专利名称：用于改进装置翘曲和焊球共面性的半导体组合件的制作方法
技术领域：
本发明大体上涉及半导体装置和工艺的领域，且更具体地说，涉及装置组合工艺中 半导体芯片附接的结构和方法。
背景技术：
任何从事在电子板上组合组件工作的半导体组件使用者都可描述组件对于板组合 件缺乏足够的共面性时所遇到的困难。为了避免所述困难，通常制定严格的要求。举例 来说，对于具有表面安装引线的半导体装置来说，所述要求包含对于1 mm的引线间距， 共面度约为0.14 mm，且对于0.3 mm的引线间距，共面度约为0.05 mm。所述要求随 引线间距缩小而迅速增加。对于具有焊球的装置，例如球栅阵列(BGA)，共面性不足表现为少数焊球不与大多数球同时接触衬底。因此，文献中已致力于校正不等尺寸的焊球或延迟的回焊膏的共 面性问题。这些努力只取得了有限的成效。发明内容申请人认识到，在BGA中，共面性问题在大多数情况下是由装置翘曲引起的，因 此共面性的改进应最容易基于减少或消除装置翘曲。由于此途径在根本原因上消除了共 面性问题，因此所述途径是一种本质上低成本且稳固的方法。另外，所述途径可应用于 许多装置类型和产品系列，且可根据衬底的多种材料特征而微调。本发明的一个实施例是一种半导体装置，其具有芯片，所述芯片的位置界定平面， 以及绝缘衬底，其具有第一表面和第二表面；所述衬底大体上与所述芯片共平面而无翘 曲。使用具有厚度的粘合材料将芯片侧面中的一者附接到第一衬底表面。所述粘合材料 的厚度经分布以使得中心芯片区域下的厚度等于或小于外围芯片区域下的材料厚度。包 封化合物包埋所有其余芯片侧面和第一衬底表面的未包含在芯片附接中的部分。当多个传导性接触焊垫分布在第二衬底表面的至少若干部分上，且回焊元件附接到 每个接触焊垫时，此多个回焊元件大体上与芯片共面。本发明的另一实施例是一种制造半导体装置的方法。提供具有第一表面和第二表面 的绝缘衬底。将所述第二表面放置在具有用于真空抽吸的开口的夹盘上；所述夹盘的表 面有效地凸起，实际上通常由升高的中间部分来实现。启动真空抽吸，使得衬底实际上在夹盘表面上弯曲成凸形。接着将粘合材料放置在第一衬底表面上；所述材料是粘性的 且具有厚度。接下来，提供具有侧面的半导体芯片，其中所述侧面中的一者是打算用于 机械附接的。将此附接芯片侧面放置在粘合材料上；所述材料的厚度变得由此而分布， 以使得芯片侧面的中心区域下的厚度小于或等于芯片侧面的外围区域下的材料厚度；芯 片的位置界定平面。
接着停用真空抽吸，且将衬底连同经组合的芯片从夹盘移除。将所有其余芯片表面 和第一衬底表面的未包含在芯片附接中的部分包埋在热固性包封化合物中。使所述化合 物聚合，从而导致化合物的体积縮小，这将衬底拉到大体上与芯片共面的位置中。所述 装置不显示出翘曲。
当衬底具备分布在第二衬底表面的至少若干部分上的多个传导性接触焊垫时，回焊 元件可附接到每个接触焊垫；因而所述多个回焊元件大体上与衬底和芯片共面。
图1是已知技术中，具有搁置在具有平坦表面的夹盘上的经组合半导体芯片的衬底 的示意性横截面。
图2是已知技术中的经组合装置的示意性横截面。
图3展示已知技术中，具有经聚合的模制化合物和多个焊球的完成装置的示意性横 截面。
图4是已知技术中，模制化合物聚合之后的实际大芯片半导体装置的横截面的显微 照片。
图5A是根据本发明具有搁置在具有表面轮廓的夹盘上的经组合半导体芯片的衬底 的实例的示意性横截面。
图5B是根据本发明具有搁置在具有表面轮廓的夹盘上的经组合半导体芯片的衬底 的另一实例的示意性横截面。
图6是根据本发明在己将装置组合在真空夹盘上之后，经组合装置的示意性横截面。
图7展示根据本发明在已将装置组合在真空夹盘上之后，具有经聚合的模制化合物 和多个焊球的完成装置的示意性横截面。
图8是根据本发明在组合在真空夹盘上之后且在模制化合物聚合之后的实际大芯 片半导体装置的横截面的显微照片。
具体实施方式
