专利名称：具有低电阻和电感的高电流半导体装置系统的制作方法
技术领域：
本发明大体涉及半导体装置和过程；且更具体而言，涉及高性能倒装芯片半导体 装置，所述高性能倒装芯片半导体装置具有低电阻且可提供高功率、低噪声以及高速 度。
背景技术：
集成电路(IC)技术中的盛行趋势是装置朝着更高集成度(以縮减组件特征大小) 及更高速度发展。另外，保持成本/性能比处于控制之下存在巨大压力，而这又常常转 化成寻找较低成本解决方案的驱动力。更高水平的集成度包括需要更高数目的信号线 和电力线，然而较小的特征大小使得保持清洁信号而不相互干扰越来越困难。这些趋势和要求不仅支配并入IC的半导体芯片，而且支配容纳和保护IC芯片的封装。与传统线接合组装相比，以下事实使得倒装芯片组装在硅集成电路(ic)装置的制造过程流程中越来越受欢迎。第一，当与传统线接合互连技术相关的寄生电感降低 时，半导体装置的电性能通常可得到改进。第二，与线接合相比，倒装芯片组装通常 在芯片与封装之间提供更高的互连密度。第三，在许多设计中，与线接合相比，倒装 芯片组装消耗更少的硅"板面空地"，并因此有助于节约硅面积并降低装置成本。及 第四，当采用同时群点接合技术而非连续的个别接合步骤时，常常可降低制造成本。 所述制造过程中的标准球接合方法使用焊料球、或凸块、及其回流技术。这些互 连方法比线接合更昂贵。另外，在对附接有焊料球装置的某些应力和使用寿命测试中 存在严重的可靠性问题。产品经理不仅需要更高性能的倒装芯片组装产品，而且其也 需要更低成本和更高可靠性的线接合装置。发明内容申请者认识到，需要开发一种技术方法，所述技术方法考虑由半导体芯片、装置 封装以及外部板组成的完整系统以提供包括低电阻和电感、高可靠性和低成本的卓越 产品特性。最小电感和噪声是高速度的必要条件，且降低的电阻是高功率的必要条件。 系统范围内的组装方法还应提供机械稳定性和高产品可靠性，尤其是在加速应力测试 (温度循环、坠落测试等)中。制造方法应足够灵活，以应用于不同的半导体产品族 (包括衬底和板)，以及较宽范围的设计和过程变化。本发明的一个实施例是具有低电阻和低电感的高电流半导体装置。芯片具有带敷 金属迹线的有源表面；有源芯片表面由绝缘外涂层保护。外涂层中的窗口暴露敷金属 迹线的若干部分；所述窗口经铜填充以形成到达所述敷金属的触点。所述外涂层上的 铜层形成平行于所述外涂层下面的迹线的线路；所述层与填充有金属的窗口接触。铜 凸块以有序和重复的布置形成于每一线路上，使得一个线路的凸块大约定位在相邻线 路的凸块之间的中间。具有第一和第二表面的衬底具有延长铜引线；所述引线与所述 线路以直角定向。每一引线的第一表面使用焊料元件连接交替线路的相应凸块。模制 化合物囊封已组装的装置和衬底，使得第二衬底表面的引线保持暴露。在一些装置中，所述衬底是铜引线框架，在另一些装置中，是带状或块状绝缘体。 在其它装置中，散热嵌片附接到芯片以帮助冷却高功率装置。所述铜层具有约lOpm 与15)am之间的厚度，且铜凸块具有约30pm与7(^m之间的高度。根据本发明的装置 可小于1 mm厚；所述装置的低电阻使其能够处置15 A与30 A之间的电流，某些装 置的目标是处置60A及更高的电流。低电感提供低电噪声。本发明的另一实施例是具有低电阻和低电感的高电流电子系统。所述系统使用上 述半导体装置，并采用具有平行于所述装置的铜衬底引线的铜接触垫的电路板。所述 弓I线的暴露表面通过焊料层附接到所述板垫。
图1是根据本发明的未囊封半导体装置的一部分的示意性剖面图。图2是根据本发明的未囊封半导体装置的一部分的示意性透视三维图。图3是供图l和图2中的装置使用的衬底(引线框架)的俯视图。图4是附接有散热嵌片的经囊封高电流半导体装置的示意性剖面图。图5是组装在电路板上的经囊封高电流半导体装置的示意性剖面图。图6是组装在电路板上附接有散热嵌片的经囊封高电流半导体装置的示意性剖面图。
具体实施方式
