專利名稱：半導(dǎo)體器件及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種球形網(wǎng)格陣列(此后稱之為“BGA”)封裝，特別是涉及提供一種通過在半導(dǎo)體襯底上部形成通孔而在半導(dǎo)體襯底下部形成焊球，以便用于高密度組裝存儲器組件的半導(dǎo)體器件及制造該半導(dǎo)體器件的方法。
考慮到電子設(shè)備的高性能化與多功能化將隨著不斷趨于小型化與減薄尺寸而提高，就要求各種半導(dǎo)體器件組裝的方法能在有限的內(nèi)部空間之中有效地組裝大容量存儲器件。
作為解決上述問題一個方法，莫托羅拉公司的“Over Molded Pad Array Carrier(OMPAC)”封裝方法(已公開在ASIC & EDA，第9-15頁，1993年3月號中)可以作為一個例子。
圖1是表示一種常規(guī)半導(dǎo)體器件實施例的垂直剖面圖。
參照圖1，該半導(dǎo)體器件包括有由預(yù)定間隔隔開的通孔15的輔襯底11，以及在輔襯底11的一定區(qū)域形成的導(dǎo)電接觸焊盤13。另外，借助于絕緣粘合劑將半導(dǎo)體芯片12固定在輔襯底11上，以金屬絲14把半導(dǎo)體芯片12的壓焊盤電連接到導(dǎo)電接觸焊盤13上，再用環(huán)氧樹脂模塑混合物(此后稱之為“EMC”)灌注金屬絲14和半導(dǎo)體芯片12，形成封裝體10。在輔襯底11的通孔15下部有焊料塊電極，亦即焊球16，而多個電極焊盤18則對應(yīng)于焊塊電極16而配置在主襯底17上。
將半導(dǎo)體芯片12安裝在輔襯底11上，用諸如金(Au)絲14完成電連接之后，借助于EMC進(jìn)行傳遞模塑，而焊球16則固定在具有通孔15的輔襯底11下的相應(yīng)通孔15上，從而經(jīng)回流焊獲得具有焊塊電極16的半導(dǎo)體器件，它被稱之為BGA封裝。
將上述結(jié)構(gòu)的BGA封裝安裝在主襯底17上，并使由焊球16構(gòu)成的焊塊電極通過回流焊電連接到在主襯底17上表面形成的電極焊盤18上，于是就完成了半導(dǎo)體器件的組裝。
這樣的BGA封裝與同樣腳針數(shù)的方形平面封裝(QFP)相比較，在主襯底上的安裝面積大約節(jié)省30%，然而迄今的BGA封裝都脫離不了二維結(jié)構(gòu)平面安裝的范疇，其中所有的在主襯底與封裝之間的連接點都位于同一平面上。
此外，在BGA封裝之中，用以保護(hù)半導(dǎo)體芯片12免受周圍環(huán)境影響的樹脂密封部分只形成于封裝體10與輔襯底的界面的一側(cè)。也就是說，在輔襯底11下形成的焊球16被通過回流焊而固定到結(jié)構(gòu)脆弱的主襯底17的電極焊盤18上，于是會暴露于外界環(huán)境之中，因此，這種BGA封裝在內(nèi)部和外部環(huán)境特性方面要比常用的那些封裝差，從而會使其性能降低。
本發(fā)明在于解決上述問題。因而，本發(fā)明的目的在于提供一種制造半導(dǎo)體器件的方法，使器件的整個外形完全符合小型輸出線J-引線(SOJ)封裝的標(biāo)準(zhǔn)，以便確保與常用的安裝至主表面的工藝方法相容，而又能改進(jìn)可靠性。
本發(fā)明的另一個目的在于利用可被層疊在SOJ封裝內(nèi)部的BGA封裝，通過采取實現(xiàn)層間互連的三維安裝結(jié)構(gòu)，從而提供可改進(jìn)組裝效率的半導(dǎo)體器件。
為了實現(xiàn)本發(fā)明的上述目的，提供了一種半導(dǎo)體器件的制造方法，其中包括在主襯底的上表面和下表面的兩端中部形成通孔，圍繞通孔中心依次鍍銅(Cu)、鎳(Ni)、和金(Au)以形成金屬鍍覆層。
