半導體封裝件及其製造方法
2023-09-11 06:10:30 1
專利名稱：半導體封裝件及其製造方法
技術領域：
本發明涉及半導體封裝件，更具體地講，涉及包含多個半導體晶片的多片型半導體封裝件及其製造方法。
背景技術：
近年來，使用半導體晶片(半導體元件)的幾乎全部電子系統(例如計算機、PCS、行動電話、PDA等)的現狀是，為了滿足用戶的要求，逐漸實現高功能化和小型輕型化。隨著能夠響應這種傾向的設計和製造工程技術的劃時代發展，電子系統所用的半導體晶片或半導體封裝件也正在實現高功能化和小型輕型化。
眾所周知，作為半導體晶片的封裝件技術，有多晶片模塊(MCMmultichip module)封裝件和多晶片封裝件(MCPmulti chip package)等。
其中的多晶片模塊(MCM)封裝件，如圖3所示，是在薄的金屬膜、陶瓷或基板構成的基底300上，利用引線鍵合、帶鍵合、倒裝晶片鍵合等方法，安裝多個半導體晶片302、304、306並進行封裝件的技術。
圖3中展示的狀態是通過引線鍵合安裝第一半導體晶片302，通過帶鍵合安裝第二半導體晶片304，通過倒裝晶片鍵合安裝第三半導體晶片306，參考標號308、310分別表示PGA輸入輸出端子和BGA輸入輸出端子。
另一方面，多晶片封裝件(MCP)是在限定尺寸的封裝件內安裝兩個以上半導體晶片的技術，是採用引線鍵合在引線框架或基板上安裝多個半導體晶片的技術。如圖4所示，其結構是通過引線鍵合在基板402上裝載多個半導體晶片404a、404b，利用引線408使各個半導體晶片404a、404b的焊盤與外部引線406連接，具有把全部結構埋入例如環氧模塑化合物(epoxy moldingcompoundEMC)400等的狀態。
但是，上述現有的多晶片模塊封裝件和多晶片封裝件，由於必須採用引線鍵合、帶鍵合、倒裝晶片鍵合等方法，在薄膜的金屬膜、陶瓷或基板構成的基底上安裝多個半導體晶片，或者通過引線鍵合在基板上安裝多個半導體晶片，用環氧模塑化合物埋入結構的特性小型輕型化存在限制。
而且，由於現有的封裝件具有採用引線等使半導體晶片的焊盤與外部引線連接的結構，所以存在半導體封裝件的品質和可靠性降低的問題(即電氣特性降低的問題)。特別是，採用EMC的現有半導體封裝件，由環氧模塑化合物(EMC)產生的α粒子源，使得半導體封裝件的可靠性明顯降低，而且，存在因EMC導致器件的有源區被汙染，封裝件可靠性降低的問題。
發明內容
為了解決現有技術的上述問題，本發明提供一種可以實現小型輕型化，同時提高封裝件製品的可靠性的半導體封裝件及其製造方法。
為了實現上述目的，本發明的一個方面提供一種半導體封裝件，其包括相互電氣連接的多個半導體晶片，其還包括主半導體晶片，其起引線框架或基板的作用，設置有多個主晶片焊盤；多個金屬圖形，其與對應的所述各主晶片焊盤電氣連接在兩端形成有電極；至少一個副半導體晶片，其通過在多個副晶片焊盤上形成的各凸起與對應的各電極鍵合，安裝在所述主半導體晶片上；在所述主半導體晶片形成的包圍層(ダム)，其包圍除位於所述主半導體晶片最外周的外周電極之外的其餘內部電極；填充物質，其埋入所述包圍層內部；多個焊料球，其設置在所述各最外周電極上。
本發明的另一方面，提供一種包含相互電氣連接的多個半導體晶片的半導體封裝件的製造方法，其包括第1工序，其在起引線框架或基板作用的主半導體晶片上，形成兩端形成有電極的多個金屬圖形，並且與對應的各主晶片焊盤連接；第2工序，其在副半導體晶片的各副晶片焊盤上形成凸起；第3工序，其通過所述各凸起與對應的所述各電極鍵合，把所述副半導體晶片安裝在所述主半導體晶片上；第4工序，其在所述主半導體晶片上形成包圍除位於所述主半導體晶片最外周的外周電極之外的其餘內部電極的包圍層；然後用填充物質埋入其內部；第5工序，其在所述各最外周電極設置焊料球。
