半導體封裝的製造技術

2023-05-24 16:56:51 2

專利名稱：半導體封裝的製造技術
半導體封裝的製造相關申請本申請基於並要求於2005年3月4日提交的名為"DEPOSITING PASSIVATIONS USING JETTING TECHNOLOGY(INK-JETTING)"的美國臨 時申請60/658,607的優先權，由此做出優先權的權利要求，且其公開內容作 為引用結合於此。技術領域本發明涉及半導體封裝製造和半導體封裝。
技術背景典型地，為了製造半導體封裝必須對其元件進行處理。例如，在屬於本 發明的受讓人的美國申請11/138,141中公開了一種製造封裝的方法，在該方法中半導體晶片的前表面被經過多步處理，由此使該半導體晶片在其晶片裝 配於導體容器前接收鈍化體。依據本發明的處理，按需噴射沉積技術被用於在半導體封裝元件上形成 主體。依據本發明的處理能夠被用於形成例如，在半導體晶片的表面上的鈍 化體、在半導體封裝的引線框架部分上的絕緣體等等。按需噴射沉積的主要優點在於處理步驟上的簡化。以下是對現有技術處 理和典型的按需噴射處理的比較現有技術 按需噴射在材料上旋轉 印刷材料從材料中乾燥揮發 乾燥材料UV曝光 硬化材料顯影材料 硬化材料現有技術的方法的缺點是因為a)需要比最終結構所需的材料更多的材 料；b)所述材料必須被顯影，這意味著具有與化學和產生廢品有關的巨大花 銷；c)需要額外的步驟；d)用於成像的光引發劑系統會削弱所述材料的性能; e)相片工具的損壞或汙染會導致鈍化體開口，這可能引發問題。另一方面，按需噴射沉積減少浪費；減少步驟數；能夠處理不平坦的 表面；能夠一步到位改變圖像的厚度；不像現有技術那樣容易受汙染瑕疵的 影響。按需噴射已被用於元件部分標記；在等離子體顯示板上沉積絕緣體； 印刷電路板生產及標記；使用貴金屬和半貴金屬進行精密幾何學電路引線印刷。然而，調查顯示還沒有將按需噴射用於製造半導體封裝元件例如，半導體晶片、引線框架或其它類似物體。本發明的其它特點和優點將在以下本發明的參考附圖的描述中變得顯而易見。


圖1顯示了依據本發明的實施例製造的半導體封裝元件的頂視平面圖； 圖2顯示了圖1中所示的元件沿線2-2並沿箭頭方向觀察的橫截面圖； 圖3顯示了依據本發明配置的另一種半導體封裝元件的頂視平面圖； 圖4顯示了依據本發明配置的另一種半導體封裝元件的頂視平面圖；圖5顯示了具有多個晶片的晶圓的頂視平面圖；圖6顯示了在其上形成電極後的具有多個晶片的晶圓的頂視平面圖;圖7顯示了形成多個可軟焊層後的圖6中的晶圓的5-5部分；圖8顯示了依據本發明的實施例的形成鈍化體後的5-5部分；圖9A顯示了用於實施依據本發明的方法的系統的示例；圖9B和圖9C顯示了沉積操作；圖IO顯示了引線框架的頂視平面圖；圖11顯示了圖10中所示的引線框架的被放大的部分；圖12-22B顯示了使用依據本發明的方法製造多晶片模塊的過程；圖23-25顯示了圖22B中顯示的多晶片模塊的橫截面圖。
具體實施方式
參考圖1和2，顯示了依據本發明製造的半導體封裝元件的示例，該半 導體封裝元件包括半導體晶片10，該半導體晶片IO在其第一主表面上具有 第一功率電極12和控制電極14。在優選實施例中，晶片IO包括至少一個形 成於第一功率電極12上的可軟焊體16，至少一個形成於控制電極14上的可 軟焊體16，以及被置於第一功率電極12和控制電極14上的鈍化體18。鈍 化體18包括開口 20用以露出第一功率電極14上的可軟焊體16，以及開口 22用以露出控制電極14上的可軟焊體16。在優選實施例中，電極12、 14 由鋁或鋁矽形成，並且可軟焊體16由三金屬堆或任意可軟焊材料形成。所 述三金屬堆可以包括在其頂部的銀層，例如Ti/Pd/Ag三金屬堆。開口20可以寬於可軟焊體16。由此，通過間隙24將可軟焊體16與鈍 化體18隔開，該間隙24將可軟焊體16包圍。應該注意的是在優選實施例 中，開口 22也可以寬於控制電極14上的可軟焊體16，由此在鈍化體18和 控制電極14上的可軟焊體16之間產生間隙26。然而，應該注意的是，在依據本發明的半導體封裝元件中，在可軟焊體16和鈍化體18間的間隙不是必須的。因此，例如，每個電極12、 14可以包括覆蓋其全部表面的可軟焊體 和被置於該可軟焊體之上的鈍化體18。在不背離本發明的範圍和精祌的前提 下，其它變化同樣可以被實施。優選地，鈍化體18厚於可軟焊體16。因此，可軟焊體16不會延伸超過 鈍化體18。也就是說，優選地，每一個可軟焊體16被置於其各自開口 20 的底部且不達到開口 20的頂部。依據圖1和2所示的實施例的半導體封裝元件可以是垂直導電型，並由 此包括在與所述第一主表面相對的第二主表面上的第二功率電極28。