图1示意性显示通常标示为100的高电流半导体装置，其具有低电阻和低电感。 基于这些特征， 一些实施例可处置约15 A到30A的电流，其它实施例可处置高达60 A及更高的电流。半导体芯片101具有有源表面101a和与所述有源表面相对的表面 101b。芯片101含有多个敷金属层级。最靠近表面101a的金属层级被配置成迹线；在 图1中，所述迹线中的一者标示为102;其垂直于纸面伸展。迹线102可由铝、铝合 金、铜或铜合金组成；迹线102的厚度优选地在约0.5 iam与1.0 iim之间。整个有源 表面101a由绝缘外涂层103覆盖，优选地在约0.5 iim到l.Opm之间的厚度范围内。 外涂层103的材料优选地选自由氮化硅、氮氧化硅、氧化硅、这些化合物中两种化合物的堆叠、或其它机械性较强并防湿的材料组成的群组。沿金属迹线102是位于外涂层103中的多个窗口。图1图解说明宽度104的窗口。 这些窗口暴露敷金属迹线102的若干部分。如图1所指示，用铜将诸如104等窗口填 充到外涂层103的高度，以与敷金属102电接触。在外涂层103上，且因此也在窗口104上，是铜/铜合金层，所述铜/铜合金层构 造成平行于外涂层103下面的迹线102伸展的线路105。线路105具有在约10pm与 15|am之间的厚度105a。线路105与填充有铜的窗口 104接触。所有线路105嵌入层 106中，而层106优选地由聚酰亚胺或类似聚合化合物制成，优选地为lOpm至lj 20|am 之间厚。在沿每一线路105规律间隔处是聚酰亚胺层106中的宽度107的窗口。选择特定 线路105的窗口 107，使得其大约位于每一侧上相邻线路的窗口的间隔之间的中间。 铜/铜合金凸块108填充窗口 107，并与铜线路105接触。凸块108具有高度108a和可 焊接表面，所述高度优选地在约3(Vm与70(am之间。在这种图案的情况下，铜凸块 108以规律间隔位于每一铜线路105上； 一个特定线路的凸块大约位于每一侧上相邻 线路的凸块的间隔中间的中间。使用这种交替序列，形成了两组多个凸块，其中一组 多个凸块的凸块位置以预定节律与另一组多个凸块的凸块位置交替。所述装置进一步包括具有延长铜引线的衬底。图1的实施例图解说明引线110， 其具有第一表面110a和第二表面110b。作为实例，具有引线110的衬底可以是具有 延长引线的金属引线框架，或包括延长铜引线的带状或块状绝缘体。在金属引线框架 的实例中，铜引线通常具有在150lim与250iam之间的厚度110c。引线110与线路105以直角定向。此外，第一引线表面110a附接到凸块108，使 得引线110连接交替线路的相应凸块。所述连接由焊料元件109提供。优选地，焊料 元件109的厚度109a在约10nm与25iam之间；为了增强导电性，优选为使厚度109a 保持小。如图1所指示，焊料元件109可湿润凸块108的侧表面的至少一部分。焊料 元件109含有锡；为容易湿润和可焊接性，其也可含有选自由银、铋、铟、锌、铜、 镍、锑及铅组成的群组的金属中的一者或一者以上。通过图2的透视三维图更为详细地图解说明铜层105、铜凸块108以及铜引线110 的相对定位。采用相同的编号来指代图1中相同的物件。半导体芯片标示为101，其 有源表面为101a，且所述有源表面上的保护外涂层为103。最接近表面的敷金属图案 化成多个迹线102。图2图解说明填充有铜的与敷金属迹线102相互交替连接的外涂层窗口 104。这 些交替的填充有铜的窗口由铜线路105连接。绝缘聚合物层106具有用于铜凸块的开 口。铜凸块108置于每一位置上的铜线路105上，其中填充有铜的窗口 104连接到敷 金属102。通过使用焊料元件109，将凸块108连接到衬底引线110的第一表面110a。引线 110与线路105以直角定向。引线110的第二表面110b可用于附接到外部部件。