無支撐板的半導體器件及其製造方法
2023-05-04 18:16:26
專利名稱：無支撐板的半導體器件及其製造方法
技術領域：
本發明一般來說涉及半導體器件，更具體地說，涉及無支撐板(flagless)的半導體器件及其製造方法。
外殼龜裂是塑料封裝的半導體器體中存在的普遍問題。這一問題是由多種因素的組合所產生的。一個因素就是塑料封裝材料和引線框架支撐板之間的內部剝離。支撐板是常規引線框架中支撐晶片的板狀構件。和引線框架的其餘構件一樣，支撐板通常由銅、銅合金，或鐵鎳合金構成的，因此在大多數情況下，其熱膨脹係數(CTE)與周圍的注模成分或塑料的熱膨脹係數不同。作為這種CTE失配的結果是當半導體器件經受溫度變化時在塑料-支撐板界面處產生應力。一旦該應力達到最大閾值，就通過塑料-支撐板界面的剝離而釋放出來。外殼龜裂的另一因素是溼氣吸收。在塑料-支撐板界面產生了剝離之後，溼氣就從周圍環境經過注模成分擴散到剝離了的區域。一旦在外殼中積蓄了溼氣，溫度的急速增加就會引起溼氣的蒸發和膨脹，從而在該剝離了的區域產生一個內部壓力袋(pressure pocket)。要釋放出壓力及相應的應力，周圍的塑料就得破裂。外殼龜裂最常發生在用戶用回流釺焊工藝把塑料封裝的半導體器件裝到-基板上的時候。伴隨著回流釺焊而產生的高溫導致溫度迅速上升，這往往足以引起塑料封裝破裂(取決於器件的溼氣含量)。
目前有許多處理外殼龜裂問題的方法。一種方法是乾燥封裝。這種方法就是烘烤塑料封裝的半導體器件以充分降低溼氣的含量，並將這些器件裝在防溼的盒內。器件的用戶在外殼由於暴露於大氣環境中能吸入足以引起破裂的溼氣的量將器件安裝好。這種方法是能效的，但顯著地增加了半導體器件的成本。而且，器件的用戶必須一直關注器件在大氣環境中已暴露了多長時間，以便確保吸入的溼氣不足以引起破裂的問題。
其它一些已知的途徑試圖通過改進支撐板與塑料之間的粘接來減少內部剝離的可能性。例如，某些製造商把支撐板的金屬表面弄粗糙，以改進粘附性。另一些製造商在支撐板表面上製造出小孔或凹坑來提供固定機能。改進粘附性的另一個方法是用窗式框架支撐板。窗式框架支撐板大體上是一種支持晶片的多孔框架，而不是一個實心的片狀物。
上述那些方法通過提供與塑料封裝材料較好的粘附性，的確在某種程度上降低了剝離的可能性。本發明使用從前未用過的技術同樣得到了降低剝離的優點，而且還解決了上述方法所沒有涉及的另一個製造問題，即，半導體製造商對其各種產品要使用不同的或定做的引線框架的問題。要對各種晶片尺寸和晶片的功能性的管腿引出頭作不同的引線框架設計，就需要大量的片狀構件(Piece-Parts)，並且在各產品投產前需要用額外的時間和人力來設計新的引線框架。除了與大量的構件及設計相關的成本之外，引線框架本身的成本也因製造量的不充分而產生不希望有的升高。各需單獨加工的引線框架的幾張小數額定單比總量相同的同種引線框架的一張訂單所需成本要高。因此，利用一種能被幾個不同的晶片尺寸共同使用的引線框架設計能顯著降低半導體製造的成本。本發明通過在半導體器件中使用一種能由各種各樣晶片尺寸使用的引線框架實現了這一目標，同時，改進了引線框架和封裝材料之間的粘附性以減輕外殼的破裂問題。
在本發明的一種形式中，半導體器件具有由多根引線和兩個懸臂狀連杆構成的引線框架。多根引線有限定出晶片容納區的內部部分。兩個連杆從晶片容納區的兩相對側延伸出來。半導體晶片附著在連杆上並由其支撐。該晶片還與多根引線進行電連接，並由外殼本體包封。製造這種或其它的該類型半導體器件的方法也包含在本發明的範圍內。
