金属柱、包含其的半导体封装及半导体封装制造方法与流程

1.本发明涉及一种金属柱、半导体封装及半导体封装制造方法，通过非垂直结构的金属柱而吸收cte(热膨胀系数，coefficient of thermal expansion)压力而缓解或迂回，而分散，从而，防止与半导体芯片的接合部即粘合剂产生裂纹。


背景技术：

2.一般而言，半导体封装，在基板上包含：半导体芯片；金属柱即导电体，起到与半导体芯片上贴合的隔片作用；引线框架，由铜构成；及外壳，由纸袋材料装饰，另外，半导体芯片被附着在引线框架焊盘上，介入引线框架引线和由ag构成的镀金层而通过信号线即键合引线而与半导体芯片的焊盘进行电连接。
3.例如，如图1(a)显示所示，在下部金属绝缘基板11a上介入一次接合部12而接合半导体芯片14，导电体17介入二次接合部16而与半导体芯片14上接合，在上部金属绝缘基板11b上介入一次接合部12而接合半导体芯片14，导电体17介入二次接合部16而与半导体芯片14上接合，在两侧基板形成为相互交叉半导体芯片而附着的双面基板封装结构。
4.但，半导体芯片分别介入焊锡而与基板及导电体接合时，因基板11a、11b和导电体17与一次接合部12及二次接合部16相互之间的不同的热膨胀系数(cte；coefficient of thermal expansion)，如图1(b)例示所示，在一次接合部12或二次接合部16产生裂纹(crack)而发生可靠性问题。
5.另外，为了最小化与半导体芯片的cte差异，代替金属柱而选定与半导体芯片的cte相似的材料而使用，而与现有的金属柱相比，价格高而产品的价格竞争力低下。
6.现有技术文献
7.专利文献
8.韩国注册专利公报第1643332号(利用超声波焊接的铜片键合半导体封装及其制造方法，2016.07.21)
9.韩国注册专利公报第10
‑
0867573号(改善热释放能力的电力用模块封装及其制造方法，2008.11.10)
10.韩国公开专利公报第2001
‑
0111736号(设置直接附着于引线框架的背面的绝缘放热板的电力模块封装，2001.12.20)
11.发明的内容
12.发明要解决的技术问题
13.要实现本发明的思想的技术课题提供一种金属柱、半导体封装及半导体封装制造方法，通过非垂直结构的金属柱而吸收cte压力而缓解，或迂回而分散，由此，防止与半导体芯片的接合部即粘合剂发生裂纹。
14.用于解决问题的技术方案
15.为了实现如上所述目的，本发明的第一实施例提供一种半导体封装，包括：第一基板，形成特定图案，以能够进行电连接；第二基板，与所述第一基板相对分隔形成，形成特定
图案，以能够进行电连接；一个以上半导体芯片，与所述第一基板接合；一个以上金属柱，为了分散直接来自所述第二基板的cte压力，在所述第一基板和所述第二基板之间形成为非垂直结构，一侧与一个以上所述半导体芯片上接合，另一侧与所述第一基板或所述第二基板的图案上接合；一个以上终端引线，与所述第一基板或所述第二基板电连接；及封装外壳，包裹所述第一基板和所述第二基板并将所述终端引线裸露至外部。
16.本发明的第二实施例提供一种半导体封装，包括：第一基板，形成特定图案以能够进行电连接；第二基板，与所述第一基板相对分隔形成，形成特定图案，以能够进行电连接；一个以上半导体芯片，分别与所述第一基板及所述第二基板接合；一个以上金属柱，为了分散直接来自所述第一基板及所述第二基板的cte压力，在所述第一基板和所述第二基板之间形成为非垂直结构，一侧与所述第一基板或所述第二基板的所述半导体芯片上接合，另一侧与所述第一基板或所述第二基板的图案上接合；一个以上终端引线，与所述第一基板或所述第二基板电连接；及封装外壳，包裹所述第一基板和所述第二基板并将所述终端引线裸露至外部。
17.在此，所述第一基板或所述第二基板包括一个以上绝缘层。
18.并且，所述第一基板或所述第二基板由单一金属层构成，或由合金金属层构成，由镀金形式的金属层构成。
19.并且，所述第一基板或所述第二基板由绝缘层及形成于所述绝缘层的上面、下面或上下面的金属层层叠形成。
20.而且，所述半导体芯片由功率半导体即绝缘栅双极型晶体管、金属
‑
氧化物半导体场效应晶体管及二极管中的任一个以上构成。
21.并且，所述金属柱为铜、铝或锡的单一材料，或由含有铜、铝、锡、碳化硅、钼及锰中的任一个以上的合金材料或按粉末状态结合的复合材料。
22.而且，所述金属柱金属镀金或金属涂覆为一层以上。
23.并且，所述金属柱的一侧与所述第一基板的所述半导体芯片上接合，另一侧与所述第二基板的图案上接合。
