專利名稱：制造一種直接芯片連接裝置及結(jié)構(gòu)的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般涉及一種電子裝置的封裝，具體來說，涉及在倒裝片封裝中形成互連的方法及設(shè)備。
背景技術(shù)：
倒裝微電子封裝技術(shù)已存在30余年，是關(guān)于一種面朝下(所謂“倒裝”)的電子元件或芯片與基片、電路板或載體的直接電子連接。這種電子連接是通過連在芯片和基片的各自焊盤上的導(dǎo)電突起或?qū)щ娗驅(qū)崿F(xiàn)的。相反，一種較老的技術(shù)引線接合法是采用面朝上的芯片，其在各焊盤與引線框上相應(yīng)的引線或者接頭之間形成線連接。
倒裝片元件是主要的半導(dǎo)體裝置。然而，如無源濾波器、檢測(cè)器陣列和傳感器裝置等元件也開始使用倒裝片形式了。倒裝片也稱為直接芯片連接(Direct Chip Attach，DCA)——一種更具說明性的術(shù)語，因?yàn)樾酒峭ㄟ^導(dǎo)電突起直接連接到基片上、電路板或者載體上的。
盡管倒裝片技術(shù)已經(jīng)進(jìn)步到包括多種材料及方法來用于突起、連接及底部填料等裝置，然而在解決關(guān)于更緊湊的空間需求、降低成本和更高的裝置性能及可靠性等問題時(shí)仍存在挑戰(zhàn)。
因此，關(guān)于制造倒裝片式封裝仍存在對(duì)改良結(jié)構(gòu)及工藝的需求。


圖1圖示了根據(jù)本發(fā)明制造的直接芯片連接裝置的放大的軸測(cè)圖；圖2圖示了在最初制造階段的圖1所示實(shí)施例沿參考線1-1的放大截面圖；圖3圖示了在下一制造階段中圖1所示實(shí)施例的放大截面圖；圖4圖示了一個(gè)根據(jù)本發(fā)明的用來制造圖1實(shí)施例的設(shè)備的放大截面圖；圖5圖示了圖4所示裝置的另一放大截面圖；圖6圖示了在隨后制造階段中圖1實(shí)施例的放大截面圖；圖7圖示了下一制造階段中圖1實(shí)施例的放大截面圖；
圖8圖示了根據(jù)本發(fā)明的裝置的第二實(shí)施例的放大截面圖。
具體實(shí)施例方式一般地，本發(fā)明是關(guān)于一種在模制直接芯片連接(DCA)結(jié)構(gòu)上形成開口用以連接焊料突起和密封裝置的方法。具體來說，一個(gè)電子芯片連接到引線框結(jié)構(gòu)上且一個(gè)導(dǎo)電突起連接到芯片表面上的焊盤上。然后引線框基片和電子芯片在一個(gè)模塑腔中被密封。在密封階段，在模鑄腔內(nèi)的針、短柱或者凸起與導(dǎo)電突起接觸以防止密封材料溢過導(dǎo)電突起從而可形成開口。在下一階段中，焊料球通過這些開口連到導(dǎo)電突起上。
普遍地，DCA裝置是以如下方式制造的。將一電子芯片連到引線框結(jié)構(gòu)上。然后，芯片由鈍化材料或者模塑料通過傳統(tǒng)的注模法密封。在模塑工序完成之后裝置從模塑設(shè)備上拆卸下來，在模塑件外表面上形成開口以露出電子芯片上的接觸區(qū)域。然后連接焊料球以在密封芯片與下一層組件之間形成互連。
在模塑件外表面形成開口的一個(gè)方法是用激光燒制。激光燒制有幾個(gè)缺陷，如較長(zhǎng)的處理時(shí)間、昂貴的設(shè)備以及提供準(zhǔn)直時(shí)繁瑣的技術(shù)。化學(xué)蝕刻是形成開口的另一種技術(shù)。這種技術(shù)需要專門的化學(xué)制品，其非常昂貴且有害。此外，化學(xué)蝕刻技術(shù)還非常耗時(shí)且需要昂貴的工藝設(shè)備。
現(xiàn)將參照?qǐng)D1至8及下文的詳細(xì)說明來更好的理解本發(fā)明。為了便于理解，在說明書及附圖中相似的元件或區(qū)域使用相同的附圖標(biāo)記。
