裝配半導體元件的方法及其裝置的製作方法
2023-06-09 14:16:01
專利名稱：裝配半導體元件的方法及其裝置的製作方法
技術領域：
本發明一般地涉及形成半導體元件，尤其涉及將半導體元件的各個部分裝配在一起。
背景技術：
為了封裝半導體管芯(die)，半導體管芯連接到頭部。頭部通過裝配至少下面所述來形成1)具有引線的窗框，以及2)凸緣以支撐半導體管芯。焊錫將窗框連接到凸緣。為了形成頭部，操作員手工地將器件對準在一起然後將它們放在平坦的傳送帶上通過熔爐，這通常花費大約五十分鐘。熔爐加熱焊錫以將窗框連接到凸緣。另外，可以施加壓力以形成連接。
通過使用熔爐處理，作為結果的頭部不符合要求地平坦，導致不良的熱耗散。有時，窗框因來自熔爐處理期間施加的壓力在封裝上的機械應力而破裂。破裂可能在隨後形成的封裝上形成缺陷密封。另外，該處理是耗時的。因此，存在對形成頭部的處理的需求，該處理減少周期時間，產生具有改進熱耗散的頭部，並且減少窗框破裂。
本發明通過實例來說明並且不受附加附圖所限制，其中類似的參考表示類似的單元。
圖1說明根據本發明實施方案用來裝配多塊半導體元件的工具；圖2說明根據本發明實施方案半導體元件的自頂向下視圖；圖3說明根據本發明實施方案裝配之前圖2的半導體元件的對準部分以及部分為裝配而放置於其上的基座；圖4說明根據本發明實施方案另一種半導體元件的自頂向下視圖；
圖5說明根據本發明實施方案可以與圖1的工具一起使用的對準系統的底視圖；以及圖6說明根據本發明實施方案選擇基座的流程圖。
本領域的技術人員應當理解，圖中的單元為了簡單清楚而說明，不一定按比例繪製。例如，圖中一些單元的尺寸可以相對於其他單元而放大以幫助促進本發明實施方案的理解。
具體實施例方式
工具10可以用來裝配多塊半導體器件或元件。在一種實施方案中，該塊包括絕緣材料，其在一種實施方案中是窗框，以及凸緣。窗框可能包括引線或者可以使用具有引線的另外塊。如圖2-4中所示，凸緣52支撐半導體管芯54，以及在一種實施方案中，具有引線58的窗框56經由焊錫(solder)60連接到凸緣。(任意數目的半導體管芯，例如零個、一個、兩個、三個等可以存在於凸緣52上。兩個半導體管芯54在圖中為了說明而顯示)。引線58在隨後處理期間，在一種實施方案中，通過絲焊電連接到半導體管芯54。每個半導體管芯54連接到引線58的兩個(彼此位於窗框56相對側的一組引線)。凸緣52、窗框56以及引線58的組合形成頭部，其在隨後處理期間用作基板或安裝板以封裝半導體管芯54。凸緣52，如圖2和3中所示，可以包括功能部件(feature)例如凹口53，其在隨後處理期間可以期望保持將凸緣和隨後形成的頭部連接到面板或配對連接器。另外，凸緣52在隨後處理期間散熱。類似地，窗框56也可以用來在隨後處理期間將頭部連接到面板或配對連接器。工具10以及可以結合工具10使用的半導體元件的理解將在參考附圖之後更好地理解。
圖1中的工具10可以用來通過裝配窗框56、焊錫60、凸緣52和引線58來形成頭部，如果它們是與窗框56分離的塊的部分。工具10通過施加壓力將多塊夾在一起並且通過施加熱量熔化焊錫60。因此，工具10同時夾緊並重熔焊錫以形成具有半導體管芯54的頭部。在一種實施方案中，壓力施加到窗框56位於頂部的堆的頂部並且熱量施加到凸緣52位於底部的堆的底部。
支撐整個工具10並且將框18連接到對準系統31和工具10的其他部分的是基座12，其可以由任何適當材料，例如金屬或塑料製成。在一種實施方案中，基座位於地板上。