24.而且，所述金属柱由水平簧片和垂直簧片形成，其中，所述水平簧片，与所述第一基板或所述第二基板的所述半导体芯片上接合而电连接；所述垂直簧片，按垂直方向与所述水平簧片的一端结合而与所述第一基板和所述第二基板的图案接合而电连接。
25.并且，所述金属柱由第一水平簧片和第二水平簧片形成，其中，所述第一水平簧片，与所述第一基板或所述第二基板的所述半导体芯片上接合而电连接；所述第二水平簧片，按水平方向在所述第一水平簧片的一端延伸而同样与所述第一基板或所述第二基板的图案上接合而电连接。
26.并且，在所述第一基板和所述第二基板之间形成构成为垂直结构而支撑，并用于电连接的金属梁。
27.而且，所述终端引线与所述第一基板或所述第二基板中的任一个以上电连接。
28.并且，所述终端引线通过焊锡、烧结或超声波焊接而与所述第一基板或所述第二基板接合。
29.而且，所述金属柱通过超声波焊接与所述第一基板或所述第二基板的图案接合。
30.并且，所述第一基板或所述第二基板的全部或一部分形成得向所述封装外壳上面
或下面外侧裸露。
31.而且，在向所述封装外壳外侧裸露的所述第一基板或所述第二基板的裸露面排列形成用于增加散热面积的格子，或形成散热销或通过水冷式或风冷式而形成散热结构。
32.并且，所述封装外壳由emc、pbt或pps材料形成。
33.而且，向所述半导体芯片施加电信号的电信号线与所述第一基板或所述第二基板、所述终端引线或所述半导体芯片上接合而相互电连接。
34.并且，所述电信号线为导电线、金属簧片、金属带或金属梁形式。
35.而且，所述金属柱在所述第一基板和所述第二基板之间形成为e字形、s字形或z字形的之字形的弹性非垂直结构，或形成为字形、字形或一字形的非垂直结构。
36.另外，本发明提供一种制造上述半导体封装的半导体封装制造方法。
37.并且，本发明提供一种适用于上述半导体封装的金属柱。
38.而且，本发明提供一种将上述半导体封装使用于逆变器、转换器或电动驱动器的半导体封装。
39.发明的效果
40.本发明具有如下效果，代替由与半导体芯片的cte相似的材料形成的高价的金属隔片，由此，价格竞争力高，并通过非垂直结构的金属柱而吸收缓解cte压力或迂回而分散，由此，防止与半导体芯片的接合部即粘合剂发生裂纹。
附图说明
41.图1为例示现有技术的半导体封装的附图；
42.图2及图3为显示本发明的第一实施例的第一例的半导体封装的附图；
43.图4及图5为显示本发明的第一实施例的第二例的半导体封装的附图；
44.图6及图7为显示本发明的第一实施例的第三例的半导体封装的附图；
45.图8及图9为显示本发明的第二实施例的第一例的半导体封装的附图；
46.图10及图11为显示本发明的第二实施例的第二例的半导体封装的附图；
47.图12及图13为显示本发明的第二实施例的第三例的半导体封装的附图；
48.图14及图15为显示本发明的第二实施例的第四例的半导体封装的附图；
49.图16为显示本发明的第一实施例及第二实施例的半导体封装整体结构的附图。
50.附图标记
51.110:第一基板
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111:图案
52.112:粘合剂
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113:粘合剂
53.120:第二基板
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121:图案
54.122:粘合剂
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123:粘合剂
55.130、130a、130b:半导体芯片
56.140:金属柱
57.141:粘合剂
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142:水平簧片
58.143:垂直簧片
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144:第一水平簧片
59.145:第二水平簧片
60.150:终端引线
61.160:封装外壳
62.170:金属梁
具体实施方式
63.下面，参照附图而对具有上述特征的本发明的实施例进行更具体说明。
