專利名稱：定向芯片固定裝置和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本申請通常涉及電子裝置的封裝，特別涉及一種在倒扣焊芯片型電子組件中形成可靠相互連接的結(jié)構(gòu)和方法。
背景技術(shù)：
通常，在安裝至電子系統(tǒng)內(nèi)之前，將半導體芯片封裝在裝置的包裝物中。裝置或芯片的封裝所實現(xiàn)的幾個重要的功能包括a)允許使芯片連接至電子系統(tǒng)上的互連引線；b)物理保護；c)環(huán)境保護；以及d)散熱。這些功能會對芯片的制造者帶來許多必須與其它因素(如成本)相平衡的設計和制造問題。
倒扣焊芯片包裝為一種電子芯片的包裝技術(shù)，并且已存在了30多年。倒扣焊芯片包裝已經(jīng)發(fā)展為包括許多用于撞擊、固定和非充滿裝置(underfilling device)的材料和方法。雖然已發(fā)展了這些技術(shù)，但是，在以更高頻率的使用，更緊密的空間需求、低成本和一般性的裝置特性解決問題時仍存在許多困難。
用于半導體元件的目前的倒扣焊芯片包裝設計包括定向芯片固定(DCA)結(jié)構(gòu)。DCA是指將電子芯片直接固定至如印刷電路板(PCB)這樣的電路或撓性電路上。在典型的DCA結(jié)構(gòu)中，將金屬觸頭(金觸頭)固定在芯片上，隨后利用鈍化材料或模制合成物密封所述結(jié)構(gòu)。接著，在模制合成物上形成孔，以使金屬觸頭暴露，并且隨后通過孔固定焊料球或凸起，以向密封的芯片提供觸點。隨后，使DCA裝置上的焊料凸起固定在印刷電路板，撓性電路或下一組件上。
與目前的DCA結(jié)構(gòu)相關(guān)的一個問題出現(xiàn)在焊料球/金屬觸頭界面處。例如，當焊料球由鉛/錫合金構(gòu)成并且金屬觸頭由金構(gòu)成時，金經(jīng)過一段時間后往往會融入焊料球內(nèi)。這樣便會在金觸頭和焊料球之間產(chǎn)生間隙，從而會導致接觸不良和不耐用的接合點。接觸不良和不耐用的接合點會導致裝置的可靠性和特性出現(xiàn)問題，因此，需要更可靠的DCA結(jié)構(gòu)。另外，需要能夠形成更可靠的DCA構(gòu)件的具有經(jīng)濟性且可重復的方法。


圖1為示出了本發(fā)明的一種定向芯片固定裝置的放大剖面圖；圖2-5示出了在不同的制造階段，圖1中定向芯片固定裝置的放大剖面圖；圖6示出了用于形成圖1的定向芯片固定裝置的本發(fā)明設備的側(cè)視圖。
具體實施例方式
概括地說，本發(fā)明提供了一種定向芯片固定(DCA)結(jié)構(gòu)，其包括一個形成在導電觸頭和焊料凸起之間的隔離層。在一個最佳實施例中，隔離層含有鎳。
另外，本發(fā)明提供了一種用于形成具有隔離層的DCA結(jié)構(gòu)的方法。特別是，將電子芯片固定在一個引線構(gòu)架上，并且將一個導電觸頭固定在芯片表面上的接合片。隨后，將引線框架基板和電子芯片密封在例如一個模腔內(nèi)。接著，在密封材料中形成孔以使導電觸頭暴露。隨后，使隔離層附著在隔離層上。接著，將一個焊料球固定在隔離層上。
在一個最佳實施例中，通過將所述結(jié)構(gòu)浸入一個無電鎳敷鍍浴槽中形成無電敷鍍鎳隔離層，迫使一股電鍍?nèi)芤毫黧w流至所述結(jié)構(gòu)的表面上以增強隔離層的附著。作為可選擇的方案或另外，利用攪拌增強在無電敷鍍浴槽中的沉積。
結(jié)合以下的詳細說明，參照附圖1-6將能更清楚地理解本發(fā)明。為便于理解，在整個詳細說明以及圖1-6中，相同的元件或區(qū)域采用了相同的附圖標記。
圖1為本發(fā)明的定向芯片固定(DCA)裝置1的放大剖面圖。DCA裝置1包括一個引線框架或支承基板2以及一個電子芯片、裝置或元件3。芯片3包括在上側(cè)或外表面14上的接合片或觸點13。利用一個模片固定層17，將芯片13固定至引線框架2上。
引線框架2還包括一個板層18，其向芯片3的下表面19提供了一個上側(cè)或頂側(cè)觸點。當芯片3例如包括一個電力MOSFET裝置時，觸點13形成電源觸點，而板層18形成了頂側(cè)漏電觸點或漏電觸點。
