具有引线框架互连结构的半导体封装的制作方法

背景技术：

各种类型的应用需要系统部件之间的低电感电连接。例如，lidar(光检测和测距)是通过采用脉冲激光照射目标并且采用传感器测量反射脉冲来测量与目标的距离的应用。lidar具有很多应用，举例来说，包括3d(三维)绘图、自主和非自主机动车辆及非机动车辆、距离测量、激光扫描仪、光纤完整性仪器。例如，可以使用激光返回时间的差异和波长来构建目标的3d表示。对于实时地对目标进行定位和识别的lidar系统而言，必须高频率地执行lidar系统的光发射和感测功能，例如，每秒几百万次(纳秒范围)。lidar系统部件之间的低电感电连接必须满足这样的高频率要求。在另一示例中，在功率模块应用(诸如机动车和太阳能逆变器)中在功率晶体管管芯和用于功率晶体管的驱动器之间需要低电感电连接来提高开关频率能力。

因而，需要一种在封装部件之间具有低电感电连接的半导体封装技术。

技术实现要素：

根据半导体封装的实施例，所述半导体封装包括：包括引线和多个管芯焊盘的引线框架；模制化合物，其部分地包封引线框架，使得引线从模制化合物伸出，并且所述多个管芯焊盘中的至少两个具有处于引线框架的第一侧的未被模制化合物覆盖的表面；附接至所述至少两个管芯焊盘的未被模制化合物覆盖的表面的激光模块，所述激光模块被配置为从半导体封装朝外发射激光；以及驱动器管芯，所述驱动器管芯在引线框架的与第一侧相对的第二侧附接至引线框架，使得激光模块和驱动器管芯按照堆叠布置设置，驱动器管芯被配置为控制所述激光模块。驱动器管芯仅通过引线框架以及将激光模块和驱动器管芯附接至引线框架的任何互连与激光模块直接电通信。

在所述半导体封装的一个实施例中，引线沿模制化合物内的第一平面延伸，并且所述至少两个管芯焊盘沿述模制化合物内的不同于第一平面的第二平面延伸，从而在模制化合物内的至少两个管芯焊盘和引线之间提供台阶。

在所述半导体封装的另一实施例中，引线和至少两个管芯焊盘沿模制化合物中的同一第一平面延伸。

单独地或组合地，模制化合物可以具有延伸到至少两个管芯焊盘的表面的开口，并且激光模块可以被设置在所述开口中。

单独地或者组合地，所述半导体封装还可以包括覆盖激光模块并且填充模制化合物中的开口的透明环氧树脂。

单独地或者组合地，激光模块的厚度可以小于模制化合物中的开口的高度，激光模块的厚度和开口的高度是沿垂直于引线框架的第一侧的方向测量的。

单独地或者组合地，所述半导体封装还可以包括附接至引线框架的第一侧或者附接至引线框架的与第一侧相对的第二侧的一个或多个电容器。

单独地或者组合地，所述一个或多个电容器可以被包封在模制化合物中。

单独地或者组合地，引线框架的第一侧可以不被模制化合物覆盖，使得所述一个或多个电容器不被包封在模制化合物中。

根据制造半导体封装的方法的实施例，所述方法包括：提供包括引线和多个管芯焊盘的引线框架；将引线框架部分地包封在模制化合物中，使得引线从模制化合物伸出，并且多个管芯焊盘中的至少两个具有处于引线框架的第一侧的未被模制化合物覆盖的表面；将激光模块附接至所述至少两个管芯焊盘的未被模制化合物覆盖的表面，激光模块被配置为从半导体封装朝外发射激光；以及在引线框架的与第一侧相对的第二侧将驱动器管芯附接至引线框架，使得激光模块和驱动器管芯按照堆叠布置设置，驱动器管芯被配置为控制激光模块。驱动器管芯仅通过引线框架以及将激光模块和驱动器管芯附接至引线框架的任何互连与激光模块直接电通信。

在所述方法的一个实施例中，引线沿模制化合物内的第一平面延伸，所述至少两个管芯焊盘沿模制化合物内的不同于第一平面的第二平面延伸，从而在模制化合物内的至少两个管芯焊盘和引线之间提供台阶，并且驱动器管芯按照倒装芯片配置附接至引线框架。

