專利名稱：用于形成互連結(jié)構(gòu)的焊膏以及由焊膏形成的互連結(jié)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及半導(dǎo)體封裝，尤其涉及一種互連結(jié)構(gòu)和用于形成互連結(jié)構(gòu)的焊膏(paste)。
背景技術(shù)：
焊料是用于在電路板上將半導(dǎo)體器件連接到導(dǎo)電襯墊的傳統(tǒng)公知材料。根據(jù)廣為公知的技術(shù)，在電路板的導(dǎo)電襯墊上可形成焊料隆起焊盤(solder bump)，并可在其上設(shè)置例如半導(dǎo)體管芯的元件，接著，使焊料回流以將所述元件連接至導(dǎo)電襯墊。作為一種選擇，焊料隆起焊盤可以在半導(dǎo)體元件上形成，可將該元件設(shè)置在導(dǎo)電襯墊上，并且使焊料回流以將該元件連接至導(dǎo)電襯墊。
參照用于示意說明的

圖1，為了在電路板10的導(dǎo)電襯墊14上形成焊料隆起焊盤，首先將焊膏15沉積在導(dǎo)電襯墊14的一部分上。如圖1所示，為了限定接納焊膏15的區(qū)域，可以將阻焊層(solder mask)12設(shè)置在電路板10的頂面上，阻焊層12在導(dǎo)電襯墊14上方包括有開口。
參照?qǐng)D2，在將焊膏15沉積在導(dǎo)電襯墊14上方后，通過加熱使焊膏15回流，即，使焊膏達(dá)到其回流的溫度而形成液體。在液體冷卻后，在導(dǎo)電襯墊14上方形成了焊料隆起焊盤17。應(yīng)該注意到，焊料隆起焊盤17具有彎曲的外表面19。彎曲的外表面19是由于在回流焊料時(shí)的表面張力而形成的，并隨著焊料體積的增加，其彎曲程度增加。因此，為了使用在本文中描述的傳統(tǒng)技術(shù)使元件和導(dǎo)電襯墊在電路板上相結(jié)合，在電路板(或元件)上印制(stencil)焊料需要嚴(yán)格粘合達(dá)到一定容差，這使得制造變得復(fù)雜。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明，使用焊膏來形成互連，用于在電路板或類似物上將元件相互電連接或?qū)⒃B接至導(dǎo)電襯墊。
根據(jù)本發(fā)明的焊膏是粘合粒子(binder particle)和填充粒子(fillerparticle)的混合物，并在需要時(shí)，還可以混合助焊材料(flux material)。根據(jù)本發(fā)明，粘合粒子的熔點(diǎn)低于填充粒子的熔點(diǎn)。此外，粘合粒子和填充粒子的各自的比例為，能夠使得在粘合粒子熔化時(shí)，沉積的焊膏的形狀基本不會(huì)改變，但是在粘合液體冷卻后足以將填充粒子相互粘合以形成結(jié)構(gòu)。這樣形成的結(jié)構(gòu)能夠用來互連。因此，根據(jù)本發(fā)明的焊膏能夠用來在表面上形成互連結(jié)構(gòu)，例如，半導(dǎo)體元件的電極或電路板上的導(dǎo)電襯墊。
根據(jù)本發(fā)明的互連結(jié)構(gòu)能夠覆蓋(例如)功率半導(dǎo)體器件的電極上的較大區(qū)域。此外，這種互連結(jié)構(gòu)是自傲的，即，固定在非可焊接環(huán)繞區(qū)域的上方，這是有利的，因?yàn)?)它使得焊料圓角(solder fillet)不再是至關(guān)重要的，這就意味著襯底和印制設(shè)計(jì)在設(shè)計(jì)和容差方面不再那么重要，這是因?yàn)?，“自傲互連”能夠使形成的焊料圓角包括焊料互連的邊緣，而不是在兩個(gè)平的表面(其中，可焊接區(qū)域由阻焊層內(nèi)的窗口來限定)之間形成焊接接縫。
2)將厚的互連形成在管芯表面上基本意味著，管芯表面和邊緣能夠用環(huán)氧樹脂或其他任意適合的鈍化材料來覆蓋，這是有利的，原因在于a)鈍化使得管芯上不同電勢(shì)之間絕緣，從而能夠進(jìn)行更高電壓和更冒進(jìn)的設(shè)計(jì)。
b)可減少保護(hù)特定封裝類型的管芯所需的處理步驟。
c)生成更加堅(jiān)固(rugged)的器件。
d)提供更好的環(huán)境保護(hù)。
e)降低關(guān)鍵的制造容差，因此使得能夠更加容易地制造器件。
本發(fā)明的其他特征和有益效果在根據(jù)下面參照相應(yīng)的附圖進(jìn)行描述后，將會(huì)變得顯而易見。
附圖的簡(jiǎn)要說明圖1和圖2示出了根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的用于形成焊料隆起焊盤互連的技術(shù)；圖3示出了用根據(jù)本發(fā)明的焊膏形成的互連結(jié)構(gòu)的本體的一部分；圖4和圖5示出了根據(jù)本發(fā)明的用于形成互連結(jié)構(gòu)的技術(shù)；圖6顯示的是根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的封裝的截面圖；圖7顯示的通過修改而包括了根據(jù)本發(fā)明的互連結(jié)構(gòu)的封裝的第一實(shí)施方案的截面圖；圖8顯示的是包括了根據(jù)本發(fā)明的互連結(jié)構(gòu)的封裝的第二實(shí)施方案的側(cè)視平面圖；圖9顯示的是包括了根據(jù)本發(fā)明的互連結(jié)構(gòu)的封裝的第三實(shí)施方案的側(cè)視平面圖