然后，通過刻成圖形，在主襯底上和下表面上形成的金屬鍍覆層周圍制作預(yù)定圖形結(jié)構(gòu)的島狀圖形、電極連接端子、和球形網(wǎng)格陣列。借助加放入粘合劑將半導(dǎo)體芯片固定在主襯底中部，以及通過金屬絲焊而與電極連接端子相連，從而形成封裝體。最后，將預(yù)定形狀的各焊球安裝在球形網(wǎng)格陣列之上。
為實現(xiàn)本發(fā)明的另一個目的，半導(dǎo)體器件包括多個島狀圖形，該圖形包括在主襯底下表面兩端形成的通孔和電極連接端子、以及多個在主襯底上表面兩端形成的球形網(wǎng)格陣列。此外，把多個焊球安裝在主襯底的球形網(wǎng)格陣列上，而通過加放入粘合劑將一個半導(dǎo)體芯片安裝到主襯底下表面的中部，以及通過金屬絲焊而與電極連接端子相連，再經(jīng)過用環(huán)氧樹脂模塑混合物灌制半導(dǎo)體芯片與金屬絲，從而制成封裝體。
這實現(xiàn)本發(fā)明的再一個目的，所提供的一種半導(dǎo)體器件包括被裝在印制電路板的下表面上的至少一個半導(dǎo)體芯片、金屬絲焊到印制電路板端子上的多個半導(dǎo)體芯片電極端子、以及用密封樹脂密封起來的該半導(dǎo)體芯片和金屬絲的連接部。該半導(dǎo)體器件具有三維結(jié)構(gòu)，其中印制電路板被反裝，印制電路板的各端子則經(jīng)各通孔被連到外部端子，而且將至少一個半導(dǎo)體器件層疊在印制電路板的上表面上，以便通過加放入焊球使各個半導(dǎo)體器件互連，以便通過作為外部端子的引線將其安裝在其他印制電路板上。
通過詳細(xì)地描述各優(yōu)選的實施例并參照附圖，本發(fā)明的上述目的和其他優(yōu)點將變得更加清楚，其中圖1是表示一個常規(guī)半導(dǎo)體器件實施例的垂直剖面圖;
圖2是表示一個按照本發(fā)明的半導(dǎo)體器件實施例的垂直剖面圖;
圖3是表示在主襯底上形成的島狀圖形、通孔的及電極連接端子的圖2局部平面剖視圖;
圖4是表示另一個按照本發(fā)明的半導(dǎo)體器件實施例的垂直剖面圖;
圖5是表示在主襯底上形成島狀圖形、通孔及電極連接端子的圖4局部平面剖視圖;
圖6是圖4一個區(qū)域的局部放大剖視圖;
圖7是表示將依據(jù)本發(fā)明的半導(dǎo)體器件組裝到半導(dǎo)體襯底上部的平面圖;
圖8是表示將依據(jù)本發(fā)明的半導(dǎo)體器件組裝到半導(dǎo)體襯底下部的平面圖;
圖9是表示另一個依據(jù)本發(fā)明的半導(dǎo)體器件實施例的垂直剖面圖。
參照圖2，下面將詳細(xì)地描述依據(jù)本發(fā)明的半導(dǎo)體器件(SOJ封裝)的優(yōu)選實施例。
在圖2中，多個島狀圖形(未示出)包括通孔(未示出)和電極連接端子23，并形成于主襯底21的下表面兩端上。多個球形網(wǎng)格陣列25形成于主襯底21的上表面的兩端上，而多個焊球26則形成于主襯底21的球形網(wǎng)格陣列25之上。
在加放入粘合劑29的同時，半導(dǎo)體芯片22被固定在主襯底21的下表面中部，再將半導(dǎo)體芯片22的壓焊盤(未示出)用金屬絲24焊接到電極連接端子23上，并且用EMC模塑成封裝件20。
這里，電極連接端子23通過孔與島狀圖形電連接，再電連接到金屬絲24。
參照作為圖2局部剖面圖的圖3可以更清楚地理解上述結(jié)構(gòu)。
參照圖3，由電極連接端子23共同電連接沿主襯底21的長度方向一起形成的島狀圖形27和通孔28，而后沿長度方向在電極連接端子23的末端設(shè)置封裝體20。
圖4是表示另一個依本發(fā)明半導(dǎo)體器件的實施例垂直剖面圖。