在所述方法的另一实施例中，引线和至少两个管芯焊盘沿模制化合物内的同一第一平面延伸，驱动器管芯按照倒装芯片配置附接至引线框架，并且经由注塑膜辅助模制工艺使处于引线框架的第一侧的表面不被模制化合物覆盖。

单独地或者组合地，在注塑膜辅助模制工艺期间在模制化合物中形成开口，所述开口延伸至所述至少两个管芯焊盘的表面，并且其尺寸被设定为容纳激光模块。

单独地或者组合地，所述方法还可以包括采用透明环氧树脂覆盖激光模块并且填充模制化合物中的开口。

单独地或者组合地，所述方法还可以包括将一个或多个电容器附接至引线框架的第一侧或者附接至引线框架的与第一侧相对的第二侧。

根据半导体封装的实施例，所述半导体封装包括：包括引线的引线框架；模制化合物，其部分地包封引线框架，从而使引线从模制化合物伸出；在所述引线框架的第一侧附接至引线框架的功率晶体管管芯；以及驱动器管芯，所述驱动器管芯在引线框架的与第一侧相对的第二侧附接至引线框架，使得功率晶体管管芯和驱动器管芯按照堆叠布置设置，驱动器管芯被配置为控制功率晶体管管芯。驱动器管芯仅通过引线框架以及将功率晶体管管芯和驱动器管芯附接至引线框架的任何互连与功率晶体管管芯直接电通信。

所述半导体封装还可以包括：附接至功率晶体管管芯的背离引线框架的第一侧的一侧的第一金属夹；以及附接至驱动器管芯的背离引线框架的第二侧的一侧的第二金属夹，其中，第一金属夹的背离引线框架的第一侧的表面未被模制化合物覆盖，并且第二金属夹的背离引线框架的第二侧的表面未被模制化合物覆盖，使得所述半导体封装具有经由第一金属夹和第二金属夹的双侧冷却。

根据制造半导体封装的方法的实施例，所述方法包括：提供包括引线的引线框架；将引线框架部分地包封在模制化合物中，从而使引线从所述模制化合物伸出；在引线框架的第一侧将功率晶体管管芯附接至引线框架；以及在引线框架的与第一侧相对的第二侧将驱动器管芯附接至引线框架，使得功率晶体管管芯和驱动器管芯按照堆叠布置设置，驱动器管芯被配置为控制功率晶体管管芯。驱动器管芯仅通过引线框架以及将功率晶体管管芯和驱动器管芯附接至引线框架的任何互连与功率晶体管管芯直接电通信。

在将引线框架部分地包封在模制化合物中之前，所述方法还可以包括将第一金属夹附接到功率晶体管管芯的背离引线框架的第一侧的一侧并且将第二金属夹附接至驱动器管芯的背离引线框架的第二侧的一侧，其中，第一金属夹的背离引线框架的第一侧的表面未被模制化合物覆盖，并且第二金属夹的背离引线框架的第二侧的表面未被模制化合物覆盖，使得所述半导体封装具有经由第一金属夹和第二金属夹的双侧冷却。

单独地或者组合地，驱动器管芯和功率晶体管管芯可以均按照电子芯片配置附接至引线框架。

本领域技术人员在阅读了下面的详细描述并且在查看了附图之后将认识到额外的特征和优点。

附图说明

附图中的元件未必是相对于彼此按比例绘制的。类似的附图标记表示对应的类似部分。可以对各种例示实施例中的特征进行组合，除非它们相互排斥。在附图中对实施例给出了图示并且将在下文中的描述中对实施例进行详述。