；圖10顯示的是通過修改而在其電極上具有互連結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體管芯的俯視圖；圖11顯示的是在圖10中顯示的、以箭頭11-11方向觀察的半導(dǎo)體管芯的側(cè)視平面圖；圖12顯示的是形成有半導(dǎo)體管芯(它包括根據(jù)本發(fā)明形成的互連結(jié)構(gòu))的封裝的第一變種的立體圖；圖13顯示的是形成有半導(dǎo)體管芯(它包括根據(jù)本發(fā)明形成的互連結(jié)構(gòu))的封裝的第二變種的立體圖；圖14顯示的是圖13所示的封裝沿著線14-14以箭頭的方向觀察得到的截面圖；圖15顯示的是根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的封裝的截面圖；
圖16顯示的是包括了根據(jù)本發(fā)明形成的互連結(jié)構(gòu)的倒裝型半導(dǎo)體器件的俯視圖；圖17示出了包含有準(zhǔn)備包括有根據(jù)本發(fā)明的互連結(jié)構(gòu)的管芯的晶片；圖18A示出了根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的、連接到電路板的封裝的截面圖；以及圖18B示出了根據(jù)本發(fā)明的、連接到電路板的封裝的截面圖。
本發(fā)明的詳細(xì)描述根據(jù)本發(fā)明的導(dǎo)電焊膏包括粘合粒子和填充粒子的混合物。在本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方案中，粘合粒子是焊粉，填充粒子是通體分布在焊粉中、或與焊粉混合的傳導(dǎo)粒子。該優(yōu)選的實(shí)施方案進(jìn)一步包括助焊材料。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，粘合粒子的比例與填充粒子的比例為，能夠使得在粘合粒子熔化時(shí)，具有足夠的粘合度將填充粒子相互熔合起來，即，將填充粒子相互“粘合”起來。然而，粘合粒子和填充粒子的各自的部分能夠使得在粘合粒子熔化時(shí)，沉積的焊膏形狀基本不會(huì)改變。也就是說，互連結(jié)構(gòu)將基本上具有和焊膏在沉積時(shí)的形狀一樣的形狀。
在根據(jù)本發(fā)明的焊膏中使用的填充粒子優(yōu)選地具有球形的形狀，當(dāng)然還可以使用其它的例如立方體和平行六面體等的形狀。應(yīng)該認(rèn)識(shí)到，在本發(fā)明的實(shí)踐當(dāng)中，粒子的幾何形狀不需要是完美的。也就是說，例如在本文中所述的球狀僅需要是類似于球的形狀，而無需是理想的球形形狀。因此，在本文中所述的粒子形狀不應(yīng)理解為將本發(fā)明限制為理想的幾何形狀。
在優(yōu)選的實(shí)施方案中，粘合劑具有較高熔解溫度。根據(jù)本發(fā)明，適于在焊膏中用作粘合材料的焊料的實(shí)施例包括，重量為95％的Sn和5％的Sb組合成的焊料，或者是由重量為95.5％的Sn、3.8％的Ag和0.7％的Cu組合成的焊料。
適合于形成填充料的材料是銅。其它適合于形成填充料的材料還有鎳和錫銀(tin-silver)。
參照?qǐng)D3，填充粒子16可以由一種材料5涂覆另一材料7來形成。例如，類似于球形的銅粒子在用作傳導(dǎo)的填充料時(shí)，可以鍍上鎳層(nickelbarrier)，并用錫或銀來鈍化。適合與類似球形的銅粒子一起使用的粘合料是錫銀焊料、高鉛焊料或錫鉛焊料。
類似于球形的鎳粒子在用作傳導(dǎo)填充料時(shí)，可以用錫或銀來鈍化。適于用作熔合類似于球形的鎳粒子的粘合料可以為以上列出的焊料中的任意一種。
適于與錫銀填充粒子一起使用的粘合料可以是錫鉍焊料。
在一種優(yōu)選的組合中，填充料可為球形或類似于球形，并且可以是混合物總重量的5-40％，而粘合料可以是粉末狀的焊料，并且是混合物總重量的50-85％。在該優(yōu)選的組合中，約占總重量的10％的可以是助焊劑，它可以是活性柔和的樹脂。優(yōu)選地，填充粒子的大小可以在15μm-65μm之間，而粘合焊料的粒子大小可以是在25μm-45μm之間。
根據(jù)本發(fā)明的焊膏的一個(gè)具體實(shí)施例包括重量占31.5％的鍍銀鎳粒子，重量占58.5％的SAC(錫銀銅)或AS(錫銀)合金(作為粘合料)。SAC合成物在重量上可以是95.5％的Sn、3.8％的Ag以及0.7％的Cu，而SA合成物在重量上可以是96％的Sn和4％的Ag。在該實(shí)施例中，10％的總重量可以是助焊材料。
另一個(gè)實(shí)施例可以是具有抗塌散(anti-slump)性質(zhì)的前述實(shí)施例的高流動(dòng)性衍生物(high flow derivative)。這種焊膏可以包括重量占5％的鍍銀鎳球體、重量上占85％的SAC或SA、以及重量上占10％的助焊劑。
根據(jù)本發(fā)明的焊膏對(duì)于在表面(例如，在襯底上的導(dǎo)電襯墊、或半導(dǎo)體管芯的電極)上形成相對(duì)較大平坦區(qū)域的互連是尤其有用的。根據(jù)本發(fā)明的焊膏的有益特性是，在它成形時(shí)，將它加熱以使粘合料回流(即，熔化)后，其基本保持形狀不變。