图1示意性地说明具有平坦平整表面101a的可加热夹盘101。表面101a中有多个 开口 (图l中未展示)，可通过所述开口施加真空，使得真空抽吸表面101a上的物体， 以固持所述物体，使其紧靠所述表面。
在开启真空之前，将衬底102放置在表面101a上；所述衬底也为平整的。接着开 启真空，且固持衬底102，使其紧靠表面101a。(通常通过注射器)将预定量的粘性粘 合材料103 (通常是聚酰亚胺或环氧树脂)沉积在衬底102上。轻压半导体芯片104使 其抵靠附接材料103，且通过夹盘的热能来使所述材料部分聚合。芯片104与衬底102 共面。
当将经组合的芯片与衬底从夹盘提起(见图2)时，衬底102仍具有其平坦配置； 衬底102仍与芯片104共面。
接着，将所述组合件包封在热固性聚合物化合物301 (通常是模制化合物)中。在 包封之后，通过将装置在升高的温度下存储数小时而使化合物301聚合。在聚合过程期 间，化合物301经历体积縮小。因此，完成的装置获得如图3中示意性表示的形状衬 底102被拉向聚合物化合物，且变成在芯片104下向外弯曲(凹形)。衬底102不再与 芯片104共面。附接材料103在芯片104的中心(301b)的厚度与其在所述芯片边缘 (301a)下的厚度相比较大。且经聚合的包封材料可具有不平坦且在中心显示出微小下 沉301b的外表面301a。
当焊球320附接到衬底102的外表面102a，且所述球具有相等尺寸时，所述球的 平面无法与芯片104共面。当如图3所描绘的装置待附接到电路板时，使焊料熔化。每 当共面性的缺乏明显到无法通过回焊焊接来补偿时，将出现板附接故障。
图4中由模制材料401包封且组合在具有平坦表面的夹盘上的实际装置的横截面的 显微照片说明附接材料的不等厚度。芯片404的厚度404a为275 P m，且长度404b 为5.75 mm。芯片附接材料403在中心的厚度403b约为108 u m，而在芯片边缘处的 厚度403a仅为约87 U m;中心与外围之间的差值约为21 u m。
如显微照片所示，图4中的衬底402遵循芯片附接材料403的弯曲外形。衬底的以 下部分是可见的黑白相间层402a，其由以焊接掩膜隔开的铜迹线组成；灰色层402b， 其为聚酰亚胺带。略带白色的球体是焊球420。所述多个焊球不与芯片共面。(图4中 未展示衬底的例如焊接掩膜、镍层等的更精细的细节)。
图5A的实施例描绘根据本发明而修改的组合设备。可加热夹盘501具有适合放置 片状衬底的表面。所述表面具有用于真空抽吸的开口 (图5A中未展示)。夹盘表面具 有位于第一平面内的区域部分502a，和位于相对于所述第一平面而升高的第二平面内的至少一个区域部分502b，使得夹盘表面的总轮廓变成凸形。当原先平整的片状衬底 503被放置在夹盘表面上，且被所启动的真空拉向表面时，所述衬底将如图5A所示那 样遵循总凸形轮廓且采用此轮廓。举例来说，对于例如Star BGA等装置，图5A中的表面502a与表面502b之 间的高度差510可以是25 ym。在其它实施例中，高度差可更大或更小。在其它更昂 贵的实施例中，夹盘501的整个表面经平滑微机械加工以获得连续凸形轮廓。夹盘表面 的凸度取决于衬底的材料、衬底的面积以及包封化合物的量、成分和聚合。在下一工艺步骤中，(通常通过注射器)将预定量的粘性粘合材料504 (通常是聚 酰亚胺或环氧树脂)沉积在衬底503上。轻压半导体芯片505使其抵靠附接材料504， 且通过夹盘的热能来使材料部分地聚合。由于凸形衬底形状的缘故，附接材料504的厚度经分布以使得(芯片下)中心区域 中的厚度504b小于芯片的外围区域中的材料厚度504a。当选择中心夹盘表面的不同高 度510时，可使中心材料厚度504b达到(但不会大于)外围厚度504a。上述考虑优选针对以应力-应变关系的可塑状态操作的相对较硬衬底而实现。对于 以可塑状态操作的较软衬底，衬底在具有升高的表面中心的夹盘520上的行为如图5B 中示意性地展示。