由結合附圖所作的詳細描述可以更清楚地了解本發明的這些和其他特徵以及優點。重要的是要指出這些插圖不一定是按比例畫的，而且本發明還可以有其它的未作具體圖解說明的實施例。
圖1是本發明的部分組裝的、無支撐板的半導體器件的俯視圖。
圖2是使用與圖1所示同樣的引線框架設計的本發明另一個部分組裝的、無支撐板半導體器件的俯視圖。
圖3為本發明的完全組裝好的半導體器件的截面圖。
圖4為本發明另一個組裝好的半導體器件的截面圖。
圖5為說明適用於本發明的另一種連杆設計的引線框架的俯視圖。
圖6為說明適用於本發明的又一種連杆設計的引線框架的俯視圖。
本發明能降低內部封裝剝離的可能性，同時通過利用懸臂狀的連杆來支撐半導體晶片的方式建立起能用於幾種不同晶片尺寸的通用設計。圖1和圖2說明本發明所用的引線框架的通用情況及其特性，這裡，用連杆而不是支撐板來支撐半導體晶片。這兩個圖均為本發明的半導體器件的部分俯視圖。圖1說明半導體器件10，圖2說明半導體器件20。器件10和20均包括一個具有兩根相對的橫條14、多根引線16和兩個懸臂狀的連杆18的引線框架12。圖1和圖2中的半導體晶片22和半導體晶片24粘在連杆18上。每個晶片包括多個按常規方式用多根連接線28與引線16電連接的導電壓焊區26。
應注意，圖1和圖2所示的半導體器件是部分組裝後的。這些器件還沒有包封在塑料外殼本體中。如本領域的普通技術人員知道的，器件10和20接著用塑料封裝材料封裝起來，然後從引線框架12上切下來、形成完成了的器件。切開的結果，連杆18不再與橫條14相連，而是分離開來，與由圖1中虛線29表示輪廓的外殼本體的一個邊齊平。引線16被切下來，接著將其作成以下幾種外引線形狀中的一種。這幾種形狀有鷗翅狀、J狀引線狀或通孔狀。
引線框架12是由常用的引線框架材料，如銅、銅合金、鐵鎳合金或其它類似材料形成的，並由金屬腐蝕或衝壓等常規工藝製造的。傳統的製造工藝中，稱為「flag」或「paddle」的板狀構件與連杆相連，用來給半導體晶片提供一個安裝區域。根據本發明不使用板，而是用懸臂狀的連杆來支撐晶片。例如，在圖1的器件10中，連杆18支撐半導體晶片22，圖2的器件20是用連杆18支撐半導體晶片24。連杆18各包括一個柄部分19和一個支撐部分21。如圖1所示，晶片22完全外伸或復蓋在連杆18的支撐部分21之上。而如圖2所示，支撐部分可以延伸超出晶片的周邊，這樣就不是所有的支撐部分都在晶片的下面。
在用連杆而不是用支撐板作為晶片支座的情況下，總的塑料-金屬界面面積在器件包封在塑料中之後將被減少。為了描述本發明，用短語「塑料-金屬界面」，而不是用短語「塑料-支撐板界面」，這是由於本發明的實施例中沒有常規的支撐板。隨著塑料-金屬界面面積的減少，塑料與半導體晶片直接接觸的面積就增加了。塑料-金屬界面面積的減少和塑料-晶片界面面積的增加，減少了剝離的機會，因為絕大部分塑料包封材料將與晶片而不是與金屬表面粘接得更好。因此，如果在一個連杆與包封塑料之間的界面處發生剝離，也不會影響另一個連杆與塑料的界面。
