含側向電氣連接的半導體管芯的半導體管芯封裝的製作方法

2023-05-24 07:57:01

專利名稱：含側向電氣連接的半導體管芯的半導體管芯封裝的製作方法
相關申請的對照本申請要求2001年1月22日提交的美國臨時專利申請No.60/351587的申請日的權利。該美國臨時專利申請在此全文併入以供參考。
背景技術：
存在許多半導體管芯封裝。在半導體管芯封裝的一個實例中，半導體管芯用引腳安裝在引腳框架上。導線將半導體管芯耦合到引腳。導線、半導體管芯和多數引腳框架(除了延伸在外面的引腳)隨後被封裝在模製材料中。隨後，使該模製材料成形。成形後的半導體管芯封裝包括模製體，它具有在側面延伸離開該模製體的引腳。隨後，該半導體管芯封裝被安裝到電路板上。
雖然這種半導體管芯封裝很有用，但可以進行改進。例如，作為消費電子產品(例如，蜂窩電話、膝上型電腦等)的尺寸繼續減小，越發需要降低電子裝置的厚度同時增加裝置的密度。此外，需要改善常規半導體管芯封裝的散熱屬性。從晶片散熱是半導體封裝領域中持續的問題。需要解決的其它問題包括降低電路板上元件的「開態電阻」(RDSon)和減小電路板上元件的定著點。對於這種部件的定著點，在以上的模製封裝實例中，在側面延伸離開模製體的引腳增加了封裝的定著點。希望減少這種元件的定著點，從而更多的元件可以置於電路板上。例如，對於包括含源極區、柵極區和漏極區的功率MOSFET的半導體管芯，期望最終實現約1∶1的晶片與封裝尺寸的比率而不降低半導體管芯中的有效源區。
本發明的實施例單獨和共同地解決了這些和其它問題。

發明內容
本發明的實施例涉及半導體管芯封裝。
本發明的一個實施例涉及一種方法，它包括(a)形成包括由劃線限定的多個半導體管芯的半導體晶片；(b)在劃線附近半導體晶片中形成多個空腔；以及(c)沿所述劃線切割晶片以分開半導體管芯，其中每個被分開的半導體管芯包括垂直電晶體並包括半導體管芯的邊緣處的至少一個凹口。
本發明的另一個實施例涉及一種半導體管芯封裝，它包括(a)包括導電區的電路基板；(b)所述電路基板上包括垂直電晶體的半導體管芯，其中該半導體管芯包括邊緣和邊緣處的凹口；以及(c)通過凹口將半導體管芯和導電區耦合的焊點。
以下將進一步描述本發明的這些和其它實施例。
附圖概述

圖1(a)示出半導體晶片的背側的示意性平面圖。
圖1(b)示出限定於圖1(a)所示的半導體晶片的背側中的漏極連接位置。
圖1(c)示出在進一步處理後圖1(b)所示的半導體晶片的背側處的漏極連接位置。
圖1(d)示出半導體管芯的背側上的被濺射的可焊接背部金屬。
圖1(e)和1(f)示出半導體管芯的側視圖。
圖1(g)示出形成凸起的半導體管芯的前側的透視圖。
圖1(h)示出沿線A1-A1的圖1(g)所示的形成凸起的管芯的一部分。
圖2(a)示出半導體晶片中形成凸起的半導體管芯的陣列的平面圖。
圖2(b)示出切割後晶片支架上多個形成凸起的半導體管芯的透視圖。
圖3(a)示出形成凸起的半導體管芯的陣列的平面圖。
圖3(b)示出切割後晶片支架上形成凸起的半導體管芯的陣列的平面圖。
圖3(c)-3(f)示出貼附散熱片時半導體管芯的陣列。
圖3(g)-3(j)示出具有散熱片的半導體管芯的各種示圖。
圖3(k)示出沿線A2-A2的圖3(h)所示的半導體管芯的一部分的剖視圖。
圖4(a)-4(d)示出安裝在電路基板上時的半導體管芯。
圖4(e)是電路基板上半導體管芯的平面圖。
圖4(f)-4(h)示出被安裝到電路基板上時形成凸起的半導體管芯的一部分的剖視圖。
圖5(a)-5(b)示出安裝後回流前電路基板上半導體管芯的透視圖。
圖5(c)-5(e)示出被安裝到電路基板上時半導體管芯的一部分的側剖視圖。
圖6(a)-6(b)示出被安裝到電路基板上時半導體管芯的一部分的側剖視圖。
圖6(c)示出半導體管芯的邊角區的放大部分。
圖6(d)示出電路基板上半導體管芯的平面圖。
圖1(a)-6(d)中，相同的標號表示相同的元件。