表面522a与表面522b之间的高度差530为25 y m。虽然夹盘表面 的总轮廓仍是凸形，但当原先平整的片状衬底523被放置在夹盘表面上，且被所启动的 真空拉向表面时，所述衬底将更紧密地遵循实际表面轮廓，且采用更起伏的轮廓，如图 5B中所说明。在下一工艺步骤中，(通常通过注射器)将预定量的粘性粘合材料524 (通常是聚 酰亚胺或环氧树脂)沉积在衬底523上。轻压半导体芯片525使其抵靠附接材料524， 且通过夹盘的热能来使所述材料部分聚合。由于起伏凸形衬底形状的缘故，附接材料524的厚度经分布以使得(芯片下)中心 区域中的厚度524b小于芯片的外围区域中的材料厚度524a。当选择中心夹盘表面的不 同高度530时，可使中心材料厚度524b达到(但不会大于)外围厚度524a。如图6所说明，当将经组合的芯片与衬底从夹盘上提起时，衬底503仍保持其凸形 配置。附接材料504的厚度经分布以使得芯片505的中心区域下的厚度504b小于(或 达到等于)芯片的外围区域下的材料厚度504a。图7中概述接下来的工艺步骤。图7描述所述组合件在热固性聚合物化合物701 (优选是模制化合物)中的包封的 效应。由于热固性质，化合物701必须在包封之后聚合，优选通过将装置在升高的温度 下存储数小时。在聚合过程期间，化合物701经历体积缩小。因此，完成的装置获得如图7示意性表示的形状衬底503被拉向聚合物化合物，且在芯片505下变得平坦。附 接材料504以使得中心芯片区域下的材料厚度504b等于(或仍略小于)外围芯片区域 下的材料厚度504a的厚度分布结束。因此，衬底503现与芯片505共面。经聚合的包 封材料701具有也与芯片505共面的外表面701a。当焊球720附接到衬底503的外表面，且所述球具有相等尺寸时，所述球的平面与 芯片505共面。当如图7中所描绘的装置待附接到电路板时，使焊料熔化，且不会有板 附接故障。图8中组合在具有有效凸起的表面的夹盘上且由模制材料801包封的实际装置的横 截面的显微照片说明附接材料803的相等厚度。芯片804的厚度804a为275 u m，且 长度804b为5.75 mm。芯片附接材料803在其整个长度上具有约为95 y m的大致均匀 的厚度803a。更精确地，94 ym中心厚度与91 u m与99 ym之间的外围厚度之间 的差值将差值降到10 um。如显微相片所示，图8中的衬底802遵循芯片附接材料803的平坦外形(对于图8 中可见的相片细节的阐释，见对图4的描述)。略带白色的球体是焊球820。所述多个 焊球与芯片804共面。从许多制造批次收集到的关于共面性和板组合件的统计数据己经证实了基于根据 本发明的有效凸起的组合夹盘的减少的装置翘曲、经改进的焊球共面性(至少为26%) 和经改进的板附接可靠性。剩下的仅有重要可靠性因素与焊球可变性有关。虽然已参考示范性实施例描述了本发明，但不希望在限制性意义上解释此描述内 容。所属领域的技术人员在参考所述描述内容后将了解本发明的说明性实施例以及其它 实施例的各种修改和组合。举例来说，针对较大面积的芯片，组合件夹盘的一个以上升 高的中心可能是可行的。作为另一实例，如果可提高附接材料厚度均匀性的精确度，那 么对于具有高产量的生产来说，经微机械加工的凹形夹盘表面的成本可能是合理的。因此希望所主张的本发明涵盖任何此类修改。
权利要求
1.一种半导体装置，其包括半导体芯片，其位置界定平面；绝缘衬底，其具有第一表面和第二表面，所述衬底大体上与所述芯片共面；所述芯片侧面中的一者使用粘合材料附接到所述第一衬底表面，所述材料具有厚度；所述粘合材料厚度经分布以使得中心芯片区域下的厚度小于外围芯片区域下的材料厚度；以及包封化合物包埋所有其余芯片侧面和所述第一衬底表面的未包含在所述芯片附接中的部分。
2. 根据权利要求1所述的装置，其进一步包括分布在所述第二衬底表面的至少若干 部分上的多个传导性接触焊垫，所述接触焊垫适用于回焊元件的附接。