現(xiàn)在參照?qǐng)D3、4和5，用于制造根據(jù)本發(fā)明的互連結(jié)構(gòu)的處理包括將大量根據(jù)本發(fā)明的焊膏沉積在表面上。具體地說，例如，可以將期望量的根據(jù)本發(fā)明的焊膏沉積在電路板10上的導(dǎo)電襯墊14上。電路板10可以具有繞導(dǎo)電襯墊14設(shè)置在其上的阻焊層12。根據(jù)本發(fā)明的焊膏(包括球狀或類似球狀的填充粒子16和導(dǎo)電粘合粒子18)被沉積在導(dǎo)電襯墊14上，并延伸超過阻焊層12。焊膏可以被沉積為具有相對(duì)平坦的頂部，如圖4所示。在該優(yōu)選的實(shí)施方案中，根據(jù)本發(fā)明的焊膏可以使用印制或印刷的方法來沉積，當(dāng)然在本發(fā)明的范圍內(nèi)還可以使用其它的方法。
在將焊膏沉積后，對(duì)粘合粒子18進(jìn)行加熱以使其熔化。因此，如果焊料被用作粘合料時(shí)，在焊料回流之前對(duì)其一直進(jìn)行加熱，即，使焊料達(dá)到其回流的溫度。因?yàn)檎澈狭Ｗ?8比填充粒子16的溫度低的多，因此填充粒子16保持為固態(tài)。然而，粘合粒子18熔化，并將填充粒子16弄濕。在溫度下降為低于粘合粒子18的熔解溫度后，填充粒子16被相互“粘合”，以此形成如圖3和5所示的整體結(jié)構(gòu)。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，選擇粘合粒子的比例，使得它不能充分液化為流動(dòng)，但能夠足夠液化為將填充粒子16相互粘合以形成適于互連的整體的結(jié)構(gòu)。
有益地，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，在粘合料熔化和固化后，根據(jù)本發(fā)明的焊膏基本可以保持其形狀。因此，根據(jù)本發(fā)明的焊膏對(duì)于形成具有用于電連接到外部元件的、降低彎曲和/或降低熱塌散屬性(這對(duì)于互連結(jié)構(gòu)來說是期望的屬性)的外表面的互連結(jié)構(gòu)是理想的。
下面參照?qǐng)D6，根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的封裝包括第一電路板20、第二電路板22、設(shè)置在第一、第二電路板20和22之間、并通過焊料26或類似物電連接到各自的電路板20、22上的導(dǎo)電襯墊21的半導(dǎo)體管芯24。如圖6所示的封裝還包括互連28，互連28可以是銅塊(copper slug)，并通過各自的焊料26或類似物層使第一、第二電路板20和22互連。根據(jù)圖6所示的封裝的更詳細(xì)描述在公布的美國(guó)專利申請(qǐng)第2004/0119148A1中示出，該申請(qǐng)被轉(zhuǎn)讓給本發(fā)明的受讓人，其全部?jī)?nèi)容通過引用并入本文。
根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，可以根據(jù)本發(fā)明來形成互連28。具體地說，參照?qǐng)D7，互連結(jié)構(gòu)19可以用來替換根據(jù)圖6的封裝中的互連28。
下面參照?qǐng)D8，在可選的實(shí)施方案中，互連結(jié)構(gòu)19可以用作外連接。具體地說，根據(jù)本發(fā)明的方法形成的互連結(jié)構(gòu)19具有連接表面21。連接表面21是自由的(free)，這樣它可以連接到外部元件，例如電路板上的導(dǎo)電襯墊。應(yīng)該注意到，在圖8所示的實(shí)施例中，還通過焊料層26將第一半導(dǎo)體元件30和第二半導(dǎo)體元件32分別連接到電路板20上的導(dǎo)電襯墊21。半導(dǎo)體元件30、32還包括自由連接表面31、33，自由連接表面31、33優(yōu)選地與互連結(jié)構(gòu)19的連接表面21共面。與連接表面21相似，半導(dǎo)體元件30、32的自由連接表面31、33可適于直接連接到電路板的導(dǎo)電襯墊。例如，可以使自由連接表面31、33可焊接。
半導(dǎo)體元件30、32可以是功率MOSFET、二極管、IGBT或其他半導(dǎo)體器件，例如控制IC等，而電路板20可以是熱傳導(dǎo)電路板，例如，絕緣金屬襯底(IMS)。應(yīng)該注意到，在圖8所示的實(shí)施方案中，隔層(insulation)34能夠在半導(dǎo)體部件30、32之間的間隙以及半導(dǎo)體元件和互連結(jié)構(gòu)19之間的間隙中形成。隔層34可以例如包括聚酰亞胺、BCB、基于環(huán)氧樹脂的介電硅聚酯或有機(jī)聚硅醚。
現(xiàn)在參照?qǐng)D9，在與圖6和圖7中顯示的實(shí)施方案相似的另一個(gè)實(shí)施方案中，封裝可包括根據(jù)本發(fā)明在第一電路板20上形成的互連結(jié)構(gòu)19，第二電路板22可設(shè)置有可焊接的自由表面36?？珊附拥淖杂杀砻?6可以電連接到半導(dǎo)體元件30、32，并用作將半導(dǎo)體元件30、32電連接到各自的外部元件(例如，電路板上的各自的導(dǎo)電襯墊)的外連接表面?？珊附拥淖杂杀砻?6可通過電路板22中公知的通路(未示出)等連接到半導(dǎo)體元件30、32。優(yōu)選地，可焊接的自由表面36和互連結(jié)構(gòu)19的自由連接表面21是共面的，以有助于根據(jù)圖9的封裝的表面安裝。
