半导体封装的制造技术

专利名称：半导体封装的制造技术
半导体封装的制造相关申请本申请基于并要求于2005年3月4日提交的名为"DEPOSITING PASSIVATIONS USING JETTING TECHNOLOGY(INK-JETTING)"的美国临 时申请60/658,607的优先权，由此做出优先权的权利要求，且其公开内容作 为引用结合于此。技术领域本发明涉及半导体封装制造和半导体封装。
技术背景典型地，为了制造半导体封装必须对其元件进行处理。例如，在属于本 发明的受让人的美国申请11/138,141中公开了一种制造封装的方法，在该方法中半导体晶片的前表面被经过多步处理，由此使该半导体晶片在其晶片装 配于导体容器前接收钝化体。依据本发明的处理，按需喷射沉积技术被用于在半导体封装元件上形成 主体。依据本发明的处理能够被用于形成例如，在半导体晶片的表面上的钝 化体、在半导体封装的引线框架部分上的绝缘体等等。按需喷射沉积的主要优点在于处理步骤上的简化。以下是对现有技术处 理和典型的按需喷射处理的比较现有技术 按需喷射在材料上旋转 印刷材料从材料中干燥挥发 干燥材料UV曝光 硬化材料显影材料 硬化材料现有技术的方法的缺点是因为a)需要比最终结构所需的材料更多的材 料；b)所述材料必须被显影，这意味着具有与化学和产生废品有关的巨大花 销；c)需要额外的步骤；d)用于成像的光引发剂系统会削弱所述材料的性能; e)相片工具的损坏或污染会导致钝化体开口，这可能引发问题。另一方面，按需喷射沉积减少浪费；减少步骤数；能够处理不平坦的 表面；能够一步到位改变图像的厚度；不像现有技术那样容易受污染瑕疵的 影响。按需喷射已被用于元件部分标记；在等离子体显示板上沉积绝缘体； 印刷电路板生产及标记；使用贵金属和半贵金属进行精密几何学电路引线印刷。然而，调查显示还没有将按需喷射用于制造半导体封装元件例如，半导体晶片、引线框架或其它类似物体。本发明的其它特点和优点将在以下本发明的参考附图的描述中变得显而易见。


图1显示了依据本发明的实施例制造的半导体封装元件的顶视平面图； 图2显示了图1中所示的元件沿线2-2并沿箭头方向观察的横截面图； 图3显示了依据本发明配置的另一种半导体封装元件的顶视平面图； 图4显示了依据本发明配置的另一种半导体封装元件的顶视平面图；图5显示了具有多个晶片的晶圆的顶视平面图；图6显示了在其上形成电极后的具有多个晶片的晶圆的顶视平面图;图7显示了形成多个可软焊层后的图6中的晶圆的5-5部分；图8显示了依据本发明的实施例的形成钝化体后的5-5部分；图9A显示了用于实施依据本发明的方法的系统的示例；图9B和图9C显示了沉积操作；图IO显示了引线框架的顶视平面图；图11显示了图10中所示的引线框架的被放大的部分；图12-22B显示了使用依据本发明的方法制造多芯片模块的过程；图23-25显示了图22B中显示的多芯片模块的横截面图。
具体实施方式
参考图1和2，显示了依据本发明制造的半导体封装元件的示例，该半 导体封装元件包括半导体晶片10，该半导体晶片IO在其第一主表面上具有 第一功率电极12和控制电极14。在优选实施例中，晶片IO包括至少一个形 成于第一功率电极12上的可软焊体16，至少一个形成于控制电极14上的可 软焊体16，以及被置于第一功率电极12和控制电极14上的钝化体18。钝 化体18包括开口 20用以露出第一功率电极14上的可软焊体16，以及开口 22用以露出控制电极14上的可软焊体16。在优选实施例中，电极12、 14 由铝或铝硅形成，并且可软焊体16由三金属堆或任意可软焊材料形成。所 述三金属堆可以包括在其顶部的银层，例如Ti/Pd/Ag三金属堆。开口20可以宽于可软焊体16。由此，通过间隙24将可软焊体16与钝 化体18隔开，该间隙24将可软焊体16包围。应该注意的是在优选实施例 中，开口 22也可以宽于控制电极14上的可软焊体16，由此在钝化体18和 控制电极14上的可软焊体16之间产生间隙26。然而，应该注意的是，在依据本发明的半导体封装元件中，在可软焊体16和钝化体18间的间隙不是必须的。因此，例如，每个电极12、 14可以包括覆盖其全部表面的可软焊体 和被置于该可软焊体之上的钝化体18。在不背离本发明的范围和精祌的前提 下，其它变化同样可以被实施。优选地，钝化体18厚于可软焊体16。因此，可软焊体16不会延伸超过 钝化体18。也就是说，优选地，每一个可软焊体16被置于其各自开口 20 的底部且不达到开口 20的顶部。依据图1和2所示的实施例的半导体封装元件可以是垂直导电型，并由 此包括在与所述第一主表面相对的第二主表面上的第二功率电极28。例如， 依据图1和2所示的实施例的元件可以是功率MOSFET，其中第一功率电极 12是源电极，第二功率电极28是漏电极，且控制电极14是栅电极。