专利名称：具有组装在半蚀刻的金属引线框架上的芯片的球栅阵列器件的制作方法
技术领域：
本发明总体上涉及半导体器件和工艺领域，更具体地涉及具有两个厚度的可软焊的金属引线框架的球栅阵列器件的结构和制造方法。
背景技术：
在球栅阵列(BGA)封装中组装的半导体器件通过以行和列的二维网格排列的金属块(通常为焊料球)连接到外部部件。金属块被附接到位于基底的外部端子上的BGA封装。目前，BGA封装使用由聚合物材料或者陶瓷材料制成的绝缘基底。基底具有用于互联轨迹的至少一个图案化金属层。半导体芯片安装在基底的内表面上并且其接触衬垫通过导线键合/线焊或者通过金属块连接到迹线。端子通过穿过绝缘基底的填充金属通孔连接到迹线。可以在可从Texas Instruments, Dallas, Texas (达拉斯，德州仪器)得到的microStar 封装中发现带有导线键合组件和带有填充金属通孔(metal-filled via hole)的薄聚合物基 底的BGA封装的示例，并且在手持无线电话中使用。为了使芯片组件机械上更鲁棒并且保护芯片和键合导线，BGA器件通常封装在包封化合物中，该包封化合物通常为环氧树脂基的模制化合物。用于基底的聚合物材料和陶瓷材料与图案化内部金属层和制备带有填充金属通孔的外部端子的制造步骤成本昂贵。此外，BGA器件，特别是具有聚合物基底的BGA器件对潮湿和翘曲敏感。几十年来，用金属引线框架制造了带有传统的悬臂引线的半导体器件(双列直插式器件、方扁形封装器件和塑料引线芯片载体)以及方扁形无引线(QFN)和小型轮廓无引线(SON)族的器件。在这些器件中，用于连接到外部部件的引线沿着封装边缘(沿着两个、三个或者全部四个边缘)线性排列。引线框架的设计不模仿BGA封装要求的块端子的二维阵列。
发明内容
申请人:认识到半导体BGA器件应用的持续的市场趋势，诸如手持产品和医疗应用，要求更高的器件可靠性，特别是在潮湿环境中，并且在缩小封装尺寸和减少封装成本。在半导体BGA封装和它们的当前的一个金属层基底的技术、制造和成本要求的冲突的妥协的详细分析中，申请人发现可以通过设计和制造一种基于具有完整二维阵列的端子的BGA封装的占位(footprint)的金属引线框架的BGA器件来解决具有聚合物基底的BGA器件的潮湿和翘曲的敏感问题，以及具有陶瓷基底的BGA器件的成本问题，并且可以立即用聚合物或者陶瓷基底代替BGA封装。在基于引线框架的BGA器件中，金属引线框架不仅仅提供图案化金属的导电结构，而且提供(鲁棒的)基底的支撑功能。申请人:进一步发现通过采用由金属片制造的引线框架可以解决棘手的传统BGA问题，诸如在基底中创建通孔，用金属填充孔，以及使用下填充金属来缓解焊料球上的压力，其中所述引线包括用于端子的原始片厚度和用于引线平衡的减少的厚度(所谓的半蚀刻引线框架)。此外，端子可以以有序的二维网格阵列排列/布置，其延伸穿过引线框架区域，并且包括中央引线框架区域。在示例BGA实施例中，半导体芯片可以被不传导地附接到引线框架的平坦表面上，因而芯片在多个相邻的引线上延伸用于支撑；引线可以具有位于与芯片相同表面上或者优选地在相对表面上的成型为台地的端子。端子优选地具有金相表面构造以可软焊以便焊料球可以以类似于在传统的BGA器件中的二维网格阵列被附接。优选地，端子在均匀间隔的位置处。申请人:发现，具体BGA引线框架的引线可能必须采用非传统构造以公共或者非公共网络指派运行以便端子完全利用包括芯片下方的区域的总引线框架区域。作为示例实施例，可以制造大小约I. 5乘I. 5mm2尺寸的模制BGA器件，具有带有以3X3矩阵排列的九个端子的引线框架。端子可以从封装的底表面上的包封化合物露出。