現(xiàn)在參照?qǐng)D10和11，根據(jù)本發(fā)明的互連結(jié)構(gòu)19可以在半導(dǎo)體器件(例如，功率MOSFET 40)的電極上形成。具體地說，例如，互連結(jié)構(gòu)19可以在功率MOSFET 40的源電極42和柵電極44上形成。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，多個(gè)MOSFET 40可以在晶片上形成，根據(jù)本發(fā)明的焊膏可以在功率MOSFET 40的各自電極上形成，并接著被加熱以形成互連結(jié)構(gòu)19。在此之后，功率MOSFET 40可以通過例如鋸或其他傳統(tǒng)的方法進(jìn)行分割，以獲得單個(gè)的功率MOSFET，如圖10和11所示。因此，互連結(jié)構(gòu)19可在封裝功率MOSFET 40之前在晶片級(jí)中形成。
接下來參照?qǐng)D12，根據(jù)本發(fā)明，功率MOSFET 40可以封裝在根據(jù)可選實(shí)施方案的傳導(dǎo)容器(conductive can)48中。具體地說，功率MOSFET 40的漏電極43可以電連接到容器48的內(nèi)表面，以形成與在美國(guó)專利第6,624,522號(hào)(其公開的內(nèi)容通過引用并入本文)中公開的現(xiàn)有技術(shù)的封裝相似的新的芯片級(jí)封裝。
在第一個(gè)變種中，MOSFET 40包括根據(jù)本發(fā)明在MOSFET 40的源電極42上形成的互連結(jié)構(gòu)19’，以及在MOSFET 40的柵電極44上形成的互連結(jié)構(gòu)19”(沒有任何鈍化)。因此，在功率MOSFET 40的自由表面(互連結(jié)構(gòu)19’和19”沒有覆蓋的表面)上沒有任何的鈍化，并且在功率MOSFET 40的邊緣和傳導(dǎo)容器48的環(huán)繞壁49之間具有間隙，如圖12所示。應(yīng)該注意到，可以使MOSFET 40比傳導(dǎo)容器48的深度更薄，這是因?yàn)榛ミB結(jié)構(gòu)19’和19”的高度可以通過設(shè)計(jì)來確保與其傳導(dǎo)容器48的外連接表面51共面，其中，傳導(dǎo)容器48的外連接表面51被用來例如將傳導(dǎo)容器48電連接到電路板上的導(dǎo)電襯墊。選擇減小MOSFET 40的厚度的有益效果在于可以減小它的導(dǎo)通(ON)電阻。
現(xiàn)在參照?qǐng)D13，在第二個(gè)變種中，在功率MOSFET 40的自由表面上方形成有鈍化結(jié)構(gòu)50，該結(jié)構(gòu)50優(yōu)選地延伸以覆蓋功率MOSFET 40的邊緣和傳導(dǎo)容器48的外連接表面51之間的間隙。鈍化結(jié)構(gòu)50優(yōu)選地由硅有機(jī)聚合材料形成，例如，屬于有機(jī)聚硅醚家族的硅/環(huán)氧樹脂或硅/聚酯。由于這些材料的耐高溫和耐潮濕性，所以使用這些材料是有益的。一種優(yōu)選的材料是硅環(huán)氧樹脂、硅聚酯、丙烯酸酯、熱催化劑和UV單體局部(monomer partial)催化劑的組合。由硅環(huán)氧樹脂或硅聚酯形成鈍化是優(yōu)選的，這是因?yàn)樗哂懈叩目谷芙夂涂蛊渌瘜W(xué)作用的性質(zhì)，并以非常適度的厚度(例如，幾微米)來提供高度的環(huán)境和介電保護(hù)。
參照?qǐng)D14，應(yīng)該理解，在形成鈍化結(jié)構(gòu)50時(shí)，跟蹤距離(trackingdistance)52成為互連結(jié)構(gòu)19’和傳導(dǎo)容器48的最接近的壁49之間的距離。因此，與現(xiàn)有技術(shù)的封裝(參見圖15)相比，跟蹤距離52較寬，這是因?yàn)楝F(xiàn)有技術(shù)的封裝跟蹤距離是功率MOSFET的邊緣和設(shè)置在管芯表面上的電極之間的距離。跟蹤距離52的寬度的增加使得傳導(dǎo)容器48能夠與額定電壓高于100V的功率MOSFET一起使用(在使用小的容器時(shí))，甚至在其他類型的容器中可以使用300V或更高的功率MOSFET。此外，例如在圖12和13所示的結(jié)構(gòu)允許在低壓器件上設(shè)置較大的襯墊，從而提高了熱特性和封裝的導(dǎo)通電阻(Rdson)，并降低了安裝封裝時(shí)焊點(diǎn)中的電流密度。
在優(yōu)選的實(shí)施方案中，根據(jù)圖12和13的封裝中的互連結(jié)構(gòu)19’和19”由作為粘合料的無鉛焊料和作為填充料的球形或類似于球形的涂覆有銀的鎳粒子配成的焊膏形成。優(yōu)選的無鉛焊料合金由重量為96％的Sn、4％的Ag和0.7％的Cu形成。此外，在優(yōu)選的實(shí)施方案中，球形的鎳粒子可以具有45微米的平均直徑。應(yīng)該注意到，雖然鎳粒子為球形形狀，但是銀涂層可能使其外表面不規(guī)則。
鍍銀的鎳球形和基于錫銀的焊料的組合是優(yōu)選的，其原因至少為以下兩點(diǎn)1.在回流處理過程中，焊料合金從涂覆有銀的鎳粒子中得到額外的銀，這就改變了焊料合金的組分。組分的改變使得焊料的完全液化的溫度提高，這就意味著焊料在輔助的互連焊接中不會(huì)完全變?yōu)橐后w，因而是有利的。因此，在將互連結(jié)構(gòu)用焊料層結(jié)合到導(dǎo)電襯墊后，其形狀不會(huì)改變。
