專利名稱：半導體功率元件裝置及其封裝方法
技術領域：
本發明涉及用于降低導通電阻，提高導通電流及增加散熱效率的半導體功率元件裝置及其封裝方法，特別是指一種利用兩個漏級接點分別固定連接在第一、第二金屬導線架上的第一、第二兩個垂直式功率元件，相互重疊連接構成并聯結構，并使該第一、第二導線架搭接成上、下雙金屬板，利用上層金屬板擴大散熱的封裝表面。
背景技術：
臺灣發明專利公告第426850號揭示了一種“瀑布堆棧式晶片模組”，其主要包括一積層板，該積層板上至少具有多個接點；多個晶片，配置于該積層板上，其中每一晶片包括有多個焊墊；一重配置層，配置并電連接于這些焊墊上；一第一絕緣層，配置于上述重配置層與焊墊之間，且通過多個插塞使重配置層與焊墊成電氣性連接；多個凸塊接點，分別配置于重配置層上的第一、第二區域，其中第一、第二區域中的凸塊接點以鏡像方式配置，且每兩個對應的凸塊接點均通過重配層電連接。其中上述晶片分為第一、二列交錯疊合，第一列晶片的第一區域面對第二列晶片的第二區域，而第一列晶片的第二區域面對第二列晶片的第一區域，且相對面的第二區域與第一區域對應的凸塊接點，分別以一導電凸塊連接。另外，二軟片式承載器，分別將該二列芯片的二端的芯片與積層板的接點電連接。
另外，臺灣發明專利公告第423082號揭示了一種“高積體的晶片疊上晶片封裝”，主要包括一晶片疊上晶片模組，該模組設有至少兩個在電氣上連接在一起的作用區的獨立晶片，其中該兩個晶片的作用區系相互面對；以及一晶片疊上晶片組件連接裝置，用以在電氣上將所述晶片連接到外部電路。
目前公知的半導體功率元件裝置，諸如用于高速切換開關元件的功率金屬氧化物半導體場效應晶體管(MOSFET)，用于電力切換開關的絕緣柵極雙極性晶體管(IGBT)，雙極性面結型晶體管(BJT)，功率二極管(DIODE)，或整流器(RECTIFIER)等，傳統的單一功率元件裝置，漏級/源極(或集極/射極)的導通電阻(即，RDS-ON)較大，其相對功率損耗也大，并且伴隨產生較大熱量，進而影響其產品使用壽命。因此，降低導通電阻、提高導通電流及增加散熱效率，提高產品特性，為高功率半導體領域所急欲解決的課題。但如果從傳統電路設計方面著手改善，不但增加功率組件電路及結構的復雜性，且研發時間長、成本非常高。
發明內容
本發明的主要目的在于提供一種降低導通電阻，提高導通電流、增加散熱效率，且節省封裝體積的半導體功率元件裝置。
本發明提供的半導體功率元件裝置包括第一與第二兩個垂直式功率元件，所述功率元件的柵極區與柵極區、源極區與源極區相對應地重疊連接在一起，并接引出有接腳；上述功率元件的漏級，分別連接在第一和第二兩金屬導線架上，其中第一導線架的一端包含有一接腳，第二導線架的一端包含有垂直于該導線架延伸的側壁與平行于該導線架的搭接面，兩導線架搭接成上、下雙金屬板，利用上層金屬板擴大散熱的封裝表面。
本發明的另一目的在于提供一種用于降低導通電阻，提高導通電流及增加散熱效率，并且節省封裝體積的半導體功率元件裝置的封裝方法。
