带有电流感测元件的集成电路封装的制作方法

带有电流感测元件的集成电路封装
1.相关申请的交叉引用
2.本技术要求于2020年12月10日提交的美国临时申请第63/123,575号的优先权，该申请通过引用并入本文。


背景技术：

3.各种电路都包括电流感测元件。例如，可以包括电流感测元件来感测通过大功率晶体管的电流。然而，一些电流系统元件具有相对较高的电阻温度系数(tcr)，这意味着感测元件的电阻随温度而变化，这反过来又不利地影响电流测量相对于温度的准确性。一些电流感测元件也会随着寿命而变化，因此，在某一时间点上准确的电流感测元件在以后的时间点上可能不准确。


技术实现要素：

4.在一个示例中，一种半导体器件包括具有第一层级(level)和第二层级的引线框架。该半导体器件包括半导体管芯(die)和导电合金。导电合金在半导体管芯和引线框架的第一层级之间。导电合金被配置为电流感测元件。该半导体器件还包括将半导体管芯耦合到导电合金的第一导电柱(post)，将半导体管芯耦合到导电合金的第二导电柱以及将半导体管芯耦合到引线框架的第二层级的第三导电柱。第二导电柱被配置为第一感测端子。第三导电柱被配置为第二感测端子。
5.在另一个示例中，一种半导体包括引线框架和具有导电合金的半导体管芯。该导电合金被配置为电流感测元件，并且至少包括铜和镍。第一和第二导电柱将引线框架耦合到半导体管芯的导电合金。
6.在另一个示例中，一种半导体器件包括引线框架和具有晶体管的半导体管芯。电流感测元件耦合在引线框架和晶体管之间。该电流感测元件具有在大约-0.00004/℃至大约0.00004/℃的范围内的电阻温度系数。
附图说明
7.对于各种示例的详细描述，现在将参考附图，其中：
8.图1是根据一个示例的一种半导体器件，其中电流感测元件耦合在半导体管芯和引线框架之间。
9.图2是根据一个示例的可用于图1的半导体器件的多层级引线框架。
10.图3是根据一个示例的图1的半导体器件的临时配置，其中电流感测元件附接到引线框架。
11.图4是根据一个示例的图1的半导体器件的临时配置，其中导电柱被焊合(solder)到电流感测元件和引线框架。
12.图5是根据一个示例的单层级引线框架。
13.图6是根据一个示例的半导体管芯。
14.图7是根据一个示例的半导体管芯，其中电流感测元件被集成到半导体管芯中。
15.图8是根据一个示例的半导体管芯，其具有集成电流感测元件和与该电流感测元件耦合的导电柱。
16.图9是根据一个示例的具有集成电流感测元件的半导体器件。
17.图10是根据一个示例的电流感测元件。
18.图11是根据一个示例的穿孔电流感测元件。
19.图12是使用本文所述的电流感测元件的一个示例系统。
20.图13是使用本文所述的电流感测元件的另一个示例系统。
具体实施方式
21.图1是一种半导体器件100，其包括耦合在半导体管芯102和引线框架108之间的电流感测元件120。引线框架108是多层级引线框架。在图1的示例中，引线框架108是两层级引线框架，其包括第一层级111和第二层级112。引线框架108的第二层级112比第一层级111高(如将关于图2进一步解释)。电流感测元件120耦合在管芯102和引线框架的第一层级111之间。
22.电流感测元件120包括具有相对较低的电阻温度系数tcr的材料。因此，电流感测元件120的电阻不相对于温度而发生实质性变化。例如，电流感测元件的tcr在一个范围内，该范围为感测的电流提供特定于应用的合适准确性。在一个示例中，电流感测元件120在0℃至150℃的温度范围内提供小于0.5％的电阻变化。在一个示例中，电流感测元件120是包括铜、锰和镍的合金。一种适合作为电流感测元件的铜、锰和镍的合金的类型是大约84.2％的铜、大约12.1％的锰和大约3.7％的镍，被称为的合金就是这种情况。的tcr小于或等于0.000002/℃，这比铜的tcr(其已在其他器件中被用作电流感测元件)低几个数量级。在另一个示例中，电流感测元件120是包括铜和镍的合金。一种适合作为电流感测元件的铜/镍的类型是大约55％的铜和大约45％的镍。在一个示例中，电流感测元件的tcr在大约-0.00004/℃至大约0.00004/℃的范围内。
