半导体裸片的封装方法以及通过该方法形成的裸片封装

摘要

一种封装半导体裸片(20)的方法。该方法包括：将半导体裸片(20)安装至载体(10)上的裸片附着焊盘(34)上；并且将半导体裸片(20)的电极(36)和载体(10)上的接触焊盘(16)与牺牲基板(58)所承载的夹子(54)进行电耦接。该方法还包括去除牺牲基板(58)，从而释放夹子(54)。该方法还可以扩展至对具有多个器件区域(12，13)的载体(10)进行装配，其中每个器件区域(12，13)均具有用于安装多个半导体裸片(20)的裸片附着焊盘(34)和电极焊盘(16)。

说明书

技术领域

本发明主要涉及芯片封装，特别地，本发明涉及形成裸片封装的方法，该方法利用芯片键合来将半导体裸片的电极与载体上器件区域的接触焊盘电耦接起来。

背景技术

可将载有集成电路的半导体裸片或芯片封装在芯片封装中，随后，在诸如印刷线路板(PWB)或印刷电路板(PCB)之类的基板上进行表面安装，从而形成电子组装。半导体裸片封装提供了一些重要的功能。这些功能包括：对半导体裸片进行保护以防止其受潮或者受到其它破坏性环境因素的影响，与外部电路进行电连接，以及对半导体裸片产生的热量负荷进行热管理。

通常类型的芯片封装是表面安装器件(SMD)，其包括通过焊料键合连接至印刷线路板上的互补接触焊盘的接触焊盘。贴片机将芯片封装放置在印刷线路板的规定位置上，随后，通过焊料键合将其电耦接至印刷线路板上。印刷线路板不仅提供了用于安装和支撑芯片封装的物理结构，而且提供了从接触焊盘延伸出来的导电走线图案，该图案用于将芯片封装内的半导体芯片与安装在印刷线路板上的其它元件(例如，分立的无源元件)或其它半导体芯片进行电气互连。这些附加元件包括用于对芯片封装内的半导体芯片中的集成电路进行供电、控制、或与其进行电子交流的电路。

为了形成芯片封装，半导体芯片被安装至诸如引线框之类的金属载体的前侧。在半导体芯片的接触焊盘或键合焊盘和也位于载体前侧上的接触焊盘或键合焊盘之间建立导电通道。建立这种导电通道的一种方法就是引线键合工艺，其中，引线从芯片键合焊盘向外延伸超越芯片的外周直至载体键合焊盘。由细丝限定的引线的另一端被键合至对应的键合焊盘。由引线和键合焊盘建立的导电通道为电源和信号分配提供了芯片至载体的互连。耦接的半导体裸片和载体被密封在成型材料的保护主体中，从而形成了能够保护半导体裸片和引线的密封封装。密封封装将载体接触焊盘暴露出来，以将封装安装至印刷线路板上。

功率电子封装为具有高电流容量的功率半导体裸片提供机械支撑、器件保护、冷却、以及电连接和隔离。功率电子封装的整体性能受封装过程的影响。特别地，功率半导体裸片包括顶面上的键合焊盘，该键合焊盘通常是由包含少量硅的铝合金组成。典型地，铝键合焊盘提供了与功率半导体裸片的源级和栅极之间的最上层连接。可利用传统的引线键合工艺来形成与键合焊点之间的电连接。然而，引线键合连接具有有限的接触面积，所以，在器件工作期间它就成为了电阻和热量产生的重要源头。