64.参照图2至图7，本发明的第一实施例的半导体封装为仅在一侧基板附着半导体芯片的双面基板结构，具体地，包括：第一基板110，形成特定图案111，以能够进行电连接；第二基板120，与第一基板110相对分隔形成，形成特定图案121，以能够进行电连接；一个以上半导体芯片130，与第一基板110接合；一个以上金属柱140，为了分散直接来自第二基板120的cte压力，而在第一基板110和第二基板120之间形成为非垂直结构，一侧与一个以上半导体芯片130上接合，另一侧与第一基板110及/或第二基板120的图案111、121上接合；一个以上终端引线150，与第一基板110或第二基板120电连接；封装外壳160，包裹第一基板110和第二基板120，并将终端引线150裸露至外部，进而，以通过如上结构防止因施加外部压力而粘合剂112及粘合剂141发生裂纹，而提高接合部的可靠性为要旨。
65.图2及图3为显示本发明的第一实施例的第一例的半导体封装的附图，如图2及图3显示所示，电连接第一例的半导体封装的第一基板110的半导体芯片130，并形成为将引线框架即终端引线150分别与第一基板110和第二基板120连接的结构，非垂直结构的金属柱140的一侧与第一基板110的半导体芯片130上接合，另一侧在第二基板120的图案121上介入粘合剂122而接合。
66.具体地，如图2及图3放大显示所示，金属柱140由水平簧片142和垂直簧片143构成，其中，所述水平簧片142，与有选择地与第一基板110或第二基板120接合的半导体芯片130上接合而电连接；所述垂直簧片143，在水平簧片142的一端而按垂直方向延伸结合，分别与第一基板110和第二基板120的图案111、121接合而电连接，构成字簧片形式的非垂直结构，而将从第二基板120、粘合剂122或金属柱140传输至半导体芯片130的cte压力通过垂直簧片143而迂回分散至第一基板110的图案111，而防止与半导体芯片130的接合部即粘合剂112及粘合剂141发生裂纹。
67.图4及图5为显示本发明的第一实施例的第二例的半导体封装的附图，如图4及图5显示所示，电连接第二例的半导体封装的第一基板110的半导体芯片130，并将引线框架即终端引线150与第一基板110连接，代替普通的金属隔片，构成为通过金属柱140而支撑第一基板110和第二基板120的结构，非垂直结构的金属柱140的一侧与第一基板110的半导体芯片130上接合，另一侧在第二基板120的图案121上介入粘合剂122而接合。
68.具体地，如图4及图5放大显示所示，金属柱140在第一基板110和第二基板120之间形成e字形的之字形形状的非垂直结构，通过执行弹簧作用的之字形的弹性非垂直结构而吸收缓解从粘合剂122或金属柱140传输至半导体芯片130的cte压力而防止与半导体芯片130的接合部即粘合剂112及粘合剂141发生裂纹。
69.图6及图7为显示本发明的第一实施例的第三例的半导体封装的附图，如图6及图7显示所示，形成为电连接第三例的半导体封装的第一基板110的半导体芯片130，并将引线框架即终端引线150与第一基板110连接，并代替普通的金属隔片，通过金属柱140而支撑第一基板110和第二基板120的结构，非垂直结构的金属柱140的一侧与第一基板110的半导体
芯片130上接合，另一侧在第二基板120的图案121上介入粘合剂122而接合。
70.具体地，如图6及图7放大显示所示，金属柱140在第一基板110和第二基板120之间形成s字形或z字形的之字形形状的非垂直结构，通过执行弹簧作用的之字形的弹性非垂直结构而吸收缓解从粘合剂122或金属柱140传输至半导体芯片130的cte压力，而防止与半导体芯片130的接合部即粘合剂112及粘合剂141发生裂纹。
71.参照图8至图15，本发明的第二实施例的半导体封装为在两侧基板分别附着半导体芯片的双面基板结构，具体地，包括：第一基板110，形成特定图案111，以能够进行电连接；第二基板120，与第一基板110相对分隔形成，形成特定图案121，以能够进行电连接；一个以上半导体芯片130a、130b，分别与第一基板110及第二基板120接合；一个以上金属柱140，为了分散直接来自第一基板110及第二基板120的cte压力，在第一基板110和第二基板120之间形成为非垂直结构，一侧与第一基板110或第二基板120的半导体芯片130a、130b上接合，另一侧与第一基板110或第二基板120的图案111、121上接合；一个以上终端引线150，与第一基板110或第二基板120电连接；封装外壳160，包裹第一基板110和第二基板120，并使终端引线150裸露至外部，从而，防止因施加外部压力而导致粘合剂112、123及粘合剂141发生裂纹，而以提高接合部的可靠性为要旨。