例如， 依據圖1和2所示的實施例的元件可以是功率MOSFET，其中第一功率電極 12是源電極，第二功率電極28是漏電極，且控制電極14是柵電極。然而，依據本發明的元件並不限於垂直導電型器件。參考圖3，其中相 同的附圖標記代表相同的特徵，依據第二實施例的器件可以是倒裝晶片型， 在此情況下第一功率電極12、第二功率電極29和控制電極14被置於晶片 10的同一個表面上。依據第二實施例的元件可以是功率器件，例如功率 MOSFET，在此情況下第一功率電極12是源電極，第二功率電極29是漏電 極並且控制電極14是柵電極。下面參考圖4，其中相同的附圖標記表示相同的元件，依據第三實施例 的半導體封裝元件僅包括一個位於其主表面上的功率電極30，且不同於第一 實施例和第二實施例的是，該半導體封裝元件不包括控制電極。依據第三實 施例的元件可以是，例如垂直導電型二極體，其中該二極體的一個功率電極 (例如，正電極或負電極)包括在其表面上的鈍化體18,且鈍化體18在可 軟焊體16上具有開口，每一個開口均寬於其包圍的各自的可軟焊體16，並 且所述鈍化體18優選地厚於可軟焊體16。所有三個實施例是類似的，原因體現在每一種情況下位於一側的全部電極均被配置為用導電粘合劑直接附著到在襯底上的導電焊盤，所述襯底例如 電路板，所述導電粘合劑例如焊料或導電環氧樹脂。也就是說，可軟焊體16 被提供於位於同一表面上的所有電極，以便允許直接連接到襯底上的導電焊 盤。鈍化體18因此保護了所述晶片，且同樣可以在元件安裝時作為阻焊劑。 注意本發明並不限於上述的特定的晶片，而是可以應用於高電子遷移率電晶體(HEMT)，例如，基於GaN的電晶體、集成電路等。依據本發明的半導體器件可以依據以下過程製造。參考圖5，首先，多個晶片10以常規方式形成於晶圓50中。由此，例 如，在優選實施例中，多個垂直導電型功率MOSFET以任意已知的方式形成於矽晶圓中。其次，接觸金屬層以任意已知的常規方式被沉積和定形。由此，在優選 實施例中，前金屬層被沉積於形成MOSFET的晶圓50上，且定形以形成如 圖6所示的每一個晶片10的第一功率電極12 (此後源觸點或源電極)和控 制電極14(此後柵觸點或柵電極)。適合於該目的的前金屬可以是A1或AlSi。下一步，可軟焊前金屬層被沉積在接觸金屬層上。可軟焊前金屬可以是 任何適合的金屬的組合，例如三金屬組合Ti/Pd/Ag。其後，可軟焊前金屬層被定形在每個觸點，例如源極觸點12上留有至 少一個可軟焊體16，如圖7所示。由此，在優選實施例中，可軟焊前金屬被 定形以使得在柵電極14和源電極12上具有至少一個可軟焊體16，或者優選 地在源電極12上具有多個可軟焊體16。其後，後金屬觸點(未示出)被沉積於晶圓24的後面，如果此操作是 每個晶片的第二功率電極所要求的。由此，例如，在優選實施例中，漏極後 金屬形成在晶圓的後面。漏極後金屬可以由Al或AlSi形成，且做進一步地 處理以便包括可軟焊三金屬組合。下面參考圖8，依據本發明，鈍化體18 (由斜線表示)通過用以形成鈍化體18的按需噴射可沉積材料(可沉積材料)的按需噴射沉積形成於晶圓 50的前面。注意的是，依據本發明，該可沉積材料將被沉積以具有鈍化體18沉積後的期望的圖案。由此，在優選實施例中，可沉積材料在沉積時將具 有開口20、 22。因此，該過程將去除在現有技術中為了獲得定形為包括開口 或類似物的鈍化體而需要的多個步驟。依據本發明製造的半導體晶片能夠裝 配於導電容器中以便得以封裝，例如在美國專利申請11/138,141中的顯示。 圖9顯示了應用於將按需噴射可沉積材料，例如可沉積絕緣體，噴射到 半導體封裝所用的例如引線框架等工件上的按需噴射沉積的按需噴射系統 的示例的示意圖。所述系統包括按需噴射頭(印刷頭)30、用於接收所述工 件的平臺32、模式識別系統34、計算機控制系統36、圖案存儲部件38以及 平移臺39。印刷頭30將可沉積材料沉積到放於平臺32上的工件上(例如，晶圓50)。 印刷頭30優選地包括壓電泵，以及數個隔開的噴嘴，該噴嘴優選地排成與 印刷頭等寬的一列。噴嘴的數量取決於印刷頭的類型且典型地為100個或更 多。通過壓電泵的壓電晶體的攪動，壓力被應用到可沉積材料(處於液態)。 由此，可沉積材料通過在印刷頭上的每個噴嘴被施壓並且以液滴的形式離開 噴嘴，所述液滴向著工件運動(例如，圖6中的晶圓50)。為了形成某種圖 案，所述印刷頭在所述襯底上來回移動。所述印刷頭驅動電路獨立地控制100 個或更多獨立的噴嘴中的每一個以生成所需的由位像文件指定的圖案。印刷頭30優選地安置於臺架上以便控制其與所述工件的相對位置。所 述臺架還可以裝配有照相機，和/或UV或紅外線硬化或乾燥單元。所述照相機可以作為模式識別系統34的一部分。該模式識別系統被用 於使印刷頭30與所述工件恰當地對準。該照相機提供校正從而使工件可以 與需要印刷於工件上的圖案匹配。