半導體封裝結構及其製法的製作方法
2023-12-08 08:23:06
專利名稱：半導體封裝結構及其製法的製作方法
技術領域：
本發明是關於一種半導體封裝結構及其製法，特別是關於一種開窗型球柵陣列(WBGA)半導體封裝結構及其製法。
背景技術：
半導體封裝件是一種承載有如半導體晶片等的主動元件的電子裝置，結構主要使至少一個晶片接置在基板的一側，並借多條如焊線等導電元件電性連接到該基板，且晶片與焊線是以樹脂材料(如環氧樹脂等)製成的封裝膠體包覆，避免受外界水氣及汙染物侵害。該半導體封裝件還可包括多個呈陣列方式排列的焊球植設在基板的另一側，它與接設有晶片與焊線的一側相對。這種具有焊球的半導體封裝件稱為球柵陣列(ball grid array，BGA)封裝件，且通過該焊球作為輸入/輸出(input/output，I/O)端，使載設在封裝件中的晶片能夠與外界裝置，如印刷電路板(printed circuit board，PCB)成電性連接關係。半導體封裝件的高度包括用於包覆晶片與焊線的封裝膠體的厚度、基板厚度及焊球高度，這使得整體封裝件尺寸難以進一步縮小。
為了能有效縮小半導體封裝件尺寸，如美國專利第6,218,731號提出的一種開窗型(window-type)封裝件。圖1E即顯示一種現有開窗型球柵陣列封裝件。如圖所示，半導體晶片10借膠粘劑13接置在基板1的上表面100上、且遮覆基板10的開孔103。該晶片10並借其上的電極焊墊11由多條貫穿在該開孔103中的焊線14電性連接到基板10的下表面101。同時，晶片10與焊線14分別被上封裝膠體15及下封裝膠體16包覆，且多個焊球17植設在基板1下表面101上未形成有下封裝膠體16的區域。
上述開窗型球柵陣列封裝件是以圖1A至圖1E的工序步驟製得的。
首先，如圖1A所示，提供一由多條基板1組成的基板片Z，其中各基板1具有一貫穿其中的開孔103，該開孔103最好呈矩形。接著，進行一置晶(chip-bonding)工序及焊線(wire-bonding)作業。在置晶工序中，至少一晶片10借膠粘劑13接置在各基板1的上表面100上、並遮覆該基板1的開孔103，然後，在焊線作業中，形成多條貫穿於各基板1的開孔103中的焊線14，使晶片10藉由其上的電極焊墊11通過該焊線14電性連接到對應基板1的下表面101。
如圖1B所示，提供一封裝模具，具有一上模18及一下模19，該上模18形成有一上模穴180，該下模19形成有多條下模穴190各對應到一列基板1的開孔103。該上模穴180的尺寸足以收納所有接置在基板1上的晶片10。各下模穴190的尺寸覆蓋住該對應列所有基板1的開孔103並容納突出基板1下表面101上的焊線14線弧。該封裝模具觸接到基板片Z上，使上模18接置在基板1的上表面100上，下模19接置在基板1的下表面101上。
如圖1C所示，進行模壓(molding)作業，將樹脂材料(如環氧樹脂)注入下模19的下模穴190中，形成多條下封裝膠體16，各下封裝膠體16填充在對應列的開孔103並包覆對應的焊線14，以及將樹脂材料注入上模18的上模穴180中，形成一上封裝膠體15用於包覆所有接置在基板1上的晶片10。
完成第一及第二模壓作業後，自基板片Z上移除上模18及下模19，使基板1的下表面101上未被下封裝膠體16覆蓋的區域外露。
