用於安裝矽器件的襯底和方法

2023-05-27 04:18:01

專利名稱：用於安裝矽器件的襯底和方法
用於安裝矽器件的襯底和方、法 相關申請的交叉引用
本申請要求於2005年1月6日提交的題為SOLDER THICKNESS CONTROL FOR BOND WIRELESS DISCRETE Si PACKAGE的美國臨時專 利申請No. 60/756,738的權益和優先權，這裡通過引用將其全部內容併入本 文。
背景技術：
半導體技術的進步已經推動矽的性能極限超過目前封裝的能力。特別 地，MOSFETS和IGBT的功率和載流能力經常受到封裝性能不足的限制。 封裝的熱和電阻導致功率損失和相應的矽的發熱超過其極限。另外，封裝的 電感還導致了使用高開關電流的某些限制。特別地，寄生封裝電感可能導致 能毀壞矽器件(Si器件)的電感過電壓。這在利用鍵合線將Si器^j^的頂部 金屬電連接到引線框架或其他外部金屬端子的傳統封裝中尤其是個問題。
更新的封裝技術試圖將電感最小化並通過無引線鍵合連接(bond wireless connection)技術改善與散熱器的熱連接。這種封裝的一個例子提供 於受讓人整流器公司的直系的DirectFET⑧產品線中，該產品線在美國專利 No. 6,624,522被進一步地描述，這裡通過引用將該專利的全部內容併入本 文。這種利用馬蹄形直接敷銅襯底(DBC)罐的替代封裝工藝的一個例子提 供於受讓人的臨時專利申請No. 60/761,722中，該申請於2006年1月24日 提交，題為STRESS-REDUCED BOND-WIRELESS PACKAGE FOR HIGH POWER DENSITY DEVICES (IR-3177Prov)，受讓人的於2006年12月18 日提交的題為PACKAGE FOR HIGH POWER DENSITY DEVICES的目前共 同待決申請(Atty.Ref. 2-5799)要求該專利的優先權。這些申請中每一個的
全部內容均通過引用併入此處。在這些參考文獻中，Si器件或晶片安裝在罐
形外殼中並且功率器件的頂側(源極/射極和柵極接點)焊接到金屬焊盤以便 獲得更高的載流能力、降低的電感和更好的熱性能。特別地，對於功率開關，
在Si晶片的雙面提供大的金屬接點有益於使電和熱性能最佳化。
但是，這種無引線鍵合晶片安裝設計的釆用使焊點變得更加重要。特別 地，這種接觸層的焊點和潛在失效機制對使用它的產品的質量和可靠'性有嚴
重的影響。當焊點形成為Si器件頂部和底部上的電和機械接觸層時，焊點
變得特別重要。
通常，晶片的頂側通過引線鍵合而與襯底或引線框架接觸。在無引線鍵
合技術的情形中，在晶圓級晶片上設置焊錫凸塊(bump)。該凸塊例如對於 功率開關的柵極焊盤或對於IC接觸焊盤(例如球柵陣列)是相對較小的， 而在用於為MOSFET或IGBT的源極焊盤建立強電流連接時是相對較大的。
進一步地，通常，Si器件的背面一般焊接到襯底，諸如金屬引線框架、 DBC、印刷電路板(PCB)等。這個焊錫面積是相對大的並且通常相當於芯 片尺寸。對於這種背面安裝， 一般使用焊錫膏，其為焊錫合金(諸如PbSn 或無鉛SnAgCu)與焊劑的混合物。焊劑被用來清潔接觸表面並將焊錫的潤 溼最佳化，尤其是諸如銅的氧化表面上的。通常，焊錫膏被塗布或^1版印刷 在襯底(引線框架、DBC、 PCB等等)上，然後將晶片放在焊錫膏凹坑(nest) 中。然後將焊錫膏在錫爐(或回流焊機)中熔化以便形成Si金屬與襯底金 屬之間的金屬間接觸。
使用這種技術，通常基於在晶片下提供的焊錫膏的量和基於錫爐概況 (溫度和時間)來調節焊錫厚度。但是，這種方法不提供對焊錫厚度的非常 緊密的控制。例如，經常因液態錫的蔓延或流動而導致焊錫膏液相期間的芯 片移動。這樣的蔓延和/或流動無法很好地預測。更進一步地，焊錫膏對襯底 或引線框架的不同潤溼可以導致較薄或較厚的焊錫分布，並因此導致最終焊