图1和图2示出了用在lidar以及其他基于激光的对象识别和跟踪应用中的半导体封装的实施例的不同透视图。

图3示出了制造图1和图2所示的半导体封装的方法的实施例的流程图。

图4和图5示出了用在lidar以及其他基于激光的对象识别和跟踪应用中的半导体封装的另一实施例的不同透视图。

图6示出了制造图4和图5所示的半导体封装的方法的实施例的流程图。

图7示出了用在lidar以及其他基于激光的对象识别和跟踪应用中的半导体封装的另一实施例的截面图。

图8示出了用在lidar以及其他基于激光的对象识别和跟踪应用中的半导体封装的另一实施例的截面图。

图9示出了用在功率模块应用中的功率半导体封装的实施例的截面图。

图10示出了制造图9所示的功率半导体封装的方法的实施例的流程图。

具体实施方式

本文描述的实施例提供了一种具有部件的堆叠布置的半导体封装技术。仅通过引线框架以及将部件附接至引线框架的任何互连来提供堆叠部件之间的直接电通信。朝向彼此的部件附接至封装中的单个引线框架/分布(路由)金属层，其允许诸如驱动器、无源部件、激光模块和/或功率器件的部件通过非常短的距离通信，由此降低封装内的寄生电感。本文描述的半导体封装技术取得了一种具有单引线框架路由设计的三维堆叠部件配置，其非常适用于在封装部件之间需要低电感电连接的应用，例如lidar系统、功率半导体模块等。

就lidar系统和其他基于激光的对象识别和跟踪应用而言，半导体封装包括具有引线和多个管芯焊盘(也统称为管芯焊盘)的引线框架以及模制化合物，所述模制化合物部分地包封所述引线框架，使得引线从模制化合物伸出，并且多个管芯焊盘中的至少两个具有处于引线框架的第一侧的未被模制化合物覆盖的表面。激光模块附接到至少两个管芯焊盘的未被模制化合物覆盖的表面。激光模块被配置为从半导体封装向外发射激光。驱动器管芯在引线框架的与第一侧相对的第二侧附接至引线框架，使得激光模块和驱动器管芯按照堆叠布置设置。驱动器管芯被配置为(例如)通过输送激光模块为了实施特定应用进行操作所需的电流来控制器激光模块。驱动器管芯仅通过引线框架以及将激光模块和驱动器管芯附接至引线框架的任何互连(诸如焊料凸点、cu柱等)与激光模块直接电通信。

图1示出了用在lidar以及其他基于激光的对象识别和跟踪应用中的半导体封装100的实施例的顶部透视图。图2示出了没有模制化合物包封物的半导体封装100的侧面透视图。

半导体封装100包括具有引线104和管芯焊盘106的引线框架102。引线框架102是处于封装100内部的金属结构，其用于向封装100内的部件传送信号和电力。模制化合物108部分地包封引线框架102，使得引线104从模制化合物108伸出，并且管芯焊盘106中的至少两个具有处于引线框架102的顶侧112的未被模制化合物108覆盖的表面110。引线104被示为采取例如小外形封装(sop)配置从模制化合物108的相对侧面伸出。引线104可以按照任何典型模制封装配置从模制化合物108伸出，例如，所述配置为sop、诸如四方扁平封装(qfp)、四方扁平无引线(qfn)等的扁平封装配置、诸如单列直插式封装(sip)、双列直插式封装(dip)等的通孔配置。可以使用诸如环氧树脂模制化合物的任何典型的模制化合物作为包封物108。模制化合物通常由包含无机填料、催化剂、阻燃剂、应力改性剂、增粘剂和/或其他添加剂的环氧树脂配制而成。

半导体封装100还包括附接至至少两个管芯焊盘106的未被模制化合物108覆盖的表面110的激光模块114。激光模块114被配置为从半导体封装100向外发射激光。激光模块114可以包括固态激光器、具有在单个脉冲中照亮视场的单个光源的闪光激光器、能够使用由各个天线构成的微阵列照亮任何方向的相控阵列激光器等。激光模块114可以包括1d(一维)或2d(二维)mems反射镜以及用于控制mems反射镜的asic(专用集成电路)或控制器。