上述封裝方法的步驟包括將第一與第二兩個垂直式功率元件對稱地固定在第一與第二兩導線架上，漏級接點分別與導線架形成電氣性連接；其中第一導線架的一端形成擴大的設接面，另一端延伸出一接腳和兩個分離的接腳；第二導線架的一端包含有垂直于該導線架延伸的側壁與平行于該導線架的搭接面，另一端延伸出一接腳搭接面；將第一功率元件的柵極與源極接點通過金屬線分別與兩個分離的接腳形成電氣性連接；通過錫爐，用錫球移載裝置將錫球移植在第一、第二功率元件的柵極與源極接點，及第一導線架接腳與第二導線架的搭接面上；將第二導線架翻轉連接在第一導線架上，并使第二功率元件與第一功率元件的柵極與柵極、源極與源極接點相對重疊連接；通過烤箱，加熱并加壓使錫球熔融，而使第一、第二功率元件及第一、第二導線架相對焊接在一起；用塑膠鑄模材料封裝，使第一及第二導線架在半導體功率元件裝置表面形成上、下雙金屬板，利用上層金屬板擴大散熱的封裝表面。
本發明將兩個功率元件結合成一個并聯結構的方式，不但制造簡單，且該半導體功率元件裝置的導通電阻值也可降低二分之一，其并聯電路的電流承受值加倍，由兩個導線架構成上、下雙金屬板擴大了散熱的封裝表面，從上層金屬板通過外部空氣散熱的效率達到加倍效果，并且節省封裝空間。
圖1(A)為顯示本發明的半導體功率元件裝置頂面的立體圖。
圖1(B)為顯示本發明的半導體功率元件裝置底面的立體圖。
圖1(C)為顯示本發明的半導體功率元件裝置封裝前的分解狀態立體圖。
圖2為封裝本發明半導體功率元件裝置的中間步驟側視圖，其中塑膠模鑄材料以點劃線表示。
圖3(A)至圖3(E)為本發明半導體功率元件裝置的封裝步驟示意圖。
圖4為本發明半導體功率元件裝置的電子電路圖。
圖5為本發明半導體功率元件裝置的等效電路圖。
圖6為本發明半導體功率元件裝置另一種實施型態示意圖。
圖7為本發明半導體功率元件裝置另一種封裝型態示意圖。
圖8為本發明實施在平面式布局的半導體功率元件裝置的實施型態示意圖。
具體實施例方式
本發明所涉及的半導體功率元件裝置，諸如用于電子電路元件的功率金屬氧化物半導體場效應晶體管，或者絕緣柵極雙極性晶體管等，為垂直式布局，即漏級(Drain)/或集極(Collector)在下面，而源極(Source)/或射極(Emitter)與柵極(Gate)在上面的布局方式，其中該功率元件也可以是二極管、整流器以及雙極性面結型晶體管。以下將配合附圖實施例說明本發明應用于降低導通電阻，提高導通電流及增加散熱效率，并且節省封裝空間的半導體功率元件裝置及其封裝方法。
如圖1(A)至圖1(C)和圖2所示，本發明的半導體功率元件裝置1，其包括第一功率元件Q1與第二兩個功率元件Q2，所述功率元件Q1、Q2的柵極區G1與柵極區G2，源極區S1與源極區S2相對應地重疊連接在一起，并分別連接接腳G、S；上述功率元件Q1、Q2的漏級D1、D2，分別連接在第一金屬導線架10與第二兩金屬導線架20上。其中第一導線架10的一端包含有一接腳D，另一端朝外延伸出固定的設接面11，并設有固定孔12；第二導線架20的一端包含有垂直于該導線架延伸的側壁21和平行于該導線架的搭接面22，與第一導線架10的設接面11搭接，另一端伸設有一接腳D′，與第一導線架10的接腳D搭接。因此，兩個功率元件Q1、Q2實質上結合形成一個并聯結構，并且該第一導線架10及第二導線架20搭接形成上、下雙金屬板，利用上層金屬板擴大散熱的封裝表面。