參照圖4，該半導(dǎo)體器件至少有一個通過加放入粘合劑39而固定在印制電路板(此后稱為“PCB”)31的下表面上的半導(dǎo)體芯片32，半導(dǎo)體芯片32的壓焊盤(未示出)和PCB31的電極連接端子33則采用金屬絲34來焊接。該半導(dǎo)體芯片32的連接部與金屬絲34都采用樹脂密封，從而形成封裝體30。
如上形成的上述半導(dǎo)體器件在其最后的安裝工藝過程中，將PCB31上邊朝下顛倒安裝，而PCB31的各端子則經(jīng)各通孔連接到各個外部端子。此外，該PCB31的上表面上至少層疊一個半導(dǎo)體器件。然后，各個半導(dǎo)體器件都通過加放入焊球36而連接起來，而且借助于作為外部端子的引線38固定到其他PCB上，結(jié)果，所說的半導(dǎo)體器件就具有一種三維結(jié)構(gòu)。
當(dāng)從反方向來觀察時，如圖6所示，處在PCB31上表面的半導(dǎo)體芯片32的塊狀焊盤部、用來將半導(dǎo)體芯片32連接到封裝端子的金屬絲壓焊焊盤部、以及由焊球36構(gòu)成的焊塊焊盤部都采用銅箔為基底并鍍以鎳(Ni)和金(Au)(其厚度各為5μm和0.5μm)，從而改善器件的金屬絲焊接可靠性。
參照作為圖4局部剖面圖的圖5就能更清楚地理解上述結(jié)構(gòu)。
參照圖5，沿PCB31的長度方向形成島狀圖形47與通孔48，且由電極連接端子33將其共同電連接起來。經(jīng)過通孔48連接作為外部端子的引線38，而封裝體30就設(shè)置在沿長度方向上的電極連接端子33的末端。該引線38(即PCB31的外部端子)鍍以銅或其合金。
同時，參照作為圖4區(qū)域A局部放大剖面圖的圖6，安裝著焊球36的球形網(wǎng)格陣列35即是通過在PCB31上順序鍍以銅層42、鎳層43和金層44之后而得到的金屬鍍層，而盤形焊球安置部分37就制作在該金屬鍍層的上部。
該PCB31由熱穩(wěn)定材料，諸如雙馬來酰亞胺三嗪(BT)樹脂和熱穩(wěn)定環(huán)氧樹脂形成。其鍍鎳的表面再覆以厚0.5μm的金(Au)。
圖7和8是分別說明在形成島狀圖形之前，應(yīng)用于本發(fā)明半導(dǎo)體器件的半導(dǎo)體襯底的上、下部的平面圖。
參照圖7，盤形端部55設(shè)置在一個PCB51的上部，以允許借助焊球而安裝另一個PCB。
參照圖8，與盤形端部55一一對應(yīng)地形成環(huán)形通孔52，其中，PCB51中部虛線區(qū)53指示出模塑區(qū)。
因此，由焊球連接的PCB51的上/下表面借助于通孔或通過孔變?yōu)閷?dǎo)電的，而且PCB51下表面的層間連接端子(未示出)也被連接到通孔。此外，除在后繼工藝中將借助焊球來連接的那些部分之外，導(dǎo)電部分和通孔部分都分別覆蓋以擋焊層。
上述的SOJ封裝可以按下列工藝來制造，其制造工藝將參照圖4至8加以說明。
如圖7和8所示，在主襯底51上表面和下表面兩端的中部形成通孔52后，其中下表面中的通孔52形成環(huán)狀，從而允許將作為外部連接引線的引線連接到該通孔52，而連到通孔52的上表面被設(shè)置成盤形。
該島狀部包括通孔，當(dāng)按層疊式組裝BGA封裝時，通過除掉島狀部的中部的導(dǎo)電材料而形成環(huán)狀以便對準(zhǔn)，然而島狀部的反面則呈盤狀，以防止在固定焊球后進(jìn)行回流焊時熔化了的焊料流向島狀部的反面。
然后，如圖6所示，依次鍍銅(Cu)、鎳(Ni)和金(Au)，即以通孔52為中心，在其周圍通過電鍍工藝形成金屬鍍層。
