表面安装芯片封装的制作方法

专利名称：表面安装芯片封装的制作方法
技术领域：
本发明涉及表面安装芯片封装，比如芯片尺寸封装(或者芯片尺度封装，即CSP)，其中半导体芯片在利用测试装置构建的精确定位下进行针测(probing test)。
本申请要求享有日本专利申请No.2002-370205的优先权，该日本专利申请的内容在此参考引用。
背景技术：
众所周知，芯片尺寸封装是一种用于将半导体芯片固定在预定位置处的表面安装芯片封装；它们的尺寸基本上等于半导体芯片的尺寸，从而使得它们作为实现电子器件的大小和重量综合减小的封装技术而得到广泛关注。当一个半导体芯片被安装在一个芯片尺寸封装上时，需要在切割工艺之后进行针测，以便提高制造阶段中的次品检出率。针测在晶片上进行，在所述晶片上预先形成有用作封装外壳的表面模塑树脂(surface mold resin)(或者模制树脂(molded resin))，该晶片带有作为外部电极的焊球，并且通过切割工艺被分成多个块(或者多个部分)，而粘接薄膜被粘附在所述晶片的背面上，以便即使执行了切割工艺，仍旧保持所述晶片的原始形状。针测在晶片的每个独立部分上进行。在下面的描述中，其上形成有表面模塑树脂且通过切割而分开的晶片的每个独立部分被称作器件芯片(device chip)，这与相应于术语半导体芯片的裸芯片不同。
针测通过使得相关测试装置中的探针电极与器件芯片的电极发生接触来进行；因此，必须在探针电极与器件芯片的电极之间进行预定的定位。在对其他类型的封装(没有使用芯片尺寸封装)进行的一般针测中，通过基于形成于半导体芯片上的引线以及刻划线的特定图案来辨认晶片的倾斜度(或者旋转角θ)以及位置(X-Y坐标)而进行预定的定位操作，日本专利申请公告No.(平)3-142848中公开了所述定位操作的一种示例。相反，芯片尺寸封装被设计成使得半导体芯片被模塑树脂覆盖，并且在从其外部进行观看时不能辨认出形成于半导体芯片上的特定图案。因此，在使用芯片尺寸封装的针测中，通过辨认作为外部电极的多个焊球的排布状态来进行预定的定位操作。
图6示出了焊球510的一种排布示例，这些焊球510被设置在传统芯片尺寸封装的封装外壳500(即模塑树脂)的表面(或者背面)上。在此，除了封装外壳的中心区域外，焊球510在封装外壳500的整个表面上呈矩阵排布，使得八个焊球沿着X轴方向排布，而六个焊球沿着Y轴方向排布。此外，提供一个标记焊球(index solder ball)520，用于供使用者对芯片方向进行辨认。在针测中，拾取存在于预定区域范围内的多个焊球510的图像，并且对该图像进行图像处理，由此确定出一条连接位于X轴方向上的焊球的中心(或者外周)的直线Lx，和一条连接位于Y轴方向上的焊球的中心(或者外周)的直线Ly。为了设定用于在X-Y平面上进行定位的基准，沿着X轴方向设定一根基准轴AX，并且沿着Y轴方向设定一根基准轴AY。也就是说，通过基于基准轴AX与直线Lx之间形成的角度θx和基准轴AY与直线Ly之间形成的角度θy确定出器件芯片的倾斜度来进行预定的定位操作。
在前述用于检测焊球的传统技术中，为了确定出均连接焊球的直线Lx和Ly，考虑到各个独立焊球的变形，必须使用一种特殊的图像处理技术。换句话说，非常难以使用现有的图像处理技术来对半导体芯片上的特殊图案进行辨认。由于必须确定出连接焊球的各根直线，所以必须拾取存在于一个相对较大区域中的焊球的图像。因此，非常难以使用传统的图像拾取设备，这些设备仅可以拾取与特别小的区域相关的图案。这将导致使用者必须不断地改变由图像拾取设备所覆盖的图像拾取区域。
各个焊球均大体呈圆形；因此，在对单个焊球进行检测时，非常难以辨认出半导体芯片的倾斜度。因此，将难以使用焊球来对前述特殊图案进行检测，并且因此非常难以使用现有的图像处理技术。