驱动器管芯116在引线框架102的底侧118附接至引线框架102，使得激光模块114和驱动器管芯116按照堆叠布置设置。驱动器管芯116被配置为(例如)通过输送激光模块114为了实施特定应用进行操作所需的电流来控制器激光模块114。驱动器管芯116被配置为驱动激光模块114，以产生适于用在lidar以及其他基于激光的对象识别和跟踪应用中的高频激光脉冲(例如，处于纳秒(ns)范围中)。例如，一些lidar应用可以利用在905nm的波长处发射的脉冲激光源，其在5ns到20ns的脉冲宽度具有超过100瓦的光脉冲功率。驱动器管芯116可以由适当的宽带半导体技术(例如gan)制作并且被配置为满足这样的脉冲功率要求和频率要求。例如，驱动器管芯116可以是用于lidar应用的gan激光二极管驱动器。驱动器管芯116可以被配置为满足其他功率要求和频率要求，其取决于将使用半导体封装100的应用，并且可以由除了gan以外的其他半导体技术(诸如si、sic等)制作。

不管所采用的激光模块114和驱动器管芯116的类型如何，驱动器管芯116都仅通过引线框架102和任何互连120与激光模块114直接电通信，例如，所述互连120是焊料凸点、cu柱等，其将激光模块114和驱动器管芯116附接至引线框架102。因而，不使用附加的电连接器(例如，引线接合)在驱动器管芯116和激光模块114之间直接路由信号。借助于这样的通过单个引线框架102提供的直接互联配置，在驱动器管芯116和激光模块114之间提供了低电感电连接，其取得改善的频率响应。

根据图1和图2所示的实施例，引线框架102具有下移(down-set)配置。也就是说，引线104沿模制化合物108内的第一平面a延伸，并且附接至激光模块114的至少两个管芯焊盘106沿模制化合物108内的不同于第一平面a的第二平面b(如图2中朝下的箭头所示)延伸，这导致在模制化合物108内的至少两个管芯焊盘106和引线104之间提供了台阶122。引线框架102可以具有如图1和图2所示的双重下移、单重下移、无下移、或者两重以上的下移，每重“下移”对应于从引线框架102的一个平面向另一平面的过渡(例如，平面“a”和平面“b”之间的过渡表示下移)。

半导体封装100还可以包括附接至引线框架102的顶侧112或底侧118的一个或多个电容器124。例如，一个或多个电容器124可以包括用于功率环的高频电容器和/或用于驱动器管芯116的旁路电容器。一个或多个电容器124可以被包封在图1和图2所示的模制化合物108中。

图3示出了用于制造图1和图2所示的半导体封装100的方法的实施例。所述方法包括使包括多个驱动器管芯的半导体晶片单个化成各个(单独的)管芯(框200)。为单独的驱动器管芯提供引线框架(框210)。每个引线框架(lf)具有被配置为接纳半导体管芯的引线和管芯焊盘。引线框架也具有前文描述的下移配置。单独的驱动器管芯按照倒装芯片配置例如经由焊料凸点、cu柱等在引线框架的底侧附接至每个引线框架的引线(框220)。之后，翻转引线框架，使得引线框架的顶侧朝上(框230)。一个或多个电容器按照倒装芯片配置例如经由焊料凸点、cu柱等在引线框架的顶侧附接至每个引线框架的引线，或者附接至引线框架的底侧(框240)。之后使用(例如)膜辅助模制(fam)工艺将引线框架部分地包封在模制化合物中(框250)。在模制工艺之后，引线从模制化合物伸出，并且管芯焊盘中的至少两个具有处于每个引线框架的顶侧的未被模制化合物覆盖的表面。模制后的主体可以经受诸如化学去毛刺、激光去毛刺等的去毛刺工艺，以便从模制后的部分去除可能在模制工艺期间积聚的毛刺(框260)。之后，将激光模块附接到每个引线框架的至少两个管芯焊盘的未被模制化合物覆盖的表面(框270)。可以作为封装制造工艺的部分将激光模块附接到管芯焊盘的暴露部分上，或者可以(例如)在利用半导体封装的后续制造工艺期间将激光模块附接至暴露的管芯焊盘。

图4示出了用在lidar以及其他基于激光的对象识别和跟踪应用中的半导体封装300的另一实施例的顶部透视图。图5示出了没有模制化合物包封物的半导体封装300的侧视图。