此后，如圖4所示，通過圖形形成工藝，在主襯底31的上、下面形成圍繞金屬鍍層的預(yù)定圖形結(jié)構(gòu)，提供島狀圖形、電極連接端子和球形網(wǎng)格陣列，并且涂覆擋焊層。再通過加放入粘合劑39，使半導(dǎo)體芯片32固定在主襯底31的中部，再使用金屬絲34將其焊接到電極連接端子33上，從而形成封裝體30。
這時，借助為固定半導(dǎo)體芯片32用的塊狀焊盤部之上的導(dǎo)電粘合劑39使該半導(dǎo)體芯片32附著在主襯底31的中部，并再使其在約150℃的溫度下硬化。隨后，在約170℃溫度下在加熱器臺座上將半導(dǎo)體芯片32的焊盤以細(xì)金絲連接到主襯底31的引線38上。
當(dāng)完成細(xì)金屬絲的連接后，采用EMC材料進(jìn)行模塑并進(jìn)行焊球安裝，其中，經(jīng)過焊球的層間連接是通過島狀圖形來完成的。
于是，通過把預(yù)定形狀的焊球36固定到具有通孔的球形網(wǎng)格陣列35上就完成了BGA封裝的制造。
圖7是表示另一個依據(jù)本發(fā)明的半導(dǎo)體器件的實施例剖面圖，它描述了用三維結(jié)構(gòu)的BGA封裝組裝成SOJ封裝的一個優(yōu)選實施例。
可是，這種BGA封裝的缺點在于由于PCB上下表面之間的島狀圖形結(jié)構(gòu)不同，如圖5所示，因此是經(jīng)由通孔來連接主襯底兩側(cè)的各個端子。此外，通過在模塑后使主襯底的下表面轉(zhuǎn)向朝上，從而焊劑涂滿島狀部并將焊球固定到島狀部上。然后，施行回流焊以形成各凸塊，各相應(yīng)的封裝被分割成單個產(chǎn)品而提供使用。
就半導(dǎo)體器件來說，參照圖9，在加放入粘合劑的同時，把半導(dǎo)體芯片安裝到含有通孔、電極連接端子與島狀圖形的主襯底61中部表面，且金屬絲焊到電極連接端子，以便按反方向進(jìn)行由EMC模塑的主封裝體60的安裝。
此后，在加放入粘合劑的同時，把第一半導(dǎo)體芯片安裝到處在上述島狀圖形上的包含有第一通孔、第一電極連接端子與第一島狀圖形的第一襯底71下表面中部，并且金屬絲焊到第一電極連接端子上，以便以第一焊球76為媒介體，按相反方向安裝由EMC模塑的第一封裝體70。
隨后，在加放入粘合劑的同時，把第二半導(dǎo)體芯片安裝到處在上述第一島狀圖形上的包含有外部引線88、第二通孔、第二電極連接端子與第二島狀圖形的第二襯底81下表面中部，并且金屬絲焊到第二電極連接端子上，以便用第二焊球86為媒介體，按相反方向安裝由EMC模塑的第二封裝體80。
在加放入粘合劑的同時，把第三半導(dǎo)體芯片安裝到蓋在第三島狀圖形上的包含有第三通孔、第三電極連接端子與第三島狀圖形的第三襯底91下表面中部，并且金屬絲焊到第三電極連接端上，以便用第三焊球96為媒介體，按相反方向安裝由EMC模塑的第三封裝體90。
最終，完成了三維結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體器件。
對于如上構(gòu)成的三維結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體器件而言，它所具有的引線88(即外部端子)被彎曲成如“J形引線”或“鷗翼”的形狀，以便在主襯底(未示出)上進(jìn)行表面安裝。
三維結(jié)構(gòu)高密度組裝封裝的外形就是SOJ封裝，就其內(nèi)部而言，使BGA封裝層疊起來以便實行層間連接。
另外，將帶引線的襯底和不帶引線的襯底分別組裝以便允許已模塑好的上表面面朝上，并將要與焊塊連接的各島狀部涂覆以焊劑。以帶引線的襯底為中心層疊各襯底，通過回流焊以便獲得層間連接，此時，在被應(yīng)用于存儲器件的情況下，按這樣的方式來設(shè)計信號線路以便執(zhí)行其制造工藝，即使公共端子共同連接在一起，而借助各單獨的信號端子去連接單獨構(gòu)成的各端子。