層的厚度的改變。
用於解決這些問題的一種手段是在襯底或引線框架上使用焊錫止動漆
(solder-stop lacquer)的圖案以便防止焊錫散布得太遠，或者通過限制金屬
焊盤區域來解決。但是，這樣的技術通常價格昂貴而且不能完全防止^:、片移
動。例如，這樣的技術不能解決晶片傾斜時可能出現的問題。更進一步地， 使用這樣的技術時，難以在不改變使用的工具及其它設備的情況下改變芯 片、焊錫圖案或焊錫厚度，而改變使用的工具及其它設備可能是昂貴且耗時 的。
晶片位置的變化導致晶片不能相對於電路圖案被適當地定位和/或可能 導致晶片在一個或另一個方向上傾斜。更進一步地，焊劑與接觸表面之間的 化學反應能導致焊錫為液相時起泡。這是不想要的晶片移動的另一個來源。
這些問題在某些應用中可以降低收益。也就是說，晶片的移動在某些應 用中可能不是問題，但是，晶片的精確定位在其它應用中可能是至關重要的。 對於針對精細結構焊盤的引線鍵合或者當Si器件將以很窄的容許偏差被倒 裝焊接在凸塊位置(高度和地點)時，即使晶片的少量移動都是個問題。在 晶片被安裝在DirectFET⑧產品線中使用的金屬罐中之後，晶片是水平的且可 以很好地被定位是特別重要的。
目前的焊錫膏技術的另一個問題是焊錫處理之後通常粘到晶片或襯底 上的焊劑殘渣。這種殘渣可以難以除去，並且如果不除去，可以引起引線鍵 合或其它電接觸技術的問題。而且，任何後續的模具處理均要求除去焊劑。 因此，除去焊劑常常是必要的，並因此意味著附加費用。
替代技術是用所謂的預成型焊錫(solderpre-form)來代替焊錫膏。預成 型焊錫通常是具有限定厚度(通常為10pm至超過100nm)和大致相當於所 需焊盤大小的尺寸的預成型焊片。這些預成型件通常在沒有焊劑的情況下使 用。它們通常通過蟻酸氣體真空焊接工藝焊接，其中蟻酸氣體(例如氣相蟻 酸)起到焊劑的作用以清潔表面而不留下殘渣。但是，這項技術仍然使得難 以控制焊層的厚度。雖然焊層的厚度由預成型焊錫的厚度設定，但當焊錫熔 化時，這個厚度會發生變化。更進一步地，晶片還在焊錫熔化時移動，這也 導致如上所述的焊錫厚度的變化。
圖1是通過具有變化厚度104a、 104b的焊層104而被安裝在襯底或引 線框架102上的Si器件晶片100的圖示。如圖所示，傳統技術導致襯底102 上晶片100的位置的變化以及如上所述的焊劑殘渣106的其他問題。例如， 在圖1中，在晶片100的一側的襯底102較好的潤溼導致了焊錫在該方向上 進一步散布。因此，該側的焊層104的厚度小於另一側的厚度並且晶片100 是傾斜的。
如上所述和圖1中所示的問題在所有傳統的Si晶片安裝技術中是普遍 的。在某些應用中，這些變化不是特殊的問題。但是，在單個器件需要被精 確地焊接在金屬外殼中時，例如上述DirectFET⑧產品線中和上述題為 PACKAGE FOR HIGH POWER DENSITY DEVICES的共同待決申i青中提及 的馬蹄形罐中的MOSFET，這些變化是不可接受的。
為了避免這些問題中的一部分，可以用粘合劑將Si晶片或器件粘結到 金屬罐。例如，可以用粘合劑來粘貼DirectFET⑧產品線中的Si器件，因為 粘合膠可以更好地受到控制。但是，焊接可以提供優良的電和熱特性並將保 證載流能力的增加。但是，如上所述，傳統的焊錫鍵合不能保證足以允許其 在DirectFET⑧產品線中使用的精確控制。特別地，DirectFET⑧產品線要求
柵極凸塊和源極凸塊位於精確的位置並相對於金屬罐完全水平，這是對於如 上所述的焊接方法技術而言是成問題的。
在美國專利No. 4934,679中向Kaiser提出一種用於將器件安裝在另一個 器件上的替代手段。在Kaiser中，位置固定元件設置在第一結構部件上以便 固定安裝在第一結構部件上的第二結構部件的位置。類似心軸的工具被用於