所述校正從理論上是基於基準的，所述基 準通常是位於工件上且其圖像僅用於校正目的的獨有的特徵。所述基準典型地為例如十字、正方形、圓形等形狀。在物體上出現的自然圖像有時能夠被 用來作為基準，例如柵極焊盤、角等。計算機控制系統36使用x-y-z平移臺排列印刷頭30，且操作印刷頭30 以便基於存儲在圖像存儲部件38中的圖像在工件上沉積圖案。所述圖像文 件可以存儲成任意格式，例如CAD文件，GDSII或Gerber文件。優選地， 所述圖像文件具有Gerber格式且在印刷前轉換成位圖。Gerber是廣泛使用 於印刷電路板製造的通用比例尺傳輸格式。Gerber能夠由一系列不同的CAD 軟體生成並且一旦生成就將變成通用文件。每個圖像文件優選地包括印刷層(所述層包含用於在工件上印刷成圖案 的圖像)，邊緣層(用於描述物體的整個尺寸並指示印刷區域的末端)，以及 校正層(包括與印刷圖像精確定位的基準)。只有印刷層被精確地印刷。注 意可以具有多個印刷層。所述x-y-z平移系統基於空間配置的笛卡爾(Cartesian)系統。具體地 說，在本發明的應用中，印刷頭30和工件通過沿一向或雙向移動平臺32和 /或印刷頭30而相互匹配。參考圖9B和9C，例如，平臺32 (工件放於其上)僅沿y軸移動(從 頁面中穿出的軸)；與此同時，印刷頭30沿x軸橫穿y軸來回移動。在優選 實施例中，y軸與三個原因有關。第一，平臺32沿y軸移動以便將工件置於 印刷頭30下。第二，當所需的用於接收可沉積材料的區域寬度大於由印刷 頭30的一個通道所覆蓋的區域的寬度時，印刷頭30沿y軸移動。也就是說， 所述圖案不能從印刷頭30的一個位置上的單個沉積步驟中被實現。第三， 印刷頭30能夠以小增量沿y軸方向移動以允許所述落在噴嘴之間的區域通 過輕微地移動噴嘴相對於工件的位置來為每一個通道繪圖，由此，所述圖案 的清晰度能夠得到改善。為了沉積所述按需噴射沉積材料，印刷頭30沿著x 軸橫穿y軸的方向來回移動。由此，如圖9B和9C所示，所述可沉積材料的液滴的第一陣列能夠首先以從一個通道沉積到工件上(如圖9B所示)。之 後，印刷頭30能夠沿X軸的方向被移動例如噴嘴間距(兩個相鄰噴嘴間的距離)的1/2、 1/4以便填充可沉積液滴間的間隙，由此能夠增大沉積液滴的密度。一旦工件被大致對準且對於平臺32固定，則所述模式識別系統34中的 照相機被直接朝向指定的搜索區域以尋找所述基準。當每一個物理的基準的 中心均被找到時，中心的坐標被計算。此後，所述平臺被移動以便所述工件 和所述圖像上的基準匹配，或者該圖像被柵格化以便圖像和工件的基準彼此 極度精確地對準。在實踐中，存在公差，這意味著所述框架上的每個特徵均 具有輕微的不準確度。因此，坐標最終得到平衡。由此，基準越多，則校正 錯誤出現的越少。典型地，為了速度和準確度，通常使用三個或四個基準， 所述基準通常置於圖像的末端以便提供點與點之間的最大距離以有助於準 確度。最簡單的將所述過程形象化的方法是考慮對準兩個相同的圖像， 一個在 透明物上另一個在紙上。所述圖像的末端的特徵最容易被用於通過移動所述 紙張或移動所述透明物來對準所述圖像。這裡有兩種方法用以對準所述圖 像。第一種，所述工件可以被對準所述印刷圖像。作為選擇地，所述圖像可 以被重新柵格化以便與所述工件對準。後一種選擇是優選的。一種用於按需噴射沉積的適宜機器是改裝的平板x-y系統，該系統通常 被用於紙張和紡織品襯底的印刷。所述機器長久以來被用於印刷電路板的處 理，並被發現適合於依據本發明的半導體封裝元件的處理。以下是如何實現依據本發明的方法的示例。首先，產生期望圖案的 Gerber文件，並將其作為圖像文件存儲於存儲部件38。所述Gerber文件之 後被加載並轉換成位圖，並且然後所述Gerber文件準備就緒用於印刷。然後，所述工件被置於平臺32上。 一旦印刷周期開始，則然後所述工件和圖像通過照相機使用基準來對準。來自圖像文件的對應於圖像的圖案通 過印刷頭30印刷在工件上。注意所述系統可以進一步地裝配燈單元。所述附加的燈單元在一些情況下能夠提供益處。例如，如果可沉積材料是基於uv的，那麼所述燈單元能夠恰好在印刷後硬化或固定所述材料(固定是用於描述使材料變濃從而防止流動的部分硬化的術語)。如果所述材料是非uv的，但是包括溶劑，那麼所述燈單元可以恰在印刷後促使所述溶劑完全或部分地溶解。在兩種情況下，燈優選地接近印刷頭30安裝，並且在印刷周期中開啟。一種優選的用於形成鈍化體18的可沉積材料的材料是有機鈍化體，該 有機鈍化體具有低吸溼性、高附著力、在高溼度和高溫度(THB)下抗分層、 抗高溫、抗溶劑及抗化學反應的特點。所有這些特性不需要存在於一種類型的材料中。對基本材料各自的特性 進行研究並發現可沉積材料在基於有機聚矽氧烷(矽樹脂)的情況下表現最 卓越。