图4和图5所示的实施例与图1和图2所示的实施例类似。然而，不同的是，模制化合物108是使用注塑模制fam工艺形成的，以确保处于引线框架102的第一侧112的将附接激光模块114的表面110不被模制化合物108覆盖。注塑模制fam工艺利用fam工具中的内插件，该内插件在模制后的封装主体中创建开口(窗口302)。开口302的尺寸被设定为容纳激光模块114。激光模块114设置在开口302中并且(例如)通过焊料凸点、cu柱等附接至至少两个管芯焊盘106的通过开口302暴露的表面110。在一个实施例中，激光模块114的厚度(t)小于模制化合物108中的开口302的高度(h)，如图4所示，所述厚度和高度是沿垂直于引线框架102的顶侧112的方向z测量的。

与图1和图2所示的实施例的另一不同之处在于，引线104和附接至激光模块114的至少两个管芯焊盘106可以沿模制化合物108内的同一平面c延伸，如图5所示。利用该配置，在模制化合物108内的管芯焊盘106和引线104之间不提供台阶。

图6示出了制造图4和图5所示的半导体封装300的方法的实施例。所述方法包括使包括多个驱动器管芯的半导体晶片单个化成各个(单独的)管芯(框400)。为单独的驱动器管芯提供引线框架(框410)。每个引线框架(lf)具有被配置为接纳半导体管芯的引线和焊盘。单独的驱动器管芯按照倒装芯片配置经由(例如)焊料凸点、cu柱等在引线框架的底侧附接至每个引线框架的引线，之后使引线框架翻转，从而使引线框架的顶侧朝上，并且将一个或多个电容器按照倒装芯片配置经由(例如)焊料凸点、cu柱等在引线框架的顶侧附接至每个引线框架的引线，或者附接至引线框架的底侧(框420)。之后使用注塑模制fam将引线框架部分地包封在模制化合物中，以在每个模制后的封装主体中创建用于容纳激光模块的开口(窗口)，并且可以使模制后的部分经受去毛刺工艺，例如化学去毛刺、激光去毛刺等，以去除可能在模制工艺期间积聚的毛刺(框430)。在fam工艺之后，引线从模制化合物伸出，并且在每个模制后的封装主体中形成的开口暴露管芯焊盘中的至少两个。之后，将激光模块附接到每个引线框架的至少两个管芯焊盘的通过形成于模制化合物中的开口所暴露的表面(框440)。之后，采用透明环氧树脂(诸如顶部密封、灌注化合物等)覆盖激光模块并且填充模制化合物中的开口(框450)。

图7示出了在采用透明环氧树脂502覆盖激光模块114并且填充模制化合物108中的开口302之后的根据图6的方法制造的半导体封装500的实施例的截面图。透明环氧树脂502仅在最低程度上干扰激光模块114从半导体封装500向外发射的激光。在图7中用虚线示出了所发射的光。半导体封装500可以附接至衬底504，例如，可以形成诸如lidar系统的更大组件的部分的印刷电路板(pcb)。

图8示出了用在lidar以及其他基于激光的对象识别和跟踪应用中的半导体封装600的另一实施例的截面图。图8所示的实施例与图7所示的实施例类似。然而，不同的是，引线框架102的整个顶侧102未被模制化合物108覆盖，使得附接至引线框架102的顶侧112的所有部件都没有模制化合物108，所述部件包括一个或多个电容器124和激光模块114。而且，图8所示的半导体封装600可以包括用于形成处于模制后的封装内部的引线到引线电连接的引线接合602。在图7中，所有的内部电连接都是通过引线框架102提供的。

图9示出了用在诸如机动车、太阳能逆变器等的功率模块应用中的功率半导体封装700的实施例的截面图。功率半导体封装700包括具有引线704的引线框架702以及模制化合物706，模制化合物706部分地包封引线框架702，从而使引线704按照例如sop、qfp、qfn、sip、dip等配置从模制化合物706伸出。可以使用任何典型的模制化合物作为包封物706，例如环氧树脂模制化合物。

功率半导体封装700还包括在引线框架702的一侧710(例如，底侧)附接至引线框架702的功率晶体管管芯708。功率晶体管管芯可以是功率mosfet(金属氧化物半导体场效应晶体管)管芯、igbt(绝缘栅双极型晶体管)管芯、jfet(结型fet)管芯、hemt(高电子迁移率晶体管)管芯等。功率晶体管管芯708包括用作功率电子装置(例如开关模式电源)中的开关或整流器的半导体器件。

