯封装的示例，半导体晶体管管芯11是功率半导体晶体管管芯或晶闸管管芯，所述功率半导体晶体管管芯特别是功率IGBT管芯或功率MOSFET管芯。

根据图4的半导体管芯封装的另一示例，金属结构13的上表面至少部分地未被包封体14覆盖。这允许通过向金属结构13的上表面上施加散热器来进行高效的双侧冷却。

根据图4的半导体管芯封装的另一示例，半导体管芯封装10还包括：半导体晶体管管芯12，该半导体晶体管管芯12包括在上主面上的一个或多个另外的接触焊盘12.3；以及设置在一个或多个另外的接触焊盘12.3上并且也是通过金属结构的激光辅助结构化来制造的电导体15。

根据图4的半导体管芯封装的示例，电导体13可以形成为均质或连续或连贯的，例如如图4的示例所示。即，电导体13的延伸到封装之外的一部分(即延伸到包封体14的侧面之外的一部分)仍然是可以通过加法式制造方法形成的。然而，对于仅通过加法式制造方法制造电导体的第一部分(即与接触焊盘12.2相邻的第一部分)，并且通过其他方法产生电导体13的另外的部分的情况而言，情况也是如此。对于电导体15，这一点也同样适用。下面将示出并说明相应示例。

图5示出了尚未封装的半导体器件的另一示例，其中，已经通过根据第一方面的方法产生了夹具状结构的示例。

管芯载体可以是引线框架、直接铜接合部(DCB)、活性金属钎焊部(AMB)或隔离金属衬底(IMS)的一部分中的任一者。

图5的半导体管芯封装30包括：管芯载体31；设置在管芯载体31上的半导体晶体管管芯32，半导体晶体管管芯32包括在第一下主面上的第一接触焊盘(不可见)和在上主面上的第二接触焊盘(不可见)；设置在第二接触焊盘上并且部分地通过金属材料的激光辅助结构化来制造的电导体33。

在施加包封体以使其覆盖管芯载体31、半导体管芯32和电导体33的至少一部分之后，结果将是根据第二方面的半导体管芯封装。应当注意，半导体管芯封装可以被配置为使得其包含单个分立的半导体管芯以及包含两个或更多个半导体管芯的模块，例如功率模块和智能功率模块。包封体然后可以是树脂，特别是环氧树脂、以及硅酮材料。

电导体33由三部分组成，即直接形成在接触焊盘上的第一部分33.1、夹具状结构的第二部分33.2、以及可以形成外部接触部的第三部分33.3。更具体地，第一部分33.1可以已经通过加法式制造方法形成，并且第二部分33.2(即夹具状结构)也已经通过加法式制造方法形成，并且第三部分33.3(特别是外部接触部33.3)可以是引线框架的部分。特别地，管芯载体31也可以是引线框架的部分，特别是与外部接触部33.3是同一引线框架的部分。

如图4和图5所示的先前示例示出了其中使用加法式制造方法来制造本身均匀且连贯的金属结构的器件。在下文中，将示出利用加法式制造方法还可以产生其他类型的结构。

图6示出了通过根据第一方面的方法产生的特定3D结构的示例。其中示出的3D结构40的具体特征在于它由这样的结构构成：在该结构的一部分中，金属材料不填充半导体管芯的接触焊盘上方的整个空间，而是仅填充可用空间的选择性区域。更具体地，所示的3D结构包括格状结构，即由金属材料的带或条的十字形图案组成的任何可能种类的透雕框架。通过使带或条交叉以形成网格或编织式样而形成格状结构。更具体地，图6所示的3D结构40包括第一邻接部分41，在其上施加了格状部分42，该格状部分42之后又是另一邻接部分43。

当打算将大量的散热器设置在金属结构的上表面上时，使用图6所示的这种结构可能是特别有利的。如果在这种情况下使用如图4或图5所示的电导体的均质或连续金属结构，则散热器可能会引起塑性应变。可以通过晶格的部分的位错或位移的存在来观察该塑性应变。这样的应变效应可能导致材料的不希望的破裂，残余塑性应变也是这种情况。当使用电导体的格状结构时，可以避免所有这些情况，该格状结构可以自身变形而不会发生金属材料本身的任何结构改变。

示例1是一种用于制造半导体管芯封装的方法，该方法包括：提供半导体晶体管管芯，该半导体晶体管管芯可能地包括在第一下主面上的第一接触焊盘和在上主面上的第二接触焊盘；向第二接触焊盘上制造前侧电导体，并且可能地还向第一接触焊盘上制造背侧电导体；以及施加覆盖半导体管芯以及前侧电导体的至少一部分的包封体，其中，前侧电导体和/或背侧电导体是通过金属结构的激光辅助结构化来制造的。