如圖1D所示，植設多個焊球17在基板1的下表面101上的外露區域。最後，當完成上述置晶、焊線、模壓及植球作業後，進行一切單(singulation)作業，切割上封裝膠體15、基板片Z及下封裝膠體16以分離各基板1，形成多條具有單離的基板1、晶片10及多個焊球14的開窗型球柵陣列式(WBGA)半導體封裝件(如圖1E所示)。
然而上述WBGA封裝件只適於晶片上的電極焊墊集中排列在晶片的中央或特定位置，如圖2A至圖2C所示。若晶片上的電極焊墊的排列如圖3A至圖3D所示，不只是集中排列在中央位置，並同時分散在晶片各區域時，則會使WBGA封裝件的工序遭遇許多困難。
首先，若晶片上的電極焊墊不僅集中設置在中央(如美國專利第5,777,391號所示)而同時也分布在其它區域時，供承載該晶片的基板即需對應該晶片的電極焊墊分布位置，設置相對應的貫穿開口，供焊線穿越該基板貫穿開口電性連接該晶片的電極焊墊與基板，然而因這些貫穿開口的設置，會造成基板電性布局設計的更複雜與工序上的困難；此外，基板開口越多則基板的結構會變得脆弱，且基板中能設計電路的空間會進一步減少，這影響到封裝件的品質、效能及其工序的成本和優良率。
再者，例如當晶片作用面上的電極焊墊分布是如圖3A所示的形狀排列時，則在該晶片完成置晶及打線作業後，在進行模壓工序時的剖面圖將如圖4A所示，其中下模49必須依據基板開孔403與焊線44的位置進行設計，也就是開設有對應的模穴，因而，當基板開孔403和焊線44越多，使下模49的設計更為複雜，且為了因應各式的基板開孔403和焊線44，必須開設各種下模49，這會耗費許多成本；另外在進行模壓時，也會因該基板設置過多貫穿開口，使得可供下模49夾持的部分減少，這就提高溢膠的機率、降低封裝件的可靠性。
再者，請參閱圖4B，它顯示完成模壓並進行植球後呈現的完整WBGA結構，該焊球47的大小受到各下封裝膠體46間的間距D的限制，因此，若基板開孔403越多，間距D會趨於縮減，造成焊球47能接植的區域受限，會嚴重影響該封裝件的焊球布植空間及設計。
發明內容
為克服上述現有技術的缺點，本發明的主要目的在於提供一種半導體封裝結構及其製法，利用導電凸塊和焊線提供晶片與基板間的電性連接組合，可減少WBGA封裝基板開孔的數目，進而減少模具設計的複雜性並節省封裝工序的成本。
本發明的另一目的在於提供一種半導體封裝結構及其製法，利用導電凸塊和焊線提供晶片與基板間的電性連接組合，減少WBGA封裝基板開孔的數目，進而減少基板設計及其工序的複雜性與維持基板結構的強度。
本發明的另一目的在於提供一種半導體封裝結構及其製法，避免減少模具夾持所需空間，進而降低模壓時造成的溢膠發生機率，維持工序的優良率。
本發明的另一個目的在於提供一種半導體封裝結構及其製法，提供焊球所能接植的適當面積，避免影響焊球布植設計。
本發明的另一個目的在於提供一種半導體封裝結構及其製法，利用導電凸塊和焊線提供晶片與基板間的電性連接組合，提高電子元件電性傳導功能。
為達上述及其它的目的，本發明提供一種半導體封裝結構，該結構包括一具有第一表面和相對的第二表面的基板，且該基板形成有至少一貫穿開口；一作用面上具有多個電極焊墊的晶片，部分該晶片的電極焊墊通過導電凸塊接置、並電性連接到該基板第一表面上，部分該晶片的電極焊墊通過穿過該基板貫穿開口的焊線電性連接到該基板第二表面；一形成在該基板第一表面上的第一封裝膠體，包覆該半導體晶片；一形成在該基板第二表面上的第二封裝膠體，包覆該焊線；以及多個焊球，植置在該基板第二表面上。