圖1示出一個(gè)根據(jù)圖2至7所示方法制造的DCA裝置或結(jié)構(gòu)1的放大的等角視圖。DCA裝置1包括一個(gè)引線框或者支撐基片2，一個(gè)電子芯片、裝置或者元件3(圖2中所示)，和一個(gè)在上表面7上具有開口6的密封層或者保護(hù)層4。焊料球或者導(dǎo)電球、珠或突起9通過開口6與芯片3和引線框2相連。
圖2圖示了一個(gè)在早期制造階段的DCA裝置1沿圖1中參考線1-1的放大截面圖。舉例來說，芯片2包括一個(gè)功率MOSFET、邏輯、傳感器裝置、被動(dòng)器件或者雙極器件。芯片3包括在上表面14上的焊盤或者焊塊13。焊盤13含有，例如，鋁/鋁-硅/鋁-硅-銅。芯片3由使用傳統(tǒng)技術(shù)例如共晶管芯連接(eutectic die attach)、導(dǎo)電環(huán)氧樹脂或者軟焊工藝形成的一個(gè)管芯連接層17連接到引線框2上。例如，芯片3使用鉛/錫(Pb/Sn)軟焊工藝連接。
如圖2所示，引線框2進(jìn)一步包括一個(gè)標(biāo)記突起18，其上部或者頂端與芯片3的下表面19相接觸。當(dāng)芯片3包含一個(gè)功率MOSFET時(shí)，觸點(diǎn)13構(gòu)成一個(gè)源觸點(diǎn)而標(biāo)記突起18提供一個(gè)頂端漏極觸點(diǎn)。帶有引線框2包括標(biāo)記突起18優(yōu)選含有銅、銅合金(如，TOMAC4，TOMAC5，2ZFROFC，或者CDA194)、鍍銅的鐵/鎳合金(如鍍銅合金42)或者類似物。
然后，如圖3所示，導(dǎo)電突起、球或者短柱22連到觸點(diǎn)13上。在一優(yōu)選實(shí)施例中，導(dǎo)電柱22也連到標(biāo)記突起18上。在另一可替代實(shí)施例中，標(biāo)記突起18的高度被設(shè)計(jì)為等于短柱22與觸點(diǎn)13的高度而短柱22未置于標(biāo)記突起18上。
導(dǎo)電突起22是通過例如超聲波、熱壓或者熱聲焊接技術(shù)連接的。導(dǎo)電突起22含有，例如金或銅。在一實(shí)施例中，導(dǎo)電突起22是通過傳統(tǒng)絲焊技術(shù)的絲焊球形成的。優(yōu)選地，除去焊絲上絲焊球以上的任何剩余部分，只剩下導(dǎo)電柱22在焊盤13及導(dǎo)電突起18上，如圖3所示。
可替代地，導(dǎo)電柱22可由通過回流而與焊盤13及標(biāo)記突起18構(gòu)成電連接和機(jī)械連接的焊料球形成。在另一實(shí)施例中，導(dǎo)電柱22是通過導(dǎo)電環(huán)氧樹脂形成。優(yōu)選地，導(dǎo)電柱22具有從75微米到1500微米的高度。當(dāng)導(dǎo)電柱22被連接上后，組件24就形成了。
圖4表示了在下一工序初始階段的組件24的放大截面圖。組件24被置于一個(gè)模塑設(shè)備27中來進(jìn)行密封。磨損設(shè)備27包括一個(gè)上半部分、上盤或者第一半部分29，和一個(gè)下半部分、下盤或者第二半部分31。在一優(yōu)選實(shí)施例中，下盤31還包括一個(gè)腔、井或者井狀部分32，其在上表面或主要表面34上用于接收或者容納芯片3及標(biāo)記突起18。
根據(jù)本發(fā)明，井32包括針、柱、凸起或者突起36，其位于、連接或者附在井32的表面37上。例如，針36是在井32的制造或者加工過程中從下盤31上除去周圍的材料而形成的。也就是說，針36和下盤31是由同一塊材料加工出來的?？蛇x地，針36可通過焊接或者銅焊技術(shù)連到表面37上。在一優(yōu)選實(shí)施例中，針36含有碳鋼。
根據(jù)本發(fā)明，針36形成在或者位于井32中與組件24上的導(dǎo)電柱22對(duì)齊的位置，從而在當(dāng)上盤29朝著組件24下降時(shí)，針36可以與柱22接觸，如圖5所示。這種接觸提供了一個(gè)屏蔽或隔斷結(jié)構(gòu)或裝置，其可以防止模塑化合物或者密封材料蓋過柱22的上表面從而可在模塑或密封步驟中形成開口6。在另一可選實(shí)施例中，腔及針都形成在上盤29上而組件24在模塑設(shè)備27中倒置。