圖1a～圖1f是展示為製造本發明的半導體封裝件，在主半導體晶片形成金屬圖形和電極的工序的工序順序圖；
圖2a～圖2c是展示為製造本發明的半導體封裝件，在副半導體晶片形成焊料或金凸起的工序的工序順序圖；圖3a～圖3c是展示根據本發明優選實施例、使用主半導體晶片和副半導體晶片製造半導體封裝件的工序的工序順序圖；圖4是現有的多晶片模塊(MCM)封裝件的剖面圖；圖5是現有的多晶片封裝件(MCP)的剖面圖。
具體實施例方式
通過本說明書的介紹以及附圖，可以了解本發明的上述以及其它目的和優點。
以下，將參考附圖詳細說明本發明的優選實施例。
本發明的核心技術要點在於，與採用引線鍵合、帶鍵合、倒裝晶片鍵合等在金屬膜、陶瓷、基板等基底上安裝多個半導體晶片的現有的半導體封裝件不同，在起引線框架或基板作用的主半導體晶片上，形成具有電極的金屬圖形，與對應的焊盤(主晶片焊盤)連接，形成與至少一個副半導體晶片上的對應焊盤(副晶片焊盤)連接的凸起(焊料凸起或金凸起)，按與各凸起對應的金屬圖形的電極鍵合的方式，在主半導體晶片上安裝副半導體晶片，在主半導體晶片的外周，按包圍副半導體晶片的方式形成阻尼，然後用非導電性的聚合物等填充阻尼的內部。採用這種技術手段能夠容易地實現本發明的目的。
圖1a～圖1f是展示為了製造本發明的半導體封裝件，在主半導體晶片形成金屬圖形和電極的工序的工序順序圖。
參照圖1a，在起引線框架或基板作用的一個半導體晶片，即在沿外周邊形成有多個主晶片焊盤102、在主晶片焊盤102以外區域被第一保護層104覆蓋的主半導體晶片100上，全面進行濺射或蒸發(evaporation)等蒸鍍工序，從而形成下阻擋物質106a。此時，作為下阻擋物質106a，可以使用Ti/W、Cr+Ni、Ti/W+Ni、或由Cr+Co+Ni構成的混合物，其厚度最好在2000～5000左右。
以下，為了便於說明和增強理解，以沿圖1a的線A-A』的剖面放大圖示的結構為例，說明根據本發明的半導體封裝件的製造工序。
參照圖1b，在通過蒸鍍工序形成下阻擋物質106b的主半導體晶片100的整體，形成具有規定厚度的籽晶(seed)物質108a。作為該籽晶物質108a，可以使用Cu、Au、Cr、Ni等，其厚度最好在1～5μm左右。
然後，對形成了籽晶物質108a的主半導體晶片100整體形成光刻膠，進行曝光和顯影工序，選擇地去除一部分光刻膠，即除了主晶片焊盤102的上部之外，露出其餘部分，之後以殘留的光刻膠作為蝕刻掩模，進行蝕刻工序，選擇地去除一部分籽晶物質108a和下阻擋物質106a(此時，露出第一保護層104的一部分)，然後，通過去除殘留的光刻膠，如圖1c所示，在主晶片焊盤102的上部形成下阻擋層106和籽晶層108。這裡，下阻擋層106是用於防止擴散和增大鍵合力。
然後，如圖1d所示，除了籽晶層108的上部之外，採用非導電性聚醯亞胺或聚合物對其餘部分全面塗敷絕緣層109，達到籽晶層108的高度，然後進行蒸鍍或電鍍工序，對整體形成具有規定厚度的金屬物質110a。作為這種金屬物質，可以使用Cu、Ni+Cu、Ni+Cu+Au、Cu+Au等混合物，其厚度最好在2～10μm。