3. 根据权利要求2所述的装置，其进一步具有附接到每个接触焊垫的回焊元件，所 述多个回焊元件大体上与所述衬底和所述芯片共面。
4. 根据权利要求1到3中任一权利要求所述的装置，其中所述衬底包含软性绝缘体。
5. 根据权利要求1到3中任一权利要求所述的装置，其中所述衬底包含硬性绝缘体。
6. 根据权利要求1到3中任一权利要求所述的装置，其中所述粘合材料是包含聚酰 亚胺和环氧树脂的聚合物。
7. 根据权利要求1到3中任一权利要求所述的装置，其中所述包封化合物是包含经 聚合的环氧树脂的热固性聚合物。
8. —种用于制造半导体装置的方法，其包括以下步骤提供具有第一表面和第二表面的绝缘衬底；将所述第二衬底表面放置在具有用于真空抽吸的开口的夹盘上，所述夹盘的表 面有效凸起；启动所述真空抽吸，使得所述衬底与所述有效凸起的夹盘表面共形弯曲； 将粘合材料放置在所述第一衬底表面上，所述材料是粘性的且具有厚度； 提供具有侧面的半导体芯片，所述侧面中的一者是打算用于机械附接的； 将所述附接芯片侧面放置在所述粘合材料上，借此使所述材料的厚度经分布以使得中心芯片区域下的厚度小于或等于外围芯片区域下的材料厚度；所述芯片的位置界定平面；停用所述真空抽吸，且将所述衬底连同所述经组合的芯片从所述夹盘上移除； 将所有其余芯片表面和所述第一衬底表面的未包含在所述芯片附接中的部分包埋在热固性包封化合物中；以及使所述化合物聚合，导致化合物的体积縮小，从而将所述衬底拉到大体上与所述芯片共面的位置中，且执行所述粘合材料的厚度分布以使得所述中心芯片区域下的厚度等于或小于所述外围芯片区域下的材料厚度。
9. 根据权利要求8所述的方法，其进一步包括提供具有分布在所述第二衬底表面的 至少若干部分上的多个传导形接触焊垫的衬底的步骤，所述接触焊垫适用于回焊 元件的附接。
10. 根据权利要求9所述的方法，其进一步包括将回悍元件附接到每个接触焊垫的步 骤，借此所述多个回焊元件大体上与所述衬底和所述芯片共面。
11. 根据权利要求8到10中任一权利要求所述的方法，其中所述夹盘具有针对所述完整衬底区域或所述衬底区域的一部分的有效凸起的表面区域。
12. 根据权利要求8到10中任一权利要求所述的方法，其中通过使所述夹盘的中心 部分高于所述夹盘表面的其余部分来接近所述夹盘表面的有效凸度。
13. 根据权利要求12所述的方法，其中所述包封化合物的特征包含所述包封化合物 的量、成分和聚合。
14. 一种用于组合半导体装置的设备，其包括夹盘，其具有适合放置片状衬底的表面，所述表面具有用于真空抽吸的开口； 所述夹盘表面，其具有位于第一平面内的区域部分，和位于相对于所述第一平面而升高的第二平面内的至少一个区域部分，使得所述夹盘表面的总轮廓变成凸形；以及片状衬底，当其被放置在所述夹盘表面上且被所述所启动的真空拉向所述表面 时，所述片状衬底将遵循所述总凸形轮廓。
全文摘要
本发明涉及一种半导体装置，其具有芯片(505)，所述芯片的位置界定平面，以及绝缘衬底(503)，其具有第一表面和第二表面；所述衬底大体上与所述芯片共面而无翘曲。所述芯片侧面中的一者使用具有厚度的粘合材料(504)附接到所述第一衬底表面。所述粘合材料的厚度经分布以使得中心芯片区域下的厚度(504b)等于或小于外围芯片区域下的材料厚度(504a)。包封化合物(701)包埋所有其余芯片侧面和所述第一衬底表面的未包含在所述芯片附接中的部分。当将回焊元件(720)附接到衬底接触焊垫时，所述回焊元件大体上与所述芯片共面。
文档编号H01L23/10GK101410970SQ200680038918
公开日2009年4月15日 申请日期2006年10月17日 优先权日2005年10月19日
发明者伊莱恩·B·雷耶斯, 帕特里西奥·V·安舍塔, 拉米尔·A·维伦, 詹姆斯·R·M·巴埃洛 申请人:德州仪器公司