該基板具有第一表面和相對的第二表面，且該基板形成至少一穿透第一表面和第二表面的貫穿開口，在該基板第一表面和第二表面上設置多個電性連接墊，該基板第一表面的電性連接墊是對應晶片上的部分電極焊墊分布，通過導電凸塊與該晶片做電性連接，基板第二表面的電性連接墊則供與晶片的部分電極焊墊借焊線做電性連接。封裝膠體有兩部分，一部分形成在該基板第一表面的第一封裝膠體，包覆該半導體晶片，另一部分則形成在該基板第二表面上的第二封裝膠體，包覆該焊線，多個焊球則植置在該基板的第二表面上。
本發明一種半導體封裝結構製法，該製法主要包括提供作用面形成多個電極焊墊的晶片和具有第一表面及相對第二表面的基板，且該基板形成至少一貫穿開口；以覆晶方式將部分該晶片的電極焊墊通過導電凸塊接置並電性連接到該基板的第一表面上，並將部分該晶片的電極焊墊通過穿過該基板貫穿開口的焊線，電性連接到該基板第二表面；進行封裝壓模工序，以分別在該基板第一表面上形成包覆該晶片的第一封裝膠體，及在該基板第二表面上形成包覆該焊線的第二封裝膠體；以及在該基板第二表面上植置多個焊球。
因此，本發明的半導體封裝結構及其製法應用在開窗型球柵陣列(WBGA)半導體封裝件中，為了使晶片電性連接到基板時，將晶片部分的電極焊墊先藉由導電凸塊利用覆晶方式接置並電性連接到基板第一表面，再將其餘的晶片電極焊墊通過焊線電性連接到基板第二表面，由晶片上電極焊墊位置的區域劃分及分配導電凸塊和焊線的組合，達到減少基板開口的目的，進而減少模具設計的複雜度與節省封裝的成本，降底基板設計及其工序的難度，維持基板結構的強度，避免減少模具夾持所需空間，進而降低模壓時造成的溢膠發生機率，維持工序的優良率，通過減少基板的開口，還可為焊球接植提供的適當面積，避免焊球接植布局的限制。
圖1A至圖1E是現有開窗型球柵陣列半導體封裝件工序示意圖；圖2A至圖2C是晶片的電極焊墊集中於中央分布的平面示意圖；圖3A至圖3D是晶片的電極焊墊同時排列在晶片中央及其餘區域的平面示意圖；圖4A是具有如圖3A中晶片的封裝結構在模壓工序剖面示意圖；圖4B是完成模壓並進行植球後呈現的完整WBGA封裝結構剖面示意圖；圖5A至圖5D是本發明的半導體封裝結構的製法剖面示意圖；圖6是本發明的半導體封裝結構實施例2的剖面示意圖。
具體實施例方式
實施例1請參閱圖5D，它顯示本發明的半導體封裝結構實施例的剖面圖。該半導體封裝結構具有基板5、晶片50、導電凸塊520、焊線54、封裝膠體55，56以及焊球57等元件。
該基板5具有第一表面501和相對的第二表面502，且該基板5形成有至少一穿透第一表面501和第二表面502的貫穿開口503。
該晶片50可例如是圖3B所示的形態，該晶片50具有作用面，作用面上設有多個電極焊墊51、52，電極焊墊51、52的分布為十字型，該電極焊墊51、52是分別為進行後續覆晶工序和打線工序而劃分為第一電極焊墊區域511及第二電極焊墊區域521，其中該第一電極焊墊區域511是預定進行打線作業的電極焊墊51所構成，該第二電極焊墊區域521是預定進行覆晶的電極焊墊52所構成。
再者，該基板5第一表面501和第二表面502形成有多個電性連接墊500、505，且該基板第一表面501的電性連接墊500得以通過設置在該基板中例如導電盲孔(via)或鍍通孔(PTH)等層間導電結構504，電性連接到該基板第二表面502的部分電性連接墊505。另外，該基板第一表面501的電性連接墊500是對應晶片50上電極焊墊52的第二電極焊墊區域521分布，以通過導電凸塊520與該晶片50直接做電性連接，進而提高電性功能。基板第二表面502的電性連接墊505則供與晶片50上電極焊墊51的第一電極焊墊區域511借焊線54做電性連接。
