专利名称：用于增强半导体器件模塑料的粘着的涂覆的制作方法
技术领域：
本发明涉及电子器件的封装，尤其是涉及电子器件的灌封(encapsulation)，该电子器件包括集成电路芯片和它们地载体，例如引线框(lead frames)或其他的衬底(substrates)。
背景技术：
在晶圆制造之后，半导体芯片或者集成电路(IC)芯片必须经历几个步骤以准备可能的应用。在检查和分离(singulation)之后，单个的IC芯片被拾取并被贴附于它们的载体，如引线框。然后，IC芯片上的每个导电盘(conductive pads)通过精细的导电线连接到引线框的内引线(inner leads)，形成引线键合后的引线框组件。其后，该引线键合后的引线框组件将使用塑性模塑料(plastic molding compound)灌封，并且该灌封后的引线框组件在被安装到其他器件进行应用以前，将被进一步修整、标记和测试。
通常被用来灌封电子器件或IC芯片的密封剂是塑料混合物(plastic compounds)，包括具有重量高达80％填充物(fillers)的环氧树脂(epoxy)和硅胶(silicone)塑料混合物。这种塑性模塑料具有4个基本功能(1)物理上支撑引线系统，将芯片上的集成电路和应用该芯片的外部元件系统进行电气连接；(2)保护IC芯片避免污染、不当操作(abuse)、机械损坏或破裂；(3)化学上保护IC芯片避免环境危险，例如影响IC芯片性能的潮湿、灰尘和气体；以及(4)提供用于散发当IC芯片工作时所产生热量的热通道。和一些其他的灌封技术相比较，塑料灌封具有较大的优点，如重量轻、制作效率高和生产成本低。
但是，塑料灌封的一个缺点是关于在灌封后的电子器件或IC芯片周围的它的不气密的密封(non-hermetic sealing)，其可能导致由于塑料混合物的水吸附(water adsorption)或者通过该塑料混合物的湿气渗透(moisture permeation)。这样产生了当前的模塑料技术普遍存在的问题。该问题由于该塑料混合物和如引线框之类的载体之间的热膨胀系数(CTE)方面的较大差异而得到加剧。当灌封后的组件经历大而迅速的温度变化时，灌封体内部的热应力(thermal stress)可能在接口处激励出微细裂缝(fine crazes)，尤其是在接口之间的结合不是足够强的时候。该微细裂缝在循环的热冲击的条件下可能发展成破裂。这种破裂为湿气水分的渗透提供了通道。接着在灌封体内水的进入和堆积会更加容易。该吸附水对于一些IC芯片不仅加速化学或冶金反应(chemical or metallurgical interaction)，而且也导致应用或者甚至是安装过程中的器件故障。
例如，在元件组件或器件使用过程中，当灌封后的引线框组件遭受快速加热的时候，吸附或吸入的水将会闪蒸成蒸气。这样局部体积将会产生快速增加。该快速膨胀将在三组接口处导致分离引线框/塑料混合物接口，IC芯片粘合剂/芯片贴附盘(paddle)接口，和IC芯片/塑料混合物接口。作为分离的后果是，正常的IC功能或者IC芯片和外部电路的连接遭到破坏。同样内部的分离也扰乱了灌封体内的应力和张力分布，其也更加导致了导线键合后的IC芯片的破裂或者合适的散热通道的破坏，藉此损坏了灌封电子器件的性能。在更极端的情形下，由于快速的水压膨胀，灌封体膨胀甚至破裂，尤其是当现在的电子封装件中载体和IC芯片的面积比值变得更小时。在灌封器件焊接中这种现象正常称之为“爆玉米花”(popcorn)，其更频繁地发生于表面安装组件上。