參照圖1e，通過進行塗敷光刻膠→曝光→顯影工序，在金屬物質110a的上部形成具有任意圖形的蝕刻掩模，採用如此形成的蝕刻掩模進行蝕刻，形成從籽晶層108的上部延伸到絕緣層109的上部一部分的金屬層110，從而製成由下阻擋層106、籽晶層108和金屬層110構成的金屬圖形。
此時，在金屬層110的兩端形成圓形或方形的電極110b1、110b2。電極為球形時，主半導體晶片100內部側電極110b2的尺寸最好是φ0.1mm～φ1mm左右，電極為方形時，主半導體晶片100內部側電極110b2的尺寸最好是0.1mm×0.1mm～1mm×1mm左右。而且，電極為球形時，主半導體晶片100外周側電極110b1的尺寸最好是φ0.3mm～φ3mm左右，電極為方形時，主半導體晶片100外周側電極110b1的尺寸最好是0.3mm×0.3mm～3mm×3mm左右。
而且，通過後續工序在副半導體晶片上形成的焊料凸起鍵合在各電極110b1、110b2上。
最後，去除在金屬層110上部殘留的光刻膠(蝕刻掩模)後，在除去電極110b1、110b2部分之外的金屬層110上部形成第二保護層112，由此完成主半導體晶片的製造工序。
以下，說明製造副半導體晶片的工序，該副半導體晶片應該安裝在通過上述一系列工序製造的主半導體晶片上。
圖2a～圖2c是展示為了製造本發明的半導體封裝件，在副半導體晶片形成焊料和金凸起的工序的工序順序圖。
參照圖2a，通過進行與圖1a～圖1c所示工序實質上相同的工序，在位於副半導體晶片200的副晶片焊盤202的上部順序形成下阻擋層206和籽晶層208，然後對副半導體晶片200全面塗敷光刻膠210，然後進行曝光和顯影工序，通過去除一部分光刻膠210，即去除籽晶層208上部的光刻膠，露出籽晶層208的上部。此時使用的下阻擋層206和籽晶層208的材料和厚度與主半導體晶片100使用的相同或者類似。
之後，如圖2b所示，通過進行電鍍工序等，在露出的籽晶層208的上部形成規定厚度的焊料或金212a。然後，通過進行回流工序，如圖2c所示，在籽晶層208上部形成凸起212。由此完成副半導體晶片的製造工序。
以下，說明在通過上述一系列工序製造的主半導體晶片上安裝至少一個副半導體晶片的製造半導體封裝件的工序。
圖3a～圖3c是展示根據本發明優選實施例、使用主半導體晶片和副半導體晶片製造半導體封裝件的工序的工序順序圖。
參照圖3a，通過進行倒裝鍵合工序，在主半導體晶片100安裝通過上述一系列工序獲得的副半導體晶片200，即通過把在副半導體晶片200上形成的各凸起212鍵合在主半導體晶片100的對應各電極110b1或110b2，把副半導體晶片200安裝在主半導體晶片100上。在此，主半導體晶片和副半導體晶片可以列舉出微處理器和存儲器、微處理器和非存儲器、存儲器和非存儲器等。
然後，如圖3b所示，在主半導體晶片100的外周部分形成由非導電性聚合物構成的包圍層302，即包圍不包含在主半導體晶片100外周側形成的電極110b1的部分。此時形成的包圍層302的高度最好與副半導體晶片200的高度相同。
然後，採用非導電性的聚合物等填充物質304填充包圍層302內部之後，在主半導體晶片100的外周側電極110b1設置大的焊料球，例如安裝至少比副半導體晶片200的高度高0.1mm～5mm左右的焊料球306，然後通過回流，如圖3c所示，製成期望的半導體封裝件。