具體實施例方式
在本發明的實施例中，大量漏極位置連接形成於半導體晶片的後側劃線附近。劃線限定半導體晶片中半導體管芯的邊界。在較佳實施例中，漏極位置連接是半導體晶片的後部形成的圓錐形空腔。這些空腔可以部分或整體地延伸通過半導體晶片。每個圓錐形空腔的外形被選擇為使得通過毛細作用的焊點的形成最大化。存在許多不同的封裝配置，但在將半導體管芯安裝到電路基板時可以產生這些配置中的每一個的最終漏極連接。在板安裝過程期間源極和柵極凸起被焊接到電路基板上的各接合區上。
如這裡所使用的，半導體管芯封裝可以包括安裝到任何合適尺寸的任何合適電路基板上的任何合適數量的半導體管芯。本發明的實施例優選是「晶片比例封裝」，其中半導體管芯封裝的尺寸接近於半導體管芯本身的尺寸。
本發明的實施例具有許多優點。首先，本發明的實施例具有每定著點區的高RDSon。其次，在本發明的實施例中，在管芯周長上通過圓錐形漏極連接使得漏極觸點最大化，因此提升了半導體管芯封裝的熱性能。第三，半導體管芯可以具有貼附到它們背部的散熱片。這些散熱片可以採取銅條的形式。在使用約4密耳厚的半導體管芯(具有背側凹槽)時在半導體管芯的背部上提供銅條是實際的方法。第四，在本發明的實施例中，半導體管芯中MOSFET的源極區被直接連接到電路板上的源極觸點。這使得到MOSFET的源電流最大並降低了MOSFET的開態電阻(RDSon)。第五，半導體管芯中焊接觸點的整個截面積在柵極、源極和漏極上都較大，從而本發明的實施例可用於高電流應用中。第六，在本發明的實施例中，半導體管芯邊緣處的凹口促進了焊料在回流(reflow)期間的毛細流動以基本自動形成焊點。從而，可以可重複和準確地形成焊點。
在本發明的實施例中，形成半導體晶片，它包括由劃線限定的多個半導體管芯。隨後，在劃線附近半導體晶片中形成多個空腔。隨後，沿劃線切割晶片，將半導體管芯分開。每個被切割並被分開的半導體管芯包括半導體管芯的邊緣處的至少一個凹口。在某些實施例中，每個邊緣可以包括一個或多個凹口。例如，在某些實施例中，半導體管芯的全部四個邊緣都可以包括至少一個凹口。
半導體管芯可以包括垂直功率電晶體。垂直功率電晶體包括VDMOS電晶體和垂直雙極功率電晶體。VDMOS電晶體是MOSFET(金屬氧化物半導體場效應電晶體)，它具有兩個或更多通過擴散形成的半導體區。它具有源極區、漏極區和柵極。在源極區中該裝置是垂直的且漏極區位於半導體管芯的相對表面處。柵極可以是溝槽的柵極結構或者平面的柵極結構，並形成於與源極區相同的表面處。在操作期間，VDMOS裝置中從源極區到漏極區的電流基本垂直於管芯表面。在其它實施例中，半導體管芯中的電晶體可以是雙極電晶體。在這種實施例中，半導體管芯的一側可以具有發射極區和基極區。管芯的另一側可以具有收集極區。
圖1(a)示出半導體晶片20的背側，其中形成了多個半導體管芯24。半導體管芯24由劃線22限定。半導體晶片20可以包括任何合適的半導體材料，包括矽和砷化鎵。半導體晶片20的背側可以對應於半導體管芯24中MOSFET的漏極區。
如圖1(b)所示，多個空腔28形成於半導體晶片20內劃線22附近。每個空腔28都可以部分延伸通過半導體晶片20或者整體通過半導體晶片20。每個空腔28也都可以是圓錐形，其中圓錐形空腔的較大的部分接近晶片20的背側而圓錐形空腔的較窄部分接近晶片20的前側。
可以以任何合適的方式形成任意數量的空腔28。例如，可以通過光刻和蝕刻工藝形成多個空腔28。光刻和蝕刻工藝是本技術領域內公知的。溼法蝕刻和幹法蝕刻可用於形成空腔28。在另一個實例中，可以使用雷射蝕刻或噴水蝕刻工藝形成多個空腔28。
圖1(c)示出附加處理後半導體晶片20的背側的示意圖。可以執行的附加處理的步驟包括背磨半導體晶片，和執行應力消除蝕刻處理。也可以執行背部金屬化處理。