23.半导体器件100包括将管芯102耦合到电流感测元件120的一个或多个导电柱(例如，铜)130，以及将管芯102耦合到引线框架108的第二层级112的一个或多个导电柱130。电流感测元件120以电气和机械方式附接到(例如，焊合、焊接(weld)、键合(bond)、胶合(glue)等)引线框架108的第一层级111。要被感测的电流i1在半导体管芯102和引线框架的第一层级111之间，通过导电柱130中的一个或多个和电流感测元件120，沿着i1的箭头所指示的一个方向或者沿着相反的方向流动。导电柱130中的一个或多个其他导电柱耦合到管芯102内的感测触点并且由管芯内的电路使用以感测或以其他方式测量由于电流i1而在电流感测元件120两端产生的电压。在一个示例中，电流感测元件以四端子感测配置耦合到管芯102，也被称为开尔文感测。通过电流感测元件120的电流由一对“力”连接提供。电流感测元件120上产生的所得电压由一对“感测”连接来感测。每个力和感测连接是由导电柱130中的一个或多个实现的。例如，给定的力或感测连接可以包括耦合到电流感测元件120的一个或一个以上的柱130。
24.因为相对低的tcr材料被用作电流感测元件，所以电流感测元件的电阻有利地相对于温度相应地变化很小。其他类型的电流感测元件包括较小晶体管与较大晶体管并联耦
合。通过较小晶体管的电流与通过较大晶体管的电流成比例。然而，晶体管可能会经历一种被称为“陷阱电荷”的老化机制，其导致晶体管的一个或多个特性随时间而改变。电阻器不随电场而发生实质性变化，因此没有这种老化机制。然而，电阻器触点的电阻可能会随着寿命而改变。本文所述的电流感测元件使用与感测电流路径分离的力电流路径，从而缓解了电阻器触点的老化。
25.虽然图1的示例显示了耦合到电流感测元件120的单个管芯102，但在另一个示例中，电流感测元件120耦合到一个以上的管芯。例如，第一半导体管芯可以连接到力连接，并且第二管芯可以连接到感测连接。在另一个示例中，可以包括三个或更多的半导体管芯，其中一个或多个管芯连接到力连接，并且一个或多个其他管芯连接到感测连接。
26.图2是多层级引线框架108。引线框架的第一层级111的高度是d1。引线框架的第二层级112的高度是d2。高度尺寸d1和d2在垂直于平面的方向，该平面由导电柱130所附接到的管芯102的表面103定义。在一个示例中，d1在0.05毫米至0.2毫米的范围内，并且d2在0.1毫米至0.3毫米的范围内。
27.引线框架的第一层级111形成一个口袋，电流感测元件120被附接到其中。图3示出了附接到引线框架的第一层级111的电流感测元件120。电流感测元件120可以被键合、胶合或通过其他合适的机制附接到引线框架108。在一个示例中，电流感测元件120可以通过溅射工艺来应用。如果电流感测元件120包括则合金可以用去离子水进行清洗。另外，可能不够湿润，无法进行焊合，在这种情况下，合金被镀上可焊合的材料，如镍、钯、铜、锡或镍、钯、铜和锡中任何两种或更多种的组合。电流感测元件120的高度是d3。在这个示例中，d3小于或等于d2和d1之间的差(d3≤d2-d1)。在一个示例中，d3的高度在0.5毫米至0.2毫米的范围内。