72.图8及图9为显示本发明的第二实施例的第一例的半导体封装的附图，如图8及图9显示所示，电连接第一例的半导体封装的第一基板110的半导体芯片130a，并电连接第二基板120的半导体芯片130b，将引线框架即终端引线150分别上下与第一基板110及第二基板120连接，代替普通的金属隔片，而非垂直结构的金属柱140的一侧与第一基板110或第二基板120的半导体芯片130a、130b上接合，另一侧介入粘合剂112、123而与第一基板111或第二基板120的图案111、121上接合。
73.具体地，如图8及图9放大显示所示，一字簧片形式的金属柱140由第一水平簧片144和第二水平簧片145构成，其中，所述第一水平簧片144，与第一基板110或第二基板120的各个半导体芯片130a、130b上接合而电连接；所述第二水平簧片145，按水平方向在第一水平簧片144的一端弯曲延伸而在接合第一水平簧片144的相同的第一基板110或第二基板120的图案111、121上介入粘合剂而接合而电连接，由此，迂回分散直接从第二基板120、粘合剂123或相应金属柱140而直接传输至半导体芯片130a的cte压力，或直接从第一基板110、粘合剂112或相应金属柱140传输至半导体芯片130b的cte压力，从而，防止与半导体芯片130a、130b的接合部即粘合剂112、123及粘合剂141发生裂纹。
74.图10及图11为显示本发明的第二实施例的第二例的半导体封装的附图，如图10及图11显示所示，电连接第二例的半导体封装的第一基板110的半导体芯片130a，电连接第二基板120的半导体芯片130b，并将引线框架即终端引线150与第一基板110连接，代替普通的金属隔片，非垂直结构的金属柱140的一侧与第一基板110或第二基板120的半导体芯片130a、130b上接合，另一侧介入粘合剂112、123而与第一基板110或第二基板120的图案111、121上接合，通过在第一基板110和第二基板120之间形成为垂直结构的金属梁170而分别支撑第一基板110和第二基板120并电连接。
75.具体地，如图10及图11放大显示所示，簧片形状的金属柱140由第一水平簧片144和第二水平簧片145形成，其中，所述第一水平簧片144，与第一基板110或第二基板120的各个半导体芯片130a、130b上接合而电连接；所述第二水平簧片145，在第一水平簧片144的一
端按水平方向弯曲延伸，而在接合第一水平簧片144的相同的第一基板110或第二基板120的图案111、121上介入粘合剂而接合而电连接，迂回分散直接从第二基板120、粘合剂123或相应金属柱140传输至半导体芯片130a的cte压力或直接从第一基板110、粘合剂112或相应金属柱140而传输至半导体芯片130b的cte压力，而防止与半导体芯片130a、130b的接合部即粘合剂112、123及粘合剂141发生裂纹。
76.并且，通过在第一基板110和第二基板120的图案111、121上介入粘合剂171而接合的金属梁170，保持第一基板110和第二基板120之间的分隔空间而防止结构的变形。
77.图12及图13为显示本发明的第二实施例的第三例的半导体封装的附图，形成为电连接第一基板110的半导体芯片130a，电连接第二基板120的半导体芯片130b，并将引线框架即终端引线150分别与第一基板110和第二基板120连接的结构，非垂直结构的金属柱140的一侧与第一基板110的半导体芯片130a上接合，另一侧在第二基板120的图案121上介入粘合剂122而接合，对称地，非垂直结构的金属柱140的一侧与第二基板120的半导体芯片130b上接合，另一侧在第一基板110的图案111上介入粘合剂113而接合。
78.具体地，如图12及图13放大显示所示，金属柱140由水平簧片142和垂直簧片143构成，其中，所述水平簧片142，与和第一基板110接合的半导体芯片130a上接合而电连接；所述垂直簧片143，在水平簧片142的一端按垂直方向延伸接合，分别与第一基板110和第二基板120的图案111、121接合而电连接，另外，构成字簧片形式的非垂直结构而将从第二基板120、粘合剂122或金属柱140传输至半导体芯片130a的cte压力通过垂直簧片143而迂回分散至第一基板110的图案111，对称地，金属柱140由水平簧片142和垂直簧片143构成，其中，所述水平簧片142，与和第二基板120接合的半导体芯片130b上接合而电连接；垂直簧片143，在水平簧片142的一端按垂直方向延伸结合而分别与第二基板120和第一基板110的图案121、111接合而电连接，另外，构成字簧片形式的非垂直结构而将从第一基板110、粘合剂113或金属柱140传输至半导体芯片130b的cte压力通过垂直簧片143而迂回分散至第一基板110的图案111，从而，分别防止与半导体芯片130a、130b的接合部即粘合剂112、123及粘合剂141发生裂纹。