封裝膠體有兩部分，一部分是形成在該基板5第一表面501的第一封裝膠體55，藉以包覆該半導體晶片50，另一部分則形成在該基板5第二表面502上的第二封裝膠體56，藉以包覆該焊線54。
該多個焊球57則植置在該基板5的第二表面502的焊球墊506上，提供該半導體晶片50電性連接到外部裝置。
還請參閱圖5A至圖5D，它顯示本發明的半導體封裝結構的製法剖面示意圖。
如圖5A所示，提供作用面形成有多個電極焊墊51、52的晶片50和具有第一表面501及相對第二表面502的基板5，該基板5形成至少一穿透第一表面501和第二表面502的貫穿開口503，且該基板在其第一及第二表面上形成有多個電性連接墊500、505，該基板第一表面501的電性連接墊500能夠通過設置在該基板中例如導電盲孔(via)或鍍通孔(PTH)等層間導電結構504，電性連接到該基板第二表面502的部分電性連接墊505，供該晶片50的電極焊墊52通過覆晶方式，藉由導電凸塊520電性連接到該基板5第一表面上501的電性連接墊500，並使該晶片50封閉住該基板貫穿開口503的一側，使該晶片50的電極焊墊51顯露在該貫穿開口503。
該晶片50可採用例如圖3B所示的半導體晶片(但不以此為限，另可以是其餘非僅中央集中有電極焊墊的晶片)，該電極焊墊51、52分別進行後續工序打線和覆晶工序，劃分為第一電極焊墊區域511及第二電極焊墊區域521，其中該第一電極焊墊區域511是預定進行打線作業的電極焊墊51所構成，該第二電極焊墊區域521是預定進行覆晶的電極焊墊52所構成。該晶片50電極焊墊52的第二電極焊墊區域521是藉由導電凸塊520電性連接到該基板5，該導電凸塊520的形式可以是焊錫接點形式或金質凸塊形式，例如該電極焊墊52是可通過在其上形成焊錫凸塊同時配合在基板第一表面501的電性連接墊500上設置預焊錫材料經過回焊，使該晶片50接置並電性連接到基板第一表面501；或者也可利用製作成本較低的柱狀接合(stud bond)工序，其主要是通過焊線機的焊針(capillary)夾置金線，並在該金線一端燒成球體，使焊針下壓到晶片50的電極焊墊52上，藉以在該晶片50的電極焊墊52上形成金質凸塊，進而使該晶片50的第二電極焊墊區域521得以通過該金質凸塊接置、並電性連接到該基板5第一表面501上。
請參閱圖5B，將該晶片50上顯露在該基板5的貫穿開口503的電極焊墊51的第一電極焊墊區域511，通過穿過基板5的貫穿開口503的焊線54，電性連接到基板第二表面502的電性連接墊505。
請參閱圖5C，接著進行封裝壓模工序，其主要是提供一具有一上模58及一下模59的封裝模具，該上模58形成有上模穴580，該下模59形成有下模穴590，該上模穴580的尺寸足以收納接置在基板5上的晶片50，該下模穴590的尺寸覆蓋住該對應基板5貫穿開口503並容納突出在基板5第二表面502上的焊線54線弧，將樹脂材料(如環氧樹脂)注入上、下模穴580、590中，藉以分別在該基板5第一表面501上形成包覆該晶片50的第一封裝膠體55，及在該基板5第二表面502上形成包覆該焊線54的第二封裝膠體56。在本實施例中，雖在晶片作用面上的電極焊墊分布區域大，但利用本發明將晶片(周圍)部分的電極焊墊先利用覆晶方式電性連接到基板第一表面後，再將晶片(中央)部分的電極焊墊通過打線方式電性連接到基板第二表面，因此可如同現有WBGA封裝件一樣，僅在基板中央開設對應的貫穿開口即可，如此即可同樣利用常用的模具進行封裝模壓，藉以節省成本，進而可提供後續在基板第二表面上有較大空間進行焊球的布置設計。