有機聚矽氧烷具有良好的吸溼值和良好的高溫穩定性。因此，已經開 展了材料的開發以生產基於有機聚矽氧烷的材料，該材料能夠達到以上提出 的要求。基於實驗評估，矽環氧樹脂和矽聚酯與其他有機矽樹脂相比顯示出 了優勢。在開發適合的可沉積材料的過程中，優選地從結合和混合中獲得儘可能多的優點。通常應該獲得的優選的目的有1) 比由環氧樹脂、聚醯亞胺和雙馬來醯亞胺獲得更高的抗潮溼性能。2) 高附著力。3) 強韌的非易碎塗層。4) 高抗溶劑性能。5) 高抗溫度性能。6) 低硬化溫度(例如，小於210攝氏度)。已經發現的是在一個領域裡取得任何顯著的進步都可能以降低另一個 領域的性能為代價。例如，原始的矽樹脂在潮溼測試中顯示出優異的抵抗力， 但是卻表現出非常差的抗溶劑能力。加入環氧基可以提高抗溶劑能力。然而， 當在某時刻所述材料達到抗溶劑能力變得令人滿意的某個點時，則所述抗潮 溼性能變得不能令人滿意。在本發明的一個實施例中被用於可沉積材料的聚合物合金包括矽聚酯 樹脂、矽環氧樹脂、丙烯酸酯和光引發劑(SPEA)。用非常基礎的術語，以下列出了每個用於或可以用於SPEA的基礎材料的相關的屬性。1) 矽環氧樹脂降低了矽樹脂的硬化溫度，且增加了矽樹脂上的交聯；2) 矽聚酯同樣是降低了矽樹脂的硬化溫度，並且提高了所述材料的 機械特性(使所述材料更加強韌)；3) 丙烯酸酯只能用UV引發劑/催化劑引發，其具有特別密集的交聯 且提高了抗溶劑能力，並且能夠在可接受的脆弱性及缺乏附著力 的代價下提高抗潮溼力。在對最新一代的SPEA的可靠性測試中獲得了良好的性能結果。因此， 相信SPEA將是一種適合於形成鈍化體的材料。雖然SPEA是良好的用於鈍化晶片的候選物質，但是仍然存在例如，在 一定的表麵條件下對該材料的控制等處理難題。具體地說，該材料基於非常 高的溶劑水平且與襯底的表面磨光的差異很小，有時會在材料的潤溼和流動 上導致重大的區別。然而已有可能克服SPEA的控制上的難題，在處理中材 料的第二層能夠克服所述問題且能夠增加用於提高材料固化和處理性能的 巨大益處。適合的第二材料是SPEARi-UVac。 SPEARi-UVac包含一些每種材料固 定的最佳屬性。該材料還在單獨的薄膜系統上帶來一些優點，其中最令人興 奮的是間接引化。在SPEARi-UVac中，基本SPEA材料與前面的相同(矽聚酯樹脂、矽 環氧樹脂和丙烯酸酯)，只是移除了光引發劑。SPEARi末端增加的Ri表示 丙烯酸酯組分現在需要間接引化。所述UVac材料是完全的UV硬化丙烯酸 酯系統，其在所述混合物中包括額外的引發劑。所述額外的引發劑在此用於 SPEARi層的間接引化。所述處理如下1) SPEARi在襯底的整個表面上沉積，所述襯底依據本發明將通過 按需噴射沉積來鈍化；2) SPEARi被乾燥(溶劑被去除)；3 ) UV丙烯酸酯在SPEARi上作為圖像層被沉積；4) 所述UV丙烯酸酯通過暴露於頻率為365nm的UV光而被曝光；5) 然後沒有噴塗UVac的SPEARi被顯影；6) 全部鈍化體堆被硬化。如果所述引發劑被包括在SPEA層中，則其將導致所述材料被硬化到某 種程度，使得一旦所述襯底被暴露於UV光下，所述材料將不能再被顯影。 通過在UV丙烯酸酯層中使用間接引發劑，使得在SPEARi中的UV反應僅 在被UVac層覆蓋的區域內發生。所述SPEARi層被乾燥，但是在沉積UVac 層時並未被硬化，這說明所述UV引發劑(如果粘性足夠低的話)將被拖入 SPEARi層。然而，由於所述SPEARi需要熱硬化，因此其未被充分地硬化，所述間 接引化意味著此處將具有一些抗溶劑能力，這能夠解決許多與僅有頂層在顯 影前被硬化的層處理有關的問題。上述操作使得圖像能夠被印刷以便在可控表面上顯示，所述可控表面可 不在晶圓處理、金屬磨光及襯底表面修整的影響下發生改變。所述兩個層系 統同樣提供顯著的性能益處，這將比單層系統帶來更巨大的靈活性。丙烯酸酯通常提供對潮溼和溶劑的高抵抗力。這部分是由於所述高密度 交聯，這也同樣是較差的附著力和脆度表現的原因。然而，所述SPEARi和UVac間的交界面具有一定程度的交聯和連接，這意味著所述附著力和脆度 問題可通過將丙烯酸酯直接鋪於所述襯底上而得到改善。由此，所述丙烯酸酯提供附加的阻擋層用以抵禦潮溼和溶劑的侵襲，由 於其堅硬的表面還能提供良好的抗刮擦能力。此外，在兩層系統中，溼汽的 傳遞通常被交界面所阻斷。在此描述的優選實施例使用用於在半導體封裝元件上形成鈍化體18的 可沉積材料。至今所討論的半導體封裝元件是可以或不可以與其它封裝元件 裝配的半導體晶片。然而，上述的處理不限於半導體晶片。例如，依據本發 明的處理還可以包括沉積可沉積導電材料以便在半導體封裝元件上形成導 電圖案，例如引線框架以形成電阻或感應器，或用可沉積絕緣材料形成絕緣 體，例如電容。