塑料灌封相关的另一个问题是来自包含于密封剂中的添加剂(additives)。该添加剂包括连接剂(coupling agents)，阻燃剂(flame-retardants)，隔离剂(release agents)和其他物质。用于半导体封装的塑性模塑料中普遍使用的阻燃剂添加剂是锑化合物(antimonycompound)和溴化的环氧树脂(brominated epoxy)。阻燃剂混合于灌封混合物中是下述事实所要求的即过去一些灌封电子器件产生一些热量，藉此会达到模塑料的闪点(flash point)，而着火。在包含有这种阻燃剂系统的密封剂达到其闪点温度(flash temperature)的情形下，锑化合物和溴化的环氧树脂合成为三溴化锑(antimony tribromide)，一种厚重的阻燃气体。该气体阻止火势蔓延。上述所讨论的阻燃材料和其他公知阻燃材料的采用，给当今的塑料灌封技术带来了另一个问题。某些阻燃的化学制品，例如溴化的环氧树脂，当其开始和灌封的导线键合后的引线框组件接触时，将会降低导线节点(wire ioints)的可靠性。这种降低通常作为阻燃的结果出现，其导致接合导线和至少一个引线和/或芯片上的导电盘之间金属间节点(intermetallicjoints)老化(degradation)或者甚至故障。
为了避免塑性模塑料从引线框或者衬底上分离，许多装置被计划来提高界面间的接合。这些装置包括包括使用机械闭锁(mechanicalinterlocks)和化学接合。机械闭锁包括压印(impressions)，如空洞、凹槽和半球，其被机械地形成于引线框上，其正如专利号为4,862,246、名称为“具有蚀刻通孔的半导体器件引线框”和专利号为6,501,158、名称为“用于固定模塑料到引线框盘的结构和方法”的美国专利所描述的。其说明了这些压印可提高引线框的表面面积，并提供了用于机械闭锁的缺口。因此引线框和塑性混合物的黏着得到了加强。
在另一种方法中，黑氧化(black oxide)被成功地使用于制造印刷电路板一段时间。这种技术被转换到引线框的处理，例如专利号为4,946,518、名称为“用于提高塑性密封剂和包含铜的引线框的黏着的方法”的美国专利。该技术的主要难处是表面的铜在活性氧的环境中被氧化并生成黑色的氧化铜。该黑色的氧化铜在亚微细米(sub-microns)的尺寸下具有针状的结构。因此，该引线框的表面面积在处理后明显膨胀。可以选择地，通过电学或化学还原来改变反应条件或者将氧化铜局部转换为氧化亚铜(cuprous oxide)，在该表面上生成棕色氧化(brown oxide)，如公开于专利号为4,428,987、名称为“用于提高铜-环氧树脂黏着的方法”的美国专利。其说及棕色氧化和黑氧化相比具有更好的不规则结构。
同时，连接剂很长一段时间也被用来黏着。通常，连接剂具有两种能够分别和衬底、粘合剂相互反应的功能群组，因此它们提供了衬底和粘合剂之间强大的化学接合，如公开于专利号为6,369,452、名称为“用于提高黏着的盖贴附表面”的美国专利。但是，铜-连接剂遇上了通常封装条件下的水解作用(hydrolysis)。
因此，在不引起弱化引线框组件的导线节点的情形下，解决接口之间接合弱的问题是令人期望的。
发明内容
因此，本发明的目的是在引线框组件上使用底漆，以增强塑性模塑料与引线框、IC芯片之间的接合。
本发明的另一相关的目的是寻求增强塑性模塑料与引线框、IC芯片之间的接合，而不影响此处所形成的导线接合的可靠性。
相应地，本发明提供一种在模塑半导体器件之前增强模塑料和半导体器件之间粘着的方法，该半导体器件包含有贴附于载体上的半导体芯片，该方法包括使用聚合物底漆涂覆该半导体器件的步骤。
参阅后附的描述本发明实施例的附图，随后来详细描述本发明是很方便的。附图和相关的描述不能理解成是对本发明的限制，本发明的特点限定在权利要求书中。
根据本发明的较佳实施例一种用于增强灌封材料的粘着的方法的实例将参考附图加以描述，其中
