制造半导体封装的方法 【技术领域】
本发明涉及微电子组件，尤其涉及半导体芯片封装。
背景技术
半导体芯片封装工业是一个高度竞争的行业，该行业的封装公司正在进行不断的竞争，以减少与封装它们自己的芯片以及其它公司的芯片(许多时候)相关的成本。为了减少封装成本并产生具有类似或更好结果的封装结构和工艺，而不断地研究新技术。此外，另一个前进的压力来自于电子工业，它是为了减少半导体封装的内部阻抗从而使半导体制造商可加快其芯片的速度而不会产生明显的信号劣化，继而缩短电子成品的用户在要求电子产品执行给定的任务时可能需要的处理和/或响应时间。此外，电子工业还需要以小而又小的形状系数来封装芯片，从而被封装的芯片在支持电路化的衬底(诸如印刷布线板“PWB”)上占据较小地空间。减小被封装芯片的厚度尺寸也是重要的，从而可把相同功能的电路安装到较小的区域，从而使获得的电子成品更轻便(尺寸、重量等)，以及/或可增强产品的处理能力而不增大其尺寸。随着被封装芯片制造得越来越小，且在PWB上越来越紧凑，这些芯片会产生更多的热量并将从相邻的芯片接收更多的热量。因此，提供便于除去来自被封装芯片的热量的导热通路也是非常重要的。
出于这些考虑，为了有利于诸如网格焊球阵列(“BGA”)封装等较小封装的惯例，不常使用网格引脚(pin)阵列(“PGA”)产品(其中相对大的导电引脚把特定半导体封装中的电路附接到PWB上的电路)和其它大的封装惯例。在BGA封装中，一般用焊球来替换上述引脚，从而减小封装离PWB的高度，减小封装芯片所需的面积并进一步允许更精致的封装方案。一般，把BGA器件上的焊球置于基本上覆盖被封装的芯片表面的规则网格状图案(通常叫做“区域阵列”)中，或置于平行于邻近被封装芯片正面的每条边并延伸的细长条中。
BGA以及甚至更小的芯片比例(scale)封装(“CSP”)技术指大范围的半导体封装，一般把诸如丝键合(wiredonding)、梁式引线、带式自动键合(“TAB”)或类似互连工艺用作中间连接步骤，以把芯片触点与暴露的封装端子互连起来。这样就在机械附接到支撑衬底上的键合焊接区(pad)前得到了可测试器件。然后，一般使用标准锡-铅焊接使BGA/CSP被封装芯片在PWB上互连。
某些封装设计已很好地满足了上述的工业需要。此设计的一个例子如5,148,265和5,148,266号美国专利中所示，在这里通过引用而包含其内容。在一个实施例中，这些专利揭示了使用芯片载体并结合适当的层来提供节约成本且型面低的CSP。
除了本领域内的这些尝试以外，还想对互连技术作进一步的改进。
【发明内容】
本发明的方法解决了上述诸问题。
在本发明的一个实施例中，制造半导体芯片封装的方法包括首先制备消耗(sacrificial)层的步骤。接着，在消耗层的第一表面顶部选择性地形成导电焊接区或接线端(post)阵列，从而中央区域由这些焊接区来限定并位于这些焊接区之间。接着，把半导体芯片的背面附加到中央区域内的消耗层，从而芯片的触点承载(或有源)表面与消耗层分开。一般，用导热的小片连接粘合剂把芯片附加到消耗层。接着，用丝键合装置把芯片触点电气连接到各个焊接区，以在其间连接导电金属丝。然后，在消耗层的第一表面上淀积可固化的液体介电密封剂，从而把焊接区、金属丝和半导体芯片全部密封起来。然后，把密封剂固化为自承形式。一般，在淀积密封剂前把模子置于消耗层的第一表面顶部，从而可在把密封剂注入模子并固化后使封装的外部(密封剂)形成所需的形状。然后，至少除去一部分消耗层，以暴露出焊接区的底面并为芯片提供导热通路。在一些实施例中，除去所有的消耗层而留下固化的密封剂和小片连接粘合剂作为封装的底部。可同时封装许多芯片，从而使该工艺能产生单独封装的芯片，或可用于在选择性地分割被封装芯片的切割操作后产生多芯片模块。
在本发明的另一个实施例中，可在消耗层和焊接区之间放置介电的聚合物薄片，从而导电迹线(trace)使焊接区继而使多芯片实施例中的芯片互连。