在封装中心，半导体芯片被附接到与端子相对的表面上的引线框架，跨过多个相邻引线，并且芯片接触衬垫被导线键合到所述引线。在引线框架端子中，四个角端子和两个边缘端子连接到用作导线针脚衬 垫的短引线。中央端子属于作为系杆延伸到封装相对边缘的细长的引线，其中系杆端部用作导线针脚衬垫。位于芯片下方的封装中央区域因而被用作带有净指配(net assignment)的端子。剩余的两个端子均连接到系杆；这些系杆延伸到两个相对的边缘并且用作导线针脚衬垫。在替换实施例中，芯片可以倒装(flipped)或者被金属块键合；块可以被构建为焊料球、铜柱或者金块，或者其它等同物，并且金相接合到与端子连接的引线。本发明的技术优点是可以从包括铜、铝、铁-镍、Kovar 和其它合金的组选择引线框架金属。另一个技术优点是开始的金属片可以被半蚀刻以创建端子和剩余引线的不同的金属厚度；作为优选比例，端子金属可以具有引线金属的两倍厚度。另一个技术优点是引线框架表面可以被制备成具有亲和力用于粘接到聚合物化合物(例如，通过粗糙或者氧化)，同时端子表面可以被制备为可软焊(例如，通过使用诸如镍、钯和金的附加金属层镀敷)。另一个技术优点是引线框架可以被半蚀刻以便端子在与芯片相对的表面上，或者在相同表面上，或者在两个表面(使能封装堆叠的机会)。
图I示出具有金属引线框架的封装QFN/S0N型器件的立体仰视图，其中端子以在包括中央区域的器件区域上延伸的二维网格阵列排列/布置；半导体芯片被附接到与端子相对的相邻引线并且被其支撑。图2示出具有金属引线框架的封装的QFN/S0N型器件的立体俯视图，其中引线延伸到器件的至少一个边缘；半导体芯片被附接到相邻引线并且被相邻引线支撑，芯片接触件导线键合到引线。引线的端子与附接的芯片相对。图3是具有金属引线框架的封装的QFN/S0N型器件的侧视图，其中端子延伸到器件底表面和顶表面两者。封装材料被认为是透明的。图4示出用于球栅阵列(BGA)器件中的QFN/S0N型引线的立体仰视图，该引线框架具有两个金属厚度并且端子位置在完全二维阵列中。半导体芯片被附接到与端子相对的引线框架顶表面。图5A示出图4的引线框架的顶视图(在附接图2中示出的芯片之前)。图5B是沿着图5A中的线5B-5B截取的引线的截面图。图6示出图I的BGA器件的立体仰视图；包封化合物是不透明的，端子和引线边缘被露出并且不被聚合物化合物包封。图7示出用图3中所示的两个基于引线框架的BGA器件组装并且被附接到基底的堆叠。
具体实施方式
图I示出方形扁形无引线(QFN)或者小轮廓无引线(SON)族的总体标记为100的示例半导体器件的底表面的立体图。器件100的封装140的材料被描绘为透明，以便器件100的内部结构是可见的。如图I所示，示例器件100具有带有六个平面表面的六面体轮廓；图I描绘底平面表面，并且图2描绘顶平面表面。图I示出封装140的材料的底表面上留下不被封装材料包封的多个端子112因而被露出以便电气连接。如图I进一步示出，端子112是器件100的引线框架110的一部分；引线框架110是由第一金属制成。引线框架110包括各种形状的多个引线111。半导体芯片120附接到顶引线表面并且跨越多个不同引线。在此构造中，引线框架Iio提供用于芯片120的电气互联的引线111的结构和鲁棒的基底支撑附接的芯片120的功能两者。为了电气互联，引线111被构造为包括从器件100的底侧的封装140的材料露出的多个输入/输出(I/o)端子112。如图I所示，在示例器件100中，端子112在引线框架110的底表面上，与引线框架110的顶表面上的附接的芯片120相对。优选地，每一个引线具有一个端子；然而，在其它器件中，一些引线可以不具有端子，而其它引线可以具有一个以上的端子。