然而，依据本发明的元件并不限于垂直导电型器件。参考图3，其中相 同的附图标记代表相同的特征，依据第二实施例的器件可以是倒装晶片型， 在此情况下第一功率电极12、第二功率电极29和控制电极14被置于晶片 10的同一个表面上。依据第二实施例的元件可以是功率器件，例如功率 MOSFET，在此情况下第一功率电极12是源电极，第二功率电极29是漏电 极并且控制电极14是栅电极。下面参考图4，其中相同的附图标记表示相同的元件，依据第三实施例 的半导体封装元件仅包括一个位于其主表面上的功率电极30，且不同于第一 实施例和第二实施例的是，该半导体封装元件不包括控制电极。依据第三实 施例的元件可以是，例如垂直导电型二极管，其中该二极管的一个功率电极 (例如，正电极或负电极)包括在其表面上的钝化体18,且钝化体18在可 软焊体16上具有开口，每一个开口均宽于其包围的各自的可软焊体16，并 且所述钝化体18优选地厚于可软焊体16。所有三个实施例是类似的，原因体现在每一种情况下位于一侧的全部电极均被配置为用导电粘合剂直接附着到在衬底上的导电焊盘，所述衬底例如 电路板，所述导电粘合剂例如焊料或导电环氧树脂。也就是说，可软焊体16 被提供于位于同一表面上的所有电极，以便允许直接连接到衬底上的导电焊 盘。钝化体18因此保护了所述晶片，且同样可以在元件安装时作为阻焊剂。 注意本发明并不限于上述的特定的晶片，而是可以应用于高电子迁移率晶体管(HEMT)，例如，基于GaN的晶体管、集成电路等。依据本发明的半导体器件可以依据以下过程制造。参考图5，首先，多个晶片10以常规方式形成于晶圆50中。由此，例 如，在优选实施例中，多个垂直导电型功率MOSFET以任意已知的方式形成于硅晶圆中。其次，接触金属层以任意已知的常规方式被沉积和定形。由此，在优选 实施例中，前金属层被沉积于形成MOSFET的晶圆50上，且定形以形成如 图6所示的每一个晶片10的第一功率电极12 (此后源触点或源电极)和控 制电极14(此后栅触点或栅电极)。适合于该目的的前金属可以是A1或AlSi。下一步，可软焊前金属层被沉积在接触金属层上。可软焊前金属可以是 任何适合的金属的组合，例如三金属组合Ti/Pd/Ag。其后，可软焊前金属层被定形在每个触点，例如源极触点12上留有至 少一个可软焊体16，如图7所示。由此，在优选实施例中，可软焊前金属被 定形以使得在栅电极14和源电极12上具有至少一个可软焊体16，或者优选 地在源电极12上具有多个可软焊体16。其后，后金属触点(未示出)被沉积于晶圆24的后面，如果此操作是 每个晶片的第二功率电极所要求的。由此，例如，在优选实施例中，漏极后 金属形成在晶圆的后面。漏极后金属可以由Al或AlSi形成，且做进一步地 处理以便包括可软焊三金属组合。下面参考图8，依据本发明，钝化体18 (由斜线表示)通过用以形成钝化体18的按需喷射可沉积材料(可沉积材料)的按需喷射沉积形成于晶圆 50的前面。注意的是，依据本发明，该可沉积材料将被沉积以具有钝化体18沉积后的期望的图案。由此，在优选实施例中，可沉积材料在沉积时将具 有开口20、 22。因此，该过程将去除在现有技术中为了获得定形为包括开口 或类似物的钝化体而需要的多个步骤。依据本发明制造的半导体晶片能够装 配于导电容器中以便得以封装，例如在美国专利申请11/138,141中的显示。 图9显示了应用于将按需喷射可沉积材料，例如可沉积绝缘体，喷射到 半导体封装所用的例如引线框架等工件上的按需喷射沉积的按需喷射系统 的示例的示意图。所述系统包括按需喷射头(印刷头)30、用于接收所述工 件的平台32、模式识别系统34、计算机控制系统36、图案存储部件38以及 平移台39。印刷头30将可沉积材料沉积到放于平台32上的工件上(例如，晶圆50)。 印刷头30优选地包括压电泵，以及数个隔开的喷嘴，该喷嘴优选地排成与 印刷头等宽的一列。喷嘴的数量取决于印刷头的类型且典型地为100个或更 多。通过压电泵的压电晶体的搅动，压力被应用到可沉积材料(处于液态)。 由此，可沉积材料通过在印刷头上的每个喷嘴被施压并且以液滴的形式离开 喷嘴，所述液滴向着工件运动(例如，图6中的晶圆50)。为了形成某种图 案，所述印刷头在所述衬底上来回移动。所述印刷头驱动电路独立地控制100 个或更多独立的喷嘴中的每一个以生成所需的由位像文件指定的图案。印刷头30优选地安置于台架上以便控制其与所述工件的相对位置。所 述台架还可以装配有照相机，和/或UV或红外线硬化或干燥单元。所述照相机可以作为模式识别系统34的一部分。该模式识别系统被用 于使印刷头30与所述工件恰当地对准。该照相机提供校正从而使工件可以 与需要印刷于工件上的图案匹配。