形成位置固定元件。具體地，該工具被壓到相對於第一元件基準面的餘4面上 的第一部件中。在該工藝中，材料被移置以便形成凹槽和具有與位置固定元 件的形狀相對應的形狀的材料積聚。位置固定元件適用於在電路被粘結或焊
接到第一部件上時確定電路的位置。雖然Kaiser的位置固定元件可能對確定 第二部件的位置有用，但用於製造它們的心軸工具可能不能總是提供相同的 材料積聚，因此，位置固定元件可能不能提供對第二部件的穩定支撐。
因此，提供避免上述問題的允許用焊錫將Si器件安裝在襯底上的襯底 和方法將是有益的。

發明內容
本發明的目的是提供一種無引線鍵合封裝，其具有這樣的結構該結構 能夠以低成本實現很好地受到控制的焊接厚度和防止Si晶片在焊錫的液相 期間傾斜並穩定Si晶片的定位。
本發明的另一個目的是提供一種用於金屬罐或襯底的新型且低成本的 結構，其允許對焊接厚度的精確控制並防止晶片傾斜。
依照本申請的實施方式，其上面安裝有矽器件的襯底包括從襯底的頂部 表面向上延伸的多個突出體和形成在襯底的頂部的焊層，所述多個突出體穿 過焊層延伸並且多個突出體中的每個突出體的頂部部分與焊層的頂部表面 相齊平，從而當矽器件被置於襯底上時，該矽器件被支撐在多個突出體上。
依照本發明的實施方式， 一種將矽器件安裝在襯底上的方法包括提供襯 底、形成從襯底的頂部表面向上延伸的多個突出體、將焊層置於襯底的頂部 表面上以使得多個突出體穿過該焊層、向下衝壓焊層和突出體以使得多個突 出體中每個突出體的頂部部分被向下衝壓到焊層的頂部表面的水平、將矽器 件置於焊層的頂部以使得矽器件基本上由多個突出體支撐、以及加熱焊層從 而形成液體焊錫以將矽器件接合到襯底，其中矽器件在加熱期間在突出體上 保持原位。
本發明的其它特徵和優點將通過參照附圖的以下發明說明變得顯而易見。


圖1是利用焊錫膏安裝在襯底上的傳統Si器件的圖示。
圖2是依照本發明的實施方式的用於安裝矽器件的襯底的圖示。 圖3是依照本發明的實施方式的用於在圖2的襯底上形成突出體的針形 工具的圖示。
圖4示出了位於圖2的襯底上的焊層。
圖5示出了用於衝壓圖4中示出的突出體和焊層的壓模工具。 圖6示出了位於圖2-4的襯底上的矽器件。
圖7是依照本發明的另一實施方式的用於在圖2的襯底上形成突出體的 針形工具的圖示。
圖8是依照本發明的另一實施方式的用於衝壓焊層和突出體的壓模工具 的圖示。
具體實施例方式
例如，在本申請的圖2-6中示出了依照本發明的實施方式的其上裝有Si 器件或晶片的襯底。在優選實施方式中，如圖3所示，針狀工具10被用於 在襯底14的頂部金屬表面12上挖鑿以便形成從襯底14的表面12向上延伸 的基本垂直的突出體16 (或切屑(swarf))。如圖所示，突出體16優選地 具有約為100pm的高度。雖然這是突出體16的優選高度，但突出體的高度 可以被修改以便適用於具體的應用。
在優選實施方式中，襯底12是金屬罐，例如DirectFET⑧產品線中使用
的金屬罐，或諸如以上在題為PACKAGE FOR HIGH POWER DENSITY DEVICES的共同待決申請中所述的馬蹄形DBC的Cu層。但是，如果需要， 突出體16同樣可以在任何襯底上形成。在優選實施方式中，如圖2所示， 例如，四個突出體16以基本為矩形的圖案挖鑿至襯底14中。可選擇地，如 果需要，可以以三角形圖案將三個突出體16挖鑿至表面中。雖然以上描述 了特殊示例，但是如下所述，如果任何數目的突出體16將能夠支撐放在襯 底上的Si器件，那麼可以根據需要將所述突出體挖鑿至襯底中。
此後，如圖4所示，將預成型焊錫18被置於襯底14的頂部表面12上。 優選地，根據最終襯底-Si-器件封裝的最終焊層的期望厚度來選擇所述預成 型焊錫18。預成型件18被向下壓，以使得突出體16穿過預成型件18延伸。 優選地，突出體16的頂部16a穿過預成型件18的頂部表面20延伸。