28.图4示出了导电柱130与电流感测元件120以及与引线框架的第二层级112的一个示例关系。在一个示例中，导电柱130被附接(例如，电镀)到半导体管芯102上，然后管芯/柱组合被附接到引线框架108。然后，半导体管芯102可以被附接(例如，焊合)到导电柱130上，从而形成图1中所示的半导体器件100。模具化合物(未显示)可以应用于半导体器件100，从而形成四边扁平无引线(qfn)封装。然而，本文描述的电流感测元件120可以用于其他类型的半导体封装，例如双进线封装、tssop封装、小轮廓集成电路(soic)、四边扁平封装(qfp)、球栅阵列(bga)，或合适的封装。
29.图1是一个示例，其中电流感测元件120是与管芯102分离的部件，并且耦合在导电柱130和引线框架108之间。在另一个示例中，电流感测元件120被提供在半导体管芯上，并在管芯的制造工艺期间被制造在其上。图5-图9示出了制造半导体器件的一系列制造步骤，其中电流感测元件被制造为半导体管芯的一部分。图5示出了引线框架508。虽然图1-图4中的引线框架108是多层级引线框架，但是引线框架508不必是多层级引线框架。例如，引线框架508可以是单层级引线框架。图6示出了半导体管芯602。管芯602包括在其上形成的一个或多个晶体管。例如，图6示出了晶体管603，其包括漏极604和源极606。根据需要，在管芯602上可以包括更多晶体管。该管芯还包括连接焊盘607。在这个示例中，源极606的面积比连接焊盘607大。
30.图7示出了在源极606上制作的电流感测元件720。该工艺步骤可以通过例如将电流感测元件材料溅射、电镀、蒸发、镶嵌(damascene)等到管芯的工艺实现。电流感测元件
720电气耦合到较大面积的源极606和较小面积的连接焊盘607。与源极606的连接被用作电流力连接，而与较小的连接焊盘607的连接被用作感测连接。电流感测元件720可以是上面描述的任何材料。例如，电流感测元件720可以是铜(例如，大约84.2％)、锰(例如，大约12.1％)和镍(例如，大约3.7％)的合金。这种合金可以被称为在另一个示例中，该合金包括铜(大约55％)和镍(大约45％)，被称为constantan。
31.图8示出了导电柱(例如，铜柱)830被附接(例如，电镀)到管芯602以及电流感测元件720上。至少一个柱830被用作电流力连接，并且至少一个柱被用作感测连接。然后，如图9所示，半导体管芯602被附接到引线框架508上。电流感测元件720是半导体管芯602的一部分，因此被定位在柱830和半导体管芯602之间。如图9所示，可以应用模具化合物(未显示)以形成ic封装900。封装900可以是四边扁平无引线(qfn)封装，或上述其他类型的封装。
32.在一个示例中(如在图1、图3、图4和图7-图9中所示)，电流感测元件120和720是具有特定电阻的固体部件，该电阻是其片状电阻(sheet resistance)和物理尺寸的函数。图10示出了具有尺寸l、w和t的电流感测元件1020(例如，电流感测元件120或720)的一个示例。尺寸l在电流i1的流动方向上。尺寸w和t在电流流动方向的正交方向上。电流感测元件120的电阻(r)为：
33.r＝ρ*l/a
ꢀꢀꢀ
(1)
34.其中ρ是电流感测元件120的电阻率，并且a是电流感测元件在与电流流动方向正交的平面中的面积。面积a由w*t给出。
35.图11示出了电流感测元件1120的一个示例，该元件如穿孔1125所指示被穿孔。穿孔1125减少了电流感测元件在与电流流动方向正交的平面中的面积(w*t)。在所有其他条件相同的情况下(相同的电阻率，相同的尺寸l)，图11中的电流感测元件1120的电阻将比图10中的电流感测元件1020的电阻大。因此，电流感测元件的电阻可以通过在电流感测元件上穿孔而被配置成所需的值。在一个示例中，在晶片(wafer)制造或凸块技术(bumping)期间，使用光刻工艺创建穿孔的电流感测元件。