所述校正从理论上是基于基准的，所述基 准通常是位于工件上且其图像仅用于校正目的的独有的特征。所述基准典型地为例如十字、正方形、圆形等形状。在物体上出现的自然图像有时能够被 用来作为基准，例如栅极焊盘、角等。计算机控制系统36使用x-y-z平移台排列印刷头30，且操作印刷头30 以便基于存储在图像存储部件38中的图像在工件上沉积图案。所述图像文 件可以存储成任意格式，例如CAD文件，GDSII或Gerber文件。优选地， 所述图像文件具有Gerber格式且在印刷前转换成位图。Gerber是广泛使用 于印刷电路板制造的通用比例尺传输格式。Gerber能够由一系列不同的CAD 软件生成并且一旦生成就将变成通用文件。每个图像文件优选地包括印刷层(所述层包含用于在工件上印刷成图案 的图像)，边缘层(用于描述物体的整个尺寸并指示印刷区域的末端)，以及 校正层(包括与印刷图像精确定位的基准)。只有印刷层被精确地印刷。注 意可以具有多个印刷层。所述x-y-z平移系统基于空间配置的笛卡尔(Cartesian)系统。具体地 说，在本发明的应用中，印刷头30和工件通过沿一向或双向移动平台32和 /或印刷头30而相互匹配。参考图9B和9C，例如，平台32 (工件放于其上)仅沿y轴移动(从 页面中穿出的轴)；与此同时，印刷头30沿x轴横穿y轴来回移动。在优选 实施例中，y轴与三个原因有关。第一，平台32沿y轴移动以便将工件置于 印刷头30下。第二，当所需的用于接收可沉积材料的区域宽度大于由印刷 头30的一个通道所覆盖的区域的宽度时，印刷头30沿y轴移动。也就是说， 所述图案不能从印刷头30的一个位置上的单个沉积步骤中被实现。第三， 印刷头30能够以小增量沿y轴方向移动以允许所述落在喷嘴之间的区域通 过轻微地移动喷嘴相对于工件的位置来为每一个通道绘图，由此，所述图案 的清晰度能够得到改善。为了沉积所述按需喷射沉积材料，印刷头30沿着x 轴横穿y轴的方向来回移动。由此，如图9B和9C所示，所述可沉积材料的液滴的第一阵列能够首先以从一个通道沉积到工件上(如图9B所示)。之 后，印刷头30能够沿X轴的方向被移动例如喷嘴间距(两个相邻喷嘴间的距离)的1/2、 1/4以便填充可沉积液滴间的间隙，由此能够增大沉积液滴的密度。一旦工件被大致对准且对于平台32固定，则所述模式识别系统34中的 照相机被直接朝向指定的搜索区域以寻找所述基准。当每一个物理的基准的 中心均被找到时，中心的坐标被计算。此后，所述平台被移动以便所述工件 和所述图像上的基准匹配，或者该图像被栅格化以便图像和工件的基准彼此 极度精确地对准。在实践中，存在公差，这意味着所述框架上的每个特征均 具有轻微的不准确度。因此，坐标最终得到平衡。由此，基准越多，则校正 错误出现的越少。典型地，为了速度和准确度，通常使用三个或四个基准， 所述基准通常置于图像的末端以便提供点与点之间的最大距离以有助于准 确度。最简单的将所述过程形象化的方法是考虑对准两个相同的图像， 一个在 透明物上另一个在纸上。所述图像的末端的特征最容易被用于通过移动所述 纸张或移动所述透明物来对准所述图像。这里有两种方法用以对准所述图 像。第一种，所述工件可以被对准所述印刷图像。作为选择地，所述图像可 以被重新栅格化以便与所述工件对准。后一种选择是优选的。一种用于按需喷射沉积的适宜机器是改装的平板x-y系统，该系统通常 被用于纸张和纺织品衬底的印刷。所述机器长久以来被用于印刷电路板的处 理，并被发现适合于依据本发明的半导体封装元件的处理。以下是如何实现依据本发明的方法的示例。首先，产生期望图案的 Gerber文件，并将其作为图像文件存储于存储部件38。所述Gerber文件之 后被加载并转换成位图，并且然后所述Gerber文件准备就绪用于印刷。然后，所述工件被置于平台32上。 一旦印刷周期开始，则然后所述工件和图像通过照相机使用基准来对准。来自图像文件的对应于图像的图案通 过印刷头30印刷在工件上。注意所述系统可以进一步地装配灯单元。所述附加的灯单元在一些情况下能够提供益处。例如，如果可沉积材料是基于uv的，那么所述灯单元能够恰好在印刷后硬化或固定所述材料(固定是用于描述使材料变浓从而防止流动的部分硬化的术语)。如果所述材料是非uv的，但是包括溶剂，那么所述灯单元可以恰在印刷后促使所述溶剂完全或部分地溶解。在两种情况下，灯优选地接近印刷头30安装，并且在印刷周期中开启。一种优选的用于形成钝化体18的可沉积材料的材料是有机钝化体，该 有机钝化体具有低吸湿性、高附着力、在高湿度和高温度(THB)下抗分层、 抗高温、抗溶剂及抗化学反应的特点。所有这些特性不需要存在于一种类型的材料中。对基本材料各自的特性 进行研究并发现可沉积材料在基于有机聚硅氧烷(硅树脂)的情况下表现最 卓越。有机聚硅氧烷具有良好的吸湿值和良好的高温稳定性。