因此，在使用芯片尺寸封装的针测中，必须确定出存在于一个相对较大区域上的焊球的排布状态。这就需要非常繁琐的工作，来准备一个特殊的图像处理程序和一个用于进行针测的特殊图像拾取设备。

发明内容
本发明的目的在于提供一种表面安装芯片封装，其允许在探针(比如电极)与目标元件(比如电极)之间获得规定的定位，而不使用用于器件芯片电测试的焊球。
本发明提出了一种表面安装芯片封装，其包括具有集成电路的半导体芯片。本发明中的表面安装芯片封装包括由预定树脂形成的封装外壳，其覆盖所述半导体芯片，同时显露出从集成电路延伸出来的导体；多个外部电极，这些电极设置在封装外壳的与半导体芯片主表面对应的一面上，并且与从集成电路延伸出来的导体相互连接；以及至少一个记号元件(marking member)，该记号元件被设置在封装外壳的一面上，并且当在半导体芯片的厚度方向上进行观看时，具有由其形状获得的方向性。
由于利用记号元件的形状所获得的方向性，其中所述记号元件被设置在保持半导体芯片的封装外壳中，所以当封装外壳绕相应于半导体芯片厚度方向的轴进行旋转时(所述轴线基本上对应于封装外壳的厚度方向)，其旋转角度会反映在所述记号元件的方向上，并且利用所述记号元件的方向加以示出。这允许使用者容易根据记号元件的方向辨认出封装外壳的倾斜度，从而使得使用者可以容易地相对于与针测中所用的测试装置的探针电极相关的外部电极建立预定的定位。以上，沿着半导体芯片的厚度方向对封装外壳进行观察是指，当半导体芯片比如被水平固定住时，使用者在垂直方向上(包括垂直倾斜方向(vertically slanted direction))对其进行观看。此外，当记号元件的形状的轮廓(outline)被制成完整的圆形时，将无法获得所述方向性；换句话说，所述方向性可以利用任何允许使用者轻易辨认出旋转状态的轮廓线形状来获得。由于利用记号元件的预定形状所获得的方向性，使用者可以轻易地辨认出设置在封装外壳一面上的外部端子的倾斜度，这相应地允许进行预定的定位操作。
具体来说，所述记号元件被制成预定形状，该形状在其轮廓中包括至少一个直线部分。也就是说，所述记号元件的方向利用包括在该记号元件轮廓中的直线部分的倾斜度来表示，由此所述方向性无疑可以利用记号元件的形状来获得。简而言之，由于包括在所述记号元件轮廓线中的直线部分的倾斜，使用者可以轻易地辨认出封装外壳的倾斜。
顺便说说，所述记号元件可以利用具有预定形状(比如正方形)的铜柱制成，其可以提高记号元件的形成精度，并且相应地提高定位精度。在此，所述记号元件可以覆盖有焊料层、焊料印迹(solder print)、金凸块(goldbump)等，以提高制造过程中的可靠性，因为这可以避免铜柱发生氧化。


下面，将参照附图更为详细地对本发明的所述以及其他目的、特征和实施例进行描述，其中图1示出了根据本发明第一实施例的芯片尺寸封装的外观；图2是沿图1中线A-A截取的剖视图，其示出了将半导体芯片固定于其中的芯片尺寸封装的内部结构；图3是一流程图，示出了对封装于芯片尺寸封装中的半导体芯片进行针测的步骤；图4A示出了一个基准坐标系，其中对应于第一实施例的芯片尺寸封装的器件芯片在进行针测之前有一初始位置，其相对于X轴和Y轴倾斜；图4B示出了一个基准坐标系，其中器件芯片在相对于X轴和Y轴进行定位的过程中被充分校正；图5是一个剖视图，示出了根据本发明第二实施例的将半导体芯片固定于其中的芯片尺寸封装的内部结构；图6示出了传统芯片尺寸封装的外观，其带有被设置成用于进行定位的焊球；图7为透视图，显示出封装外壳的厚度方向；以及图8为沿图1的线A-A截取的剖视图，其示出了图2所示的芯片尺寸封装的内部结构的一变形示例。