由此，依據本發明的處理能夠被用於製造完整的半導體封裝， 和/或多晶片模塊。例如，以下提出的完整的多晶片模塊可以通過使用依據本 發明的方法製造。以下概括了依據本發明的應用的示例的能夠被採取以製造多晶片模塊的步驟1. 預清潔引線框架；2. 第一絕緣體的沉積和硬化；3. 第一電導體的沉積和硬化；4. 沉積晶片附著粘合劑；5. 拾取和安置晶片並硬化晶片附著粘合劑；6. 第二絕緣體的沉積和硬化；7. 內部連線的沉積和硬化；8. 第三絕緣體的沉積和硬化；9. 第二級別內部連線的沉積和硬化；10. 最終鈍化的沉積和硬化；11. 阻止導電的應用；12. 分害U/測試/T&R。 每一個操作步驟將在以下作詳細的描述1.預清潔引線框架在依據本發明沉積絕緣體前可能需要預清潔所述引線框架。所述預清潔 步驟的應用可以促進其後的絕緣體在其表面上的附著。在一些情況下預清潔 可以包括等離子體蝕刻的使用以便移除所述表面上的任何固有氧化物或汙圖10顯示了典型的引線框架類型的圖像，所述引線框架包括多個獨立 的器件位置40。典型的引線框架具有多種厚度的材料呈現於其表面上(例如， 雙層規格)。通過使用依據本發明的按需噴射沉積能夠在所述引線框架的特 定區域內應用絕緣體，並且產生在所述引線框架的平面上凸起的垂直結構。 因此，有益的是，避免了對成形的引線框架的需求，並且可以使用單一規格， 未成形的引線框架比雙層規格型的引線框架的成本低。圖11顯示了引線框架40的近視圖。引線框架40中呈現的圓形洞42能 夠在不同的製造步驟中索引引線框架40。引線框架40典型地採用OFHC銅 或銅合金，例如KFC或TAMAC4製造。為了減小後續的層與引線框架40 間的壓力，可以使用具有減小的熱膨脹係數的合金來製造引線框架，例如， 銅-鉬-銅合金或堆。在兩個例子中，相同的是引線框架40噴塗有金屬表面以 幫助後續操作步驟中加入的材料的粘合劑。例如，引線框架40可以噴塗鎳 銀以便合金成晶片附著材料在引線框架40和半導體晶片或封裝之間形成堅 韌的附著粘合劑。參考圖ll，虛線區域44代表處理區域，在該處理區域上製造每一個器件。
一旦每個器件被處理，每個由虛線44限定的獨立的區域被鋸開或蝕刻以便產生通過實線46突出顯示的封裝範圍。在實線46和虛線44之間的區 域被包括以容納鋸的葉片或分割工具和任何與分割工具相關的位置公差的 移動的鋸痕。因此，虛線44內部的獨立的矩形(由實線46表示)代表分割 後已完成的產品區域。通過關注通過圖11中所示的每一個矩形所表示的單 個區域，可以描述出如何使用按需噴射沉積製造完整的封裝或多晶片模塊。2. 第一絕緣體的沉積圖12顯示了引線框架40在第一絕緣體層48的沉積後的獨立部分。絕 緣體層48在之後被置於器件和引線框架上的晶片間形成電絕緣層。絕緣體 層48使用依據本發明的按需噴射沉積進行沉積。絕緣體層48可以是改性環氧樹脂、矽聚酯環氧丙烯酸酯(SPEA)、聚 醯亞胺、苯並環丁烯(BCB)或改性矽樹脂。使用的絕緣體在絕大多數情況 下可通過添加溶劑例如甲苯、二甲苯、己烷、庚烷、十四烷、乙醇、1,3，5-三甲基苯或水而被改性，以使得絕緣體通過印刷頭30的噴嘴(圖9)。所使 用的印刷頭典型地為Xaar XJ500 (由Xaar製造)或Spectra SE128 (由屬於 Dimatix的Spectra製造)。 一旦在印刷頭中，材料典型地被應用由壓電泵或 熱電蒸發處理提供的壓力噴射到所述引線框架。液滴的大小可以在4到80pL 的範圍內。在沉積期間，所述引線框架可以被加熱以便幫助乾燥存在於液滴 中的溶劑，並使末端材料在適當的位置凝固。取決於使用的材料，同樣可以 隨後使用UV或熱硬化。在一些情況下，UV和熱硬化可能是必須的。3. 第一導電材料沉積為了生成局部的、電絕緣的晶片結合焊盤，使用依據本發明的按需噴射 沉積將導電材料沉積到第一絕緣體48。注意同一步驟中，晶片結合焊盤可以與將該晶片結合焊盤重新分布到封裝中的另一個位置的引線一同沉積。為了沉積第一導電層，改進的工業印刷頭，例如，以上描述的XaarXJ500 或Spectm SE128能夠被用於基於溶劑的金屬粒子沉積。為了改善熱耗散並 減小器件內的電寄生電阻，最好在溶劑內具有高裝載度的金屬粒子。所述材 料的示例包括Cabot AG-IJ-G-100-S1或HarimaNPS-J或NPG-J。理想情況下 所述粒子材料為銀，銀覆蓋銅或金。銀填充粒子出現優選為產生能夠使在其 後的操作步驟中使用的銀填充晶片附著材料形成強韌的粘合劑的層。典型地 所述粒子直徑在2到30nm範圍內。金屬粒子大小的上限由印刷頭的噴嘴直 徑決定。為了減小電寄生電阻，包括墨水的納米粒子提供了最低的電阻係數 和最高的熱導電係數值。這些材料同樣可以用作晶片附著粘合劑，該粘合劑 可以避免分離晶片附著和第一導電層沉積的要求。