然后使用傳統(tǒng)方式將模塑化合物注入到井32中來密封芯片3及標(biāo)記突起18以形成圖1中的保護(hù)層4。保護(hù)層4含有，例如，環(huán)氧清漆樹脂。
在一優(yōu)選實(shí)施例中，如圖4所示，針36的上表面是平的且上邊緣具有倒角或者圓角，從而可在DCA裝置1的開口6中形成一個(gè)斜角或者圓角的邊緣。其在圖6中進(jìn)行了更清楚的表示，圖6是模塑階段后的組件24的放大截面圖。斜切的或斜削的邊緣是為了在將焊料球9放置在開口6中時(shí)可更好地對(duì)準(zhǔn)。舉例來說，當(dāng)DCA裝置包括如功率MOSFET芯片時(shí)，針36具有以0.05到0.15毫米(mm)順序的高度及0.20到0.50mm順序的直徑。這些尺寸是可變的且可以根據(jù)特定的裝置及封裝限制來進(jìn)行調(diào)整。
由于在密封工序階段中可形成開口6，模塑設(shè)備27優(yōu)越于其他技術(shù)如激光燒制或化學(xué)蝕刻，因?yàn)槠錈o需另外的工藝設(shè)備及消耗品(比如化學(xué)藥品、用具等)。此外，這還減少了循環(huán)時(shí)間從而進(jìn)一步降低了DCA裝置1的制造成本。
在模塑階段之后，密封材料4被后固化，而后在開口6中的柱22上形成隔層41。優(yōu)選地，隔層41含有一種材料，其與柱22和焊料球9在冶金學(xué)(metalurgically)上是兼容的。也就是說，隔層41防止了柱22及焊料球9的元素之間相互擴(kuò)散。例如，當(dāng)柱22含有金而焊料球含有鉛/錫時(shí)，隔層41優(yōu)選含有一個(gè)由無電鎳鍍或電解鎳鍍(electroless nickel plating orelectrolytic nickel plating)方法形成的鎳層。
圖7表示了DCA裝置1在連上焊料球9之后的放大截面圖。焊料球9含有，如，鉛/錫合金，并通過傳統(tǒng)的熔化及回流技術(shù)(fluxing andre-flow)被連接。在回流后，焊料球9典型地呈現(xiàn)一種半球形。
圖8表示了一個(gè)根據(jù)本發(fā)明第二實(shí)施例的模塑設(shè)備47的放大截面圖。模塑設(shè)備47包括一個(gè)上半部分或盤49和一個(gè)下半部分或盤51。下盤在其上表面54上還具有一個(gè)腔、井或井狀部分52。在此第二實(shí)施例中，針56被置于井52內(nèi)的開口57中。這個(gè)實(shí)施例允許針具有不同的端部幾何形狀(例如，圓的、平的、正方的等等)，其取決于特定的裝置及封裝需要。此外，模塑設(shè)備47允許在舊的針磨損或者損壞時(shí)以一種經(jīng)濟(jì)的方式加入新的針。
因而，依照本發(fā)明，很明顯已給出了一種使直接芯片連接裝置在模塑封裝中形成開口從而使焊料球可與密封芯片接觸的方法。此外，還給出了一種模塑設(shè)備，其具有在模塑工序中可以方便地形成開口的針。這種方法和結(jié)構(gòu)通過去掉了需要昂貴設(shè)備和材料的工藝步驟而優(yōu)越于其他技術(shù)。
盡管發(fā)明是參考其具體實(shí)施例進(jìn)行描述和圖示的，但并不意味著發(fā)明僅限于這些圖示的實(shí)施例。本領(lǐng)域技術(shù)人員會(huì)認(rèn)可在不偏離本發(fā)明宗旨的情況下可以作出多種改型及變化。例如，模塑設(shè)備27可以是顛倒的從而使腔和針可以形成在上盤中。因此，意味著本發(fā)明包括所有這種落在所附權(quán)利要求保護(hù)范圍內(nèi)的變化和改型。
權(quán)利要求