DCA裝置1還包括固定至觸點13上的導電凸起、球體或觸頭22。在一個最佳實施例中，也將一個導電觸頭22固定在板層18上。
根據(jù)本發(fā)明，在觸頭22的上側(cè)、焊接或者暴露表面上形成一個隔離層24。隔離層24包括金相與觸頭22以及焊料凸起9相容且能防止觸頭22和焊料球9的元素或成分彼此相互擴散、混合或彼此融入的材料。例如，當觸頭22含有金且焊料球9含有鉛/錫合金時，隔離層24最好包括一個鎳層。隔離層2 4的厚度最好為大約2微米～大約7微米。通過防止導電觸頭22和焊料球9的成分彼此相互混合并且在相互連接結(jié)構(gòu)中形成間隙或空隙，隔離層24提供了一種具有更可靠的相互連接結(jié)構(gòu)的DCA裝置。
DCA裝置1還包括一覆蓋芯片13和板層18的密封材料層或保護層4。保護層4具有在上側(cè)或主表面7上形成的孔6。經(jīng)過孔6或在孔6中，使焊料或?qū)щ娗?，球體或凸起9結(jié)合至芯片3或引線框架2上。
圖2～5顯示了一種形成DCA裝置1的理想方法。圖2顯示了在制造早期階段的DCA裝置1的放大剖面圖。在該階段，利用常規(guī)的模片固定工藝，如共晶模片固定，導電環(huán)氧樹脂或軟焊料處理，將芯片3固定在引線框架2上，以形成一個芯片固定層17。例如，利用鉛/錫(Pb/Sn)軟焊料工藝固定芯片3。
例如，芯片3包括一個電力MOSFET，邏輯，傳感裝置，無源裝置或雙極裝置。芯片3包括在上表面14上的接合片或觸點13。例如，接合片13包括鋁/鋁-硅/鋁-硅-銅多層結(jié)構(gòu)。含有板層18的引線結(jié)構(gòu)2最好包括銅，銅合金(例如，TOMAC4，TAMAC5，2ZFROFC或CDA194)，鍍銅的鐵/鎳合金(例如，鍍銅合金42)或類似物。
下面，如圖3所示，將導電觸頭22固定在接合片13上。在一個最佳實施例中，將導電觸頭22固定在板層18上。在一可選擇的實施例中，將板層18的高度設計為與導電觸頭22和接合片13的高度相匹配，并且觸頭22未設置在板層18上。
例如，利用超聲波，熱壓或熱聲焊接(thermosonic bonding)技術(shù)固定導電觸頭22。例如，導電觸頭22包括金或銅。在一個實施例中，利用常規(guī)的絲焊(wiring bonding)技術(shù)，形成具有導線焊接球的導電觸頭22。最好，如圖3所示，除去導線在導線焊接球上方的任何剩余部分，僅僅留下接合片13和板層18上的導電觸頭22。
作為可選擇的方案，利用為了能夠電和機械固定至接合片13和板層18上而被熔融處理的焊料球形成導電觸頭22。在另一個實施例中，利用導電環(huán)氧樹脂形成導電觸頭22。最好，導電觸頭22具有大約75微米～大約1,500微米的高度。
圖4顯示了在用以形成保護層4的密封步驟之后以及孔6的形成之后的DCA裝置1的放大剖視圖。最好，利用常規(guī)的轉(zhuǎn)移模塑(transfermolding)技術(shù)密封芯片3和引線框架2。保護層4例如，包括一種環(huán)氧樹脂酚醛基樹脂。在模塑工藝之后，使密封劑4實現(xiàn)后期固化，隨后利用化學刻蝕或激光燃燒技術(shù)形成孔6，以使導電觸頭22的上表面暴露。作為可選擇的方案，利用接觸觸頭22的銷，在模塑處理期間，在原位置處形成孔6，以防止模塑材料覆蓋觸頭22的上表面。在這一制造階段，形成一個子組件41。
圖5為放大剖面圖，其顯示了在引線框架2上形成一個掩模層51的下一制造步驟中的DCA裝置1或子組件41。當利用無電敷鍍技術(shù)涂覆隔離層24時，掩模層51能夠防止導電材料沉積在引線框架2上。即，掩模層51提供了更有效的處理，從而導電材料優(yōu)先沉積在孔6的觸頭22上，而不是沉積在引線框架2上。
特別是，設計人發(fā)現(xiàn)當導電觸頭22包括金且引線框架2包括銅時，掩模層51最好采用可以從市場上購得的化學鍍鎳溶液，如NiPlateBP10000M，BP10000S或BPR(可由Shipley-Ronan)購得，以便在金導電觸頭上實現(xiàn)更加理想的鎳沉積率。掩模層51最好包括一條粘性引線框架帶，一個聚酯膜(如Mylar)或其它粘性聚合體膜。