例如，如圖5所示，壓模工具22用於向下衝壓突出體16的頂部部分16a 以便與預成型件18的頂部表面12接觸。壓模裝置22的使用保證了所有突 出體16的頂部部分16a均被向下衝壓到同一水平面，因此為矽器件24提供 穩定的平臺。從而，優選地隨後將Si器件或晶片24放在預成型件18的頂 部，如圖6所示。
請注意例如可以在罐或襯底12的製造期間形成突出體16並將預成型件 添加到襯底12，並隨後添加Si器件。以這種方式，可以針對各種應用大批 地製造的根據本發明的適用於安裝Si器件的襯底。Si器件24可以是例如二 極管、MOSFET或IGBT等等。可以如圖6所示那樣來設置柵極凸塊和源極 凸塊。
此後，如上所述，例如在錫爐中熔化預成型件18的焊錫。但是突出體 16保持在原位並因此提供Si器件24位於其上的穩定平臺。因此，Si器件 24在焊錫處於液態時的移動被最小化。突出體16將Si器件保持在期望位置， 而熔化的焊錫到Si器件或晶片24的金屬背面的附著力將使焊錫保持在在晶片下面並將幫助防止焯錫的散布，從而保持焊層具有基本一致的寬度。由於
突出體16支撐晶片24，晶片24的重量將不像它在傳統焊接工藝中那樣促使 焊錫向外。確實，焊錫到Si器件的背面的附著力的表面張力作用促使焊錫 保持在晶片下面。因此，焊層的厚度可以很好地受到控制並保持靠近晶片下 面的區域。
在另一實施方式中，如圖7所示，如上所述的用於形成突出體16的針 形工具10'可以包括多個針頭10a、 10b……10d，這些針頭可以同時用於在襯 底12上形成多個突出體16。圖7示出了4個針頭10a，但是工具10'可以根 據需要包括更多或更少的針頭。
在另一實施方式中，使用焊錫膏來代替預成型焊錫18也是有用的。在 本實施方式中，壓模工具可以包括從其底部表面延伸的多個凸塊22a。這些 凸塊22a用於在沒有例如預成型件18的頂部表面20的情況下在被向下壓之 後確定突出體16的高度。凸塊22a優選地被定位成使得突出體16隨著壓模 頭向下降低至焊層(焊錫膏)中而從凸塊偏離。因此，切屑16始終保持在 同一高度並提供其上面支撐晶片24的水平表面。但是請注意，使用焊錫膏 時，如上所述，應該存在從晶片24和襯底12上除去焊劑殘渣的附加步驟。 如上所述，通常要求除去焊劑殘渣，並且因此，可以使用用於除去焊劑殘渣 的任何合適的工藝。
因此，依照本發明，提供了一種襯底12，其允許將Si器件或晶片24放 置在其上的平面方向上的精確位置，且焊層具有基本恆定和期望的厚度。芯 片24與襯底14之間的焊接的使用保證了良好的電和熱特性並允許相對大的 載流能力，而突出體16的使用為晶片24在焊錫處於液態時提供了穩定的基 底以便限制晶片的移動。結果，晶片24可以在襯底12被精確地定位並保持 齊平。因此，本發明的襯底可用於DirectFET⑧產品線或者供上述馬蹄形罐使 用。當然，這裡描述的襯底和方法可以用於晶片在襯底上的精確放置很重要
的任何應用。
突出體16可以用單個類似針的工具10分別形成或者使用包括期望配置 的多個針頭10'的工具形成。雖然本說明書公開了三個或四個突出體16的使 用，但是還可以使用任何數目的突出體。
雖然已經相對於本發明的具體實施方式
對其進行了描述，但是對於本領 域的技術人員而言，許多其它變更和修改及其它應用將是顯而易見的。因此， 優選地，本發明並非由這裡的具體公開內容所限定，而是只受所附的權利要 求的限制。
權利要求
1.一種其上安裝有矽器件的襯底，該襯底包括多個突出體，所述突出體從所述襯底的頂部表面向上延伸；以及焊層，該焊層形成在所述襯底的頂部上，從而所述多個突出體穿過所述焊層延伸，並且所述多個突出體中的每個突出體的頂部部分被向下衝壓至與所述焊層的頂部表面面相齊平，從而當所述矽器件被置於所述襯底上時，所述矽器件被支撐在所述多個突出體上。
2、 根據權利要求1所述的襯底，其中所述多個突出體中的每個突出體由針形工具形成，該針形工具用於挖鑿所述襯底的頂部表面以生成所述多個 突出體。