雖然如圖1中所示的工具建立以裝配兩個半導體元件，可以修改工具10以裝配僅一個或多於兩個半導體元件。半導體器件位於基座上並且通過使用工具10裝配各個塊而變成頭部。在圖1中，單元26包括具有半導體管芯的第一器件和第一基座(第一器件和基座)，並且單元28包括具有半導體管芯的第二器件和第二基座(第二器件和基座)。器件和基座26和28位於在加熱板20中形成的腔24和26中。第一器件和基座26位於第一腔24中，並且第二器件和基座28位於腔26中。在一種實施方案中，器件和基座的頂部與腔和加熱板20的頂部共面。加熱板20可以是任何導電材料，例如金屬(例如鋁)，或者可以是陶瓷加熱元件。加熱板20位於框18內以提供支撐。加熱板20下面(並且在圖1中不可見)是在裝配過程中使用的加熱器。
氣體流入框18中以在裝配過程中提供氣體到工具10。進氣管14和出氣管15連接到氣體源16並且經由框18連接到工具10。但是，技術人員應當認識到，氣體可以其他方法提供到工具10和從工具10去除。在一種實施方案中，提供的氣體是惰性氣體或合成氣體，例如N2H2或Ar。氣體用來在器件周圍形成惰性氣氛並且消除可能引起焊錫氧化的任何存在或氧氣。
對準系統31包括具有對準功能部件34，36，38和40的對準頭部或板32。對準功能部件34和36接觸圖2中凸緣52和位置70。對準功能部件38如圖4中在位置72接觸凸緣52，如果凸緣不具有安裝功能部件。如果凸緣具有安裝功能部件51，那麼對準功能部件40將接觸安裝功能部件51之間的凹口53，如圖2中所示。如果半導體器件具有安裝功能部件51，那麼對準功能部件38的存在將不會影響裝配，因此對準功能部件38不需要去除。但是，如果器件不具有安裝功能部件51，那麼對準功能部件40應當去除，使得它們不會不期望地橫斷器件。對準功能部件40可以手工地或者通過機器去除。例如，它們可以用手從板32中旋出螺絲而拆卸。
對準功能部件34和36顯示比對準功能部件38大，對準功能部件38繪製得比對準功能部件40大；但是，這不是必需的。任何大小可以與少許限制一起使用。首先，對準功能部件40應當具有比凹口53的尺寸小的尺寸以使得它們能夠裝配到凹口53內而不損壞安裝功能部件51。第二，對準功能部件34和36不應當具有將損壞引線58的尺寸。第三，所有對準功能部件的大小必須是這樣的，使得它們可以與其他對準功能部件一起在板32上它們的期望位置中形成。換句話說，尺寸不能這樣以佔據存在的其他對準功能部件的空間。
對準板32不僅用來對準功能部件而且施加壓力以形成頭部。如上所述，對準功能部件都接觸頭部的周邊的一部分。因為器件位於腔內，對準板32可以向下移動直到它與器件接觸並且對準特徵部件可以伸出到腔內。力經由連接到夾板46的夾緊機構44施加到對準板32。夾板46將經由基座12內的電機(沒有顯示)和夾緊機構44向下移動到對準板32上，其中夾緊機構44可能是金屬杆，導線或彈簧位於杆外部。來自夾板46的力經由對準板32分布到器件。壓力測量器50，例如度盤式指示器、應變計、壓力傳感器或計算機確定施加的力的量，優選地，將其顯示給工具10的使用者。
圖2中說明的是可以使用圖1中的工具10裝配的器件28的一種實施方案。器件28包括具有安裝功能部件51的凸緣52、具有在凸緣52上形成的引線58的窗框56以及位於凸緣52上的半導體管芯54。在該實施方案中，圖2中所示，兩個半導體管芯54在凸緣52的主體部分(也就是除安裝功能部件51之外的凸緣的任何部分)上形成。半導體管芯54已經作為圓片的一部分在除塵室環境中經歷前端處理以形成電晶體、其他器件、互連等。半導體管芯已經從圓片獨立以形成管芯。用來形成半導體管芯54的處理是不重要的，因為可以使用任何處理。半導體管芯54例如使用焊錫、環氧樹脂或膠帶粘結到凸緣52。