端子112包括位于引线框架区域中央在芯片120下方的端子112a。在其它器件中，中央器件区域中可以有一个以上的端子。端子112具有可软焊的金相表面构造，优选地，第二金属的层，诸如锡或者金。应提到的是在其它器件中，一些引线可以具有位于引线框架的顶表面上(其上附接芯片)的附加端子；这些附加端子还从封装材料露出因而提供将器件100 (例如，通过焊接)连接到堆叠在器件100上的另一个器件的装置。如图I所示，多个端子112以在器件区域(包括中央区域)上延伸的二维网格阵列排列。优选地，端子的网格阵列是整齐的/有序的，更优选地，端子均匀间隔。然而，在其它器件中，网格阵列可以包括耗尽位置，或者可以包括单调阵列的其它修改。下面结合图4更详细描述引线的形式/形态、轮廓和排列。图I示出器件100的侧表面150，其示出引线的金属端面11 la，金属端面11 Ia在框架被从弓I线修剪之后露出。端面11 Ia可用于传导互连到外部部件，诸如并排对齐的封装/包封(package)。为了支撑芯片120作为鲁棒基底，优选地通过冲压或者蚀刻约150到250 μ m之间的第一金属片形成引线框架110 ;可以使用更薄或者更厚的引线框架。优选第一金属包括铜、铜合金、铁镍合金、铝和Kovar 。之后，引线被“半蚀刻”以便通过蚀刻减少特定引线部分的厚度(例如，减少50%)，而剩余部分/其他部分保持原始金属厚度。在包封处理/工艺期间，减少厚度的部分被封装140的聚合物材料代替，明显地增强了引线框架的机械强度。可以通过诸如金或锡的可软焊第二金属层实现端子112的优选的可软焊金相表面构造。金属层可以实际上是多个层的堆叠，诸如与第一金属接触的镍层、与镍接触的钯层和与钯接触的金层。图2示出方形扁形无引线(QFN)或者小轮廓无引线(SON)族的六面体形状的示例半导体器件100的顶平面表面的立体图。器件100的封装140的材料被描绘为透明，以便器件100的内部结构是可见的。在图2中从顶表面观察到引线框架110的多个引线111。引线框架110的顶表面上附接芯片120。在图2的示例器件100中，电气绝缘粘接层221被使用以将芯片120附接在相邻的引线111上。在此构造中，引线框架110提供鲁棒基底支撑附接芯片120的功能；引线框架110还提供用于芯片120的电气互连的引线111的结构。图2示出引线111的特定部分Illb被成型以用作键合导线223的针脚式键合223a的附接位置，使芯片120的输入/输出衬垫222连接到引线框架110的各个引线。部分Illb被经常称为系杆，因为在露出引线的端面Illa的包封处理之后框架被修剪掉之前，其实际上被 系到引线框架110的框架。在其它器件中，在图3中总体上标记为300，半导体芯片320被金属块323倒装附接到引线框架；优选地，块323是由金或者铜制成，其附接到引线框架的第一金属。倒装芯片器件300不仅具有在底表面上露出的可软焊的端子312，而且经常具有在器件300的顶表面上露出的附加端子330。通过与端子312相同的引线框架的半蚀刻处理创建端子330，并且优选地，包括位于它们的露出的表面上的可软焊第二金属。图4从底部观察图I的没有包封的示例引线框架，以示出金属引线框架的引线的构造，用于使能适用于QFN/S0N型球栅阵列器件的端子的有序的二维网格阵列。如图4所示，示例BGA引线框架的引线可能必须采用非传统构造以公共或者非公共净指配运行以便端子完全利用包括芯片下方的区域的总共引线框架区域。在图4的示例实施例中，BGA器件具有I. 5乘I. 5mm边长的大小(标记为401)并且引线具有以3X3矩阵排列的9个端子。