因此，已经开 展了材料的开发以生产基于有机聚硅氧烷的材料，该材料能够达到以上提出 的要求。基于实验评估，硅环氧树脂和硅聚酯与其他有机硅树脂相比显示出 了优势。在开发适合的可沉积材料的过程中，优选地从结合和混合中获得尽可能多的优点。通常应该获得的优选的目的有1) 比由环氧树脂、聚酰亚胺和双马来酰亚胺获得更高的抗潮湿性能。2) 高附着力。3) 强韧的非易碎涂层。4) 高抗溶剂性能。5) 高抗温度性能。6) 低硬化温度(例如，小于210摄氏度)。已经发现的是在一个领域里取得任何显著的进步都可能以降低另一个 领域的性能为代价。例如，原始的硅树脂在潮湿测试中显示出优异的抵抗力， 但是却表现出非常差的抗溶剂能力。加入环氧基可以提高抗溶剂能力。然而， 当在某时刻所述材料达到抗溶剂能力变得令人满意的某个点时，则所述抗潮 湿性能变得不能令人满意。在本发明的一个实施例中被用于可沉积材料的聚合物合金包括硅聚酯 树脂、硅环氧树脂、丙烯酸酯和光引发剂(SPEA)。用非常基础的术语，以下列出了每个用于或可以用于SPEA的基础材料的相关的属性。1) 硅环氧树脂降低了硅树脂的硬化温度，且增加了硅树脂上的交联；2) 硅聚酯同样是降低了硅树脂的硬化温度，并且提高了所述材料的 机械特性(使所述材料更加强韧)；3) 丙烯酸酯只能用UV引发剂/催化剂引发，其具有特别密集的交联 且提高了抗溶剂能力，并且能够在可接受的脆弱性及缺乏附着力 的代价下提高抗潮湿力。在对最新一代的SPEA的可靠性测试中获得了良好的性能结果。因此， 相信SPEA将是一种适合于形成钝化体的材料。虽然SPEA是良好的用于钝化晶片的候选物质，但是仍然存在例如，在 一定的表面条件下对该材料的控制等处理难题。具体地说，该材料基于非常 高的溶剂水平且与衬底的表面磨光的差异很小，有时会在材料的润湿和流动 上导致重大的区别。然而已有可能克服SPEA的控制上的难题，在处理中材 料的第二层能够克服所述问题且能够增加用于提高材料固化和处理性能的 巨大益处。适合的第二材料是SPEARi-UVac。 SPEARi-UVac包含一些每种材料固 定的最佳属性。该材料还在单独的薄膜系统上带来一些优点，其中最令人兴 奋的是间接引化。在SPEARi-UVac中，基本SPEA材料与前面的相同(硅聚酯树脂、硅 环氧树脂和丙烯酸酯)，只是移除了光引发剂。SPEARi末端增加的Ri表示 丙烯酸酯组分现在需要间接引化。所述UVac材料是完全的UV硬化丙烯酸 酯系统，其在所述混合物中包括额外的引发剂。所述额外的引发剂在此用于 SPEARi层的间接引化。所述处理如下1) SPEARi在衬底的整个表面上沉积，所述衬底依据本发明将通过 按需喷射沉积来钝化；2) SPEARi被干燥(溶剂被去除)；3 ) UV丙烯酸酯在SPEARi上作为图像层被沉积；4) 所述UV丙烯酸酯通过暴露于频率为365nm的UV光而被曝光；5) 然后没有喷涂UVac的SPEARi被显影；6) 全部钝化体堆被硬化。如果所述引发剂被包括在SPEA层中，则其将导致所述材料被硬化到某 种程度，使得一旦所述衬底被暴露于UV光下，所述材料将不能再被显影。 通过在UV丙烯酸酯层中使用间接引发剂，使得在SPEARi中的UV反应仅 在被UVac层覆盖的区域内发生。所述SPEARi层被干燥，但是在沉积UVac 层时并未被硬化，这说明所述UV引发剂(如果粘性足够低的话)将被拖入 SPEARi层。然而，由于所述SPEARi需要热硬化，因此其未被充分地硬化，所述间 接引化意味着此处将具有一些抗溶剂能力，这能够解决许多与仅有顶层在显 影前被硬化的层处理有关的问题。上述操作使得图像能够被印刷以便在可控表面上显示，所述可控表面可 不在晶圆处理、金属磨光及衬底表面修整的影响下发生改变。所述两个层系 统同样提供显著的性能益处，这将比单层系统带来更巨大的灵活性。丙烯酸酯通常提供对潮湿和溶剂的高抵抗力。这部分是由于所述高密度 交联，这也同样是较差的附着力和脆度表现的原因。然而，所述SPEARi和UVac间的交界面具有一定程度的交联和连接，这意味着所述附着力和脆度 问题可通过将丙烯酸酯直接铺于所述衬底上而得到改善。由此，所述丙烯酸酯提供附加的阻挡层用以抵御潮湿和溶剂的侵袭，由 于其坚硬的表面还能提供良好的抗刮擦能力。此外，在两层系统中，湿汽的 传递通常被交界面所阻断。在此描述的优选实施例使用用于在半导体封装元件上形成钝化体18的 可沉积材料。至今所讨论的半导体封装元件是可以或不可以与其它封装元件 装配的半导体晶片。然而，上述的处理不限于半导体晶片。例如，依据本发 明的处理还可以包括沉积可沉积导电材料以便在半导体封装元件上形成导 电图案，例如引线框架以形成电阻或感应器，或用可沉积绝缘材料形成绝缘 体，例如电容。由此，依据本发明的处理能够被用于制造完整的半导体封装， 和/或多芯片模块。