具体实施例方式
下面将参照附图借助示例对本发明进行更加详细地说明。
第一实施例图1示出了根据本发明第一实施例的芯片尺寸封装100的预定表面(或者背面)的外观。在此，芯片尺寸封装100可以对应一种表面安装芯片封装，并且其可以在其中独立地固定两百个“方形”半导体芯片200。每个独立的半导体芯片200具有形成于其主表面上的集成电路(未示出)，并且覆盖有形成封装外壳110的模塑树脂(或者模制树脂)。顺便说说，所述模塑树脂形成来避开用作标记的铜柱，这将在以下予以描述。即，用作标记的铜柱和用作导体的其它铜柱均嵌在模塑树脂中。
构成外部电极的焊球120在封装110的与半导体芯片200的主表面相匹配的一个表面(换句话说，封装外壳100的覆盖半导体芯片200的主表面(形成集成电路)的外表面)上呈矩阵形式排布，除了其中部区域之外。如图2所示，每个焊球120经由铜柱140B与铜线150相互连接，所述铜柱140B位于形成封装外壳110的模塑树脂层内，其中铜线150与焊盘电极210(pad electrode)相互连接，所述焊盘电极210形成在半导体芯片200的主表面上。图1仅示出了一个焊盘电极210；但是实际上，在半导体芯片200的周边区域中排布有多个焊盘电极，使得各个焊盘电极均与相应的焊球120电连接。
在没有排布焊球的中部区域，设置有标记130，用于供使用者辨别芯片方向。该标记130还用作探针器(prober)定位中使用的记号，所述探针器是一种半导体检测设备，并且该标记130与焊球120一同形成于封装外壳110的一面上。具体来说，标记130被形成和排布成与该多个焊球120具有一预定的位置关系。通过使用标记130作为一记号，使用者可以区别开各个焊球120，即被施加以各种信号的外部电极。
沿着半导体芯片200的厚度方向(即封装外壳110的厚度方向，见图7)观看，标记130被制成正方形；换句话说，其形状具有特殊的方向性。沿着半导体芯片200的厚度方向对其进行观看是指，当半导体芯片200例如被水平固定和安装在探针器平台(stage of a prober)(未示出)上时，从其上方(包括倾斜方向)对其进行观看。但是，就使用者基于标记130的观测形状可视觉辨认半导体芯片200的倾斜(或者旋转)来说，标记130的观看方向并不是特定的。
标记130的形状的方向性是指，当芯片尺寸封装100发生倾斜(或者旋转)时，其倾斜度比如可以被表示为标记130的观测形状的倾斜度。因此，真正圆形形状不用于标记130的形状，因为即使在旋转时，真正的圆形在形状上也不会明显变化，从而使得使用者无法视觉辨认真正圆形的标记130的倾斜度。但是，当表示方向性的预定图形在圆形形状中显示出来时，对于标记130可以采用圆形轮廓。在本发明中，正方形标记130的两侧分别与焊球120沿着X轴方向和Y轴方向的排布方向相匹配。因此，使用者可以通过观察标记130的两个侧边来目测辨认封装外壳110的倾斜度，即焊球120的排布方向。
图2是沿图1中线A-A截取的剖视图。为了方便起见，图2中示出的铜线150的长度短于图1中示出的长度。如图2所示，由铝制成的焊盘电极210形成在半导体芯片200的基片230上，并且由聚酰亚胺制成的保护薄膜220被形成来显露出基体230上的焊盘电极210。与焊盘电极210相互电连接的前述铜线150形成在保护薄膜220上，并且圆柱形铜柱140B形成在铜线150上。此外，具有方杆形状的铜柱140A形成在保护薄膜220上作为形成标记130的判别元件。在本实施例中，方杆形铜柱140A的剖面面积被设定成大于圆柱形铜柱140B的剖面面积。铜柱140A与140B之间的间隙覆盖有模塑树脂，封装外壳110由该模塑树脂形成。