在本发明的再一个实施例中，可在第一表面上选择性地蚀刻消耗层，从而使导电焊接区从其中突出。接着，把芯片的背面附加到由焊接区所限定的中央区域内的焊接区之间。把芯片触点丝键合到各个焊接区，并淀积密封剂，从而此密封剂密封芯片、金属丝(wire)和焊接区。然后，从暴露的一侧蚀去消耗层，从而可直接接近每个焊接区和芯片背面。
附图概述
图1A到1G-1示出依据本发明制造半导体芯片封装的方法的侧视图。
图1D-2示出依据本发明的图1D-1的俯视图，其中在密封步骤前，把几个芯片背面键合到消耗层并与其电气连接。
图1D-3是芯片和消耗层组件的顶部。
图1G-2示出依据本发明的在除去消耗层后图1G-1所示多芯片实施例的仰视图。
图2A到2E示出依据本发明制造半导体芯片封装的另一个方法的侧视图。
图2F示出依据本发明的图2E所示多芯片封装实施例的俯视图。
图3示出依据本发明的芯片封装的侧视图，该封装具有从封装一侧向另一侧垂直延伸的凸起，这些凸起至少与一些焊接区电气连接。
图4A示出依据本发明的芯片封装的侧视图，该封装在密封封装内芯片上方具有分离的电子元件。
图4B示出依据本发明的芯片封装的侧视图，该封装具有背面键合到第一芯片的第二半导体芯片，从而这两个芯片的芯片触点可与焊接区互连。
图5A到5H示出依据本发明制造半导体芯片封装的另一个方法的侧视图。
图5I到5J示出依据本发明的图5A到5H所示焊接区/接线端结构的其它实施例的侧视图。
图6A-1到6F-1示出依据本发明的制造半导体封装的另一个方法的侧视图，该封装具有从封装的一侧向另一侧延伸的通孔。
图6A-2示出依据本发明的图6A-1的俯视图。
图6B-2示出依据本发明的图6B-1的俯视图。
图6F-2示出依据本发明的图6F-1的仰视图。
图7A到7E示出依据本发明的制造半导体芯片直到密封步骤的另一个方法的侧视图。
图7F-1和7G-1示出依据本发明的完成图7E所示芯片封装的第一方法。
图7F-2和7G-2示出依据本发明的完成图7E所示芯片封装的第二方法。
本发明的较佳实施方式
图1A-G示出依据本发明的用于制造廉价的半导体芯片封装的工艺。图1A示出消耗层100的侧视图，它具有第一表面101和第二表面102。消耗层100可包括导电金属材料、聚合物材料或导电金属材料与聚合物材料的混合物。可能的消耗层材料的例子包括铝、铜、钢、铁、青铜、黄铜、聚酰亚胺、聚醚酰亚胺(polyetherimide)、含氟聚合物(fluropolymer)及其合金和混合物。虽然，在一些实施例中，消耗片可以更厚或更薄；但在图1A中，消耗层包括具有大约100-200微米厚度基本上均匀的铝片。
在图1B中，一般通过电镀操作选择性地形成多个焊接区110，从而把焊接区110放置并附加到消耗层100的第一表面101。焊接区110在消耗层100的第一表面101上如此排列，从而在特定封装组的焊接区之间限定一中央区域114。焊接区可以绕中央区域114排列成一行，或者以基本上为网格阵列的布局排列成几行，它的例子如图1D-3所示。本实施例中的焊接区100包括第一铜层111和第二金层112。一般，还有镍制成的中央阻挡层(未示出)，以保证铜和金层不相互扩散。如以下详细所述，金层112有利于通过对芯片触点的电气连接所进行的键合。焊接区110的高度不是决定性的，只要可对其形成良好的电气连接。在一些实施例中，焊接区可类似于接线端。允许的焊接区材料的其它例子包括铜、镍、金、铑、铂、银及其合金和混合物。一般，在引脚数少的封装中，焊接区110离消耗层100的高度可以都相同。然而，对于引脚数较多的封装或因为其它原因，焊接区110离消耗层100的高度可能不相同。较高的焊接区110可用于外圈的焊接区来保证触点与内部焊接区之间的电气连线不与触点和外部焊接区之间的连线电气短路。这适用于芯片触点精细地隔开的情况，或者触点在芯片100的表面121上排列成一区域阵列的情况，它的一个例子如图1D-3所示。