例如，以下提出的完整的多芯片模块可以通过使用依据本 发明的方法制造。以下概括了依据本发明的应用的示例的能够被采取以制造多芯片模块的步骤1. 预清洁引线框架；2. 第一绝缘体的沉积和硬化；3. 第一电导体的沉积和硬化；4. 沉积晶片附着粘合剂；5. 拾取和安置晶片并硬化晶片附着粘合剂；6. 第二绝缘体的沉积和硬化；7. 内部连线的沉积和硬化；8. 第三绝缘体的沉积和硬化；9. 第二级别内部连线的沉积和硬化；10. 最终钝化的沉积和硬化；11. 阻止导电的应用；12. 分害U/测试/T&R。 每一个操作步骤将在以下作详细的描述1.预清洁引线框架在依据本发明沉积绝缘体前可能需要预清洁所述引线框架。所述预清洁 步骤的应用可以促进其后的绝缘体在其表面上的附着。在一些情况下预清洁 可以包括等离子体蚀刻的使用以便移除所述表面上的任何固有氧化物或污图10显示了典型的引线框架类型的图像，所述引线框架包括多个独立 的器件位置40。典型的引线框架具有多种厚度的材料呈现于其表面上(例如， 双层规格)。通过使用依据本发明的按需喷射沉积能够在所述引线框架的特 定区域内应用绝缘体，并且产生在所述引线框架的平面上凸起的垂直结构。 因此，有益的是，避免了对成形的引线框架的需求，并且可以使用单一规格， 未成形的引线框架比双层规格型的引线框架的成本低。图11显示了引线框架40的近视图。引线框架40中呈现的圆形洞42能 够在不同的制造步骤中索引引线框架40。引线框架40典型地采用OFHC铜 或铜合金，例如KFC或TAMAC4制造。为了减小后续的层与引线框架40 间的压力，可以使用具有减小的热膨胀系数的合金来制造引线框架，例如， 铜-钼-铜合金或堆。在两个例子中，相同的是引线框架40喷涂有金属表面以 帮助后续操作步骤中加入的材料的粘合剂。例如，引线框架40可以喷涂镍 银以便合金成晶片附着材料在引线框架40和半导体晶片或封装之间形成坚 韧的附着粘合剂。参考图ll，虚线区域44代表处理区域，在该处理区域上制造每一个器件。
一旦每个器件被处理，每个由虚线44限定的独立的区域被锯开或蚀刻以便产生通过实线46突出显示的封装范围。在实线46和虚线44之间的区 域被包括以容纳锯的叶片或分割工具和任何与分割工具相关的位置公差的 移动的锯痕。因此，虚线44内部的独立的矩形(由实线46表示)代表分割 后已完成的产品区域。通过关注通过图11中所示的每一个矩形所表示的单 个区域，可以描述出如何使用按需喷射沉积制造完整的封装或多芯片模块。2. 第一绝缘体的沉积图12显示了引线框架40在第一绝缘体层48的沉积后的独立部分。绝 缘体层48在之后被置于器件和引线框架上的晶片间形成电绝缘层。绝缘体 层48使用依据本发明的按需喷射沉积进行沉积。绝缘体层48可以是改性环氧树脂、硅聚酯环氧丙烯酸酯(SPEA)、聚 酰亚胺、苯并环丁烯(BCB)或改性硅树脂。使用的绝缘体在绝大多数情况 下可通过添加溶剂例如甲苯、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，以使得绝缘体通过印刷头30的喷嘴(图9)。所使 用的印刷头典型地为Xaar XJ500 (由Xaar制造)或Spectra SE128 (由属于 Dimatix的Spectra制造)。 一旦在印刷头中，材料典型地被应用由压电泵或 热电蒸发处理提供的压力喷射到所述引线框架。液滴的大小可以在4到80pL 的范围内。在沉积期间，所述引线框架可以被加热以便帮助干燥存在于液滴 中的溶剂，并使末端材料在适当的位置凝固。取决于使用的材料，同样可以 随后使用UV或热硬化。在一些情况下，UV和热硬化可能是必须的。3. 第一导电材料沉积为了生成局部的、电绝缘的晶片结合焊盘，使用依据本发明的按需喷射 沉积将导电材料沉积到第一绝缘体48。注意同一步骤中，晶片结合焊盘可以与将该晶片结合焊盘重新分布到封装中的另一个位置的引线一同沉积。为了沉积第一导电层，改进的工业印刷头，例如，以上描述的XaarXJ500 或Spectm SE128能够被用于基于溶剂的金属粒子沉积。为了改善热耗散并 减小器件内的电寄生电阻，最好在溶剂内具有高装载度的金属粒子。所述材 料的示例包括Cabot AG-IJ-G-100-S1或HarimaNPS-J或NPG-J。理想情况下 所述粒子材料为银，银覆盖铜或金。银填充粒子出现优选为产生能够使在其 后的操作步骤中使用的银填充晶片附着材料形成强韧的粘合剂的层。典型地 所述粒子直径在2到30nm范围内。金属粒子大小的上限由印刷头的喷嘴直 径决定。为了减小电寄生电阻，包括墨水的纳米粒子提供了最低的电阻系数 和最高的热导电系数值。这些材料同样可以用作晶片附着粘合剂，该粘合剂 可以避免分离晶片附着和第一导电层沉积的要求。