可以局部地修改前述结构，使得如图8所示，其厚度与铜线150的厚度相同的伪铜线150A设置在铜柱140A下方。具体地，在铜电镀的情形下，伪铜线150A可以作为电镀基层(plating bed)。此外，根据相同的方法，通过同时形成铜柱140A和伪铜线150A可以减少(或简化)制造步骤。
当形成封装外壳110时，包括铜柱140A和140B在内的半导体芯片200的整个表面覆盖有模塑树脂，该模塑树脂随后相对于铜柱140A和140B被抛光至预定厚度，从而使得铜柱140A和140B的抛光表面基本上与封装外壳110的模塑树脂的抛光表面相匹配，由此铜柱140A和140B局部显露于封装外壳110的外表面上。如前所述，半导体芯片200的表面完全覆盖有所述模塑树脂，所述模塑树脂被制成显露出铜柱140A和140B，并且由其形成封装外壳110。结果，用作记号元件的铜柱140A以及用作导体的铜柱140B和封装外壳110全都形成至相同高度。接着，焊球120通过热处理被焊接在圆柱形铜柱140B上。因此，能够在保持半导体芯片200的芯片尺寸封装100的一表面上完全形成正方形标记130。
接下来，将参照图3的流程图详细地对针测的流程以及针测中芯片尺寸封装100的定位方法进行描述。
预先针对在针测中使用的探针器定义一个预定的坐标系(在下面被称作基准坐标系；参见图4A和4B)，以便设定一个用于在探针器与器件芯片之间进行定位的预定基准(或者预定基础)。基准坐标系具有指示基准点P的原点，其中当“正方形”标记130的左下顶点Q与基准点P相匹配，并且标记130的倾斜度(由分别自X轴和Y轴倾斜的下侧边LX和左侧边LY限定)变为零时，可说探针器在定位过程中与芯片尺寸封装100的焊球120匹配。
在针测中，使用者(或者操作员)将器件芯片安装到探针器平台上，使得其上排布有焊球120和标记130的预定表面指向上方；然后，开始探针器的预定定位操作，其中探针器首先在步骤S1中寻找标记130。寻找过程通过根据从器件芯片的主表面上拾取的图像来对正方形标记130进行辨认来进行，在所述主表面上形成有集成电路。当探针器辨认出标记130的位置时，在步骤S2中判断是否相对于基准坐标系的X轴发生了X轴倾斜，以及是否沿着X轴方向发生了X轴移动(或者运动)(在下面被称作水平移动)。具体来说，在图4A所示的情况下，通过形成于标记130的下侧边LX与基准坐标系的X轴之间的角度θx来表示所述X轴倾斜，并且通过在基准点P与标记130的顶点Q之间测出的距离Xd来表示所述水平移动，由此对在基准坐标系中是否存在角度θx和距离Xd作出判断。
当角度θx和距离Xd两者在基准坐标系中实际存在时，判定存在X轴倾斜和水平移动，从而步骤S2的判断结果为“YES”，并且流程前进到步骤S3。在步骤S3中，探针器对探针器平台的旋转角度和X-Y坐标系的位置进行调节，使得角度θx和距离Xd两者变为零，由此校正X轴倾斜和水平移动。接着，流程返回至前一步骤S2，从而步骤S2和S3反复进行，直至角度θx和距离Xd两者均变为零。当X轴倾斜得以校正时，Y轴倾斜(通过形成于左侧边LY与Y轴之间的角度来表示)可以同时得以校正。
当所述X轴倾斜和水平移动两者得以充分校正并且变为零时(即当步骤S2的判断结果为“NO”时)，流程前进到步骤S4，在此步骤中判断是否相对于基准坐标系的Y轴存在有Y轴倾斜，以及是否沿着Y轴方向发生了Y轴移动(被称作竖直移动)。Y轴倾斜和竖直移动两者在步骤S5中得以校正。在前述步骤S3中，当X轴倾斜得以校正时，Y轴倾斜同时得以校正；因此，在步骤S4中，仅需要判断是否存在由于对竖直移动进行校正所导致的Y轴倾斜偏移现象。当Y轴倾斜和竖直移动两者得以充分校正并且变为零时(即当步骤S4的判断结果为“NO”时)，可以说在探针器与器件芯片之间完全建立了预定的定位；也就是说，如图4B所示，标记130的顶点Q与基准坐标系的基准点P相匹配，并且下侧边LX和左侧边LY相对于X轴和Y轴的X轴倾斜和Y轴倾斜两者消失。