通過圖1與圖2的比較，可以清楚地看到引線框架12的通用性。在這兩個圖中，用的是相同的引線框架，但所用的晶片尺寸是不同的。如圖所示，晶片22比晶片24大得多。由於不使用支撐板，所以對兩種不同尺寸的器件不需要設計新的引線框架。在常規的半導體器件中，支撐半導體晶片的板的形狀製造得與晶片相同，只是尺寸稍大一點。使用支撐板的目的是將它用於在組裝操作中(主要是引線焊接步驟)和直到包封為止的一般的器件處理步驟中支撐晶片。一旦將晶片包封到塑料中，晶片支撐構件就不再需要了。把支撐板製造得比晶片大的一個目的是要能夠進行晶片和支撐板之間粘接狀況的外觀檢查。半導體晶片通常用環氧樹脂粘接到支撐板上。在對著覆蓋在板上的環氧樹脂按壓晶片時，環氧樹脂從晶片下面擠壓出來在晶片周邊形成環氧樹脂的鑲邊(fillet)。晶片與板之間粘接的質量可通過對上述鑲邊的肉眼觀察來判斷。如果該鑲邊是連續的，就認為粘接充分了。
根據本發明，粘接晶片的環氧樹脂塗在懸臂狀連杆的支撐晶片用的那些部分上。例如在圖1中，環氧樹脂塗在連杆18由虛線表示出的那些部分上。對著連杆按壓晶片而進行粘接時，環氧樹脂就被擠壓出來，沿著連杆的四周而不是晶片的周圍形成鑲邊。這種「翻轉的」鑲邊在圖3的半導體器件30的截面圖中得到了說明。器件30包括-按裝在懸臂狀的連杆33上的半導體晶片32。該器件包封在塑料外殼35中，該晶片通過焊線37與多根引線36電連接。引線36如圖所示為通孔狀，當然也可以用J引線和鷗翅狀。儘管晶片32粘接在兩根連杆上，但該截面圖實際上是經過一根連杆的分叉狀部分取的，例如取圖1和圖2中連杆18的U形部分作圖。晶片32用常規的晶片粘接劑34，如環氧樹脂，粘在連杆上。當半導體晶片全部外伸在連杆之上時(如器件10和30)，環氧樹脂就象圖3所示那樣形成翻轉的鑲邊。粘接狀況可以象常規器件那樣用環氧樹脂鑲邊的連續性來進行評價。然而，檢測翻轉的鑲邊要從器件的背面來檢查，如果要用檢測工藝的話，就可能要在製造者的檢測工藝中稍微改變一下。
在圖2所示的本發明的晶片未完全伸出在連杆之上的實施例中，一個鑲邊應該在連杆延伸超出晶片處的晶片周邊形成。而沿著晶片伸出在連杆之上的那部分連杆的周邊形成另一個翻轉的鑲邊。圖4的器件40的截面圖示出兩個不同的鑲邊。器件40包括用晶片粘接劑44粘在叉狀連杆43上的半導體晶片42。該器件包封在塑料外殼45內，晶片由焊線47與多根引線46電連接。引線46如圖所示為J引線狀，不過，也可以用通孔和鷗翅狀。
儘管在根據本發明的器件中可以把各種不同尺寸的晶片用於同樣的引線框架設計，但對所用晶片的尺寸還是有限制的。例如，晶片22和24的尺寸和形狀分別受限定晶片容納區的引線16的內部部分的影響。對引線框架12所用的晶片尺寸的另一個限制可能是焊線長度。隨著晶片尺寸的變小，連接晶片與引線16所需的焊線28的長度增加。因此，製造者對焊線長度設置的上限也就對晶片尺寸設置了下限。
由於不用支撐板，在製造本發明的器件時可能需要改進現有的組裝步驟。例如，如上面討論所提到的，把晶片粘接劑的塗布圖形局限在一個小的連杆面積上，而不是整個支撐板的面積上。所以，可能需要對粘接劑塗布頭和塗布圖型作工具性改進。此外，由於晶片支撐面積(連杆)比常規的支撐板小，本發明所需的粘接劑的量較少。另外可能需要對晶片粘接劑的塗布作較嚴格的工藝控制。由於晶片整個伸出，或至少部分伸出在連杆之上，則在粘接晶片時，粘接劑有可能伸展超過連杆，從而弄髒下面的工作檯。因此，要嚴密監視粘接劑用量的上限。而如上所述，塗布足夠的粘接劑以提供合適的鑲邊同時也是重要的。