在背部金屬化處理中，金屬被沉積於半導體晶片的背側。在該處理期間，金屬也可以塗覆多個空腔28中的空腔的內壁和下部。可以使用各種工藝將金屬沉積到半導體晶片20的背側上。實例性的工藝包括濺射、離子輔助沉積和汽相沉積。在背部金屬化處理期間沉積的金屬優選是可用焊接溼化的。實例性的背部金屬化金屬包括鋁、銅、鎳、鎢等等。
在使半導體晶片20背部金屬化後，可以切割半導體晶片以使單個半導體管芯24相互分開。可以以任何合適的方法進行切割。例如，可以使用切割鋸或雷射來切割半導體晶片20。
圖1(d)-1(f)示出被切割和形成凸起後的半導體管芯24。圖1(d)-1(f)示出半導體管芯24的背側示圖，其上具有被濺射的可焊接背部金屬30。半導體管芯24的邊緣在存在之前形成的空腔的位置具有許多凹口34。在該實例中，每邊有兩個凹口34，半導體管芯24有四個邊。但在其它實施例中，每邊可以有更多或更少的凹口。
圖1(e)-1(f)示出半導體管芯24的前側上的多個焊料凸起32。焊料凸起32可以用作半導體管芯24中MOSFET的源極和柵極連接。可以在切割過程中該半導體管芯24與其它半導體管芯24分開之前或之後在其上沉積焊料凸起32。可以使用任何合適的焊料沉積工藝將其沉積，包括拾放(pick and place)、模板印刷和電鍍。
圖1(g)示出放大的形成凸起後的半導體晶片24。如圖1(g)所示，半導體管芯24的側面具有許多凹口34。每個凹口34具有接近半導體管芯24的背側的較大部分和接近半導體管芯24的前側的較小部分。如圖1(g)和1(h)所示，凹口34在半導體管芯24的背側開始，並部分延伸通過半導體管芯24。在其它實施例中，凹口34可整體延伸通過半導體管芯24。每個凹口34的深度都可以大於半導體管芯厚度的一半。
每個凹口34都可以是用於漏極觸點的齒狀位置，並可以類似於半圓錐形狀。每個凹口34都可足夠深，從而在焊料回流之前凹口34的下部處的焊料可與電路基板上導電接合區上的焊料接觸，因此通過凹口34形成側向電連接。通常，凹口34的基部34(a)上的焊料(未示出)將與電路基板的導電接合區上的焊料形成電連接。該電連接可以是到半導體管芯24的背側的漏極連接。
參考圖1(h)，當半導體管芯24被安裝到諸如電路板的電路基板上時，凹口34提供用於焊料流動和接觸的位置。傾斜角(θ)確保在形成背部金屬層30期間背部金屬的全部和一致覆蓋到圓錐狀凹口的基部。傾斜角的合適角度約60度到約45度。較低的傾斜角(例如，小於約60度)會增加最後和部分形成於凹口34內部的焊點與管芯邊緣隔開的可能性。例如，如圖4(h)(以下將描述)所示，焊點68下的至少多數導電區64(b)可以在半導體管芯24的周邊之外，以確保所形成的焊點68從管芯24延伸離開。可以使用本技術領域內已知的技術形成特殊的傾斜角，這些技術包括雷射蝕刻或者化學蝕刻(幹法或溼法)。
管芯邊緣和焊點處的接觸面可以是應力點。優選布置符合漏極觸點的電路基板(例如，電路板)上的導電接合區圖案，以確保焊點和管芯邊緣之間的間隔。管芯中部分形成而非一直穿過半導體管芯的凹口也可以有助於使得所形成的焊點與半導體管芯邊緣隔開。
圖2(a)-2(b)示出形成半導體管芯的過程，在各管芯上沒有散熱片。圖2(a)示出未被切割的半導體晶片20，它包括多個半導體管芯24和這些半導體管芯24上的多個焊料凸起32。在該實例中，在切割前半導體管芯用焊料形成凸起。在其它實施例中，半導體管芯24可以在切割後形成凸起。在切割半導體晶片20以使半導體管芯24相互分開後，它們被置於晶片支架40上，如圖2(b)所示。隨後，可以電氣測試半導體管芯24。測試後，半導體管芯24可以被置於帶上，隨後被繞在捲軸上。
可以參考圖3(a)-3(k)描述形成在背部上具有散熱片的半導體管芯的過程。管芯封裝可以呈現改善了的熱性能。在以上實例中，散熱片具有平面、銅條的形式。但是，在其它實施例中，可以使用具有垂直定向的散熱翼片的散熱片。