凸緣52可以是任何適當的材料，例如銅或銅合金。如圖2中所示，凸緣52具有位於凸緣52短邊上的安裝功能部件51。安裝功能部件51由凹口53彼此分離，凹口53可以是任何形狀，例如如圖2中所示圓形的一部分。窗框56是任何絕緣材料，例如聚四氟乙烯(PTFE)或Al2O3，並且可能包括或可能不包括引線58。引線58可以由導電材料例如銅或銅合金製成。如果窗框56不包括引線58，那麼包括引線的另一塊將存在。購買窗框56和具有引線的單獨塊可能是期望的，因為這可能比購買製造好的具有引線58的窗框56更節省成本。當裝配時，引線58擴展經過凸緣51的長邊。窗框56的短邊不重疊凹口53，代替地，全部窗框，除了大部分引線58，直接位於凸緣51上。此外，窗框56在其中心具有孔以暴露半導體管芯54和凸緣52的部分。另外，凸緣52的安裝功能部件51被暴露，當窗框56存在時。
圖3中說明的是如果位於彼此上面它們將如何對準的器件28的單獨塊的視圖以幫助讀者理解。換句話說，這些塊為了講授的目的而彼此分離。已經附加有半導體管芯54的凸緣52位於基座61上。在一種實施方案中，基座61是彎曲的。基座61的期望曲率將取決於形成的器件28。在一種實施方案中，使用具有大約10mil凹面至大約10mil凸面的曲率範圍的基座。如圖3中所示，期望彎曲部分是凹面並且與凸緣52接觸的彎曲基座。通過具有凹面彎曲基座，可以控制形成的器件的曲率。在一種實施方案中，頭部具有大約10mil凹面至大約10mil凸面的曲率範圍。通過具有彎曲而不完全平坦，頭部將能夠耗散更多熱量，減小封裝上的機械應力，以及消除可能在封裝上形成的密封中產生缺陷的窗框破裂。
基座61的期望曲率將取決於形成的半導體元件。圖6說明用於確定適當基座的一種實施方案使用的流程圖80。首先，流程80開始81，並且選擇82具有曲率的基座。曲率可能是零使得基座根本不彎曲。接下來，頭部使用基座形成84。頭部的外形被測量86並且與預先確定的外形比較88。預先確定的外形可能根據熱耗散估計和有限模擬或客戶規格確定。如果外形匹配(在預先確定容差內)，那麼流程完成89。但是如果頭部的外形與預先確定的外形不夠接近，那麼選擇新的基座，形成新的頭部，以及新頭部的外形被測量並且與預先確定的外形比較。換句話說，如果頭部的外形沒有如期望的，那麼處理82，84，86和88重複。
位於凸緣52上的是焊錫60。在一種實施方案中，焊錫60是在低溫，例如大約280至大約350攝氏度下使用的執行焊錫。在另一種實施方案中，焊錫60是在高達大約850攝氏度的較高溫度下使用的銅焊。焊錫60可以是任何適當材料，例如錫鉛組成物或無鉛材料(例如錫銀組成物)。位於焊錫60上的是絕緣材料56。在一種實施方案中，絕緣材料56是金屬噴鍍位於頂面和底面上的陶瓷或有機材料。金屬噴鍍可以是任何可焊材料，例如Ni。在一種實施方案中，絕緣材料56稱作窗框。圖3中所示的窗框具有引線58。在隨後的絲焊處理期間，引線58經由絲焊電連接到半導體管芯54。如果窗框不包括引線58，那麼另外的塊可能包括引線58。在該實施方案中，具有引線的塊將位於窗框上，焊錫位於其間。具有引線的塊在一種實施方案中使用圖1中的工具10與窗框到凸緣52的連接同時地連接到窗框。
圖4說明備選半導體元件26。半導體元件26不像圖2中的半導體元件28一樣包括安裝特徵部件51。因為缺少安裝功能部件51，使用圖5中與對準功能部件40相對的對準功能部件38。如圖5中所示，在一種實施方案中，對準功能部件38比對準功能部件40彼此相隔更遠，因為半導體元件26的長度長於圖5中半導體元件28的凹口53之間的距離。但是，半導體元件26的長度可以是任何尺寸，甚至比圖5中半導體元件28的凹口53之間的距離短的長度。如圖4中所示，對準凹口38沿著半導體元件26的周邊接觸位置72。在圖4中，對準凹口38接觸凸緣51的短邊。可以使用除了圖2和4中所示之外半導體元件的任何其他配置。