另外，由于在某些DCA裝置中的孔6具有非常小的直徑，按照大約0.2-0.5毫米的寬度，設計人發(fā)現(xiàn)常規(guī)的無電敷鍍技術(shù)不足以形成隔離層24。特別是，由于沉積速率非常慢并且不一致，因此，簡單將裝置浸入無電敷鍍浴槽中的常規(guī)技術(shù)是不合適的。
另外，由于在DCA裝置1處于無電敷鍍?nèi)芤褐袝r形成的雙電層的作用，因此，在導電觸頭22上沉積隔離材料受到質(zhì)疑。雙電層出現(xiàn)在電極(例如，導電觸頭22)和由電荷之間的相互作用(即，電荷分離)形成的電解質(zhì)溶液之間的界面處。其會導致在電極表面的反向帶電離子的匹配。雙電層具有能阻止或減緩沉積處理的厚度。
因此，圖6為側(cè)視圖，其顯示了用于克服上述問題的本發(fā)明的最佳電鍍設備61。該設備61包括一個裝有電鍍?nèi)芤?1的浴槽63，一個噴射、泵送或注入裝置66以及一個攪拌或混合裝置68。當將DCA裝置1置于浴槽63內(nèi)時，如流程線73所示，通過注入裝置66，朝孔6注入電鍍?nèi)芤?1或迫使電鍍?nèi)芤?1朝孔6流動。
注入裝置66包括例如，一個具有輸入部分77和輸出部分78(如虛線所示)的泵76，一根歧管79(如虛線所示)，以及噴嘴81。噴嘴81朝DCA裝置1的孔6導引電鍍?nèi)芤?1或直接將其輸送至所述孔6。最好，每一個噴嘴81均具有一個直徑為大約1～3mm的孔，以便能夠提供連續(xù)的電鍍?nèi)芤毫鳌ｋm然顯示了3個噴嘴81，但是，根據(jù)被電鍍的裝置的特性(如，形狀，材料，尺寸等)，可以使用更多或更少的噴嘴。另外，泵76可以位于浴槽63的外部，并且具有使泵76與浴槽63和歧管79結(jié)合的輸入部分77和輸出部分78。
通過迫使電鍍?nèi)芤?1朝向孔6運動，注入裝置61有助于避免孔的小尺寸對隔離層24形成的影響。另外，注入裝置61的功能在于減小雙電層的厚度，從而能夠增大在導電觸頭22附近的區(qū)域(即，電鍍?nèi)芤?1和導電觸頭22之間的界面層)、沉積在導電觸頭22上的材料(例如，鎳)的濃度梯度。其本身又會增加隔離層24的生長速度。
如圖6所示，電鍍裝置61可選擇地或還包括一個攪拌裝置68。攪拌裝置68包括例如，一個機械攪拌裝置，一個電磁攪拌裝置或者類似裝置。攪拌裝置68能夠起到按流程線86所示攪拌電鍍?nèi)芤?1的功能，并且還能夠在隔離層24的形成期間增大沉積速率(如圖1所示)。
為了提供均勻的隔離層24(如圖1所示)，例如，在電鍍期間，使電鍍?nèi)芤?1(例如，可以從Shipley-Ronan購得的NiPlate BP10000M；BP10000S或BPR)保持在大約85～95攝氏度的處理溫度。另外，注入裝置66最好能夠提供大約19～38升/分鐘的電鍍?nèi)芤?1的流速。另外，攪拌裝置68以每分鐘大約80～100轉(zhuǎn)(rpm)的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動。上面的參數(shù)，消耗品以及條件能夠例如使鎳的生長率達到大約0.25微米/分鐘。
雖然已描述了無電敷鍍工藝，但是當芯片3(均在圖1中示出)包括一個在電鍍期間能夠使電流通過或?qū)б娏鞯难b置時，可以將電解電鍍技術(shù)應用于形成隔離層24。例如，當芯片3包括一個二極管裝置(該裝置在電鍍期間，能夠以向前的偏壓方式導引電流)時，可以使用電解電鍍技術(shù)。
因此，顯然，根據(jù)本發(fā)明，已提供了一種改進的DCA裝置結(jié)構(gòu)，其具有形成于導電觸頭和焊料凸起之間的隔離層。所述隔離層能夠防止導電觸頭和焊料凸起的成分相互混合，從而能夠避免空隙和間隙的形成。其改進了相互連接的整體性和裝置的特性和可靠性。另外，已披露了用于形成隔離層和具有經(jīng)濟性的可重復的方法和設備，其能夠克服常規(guī)無電敷鍍技術(shù)的缺點。