如图1C所示，接着把半导体芯片120(或几个芯片)的背面122耦合到消耗层100，从而芯片120的触点承载表面121与消耗层100分开。通常把此布局叫做半导体芯片的“背面键合”。可使用任何适当的耦合剂135来进行此背面键合。最好使用导热的小片连接粘合剂，从而在如下所述附加散热片(heat sink)时，有更导热的通路在热循环期间把热量从芯片中导出。此较佳粘合剂材料的例子包括填有银的环氧、锡-铅焊接剂、硼-氮化物、填有铝的硅酮、矾土和填有铜的环氧。
接着，如图1D-1所示，通过相互的丝键合，把芯片120表面121上的每个芯片触点(未示出)电气连接到各个焊接区110。丝键合的连线130可采用所示的球式键合/针脚式(或楔焊)键合组合的形式，或者可把金属丝以针脚式键合到芯片触点和焊接区110。还可用其它惯例把芯片触点与焊接区互连，诸如TAB引线、电铸梁式引线等。图1D-2示出图1D-1的俯视图。
接着，如图1E所示，通过常规的半导体模制技术用可流动和固化的介电材料140来密封(或过模制)该组件，该组件包括消耗层100的第一表面101、焊接区110、芯片120以及电气连线。介电材料一般包括在本工业中所使用的填充或未填充的标准热固性或热塑性树脂，诸如环氧树脂、硅酮树脂或其它塑料密封材料。然后，把介电材料完全固化。
接着，如图1F所示，除去消耗层100。这里，使用蚀刻操作来除去消耗层，从而暴露出焊接区110的底面113。除去消耗层100的步骤还暴露出导热小片连接粘合剂135。如果需要，可更加选择性地除去消耗层，以在完成的封装底部提供附加的特征，诸如从该封装底部突出的较高的焊接区110，和/或位于所完成的封装底部下面并从该底部突出且附加到芯片背面122的散热片。
在图1G-1中，“切割”各个封装的芯片或把它们相互分离。此时，可把焊接区110的暴露底面113附加到PWB上的各个键合焊接区。形成此附加的一个方法是把焊球160连接到焊接区110的底面113。焊球160一般包括锡与铅的混合物，而且还可涂敷有坚固的金属球从而使焊球160不破裂。图1G-2示出本发明的多芯片模块实施例的仰视图，其中对封装进行切割，从而在获得的封装中包含一个以上的芯片120。图1G-2还可以是图1F所示未切割封装的俯视图。虽然以同时封装一个以上芯片的实施例来表示和描述以上的工艺，但在必要时该工艺还可用于封装一个独立的芯片。
在图2A-E所示的另一个制造方法中，如图2A所示，消耗层包括介电聚合物薄片100’，该薄片具有位于消耗层100′一个表面上的导电层101′，导电层一般是铜制成的薄层。接着，通过蚀刻掉导电层101’上不想要的部分而对导电焊接区110′的阵列进行光刻，从而焊接区110′限定位于其间的中央区域114′。在中央区域114′内，还可通过图2B所示的焊接区形成光刻工艺来限定中央导电区115′。然后，如参考图1详细所述，使用导热的小片连接粘合剂135′把半导体芯片120′的背面122′键合到导电区115′。然后，通过其间丝键合金属丝130′，把芯片120′的暴露表面121′上的芯片触点(未示出)电气连接到各个焊接区110′。如上所述，接着如图2D所示，使用适合此应用的液体密封剂来密封这些元件，并对密封剂进行固化。然后，通过化学蚀刻或激光烧蚀操作来除去部分聚合物薄片100′，从而暴露出焊接区110′和中央导电区115′。然后，可把封装切割成各个封装或多芯片封装并以常规的焊接剂把它们连接到PWB。一般，中央区115′如此连接到PWB，从而可在封装操作期间把热量从芯片导入PWB。如图2F的俯视平面图所示，多芯片封装可包括执行不同功能的不同尺寸的芯片。附加介电聚合物薄片100′允许此多芯片模块具有让多芯片模块内的至少一些焊接区110′互连的导电通路118′，从而允许在芯片之间传递信号。应注意，如果不需要或不想要诸如本多芯片实施例中所述的布线层，则可简单地通过使薄片化学溶解而留下焊接区和暴露的中央导电区来除去整个聚合物薄片100′。