由于引线键合的各种缺点，封装制造商试图采用导电夹代替引线键合来建立与裸片封装内部的功率半导体裸片的铝接触焊盘之间的电接触。典型地，导电夹被单独地放置在功率半导体裸片的上方的位置，并利用一些粘合剂或者焊料与铝接触焊盘键合。这种键合在远大于引线键合可获得的接触面积上延伸，这就改进了接触的电流承载能力。然而，针对多个功率半导体裸片(其中每个裸片的后表面都附着在引线框上的裸片附着焊盘上)的每一个裸片，传统的夹键合操作都要求分离的拾取和放置操作。这显著地限制了工艺产量并妨碍了高容量封装操作。可替换地，另一个上部引线框可与附着在下部引线框的多个功率半导体裸片的每一个裸片的铝接触焊盘键合，并且随后在组装期间通过冲压使其弯曲来定位导电夹。同样地，这显著地限制了工艺产量并妨碍了高容量封装操作，于是增大了封装成本。为了实现组装的高产量，上部引线框必须与多个半导体裸片的每一个裸片的铝接触焊盘精确对准。在利用塑封料进行组装和密封之后，上部引线框代表了另外的金属物体，其在分割期间必须被切割为分立封装。

发明内容

因此，需要一种对裸片封装内部的半导体裸片进行夹键合的方法，该方法克服了传统封装方法的缺点，即依靠导电夹来建立与裸片封装内部的半导体裸片的键合焊盘之间的电接触。

在本发明的一个实施例中，一种封装半导体裸片的方法包括：将半导体裸片安装至载体上的裸片附着焊盘上；并且将牺牲基板所承载的夹子的第一部分与半导体裸片的电极进行电耦接。该方法还包括去除牺牲基板以释放夹子。

在本发明的另一个实施例中，一种封装多个半导体裸片的方法包括：将所述多个半导体裸片的每一个都安装至载体上的多个器件区域的一个对应的器件区域的裸片附着焊盘上。该方法还包括：将牺牲基板所承载的多个夹子的每一个夹子的第一部分均与一个对应半导体裸片的电极进行电耦接，并随后去除所述牺牲基板以释放所述夹子。

附图说明

并入本说明书并作为其一部分的附图图示说明了本发明的实施例，并且，附图与本发明的上述总体描述以及下文中实施例的详细描述一起对本发明的原理进行了说明。

图1至5是根据本发明实施例的在各个工艺阶段所绘制的具有多个器件区域的载体的一对器件区域的图解示图。

图3A是图3中的载体的示意侧视图。

具体实施方式

本发明提供了用于为功率半导体裸片形成封装的方法。将通过参考伴随本申请的附图对本发明进行更加详细的描述。

参见图1，根据本发明实施例，引线框或者载体10包括器件区域矩阵或阵列，其中在图1中示出了一对器件区域12、13，它们被横跨地布置在大体平坦的表面14上。在此使用的“垂直”指的是与表面14基本上垂直的方向，“水平”指的是与表面14基本上平行的方向。多个接触焊盘16、18被布置在与每个器件区域12和载体10的其它器件区域(如果存在的话)邻近的地方。接触焊盘16、18被用来建立与附着在每个器件区域12、13上的半导体芯片或裸片20的连接。以下对器件区域12的描述也适用于与器件区域12基本相同的器件区域13。载体10的其它部分(未示出)与器件区域12、13和接触焊盘16、18耦接，从而形成连续结构。例如，载体10可构成在共同转让的美国专利申请第10/510,591号和第10/510,558号中有所描述的载体，在此通过引用将这两篇专利申请完全并入本文。

器件区域12的接触焊盘16包括第一金属化层22(它在载体10的与半导体芯片20相同的一侧)和第二金属化层24(它在载体10的另一侧)，第二金属化层24用于在完成的封装(未示出)与诸如印刷电路板之类的基板之间建立电接触。同样地，器件区域12的接触焊盘18包括第一金属化层26(它在载体10的与半导体芯片20相同的一侧)和第二金属化层28(它在载体10的另一侧)。第二金属化层24、28被用于在完成的封装(未示出)内的半导体裸片20与诸如印刷电路板之类的基板(未示出)之间建立电接触。