所以，在經(jīng)過回流焊之后，以帶引線的襯底為中心用密封樹脂來模塑該存儲器件，使其在溫度約175℃下大致經(jīng)5小時的硬化，再經(jīng)切割和彎曲加工，使之具有安裝所要求的合適引線形狀，于是完成全部工藝過程。
本發(fā)明根據(jù)如上所述的半導(dǎo)體器件及其制造方法可有益地應(yīng)用于能實現(xiàn)三維表面安裝的SOJ封裝，這是常規(guī)二維平面安裝的BGA封裝所達(dá)不到的。
而且，本發(fā)明完全與通用的、安裝到主襯底上的安裝工藝過程兼容，還改善了半導(dǎo)體器件的可靠性。
此外，因為利用能層疊在SOJ封裝內(nèi)的BGA封裝來實行層間連接的三維安裝結(jié)構(gòu)，改進(jìn)了制造半導(dǎo)體器件時的安裝效率，使得降低制造成本和能夠?qū)嵤┐笠?guī)模生產(chǎn)。
通過利用能層疊在SOJ封裝內(nèi)的BGA封裝的三維安裝結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了本發(fā)明提供的半導(dǎo)體器件和其制造方法，本領(lǐng)域的技術(shù)人員都應(yīng)理解，對其所作的形式上和細(xì)節(jié)上的各種改變都不會偏離本發(fā)明的構(gòu)思范圍和如所附權(quán)利要求書限定的范圍。
權(quán)利要求
1.一種制造半導(dǎo)體器件的方法，包括下列步驟在主襯底上表面和下表面兩端中部形成通孔；以所述通孔為中心在其周圍依次鍍銅(Cu)、鎳(Ni)和金(Au)，以形成金屬鍍覆層；圍繞所述主襯底上表面和下表面形成的所述金屬鍍覆層，按預(yù)定的圖形結(jié)構(gòu)制成島狀圖形、電極連接端子和球形網(wǎng)格陣列；通過加放入粘合劑，將半導(dǎo)體芯片安裝在所述主襯底中部，再用金屬絲使所述半導(dǎo)體芯片焊接到電極連接端子上，以及形成封裝件；以及把預(yù)定形狀的焊球安裝在所述球形網(wǎng)格陣列上。
2.一種半導(dǎo)體器件，其特征在于包括多個島狀圖形，包括通孔和電極連接端子，形成在一主襯底下表面的兩端上;多個球形網(wǎng)格陣列，形成在所述主襯底上表面的兩端上;多個焊球，安裝于所述主襯底的所述球形網(wǎng)格陣列上;以及通過加放入粘合劑和金屬絲焊到所述電極連接端子而安裝在所述主襯底下表面中部的半導(dǎo)體芯片，和通過用環(huán)氧樹脂模塑材料來模塑所述半導(dǎo)體芯片和金屬絲而形成的封裝體。
3.一種三維結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體器件，包括至少一個裝在印制電路板下表面上的半導(dǎo)體芯片、金屬絲焊到所述印制電路板的端子上的所述半導(dǎo)體芯片電極端子、和處在所述半導(dǎo)體芯片和金屬焊絲之間并被密封樹脂所密封的連接部分，其特征在于，所述印制電路板被反向安裝，所述印制電路板的所述端子經(jīng)過通孔連接到外部端子，以及在所述印制電路板的上表面層疊有至少一個半導(dǎo)體器件，從而通過加放入焊球使各個半導(dǎo)體器件互連，以便通過作為所述外部端子的引線將其安裝在其它印制電路板上。
4.按照權(quán)利要求3的三維結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體器件，其特征在于，其中，所述印制電路板是由熱穩(wěn)定襯底，諸如雙馬來酰亞胺三嗪(BT)樹脂和熱穩(wěn)定環(huán)氧樹脂形成，且鍍金(Au)至厚度大約0.5μm。