請參閱圖5D，最後在基板5第二表面502上沒有被第二封裝膠體56包覆的焊球墊506上植置多個焊球57。此外，應注意的是本發明的工序中，該半導體封裝結構的製作可針對單一封裝結構也可以是呈批次形式的封裝結構進行工序。
實施例2請參閱圖6，它是本發明的半導體封裝結構第二實施態的剖面示意圖，它與上述實施例1的結構及工序大致相同，主要差異在於該晶片作用面上的電極焊墊可依分布位置、間距及工序需求等實際狀況加以考慮，決定針對部分的電極焊墊採用覆晶方式、另一部分的電極焊墊採用打線方式電性連接到基板，例如在圖6中考慮若晶片60中央區域的電極焊墊62分布較為稀疏，則可利用製作成本較低、且步驟較為簡便的柱狀接合(stud bond)工序，在位於晶片中央的電極焊墊上直接植設金凸塊，並以覆晶方式接置並電性連接至基板6第一表面601；相對地，在該基板6對應晶片60中央區以外的其餘電極焊墊61位置設置有貫穿開口603，並使該晶片60的電極焊墊61得以顯露在該貫穿開口603，通過打線方式，以穿過該貫穿開口603的焊線64電性連接該電極焊墊61與基板第二表面602。其後，再進行封膠及植球工序，另外，該封裝結構同樣是可採單顆或批次方式製作，在採用批次方式製作時，尚需進行切單以形成多個封裝結構單元。
因此，本發明的半導體封裝結構及其製法主要是針對開窗型球柵陣列式(WBGA)半導體封裝件中，由於形成在晶片作用面上的電極焊墊分布區域不僅集中於中央時，為了使晶片電性連接到基板時，將晶片部分的電極焊墊先藉由導電凸塊以利用覆晶方式，接置並電性連接到基板第一表面，再將其餘的晶片電極焊墊通過焊線電性連接到基板第二表面，減少基板貫穿開口的設置，解決了現有開窗型球柵陣列(WBGA)半導體封裝件在基板中開設多個貫穿開口時，導致的基板電路布局及製作複雜性問題，同時也避免了後續進行晶片封裝模壓工序中為了配合基板多開口的設置所造成的模具開發製作成本提高及模壓溢膠機率增加的問題，從而不會影響後續在基板表面焊球的布設。
權利要求
1.一種半導體封裝結構的製法，其特徵在於，該製法包括提供作用面形成多個電極焊墊的晶片和具有第一表面及相對第二表面的基板，且該基板形成至少一貫穿開口；以覆晶方式將部分該晶片的電極焊墊通過導電凸塊接置並電性連接到該基板的第一表面上，並將部分該晶片的電極焊墊通過穿過該基板貫穿開口的焊線，電性連接到該基板第二表面；進行封裝壓模工序，以分別在該基板第一表面上形成包覆該晶片的第一封裝膠體，及在該基板第二表面上形成包覆該焊線的第二封裝膠體；以及在該基板第二表面上植置多個焊球。
2.如權利要求1所述的半導體封裝結構的製法，其特徵在於，該封裝結構是開窗型球柵陣列半導體封裝件。
3.如權利要求1所述的半導體封裝結構的製法，其特徵在於，該基板在其第一及第二表面上形成多個電性連接墊，供晶片的部分電極焊墊通過覆晶方式、藉由導電凸塊電性連接到該基板第一表面的電性連接墊，並使該晶片封閉住該基板貫穿開口的一側，使該晶片的其餘電極焊墊顯露在該貫穿開口，利用經過該貫穿開口的焊線，使晶片的部分電極焊墊電性連接到基板第二表面的電性連接墊。