使用基於金屬墨水的納米粒子的一個附加益處是該粒子的硬化或燒結 溫度明顯低於常規的燒成金屬墨水，典型地在150攝氏度到300攝氏度的範 圍內。燒成墨典型地具有大於等於650攝氏度的燒結溫度。參考圖13， 一旦第一導電材料被沉積到絕緣體上，將由熱硬化固定該第 一導電材料的位置，並且將所述粒子粘合在一起。圖13顯示了在絕緣體層 48的頂部沉積的第一導電材料的圖像。如圖所示，三個導電焊盤區域52、 54、 56產生於引線框架40上並能和晶片一起組裝。焊盤52和焊盤56與引 線框架電絕緣，同時焊盤54與引線框架40直接接觸。在封裝內絕緣晶片的 能力在多晶片功率器件封裝中具有特別的益處，該多晶片功率器件封裝包 括，例如，IC，該IC在一些情況下主要是絕緣低壓電晶體，例如，來自高 壓電晶體的控制IC，例如，功率二極體、MOSFET或IGBT。使用依據本發明的方法，其它按需噴射導電材料可以被沉積以形成焊盤 或引線，並用按需噴射或絲網印刷阻擋層金屬(例如，Ni、 pd或pt)磨光， 並可軟焊磨光(例如，焊料、銀或錫)。例如，鎳引線能夠依據本發明被沉積並噴塗按需噴射可軟焊焊盤。例如，鎳可以噴塗銀。應該注意的是使用按 需噴射沉積來沉積鎳、銀或任何其它金屬，含墨材料可以被用作按需噴射沉 積材料。之後，所述墨能夠被處理(例如，通過乾燥和/或硬化步驟)以便在 沉積後形成焊盤、引線或類似物。鎳可以被用於寄生要求不高的情況(例如， 作為IC互連)。4. 沉積晶片附著粘合劑一旦晶片結合焊盤52、 54、 56已形成圖案，則其需要附著晶片至所述 焊盤。這可以通過將導電薄膜晶片附著材料預應用於所述晶片(例如Ableflex 8007)，或銀填充環氧晶片附著材料完成，例如，Ablestik 84-1 LMSR4或 Ablestik 8352L。基於焊料和銀的納米粘貼(nanopaste)的材料同樣可以在此 容量上被使用。在常規晶片附著粘合劑使用之處(例如，Ablestik 84-1 LMSR4)，應用方法為壓力時間或正置換分配。該處理結合到晶片粘合和拾取及放置設備。 應該注意的是作為選擇的處理例如，絲網印刷或使用依據本發明的按需噴射 沉積同樣可用於晶片附著粘合劑的應用。圖14顯示了晶片附著粘合劑58被應用到焊盤52、 54、 56。注意在此情況下所述的晶片附著材料可以是銀填充的環氧樹脂。5. 拾取和安置晶片並硬化晶片附著粘合劑參考圖15， 一旦晶片附著粘合劑被沉積，特定的晶片被從載體帶上拾取 並以晶片粘合操作放置於粘合劑58上。在此特定例子中，三個不同的晶片 被放置於所述封裝內。所述晶片可以是國際整流器公司的IRF6623控制功率 MOSFET 60， IRF6620同步功率MOSFET 62和IRF3505單相柵極驅動器IC 64晶片。 一旦被放置，所述組合在約150攝氏度到200攝氏度的情況下被硬化30分鐘到1小時。依據此處提出的例子中使用的晶片的結合將使單相電 壓穩定器模塊變得可行。6.第二絕緣體的沉積和硬化一旦所述晶片附著粘合劑被硬化，則第二鈍化體層被應用以作為校平器幫助所述組合的頂部表面變得平坦。第二絕緣體層68能夠使用依據本發明 的按需噴射沉積被應用。通過類似於圖9所示的系統中使用印刷頭(例如， Xaar XJ-500)沉積所述材料。當應用第二絕緣體層68，所述噴射頭定位系 統的模式識別必須能夠對任何旋轉進行識別和補償，或可能在前述的晶片置 換和硬化步驟期間發生的所述半導體晶片的x-y重定位。所述處理導致在除 了區域66的所述組合的整個表面上的絕緣體的沉積，所述區域66在之後的 如圖16、 17和18所示的處理步驟(例如，在半導體晶片上加焊盤)中被電 連接。被用於第二絕緣體層68的材料可以是改性環氧樹脂、矽聚酯環氧丙烯 酸酯(SPEA)、聚醯亞胺、苯並環丁烯(BCB)或改性矽樹脂材料。為了提 高絕緣體的熱導電係數，需要向絕緣體中填充氮化硼、AIN或類似的熱導電 填充物。在每一種情況中，所述導電填充物的直徑按規律是3nm到2um， 並足夠小以便通過按需噴射系統的頭部噴射。如果所述絕緣體材料的結果厚 度大於100um，那麼可能需要在襯底上的噴頭的一些通道中應用所述絕緣 體。一旦被沉積，所述第二絕緣體材料將被硬化。對基於環氧樹脂的系統， 所述硬化溫度典型地在150攝氏度到200攝氏度之間，且對基於矽樹脂的材 料為200攝氏度到300攝氏度。在一些情況下，UV穩固劑被添加到絕緣體 材料。在此情況下， 一旦所述材料被沉積，則優先通過短暫地暴露於UV光 下而開始熱硬化步驟。在所述第二絕緣體濾去未噴塗的電極上的殘餘物的情況下，需要額外的 清潔、衝洗和乾燥步驟。所述額外的清潔移除所述電極上的全部殘餘物且保 證該電極在互連沉積前被充分地清潔。注意，作為選擇地，第二鈍化體可以 使用其它方法被沉積，例如，絲網印刷、蠟紙印刷或擴散。