36.图12示出了本文所述的电流感测元件的使用的一个示例。晶体管m1可操作以从电源如电池1301向负载1310提供电流。电阻器r1是本文所述的电流感测元件120、720、1020或1120中的任何一个。从电源1301到负载1310的电流i1流经晶体管m1和电阻器r1。电阻器r1两端的电压被提供给缓冲器1302，然后其产生单端信号给逻辑电路1308。逻辑电路1308包括，例如，放大器、比较器和栅极驱动器。比较器将来自电阻器r1的电压与阈值电压进行比较，并且响应于电阻器r1两端的电压大于阈值电压，逻辑电路1308使晶体管m1关断，从而提供电流限制保护。在另一个示例中，逻辑电路1308可以调节晶体管m1的栅极至源极电压(vgs)，以向负载1310提供调节的电流量。
37.图13是向处理器1420(或其他类型的负载)提供调节的电压的电力生成系统的框图。交流(ac)-直流(dc)转换器1401将交流输入电压(例如，240vac、120vac)转换为较低电压的直流电压(例如，12v)。多相开关转换器1410耦合在交流-直流转换器1401和处理器1420之间。在这个示例中，多相开关转换器1410包括三相1411、1412和1413。每相1411-1413包括开关电路(分别为1416、1417和1418)和感测电阻器(分别为r2、r3和r4)。通过每相1411-1413到处理器1420的电流i2、i3、i4流经该相的感测电阻器r2、r3、r4。
38.在本描述中，术语“耦合”可以涵盖使功能关系与本描述一致的连接、通信或信号
路径。例如，如果器件a产生信号来控制器件b执行动作：(a)在第一示例中，器件a通过直接连接耦合到器件b；或者(b)在第二示例中，如果中介部件c不改变器件a和器件b之间的功能关系，则器件a通过中介部件c耦合到器件b，使得器件b经由通过器件a产生的控制信号被器件a控制。
39.如本文所用，术语“端子”、“节点”、“互连”、“引脚”和“引线”可互换使用。除非另有明确相反说明，否则这些术语一般用于指器件元件、电路元件、集成电路、器件或其他电子或半导体部件之间的互连或其终点。
40.本文所述的包括某些部件的电路或器件可以代替地为适于耦合到这些部件以形成所述的电路或器件。例如，被描述为包括一个或多个半导体元件(例如晶体管)、一个或多个无源元件(例如电阻器、电容器和/或电感器)和/或一个或多个源(例如电压和/或电流源)的结构可以代替地仅包括单个物理器件(例如半导体管芯和/或集成电路(ic)封装)内的半导体元件，并且可以适于在制造时或制造后(例如由终端用户和/或第三方)耦合到至少一些无源元件和/或源以形成所述结构。
41.本文描述的电路是可重新配置的以包括额外的或不同的部件，以提供至少部分类似于在部件替换之前可用的功能的功能。除非另有说明，否则显示为电阻器的部件通常代表任何一个或多个串联和/或并联耦合的元件，以提供由所示电阻器表示的阻抗量。例如，本文示出和描述为单个部件的电阻器或电容器可以代替地分别是在相同节点之间并联耦合的多个电阻器或电容器。例如，本文示出和描述为单个部件的电阻器或电容器可以代替地分别是在相同的两个节点之间串联耦合的多个电阻器或电容器，作为单个电阻器或电容器。
42.前述描述中短语“接地”的使用包括底盘接地、大地接地、浮动接地、虚拟接地、数字接地、公共接地，和/或可应用、或适用于本说明书的教导的任何其他形式的接地连接。除非另有说明，否则数值前面的“约”、“大约”或“基本上”是指所述数值的 /-10％。在权利要求的范围内，在所描述的示例中，修改是可能的，并且其它示例也是可能的。
43.在权利要求的范围内，在所描述的实施例中，修改是可能的，并且其他实施例也是可能的。