在引线框架端子中，四个角端子(411、413、431和433)和两个边缘端子(412和432)连接到用作导线针脚衬垫的短引线(在图2中标记为111b)。在另一方面，中央端子422属于作为系杆延伸到封装相对边缘的细长的引线440，其中系杆端部用作导线针脚衬垫。位于芯片下方的封装中央区域因而被用作带有净指配的端子(422)。剩余的两个端子421和423均连接到中间长系杆；这些系杆延伸到两个相对的引线框架边缘并且用作导线针脚衬垫。在图4的示例引线框架中，引线框架的每一个引线包括一个端子，并且该引线从该一个端子延伸到至少一个器件边缘；一些引线可以延伸到一个以上的器件边缘。其它引线框架可以包括带有一个以上的端子的引线；这些引线还可以延伸到至少一个器件边缘。端子的高度450保持从其形成引线框架的金属片的原始厚度。通过引线框架的金属的部分蚀刻或者半蚀刻形成包括系杆的引线的减少的高度451。对于许多引线框架，高度451是高度450的约50%。因此，端子是类似来自被称为第一金属的相同金属制成的各个引线的金属柱体或者六面体的块。如所指出的，对于第一金属优选选择包括铜、铝和铁镍合金。采用用于从金属引线框架创建金属端子块的半蚀刻处理/半蚀刻工艺避免了首先创建贯穿聚合物基底或者陶瓷基底的通孔并且然后用诸如金属的传导材料填充该孔的传统问题。半蚀刻处理还通过添加所谓的块下金属化避免了减少和吸收附加到端子的焊料球上的应力的传统技术问题。在图4中，半导体芯片120被附接到在与端子相对的表面引线框架中心的跨越多个相邻引线的引线框架。在图4的示例中，附接采用绝缘粘接膜，并且芯片接触衬垫被导线键合到引线。图3示出倒装芯片附接的替换方法，其中芯片跨越多个相邻引线。图5A从顶部观察图I的没有包封并且没有附接的半导体芯片的示例引线框架，以示出金属引线框架的引线的构造，用于使能用于QFN/S0N型球栅阵列器件的端子的有序二维网格阵列。图5A中的切割线5B-5B得到图5B的引线部分和端子的截面。引线的顶表面被标记为501，并且在相对侧上，端子的表面被标记为502。保持从其形成引线框架的金属片的原始厚度的端子的高度被标记为450，并且半蚀刻的引线的高度标记为451。如图6所示出，示例器件的全部端子的表面502和全部引线端面Illa从器件的包封化合物150露出。露出的端子表面502优选地具有金相构造以促进焊料球附接。优选地通过在端子表面的第一金属上沉积诸如金或者锡的可软焊的第二金属来实现此构造。可选 地，可以在第一金属上沉积金属层的堆叠，例如，与第一金属接触的镍层(约O. 5到2. Ομπι厚度)、与镍接触的钯层(约O. 01到O. I μ m厚度)和与钯接触的金层(约O. 003到O. 009 μ m厚度)。另一方面，通过修剪的步骤(切断框架)创建引线端面Illa因而露出引线框架的第
一金属。为了增强金属引线框架和聚合物包封化合物之间的粘接，广泛使用的基于环氧树脂的模制化合物向引线框架表面添加诸如凹进、凹槽或者突起的设计特征。示例是通过产生金属的凹进的图案的引线表面的机械“凹陷”。其它方法通过将氧化金属表面或者通过化学蚀刻使表面粗糙来化学地修改弓I线框架表面。另一种方法使用专用的镀镍槽来沉积粗糙的镍层。对于其它器件，可以基于聚合物成分和特定金属之间粘接为其选择聚合物包封化合物，整个引线框架可以淹没镀敷可软焊第二金属(参见上述)。通过所选择的化合物的特定聚合物构成来实现可软焊金属和包封化合物之间的可靠的粘接。图7示出QFN/S0N族的基于引线框架的球栅阵列器件701如何可通过焊料体710堆叠到另一个基于引线框架的球栅阵列器件702，并且堆叠反过来可以被焊料体711附接到基底或者板720的示例。