4.如權利要求1所述的半導體封裝結構的製法，其特徵在於，該導電凸塊的形式可以是焊錫接點形式或金質凸塊形式。
5.如權利要求1所述的半導體封裝結構的製法，其特徵在於，該晶片與基板的覆晶接合是可在晶片的電極焊墊上形成焊錫凸塊，同時配合在基板第一表面上設置預焊錫材料，經過回焊使該晶片接置並電性連接到基板第一表面。
6.如權利要求1所述的半導體封裝結構的製法，其特徵在於，該晶片與基板的覆晶接合可利用柱狀接合工序，通過焊針夾置金線，並在該金線一端燒成球體使焊針下壓到晶片的電極焊墊上，藉以在該晶片的電極焊墊上形成金質凸塊，進而使該晶片得以通過該金質凸塊接置並電性連接到該基板第一表面上。
7.如權利要求1所述的半導體封裝結構的製法，其特徵在於，該半導體封裝結構的製作可針對單一封裝結構或呈批次形式的封裝結構。
8.一種半導體封裝結構，其特徵在於，該結構包括一具有第一表面和相對的第二表面的基板，且該基板形成有至少一貫穿開口；一作用面上具有多個電極焊墊的晶片，部分該晶片的電極焊墊通過導電凸塊接置、並電性連接到該基板第一表面上，部分該晶片的電極焊墊通過穿過該基板貫穿開口的焊線電性連接到該基板第二表面；一形成在該基板第一表面上的第一封裝膠體，包覆該半導體晶片；一形成在該基板第二表面上的第二封裝膠體，包覆該焊線；以及多個焊球，植置在該基板第二表面上。
9.如權利要求8所述的半導體封裝結構，其特徵在於，該封裝結構是開窗型球柵陣列半導體封裝件。
10.如權利要求8所述的半導體封裝結構，其特徵在於，該基板在其第一及第二表面上形成有多個電性連接墊，供晶片的部分電極焊墊通過覆晶方式、藉由導電凸塊電性連接到該基板第一表面的電性連接墊，並使該晶片封閉住該基板貫穿開口的一側，使該晶片的其餘電極焊墊顯露在該貫穿開口，利用經過該貫穿開口的焊線，使晶片的部分電極焊墊電性連接到基板第二表面的電性連接墊。
11.如權利要求8所述的半導體封裝結構，其特徵在於，該導電凸塊的形式可以是焊錫接點形式或金質凸塊形式。
12.如權利要求8所述的半導體封裝結構，其特徵在於，該晶片與基板的接合可在晶片的電極焊墊上形成焊錫凸塊同時配合在基板第一表面上設置預焊錫材料，經過回焊使該晶片接置並電性連接到基板第一表面。
13.如權利要求8所述的半導體封裝結構，其特徵在於，該晶片與基板的接合可利用柱狀接合工序，通過焊針夾置金線，並在該金線一端燒成球體，使焊針下壓到晶片的電極焊墊上，在該晶片的電極焊墊上形成金質凸塊，進而使該晶片得以通過該金質凸塊接置並電性連接到該基板第一表面上。
全文摘要
一種半導體封裝結構及其製法，該結構包括作用面形成多個電極焊墊的晶片以及具有第一表面及相對第二表面的基板，該基板形成至少一貫穿開口，將電極焊墊穿過該開口的焊線電性連接到該基板第二表面，並將部分該晶片的電極焊墊通過導電凸塊接置電性連接到該基板第一表面上，接著，進行封裝壓模工序，分別在該基板形成包覆該晶片的第一及第二封裝膠體，在該第二表面上植置多個焊球；本發明的通過減少基板開口，維持基板結構的強度，避免減少模具夾持所需空間，降低溢膠發生的機率，維持工序的優良率，通過減少基板的開口，還可為焊球接植提供的適當面積，避免焊球接植布局的限制。
文檔編號H01L21/56GK1808702SQ200510002538
公開日2006年7月26日 申請日期2005年1月20日 優先權日2005年1月20日
發明者張錦煌, 黃致明, 黃建屏, 蕭承旭 申請人:矽品精密工業股份有限公司