图3示出被封装芯片的另一个实施例，它类似于图1G-1所示的被封装芯片。然而，在图3中，导电凸起116″电气连接到各个焊接区110″并延伸到完成的封装150″的上表面155″，从而暴露出凸起116″的顶面117″。此布局允许把焊接区110′的底面113′焊接到支撑衬底(诸如PWB)上，同时也允许经由凸起116″暴露的顶面117″使另一个电子元件和/或半导体芯片电气连接到被封装芯片150″；这样，产生了芯片堆叠技术。凸起可从每个焊接区开始延伸；然而，一般它们并非从所有的焊接区开始延伸。
在另一个实施例中，图4A示出附加到芯片120上的微电子元件170″的侧视图。此微电子元件上的触点可以电气连接在芯片120上的各个触点之间和/或可以连接到各个焊接区110。如图4B所示，当微电子元件是第二半导体芯片170″″时，将把第二芯片170″″的背面背面键合到第一芯片120″″的表面，可把第二芯片上的触点电气连接到第一芯片120″″上的触点和/或各个焊接区110″″。焊接区110″″本身也可以是电气互连的。
如图5A-H所示，在本发明的又一个实施例中，上述焊接区可具有更“类似于铆钉”的形状。图5A示出如上所述的消耗层，它具有第一表面201和第二表面202。在图5B中，从消耗层200的第一表面201上除去多个凹坑。最好把可蚀刻的层用于消耗层，从而可简单地以所需的形式在消耗层200中蚀刻出凹坑203。在消耗层200的第一表面201的顶部淀积诸如标准光致抗蚀剂等可光学构图的第二介电层204，使用标准光刻技术显现并除去孔205，从而控制凹坑的产生和定位。
接着，如图5C所示，把导电焊接区210镀敷到凹坑203和孔205中，从而产生类似于铆钉的焊接区210。这些焊接区210具有靠近消耗层200并整体附加到后焊接区211的底部凸缘213，从而后焊接区从凸缘213突出。第二凸缘212整体地附加到后焊接区211的另一端。凸缘212/213都具有延伸到后焊接区211的直径以外的凸缘区。图5I-5J示出依据本发明的另一个剖面的焊接区结构。在图5I所示的实施例中，焊接区包括底部凸缘213′和后焊接区211′。与其它图中所示的圆滑/椭圆形凸缘相比，图5J中的凸缘的边缘更方。也可使用其它形状的凸缘。
在图5D中，除去可光学构图的层204而留下焊接区210，从而特定组内的焊接区在其间限定中央区。接着，如以上实施例所述，用导热的小片连接粘合剂235把芯片220背面键合到消耗层200的第一表面。图5E示出与芯片200的表面221上的芯片触点(未示出)以及焊接区210互连的电气连线230。使用丝键合装置把金属丝的两端针脚式键合到焊接区210和芯片触点来形成电气连线230。针脚式键合在触点和焊接区之间产生了低型面(profile)的电气连接，继而使完成的封装更薄。然后，如参考图1所述以及在图5F中进一步所示，密封焊接区210、芯片220和金属丝230。接着，如图2G所示，蚀刻掉消耗层而暴露出底部凸缘213。然后如图5H所示，把被封装的芯片切割成独立的被封装芯片或被封装的多芯片模块。
在还有一个实施例中，图6A-6F示出另一个可堆叠的芯片布局。图6A-1示出把介电基底材料层305置于消耗层300的顶面302上的侧视图。基底材料305最好包括诸如聚酰亚胺等片状介电层。一般，基底材料305层叠在消耗层300上。导电焊接区310置于基底材料305上。可在把基底材料附加到消耗层300以前或以后，把焊接区310镀敷到基底材料305上。图6A-2示出图6A-1的俯视平面图。图6A-2中的焊接区310具有键合位置315和通孔位置316。焊接区310还限定了中央的凹坑314。如图6B-1所示，然后把半导体芯片320背面键合到中央凹坑内消耗层300的第一表面302。接着，把芯片触点(未示出)电气连接到焊接区310上的各个键合位置315。一般，把触点丝键合到各个键合位置315。图6B-2示出图6B-1的俯视平面图。