圖3(a)示出在切割前具有形成凸起的半導體管芯24的半導體晶片20。在切割後，如圖3(b)所示，半導體管芯24被置於晶片支架40中。但與圖2(b)不同，半導體管芯24被置於晶片支架40(例如陶瓷晶片支架)中，從而其上的焊料凸起朝下入晶片支架40。如圖3(c)所示，焊料糊46可以沉積於半導體管芯24的背側上。焊料糊46可以包括Pb-Sn焊料或其它合適的焊接材料。隨後，如圖3(d)和3(e)所示，散熱片48被貼附到半導體管芯24的背側上，隨後加熱半導體管芯24以回流焊料糊。可使用單個裝置來執行圖3(c)-3(e)所示的處理步驟。
在某些實施例中，散熱片48可以被作標記，以識別半導體管芯。在將散熱片48貼附到半導體管芯24上後，可以測試半導體管芯。測試後，半導體管芯24可以被置於帶和卷上。圖3(i)-3(h)示出從各種方向觀察的其上具有散熱片48的半導體管芯24。
圖3(k)示出凹口34附近半導體管芯的放大部分。凹口34具有基部34(a)。在基部34(a)處可以具有焊料(未示出)。
可以參考圖4(a)-4(h)描述半導體管芯的安裝。
圖4(a)示出具有多個導電區64的電路基板62。電路基板62可以是電路板或者用於半導體管芯的載體。電路基板62可以包括一個或多個絕緣層，其包括聚合或陶瓷材料。導電區64可以是可焊接金屬軌跡的形式，諸如導電接合區、導電線路等。
圖4(b)示出導電區64上形成的多個焊料凸起66。這多個焊料凸起66可以通過電鍍、型板噴刷、拾放、絲網印刷等方式形成。
如圖4(c)所示，在側邊具有凹口34的半導體管芯24可以安裝於電路基板62上。半導體管芯24的側面處的凹口34與導電區64上的焊料凸起66接觸。拾放過程可用於在電路基板62上安裝半導體管芯24。安裝後，可以執行回流處理以使得焊料66回流。如圖4(d)和4(e)所示，回流的焊料凸起形成焊點68，它至少部分存在於凹口34中。這些焊點68可以用作到半導體管芯24的背側的漏極連接。
在安裝前，在該實例中，半導體管芯24在其上沒有焊料凸起。因此，在該實例中，在安裝前，半導體管芯24可以被認為是安裝到電路基板62上的「無凸起」管芯。與具有凸起管芯相比，這使得焊接更方便。當然，在其它實施例中，管芯可以用焊料形成凸起。
圖4(f)-4(h)示出在被安裝到電路基板62上時半導體管芯24的近示圖。電路基板62包括許多含焊料凸起66(a)、66(b)導電區64(a)、64(b)。焊料凸起66(a)耦合到半導體管芯24上的焊料凸起32。焊料凸起66(b)耦合到半導體管芯24的側邊處的凹口34。如圖4(h)所示，回流後，形成焊點68，其頂部與凹口34的壁接觸。焊點68的基部位於導電區64(b)上，該導電區可以是印刷電路板(PCB)的金屬軌跡。
可以理解，為了在圖4(f)-4(h)和其它附圖中說明，簡化了半導體管芯24和其它元件的描述。可以理解，本技術領域內的普通技術人員可以提供半導體管芯24中合適的邊緣端接結構，以便使得焊料凸起32和焊點68電絕緣。例如，感光BCB(苯基環丁烷)或聚醯亞胺可用於塗覆管芯的邊緣或下面以使得焊料凸起32和焊點68電絕緣。
圖5(a)和5(b)示出在用較大的焊點形成時的半導體管芯封裝。以圖4(a)-4(c)所示的方式在電路基板上安裝管芯。隨後，如圖5(a)所示，在將半導體管芯24安裝在電路基板62上後，附加的焊料86可以沉積在凹口34上。圖5(b)示出回流後的半導體管芯封裝。回流後，形成更大的焊點86。這些焊點86將凹口耦合到電路基板62的導電區。
如圖5(c)所示，以前述方式處理的焊料凸起的半導體管芯24被安裝在具有導電區64(a)、64(b)的電路基板62上。導電區64(a)、64(b)具有其上的焊料凸起66(a)、66(b)。如圖5(d)所示，半導體管芯24上的焊料凸起32與導電區64(a)上的焊料凸起66(a)接觸。焊料凸起66(b)與半導體管芯24的邊緣處的凹口34接觸。隨後，將附加焊料88沉積到焊料凸起66(b)上以提供到背側金屬30和到半導體管芯24中MOSFET中的漏極區的更好的電氣連接。如圖5(e)所示，回流後，焊料66(b)、88形成焊點86。