圖5說明對準板32上對準功能部件34，36，38和40的一種配置；其他配置可以使用。如先前討論的，某些對準功能部件與器件的某個部分對準。圖5中左邊的配置100最適合於圖4中所示的器件26，因為僅對準功能部件34和38存在。圖5中右邊的配置110最適合於圖2的器件28，因為配置具有可以與器件28的凹口53對準的對準功能部件40。因此，如果對準板32上右邊的配置110與圖2的器件28一起使用，對準功能部件38將不使用，僅對準功能部件40和36將被使用。對準功能部件的設計允許器件上選擇性點上的對準和壓力施加以在需要的地方實現壓力。
此刻應當理解，已經提供一種經由焊錫的加熱機械連接和化學連接多塊以形成頭部，從而允許半導體管芯的隨後封裝處理的工具。這產生比通過使用常規熔爐形成的那些更可靠的器件。另外，周期時間改進。已經顯示，當使用工具10代替具有石墨夾具的常規熔爐處理時，周期時間可以從大約50分鐘減少至大約2分鐘。此外，工具10的使用減少進行處理所必需的操作員的數目(工具10僅需要一人，然而運轉熔爐可能使用四人)；減小形成頭部的裝置所需的平方英尺(如果裝備以如圖1中所示形成兩個塊，與可能大約100平方英尺大小的工具10相比較，熔爐可能大約400平方英尺大小)；減少氣體需求量(與熔爐使用的大約620 SCFH氣體相比較，大約10 SCFH氣體)；以及減少所需的電量(工具10大約0.5KW而熔爐大約15KW)。這些減少導致降低的製造成本。
改進的周期時間可以至少部分地歸因於當使用熔爐時達到焊錫的峰值和重熔溫度花費的時間比使用工具10花費的時間更長的事實。在一種實施方案中，熔爐可能花費大約30分鐘達到重熔區，當峰值溫度為大約330攝氏度，重熔溫度為大約280攝氏度，並且夾持壓力為大約8磅時。
在前述說明書中，本發明已經參考具體實施方案而描述。但是，本領域技術人員應當理解，可以進行各種修改和改變而不背離下面權利要求中陳述的本發明的範圍。討論的方法和裝置可以用來形成任何類型的封裝。例如，該方法和裝置可以用來形成氣腔封裝，其中管芯連接到散熱片，然後執行高溫銅焊以將陶瓷環和引線連接到散熱片。因此，說明書和圖認為在說明而不是限制的意義上，並且所有這種修改打算包括在本發明的範圍內。配置工具10使得工具10可以自動地運行消除材料處理可能是期望的。
而且，說明書中和權利要求中的術語「前」，「後」，「頂」，「底」，「上」，「下」等，如果存在的話，用於描述的目的而不一定用於描述永久相對位置。應當理解，如此使用的術語在適當情況下可互換，使得這裡描述的本發明的實施方案例如能夠在除了這裡說明或另外描述的那些之外的其他方向上操作。
已經針對具體實施方案在上面描述了本發明的好處、其他優點和問題解決方案。但是，可能使得任何好處、優點或解決方案出現或變得更明顯的好處、優點、問題解決方案和任何要素不解釋為任何或全部權利要求的關鍵、必需或重要特徵或要素。如這裡使用的，術語「包括」、「包含」或其任何其他變體打算覆蓋非獨佔包含，使得包括一系列要素的處理、方法、物品或裝置不僅包括那些要素，而且可能包括沒有明顯列出或這種處理、方法、物品或裝置固有的其他要素。如這裡使用的，術語「一個」或「一個」定義為一個或多於一個。如這裡使用的，術語「多個」定義為兩個或多於兩個。如這裡使用的，術語另一個定義為至少第二個或更多。如這裡使用的，術語「連接」定義為連接，雖然不一定直接連接，以及不一定機械地連接。
權利要求
1.一種裝配半導體元件的方法，該方法包括提供基座；將第一塊放置在基座上，其中第一塊包括半導體管芯；將第二塊放置在第一塊上；在第一塊和第二塊之間提供粘合劑；使用第一板對第一塊和第二塊施加壓力以與第二塊一起夾緊第一塊；以及使用第二板施加熱量以重熔粘合劑，其中施加熱量與施加壓力同時執行。
2.根據權利要求1的方法，還包括使用對準功能部件將第一塊與第二塊對準，其中對準功能部件是板的部分。
3.根據權利要求1的方法，還包括使用對準功能部件將第一塊與第二塊對準，其中對準功能部件是第一塊的部分。