作为适用于能够应对大于30 A的电流的电力装置的衬底的实例，图3呈现大致 标示为300的金属四边扁平封装无引线(QFN)引线框架的俯视图。所述引线框架是 由0.2 mm厚的铜制成。弓|线301打算用于接地(漏极)，并具有0.5 mm的宽度301a; 在所述装置经囊封以后，这些引线的第二表面将保持暴露，以支持热装置性能。与引 线301交替的是引线302，其打算用于电源(源极)，也为0.5mm宽且也被暴露。装 置接触垫303具有0.5mm的间距304。芯片轮廓310尺寸为3.1 x 4.0 mm，装置轮廓 320尺寸为6.0x6.0mm。图1、 2及3中对从芯片敷金属到衬底引线的电流路径的说明所突出的是几乎所 有使用的金属均是铜，而铜具有优良的导电性(0.596 "0eQ"cm—1)。基于特定电力装 置中采用的几何结构，人们可计算所述电流路径所遇到的电阻并将其与所考虑的有源 装置的导通电阻进行比较。计算显示对于在典型操作条件下的典型QFN电力装置来 说，金属电阻占总电阻的约15%到17%之间，而在最差情况条件下，金属电阻将不会 超过总装置电阻的25%。因此，即使是小尺寸的QFN也可应对超过30A的电流。图1 、 2及3强调电路径的不足以及所有导体的直径相对较大(并具有高导电性)。 这些条件不仅使电阻较低，而且也使电感较小。图4图解说明囊封之后的已完成的电力装置。模制化合物401或另一囊封材料囊 封图1的已组装装置和衬底，使得第二引线表面100b保持未囊封且因此可用于附接到 外部部件。作为一实例，对于高功率QFN (大于30 A电流)来说，总装置高度402 可以是0.9mm。在一个实施例中，与有源芯片表面101a相对的芯片表面101b由模制化合物覆盖。 在另一实施例中，散热嵌片404使用导热性粘合剂403附接到芯片表面101b。在图4 的装置中，散热嵌片404具有用于附接到芯片表面101b的第一表面404a、及出于冷 却目的而暴露到周围环境的第二表面404b。在其它装置中，第二嵌片表面404b由一 定量的囊封材料覆盖。优选地，散热嵌片由铜制成，因为铜具有良好的导热性(4.01W cm"*K—"。针对额外的热增强，面向周围环境的嵌片表面可构造成增强对流，使得 装置热量更有效地转移到作为最终散热器的周围环境；实例包括粗糙的嵌片表面及附 接的鳍片或其它堡状物。图5和图6中所图解说明的本发明的另一实施例是具有低电阻和低电感的高电流 电子系统。所述系统包括通过薄焊料层焊接到电路板的半导体装置。在图5中，所述 系统大致标示为500，半导体装置为501，电路板为520，且焊料层为530。所述焊料 层优选地具有约10|am与20(am之间的厚度。所述半导体装置包含具有敷金属迹线(图5中未示出)的芯片502。所述迹线通 过平行于所述迹线的铜线路503进行接触。每一线路503具有呈有序和重复布置形式 的铜凸块504，使得一个线路的凸块大约定位在相邻线路的相应凸块之间的中间。通 过使用焊料元件505，交替线路的相应凸块通过衬底的延长铜引线506来接触；引线 506与线路503以直角定向。模制化合物507囊封已组装装置和衬底，使得所述引线的一个表面保持未囊封。电路板520具有平行于引线506的铜接触垫521。所述引线的未囊封表面通过焊 料层530附接到板垫521。对于低电阻，焊料层530优选地保持薄，因为其导电性低 于铜的导电性。如图5所指示，板520可具有位于其与装置附接表面相对的表面上的 另一组接触垫522。这些额外的一组垫可用于施加压力或用作到达额外的外部部件的 焊料触点。图6描绘具有低电阻和低电感的高电流电子系统。所述系统(通常标示为600) 包括半导体装置601，其具有附接到芯片604且并入到模制封装605中(进一步并入 到电路板620)的散热嵌片603。所述装置通过焊料层630附接到板620。尽管己参照说明性实施例对本发明进行了描述，但不应将磁说明理解为具有限定 意义。在参照本说明后，所属技术领域的技术人员将明了所述说明性实施例的各种修 改和组合以及本发明的其它实施例。