如圖3(A)至圖3(E)所示，上述半導體功率元件裝置1封裝方法的步驟包括步驟一如圖3(A)所示，先將第一功率元件Q1與第二功率元件Q2對稱地固定在第一導線架10與第二兩導線架20上，漏級接點D1、D2分別與導線架10、20形成電氣性連接；其中第一導線架10的一端延伸出一接腳D和兩個分離的接腳G、S；第二導線架20的一端包含有垂直于該導線架延伸的側壁21和平行于該導線架的搭接面22，另一端延伸出一接腳D′。
步驟二如圖3(B)所示，將第一功率元件Q1的柵極G1與源極S1接點用金屬線分別與接腳G、S形成電氣性連接。
步驟三如圖3(C)所示，通過錫爐，用錫球移載裝置(圖中未示出)將錫球30分別移植在第一、第二功率元件Q1、Q2的柵極G1、G2與源極S1、S2接點，及第一導線架20的接腳D與第二導線架10的搭接面22和接腳D′上。
步驟四如圖3(D)所示，將第二導線架20翻轉連接在第一導線架10上，并使第二功率元件Q2的柵極區G2和源極區S2分別與第一功率元件Q1的柵極區G1和源極區S1的接點相對重疊連接；再通過烤箱(圖中未示出)，加熱并加壓使錫球30熔融，將第一、第二功率元件Q1、Q2及第一、第二導線架10、20相對焊接在一起。
步驟五如圖3(E)所示，用塑膠鑄模材料40封裝，使第一及第二導線架10、20在半導體功率元件裝置1表面形成上、下雙金屬板，利用上層金屬板擴大散熱的封裝表面。
如上所述，利用本發明的半導體功率元件裝置及其封裝方法，實質上是將兩個功率元件通過金屬焊接材料焊接結合形成一個并聯結構，并因此可以產生如下的功效(1)電流從漏級端D流至源極端S時，流經并聯電路，因而可承受電流ID加倍，如圖4所示。
(2)源極與漏級間的導通電阻值RDS(ON)變小，約為原來二分之一(如圖5所示)，即該兩功率元件的導通電阻值RDS1(RDS1=Δf(VG1)]]>，是VG1的函數)，及RDS2(RDS2=Δf(VG2)]]>，為VG2的函數)的并聯電阻值。
(3)崩潰電壓不變。
(4)封裝后體積不變。
(5)第一及第二導線架在半導體功率元件裝置表面形成上、下雙金屬板，利用上層金屬板擴大散熱的封裝表面，如圖1(A)及圖1(B)所示，提高了散熱效率。
另外，又如圖6所示，因應半導體功率元件裝置微小化，在細微加工制程中實際上可應用的空間極其有限，為避免柵極G1與接腳G連接時金屬線跨越源極S1區而造成短路，因此功率元件Q1、Q2的排列，可將柵極G1區設置成與接腳G相同方向且距離最短。
圖7為本發明半導體功率元件裝置1另一種封裝型態，此實施例與其他實施例的不同之處在于，封裝時將第二導線架20(上層金屬板)表面用塑膠鑄模材料40絕緣，避免該上層金屬板被誤觸，并且可利用該表面標示元件型號等。
圖8為本發明在平面式布局的半導體功率元件裝置1的封裝型態。本實施例的構造及封裝方法如同上述實施例，因此不再贅述，本實施例與其他實施例的不同之處在于，將第一導線架10上的第一功率元件Q1的柵極G1、漏級D1與源極S1接點分別用金屬線與接腳G、D、S形成電氣性連接；將第二導線架20上的第二功率元件Q2的柵極G2、漏級D2與源極S2接點，重疊連接在第一導線架10上第一功率元件Q1相應的柵極G1、漏級D1與源極S1接點上。如此同樣地可以達到本發明的目的與功效。
綜上所述，利用本發明用于降低導通電阻，提高導通電流及增加散熱效率，并且節省封裝空間的半導體功率元件裝置及其封裝方法，不但可大幅縮短研發時間，降低生產成本外，更可使半導體功率元件裝置的導通電阻值降低二分之一，其并聯電路承受電流值流經值加倍，兩個導線架構成上、下雙金屬板，利用上層金屬板擴大散熱的封裝表面，提高了散熱效率，且節省了封裝空間。