79.图14及图15为显示本发明的第二实施例的第四例的半导体封装的附图，如图14及图15显示所示，形成为有选择地电连接第四例的半导体封装的第一基板110的半导体芯片130a或第二基板120的半导体芯片130b，并将引线框架即终端引线150分别与第一基板110及第二基板120连接，代替普通的金属隔片，通过金属柱140而支撑第一基板110和第二基板120的结构，非垂直结构的金属柱140的一侧与第一基板110的半导体芯片130a上接合，另一侧在第二基板120的图案121上介入粘合剂122而接合，相对称地，一侧与第二基板120的半导体芯片130b上接合，另一侧在第一基板110的图案111上介入粘合剂113而接合。
80.具体地，如图14及图15放大所示，金属柱140在第一基板110和第二基板120之间构成e字形的之字形形状的非垂直结构，通过执行弹簧作用的之字形形状的弹性非垂直结构而吸收缓解从粘合剂122或金属柱140传输至半导体芯片130a，或从粘合剂113或金属柱140传输至半导体芯片130b的cte压力，从而，防止与半导体芯片130a、130b的接合部即粘合剂112、123及粘合剂141发生裂纹。
81.另外，如上言及的第一实施例及第二实施例的半导体封装的第一基板110或第二基板120包括一个以上绝缘层。
82.或者，第一基板110或第二基板120由单一金属层构成，或由合金金属层构成，或由镀金形式的金属层构成。
83.或者，以图2作为代表图，第一基板110或第二基板120通过绝缘层i及形成于绝缘层i的上面、下面或上下面的金属层m层叠形成。
84.并且，半导体芯片130由功率半导体即igbt、mosfet及二极管中的任一个以上构成。
85.并且，如上言及的第一实施例及第二实施例的半导体封装的金属柱140为铜、铝或锡的单一材料，或含有铜、铝、锡、碳化硅、钼及锰中的任一个以上的合金材料或按粉末状态结合的复合材料。
86.并且，虽未图示，但金属柱140按一层以上金属镀金或金属涂覆而形成。
87.并且，终端引线150通过焊锡、烧结或超声波焊接而与第一基板110或第二基板120接合。
88.并且，如上言及的第一实施例及第二实施例的半导体封装的金属柱140通过超声波焊接分别与第一基板110或第二基板120的图案111、121接合。
89.另外，如图16显示所示，第一基板110或第二基板120的全部或一部分形成得裸露至封装外壳160上面或下面外侧，在裸露至封装外壳160外侧的第一基板110或第二基板120的裸露面排列形成增加散热面积的格子，或形成散热销，或通过水冷式或风冷式而形成散热结构，有效散热驱动时的发热，也能够提高耐用性，并确保稳定性。
90.在此，封装外壳160由emc、pbt或pps材料形成而绝缘，从而，保护内部电路。
91.并且，将电信号施加至半导体芯片130的电信号线(未图示)与第一基板110或第二基板120、终端引线150或半导体芯片130上接合而相互电连接，电信号线为导电线、金属簧片、金属带或金属梁形式。
92.如上言及所示，整理如下，金属柱140在第一基板110和第二基板120之间形成为e字形、s字形或z字形的之字形的非垂直结构，或形成为字形、字形或一字形的非垂直结构，从而，通过弹簧结构而缓解迂回而分散直接传输至半导体芯片的cte压力。
93.并且，上述第一实施例及第二实施例的半导体封装提供使用于逆变器、转换器或电动驱动器的半导体封装结构。
94.另外，本发明的第三实施例提供一种半导体封装制造方法，依次形成构成如上第一实施例及第二实施例的半导体封装结构的第一基板、第二基板、半导体芯片、金属柱、终端引线、封装外壳、金属梁。
95.因此，通过如上所述的半导体封装及半导体封装制造方法的结构，代替由与半导体芯片的cte相似的材料形成的高价的金属隔片，提高价格竞争力，通过非垂直结构的金属柱而吸收缓解cte压力而迂回而分散，由此，防止与半导体芯片的接合部即粘合剂发生裂纹。
96.本说明书中记载的实施例和附图所示的结构仅为本发明的最优选的一实施例，并非全部代表本发明的技术思想，因此，在本技术方面，应以存在代替其的各种同等物和变形例进行理解。