在圖5(c)-5(e)所示的實施例中，第二焊料糊印刷或分配步驟將允許到凹口34中金屬的更多漏極接觸，它連接到半導體管芯24中MOSFET中的漏極。這導致回流後更高、更寬的焊點。
以與圖5(c)-5(e)中的半導體管芯24類似的方式安裝圖6(a)和6(b)中半導體管芯24。但是，在圖6(a)和6(b)中，散熱片48和焊料層46在半導體管芯24上。
圖6(c)中示出半導體管芯24的邊角的放大示圖。如這裡所示的，絕緣層92存在於半導體管芯24的前側。絕緣層92可以包括諸如苯基環丁烷(BCB)的材料。絕緣層92可以具有約8到約10微米之間的厚度。其覆蓋可以延伸到半導體晶片中的劃線並將在回流後與焊點接觸。該絕緣確保到矽邊緣的觸點斷開，它可以是影響焊點可靠性的應力點。圖6(d)中示出半導體管芯24的平面頂視圖。
這裡採用的術語和表達用作描述的術語而非限制，並非旨在使用所示和所述特點的排除等效物的這些術語和表達，或者其部分，可以理解，各種修改也可能在所要求的本發明的範圍內。此外，本發明的一個或多個實施例的一個或多個特點可以與本發明的其它實施例的一個或多個特點組合而不背離本發明的範圍。
權利要求
1.一種方法，其特徵在於，包括(a)形成包括由劃線限定的多個半導體管芯的半導體晶片；(b)在劃線附近在半導體晶片中形成多個空腔；以及(c)沿所述劃線切割晶片以分開半導體管芯，其中每個被分開的半導體管芯包括垂直電晶體並包括半導體管芯的邊緣處的至少一個凹口。
2.如權利要求1所述的方法，其特徵在於，所述多個空腔中的每個空腔都部分延伸穿過半導體晶片。
3.如權利要求1所述的方法，其特徵在於，使用蝕刻工藝形成所述多個空腔。
4.如權利要求1所述的方法，其特徵在於，進一步包括(d)將被分開的管芯貼附到電路基板上，其中對於每個半導體管芯，焊接材料通過所述半導體管芯邊緣處的至少一個凹口將所述半導體管芯耦合到電路基板中的一個。
5.如權利要求1所述的方法，其特徵在於，每個被分開的半導體管芯都包括半導體管芯的每一側上的至少一個凹口。
6.如權利要求1所述的方法，其特徵在於，多個空腔中的每一個都延伸通過半導體晶片。
7.如權利要求1所述的方法，其特徵在於，半導體晶片包括前側和背側，其中多個空腔中的每一個都形成於半導體晶片的背側。
8.如權利要求1所述的方法，其特徵在於，進一步包括將散熱片貼附到每個被分開的半導體管芯上。
9.如權利要求1所述的方法，其特徵在於，進一步包括d)將至少一個被分開的管芯貼附到電路基板上，其中至少一個半導體管芯具有多個可焊接區而不是焊料凸起，且其中電路基板具有接合區盤。
10.一種半導體管芯封裝，其特徵在於，包括(a)包括導電區的電路基板；(b)所述電路基板上包括垂直電晶體的半導體管芯，其中該半導體管芯包括邊緣和邊緣處的凹口；以及(c)通過凹口將半導體管芯和導電區耦合的焊點。
11.如權利要求10所述的半導體管芯封裝，其特徵在於，半導體管芯包括垂直MOSFET。
12.如權利要求10所述的半導體管芯封裝，其特徵在於，凹口部分延伸穿過半導體管芯。
13.如權利要求10所述的半導體管芯封裝，其特徵在於，半導體管芯包括背側，其中該背側被金屬化。
14.如權利要求10所述的半導體管芯封裝，其特徵在於，半導體管芯包括背側，其中將散熱片貼附到該背側上。
15.如權利要求10所述的半導體管芯封裝，其特徵在於，凹口是半圓錐的形式。
16.如權利要求10所述的半導體管芯封裝，其特徵在於，所述邊緣是半導體管芯的第一邊緣，其中半導體管芯包括在半導體管芯的第二邊緣處的第二凹口。
全文摘要
揭示了一種半導體管芯封裝。在一個實施例中，半導體管芯封裝包括含導電區的電路基板。半導體管芯在電路基板上。半導體管芯包括邊緣和邊緣處的凹口。焊點通過凹口將半導體管芯和導電區耦合。
文檔編號H01L21/768GK1643691SQ03806581
公開日2005年7月20日 申請日期2003年1月21日 優先權日2002年1月22日
發明者M·C·B·埃斯塔西奧 申請人:費查爾德半導體有限公司