上述僅為本發明的較佳實施例，并不局限本發明的封裝型式及其實施范圍，即不偏離本發明的范圍所作的類似變化與修飾，應仍屬本發明的涵蓋范圍。
權利要求
1.一種用于降低導通電阻、提高導通電流及增加散熱效率的半導體功率元件裝置的封裝方法，其步驟包括將第一與第二兩個垂直式功率元件對稱地固定在第一與第二兩導線架上，漏級接點分別與導線架形成電氣性連接；其中第一導線架的一端形成擴大的設接面，另一端延伸出一接腳和兩個分離的接腳；第二導線架的一端包含有垂直于該導線架延伸的側壁與平行于該導線架的搭接面，另一端延伸出一接腳搭接面；將第一功率元件的柵極與源極接點通過金屬線分別與兩個分離的接腳形成電氣性連接；通過錫爐，用錫球移載裝置將錫球移植在第一、第二功率元件的柵極與源極接點，及第一導線架接腳與第二導線架的搭接面上；將第二導線架翻轉連接在第一導線架上，并使第二功率元件與第一功率元件的柵極與柵極、源極與源極接點相對重疊連接；通過烤箱，加熱并加壓使錫球熔融，而使第一、第二功率元件及第一、第二導線架相對焊接在一起；用塑膠鑄模材料封裝，使第一及第二導線架在半導體功率元件裝置表面形成上、下雙金屬板，利用上層金屬板擴大散熱的封裝表面。
2.如權利要求1所述的半導體功率元件裝置的封裝方法，其中功率元件包括功率二極管，整流器，垂直式及平面式功率金屬氧化物半導體場效應晶體管，雙極性面結型晶體管以及絕緣柵極雙極性晶體管。
3.一種用于降低導通電阻，提高導通電流及增加散熱效率的半導體功率元件裝置，其包括第一與第二兩個垂直式功率元件，所述功率元件的柵極區與柵極區、源極區與源極區相對應地重疊連接在一起，并接引出有接腳；上述功率元件的漏級，分別連接在第一和第二兩金屬導線架上，其中第一導線架的一端包含有一接腳，第二導線架的一端包含有垂直于該導線架延伸的側壁與平行于該導線架的搭接面，兩導線架搭接成上、下雙金屬板，利用上層金屬板擴大散熱的封裝表面。
4.如權利要求3所述的半導體功率元件裝置，其中第二導線架的一端延伸出一接腳，搭接在第一導線架的接腳上。
5.如權利要求3所述的半導體功率元件裝置，其中第一導線架的一端延伸出一用于固定的設接面。
6.如權利要求3所述的半導體功率元件裝置，其中第一、第二功率元件的柵極與源極接點，及第一與第二導線架的搭接面上，通過金屬焊接材料焊接形成并聯結構。
7.如權利要求3所述的半導體功率元件裝置，其中功率元件包括功率二極管，整流器，垂直式及平面式功率金屬氧化物半導體場效應晶體管，雙極性面結型晶體管以及絕緣柵極雙極性晶體管。
全文摘要
本發明涉及一種用于降低導通電阻，提高導通電流及增加散熱效率的半導體功率元件裝置及封裝方法，該裝置將連接在第一、第二金屬導線架上的第一、第二兩個垂直式功率元件并聯連接，兩導線架搭接成的上、下雙金屬板，擴大了散熱的封裝表面，該半導體功率元件裝置可以使導通電阻值降低二分之一，并聯電路所能承受的電流流經值加倍，并提高了散熱效率，節省了封裝空間。
文檔編號H01L21/02GK1472784SQ0212699
公開日2004年2月4日 申請日期2002年7月30日 優先權日2002年7月30日
發明者蘇玉昆 申請人:華瑞股份有限公司