图1所示为导线接合后引线框组件的俯视图2所示为根据本发明的较佳实施例的包含有应用聚合物底漆的封装处理的总图。
具体实施例方式
图1所示为包含有贴附于载体上的半导体芯片的半导体器件，更尤其是导线接合后引线框组件的俯视图。该载体是四方引线框10的形式并具有多个引线11。引线11的外端12和支撑杆13相连。引线的内端形成指向引线框10中央的内引线14。晶粒贴附盘15设置在引线框10的中央，该晶粒贴附盘15由系杆16所支撑，并提供用于贴附电子器件，如半导体或IC芯片17的位置。IC芯片17上的导电盘使用精细的导线18电气连接于内引线14的末端。
引线框的原材料通常为铜或基于铜的合金，因为铜合金具有很高的导电性和热传导。另外，当着重于热膨胀系数或刚度时，其他铁/镍合金，如合金42，也能被使用于引线框。在引线框10的表面，贵金属或者合金，如镍、银、金和/或钯，可以尤其镀在内引线14的末端和晶粒贴附盘15上。引线框可以通过机械冲压或者化学腐蚀制成。本发明适合于所有的引线框，不管它们是否由基于铜的合金或者铁/镍合金制成，是否由冲压或者腐蚀制成，是否是预镀或者局部镀制。本发明同样也适合于具有固定IC芯片的铜表面的其他载体。
图2所示为根据本发明的较佳实施例的包含有应用聚合物底漆(polymer primer)的封装处理的总图。在制造流程中，引线框组件通过几个步骤被处理。首先，在晶粒贴附20中，IC芯片17被设置和固定在晶粒贴附盘15上。任一传统的焊接材料(solder materials)能被使用于该晶粒贴附，如低熔点的焊料类似铅/锡，或者共晶焊锡(eutectic solders)类似金/锡和金/硅。另外，有机粘合剂(organicadhesive)如填充银的环氧树脂混合物或者双马来酰亚胺(bismaleimide)混合物，可被用来将IC芯片17固定在晶粒贴附盘15上。在IC芯片17固定于晶粒贴附盘15上之后，在导线接合工序21中，芯片17上的导电盘通过连接导线18到此和内引线14的末端电气连接。导线18可由铝、金或铜制成。另外，芯片上的电路和外部电路之间的电气互联能通过焊接球(solder balls)实现，如在球形格栅阵列(ballgrid arrayBGA)器件所使用的。而且，蚀刻金属箔(etched metal foils)，如铜也能被采用来进行电气互联，如同带式(tape)自动接合技术中所采用的。
在使用塑性模塑料灌封以前，导线键合后的引线框组件使用聚合物底漆(polymer primer)，最好是聚合物溶液涂覆22。该应用聚合物溶液的方法可以但不限于是落下(dropping)、下滴(dripping)或者下述的喷射。该聚合物涂层提高了塑料混合物(plastic compound)和引线框、IC芯片的接合，因此提高了封装电子器件的可靠性。
干燥之后，下一个步骤是使用塑性模塑料灌封引线框组件23。灌封在传递模塑机(transfer molding machines)上完成。广泛使用的模塑混合物是基于环氧树脂，如双酚环氧树脂，酚醛(phenolic novalak)环氧树脂和甲酚醛(cresol novolak)环氧树脂。通常，模塑混合物在周围环境温度下是固态形式，但在温度提升时它们被适合于变换为液态。对于灌封而言，模塑混合物的片状首先被插置于热套孔(hotbarrel)中，并在热套孔中液化。同时引线框组件被放置于加热的模塑洞穴中。然后，该液态混合物通过冲压机强迫进入热的模塑洞穴中，并填充该模塑洞穴。通常，内引线14、晶粒贴附盘15和IC芯片17密封于模塑混合物中。该液态模塑混合物被允许来固化和硬化于加热的模具(mold)中。模塑处理正常在几分钟内完成。如果有必要，在传递模塑后，灌封后的组件能够在模具外面后期硬化。灌封也能通过在电气连接的半导体芯片上分配(dispensing)液态塑料混合物来完成，然后在提升温度时硬化该混合物。本发明适合于两种灌封方法。