使用基于金属墨水的纳米粒子的一个附加益处是该粒子的硬化或烧结 温度明显低于常规的烧成金属墨水，典型地在150摄氏度到300摄氏度的范 围内。烧成墨典型地具有大于等于650摄氏度的烧结温度。参考图13， 一旦第一导电材料被沉积到绝缘体上，将由热硬化固定该第 一导电材料的位置，并且将所述粒子粘合在一起。图13显示了在绝缘体层 48的顶部沉积的第一导电材料的图像。如图所示，三个导电焊盘区域52、 54、 56产生于引线框架40上并能和晶片一起组装。焊盘52和焊盘56与引 线框架电绝缘，同时焊盘54与引线框架40直接接触。在封装内绝缘晶片的 能力在多芯片功率器件封装中具有特别的益处，该多芯片功率器件封装包 括，例如，IC，该IC在一些情况下主要是绝缘低压晶体管，例如，来自高 压晶体管的控制IC，例如，功率二极管、MOSFET或IGBT。使用依据本发明的方法，其它按需喷射导电材料可以被沉积以形成焊盘 或引线，并用按需喷射或丝网印刷阻挡层金属(例如，Ni、 pd或pt)磨光， 并可软焊磨光(例如，焊料、银或锡)。例如，镍引线能够依据本发明被沉积并喷涂按需喷射可软焊焊盘。例如，镍可以喷涂银。应该注意的是使用按 需喷射沉积来沉积镍、银或任何其它金属，含墨材料可以被用作按需喷射沉 积材料。之后，所述墨能够被处理(例如，通过干燥和/或硬化步骤)以便在 沉积后形成焊盘、引线或类似物。镍可以被用于寄生要求不高的情况(例如， 作为IC互连)。4. 沉积晶片附着粘合剂一旦晶片结合焊盘52、 54、 56已形成图案，则其需要附着晶片至所述 焊盘。这可以通过将导电薄膜晶片附着材料预应用于所述晶片(例如Ableflex 8007)，或银填充环氧晶片附着材料完成，例如，Ablestik 84-1 LMSR4或 Ablestik 8352L。基于焊料和银的纳米粘贴(nanopaste)的材料同样可以在此 容量上被使用。在常规晶片附着粘合剂使用之处(例如，Ablestik 84-1 LMSR4)，应用方法为压力时间或正置换分配。该处理结合到晶片粘合和拾取及放置设备。 应该注意的是作为选择的处理例如，丝网印刷或使用依据本发明的按需喷射 沉积同样可用于晶片附着粘合剂的应用。图14显示了晶片附着粘合剂58被应用到焊盘52、 54、 56。注意在此情况下所述的晶片附着材料可以是银填充的环氧树脂。5. 拾取和安置晶片并硬化晶片附着粘合剂参考图15， 一旦晶片附着粘合剂被沉积，特定的晶片被从载体带上拾取 并以晶片粘合操作放置于粘合剂58上。在此特定例子中，三个不同的晶片 被放置于所述封装内。所述晶片可以是国际整流器公司的IRF6623控制功率 MOSFET 60， IRF6620同步功率MOSFET 62和IRF3505单相栅极驱动器IC 64晶片。 一旦被放置，所述组合在约150摄氏度到200摄氏度的情况下被硬化30分钟到1小时。依据此处提出的例子中使用的晶片的结合将使单相电 压稳定器模块变得可行。6.第二绝缘体的沉积和硬化一旦所述晶片附着粘合剂被硬化，则第二钝化体层被应用以作为校平器帮助所述组合的顶部表面变得平坦。第二绝缘体层68能够使用依据本发明 的按需喷射沉积被应用。通过类似于图9所示的系统中使用印刷头(例如， Xaar XJ-500)沉积所述材料。当应用第二绝缘体层68，所述喷射头定位系 统的模式识别必须能够对任何旋转进行识别和补偿，或可能在前述的晶片置 换和硬化步骤期间发生的所述半导体晶片的x-y重定位。所述处理导致在除 了区域66的所述组合的整个表面上的绝缘体的沉积，所述区域66在之后的 如图16、 17和18所示的处理步骤(例如，在半导体晶片上加焊盘)中被电 连接。被用于第二绝缘体层68的材料可以是改性环氧树脂、硅聚酯环氧丙烯 酸酯(SPEA)、聚酰亚胺、苯并环丁烯(BCB)或改性硅树脂材料。为了提 高绝缘体的热导电系数，需要向绝缘体中填充氮化硼、AIN或类似的热导电 填充物。在每一种情况中，所述导电填充物的直径按规律是3nm到2um， 并足够小以便通过按需喷射系统的头部喷射。如果所述绝缘体材料的结果厚 度大于100um，那么可能需要在衬底上的喷头的一些通道中应用所述绝缘 体。一旦被沉积，所述第二绝缘体材料将被硬化。对基于环氧树脂的系统， 所述硬化温度典型地在150摄氏度到200摄氏度之间，且对基于硅树脂的材 料为200摄氏度到300摄氏度。在一些情况下，UV稳固剂被添加到绝缘体 材料。在此情况下， 一旦所述材料被沉积，则优先通过短暂地暴露于UV光 下而开始热硬化步骤。在所述第二绝缘体滤去未喷涂的电极上的残余物的情况下，需要额外的 清洁、冲洗和干燥步骤。所述额外的清洁移除所述电极上的全部残余物且保 证该电极在互连沉积前被充分地清洁。注意，作为选择地，第二钝化体可以 使用其它方法被沉积，例如，丝网印刷、蜡纸印刷或扩散。