4.根據權利要求1的方法，其中提供基座包括提供彎曲基座。
5.根據權利要求4的方法，其中提供彎曲基座包括提供第一彎曲基座；將第一塊放置在彎曲基座上，其中第一塊包括第一半導體管芯；將第二塊放置在第一塊上；在第一塊和第二塊之間提供粘合劑；使用第一板對第一塊和第二塊施加壓力以與第二塊一起夾緊第一塊；以及使用第二板施加熱量以重熔粘合劑並且形成試驗半導體元件，其中施加熱量與施加壓力同時執行；測量試驗半導體元件的外形；將試驗半導體元件的外形與預先確定的外形相比較；以及選擇第二彎曲基座，其中第二彎曲基座具有與第一彎曲基座不同的曲率；以及提供第二彎曲基座。
6.根據權利要求5的方法，其中將第一塊放置在彎曲基座上還包括放置第一塊，其中第一塊還包括凸緣；將第二塊放置在第一塊上還包括放置第二塊，其中第二塊包括絕緣體；提供粘合劑還包括提供粘合劑，其中粘合劑還包括焊錫執行。
7.根據權利要求1的方法，其中將第二塊放置在第一塊上還包括放置第二塊，其中第二塊還包括引線。
8.根據權利要求1的方法，其中使用第一板施加壓力還包括從第二塊的頂部施加壓力；以及使用第二板施加熱量還包括從第一塊的底部施加熱量。
9.根據權利要求1的方法，還包括將第三塊放置在第一塊上，其中第三塊包括引線。
10.一種形成半導體元件的方法，該方法包括提供具有腔的加熱板；在腔中放置彎曲基座；將包括半導體管芯的凸緣放置在彎曲基座上；將焊錫放置在凸緣上；將窗框放置在焊錫上；向下移動對準頭部並且與窗框和凸緣接觸，其中對準頭部包括保證凸緣與窗框對準的對準功能部件；使用對準頭部對第一窗框和凸緣施加壓力；使用加熱板施加熱量以重熔焊錫從而連接凸緣、焊錫和窗框。
11.根據權利要求10的方法，其中將窗框放置在焊錫上包括放置窗框，其中窗框包括引線。
12.根據權利要求10的方法，其中施加壓力還包括從窗框的頂部施加壓力；以及施加熱量還包括從凸緣的底部施加熱量。
13.根據權利要求10的方法，其中提供彎曲基座包括提供第一彎曲基座；將第一塊放置在彎曲基座上，其中第一塊包括第一半導體管芯；將第二塊放置在第一塊上；在第一塊和第二塊之間提供粘合劑；使用第一板對第一塊和第二塊施加壓力以與第二塊一起夾緊第一塊；以及使用第二板施加熱量以重熔粘合劑並且形成試驗半導體元件，其中施加熱量與施加壓力同時執行；測量試驗半導體元件的外形；將試驗半導體元件的外形與預先確定的外形相比較；以及選擇第二彎曲基座，其中第二彎曲基座具有與第一彎曲基座不同的曲率；以及提供第二彎曲基座。
14.一種裝配半導體元件的裝置，該裝置包括加熱單元；連接到加熱單元的基座；位於加熱單元上的板；用於垂直移動板的移動單元，其中移動單元連接到板；以及用於測量連接到移動單元的壓力的單元。
15.根據權利要求14的裝置，其中移動單元包括選自氣壓缸和電機的裝置。
16.根據權利要求14的裝置，其中加熱單元包括加熱板和加熱器。
17.根據權利要求14的裝置，其中用於測量壓力的單元包括選自度盤式指示器和計算機的裝置。
18.根據權利要求14的裝置，其中基座包括彎曲基座。
19.根據權利要求14的裝置，其中板包括對準單元。
全文摘要
本發明公開一種裝配半導體元件的方法，包括提供基座(61)；將第一塊(52)放置在基座上，其中第一塊包括半導體管芯(54)；將第二塊(56，58)放置在第一塊上；以及在第一塊和第二塊之間提供粘合劑(60)。該方法還包括使用第一板對第一塊和第二塊施加壓力以與第二塊一起夾緊第一塊；以及使用第二板施加熱量以重熔粘合劑，其中施加熱量與施加壓力同時執行。
文檔編號H01L23/10GK1973174SQ200580020481
公開日2007年5月30日 申請日期2005年5月27日 優先權日2004年7月15日
發明者奧德爾·A·桑切茲, 泰克·K·金 申請人:飛思卡爾半導體公司