在模塑和硬化之后，每个模塑电子封装件被修整，和/或从其他封装件分离到其所连接处，并大体形成24。该电子封装件在和其他器件被使用以前，它们能被进一步标记和测试。
现在更详细描述底漆涂层(primer coating)。聚合物溶液(Polymeric solution)使用于引线框组件上，并导致在引线框组件的表面形成聚合物膜。该聚合物在通过热、光或其他形式的能量，如γ射线(gamma rays)、电子光束和等离子体(plasma)，所激励之后能够相互交联。该聚合物在它们的分子(molecules)中最好包含氮。该含氮的聚合物较佳地选自改性三聚酰胺酚醛(melamine modifiedphenolic-formaldehyde)凝聚态聚合物或树脂，丙烯酸共聚物(acryliccopolymers)和苯并咪唑共聚物(benzimidazole copolymers)，但是其不限于此。这些聚合物能够经由在其上完成的干燥和硬化工序，通过复杂的接合与铜和贵金属合成，并通过化学接合使用环氧树脂模塑混合物接合。因此，模塑混合物到引线框和IC芯片的接合力得到了加强，并提高了封装电子器件的可靠性。另外，胶乳(latex)形式的聚合物能被用来涂覆该引线框组件。
前述的酚醛树脂较佳地通过多官能酚和醛(polyfunctional phenoland aldehydes)的反应来产生。所述的多官能酚可包含有一个或多个酚，甲酚，双酚A，双酚F，双酚S和/或脂肪链酚。所述的醛较佳地为甲醛，但其他的醛也是可能的。该聚合物可包含有单体(monomers)或低聚物(oligomers)，它们在经由热、光或其他形式的能量，如γ射线、电子光束和等离子体所激励之后，能够通过化学接合合成产生高分子。
聚合物溶液可以从溶解于溶剂中的、一个单独的上述提及的聚合物，或者包括超过一个以上的的前述聚合物的混合物中制备。溶液中聚合物的含量重量从0.01％到50％，较合适地重量从0.1％到40％，最合适地重量从1.0％到10％。理想地讲，该溶剂相对于溶解的聚合物是好的溶剂，并不影响IC芯片和导电盘以及导线节点/引线。对于改性三聚酰胺酚醛树脂而言，溶剂可以是水和醇类，其中醇类较适宜地包括甲醇，乙醇，丙醇和/或丁醇。对于含氮丙烯酸共聚物，溶剂可以是醇类，乙醚，酯，酮，链烷，和/或环烷。对于苯并咪唑共聚物，该溶剂包括二甲基甲酰胺(dimethyl formamide)和/或N-甲基吡咯烷酮(N-methyl Pyrrolidone)。被用来分散所提及聚合物的该溶剂可以是单一的溶剂或者超过一个以上溶剂的混合物，并具有可确定的溶液的蒸发速率(evaporating rate)。该溶剂或溶剂混合物使得聚合物底漆(polymeric primer)溶液具有低粘稠度，并避免在引线框组件上结露和在干燥过程如涂覆、烘焙中确保在引线框组件上形成均匀的聚合物膜层。
灌封以前被采用来在引线框组件上应用聚合物溶液的方法包括但不限于下落、下滴和/或喷射。在使用聚合物溶液涂覆以前，引线框组件可以使用等离子流清洗，但其不是必要的。该涂覆处理没有削弱该引线框组件进行灌封、修整和引线涂层(lead finishing)的效果。例如，在使用聚合物溶液以前，没有必要从引线框组件上去除任何保护膜，如贴附于四方扁平无引线(Quad Flat No-lead”QFN”)框架的拦筑膜(damming films)。