7.內部連線的沉積和硬化參考圖19，接著第二絕緣體層68的硬化，導電引線70被沉積到所述組 合上以便在功率器件晶片60、 62、 IC晶片64和焊盤區域間提供電連接，所 述焊盤將在終端用戶的電路或載體上形成電連接。引線70能夠使用依據本 發明的按需噴射沉積被沉積。引線70由使用工業墨噴頭在所述組合的表面上的沉積導電"墨"而形 成。所使用的噴頭的示例可以包括例如，Xaar XJ-500或由惠普(HP)或愛 普生(Epson)改進的印刷頭。所使用的按需噴射系統與圖9中突出顯示的 系統類似。然而，在此步驟中，數據被讀入計算機控制器以分辨所述IC焊 盤的精確位置。如第6部分所述，所述IC和功率器件可以在x和y軸上發 生位置改變。所述按需噴射系統應該通過重新定位噴頭補償電極位置上的任 何改變，並對所述引線布線應用微小的改變。所述改變可以包括減小/增加所 述引線的長度，改變所述引線與x軸或y軸相關的角度，或增加或減小所述 導電引線的區域。圖19顯示了所述組合在應用導電引線後的圖像。在所述沉積中，產生 外圍的焊盤區域，且該區域有線連接到IC焊盤。更大的區域引線被用於將 在功率器件60、 62上的源電極分別與引線框架40和所述焊盤互連。所述導 電材料理論上具有低電阻係數、優選為接近純銀或銅的電阻係數。典型的材 料是類似於第3部分所述的第一導電材料。 一旦被沉積，導電引線材料將被 硬化以乾燥溶劑並穩固引線在所述組合上的位置。8. 第三絕緣體沉積和硬化參考圖19，並不總是需要在不橫跨連接其它焊盤的導電引線的情況下，在外圍的焊盤上排布IC上的電極。圖19中顯示的兩個IC焊盤表明了這一現象。對此問題的解決方案是使用按需噴射沉積以在需要由其他引線"搭橋"的引線上應用微小區域的絕緣體(第三絕緣體)。這如圖20所示，所述橋形 絕緣體72材料將是類似的，否則與第6部分所述的用於形成第二絕緣體的材 料相同。9. 第二級別內部連線的沉積和硬化一旦絕緣體"橋"72在適當的位置上，則通過所述按需噴射沉積系統的 第二通道完成IC64上的全部電極焊盤與其在所述組合的外圍上指定的焊盤或 功率晶片60、 62上的電極的連接。圖21上顯示了完整的布線74。 一旦被沉 積，所述絕緣體將被硬化以乾燥溶劑並穩固所述引線的位置。同樣可以在同一個印刷機上以相分隔的每種材料專用的儲液器使用導 電引線70和絕緣體橋72。由此，所述橋和"有線連接"能夠在單步處理中實 現，這將需要所述"橋"絕緣體在原位(例如，通過使用UV硬化)中被完 全地硬化或具有與導電墨類似的硬化進度。如果墨和線金屬材料均在一個步 驟中被硬化，那麼同樣重要的是所述墨中的金屬粒子不通過所述橋滲透，且 折中所述絕緣體對相鄰弓I線的絕緣能力。10. 最終鈍化體和沉積硬化參考圖22A，橫跨所述組合的表面形成的導電引線需要免於遭受終端用 戶的處理步驟，例如，焊接、重新流動、清潔和終端用戶的操作環境。由此， 最終鈍化體層76作為環境阻擋層被添加到晶片表面。該層典型地是基於環氧 材料或矽聚酯環氧丙烯酸酯(SPEA)、聚醯亞胺、苯並環丁烯(BCB)或改性矽樹脂。所述材料可以使用依據本發明的按需噴射沉積來進行沉積。所述 鈍化體材料噴塗於所述組合的整個表面，除了需要被焊接到終端客戶的電路 板或模塊上的焊盤區域66。所述沉積處理之後跟隨著熱硬化。取決於所使用 的鈍化體材料，鈍化體硬化處理步驟可能優先於uv穩固步驟。ll.基於避免導電材料的焊料合金的應用一旦所述最終鈍化體步驟被硬化，焊料合金材料將使用改進的焊料蠟紙被沉積到所述組合的外圍焊盤上。優選的材料由包含鎳球體的SnAgCu合金 組成。所述材料的進一步的細節可以在共同受理中的屬於本申請的受讓人的 美國申請10/970,557中找到，其全部內容作為引用結合於此。所述焊料合金 的目的是沿著所述組合的外圍提供可軟焊的觸點78的陣列，在所述外圍，每 個獨立的觸點的表面與引線框架40的表面具有相同高度。圖22B顯示了沿著 引線框架40的外圍應用了焊料合金的組合的圖像。圖23、 24和25顯示了圖22B所示的組合的近視圖。所述圖中的部分顯 示了焊料合金支架78、晶片62、所使用的全部絕緣體及區域，在該區域，金 屬相互填充在所述組合表面橋上的引線。焊料合金支架78包括如美國申請 10/970,557中所述的焊料矩陣粘合於一起的導電粒子。注意Ni阻擋層材料能夠依據本發明的按需噴射沉積到焊盤上以阻止焊 料在之後步驟中的消耗。 一旦Ni被沉積，可以按需噴射沉積額外的可軟焊層 (例如，銀)以阻止Ni的氧化。此後，可以形成所述焊料合金支架。由此， 例如，用以阻止包含銀的沉積焊盤被焊料消耗，鎳阻擋層能夠被沉積於導電 焊盤的頂上以作為阻擋層。之後，能夠在鎳阻擋層體上形成包含銀的可軟焊 體以便實現同樣優異的接收焊料的能力。