7.内部连线的沉积和硬化参考图19，接着第二绝缘体层68的硬化，导电引线70被沉积到所述组 合上以便在功率器件晶片60、 62、 IC晶片64和焊盘区域间提供电连接，所 述焊盘将在终端用户的电路或载体上形成电连接。引线70能够使用依据本 发明的按需喷射沉积被沉积。引线70由使用工业墨喷头在所述组合的表面上的沉积导电"墨"而形 成。所使用的喷头的示例可以包括例如，Xaar XJ-500或由惠普(HP)或爱 普生(Epson)改进的印刷头。所使用的按需喷射系统与图9中突出显示的 系统类似。然而，在此步骤中，数据被读入计算机控制器以分辨所述IC焊 盘的精确位置。如第6部分所述，所述IC和功率器件可以在x和y轴上发 生位置改变。所述按需喷射系统应该通过重新定位喷头补偿电极位置上的任 何改变，并对所述引线布线应用微小的改变。所述改变可以包括减小/增加所 述引线的长度，改变所述引线与x轴或y轴相关的角度，或增加或减小所述 导电引线的区域。图19显示了所述组合在应用导电引线后的图像。在所述沉积中，产生 外围的焊盘区域，且该区域有线连接到IC焊盘。更大的区域引线被用于将 在功率器件60、 62上的源电极分别与引线框架40和所述焊盘互连。所述导 电材料理论上具有低电阻系数、优选为接近纯银或铜的电阻系数。典型的材 料是类似于第3部分所述的第一导电材料。 一旦被沉积，导电引线材料将被 硬化以干燥溶剂并稳固引线在所述组合上的位置。8. 第三绝缘体沉积和硬化参考图19，并不总是需要在不横跨连接其它焊盘的导电引线的情况下，在外围的焊盘上排布IC上的电极。图19中显示的两个IC焊盘表明了这一现象。对此问题的解决方案是使用按需喷射沉积以在需要由其他引线"搭桥"的引线上应用微小区域的绝缘体(第三绝缘体)。这如图20所示，所述桥形 绝缘体72材料将是类似的，否则与第6部分所述的用于形成第二绝缘体的材 料相同。9. 第二级别内部连线的沉积和硬化一旦绝缘体"桥"72在适当的位置上，则通过所述按需喷射沉积系统的 第二通道完成IC64上的全部电极焊盘与其在所述组合的外围上指定的焊盘或 功率晶片60、 62上的电极的连接。图21上显示了完整的布线74。 一旦被沉 积，所述绝缘体将被硬化以干燥溶剂并稳固所述引线的位置。同样可以在同一个印刷机上以相分隔的每种材料专用的储液器使用导 电引线70和绝缘体桥72。由此，所述桥和"有线连接"能够在单步处理中实 现，这将需要所述"桥"绝缘体在原位(例如，通过使用UV硬化)中被完 全地硬化或具有与导电墨类似的硬化进度。如果墨和线金属材料均在一个步 骤中被硬化，那么同样重要的是所述墨中的金属粒子不通过所述桥渗透，且 折中所述绝缘体对相邻弓I线的绝缘能力。10. 最终钝化体和沉积硬化参考图22A，横跨所述组合的表面形成的导电引线需要免于遭受终端用 户的处理步骤，例如，焊接、重新流动、清洁和终端用户的操作环境。由此， 最终钝化体层76作为环境阻挡层被添加到晶片表面。该层典型地是基于环氧 材料或硅聚酯环氧丙烯酸酯(SPEA)、聚酰亚胺、苯并环丁烯(BCB)或改性硅树脂。所述材料可以使用依据本发明的按需喷射沉积来进行沉积。所述 钝化体材料喷涂于所述组合的整个表面，除了需要被焊接到终端客户的电路 板或模块上的焊盘区域66。所述沉积处理之后跟随着热硬化。取决于所使用 的钝化体材料，钝化体硬化处理步骤可能优先于uv稳固步骤。ll.基于避免导电材料的焊料合金的应用一旦所述最终钝化体步骤被硬化，焊料合金材料将使用改进的焊料蜡纸被沉积到所述组合的外围焊盘上。优选的材料由包含镍球体的SnAgCu合金 组成。所述材料的进一步的细节可以在共同受理中的属于本申请的受让人的 美国申请10/970,557中找到，其全部内容作为引用结合于此。所述焊料合金 的目的是沿着所述组合的外围提供可软焊的触点78的阵列，在所述外围，每 个独立的触点的表面与引线框架40的表面具有相同高度。图22B显示了沿着 引线框架40的外围应用了焊料合金的组合的图像。图23、 24和25显示了图22B所示的组合的近视图。所述图中的部分显 示了焊料合金支架78、晶片62、所使用的全部绝缘体及区域，在该区域，金 属相互填充在所述组合表面桥上的引线。焊料合金支架78包括如美国申请 10/970,557中所述的焊料矩阵粘合于一起的导电粒子。注意Ni阻挡层材料能够依据本发明的按需喷射沉积到焊盘上以阻止焊 料在之后步骤中的消耗。 一旦Ni被沉积，可以按需喷射沉积额外的可软焊层 (例如，银)以阻止Ni的氧化。此后，可以形成所述焊料合金支架。由此， 例如，用以阻止包含银的沉积焊盘被焊料消耗，镍阻挡层能够被沉积于导电 焊盘的顶上以作为阻挡层。之后，能够在镍阻挡层体上形成包含银的可软焊 体以便实现同样优异的接收焊料的能力。