3、 根據權利要求1所述的襯底，其中所述多個突出體中的每個突出體 由包括多個針頭的針形工具形成，該針形工具用於挖鑿所述襯底的頂部表面 以同時生成所述多個突出體中的每個突出體。
4、 根據權利要求1所述的襯底，其中所述多個突出體被設置為適於為 所述矽器件提供穩定支撐的預定圖案。
5、 根據權利要求1所述的襯底，其中所述焊層是具有期望厚度的預成 型焊錫，並且其中所述多個突出體中的每個突出體的頂部被壓模工具向下衝 壓至與所述預成型焊錫的頂部表面相齊平。
6、 根據權利要求1所述的襯底，其中所述焊層是具有期望厚度的焊錫 膏層，並且所述多個突出體中的每個突出體的頂部被壓模工具向下衝壓至與 所述焊錫膏層的頂部表面相齊平。
7、 根據權利要求1所述的襯底，其中所述多個突出體被設置成選定圖 案，從而所述多個突出體在矽晶片被安裝在所述襯底上時支撐所述矽晶片。
8、 根據權利要求1所述的襯底，其中所述襯底是金屬罐，而所述矽器 件是MOSFET。
9、 根據權利要求1所述的襯底，其中所述襯底是金屬罐，而所述矽器 件是IGBT。
10、 根據權利要求l所述的襯底，其中所述襯底是金屬罐，而所述矽器 件是二極體。
11、 一種在襯底上安裝矽器件的方法，該方法包括 提供襯底；形成從所述襯底的頂部表面向上延伸的多個突出體； 將焊層置於所述襯底的頂部表面上以使得所述多個突出體穿過所述焊層；向下衝壓所述焊層和所述突出體以使得所述多個突出體中的每個突出 體的頂部部分被向下衝壓至所述焊層的頂部表面的水平；將所述矽器件置於所述焊層的頂部上以使得所述矽器件基本上被所述 多個突出體支撐；以及加熱所述焊層，從而形成液態焊錫以將所述矽器件接合到所述襯底，其 中所述矽器件在所述突出體上保持原位。
12、 根據權利要求11所述的方法，其中所述形成步驟進一步包括使用 針形工具挖鑿所述襯底的頂部表面，以形成所述多個突出體中的每個突出 體。
13、 根據權利要求11所述的方法，其中所述形成步驟進一步包括使用具有預定配置的多個針頭的針形工具挖鑿所述襯底的頂部表面，以同時形成 所述多個突出體中的每個突出體。
14、 根據權利要求11所述的方法，其中所述焊接層由具有選定寬度的 預成型焊錫形成。
15、 根據權利要求14所述的方法，其中所述衝壓步驟是使用具有基本 平坦的底部表面的壓模工具來執行的，該壓模工具被降低以將所述多個突出 體中的每個突出體的頂部向下衝壓至基本與所述預成型焊錫的頂部表面相 齊平的期望水平。
16、 根據權利要求11所述的方法，其中所述焊層是具有期望寬度的焊 錫膏層。
17、 根據權利要求16所述的方法，其中所述衝壓步驟是使用衝壓工具 來執行的，該衝壓工具包括在其底部表面上形成的多個凸塊，所述凸塊的高 度表示了所述多個突出體中的每個突出體的頂部部分被向下衝壓到的水平。
18、 根據權利要求11所述的方法，其中當所述焊層被加熱時，所述矽 器件基本上被所述多個突出體支撐以限制所述矽器件的移動。
19、 根據權利要求11所述的方法，其中所述加熱步驟在期望溫度下在 錫爐中被執行一段預定時間。
20、根據權利要求17所述的方法，該方法進一步包括在加熱完成之後 從所述矽器件和所述襯底除去被包含在焊錫膏中的焊劑所留下的焊劑殘渣 的步驟。
全文摘要
一種其上安裝有矽器件的襯底，包括從襯底的頂部表面向上延伸的多個突出體和形成在襯底的頂部上的焊層，多個突出體穿過焊層延伸並且多個突出體中的每個突出體的頂部部分與焊層的頂部表面相齊平，以使得當矽器件被置於襯底上時，該矽器件被支撐在多個突出體上。優選地使用類似針的工具從襯底的表面向上挖鑿所述突出體。使用壓模工具將突出體向下衝壓至它們的期望高度以使得它們位於適當的位置以便支撐矽器件。焊層可以是預成型焊錫或者可以是焊錫膏層。
文檔編號H01L23/48GK101375396SQ200780003960
公開日2009年2月25日 申請日期2007年1月5日 優先權日2006年1月6日
發明者H·豪恩施泰因 申請人:國際整流器公司