作為選擇地，絲網可印刷鎳和銀厚膜漿料可以在形成所述支架前，在按 需噴射沉積材料的場所被應用到所述焊盤。在此應該注意的是包括納米粒子填充的漿料的替換材料也可以是用於噴 塗所述組合的外圍焊盤的合適的候選者。12.分割/測試/雷射標記/T&R一旦最終可軟焊觸點被應用，所述組合將經歷分割、測試和雷射標記的 結合。最終，器件進入為了出售給顧客的盤巻和巻軸。器件分割可以使用任何已知的處理或己知的處理的結合來實施。典型的 例子包括常規的用旋轉刀片鋸開、衝壓、V劃線器、雷射切割/切除和噴水媒 介研磨鋸。衝壓因低成本而成為優選。可能的是所述分割、測試和盤巻及巻 軸處理將在一片設備上實施以減小工作面的面積並增加生產量。除了上述的功能，模式識別系統34 (圖9)還被用於控制按需噴射傳輸 以製造多晶片模塊，該模式識別系統理想地具有以下功能1) 可編程以識別和存儲所述半導體器件晶片電極關於晶片上的參 考點的位置。2) 能夠識別和存儲每個晶片關於引線框架或載體上的加工孔或校 正標記的位置和方向。3) 能夠識別和存儲每個晶片關於引線框架或載體上的引線框架暴 露區域或焊盤的位置和方向。4) 能夠恢復放置於所述引線框架或帶電體上的每一個晶片上的每 一個電極的精確位置，用於之後的按需噴射處理步驟(例如第7 部分所述的處理)。5) 能夠輸入來自孤立的模式識別設備的晶片和焊盤位置數據。6) 能夠比較實際焊盤位置數據輸入和所述輸入的設計數據(例如， Gerber文件)，並修改印刷長度、位置或體積以便補償在所述組 合中的平移、旋轉、傾斜或累積的公差誤差。雖然本發明是結合特殊實施例加以描述的，但是許多其它的改變和修改 以及其它應用對本領域的技術人員將是顯而易見的。因此，優選為本發明不 受此處公開的具體內容限制，而僅由所附的權利要求限定。
權利要求
1.一種製備半導體封裝的方法，該方法包括識別半導體封裝元件上的參考標記；定位按需噴射頭，該按需噴射頭能夠基於所述識別的參考標記沉積噴射可沉積材料；以及在所述半導體封裝元件的表面上沉積所述可沉積材料以獲得圖案。
2. 根據權利要求1所述的方法，其中所述半導體封裝元件是半導體晶片。
3. 根據權利要求2所述的方法，其中所述半導體晶片是半導體晶圓的一部分。
4. 根據權利要求1所述的方法，其中所述半導體封裝元件是MOSFET、 IGBT、 二極體、HEMT、雙極型電晶體、JFET或集成電路。
5. 根據權利要求1所述的方法，其中所述可沉積材料是絕緣體。
6. 根據權利要求1所述的方法，其中所述可沉積材料是導電材料。
7. 根據權利要求1所述的方法，其中所述半導體封裝元件是引線框架的一部分。
8. 根據權利要求1所述的方法，其中所述半導體封裝元件是導電容器。
9. 根據權利要求1所述的方法，其中所述可沉積材料是聚合物合金。
10. 根據權利要求9所述的方法，其中所述聚合物合金包括矽環氧樹脂。
11. 根據權利要求9所述的方法，其中所述聚合物合金包括矽聚酯。
12. 根據權利要求9所述的方法，其中所述聚合物合金包括丙烯酸酯。
13. 根據權利要求1所述的方法，其中所述可沉積材料包括有機聚矽氧烷。
14. 根據權利要求1所述的方法，其中所述半導體封裝元件是多晶片模塊的一部分。
15. —種用於製造半導體器件的方法，該方法包括形成導電體，該導電體包括易於被焊料消耗的材料； 在所述導電體頂上沉積阻擋層，所述阻擋層能夠阻止所述易消耗的材料 的消耗；以及在所述阻擋層頂上沉積可軟焊體。
16. 根據權利要求15所述的方法，其中所述易消耗的材料包括銀。
17. 根據權利要求15所述的方法，其中所述阻擋層包括鎳。
18. 根據權利要求15所述的方法，其中所述阻擋層是通過按需噴射處 理來沉積的。
19. 根據權利要求15所述的方法，其中所述阻擋層是絲網印刷的。
20. 根據權利要求15所述的方法，其中所述可軟焊體包括銀。
21. 根據權利要求15所述的方法，其中所述阻擋層包括鎳，且所述可 軟焊體包括銀。
22. 根據權利要求15所述的方法，其中所述易消耗的材料是銀，所述 阻擋層包括鎳，且所述可軟焊體包括銀。
23. —種製造MCM的方法，該方法包括按需噴射沉積導電引線和引線框架上的絕緣體以形成能夠接收半導體 器件的集成電路體；以及在所述引線框架上按需噴射沉積識別標記。
24. 根據權利要求23所述的方法，其中所述標記包括零件編號或製造 曰期。
全文摘要
一種半導體封裝的製造方法，在該方法中，按需噴射可沉積材料的按需噴射沉積被用來準備半導體封裝或多晶片模塊的一個元件或多個元件。
文檔編號H01L21/50GK101238562SQ200680007094
公開日2008年8月6日 申請日期2006年3月6日 優先權日2005年3月4日
發明者A·索勒, K·麥卡特尼, M·帕維爾, M·斯坦丁, R·J·克拉克 申請人:國際整流器公司