功率半导体封装700还包括作为功率晶体管管芯708附接至引线框架702的相对侧714的驱动器管芯712。通过这种方式，使得功率晶体管管芯708和驱动器管芯712按照堆叠布置设置。驱动器管芯712被配置为通过(例如)开启和关闭功率晶体管管芯708中包含的半导体器件而对功率晶体管管芯708进行控制。驱动器管芯712仅通过引线框架702和任何互连716与功率晶体管管芯708直接电通信，例如，所述互连是焊料凸点、cu柱等，其将功率晶体管管芯708和驱动器管芯712附接至引线框架702。借助于通过单个引线框架702提供的这种直接互联配置，在驱动器管芯712和功率晶体管管芯708之间提供了低电感电连接，其取得提高的开关频率能力。

根据一个实施例，功率半导体封装700还包括附接至功率晶体管管芯708的背离引线框架702的一侧的第一金属夹718(例如，cu夹)、以及附接至驱动器管芯712的背离引线框架702的一侧的第二金属夹720(例如，cu夹)。第一金属夹718的背离引线框架702的表面722未被模制化合物706覆盖。第二金属夹720的背离引线框架702的表面724也未被模制化合物706覆盖。借助于该配置，功率半导体封装700具有经由第一金属夹718和第二金属夹720的双侧冷却。通过各组虚线示意性地示出了双侧冷却，其中每组虚线表示功率半导体封装700的散热路径。功率半导体封装700可以附接至衬底726，例如pcb，其可以形成诸如功率模块的更大组件的部分。

图10示出了制造图9所示的半导体封装700的方法的实施例。所述方法包括使包括多个功率晶体管管芯的第一半导体晶片单个化成各个(单独的)晶体管管芯，并且使包括多个功率半导体驱动器管芯的第二半导体晶片单个化成各个驱动器管芯(框800)。为单独的管芯提供引线框架(框810)。每个引线框架(lf)具有被配置为接纳半导体管芯的引线。单独的功率晶体管管芯按照倒装芯片配置例如经由焊料凸点、cu柱等在引线框架的底侧附接至每个引线框架的引线，并且第一金属夹(例如cu夹)附接至每个功率晶体管管芯的背离对应的引线框架的一侧(框820)。之后，翻转引线框架，使得引线框架的相对侧朝上(框830)。单独的驱动器管芯按照倒装芯片配置例如经由焊料凸点、cu柱等在引线框架的顶侧附接至每个引线框架的引线，并且第二金属夹(例如cu夹)附接至每个驱动器管芯的背离对应引线框架的一侧(框840)。之后使用(例如)fam工艺将引线框架部分地包封在模制化合物中(框850)。可以在fam工艺期间使用内插件来确保第一金属夹的背离引线框架的表面不被模制化合物覆盖，并且第二金属夹的背离引线框架的表面不被模制化合物覆盖，从而使半导体封装具有经由第一金属夹和第二金属夹的双侧冷却。模制后的主体可以经受诸如化学去毛刺、激光去毛刺等的去毛刺工艺，以便从模制后的部分去除可能在模制工艺期间积聚的毛刺(框860)。

使用诸如“第一”、“第二”等术语描述各种元件、区域、区段等，而且所述术语并非意在构成限制。在本说明书通篇，类似的术语指代类似的元件。

如本文所用，术语“具有”、“包含”、“包括”等是开放性术语，所述术语指示所陈述的元件或特征的存在，但不排除附加元件或特征。如本文所用，单数冠词意在包含复数以及单数，除非上下文清楚地做出了另外的指示。

尽管在本文中已经对具体的实施例进行了例示和描述，但是本领域普通技术人员将认识到可以针对所图示和描述的具体实施例替换各种各样的替代和/或等价实施方式，而不脱离本发明的范围。本申请意在涵盖本文讨论的具体实施例的任何调整或变化。因此，意在使本发明仅由权利要求及其等价方案限定。