权利要求
1、一种具有低电阻和低电感的高电流半导体装置，其包含芯片，其具有带敷金属迹线的有源表面，所述有源芯片表面由绝缘外涂层来保护；外涂层窗口，其暴露所述敷金属迹线的若干部分，所述窗口填充有铜以形成到达所述敷金属的触点；铜层，其位于所述外涂层上，从而形成平行于所述外涂层下面的所述迹线的线路，所述层与所述填充有金属的窗口接触；铜凸块，其以有序和重复的布置形成在每一线路上，使得一个线路的所述凸块大约定位在相邻线路的相应凸块之间的中间；衬底，其具有带第一和第二表面的延长铜引线，所述引线与所述线路以直角定向，每一引线的所述第一表面使用焊料元件连接交替线路的相应凸块；及模制化合物，其囊封所述已组装装置和所述衬底，使得所述第二引线表面保持未囊封。
2、 如权利要求1所述的装置，其中所述衬底是具有第一和第二表面的铜引线框 架，所述引线与所述线路以直角定向且间隔开，使得每一引线的所述第一表面通过焊 料元件附接到交替线路的所述凸块。
3、 如权利要求1所述的装置，其中所述衬底是具有带延长铜引线的第一和第二 表面的带状或块状绝缘体。
4、 如权利要求1所述的装置，其进一步包含具有第一和第二表面的散热嵌片， 所述第一嵌片表面附接到与所述有源芯片表面相对的所述芯片表面。
5、 如权利要求4所述的装置，其中所述第一嵌片表面附接到与所述有源芯片表面相对的所述芯片表面，使得所述第二嵌片表面不被模制化合物覆盖而是出于冷却目 的保持暴露于周围环境。
6、 如权利要求l所述的装置，其中所述铜层具有约lO[im与15(im之间的厚度。
7、 如权利要求l所述的装置，其中所述铜凸块具有约30iam与70(im之间的高度。
8、 如权利要求l所述的装置，其中所述焊料元件具有约lOiim的厚度。
9、 如权利要求2所述的装置，其中所述引线框架由铜制成，且所述引线具有约 150 nm与250 之间的厚度。
10、 一种具有低电阻和低电感的高电流电子系统，其包含半导体装置，其包含芯片，其具有带敷金属迹线的有源表面，所述有源芯片表面由绝缘外涂层来保护； 外涂层窗口，其暴露所述敷金属迹线的若干部分，所述窗口填充有铜以形成到达 所述敷金属的触点；铜层，其位于所述外涂层上，从而形成平行于所述外涂层下面的所述迹线的线路， 所述层与所述填充有金属的窗口接触；铜凸块，其以有序和重复的布置形成在每一线路上，使得一个线路的所述凸块大 约定位在相邻线路的相应凸块之间的中间；衬底，其具有带第一和第二表面的延长铜引线，所述引线与所述线路以直角定向，每一引线的所述第一表面使用焊料元件连接交替线路的相应凸块；模制化合物，其囊封所述己组装装置和所述衬底，使得所述第二引线表面保持未 囊封；及电路板，其具有平行于所述引线的铜接触垫，所述引线的所述第二表面通过焊料 层附接到所述板垫。
11、如权利要求IO所述的装置，其中所述焊料层具有约10iam与20)am之间的厚度。
全文摘要
本发明涉及一种具有低电阻和低电感的高电流半导体装置(例如用于30A到70A的QFN)，所述高电流半导体装置由模制化合物(401，具有约0.9mm的高度402)加以囊封，使得第二引线表面(110b)保持未囊封。可使用导热性粘合剂(403)将铜散热嵌片(404)附接到芯片表面(101b)。由外涂层(103)保护的芯片表面(101a)具有敷金属迹线(102)。经铜填充的窗口接触所述迹线和平行于所述迹线的铜层(105)。铜凸块(108)以有序和重复的布置形成在每一线路上，使得一个线路的凸块大约定位在相邻线路的凸块之间的中间。衬底具有与所述线路以直角定向的延长引线(110)；所述引线连接交替线路的相应凸块。
文档编号H01L29/40GK101278401SQ200680036054
公开日2008年10月1日 申请日期2006年8月16日 优先权日2005年8月22日
发明者伯恩哈德·P·朗格, 安东尼·L·科伊尔 申请人:德州仪器公司