2.鎳粒子非常硬，并能夠形成用于加固交界處的有效隔板(barrier)。根據(jù)本發(fā)明的焊膏形成了聚集物，并因此與基礎(chǔ)的焊料(即，粘合材料)相比，具有更高的抗撓曲和抗變形性。也就是說，它比基礎(chǔ)焊料更堅(jiān)固。然而，它比基礎(chǔ)焊料更容易碎，在超出了其彈性范圍時(shí)，會(huì)在其本體內(nèi)產(chǎn)生微小的破碎點(diǎn)。而傳統(tǒng)的無鉛焊料趨向于將應(yīng)力饋送到焊料交界層中，根據(jù)本發(fā)明的互連結(jié)構(gòu)在其本體內(nèi)吸收應(yīng)力。因此，在許多情況下，根據(jù)本發(fā)明的互連結(jié)構(gòu)對(duì)于其連接的表面起到了半犧牲層的作用。
根據(jù)圖12和13所示的變種的封裝是通過以下步驟來完成的，在將功率MOSFET安裝到傳導(dǎo)容器48的內(nèi)表面上之前，首先在功率MOSFET 40的各個(gè)電極上形成互連結(jié)構(gòu)19’和19”。具體地說，首先將多個(gè)功率MOSFET 40形成在晶片中。其后，在功率MOSFET 40的源電極42上形成互連結(jié)構(gòu)19’，在功率MOSFET 40的柵電極44上形成互連結(jié)構(gòu)19”。優(yōu)選地，為了形成互連結(jié)構(gòu)19’和19”，根據(jù)本發(fā)明的焊膏通過印制被分別沉積在功率MOSFET 40的源電極42和柵電極44上。在印刷電路板的制造中印制是一種公知的處理，并且還廣泛地用來在傳統(tǒng)的倒裝型器件中形成焊球。可選地，用于形成根據(jù)本發(fā)明的互連結(jié)構(gòu)19’和19”的焊膏能夠使用在沉積過程中使焊料成形的其他任意方法來沉積，例如，焊料鑄造或模制。
優(yōu)選地，根據(jù)本發(fā)明處理的晶片除了通常在管芯上使用以外不包括任何鈍化方案。然而，晶片處理不排除已經(jīng)在功率半導(dǎo)體器件的制造過程中使用的所有當(dāng)前可得到的鈍化來處理過的晶片。
在將焊膏沉積后，將晶片加熱以使粘合料回流。優(yōu)選地，晶片在對(duì)流式回流爐(convection reflow oven)中加熱，這是通常在印刷電路板組裝中使用的處理。對(duì)流爐優(yōu)選地運(yùn)行分段回流分布(staged reflowprofile)，從而使得焊料達(dá)到完全回流的溫度。這種操作可以在空氣或氮?dú)獾沫h(huán)境下來實(shí)施。
在回流后，在晶片上會(huì)殘留助焊劑。優(yōu)選地使用超聲波板清洗機(jī)器將殘留的助焊劑去除。一種用于去除殘留的助焊劑的優(yōu)選的機(jī)器使用適當(dāng)?shù)娜軇?，該溶劑位于機(jī)器一側(cè)的液體箱中，并在機(jī)器的另一側(cè)保持為汽相。優(yōu)選地，殘留的大部分助焊劑在液體箱中去除，在汽相中進(jìn)行最后的清理。這種處理確保了在清洗之后晶片上具有非常少的污染物。圖17示出了晶片53，在其中具有準(zhǔn)備包括本發(fā)明的互連結(jié)構(gòu)19’和19”的管芯。
根據(jù)本發(fā)明的焊膏被設(shè)計(jì)成在其粘合料被回流后，基本保持其沉積時(shí)的形狀。因此，例如，如果用于沉積焊膏的儀器的印刷孔形成具有給定高度的立方體，則在回流粘合料后形成的互連結(jié)構(gòu)基本保持與沉積的立方體相似的形狀。應(yīng)該注意到，在回流粘合料后，不可避免地會(huì)有一些形狀改變。然而，這些形狀改變不會(huì)有害地影響互連結(jié)構(gòu)的性能。
在晶片中的功率MOSFET 40在其各自的電極上形成了互連結(jié)構(gòu)19’和19”后，晶片可以使用任意可以得到的切割方法來切割，例如，以標(biāo)準(zhǔn)金剛砂刀片來鋸切或激光鋸切。切割的結(jié)果是產(chǎn)生了單個(gè)分立的功率MOSFET。
在將功率MOSFET 40分割后，其每個(gè)都能夠通過傳導(dǎo)粘合劑(例如，填充有銀的環(huán)氧樹脂或焊料)電連接到各自的傳導(dǎo)容器48的內(nèi)表面，以形成封裝。為了完成該步驟，可以通過自動(dòng)拾放機(jī)(pick and placemachine)將各個(gè)獨(dú)立的功率MOSFET拾起來，并將它們放置在各自的傳導(dǎo)容器48內(nèi)。在將功率MOSFET 40放置在各個(gè)容器內(nèi)之前，可先將例如填充有銀的環(huán)氧樹脂的傳導(dǎo)粘合劑沉積在各個(gè)容器內(nèi)。在將功率MOSFET 40放置在傳導(dǎo)容器48內(nèi)之后，進(jìn)行固化(cure)步驟來對(duì)傳導(dǎo)環(huán)氧樹脂進(jìn)行固化。
應(yīng)該注意到，可以對(duì)傳統(tǒng)的拾放機(jī)的拾取端進(jìn)行改良以清洗互連結(jié)構(gòu)19’和19”。除了改良拾取端外，還可以根據(jù)傳統(tǒng)公知的技術(shù)來實(shí)現(xiàn)拾起和放置的步驟。