如图6C所示，接着可固化的液体密封剂340密封芯片、焊接区和金属丝并如上所述固化。然后，把第二导电消耗层345置于密封剂340的暴露表面上。一般把第二消耗层345层叠到密封剂340上。如图6D所示，接着钻出穿通固化的介电材料的孔350，从而孔的侧壁从顶面通过封装延伸到底面，继而在通孔位置316处产生穿通至少一些导电焊接区310的通孔。如图6E所示，接着在孔350的侧壁上镀敷导电金属360，从而产生从孔的一侧到穿通封装完全延伸的导电通路。一般，导电金属360端接在凸缘部分365的孔350的任一侧上。通过标准光刻装置来控制凸缘部分的形状和尺寸，该标准光刻装置把介电光致抗蚀剂363加到第二消耗层并进行显影，从而可从中除去凸缘区。光致抗蚀剂还可把导热金属层368选择性地镀敷到第一消耗层300的第二表面301上。
如图6F-1和6F-2所示，对第一消耗层300和第二消耗层345进行蚀刻，从而只留下凸缘部分365以及金属层368以下的部分。或者，可对第二消耗层345进行选择性蚀刻，并把该层用作接地/电源层或布线层。凸缘部分365和金属层368由对用于蚀刻消耗层的蚀刻溶液有抵抗力的材料制成。接着，用诸如焊接剂或填充有金属的环氧等导电材料370来填充被镀敷的导电通孔，从而导电材料370从通孔371底部和通孔372顶部突出。与垂直芯片堆叠布局一样，该布局使得通孔底部可电气连接到PWB，同时使通孔372顶部可连到另一个芯片封装。金属层可连到PWB中的散热片，从而可在操作期间从芯片中导出热量。如果第一消耗层300和金属层368的组合足够厚，则它们还可起到扩展封装与PWB之间的任意焊接剂连接的作用，用以获得更能承受封装/PWB在芯片320的热循环期间的膨胀和收缩的焊条。
在图7A-7G中示出本发明的再一个实施例。在图7A中，首先制备包括铜的消耗薄片400。接着，如同7B所示，把金选择性地电镀到消耗薄片400的第一表面401上，从而限定焊接区410和位于焊接区410之间的中央导电区415。如同7C所示，然后以光致抗蚀剂418覆盖消耗薄片400的第二表面402，并对消耗薄片400的第一表面401进行蚀刻。所使用的蚀刻剂应比蚀刻金焊接区/中央区更容易蚀刻掉消耗薄片。氯化铜是可在消耗薄片包括铜时使用的这样一种蚀刻剂。受控的蚀刻工艺使得焊接区410和中央区415从消耗薄片400的表面突出。本领域内的技术人员应理解，消耗薄片400和焊接区/中央区410/415可使用其它材料来获得相同的结果。如图7D所示，接着把半导体芯片420背面键合到中央区415，并使用丝键合装置在其间附加金属丝430而把芯片420暴露表面上的芯片触点(未示出)电气连接到各个焊接区410。接着，如图7E所示，该工艺的下一个步骤包括用适当的可固化液体密封剂440来密封芯片封装的元件，接着固化密封剂440。
此时，可应用两个不同的方法。如图7F-1和7G-1所示，一个方法是把金区450选择性地电镀到消耗薄片400的暴露表面上并对消耗薄片400进行蚀刻，从而只留下焊接区410和中央区415。在此情况下，中央区从封装的底部突出，从而它更容易附加到PWB来提供在该器件操作期间从芯片导出热量的导热通路。突出的中央区415还可提供一种方法，以把用于将暴露的焊接区410附加到PWB上的焊球扩展成焊条，从而它们更容易承受封装/PWB在该器件操作期间的不同膨胀和收缩。如图7F-2和7G-2所示，用第二个方法，对消耗薄片400进行蚀刻，从而使焊接区410和中央区415相对于封装的底部是平坦的。然后，可通过焊接区410把该器件电气连接到PWB并通过中央区415把该器件热连接到PWB。在另一个实施例中，可在消耗薄片蚀刻步骤期间对焊接区410进行蚀刻，以在每个焊接区内产生一凹坑。这些凹坑可有利于把焊球置于焊接区410上。
已完整地描述了本发明的几个实施例，对本领域内的中等技术人员来说很明显的是，存在不背离上述本发明的各种变形和等效物。因此，应理解本发明不限于以上的描述，而只限于附加的权利要求书。