在图7中，BGA器件701和702被示出为包括倒装的芯片，类似于图3描绘的示例器件。在其它器件中，类似组件可以具有在至少一个BGA器件中的导线键合的芯片。如图7所示，器件中心区域的焊料连接完全包括在板组件中。相同原理应用于具有均匀间隔的网格阵列的端子的基于引线框架的BGA器件，，以及应用于具有不均匀间隔的网格阵列的端子的器件。还应用于具有按行和列均匀定位的端子的器件，以及应用于耗尽了所选择的端子位置的器件。本领域技术人员将理解的是很多其它实施例和变型也可能在要求保护的发明的范围内。具有在具有全部或者仅仅一些这些特征或者步骤的示例实施例的上下文中描述的一个或者更多个特征或者步骤的不同组合的实施例也旨在在此被覆盖。
权利要求
1.一种器件，其包括 第一金属制成的引线框架；以及 位于所述器件的底表面的中央点处的用于输入或者输出信号的第一端子。
2.根据权利要求I所述的器件，还包括在器件底表面上延伸的、以二维网络阵列排列的第一多个端子，所述第一多个端子包括第一端子。
3.根据权利要求2所述的器件，还包括在所述器件的顶表面上延伸的第二多个端子。
4.根据权利要求3所述的器件，其中所述引线框架包括从端子延伸到器件边缘的引线，所述引线具有比所述端子更小的厚度。
5.根据权利要求4所述的器件，其中所述端子包括具有可软焊的金相表面构造的第二金属。
6.根据权利要求5所述的器件，还包括附接到所述引线框架的半导体芯片，所述芯片在相邻的引线上延伸并且被所述引线支撑；以及从所述芯片延伸到所述引线的电气连接；其中所述引线的第一金属还包括具有用于粘接到聚合物包封化合物的亲和力的表面。
7.根据权利要求6所述的器件，还包括聚合物包封化合物，其封装带有所述芯片和电气连接的所述引线框架，所述化合物不封装所述端子的可软焊的表面以及器件边缘处的引线的端部。
8.根据权利要求7所述的器件，还包括附接到封装的端子表面的焊料球。
9.一种器件，其包括 第一金属制成的引线框架，所述引线框架包括位于所述器件的底表面的中央点处的用于输入或者输出信号的第一端子； 使用电介质附接到所述第一端子的半导体芯片；以及 靠近所述器件底部的四个边缘的线性地布置的第一多个端子，所述第一多个端子包围所述第一端子。
10.根据权利要求9所述的器件，其中所述第一端子是延伸到所述器件的相对边缘的细长引线的一部分。
11.一种器件，其包括 使用绝缘介质附接到金属引线框架的半导体芯片； 具有附接位置和键合位置的所述引线框架的每一个引线； 第一引线，具有位于所述器件的底面的中央点的第一附接位置； 布置在所述器件的四个边缘的以网格图案排列的第一多个附接位置，所述第一多个附接位置包围所述第一端子；以及 在所述第一附接位置处的所述金属，其比位于所述第一引线的其它部分处的金属更厚。
12.根据权利要求11所述的器件，还包括键合导线，所述键合导线将所述半导体芯片连接到所述引线框架的键合位置；以及化合物，所述化合物包封所述半导体芯片。
全文摘要
一种基于金属引线框架(110)的球栅阵列器件(100)，其具有BGA封装的占位，带有二维阵列的端子(112)，并且组合引线框架的结构和基底的功能。至少一个端子(112a)在所述器件底部的中央。所述端子和引线(111)是由在端子比在引线更大的厚度的金属制成。端子可以具有可软焊表面。半导体芯片(120)被附接到与所述端子相对的在相邻的引线上延伸的引线框架表面。
文档编号H01L21/60GK102844860SQ201180018786
公开日2012年12月26日 申请日期2011年4月12日 优先权日2010年4月12日
发明者R·C·雅维耶, S·K·科杜里 申请人:德克萨斯仪器股份有限公司