應(yīng)該注意到，雖然填充有銀的環(huán)氧樹脂是優(yōu)選的，但是可以使用其他的材料，例如軟焊料，或者基于碳和石墨的新的傳導(dǎo)材料，而并未背離本發(fā)明。此外在不期望電連接時(shí)，還可以用電絕緣的管芯附著(die-attach)材料，例如，環(huán)氧樹脂或聚酰亞胺。例如，在功率IC通過自身設(shè)置在容器內(nèi)，或用功率器件設(shè)置在容器內(nèi)時(shí)，當(dāng)使用側(cè)向功率IC或倒裝功率器件時(shí)，或者多個(gè)器件被設(shè)置在共同的容器中時(shí)，可以使用絕緣管芯附著材料將這些器件中的一個(gè)或多個(gè)與容器電隔離開來，并且在同時(shí)利用了其熱性質(zhì)。
公知的是，容器48的目的在于為通過功率MOSFET 40的電流形成必要的第三連接。該連接通常在這種類型的器件中需要來為熱傳導(dǎo)和電傳導(dǎo)提供良好的路徑。當(dāng)前，優(yōu)選用于傳導(dǎo)容器48的材料是銅，但是還可以使用其他的金屬。除了金屬，還可以使用金屬基質(zhì)或組合物以及碳和石墨材料形成這種連接。傳導(dǎo)容器48的形式和功能還可以根據(jù)應(yīng)用而改變。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，傳導(dǎo)容器48包括作為外涂層的金層。這是對(duì)于用銀作為外涂層的現(xiàn)有技術(shù)的封裝的一種改進(jìn)。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，由于離子遷移，容器上的銀會(huì)促進(jìn)容器和包含在容器中的半導(dǎo)體器件之間的枝狀晶體生長(zhǎng)，以此將它們短路并使得封裝無效。用金涂層容器48避免了上述的問題。在優(yōu)選的實(shí)施方案中，金涂層可為0.05-0.2μm厚，并且可以是沉積在容器中的浸鍍(immersion)。
應(yīng)該注意到，根據(jù)圖12的封裝是在傳導(dǎo)環(huán)氧樹脂固化后形成的。然而，為了形成根據(jù)圖13顯示的變種的封裝，用于形成鈍化50的材料通過單針分配(single-needle dispensing)、多針分配或噴射技術(shù)而沉積在功率MOSFET 40的暴露部分上方，這是更加準(zhǔn)確和靈活的一種方式。在將鈍化材料沉積后，進(jìn)行固化步驟來形成鈍化50。
應(yīng)該注意到，鈍化50沒有必要在容器48的壁49處終止。鈍化50可以在壁48的上方延伸，尤其是在使用噴墨技術(shù)來沉積鈍化50時(shí)。鈍化50在容器48的壁49上方的延伸進(jìn)一步增加了跟蹤距離。
因此，概括地說，用于制造在圖12和13中示出的封裝的過程包括下面的步驟序列用有機(jī)聚硅醚鈍化晶片，或進(jìn)行其他合適的鈍化。
用根據(jù)本發(fā)明的焊膏印刷晶片。
回流晶片上的焊膏。
清洗殘留的助焊劑。
切割晶片。
將管芯結(jié)合到容器的內(nèi)部。
固化傳導(dǎo)粘合劑以附著管芯。
沉積鈍化材料(第二次鈍化)(管芯邊緣，管芯和容器之間的間隙，容器邊緣)。
固化鈍化材料(第二次變化)。
可選地，用于將管芯結(jié)合到容器的傳導(dǎo)粘合劑可以是焊料。如果是這樣的話，上述處理可在回流焊料后包括清洗步驟。
以下是用于制造根據(jù)本發(fā)明的封裝另外一種可替換的處理。
用有機(jī)聚硅醚材料鈍化晶片，或進(jìn)行其他合適的鈍化。
切割晶片。
用傳導(dǎo)粘合劑將管芯結(jié)合到容器的內(nèi)部。
固化結(jié)合管芯的粘合劑。
將焊膏沉積在管芯表面電極上。
回流電極上的焊膏。
清洗殘留的助焊劑。
沉積有機(jī)聚硅醚鈍化材料(管芯邊緣，管芯和容器之間的間隙，容器邊緣)。
使鈍化固化。
選地，用于將管芯結(jié)合到容器的傳導(dǎo)粘合劑可以是焊料。但是在這種情況下，不需要額外的助焊劑清洗處理，這是因?yàn)楦鶕?jù)本發(fā)明的焊料和焊膏在同一步驟中回流。
根據(jù)在圖13中顯示的變種的封裝比現(xiàn)有技術(shù)的封裝(參見圖15)更堅(jiān)固，這是因?yàn)?至少部分地因?yàn)?凹入的管芯厚厚地涂覆了能夠大大抵制化學(xué)和機(jī)械損害的鈍化層。此外，由根據(jù)本發(fā)明的焊膏形成的相對(duì)較厚的互連結(jié)構(gòu)還可以用來保護(hù)管芯的接觸區(qū)域，即，柵電極和源電極。
同時(shí)，焊料接觸高度的增加和在形成本發(fā)明的互連結(jié)構(gòu)中使用的材料組合的增加，以及輔助的焊接處理，改進(jìn)了熱循環(huán)。
此外，用于制造根據(jù)在圖12和13中示出的變種的封裝的處理使得能夠使用更多不同構(gòu)造的材料(與現(xiàn)有技術(shù)相比)，這就意味著可以容易地使用如在本文中所示、以及在現(xiàn)有技術(shù)中所示的容器48制造出不具有暴露的銀的器件。也就是說，鈍化50可以覆蓋并因此密封封裝內(nèi)的銀。此外，在焊料被用作管芯附著材料來替代銀環(huán)氧樹脂時(shí)，可以將銀有效地去除。
此外，與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有較薄的管芯和較大接觸區(qū)域能夠提高導(dǎo)通電阻和熱性能。
除此之外，管芯的厚度不必和容器48的深度匹配。因此，在使用根據(jù)本發(fā)明的互連結(jié)構(gòu)來將所有與管芯關(guān)聯(lián)的端子置于同一平面時(shí)，厚度與容器48的深度不同的管芯可以封裝在與在現(xiàn)有技術(shù)中使用的容器相同的容器內(nèi)。