在定位结束之后，探针器将探针电极向安装于探针器平台上的器件芯片下移，或者朝探针电极向上抬升器件芯片。如上所述，由于标记130的顶点Q与基准坐标系的基准点P相匹配，所以预定的定位得以完全建立，并且标记130的下侧边LX和左侧边LY相对于基准坐标系的X轴和Y轴的X轴倾斜和Y轴倾斜得以充分校正。因此，在步骤S6中，可以将探针电极精确地与焊球120发生接触。此时，探针器经由探针电极向器件芯片的焊球120施加预定电压(或者预定电流)，从而通过对电流或者电压进行观察或者检测来确定探针电极是否精确地与焊球120发生了接触。当确认探针电极与焊球120发生了接触时，流程前进到步骤S7，在此步骤中设置在外部的探针器测试装置根据预定的测试模式经由探针电极向器件芯片施加各种信号，从而进行针测。
第二实施例在第一实施例中，铜柱140A的抛光表面被直接用于标记130，由此铜柱140A显露于外部大气中，并且将易于由于氧化而受损，这将影响制造的可靠性。为了避免该缺陷，第二实施例如图5所示那样构造而成，使得在铜柱140A的抛光表面上再形成一焊料层160，并且该焊料层被用于用作标记130的判别元件。
以上，与铜柱140B相比，铜柱140A的尺寸较大，由此铜柱140A的正方形剖面面积变得大于铜柱140B的圆形剖面面积。焊料层160与用作外部电极的焊球120使用相同的材料制成，其中所述材料经过热处理，以形成预定形状和尺寸的焊料层160。如上所述，在形状和尺寸方面对铜柱140A进行确定，并且利用与焊球120相同的材料形成焊料层160，其中在对所述焊料进行热处理的过程中，焊料层160可以轻易地熔化，以便与铜柱140A的形状相匹配；因此，可以形成呈正方形的焊料层160，所述正方形可以完全与铜柱140A的正方形形状相匹配。在此，焊料层160具有预定的正方形形状，该形状具有与铜柱140A相同的方向性；因此，其可以用作用于定位的标记130。顺便说说，第二实施例中所采用的定位方法与第一实施例中的定位方法相同。
已经借助前述实施例对本发明进行了详细描述，但是并非局限于此。也就是说，可以在本发明的范围之内进行变型或者设计更改。例如，前述实施例被构造而形成具有正方形形状的标记130，但是并非局限于此；也就是说，标记130仅需要在其轮廓中包括至少一个直线部分和至少一个顶点。换句话说，标记130不必局限于正方形形状，只要可以在定位操作中获得良好的处理精度即可。此外，前述实施例使用了铜柱140A或者形成于铜柱140A上的焊料层160作为标记130，其中可以使用其它元件或者其它材料，只要可以在针测中进行的定位操作中获得良好的处理精度即可。为了避免铜柱140A发生氧化，第二实施例的特征在于利用焊料层160将铜柱140A的抛光表面覆盖住，所述焊料层160可以利用焊料印迹(solder print)或者金凸块(gold bump)来替代。还有，本发明借助作为表面安装芯片封装的一个示例的芯片尺寸封装进行了描述，但是本发明也可以适用于其他类型的表面安装芯片封装，比如焊球阵列(BGA)封装。另外，标记130被合适地成形以用作针测中使用的定位记号，以便使得使用者可以轻易地判别出外部端子。当然，也可以独立于所述标记设置定位记号。
如此前所述，本发明具有多种作用和技术特征，下面将对它们进行描述。
(1)本发明的表面安装芯片封装的特征在于，在封装外壳中设置其形状具有方向性的记号元件(比如标记)；也就是说，此记号元件允许使用者方便地目测辨认封装外壳的倾斜度和位置。这允许使用者易于为电测试建立预定的定位，而无需使用设置在封装外壳表面上的焊球。