作为选择地，丝网可印刷镍和银厚膜浆料可以在形成所述支架前，在按 需喷射沉积材料的场所被应用到所述焊盘。在此应该注意的是包括纳米粒子填充的浆料的替换材料也可以是用于喷 涂所述组合的外围焊盘的合适的候选者。12.分割/测试/激光标记/T&R一旦最终可软焊触点被应用，所述组合将经历分割、测试和激光标记的 结合。最终，器件进入为了出售给顾客的盘巻和巻轴。器件分割可以使用任何已知的处理或己知的处理的结合来实施。典型的 例子包括常规的用旋转刀片锯开、冲压、V划线器、激光切割/切除和喷水媒 介研磨锯。冲压因低成本而成为优选。可能的是所述分割、测试和盘巻及巻 轴处理将在一片设备上实施以减小工作面的面积并增加生产量。除了上述的功能，模式识别系统34 (图9)还被用于控制按需喷射传输 以制造多芯片模块，该模式识别系统理想地具有以下功能1) 可编程以识别和存储所述半导体器件晶片电极关于晶片上的参 考点的位置。2) 能够识别和存储每个晶片关于引线框架或载体上的加工孔或校 正标记的位置和方向。3) 能够识别和存储每个晶片关于引线框架或载体上的引线框架暴 露区域或焊盘的位置和方向。4) 能够恢复放置于所述引线框架或带电体上的每一个晶片上的每 一个电极的精确位置，用于之后的按需喷射处理步骤(例如第7 部分所述的处理)。5) 能够输入来自孤立的模式识别设备的晶片和焊盘位置数据。6) 能够比较实际焊盘位置数据输入和所述输入的设计数据(例如， Gerber文件)，并修改印刷长度、位置或体积以便补偿在所述组 合中的平移、旋转、倾斜或累积的公差误差。虽然本发明是结合特殊实施例加以描述的，但是许多其它的改变和修改 以及其它应用对本领域的技术人员将是显而易见的。因此，优选为本发明不 受此处公开的具体内容限制，而仅由所附的权利要求限定。
权利要求
1.一种制备半导体封装的方法，该方法包括识别半导体封装元件上的参考标记；定位按需喷射头，该按需喷射头能够基于所述识别的参考标记沉积喷射可沉积材料；以及在所述半导体封装元件的表面上沉积所述可沉积材料以获得图案。
2. 根据权利要求1所述的方法，其中所述半导体封装元件是半导体晶片。
3. 根据权利要求2所述的方法，其中所述半导体晶片是半导体晶圆的一部分。
4. 根据权利要求1所述的方法，其中所述半导体封装元件是MOSFET、 IGBT、 二极管、HEMT、双极型晶体管、JFET或集成电路。
5. 根据权利要求1所述的方法，其中所述可沉积材料是绝缘体。
6. 根据权利要求1所述的方法，其中所述可沉积材料是导电材料。
7. 根据权利要求1所述的方法，其中所述半导体封装元件是引线框架的一部分。
8. 根据权利要求1所述的方法，其中所述半导体封装元件是导电容器。
9. 根据权利要求1所述的方法，其中所述可沉积材料是聚合物合金。
10. 根据权利要求9所述的方法，其中所述聚合物合金包括硅环氧树脂。
11. 根据权利要求9所述的方法，其中所述聚合物合金包括硅聚酯。
12. 根据权利要求9所述的方法，其中所述聚合物合金包括丙烯酸酯。
13. 根据权利要求1所述的方法，其中所述可沉积材料包括有机聚硅氧烷。
14. 根据权利要求1所述的方法，其中所述半导体封装元件是多芯片模块的一部分。
15. —种用于制造半导体器件的方法，该方法包括形成导电体，该导电体包括易于被焊料消耗的材料； 在所述导电体顶上沉积阻挡层，所述阻挡层能够阻止所述易消耗的材料 的消耗；以及在所述阻挡层顶上沉积可软焊体。
16. 根据权利要求15所述的方法，其中所述易消耗的材料包括银。
17. 根据权利要求15所述的方法，其中所述阻挡层包括镍。
18. 根据权利要求15所述的方法，其中所述阻挡层是通过按需喷射处 理来沉积的。
19. 根据权利要求15所述的方法，其中所述阻挡层是丝网印刷的。
20. 根据权利要求15所述的方法，其中所述可软焊体包括银。
21. 根据权利要求15所述的方法，其中所述阻挡层包括镍，且所述可 软焊体包括银。
22. 根据权利要求15所述的方法，其中所述易消耗的材料是银，所述 阻挡层包括镍，且所述可软焊体包括银。
23. —种制造MCM的方法，该方法包括按需喷射沉积导电引线和引线框架上的绝缘体以形成能够接收半导体 器件的集成电路体；以及在所述引线框架上按需喷射沉积识别标记。
24. 根据权利要求23所述的方法，其中所述标记包括零件编号或制造 曰期。
全文摘要
一种半导体封装的制造方法，在该方法中，按需喷射可沉积材料的按需喷射沉积被用来准备半导体封装或多芯片模块的一个元件或多个元件。
文档编号H01L21/50GK101238562SQ200680007094
公开日2008年8月6日 申请日期2006年3月6日 优先权日2005年3月4日
发明者A·索勒, K·麦卡特尼, M·帕维尔, M·斯坦丁, R·J·克拉克 申请人:国际整流器公司