而且，根據(jù)圖13顯示的變種的封裝可以在不同電勢(shì)的觸點(diǎn)和區(qū)域之間獲得較大的距離，這與現(xiàn)有技術(shù)相比允許較高電壓的管芯。
一個(gè)附加的有益效果是，能夠使用管芯的較大區(qū)域來用作連接，這是因?yàn)榕c現(xiàn)有技術(shù)相比，觸點(diǎn)(例如，柵電極和源電極)能夠移動(dòng)到更接近管芯的邊緣。因此，可以獲得較低的導(dǎo)通電阻，以及能夠減小頂部金屬擴(kuò)散電阻(metal spreading resistance)。更重要的是，作為焊接點(diǎn)內(nèi)電流密度結(jié)果的管芯尺寸邊界將向著更好的方向變化。
在可選的實(shí)施方案中，形成的互連結(jié)構(gòu)19能夠應(yīng)用到倒裝形的MOSFET 41的電極(包括漏電極46、以及位于同一表面上的柵電極44和源電極42)。這種器件的一個(gè)實(shí)施例在圖16中示出。應(yīng)該注意到，有利的倒裝型功率MOSFET 41還可以在晶片級(jí)制造，并在封裝之前進(jìn)行分割。
下面參照?qǐng)D18A-B，在根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的封裝中，管芯電極和電路上的導(dǎo)電襯墊之間的連接通過焊料塊57(圖18A)來實(shí)現(xiàn)。因此，管芯必須大致具有容器48的深度，從而使得管芯可以與連接表面51共面。因此，管芯的厚度受到容器48的深度的限制。另一方面，在使用根據(jù)本發(fā)明的互連結(jié)構(gòu)19’和19”時(shí)(圖18B)，容器48的深度不再是限制。這樣，薄的管芯可以在根據(jù)本發(fā)明的封裝中使用。這種特征使得有可能使用薄的管芯，例如具有現(xiàn)有技術(shù)的容器48的深度的IGBT管芯。此外，應(yīng)該注意到，在使用互連結(jié)構(gòu)19’和19”時(shí)，在管芯和電路板之間具有較大的器件托起高度(standoff)。例如，器件托起高度可以從100微米(作為根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的連接器的焊料塊57)到200微米變化。人們發(fā)現(xiàn)，與現(xiàn)有技術(shù)相比，器件托起高度的增加提高了封裝的抗疲勞性(fatigue resistance)。
在本發(fā)明的另一個(gè)可選的實(shí)施方案中，互連結(jié)構(gòu)19’和19”可以用由焊料合金形成的互連結(jié)構(gòu)(其延伸通過鈍化50，并因此具有如在本文中描述的具有鈍化50而帶來的有益效果)來替換。所使用的焊料合金可以是錫銀銅合金(例如，重量為95.5％Sn、3.8％的Ag和0.7％的Cu)、錫銀合金(重量為96％的Sn、4％的Ag，或者重量為90％的Sn、10％的Ag)、或者高鉛合金(重量為95％的Pb、5％的Sn)。
盡管本發(fā)明參照其具體的實(shí)施方案進(jìn)行了描述，但是對(duì)于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，許多其他的變化和修改以及其他使用將是顯而易見的。因此，本發(fā)明不由在本文公開的特定內(nèi)容來限制，而僅由所附的權(quán)利要求來限制。
權(quán)利要求
1.一種傳導(dǎo)焊膏，包括導(dǎo)電粘合粒子；以及多個(gè)與所述粘合粒子混合的填充粒子。
2.如權(quán)利要求1所述的傳導(dǎo)焊膏，其中，所述粘合粒子包括焊料。
3.如權(quán)利要求2所述的傳導(dǎo)焊膏，其中，所述焊料包括錫銀焊料。
4.如權(quán)利要求3所述的傳導(dǎo)焊膏，其中，所述錫銀焊料是在重量上基本由95.5％的Sn、3.8％的銀和0.7％的Cu構(gòu)成的合成物。
5.如權(quán)利要求2所述的傳導(dǎo)焊膏，其中，所述焊料是在重量上基本由95％的Sn和5％的Sb構(gòu)成的合成物。
6.如權(quán)利要求2所述的傳導(dǎo)焊膏，其中，所述焊料是高鉛焊料。
7.如權(quán)利要求2所述的傳導(dǎo)焊膏，其中，所述焊料是錫鉛焊料。
8.如權(quán)利要求1所述的傳導(dǎo)焊膏，其中，所述填充粒子為球狀。
9.如權(quán)利要求1所述的傳導(dǎo)焊膏，其中，所述填充粒子為立方體。
10.如權(quán)利要求1所述的傳導(dǎo)焊膏，其中，所述填充粒子為平行六面體。
11.如權(quán)利要求1所述的傳導(dǎo)焊膏，其中，所述填充粒子包括銅。
12.如權(quán)利要求11所述的傳導(dǎo)焊膏，其中，所述填充粒子鍍有鎳層。
13.如權(quán)利要求12所述的傳導(dǎo)焊膏，其中，所述填充粒子用錫來鈍化。
14.如權(quán)利要求12所述的傳導(dǎo)焊膏，其中，所述填充粒子用銀來鈍化。
15.如權(quán)利要求1所述的傳導(dǎo)焊膏，其中，所述填充粒子包括鎳。
16.如權(quán)利要求15所述的傳導(dǎo)焊膏，其中，所述填充粒子為球狀。
17.如權(quán)利要求15所述的傳導(dǎo)焊膏，其中，所述填充粒子用錫來鈍化。
18.如權(quán)利要求15所述的傳導(dǎo)焊膏，其中，所述填充粒子用銀來鈍化。