在示例2中，示例1的主题还可以可选地包括：制造前侧电导体和/或背侧电导体包括

i.向第二接触焊盘和/或第一接触焊盘上沉积金属材料，以及

ii.用激光束照射金属材料的至少一部分。

在示例3中，示例1或2的主题可以可选地还包括：通过将另一金属材料施加到所制造的金属结构上并且用激光束照射该另一金属材料的至少一部分来重复步骤i.和ii.。

在示例4中，前述示例中任一项的主题可以可选地还包括：金属材料是以金属粉末或金属球或块的形式沉积的。

在示例5中，前述示例中任一项的主题可以可选地还包括：在制造电导体之前，没有层、特别是没有焊料层被沉积到第二接触焊盘和/或第一接触焊盘上。

在示例6中，前述示例中任一项的主题还可以可选地包括：半导体管芯是宽带隙半导体管芯、SiC管芯或GaN管芯中的一个或多个。

在示例7中，前述示例中任一项的主题还可以可选地包括：半导体晶体管管芯是功率半导体晶体管管芯或晶闸管管芯，所述功率半导体晶体管管芯特别是功率IGBT管芯或功率MOSFET管芯。

在示例8中，前述示例中任一项的主题可以可选地还包括：施加包封体，使得金属结构的上表面至少部分地不被包封体覆盖。

在示例9中，前述示例中任一项的主题可以可选地还包括：半导体晶体管管芯包括在上主面上的一个或多个另外的接触焊盘，其中，该方法还包括：还通过金属结构的激光辅助结构化在一个或多个所述另外的接触焊盘上制造电导体。

在示例10中，前述示例中任一项的主题可以可选地还包括：在制造金属结构之前，将阻挡层或包括两个或更多个阻挡层的阻挡层堆叠体设置到第二接触焊盘和/或第一接触焊盘上。

在示例11中，前述示例中任一项的主题可以可选地还包括：提供管芯载体以及将半导体管芯设置到管芯载体上。

示例12是一种半导体管芯封装，包括：半导体晶体管管芯，该半导体晶体管管芯可能地包括在第一下主面上的第一接触焊盘和/或在上主面上的第二接触焊盘；设置在第二接触焊盘上并通过金属材料的激光辅助结构化来制造的电导体；以及覆盖半导体管芯以及电导体的至少一部分的包封体。

在示例13中，示例12的主题可以可选地还包括管芯载体，其中，半导体管芯设置在管芯载体上。

在示例14中，示例12或13中任一项的主题可以可选地还包括：电导体与第二接触焊盘直接连接，其间没有其他层。

在示例15中，示例12至14中任一项的主题可以可选地还包括：半导体管芯是宽带隙半导体管芯、SiC管芯或GaN管芯中的一个或多个。

在示例16中，示例12至15中任一项的主题可以可选地还包括：半导体晶体管管芯(11；31)是功率半导体晶体管管芯或晶闸管管芯，所述功率半导体晶体管管芯特别是功率IGBT管芯或功率MOSFET管芯。

在示例17中，示例12至16中任一项的主题可以可选地还包括：电导体的上表面至少部分地未被包封体覆盖。

在示例18中，示例12至17中任一项的主题可以可选地还包括：半导体晶体管管芯，该半导体晶体管管芯包括在上主面上的一个或多个另外的接触焊盘；以及在一个或多个所述另外的接触焊盘上并通过金属结构的激光辅助结构化来制造的电导体。

另外，尽管可能已经关于几个实施方式中的仅一个实施方式公开了本公开的实施例的特定特征或方面，但是这种特征或方面可以与其他实施方式的一个或多个其他特征或方面组合，这对于任何给定的或特定的应用可能是期望的且有利的。此外，在具体实施方式或权利要求中使用术语“包含”、“具有”、“带有”或其其他变体的程度上，这种术语旨在以类似于术语“包括”的方式进行包括。此外，应当理解，本公开的实施例可以在分立电路、部分集成电路或完全集成电路或编程装置中实施。同样，术语“示例性”仅意味着示例，而不是最佳或最优。还应当理解，为了简单和易于理解的目的，以相对于彼此的特定尺寸示出了本文所描绘的特征和/或元件，并且实际尺寸可能基本上不同于本文所示出的尺寸。

尽管本文已经示出并描述了具体实施例，但是本领域普通技术人员将理解，在不脱离本公开的范围的情况下，各种替代和/或等效实施方式可以替代所示出并描述的具体实施例。本申请旨在覆盖本文讨论的具体实施例的任何改编或变型。因此，旨在使本公开仅由权利要求及其等同物限制。