另一工藝改進在引線焊接時是有用的。既然半導體晶片沒有沿著晶片的周邊全部被支撐，那麼在引線焊接期間提供對晶片周邊的支撐可能是有益的。壓焊區一般(但不始終)位於晶片的周邊。要在每個壓焊區上焊接引線，引線焊接工具必然在每進行一次焊接時向晶片周邊加壓。如果引線壓焊用力很大，或者晶片沒有足夠的韌性，則所加的力就會引起晶片的未得到支撐的部分破裂或碎裂。因此，最好在引線焊接臺上增加一個支撐機構。例如，壓焊臺可以設計成包括一切口，該切口與懸臂狀連杆的形狀及厚度相匹配，以便壓焊臺與連杆一起形成一個基本平整和連續的表面。這樣，整個晶片在引線焊接時就由連杆和壓焊臺的組合結構支撐起來。重要的是應注意，對現有引線焊接操作的改進對於實施本發明可能不是必須的。對改進的要求取決於許多因素，僅列出幾個就有壓焊力、晶片厚度、晶片尺寸和壓焊區的位置等。
圖1和圖2中的連杆18為叉狀，以便使各連杆的內端部為U形。不過，根據本發明，也可以用其它的懸臂狀連杆的形狀。圖5和6中說明了兩個這種可供替代的形狀。這兩張圖只是半導體器件的一部分(也就是連杆部分)的俯視說明圖。如圖5所示，兩個懸臂狀連杆52其內端部為T形，其外端部象前面所說的實施例那樣延伸到引線框架的橫條上。和本發明前述的實施例一樣，總的金屬表面面積的減少有助於在連杆被塑料包封后阻止發生剝離。由於能適用於各種晶片尺寸(如虛線54和56代表的晶片)，T形連杆也是通用的。線54表示半導體晶片的兩個完整的邊(即「短」邊)能夠得到支撐，這一點可能對某種特定的引線焊接方式是有利的。但具體對存儲器晶片來說，通常晶片的「長」邊側設置著壓焊區。為了支撐本發明的半導體晶片的「長」邊側，懸臂狀連杆可以插入到引線中。例如在圖1和圖2中，連杆可以在引線之中和沿著和引線平行的方向形成，從而從左和右而不是如圖所示那樣從上和下方在半導體晶片之下延伸。
圖6說明本發明的另一種連杆形式。兩個懸臂狀連杆62均為H形。連杆的內端在由虛線64表示的較大的半導體晶片之下延伸，或在由虛線65所表示的較小的半導體晶片之下延伸。連杆的外端伸向引線框架的橫條(未圖示)。如線64所表示的半導體晶片與H形連杆的中心部分66對準，並由其支撐。然而，這不是這種連杆的形狀所要求的。這種連杆形狀與所示的其它連杆形狀一樣，可以用於各種尺寸的半導體晶片。
在本發明的其它實施例中，可對前面所述的「叉狀」連杆的形狀加以改進以增加連杆的剛性。例如，對U形和H形而言，可用一個附加部分將連杆的自由端連在一起，以防止或限制各端在Z軸方向(垂直方向)上的獨立運動，或換句話說，保持連杆的平面性。這種附加部分可以做成直的，也可以做成圓形的，以減少封裝後的器件內產生的應力。
以上的描述表明了本發明的許多優點。特別是已經披露了可以用懸臂狀連杆支撐半導體晶片，以減少塑料封裝器件內部的總的塑料-金屬界面。該界面的減少降低了界面處內部剝離的可能性，從而降低了外殼龜裂的可能性。此外，懸臂狀連杆是互相分離的這一事實減少了可能發生的任何一個剝離的面積。如有一個連杆與包封塑料的界面處發生剝離，該剝離區域也不會波及到另一根連杆。換言之，兩根連杆中每一個上出現的剝離均與另一個無關。本發明的附帶的優點是應用懸臂狀連杆使多種尺寸的晶片可由連杆來支撐。還有一個優點是實施本發明不用增加板狀構件的成本。可以用與現行引線框架同樣的價格來製造本發明所用的引線框架，或由於製造量較大而導致較低的價格。隨著任何工具改進所導致的其它的製造成本的增加是極少的。