如上所述，根據本發明，與採用引線鍵合、帶鍵合、倒裝晶片鍵合等，在金屬膜、陶瓷、基板等基底上安裝多個半導體晶片的現有的半導體封裝件不同，在起引線框架或基板作用的主半導體晶片上，形成具有電極的金屬圖形，與對應的焊盤(主晶片焊盤)連接，形成與至少一個副半導體晶片上的對應焊盤(副晶片焊盤)連接的凸起(焊料凸起或金凸起)，按與各凸起對應的金屬圖形的電極鍵合的方式，在主半導體晶片上設置副半導體晶片，在主半導體晶片的外周，按包圍副半導體晶片的方式形成阻尼，然後用非導電性的聚合物等填充阻尼的內部，由於按這種結構製造，所以能夠有效地實現半導體封裝件的小型輕型化和低成本化，由於半導體晶片之間採用金屬圖形直接連接，所以能夠進一步提高半導體封裝件的電氣特性的可靠性。
在不脫離本發明的技術思想的條件下，本發明可以按照其它各種方式實施。上述實施例始終是用於了解本發明的技術思想，不應僅限於其具體例子的狹義解釋，在本發明的精神和權利要求的範圍內，可以做各種變形進行實施。
權利要求
1.一種包含相互電氣連接的多個半導體晶片的半導體封裝件，其特徵在於，包括主半導體晶片，其起引線框架或基板的作用，設置有多個主晶片焊盤；多個金屬圖形，其與對應的所述各主晶片焊盤電氣連接，在其兩端形成有電極；至少一個副半導體晶片，其通過在多個副晶片焊盤上形成的各凸起與對應的各電極鍵合，安裝在所述主半導體晶片上；包圍層，其形成在所述主半導體晶片上，包圍除位於所述主半導體晶片最外周的外周電極之外的其餘內部電極；填充物質，其埋入所述包圍層內部；多個焊料球，其設置在所述各最外周電極上。
2.如權利要求1所述的半導體封裝件，其特徵在於，所述各金屬圖形包括在主晶片焊盤上形成的下阻擋層，在所述下阻擋層上形成的籽晶層，在所述籽晶層上形成的金屬層。
3.如權利要求1所述的半導體封裝件，其特徵在於，所述下阻擋層是由Ti/W、Cr+Ni、Ti/W+Ni、或Cr+Co+Ni構成的混合物，其厚度在2000～5000，所述籽晶層是Cu、Au、Cr、或Ni，其厚度在1～5μm，所述金屬層是由Cu、Ni+Cu、Ni+Cu+Au、或Cu+Au構成的混合物，其厚度在2～10μm。
4.如權利要求1所述的半導體封裝件，其特徵在於，所述各外周電極和內部電極是球形的，所述各內部電極的尺寸在φ0.1mm～φ1mm的範圍，所述各外周電極的尺寸在φ0.3mm～φ3mm的範圍。
5.如權利要求1所述的半導體封裝件，其特徵在於，所述各外周電極和內部電極是方形的，所述各內部電極的尺寸在0.1mm×0.1mm～1mm×1mm的範圍，所述各外周電極的尺寸在0.3mm×0.3mm～3mm×3mm的範圍。
6.如權利要求1所述的半導體封裝件，其特徵在於，所述凸起是焊料或金。
7.如權利要求1所述的半導體封裝件，其特徵在於，所述包圍層是非導電性聚合物，具有與所述副半導體晶片的高度相同的高度。
8.如權利要求1所述的半導體封裝件，其特徵在於，所述填充物質是非導電性聚合物。
9.如權利要求1所述的半導體封裝件，其特徵在於，使在所述各外周電極設置的各焊料球的高度至少比所述副半導體晶片的高度高0.1mm～5mm的程度。
10.一種包含相互電氣連接的多個半導體晶片的半導體封裝件的製造方法，其特徵在於，包括第1工序，其在起引線框架或基板作用的主半導體晶片上，形成兩端形成有電極的多個金屬圖形，並且與對應的各主晶片焊盤連接；第2工序，其在副半導體晶片的各副晶片焊盤上形成凸起；第3工序，其通過所述各凸起與對應的所述各電極鍵合，把所述副半導體晶片安裝在所述主半導體晶片上；第4工序，其在所述主半導體晶片上形成包圍除位於所述主半導體晶片最外周的外周電極之外的其餘內部電極的包圍層，然後用填充物質埋入其內部；第5工序，其在所述各最外周電極設置焊料球。