在应用聚合物溶液之后，在烤炉或通道中将潮湿的引线框组件提升温度烘烤。该烘烤的温度较佳地是从60-260℃，更合适地是从100-220℃，最合适地是从160-210℃。烘烤时间较佳地是从1-30分钟，更合适地是从2-10分钟，最合适地是从3-5分钟。在溶剂蒸发以后，该使用的溶液在引线框，IC芯片和结合导线的表面上变化为均匀的聚合物膜层。该聚合物膜层的厚度从10nm-0.1mm变化，更合适地是从50nm-50μm，最合适地是从300nm-30μm。
烘烤以后，引线框组件准备使用塑料混合物进行灌封，通常使用传统的模塑方法将其灌封。例如，涂覆后的引线框组件使用环氧树脂模塑混合物在模具中被灌封，其温度变化范围从150-190℃，并在加热的模具中硬化(cured)1-3分钟。如果有必要，在传递模塑法(transfer molding)之后，该灌封后的组件能进一步在模具外面进行后期硬化。后期硬化的温度变化从160-200℃，涂覆后的聚合物膜层将提高环氧树脂模塑料到引线框、IC芯片的接合，并从而增强灌封后电子器件的可靠性。
实例I
大小尺寸为58×15×0.2mm的铜合金C194(标称重量组成铜97.5％，铁2.35％，锌0.12％，磷0.07％)使用二氯甲烷、乙醇、10％的氢氧化钠溶液和10％的硫酸冲洗，最后使用脱离子水清洗并使用氮气吹。假设晶粒接合和导线接合的条件，冲洗后的铜板在150℃下在烤炉中加热60分钟，然后在230℃下加热3分钟。具有镍电镀和钯或金涂层(finishing)的一些铜板也使用相同的加热曲线进行热处理。氧化后的样本滴入包括不同种类的三聚酰胺酚醛树脂的乙醇溶液中。被涂覆的样本在180℃下烘烤。搭接长度为7mm的单面搭接(single-lapjoint)使用Sumitomo的EME 6650R环氧树脂模塑料(EMC)在160℃下通过压缩10分钟而使涂覆的铜板形成模塑。该搭接剪切(lap-shear)的样本在175℃下后期硬化4个小时。室温下搭接剪切测试在一台英斯特朗材料测试机(Instron material tester)上进行，十字头(cross-head)的速度为1.3mm/分。对于每个实例测试了5个样本，实例的搭接剪切强度采用平均值。表I总结了所得到的结果。
表I，铜到EMC的接合强度
实例II
大小尺寸为30×7×0.2mm的铜合金C194(标称重量组成铜97.5％，铁2.35％，锌0.12％，磷0.07％)通过浸入二氯甲烷和乙醇脱脂，并由重量为10％的硫酸在室温下活化2分钟。然后将该酸洗的铜使用脱离子水清洗并使用氮气吹。经过干燥之后，将样本落入包含有10％的三聚酰胺酚醛树脂的乙醇溶液中。被涂覆的样本在180℃或200℃下烘烤。使用Sumitomo的EME 6600CS环氧树脂模塑料(EMC)在175℃的温度和1000kgf的压力下通过传递模塑法在每个涂覆底漆的样本上形成有直径为3mm的模塑扣状物。该具有EMC扣状物的铜样本在175℃下后期硬化4个小时。然后根据JEDEC MSL I标准，在相对湿度(RH)85％的环境，温度85℃下预处理168个小时。在预处理后的两个小时内，该样本经历高达260℃的回流加热曲线(reflow heatingprofile)。该热处理后的样本的EMC扣状物在Dage-4000机器上被剪切测试，并且从衬底上分离该扣状物的最大负荷得到记载。获得的结果总结于表II中。
表II扣状物的剪切负荷下聚合物粘着的效果
实例III
为了说明底漆在提高EMC黏着于贵金属上的效果，大小尺寸为30×7×0.2mm的铜合金C194被清洗，并镀有薄的镍/银层。不经过进一步的清洗，电镀后的样本落入包含有10％的三聚酰胺酚醛树脂的乙醇溶液中。被涂覆的样本在180℃下烘烤5分钟。使用Sumitomo的EME6600CS环氧树脂模塑料(EMC)在175℃的温度和1000kgf的压力下通过传递模塑法在每个涂覆底漆的样本上形成有直径为3mm的模塑EMC扣状物。该具有EMC扣状物的样本在175℃下后期硬化4个小时。