(2)所述记号元件被构造成在其轮廓中包括至少一个直线部分，这对其形状带来方向性。这允许使用者易于根据记号元件的形状辨认出封装外壳的倾斜度和位置。
(3)铜柱被用作所述记号元件，由此所述记号元件可以被轻易地制成预定的形状和尺寸，从而获得良好的定位精度。这种记号元件的优点在于，其可以与外部电极同时形成；因此，可以在无需增加制造步骤数目的条件下制取具有所述记号元件的表面安装芯片封装。
(4)在以上，可以通过简单地用一焊料层、焊料印迹或者金凸块覆盖用作记号元件的铜柱，来避免所述铜柱发生氧化。
(5)此外，可以通过简单地形成呈正方形的记号元件来确保具有至少一个直线侧边和至少一个顶点以用于定位。
(6)还有，与用于外部电极的其它铜柱相比，用作记号元件的铜柱的尺寸较大，从而使得当所述铜柱的表面上覆盖有焊料层时，焊料层可以轻易地在一个相对较大的区域范围中熔化，以获得类似所述铜柱形状的预定形状(比如正方形)。这将进一步提高定位精度。
由于本发明可以在不脱离其技术构思或者必要特征的条件下以若干方式进行实施，所以现有实施例是示例性的而非限制性的，因为本发明的范围由所附权利要求限定，而并非由在此之前的描述加以限定，并且因此这些权利要求将涵盖所有落入它们的界限和范围内的变化，或者落入所述界限和范围的等效描述内的变化。
权利要求
1.一种包括具有集成电路的半导体芯片的表面安装芯片封装，包括由树脂制成的封装外壳(110)，其覆盖该半导体芯片，同时避开了自该半导体芯片伸出的多个导体(140B)；多个外部电极(120)，其布置在该封装外壳中与该半导体芯片的具有集成电路的主表面相应，并且与自该半导体芯片延伸出的该多个导体连接；以及至少一个记号元件(130)，其布置在该封装外壳中，使得当在该半导体芯片的厚度方向上观察时实现方向性。
2.根据权利要求1的表面安装芯片封装，其中该记号元件的轮廓形状包括至少一个直线部分。
3.根据权利要求1的表面安装芯片封装，其中该记号元件相当于独立于该多个导体(140B)布置的铜柱(140A)。
4.根据权利要求3的表面安装芯片封装，其中用作该记号元件的该铜柱具有正方形形状。
5.根据权利要求3的表面安装芯片封装，其中该铜柱被覆有焊料层(160)、焊料印迹、或金凸块，于是实现该记号元件。
6.根据权利要求5的表面安装芯片封装，其中该记号元件具有正方形形状。
7.根据权利要求3的表面安装芯片封装，其中该铜柱(140A)与该多个导体(140B)中的每一个相比尺寸更大。
8.根据权利要求5的表面安装芯片封装，其中用作该记号元件的该铜柱(140A)与该多个导体中的每一个相比尺寸更大，该多个导体相当于多个铜柱(140B)。
9.根据权利要求6的表面安装芯片封装，其中用作该记号元件的该铜柱(140A)与该多个导体中的每一个相比尺寸更大，该多个导体相当于多个铜柱(140B)。
全文摘要
本发明公开了一种表面安装芯片封装，包括由预定树脂制成的封装外壳(110)，其形成来覆盖住半导体芯片，同时显露出从所述半导体芯片延伸出来的多个导体(140B)。多个焊球(120)被设置在封装外壳中与半导体芯片的具有集成电路的主表面相应，并且分别与所述导体相互连接。用作记号元件的标记(130)与所述焊球一同设置，以便在沿着半导体芯片的厚度方向进行观看时可以利用其形状获得其方向性。这允许使用者根据所述标记轻易地辨认出封装外壳的倾斜度和位置，而无需使用所述焊球，由此为诸如针测这样的电测试建立预定的定位。
文档编号H01L23/544GK1510388SQ200310122348
公开日2004年7月7日 申请日期2003年12月19日 优先权日2002年12月20日
发明者大仓喜洋 申请人:雅马哈株式会社