11.如權利要求10所述的半導體封裝件的製造方法，其特徵在於，所述第1工序包括第1-1工序，其在所述主半導體晶片的整體上順序形成下阻擋物質和籽晶物質；第1-2工序，其通過蝕刻工序選擇地去除一部分所述下阻擋物質和籽晶物質，由此在各個主晶片焊盤上形成下阻擋層和籽晶層；第1-3工序，其在未形成所述下阻擋層和籽晶層的部分形成絕緣層；第1-4工序，其在所述主半導體晶片的整體上形成金屬層；第1-5工序，其通過蝕刻工序選擇地去除一部分所述金屬層，由此形成兩端具有電極的多個金屬圖形；第1-6工序，其除所述兩端部的電極之外，在所述金屬層的上部形成保護層。
12.如權利要求11所述的半導體封裝件的製造方法，其特徵在於，所述下阻擋層是由Ti/W、Cr+Ni、Ti/W+Ni、或Cr+Co+Ni構成的混合物，其厚度在2000～5000，所述籽晶層是Cu、Au、Cr或Ni，其厚度在1～5μm。
13.如權利要求11所述的半導體封裝件的製造方法，其特徵在於，所述絕緣層是非導電性聚醯亞胺或聚合物，具有與所述籽晶層高度相同的高度。
14.如權利要求11所述的半導體封裝件的製造方法，其特徵在於，所述金屬層是由Cu、Ni+Cu、Ni+Cu+Au、或Cu+Au構成的混合物，其厚度在2～10μm。
15.如權利要求10所述的半導體封裝件的製造方法，其特徵在於，所述第2工序包括第2-1工序，其在所述副半導體晶片的整體上順序形成下阻擋物質和籽晶物質；第2-2工序，其通過蝕刻工序選擇地去除一部分所述下阻擋物質和籽晶物質，由此在各副晶片焊盤上形成下阻擋層和籽晶層；第2-3工序，其對所述副半導體晶片整體上形成光刻膠，使所述籽晶層的上部露出；第2-4工序，其在所述籽晶層上部形成凸起之後，去除所述光刻膠。
16.如權利要求15所述的半導體封裝件的製造方法，其特徵在於，所述下阻擋層是由Ti/W、Cr+Ni、Ti/W+Ni、或Cr+Co+Ni構成的混合物，其厚度在2000～5000，所述籽晶層是Cu、Au、Cr、或Ni，其厚度在1～5μm。
17.如權利要求15所述的半導體封裝件的製造方法，其特徵在於，所述各凸起是焊料或金。
18.如權利要求10所述的半導體封裝件的製造方法，其特徵在於，所述包圍層是非導電性聚合物，具有與所述副半導體晶片的高度相同的高度。
19.如權利要求10所述的半導體封裝件的製造方法，其特徵在於，所述填充物質是非導電性聚合物。
20.如權利要求10所述的半導體封裝件的製造方法，其特徵在於，使在所述各外周電極設置的各焊料球的尺寸至少比所述副半導體晶片的高度高0.1mm～5mm的程度。
全文摘要
本發明提供一種可以實現小型輕型化，同時提高封裝件製品的可靠性的半導體封裝件以及製造方法。為此，本發明與採用引線鍵合、帶鍵合、倒裝晶片鍵合等，在金屬膜、陶瓷、基板等基底上安裝多個半導體晶片的現有的半導體封裝件不同，在起引線框架或基板作用的主半導體晶片上，形成具有電極的金屬圖形，與對應的焊盤(主晶片焊盤)連接，形成與至少一個副半導體晶片上的對應焊盤(副晶片焊盤)連接的凸起(焊料凸起或金凸起)，按與各凸起對應的金屬圖形的電極鍵合的方式，在主半導體晶片上設置副半導體晶片，在主半導體晶片的外周，按包圍副半導體晶片的方式形成包圍層，然後用非導電性的聚合物等填充包圍層內部。
文檔編號H01L23/485GK1462072SQ0212658
公開日2003年12月17日 申請日期2002年6月15日 優先權日2001年6月15日
發明者樸桂燦 申請人:東部電子株式會社