[發明專利]超薄功率晶體管和具有定制占位面積的同步降壓變換器

有效

• 申請號: 201280028281.0
• 申請日: 2012-04-09
• 公開（公告）號: CN103608917B
• 公開（公告）日: 2016-11-16
• 發明（設計）人: J·A·赫爾嵩末;O·J·洛佩斯;J·A·濃趣勒
• 申請（專利權）人: 德克薩斯儀器股份有限公司
• 主分類號: H01L23/495
• 分類號: H01L23/495;H01L23/492
• 代理公司: 北京紀凱知識產權代理有限公司 11245
• 代理人: 趙蓉民

技術領域

本發明主要涉及半導體器件及其工藝領域，更具體的，涉及非常薄但是具有良好熱效率的電源模塊的系統結構和制造方法。

背景技術

在受歡迎的功率開關器件的族系之中，其中一種是DC-DC電源電路，尤其是開關模式電源電路一類。特別適合用于涌現出的功率輸送需求的是同步降壓變換器，其具有串聯連接并通過共同的交換節點耦合在一起的兩個功率MOS場效應晶體管（FET）。在降壓變換器中，控制FET芯片連接在電源電壓VIN與LC輸出濾波器之間，并且同步FET芯片連接在LC輸出濾波器與接地電位之間。

控制FET芯片與同步FET芯片的柵極連接到包括集成電路（IC）的半導體芯片，其中集成電路作為變換器的驅動器，驅動器反過來連接到控制器IC。優選地，驅動器和控制器IC兩者集成在單一芯片上，該單一芯片也連接到地電位。

對于當今的許多功率開關器件來說，功率MOSFET芯片與驅動器芯片和控制器IC被組裝為單獨的組件。通常每個芯片連接到金屬引線框的矩形或方形焊盤；作為輸出端子的焊盤被引線包圍。所述引線往往形成為不具有懸臂延伸，并且設置在四方扁平無引線（QFN）或小外形無引線（SON）器件中。從芯片到引線的電氣連接由鍵合線提供，由于鍵合線的長度和電阻，鍵合線引入明顯的寄生電感到功率電路。每個組裝件通常封裝在塑料封裝中，并且封裝后的組件用作用于電源系統的板組裝的分立構筑塊。

在其他功率開關器件中，功率MOSFET芯片和驅動器-控制器IC水平并排組裝在引線框焊盤上，其反過來又被充當器件輸出端子的引線四面包圍。引線以QFN或SON的方式形成。芯片與引線之間的電氣連接由鍵合線提供。器件封裝在塑料封裝中。

在一些最近引進的先進組裝件中，夾子替代許多連接線。這些夾子是寬的，并引入最小的寄生電感。不過，在具有垂直電流流動的功率MOSFET芯片中，夾子需要將控制FET芯片的前金屬連接到同步FET芯片的引線框。這種方法占用面積，并增加模塊的占位面積。

在另一個最近引入的功率MOSFET組裝件中，通過為功率芯片提供組裝件焊盤分為兩部分的引線框而避免使用連接夾子和鍵合線，該功率芯片具有第一和第二端子在一個管芯側，并且第三端子在相反管芯側。芯片被翻轉組裝在引線框焊盤上（利用注射器分配的金屬凸點或焊膏），以便使第一端子接觸一個焊盤部分，并且第二端子接觸其他焊盤部分。這兩個引線框部分具有彎曲的邊緣，以便在翻轉組裝后，該邊緣變成與第三端子共面；因此，所有三個MOSFET端子可以連接到印刷電路板（PCB）。在這種連接后，引線框焊盤遠離PCB，但由于它被分為服務于兩個管芯端子的兩個部分，散熱片不能連接到焊盤。

在另一個最近引入的功率MOSFET封裝中，向引線框提供分為兩個部分的扁平焊盤，其可以被連接到PCB。功率芯片的第一和第二端子連接到這些焊盤部分。遠離引線框焊盤的第三芯片端子接觸金屬夾子，該金屬夾子具有朝引線框的引線彎曲的邊緣，從而允許所有三個管芯端子組裝在PCB上。夾子由金屬制成，該金屬厚到足以允許用于冷卻第三芯片端子的散熱片連接到夾子。因此，該MOSFET封裝具有引線框-芯片-芯片的三個地層結構。

發明內容

申請人意識到非常薄，但仍提供接近理論最大值的熱性能和電氣效率的功率變換器在市場中的廣泛應用，例如掌上電腦、筆記本電腦、汽車以及需要MOS場效應晶體管（FET）封裝和變換器的醫療產品，。申請人看到包括引線框、芯片和芯片的厚度的現有MOSFET的三個地層結構，這對許多新興的應用來說太厚了。此外，這些器件往往擔負寄生的電和熱電阻，因此，距離達到最大熱性能和電氣效率還有一定距離。作為客戶友好使用的額外新興需求，申請人意識到功率FET封裝應當優選允許在印刷電路板（PCB）中直接實施，而沒有首先更改占位面積的麻煩。

當申請人發現連接到引線框的FET芯片的兩地層組裝件導致具有第一、第二或第三端子在封裝的一側，和第一、第二或第三端子在封裝的相反側的封裝，其中在相反側面上的端子能夠用于強冷卻，申請人解決了降低高功率MOSFET封裝的總體厚度的問題。在所述相反側面上的專用端子通過在具有截然不同厚度的兩部分的引線框焊盤上組裝FET芯片實現；在封裝后，較薄部分在絕緣材料涂層下被屏蔽，保留未屏蔽的較厚部分裸露并用于冷卻。