顯然，根據本發明的無支撐板半導體器件及其製造方法完全滿足前述要求和優點。儘管已參考具體的實例描述了本發明，但這並不說明僅局限於這些實施例。本領域的熟練技術人員均可以了解在不偏離本發明精神的範圍內可作出各種改進和變動。例如，本發明沒有具體地限定U形、T形和H形連杆的形狀。此外，本發明也沒有局限於任一特殊的外殼形狀。本發明的器件的連杆可以設置在低於器件的引線的位置這一點也是很重要的，這可以象圖3所示那樣把晶片放大器件內所需要的高度。而且，本發明器件的連杆可包括對準特徵，來幫助在晶片粘結時對準半導體晶片。另外，本發明不以任何方式局限於器件所用的半導體晶片的類型。儘管使用存儲器晶片的器件可能將從本發明得到不少益處，其實用其它類型的晶片(如微控制器、模擬器件等)一樣可以獲益。因此，本發明包括所有在所附權利要求的範圍內變動和改型。
權利要求
1.一種無支撐板半導體器件(10)，其特徵是一個包括以下兩部分的引線框架多根具有內引線部分和外引線部分的引線(16)，其中內引線部分限定出具有兩個相對側邊的晶片容納區；兩個從該晶片容納區相對兩側邊延伸到晶片容納區之內的連杆(18)，這兩根連杆互相不在另一個之下延伸、互相保持分離，且各有一個柄部分(19)和支撐部分(21)；一個裝在兩個連杆的支撐部分上的半導體晶片(22)；用於將半導體晶片與引線的內引線部分連接的裝置(28)；一個包封該半導體晶片和多根引線的內引線部分的外殼本體(35)。
2.一種無支撐板半導體器件(10)，其特徵是各具有一內引線部分和一外引線部分的多根引線(16)，這些內引線部分一起限定出一個晶片容納區，該晶片容納區有兩個第一相對側邊和兩個第二相對側邊，其中各第一相對側邊短於各第二相對側邊;兩個從各第一相對側邊延伸入晶片容納區的連杆(18)，各連杆有一柄部分(19)和支撐部分(21)，該柄部分基本與多根引線的外引線部分垂直，且支撐部分終止於晶片容納區內;粘結在各連杆上並由其支撐的一個半導體晶片(22)，該晶片完全覆蓋住各連杆的支撐部分;用於將半導體晶片與多根引線電連接起來的裝置(28);以及包封該半導體晶片及多根引線的內引線部分的一個外殼本體(35)。
3.如權利要求1或2的半導體器件，其中，各連杆的支撐部分為叉狀，晶片放在該叉狀的支撐部分上。
4.如權利要求3的半導體器件，其中，連杆的叉狀支撐部分基本為U形或H形。
5.如權利要求3的半導體器件，其中，半導體晶片伸出在兩個連杆的叉狀支撐部分上。
6.如權利要求1或2的半導體器件，其中，各連杆的端部為T形。
7.如權利要求1或2的半導體器件，其中，外殼本體有四個側面，多根引線的外引線部分從外殼本體的兩個相對側向外延伸，兩根連杆中的每一個的端部與從引線框架上切下來後留下的兩個側邊之一齊平。
8.如權利要求1的半導體器件，其中，兩個連杆的支撐部分在晶片容納區限定出一個矩形區域，該矩形區域的面積小於晶片面積。
9.如權利要求1的半導體器件，其中，兩個連杆的支撐部分在晶片容納區限定出一個矩形區域，該矩形區域的面積大於晶片面積。
10.如權利要求1或2的半導體器件，其中，半導體晶片還部分覆蓋住兩個連杆的柄部分。
全文摘要
一種無支撐板半導體器件(10)，包括一具有多個壓焊區(26)的半導體晶片(22)，壓焊區經焊線(28)與多根引線(16)電連接。晶片由兩個懸臂狀連杆(18)支撐。使用懸臂狀連杆減少了塑料封裝的器件中總的塑料-金屬界面面積，從而降低了內部剝離和外殼龜裂的可能性。懸臂狀連杆也使得相同的引線框架設計可用於不同的晶片尺寸。懸臂狀連杆合適的形狀包括(但不限於)U形、T形和H形。
文檔編號H01L23/50GK1098558SQ9410395
公開日1995年2月8日 申請日期1994年3月21日 優先權日1993年3月22日
發明者託姆·R·霍林斯沃斯, 麥可·B·邁克斯漢恩 申請人:莫託羅拉公司