1.用于形成直接芯片連接裝置的方法，其特征在于以下步驟將一電子芯片連接到一引線框結(jié)構(gòu)上，其中所述電子芯片包括一焊盤；將一導(dǎo)電突起連接到所述焊盤上；將所述電子芯片和所述引線框結(jié)構(gòu)置于一模塑設(shè)備中，其中所述模塑設(shè)備具有一井狀部分，在該井狀部分的第一表面上連有一針；將所述針與所述導(dǎo)電突起相接觸；并且以密封材料模塑電子芯片；其中所述針蓋住導(dǎo)電突起從而可在導(dǎo)電突起之上的密封材料中形成一開口。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，將所述電子芯片及所述引線框結(jié)構(gòu)置于所述模塑設(shè)備中的步驟包括將所述電子芯片及所述引線框結(jié)構(gòu)放置到所述模塑設(shè)備中，其中該井狀部分具有多個(gè)連到第一表面上的針。
3.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，進(jìn)一步包括步驟將一焊料球連到所述開口內(nèi)的電子芯片上。
4.如權(quán)利要求1所述的方法，所述將所述電子芯片及所述引線框結(jié)構(gòu)置于所述模塑設(shè)備中的步驟包括將所述電子芯片及所述引線框結(jié)構(gòu)放置到所述模塑設(shè)備中，其中該針具有一平的上表面和圓角的上邊緣。
5.用以形成倒裝片裝置的方法，其特征在于采用以下步驟將一組件放置到一具有空腔的模塑設(shè)備中，其中該組件包括一連到支撐基片上的電子芯片，且其中，所述電子芯片包括一連到所述電子芯片上的第一導(dǎo)電柱；將所述第一導(dǎo)電柱與空腔中的一第一隔斷裝置接觸；并且將密封材料注入至空腔中以密封所述電子芯片，其中第一隔斷裝置蓋住第一導(dǎo)電柱，從而在所述倒裝片裝置中形成一開口。
6.如權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于，具有將焊料球連接到所述開口中的倒裝片裝置上的步驟。
7.如權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于，所述接觸步驟包括將第一導(dǎo)電柱與一針相接觸，該針具有一平的上表面和圓角的上邊緣，從而可形成一帶圓角的開口。
8.如權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于，放置組件的步驟包括放置一組件，該組件具有連接到支撐基片上的電子芯片，且其中支撐基片包括一標(biāo)記突起，在該標(biāo)記突起上連有一第二導(dǎo)電柱。
9.用于模塑倒裝片裝置的設(shè)備，其特征在于一模塑盤，具有一主表面；一空腔，在該主表面上的用于容納一芯片裝置；和一針，連到該空腔的第一表面上。
10.如權(quán)利要求9所述的設(shè)備，其特征在于，該針具有一具有圓角的上邊緣的平的上表面。
全文摘要
一種用于構(gòu)成直接芯片連接裝置(1)的方法，包括將一個(gè)電子芯片(3)連到一個(gè)具有標(biāo)記突起(18)的引線框(2)上。然后，將導(dǎo)電柱(22)連到電子芯片(3)的焊盤(13)及標(biāo)記突起(18)上從而構(gòu)成組件(24)。組件(24)然后被置于一個(gè)模塑設(shè)備(27、47)中，其包括一個(gè)第一盤(29、49)和第二盤(31、51)。第二盤(31、51)包括一個(gè)用于容納電子芯片(3)及標(biāo)記突起(18)的腔(32、52)和針(36、56)。在模塑階段中，針(36、56)接觸導(dǎo)電柱(22)以防止密封材料(4)蓋住柱(22)。這可在隨后的工藝步驟中形成開口(6)以容納焊料球(9)。
文檔編號(hào)H01L23/495GK1577824SQ20041006007
公開日2005年2月9日 申請(qǐng)日期2004年6月25日 優(yōu)先權(quán)日2003年6月26日
發(fā)明者李愛文, 吳川家, 戈元慶 申請(qǐng)人:半導(dǎo)體元件工業(yè)有限責(zé)任公司