一定总量或数量30的导电键合物质(例如，导电粘合剂或者诸如焊膏或焊料之类的可焊接材料)被涂敷在接触焊盘16的第一金属化层22的暴露表面21上。另外的一定总量或数量32的导电键合物质被涂敷在接触焊盘18的第一金属化层26的暴露表面25上。此外，每种数量30、32的确切体积或质量是视在其上建立电、机械、和热接触的面积而定的。

半导体裸片20被附着在载体10上的裸片附着焊盘34上，裸片附着焊盘34毗邻接触焊盘16、18。半导体裸片20包括第一主要电极36和第二主要电极38(图3A)，第一主要电极36被布置在裸片附着焊盘34远端的上表面35上，第二主要电极38被布置在与裸片附着焊盘34紧邻的底部表面39上。半导体裸片20还包括较小的控制电极40，其被布置在上表面35上并与第一主要电极36电绝缘。如果半导体裸片20是功率晶体管，那么第一主要电极36就是源极接触焊盘，第二主要电极38构成漏极接触焊盘，而控制电极40就是栅极接触焊盘。如本领域技术人员所理解，在使用中，电极40响应于来自外部控制器的控制信号，对流经第一电极36和第二电极38之间的电流进行调制。第一主要电极36和控制电极40可由包含少量硅的铝合金制成。

第二主要电极38通过导电粘合剂或高温、导热的焊料(一般是共晶焊料)的导电层42(图3A)与裸片附着焊盘34耦接。导电层42提供了第二主要电极38和裸片附着焊盘34之间的直接电连接。

在第一主要电极36的暴露表面43上布置着一定总量或数量44的导电键合物质，例如导电粘合剂或者诸如焊膏或焊料之类的可焊接材料。在控制电极40的暴露表面上布置着另外一定总量或数量46的导电键合物质。此外，每种数量44、46的体积或质量是视在其上建立电、机械、和热接触的面积而定的。

参见图2，其中，相同的标号表示与图1中类似的特征，并且，在随后的工艺阶段，有图形的且预先形成的顶部框架50被置于与载体10间隔开的大致上部的位置。如箭头52所示，顶部框架50被垂直地移动至与半导体裸片20和接触焊盘16、18接触的位置。

顶部框架50包括夹子54、56，夹子54、56被承载在牺牲基板58上并且与其键合。组成牺牲基板58的材料可通过对组成夹子54、56的导电材料(例如金属)具有选择性的适当的干法或湿法刻蚀工艺来进行刻蚀而不破坏载体10。类似地，组成夹子54、56的导电材料或材料可通过对组成牺牲基板58的材料具有选择性的适当的干法或湿法刻蚀工艺来进行刻蚀而不破坏载体10。夹子54、56通过基板58的区域而彼此分开。当去除基板58时，如下所述的，夹子54、56彼此电绝缘。

由诸如电镀之类的传统工艺沉积在牺牲基板58上，或者通过传统工艺层压在牺牲基板58上，具有标称的均一厚度的导电材料层形成了夹子54、56。通过传统光刻和对组成牺牲基板58的材料具有选择性的湿法或干法刻蚀工艺(其中具有刻蚀掩模的金属层部分被保留下来，而未被保护的金属层被去除)形成该层图形以限定夹子54、56。刻蚀是一种减成工艺，其中，层的未保护部分或者在液体化学制品中溶解(例如湿法刻蚀)，或者被转换成挥发性气体化合物(例如干法刻蚀)。

在本发明的一个实施例中，形成夹子54、56图形的金属片是由铜或者铜合金(其中，合金化合物的主要成分是铜)制成的，并且牺牲基板58是由铝或者铝合金(其中，合金化合物的主要成分是铝)制成的。在该示例中，可以在铜或者铜合金上光刻涂敷图形，随后进行对铝具有选择性的湿法铜刻蚀。