5.按照權(quán)利要求3的三維結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體器件，其特征在于，其中，采用所述焊球作為媒介體而進(jìn)行連接的所述印制電路板的端部，是被構(gòu)制成環(huán)形或盤形。
6.按照權(quán)利要求3的三維結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體器件，其特征在于，其中，通過采用所述焊球互連的所述印制電路板的上、下表面是與所述通孔之間導(dǎo)通的或通過孔而導(dǎo)通的。
7.按照權(quán)利要求3的三維結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體器件，其特征在于，其中，所述印制電路板下表面的層間連接端子是連接到所述通孔的，并且除用所述焊球連接的部分外，導(dǎo)電部分和通孔部分都涂覆以擋焊層。
8.按照權(quán)利要求3的三維結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體器件，其特征在于，其中，作為印制電路板外部端子的所述引線鍍以銅(Cu)或其合金。
9.一種三維結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體器件，其特征在于包括半導(dǎo)體芯片，通過將粘合劑加放到包括通孔、電極連接端子和島狀圖形的主襯底的下表面中部，金屬絲焊到所述電極連接端子上，以及模塑以環(huán)氧樹脂模塑混合物以便反向安裝主封裝體，從而組裝成;第一半導(dǎo)體芯片，通過將粘合劑加放到位處于所述島狀圖形之上的包含有第一通孔、第一電極連接端子和第一島狀圖形的第一襯底下表面的中部，金屬絲焊到所述第一電極連接端子上，以及模塑以環(huán)氧樹脂模塑混合物以便利用第一焊球作為媒介體反向安裝第一封裝體，從而組裝成;第二半導(dǎo)體芯片，通過將粘合劑加放到位處于所述第一島狀圖形之上的包含有外部引線、第二通孔、第二電極連接端子和第二島狀圖形的第二襯底下表面中部，金屬絲焊到所述第二電極連接端子上，以及模塑以環(huán)氧樹脂模塑混合物以便利用第二焊球作為媒介體反向安裝第二封裝體，從而組裝成;第三半導(dǎo)體芯片，通過將粘合劑加放到位處于所述第二島狀圖形之上的包含有第三通孔、第三電極連接端子和第三島狀圖形的第三襯底下表面中部，金屬絲焊到所述第三電極連接端子，以及模塑以環(huán)氧樹脂模塑混合物以便利用第三焊球作為媒介體反向安裝第三封裝體，從而組裝成。
10.按照權(quán)利要求9的三維結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體器件，其特征在于，其中，作為外部端子的所述外部引線被彎曲成“J”或“鷗翼”形。
全文摘要
一種具有至少一個裝在印制電路板下表面上的半導(dǎo)體芯片、絲焊到印制電路板端子上的半導(dǎo)體芯片電極端子、以及用密封樹脂密封的半導(dǎo)體芯片和焊絲的連接部分的半導(dǎo)體器件，包括三維結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體器件，它具有反向安裝的印制電路板、經(jīng)通孔連到外部端子的印制電路板端子以及至少一個層疊在印制電路板上表面的半層體器件，因而，當(dāng)通過作為外部端子的引線把待安裝的焊球加放入其它印制電路板中時使各個半導(dǎo)體器件互連。
文檔編號H01L25/18GK1106164SQ94117079
公開日1995年8月2日 申請日期1994年10月5日 優(yōu)先權(quán)日1993年11月18日
發(fā)明者權(quán)寧信, 安升皓 申請人:三星電子株式會社