19.如權(quán)利要求1所述的傳導(dǎo)焊膏，其中，所述填充粒子包括錫銀。
20.如權(quán)利要求19所述的傳導(dǎo)焊膏，其中，所述填充粒子為球狀。
21.如權(quán)利要求19所述的焊膏，其中，所述粘合粒子包括錫鉍。
22.如權(quán)利要求1所述的傳導(dǎo)焊膏，其中，所述導(dǎo)電粘合粒子占所述合成物總重量的50-85％，所述填充粒子占所述合成物總重量的5-40％。
23.如權(quán)利要求22所述的傳導(dǎo)焊膏，進(jìn)一步包括助焊材料，所述助焊材料占所述合成物的總重量的剩余部分。
24.如權(quán)利要求23所述的傳導(dǎo)焊膏，其中，所述助焊材料占所述合成物的總重量的10％。
25.如權(quán)利要求22所述的傳導(dǎo)焊膏，其中，所述粘合粒子的寬度為15μm到50μm。
26.如權(quán)利要求22所述的傳導(dǎo)焊膏，其中，所述填充粒子的寬度為15μm到65μm。
27.如權(quán)利要求1所述的傳導(dǎo)焊膏，其中，所述導(dǎo)電粘合粒子的熔解溫度比所述填充粒子的熔解溫度低。
28.如權(quán)利要求1所述的傳導(dǎo)焊膏，其中，所述導(dǎo)電粘合粒子相對(duì)于所述填充粒子的比例為能夠使得所述傳導(dǎo)粘合粒子熔化時(shí)，不會(huì)流動(dòng)但卻足以將所述填充粒子熔合在一起。
29.一種用于在表面上形成互連結(jié)構(gòu)的方法，包括在表面上沉積互連焊膏，所述互連焊膏包括傳導(dǎo)粘合粒子和傳導(dǎo)填充粒子；使所述粘合粒子熔化；以及冷卻所述粘合粒子，以將所述傳導(dǎo)填充粒子粘合在一起。
30.如權(quán)利要求29所述的方法，其中，所述焊膏通過針式分配裝置來沉積。
31.如權(quán)利要求29所述的方法，其中，所述粘合粒子包括焊料。
32.如權(quán)利要求31所述的方法，其中，所述焊料包括錫銀焊料。
33.如權(quán)利要求32所述的方法，其中，所述錫銀焊料是在重量上基本由95.5％的Sn、3.8％的銀和0.7％的Cu構(gòu)成的合成物。
34.如權(quán)利要求31所述的方法，其中，所述焊料是在重量上基本由95％的Sn和5％的Sb構(gòu)成的合成物。
35.如權(quán)利要求31所述的方法，其中，所述焊料是高鉛焊料。
36.如權(quán)利要求31所述的方法，其中，所述焊料是錫鉛焊料。
37.如權(quán)利要求29所述的方法，其中，所述填充粒子為球狀。
38.如權(quán)利要求29所述的方法，其中，所述填充粒子為立方體。
39.如權(quán)利要求29所述的方法，其中，所述填充粒子為平行六面體。
40.如權(quán)利要求29所述的方法，其中，所述填充粒子包括銅。
41.如權(quán)利要求40所述的方法，其中，所述填充粒子鍍有鎳層。
42.如權(quán)利要求41所述的方法，其中，所述填充粒子用錫來鈍化。
43.如權(quán)利要求41所述的方法，其中，所述填充粒子用銀來鈍化。
44.如權(quán)利要求29所述的方法，其中，所述填充粒子包括鎳。
45.如權(quán)利要求44所述的方法，其中，所述填充粒子為球狀。
46.如權(quán)利要求44所述的方法，其中，所述填充粒子用錫來鈍化。
47.如權(quán)利要求44所述的方法，其中，所述填充粒子用銀來鈍化。
48.如權(quán)利要求29所述的方法，其中，所述填充粒子包括錫銀。
49.如權(quán)利要求48所述的方法，其中，所述填充粒子為球狀。
50.如權(quán)利要求48所述的方法，其中，所述粘合粒子包括錫鉍。
51.如權(quán)利要求29所述的方法，其中，所述導(dǎo)電粘合粒子占所述合成物總重量的50-85％，所述填充粒子占所述合成物總重量的5-40％。
52.如權(quán)利要求51所述的方法，進(jìn)一步包括助焊材料，所述助焊材料占所述合成物的總重量的剩余部分。
53.如權(quán)利要求52所述的方法，其中，所述助焊材料占所述合成物的總重量的10％。
54.如權(quán)利要求51所述的方法，其中，所述粘合粒子的寬度為15μm到50μm。
55.如權(quán)利要求51所述的方法，其中，所述填充粒子的寬度為15μm到65μm。
56.如權(quán)利要求29所述的方法，其中，所述導(dǎo)電粘合粒子的熔解溫度比所述填充粒子的熔解溫度低。
57.如權(quán)利要求29所述的方法，其中，所述導(dǎo)電粘合粒子相對(duì)于所述填充粒子的比例為能夠使得在所述傳導(dǎo)粘合粒子熔化時(shí)，不會(huì)流動(dòng)但卻足以將所述填充粒子熔合在一起。
58.如權(quán)利要求29所述的方法，其中，所述焊膏通過絲網(wǎng)印刷術(shù)沉積。
全文摘要
一種用于形成互連的焊膏，包括粘合粒子(18)、填充粒子(16)和助焊材料的混合，粘合粒子的熔解溫度比填充粒子的低，粘合粒子和填充粒子的比例被選擇為在加熱而使所述粘合粒子熔化時(shí)，所沉積的焊膏的形狀基本保持不變，以此使用所述焊膏來形成互連結(jié)構(gòu)。
文檔編號(hào)H01R12/04GK1871702SQ200480031449
公開日2006年11月29日 申請(qǐng)日期2004年10月25日 優(yōu)先權(quán)日2003年10月24日
發(fā)明者馬丁·斯坦丁 申請(qǐng)人:國(guó)際整流器公司