然后根据JEDEC MSL I标准，在相对湿度(RH)85％的环境，温度85℃下预处理168个小时。在预处理后的两个小时内，该样本经历高达260℃的回流加热曲线。该热处理后的样本的EMC扣状物从电镀后的衬底上推离，并且得到最大负荷。表III总结了获得的结果。
表III贵金属粘着于EMC时底漆的效果
上述和其他的测试结果表明在使用EMC模塑以前，通过使用聚合物底漆涂覆引线框，可以在本质上提高EMC和引线框之间的接合力。
此处描述的本发明在所具体描述的内容基础上很容易产生变化、修正和/或补充，可以理解的是所有这些变化、修正和/或补充都包括在本发明的上述描述的精神和范围内。
权利要求
1、一种在模塑半导体器件之前增强模塑料和半导体器件之间粘着的方法，该半导体器件包含有贴附于载体上的半导体芯片，该方法包括
使用聚合物底漆涂覆该半导体器件的步骤。
2、如权利要求1所述的方法，其中该半导体器件包括有形成于半导体芯片和载体之间的导线连接；而该涂覆步骤也包括在模塑之前使用该聚合物底漆涂覆该导线连接的步骤。
3、如权利要求1所述的方法，其中该聚合物底漆包含有含氮的聚合物。
4、如权利要求3所述的方法，其中该含氮的聚合物选自下列组群，该组群包括改性三聚酰胺酚醛树脂，丙烯酸共聚物和苯并咪唑共聚物。
5、如权利要求4所述的方法，其中该酚醛树脂通过多官能酚和醛的反应来产生。
6、如权利要求5所述的方法，其中该多官能酚选自下列组群，该组群包括酚，甲酚，双酚A，双酚F，双酚S和脂肪链酚。
7、如权利要求1所述的方法，该聚合物底漆包含有溶液，该溶液由一个多个溶解于溶剂中的聚合物所构成。
8、如权利要求7所述的方法，其中该溶液包含的聚合物重量为0.01％到50％。
9、如权利要求8所述的方法，其中该溶液包含的聚合物重量为1.0％到10％。
10、如权利要求7所述的方法，该聚合物包括改性三聚酰胺酚醛树脂，该溶剂包括水和醇类。
11、如权利要求10所述的方法，该醇类选自下列组群，该组群包括甲醇，乙醇，丙醇和丁醇。
12、如权利要求7所述的方法，该聚合物包含有丙烯酸共聚物，该溶剂选自下列组群，该组群包括醇类，乙醚，酯，酮，链烷和环烷。
13、如权利要求7所述的方法，该聚合物包含有苯并咪唑共聚物，该溶剂选自下列组群，该组群包括二甲基甲酰胺和N-甲基吡咯烷酮。
14、如权利要求1所述的方法，其中该聚合物底漆包含有聚合物胶乳。
15、如权利要求1所述的方法，该方法还包含有下述步骤
在使用该聚合物底漆涂覆该半导体器件以前，使用等离子体清洗该半导体器件。
16、如权利要求1所述的方法，该方法还包含有下述步骤
在使用该聚合物底漆涂覆该半导体器件的步骤之后，在60-260℃之间的温度下烘烤该半导体器件1-30分钟。
17、如权利要求16所述的方法，其中该半导体器件是在160-210℃之间的温度下被烘烤。
18、如权利要求16所述的方法，其中该半导体器件被烘烤3-5分钟。
19、如权利要求1所述的方法，其中该聚合物涂覆的厚度是在10nm-0.1mm之间。
20、如权利要求1所述的方法，其中该聚合物涂覆的厚度是在300nm-30μm之间。
21、一种半导体封装件，其是根据权利要求1所述的方法进行处理。
全文摘要
本发明提供了一种增强模塑料和半导体器件之间粘着的方法，该半导体器件包含有贴附于载体上的半导体芯片，如引线框，该方法通过在模塑半导体器件之前使用聚合物底漆涂覆该半导体器件来完成。这种涂覆可通过在聚合物溶液中或使用聚合物溶液浸入、下滴或喷射该半导体器件来完成。
文档编号H01L23/29GK1812064SQ20051013196
公开日2006年8月2日 申请日期2005年12月22日 优先权日2004年12月22日
发明者李建雄, 周志聰, 崔毅乾, 刘德明, 关耀辉 申请人:先进自动器材有限公司