功率芯片组封装必须妥善解决散热问题,堆叠封装尤其需要重视,因为堆叠使散热面积缩小,热积聚现象将更加明显,有关这一类问题的研究报道很多,但是功率器件堆叠封装的产品并不多见,因此,如何在现有技术体系中通过结构设计、流程重整和关键工艺改良解决上述问题,是这一类新产品开发过程中必须面对的课题。本项目研究围绕一种新型功率器件模组产品QFN3.5x5的堆叠封装技术开发展开,该模组包含两个MOSFET功率器件芯片和一个控制电路IC芯片,研究的目标是形成散热结构合理的堆叠封装架构,以便在体积显著缩小的同时,维持良好热稳定性,重点是开发堆叠封装成套工艺,完成模组封装和关键特性测试。为此,首先通过论证确立了堆叠封装的整体结构设计,然后通过Abaqus软件进行仿真分析,优化封装结构;接着,针对该优化的封装结构,提出封装工艺流程设计方案,据此整合已有单元工艺,优化关键单项技术,形成模块封装成套工艺,完成模组批量试生产及热应力特性测试。所提出的整体封装架构是在主体的铜引线框架双侧表面分别贴装一块MOSFET功率芯片,然后在上管芯之上堆叠控制电路IC芯片,再通过引线键合互连并塑封。采用导热能力突出的铜片作为主体结构就是为了更好地解决功率芯片的热量导出问题。封装工艺全流程可以分为两个部分,即晶圆级预处理工艺模块和组装键合工艺模块。晶圆级预处理工艺包括以下主要工序:晶圆正面化学镀NiAu--植高铅锡球--回流焊--清洗--晶圆正面用环氧树脂塑封--正面减薄露出铅锡电极--晶圆背面减薄--蒸镀Ti Ni Ag金属层。组装键合工艺模块流程如下:用高铅焊锡料倒装粘结下管芯片--用高铅焊锡料粘结上管芯片和铜片--清洗--堆叠IC芯片到铜片上--固化绝缘胶--引线键合--塑封--后道切割等。围绕如何打通上述封装工艺全流程,实现良好封装效果,在现有的DrMOS封装工艺线基础上,重点研究了高铅锡球植球工艺、晶圆正面环氧树脂塑封工艺、下管芯片高铅焊锡料倒装粘结工艺、上管芯片高铅焊锡料粘结铜片工艺、以及清洗工艺等单项技术。其中,髙铅锡球植球借用成熟的丝网印刷技术,根据本产品的特点开发了专用的丝网以符合产品的要求。圆晶减薄有助于快速散热,但是减薄操作容易发生碎裂或其他破损,影响成品率,晶圆正面的环氧树脂作为一种支撑,可以在芯片很薄的情况下保护其不易受损,通过系统优化,使该工艺达到可以工业化生产的程度也为将来芯片进一步减薄创造了条件。高铅焊锡料倒装粘结下管芯容易出现点胶不稳定的问题,通过对点胶过程的细致分析,根据点胶头的孔径选择合理的点胶高度有助于稳定工艺效果,较大的孔径对稳定的点胶非常重要。高铅焊锡料粘结上管芯片设计了框架卡槽来对铜片进行定位,防止铜片旋转,提高了产品的良品率。清洗工艺研究了市面上比较流行的清洗药水和清洗参数对产品后续引线键合的影响,指明了优化的参数和药水型号。本文根据上述结构设计和工艺的研究,将优化方案整合到整体的工艺流程里,确定了这种新型驱动功率器件模组工艺的制造流程。通过工艺参数优化提升了单项工艺稳定可重复性,然后采用如上所述的工艺制造了一种新型的驱动电源管理器件模组(DrMOS)模型采用专业的电子热分析有限元软件Flothermal,研究了高密度封装DrMOS模块在PCB板上集成典型设计的温度分布,提出了新型DrMOS模块应用设计的一些建议。对封装产品取样测试表明,样品在典型功率负载下的温度分布和热应力变形均在设计预期和应用允许的范围之内,功率效率显著提升,这充分说明利用多种先进封装技术完成的本项新产品,在体积显著降低的同时性能得到提升,开发获得成功。