夹子54的面积大于夹子56的面积，夹子54包括主要电极60和从该主要电极60向外延伸的附加物或臂62。夹子56由带64组成，其在牺牲基板58上沿着与夹子54的臂62大体相同的方向延伸。顶部框架50包括通过使顶部框架50变形而形成的一对平滑曲面且大体并行的弯曲66、68。弯曲66用来改变臂62的自由端70以及带64的末端72的高度，从而分别满足在半导体裸片20的上表面35和接触焊盘16、18的暴露上表面21、25之中的相对高度差。

参见图3，其中，相同的标号表示与图2中类似的特征，并且，在随后的工艺阶段，顶部框架50被移动以使一定数量44、46的导电键合物质分别接触夹子54的主要焊盘60的底部以及带64的末端74的底部。由于顶部框架50内弯曲66的存在，所以夹子54的臂62的自由端70和夹子56的带64的末端72与一定数量30、32的导电键合物质接触。如果导电键合物质是焊料或者焊膏，那么，通常由波峰焊接、红外回流焊接、对流式红外回流焊接、或者气相回流焊接实现的焊接工艺被用于建立夹子54、56，接触焊盘16、18，和半导体裸片20之间的金属键合或金属间键合。如果导电键合物质是粘合剂，那么诸如加热之类的固化工艺被用于建立相应的粘合剂键合。

参见图4，其中，相同的标号表示与图3中类似的特征，并且，在随后的工艺阶段，利用湿法或干法刻蚀工艺来去除牺牲基板58，该工艺能够针对组成载体10和夹子54、56的材料选择性地去除组成除牺牲基板58的材料。因此，夹子54、56从牺牲基板58释放出来，并且在释放之后，彼此电绝缘。例如，如果夹子54、56是由铜或铜合金组成的，而牺牲基板58是由铝或铝合金组成的，则利用适当的湿法刻蚀剂是氢氧化钾(KOH)或氢氧化钠(NaOH)溶液的进行热碱浴，湿法刻蚀持续足够长的时间以使基板58被完全刻蚀掉，于是留下了具有独立、电绝缘结构的夹子54、56，并且使夹子54、56从基板58释放。刻蚀时间取决于基板58的厚度。例如，通过将刻蚀浴加热至50℃以提高刻蚀速率，从而减低刻蚀时间。

参见图5，其中，相同的标号表示与图4中类似的特征，并且，在随后的工艺阶段，采用标准制造工艺来制备焊盘16、18，从而使裸片20与诸如印刷线路板(未示出)之类的基板电耦接。通过如本领域技术人员所了解的任何合适的成型技术，将模塑料的主体涂敷到载体10上，来完成裸片封装80、82。例如，可以通过在合适的模型盘中包覆成型来将主体84涂敷在载体10上。利用本领域技术人员所共知的诸如烘炉固化之类的技术，模塑料的主体84被固化，并且至少部分硬化。例如，可通过在载体10上转移或注入成型材料来形成模塑料主体84。模塑料主体84完全密封了载体10、接触焊盘16、18和半导体裸片20，并且除了电极焊盘16、18各自的第二金属化层24、28(它们是暴露的但是不会被外来的模塑料污染)之外，模塑料外壳84填充了所有开放空间。

裸片封装80、82中的每一个均包括一个半导体裸片20，通过将模塑料主体84切开，使裸片封装80、82沿着器件区域12、13之间的线分开或分割。分割操作可以利用诸如利用划片机来划片之类的本领域技术共知的技术执行。被分割之后，裸片封装80、82可被电气安装至基板(例如印刷线路板)上。外部模塑料主体84防止了环境污染的进入。

虽然采用了各种实施例的描述对本发明进行了说明，并且这些实施例是以相当详细的方式进行说明的，但是申请人的目的并不在于限制或者以任何方式将所附权利要求的范围限制在该描述范围内。因此，具有更宽的范围的本发明并不限于所示出并描述的特定细节、代表性设备和方法、和示意性示例。于是，可以在不脱离本申请人的总体发明思想的情况下对这些细节进行修改。