雖然參照特定的實施例對本發(fā)明進行了說明，但是，應理解本發(fā)明不應局限于這些說明性實施例中。本領(lǐng)域技術(shù)人員應認識到在不脫離本發(fā)明范圍的情況下，可以作出改進和變形。因此，應理解本發(fā)明應包括所有落入權(quán)利要求保護范圍內(nèi)的改進和變形。
權(quán)利要求
1.一種定向芯片固定結(jié)構(gòu)，其包括一塊具有一個第一主表面的支承基板；一個與所述第一主表面相結(jié)合的電子芯片，其中，電子芯片在外表面上包括一個接合片；一個與接合片相結(jié)合的導電觸頭；一個覆蓋了所述電子芯片和一部分第一主表面的保護層，其中，所述保護層具有一個使導電觸頭暴露的孔；一個形成于導電觸頭上的隔離層；以及一個與隔離層相結(jié)合的焊料球。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的結(jié)構(gòu)，其特征在于所述隔離層的厚度為大約2微米～大約7微米。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的結(jié)構(gòu)，其特征在于所述支承基板包括一個金屬引線框架，該框架具有一個板層。
4.一種用于形成電子組件的方法，其包括以下步驟將一個電子芯片固定至一支承基板上，其中，所述電子芯片在外表面上包括一個接合片；將一個導電觸頭固定至接合片上；密封所述電子芯片以形成一個具有上表面的子組件；在上表面中形成一個孔，以使導電觸頭暴露；在所述導電觸頭上形成一個隔離層；以及將一個焊料球固定至隔離層上。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于所述形成隔離層的步驟包括形成一個鎳隔離層。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于所述形成隔離層的步驟包括以下步驟將所述子組件置于無電敷鍍浴槽中；以及朝所述孔注入電鍍?nèi)芤?，以在導電觸頭上形成所述隔離層。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其還包括掩蔽所述支承基板的步驟。
8.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于固定導電觸頭的步驟包括固定一個金觸頭。
9.一種用于形成定向芯片固定結(jié)構(gòu)的方法，其包括以下步驟提供一個子組件，該組件包括一個引線框架，一個固定在引線框架上的芯片，一個形成于芯片外表面上的接合片，一個固定至接合片的導電凸起，以及一個覆蓋芯片的密封層，其中，所述密封層具有一個使導電凸起暴露的孔；將所述子組件置于無電敷鍍?nèi)芤褐?；以及朝所述孔注入無電敷鍍?nèi)芤海栽趯щ娡蛊鹕闲纬伤龈綦x層。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其還包括使一個焊料凸起與隔離層結(jié)合的步驟。
全文摘要
一種用于形成定向芯片固定(DCA)裝置(1)的方法，其包括將一個芯片(3)固定至引線框架(2)上。將導電觸頭(22)固定至芯片(3)上的接合片(13)以及引線框架(2)上的板層(18)上。利用密封層(4)封閉芯片(3)和板層(18)，并且在上表面(7)上形成孔(6)，以使導電觸頭(22)暴露。在一個實施例中，將一個掩模層(51)施加在引線框架(2)上，隨后，將所述結(jié)構(gòu)置于無電敷鍍設備(61)中。當處于電鍍設備(61)中時，注入裝置(66)朝上表面(7)和孔(6)注入電鍍?nèi)芤?71)，以增強隔離層(24)在導電觸頭(22)上的形成。隨后，將焊料凸起(9)通過孔(6)固定至隔離層(24)上。
文檔編號H01L23/495GK1577817SQ200410060070
公開日2005年2月9日 申請日期2004年6月25日 優(yōu)先權(quán)日2003年6月26日
發(fā)明者詹姆斯·克納普, 劉國良, 林鵬聯(lián), 戈元慶 申請人:半導體元件工業(yè)有限責任公司