半導體部件及其制造方法

專利名稱：半導體部件及其制造方法
技術領域：
本發明總體上涉及半導體部件，更具體地，涉及半導體部件封裝。
背景技術：
半導體部件制造商們一直努力在降低制造成本的同時提高他們的產品性能。在半導體部件制造中的成本密集型領域是封裝包含半導體器件的半導體芯片。如本領域普通技術人員所知，分立半導體器件和集成電路是用半導體晶片(晶圓)制造的，半導體晶片隨后被單體化(singulate)或者切割，來生產半導體芯片。一般地，一個或多個半導體芯片被附加到剛性支持襯底上并被封裝到模塑料(模塑化合物)中，使得半導體芯片不會暴露于外周環境中。這就提供了針對環境應力和物理應力的保護。在晶片級封裝技術和倒裝晶片(flip-chip，倒裝芯片)技術中，焊料塊(solder bump)形成在存在于半導體晶片或半導體芯片上的接合區(bonding pad)上。半導體晶片或半導體芯片被安裝到支承襯底上，這樣焊料塊可被接合到位于支承襯底上的相應的接合區。除了使用倒裝晶片技術外，還可以使用金屬絲互連(wireinterconnect)或倒裝晶片接合和金屬絲互連相結合的技術來進行接合。
這些技術的缺點在于，在多芯片封裝中，一個有缺陷的接合就可能導致該半導體部件不工作。由于金屬下焊塊金屬化系統(under-metal bump metallization system)中的缺陷、在接合區附近半導體材料中的裂縫、坑穴以及金屬疲勞導致的焊點破壞，可能會出現有缺陷的接合。另外，多芯片封裝產生大量熱量，所產生的熱量如果不能散去就會對半導體部件產生應力。另一個缺點是在傳統晶片級封裝技術和倒裝晶片技術中，接合區消耗大量的半導體材料。此外，這些處理技術復雜并且在制造環境中實現這些技術的費用高。
因此，需要一種半導體部件和制造半導體部件的方法，使得單芯片封裝或多芯片封裝的產品可靠并且制造成本低。


通過結合附圖閱讀以下詳細的描述可以更好地理解本發明，附圖中同樣的附圖標記表示同樣的元件，其中圖1是根據本發明的實施例的在半導體部件制造中使用的膜框架、膜和半導體晶片的頂視圖；圖2是在芯片切割或芯片單體化后沿著線2-2獲得的圖1中的膜框架、膜和半導體晶片的橫截面側視圖；圖3是根據本發明的實施例的拉伸后的圖2中的膜和劃片后的半導體晶片的橫截面側視圖；圖4是在制造后期的圖3中的膜和半導體晶片的橫截面側視圖；圖5是在制造后期的圖4中的膜和半導體晶片的橫截面側視圖；圖6是在制造后期的包含圖5中的單體化的半導體晶片的整體結構(unitary structure)的橫截面側視圖；圖7是在制造后期的圖6中的整體結構的橫截面側視圖；圖8是圖7中的整體結構在封裝單體化(singulation)后的橫截面側視圖；圖9是根據本發明的另一個實施例的在劃片后的膜框架、膜和半導體晶片的橫截面側視圖；圖10是單體化后圖9中的整體結構在切割后的橫截面側視圖；圖11是根據本發明的另一個實施例的安裝到膜上的電路元件的橫截面側視圖；圖12是根據本發明的一個實施例的圖11中的電路元件在安裝到另一個膜上之后的橫截面側視圖；圖13是在制造后期的包含圖12的電路元件和封裝材料的整體結構的橫截面側視圖；
圖14是根據本發明的一個實施例的圖13中的整體結構的所述膜已經從整體結構的一個表面去除，并且該整體結構的相對表面已經安裝到另一個膜上之后的橫截面側視圖；圖15是圖14的整體結構在封裝單體化之后的橫截面側視圖。
具體實施例方式
總體而言，本發明提供一種電子部件和用于制造該電路部件的方法，該方法包括在支承、切割和封裝包括所述電子部件的電路元件時使用多個彈性膜。彈性膜的使用降低了對剛性支承襯底比如金屬引線框、印刷電路板等的需要。這就減低了制造成本并降低了制造電路部件的復雜性。根據一個實施例，半導體晶片的底面安裝到第一彈性膜上然后通過，例如，鋸或切割半導體晶片，被單體化為多個半導體芯片。拉伸所述第一彈性膜以在半導體芯片之間產生間隔，然后將第二彈性膜附加到所述多個半導體芯片的頂面上。從半導體芯片的底面去除所述第一彈性膜。在半導體芯片的底面和側表面上形成封裝材料，以便形成具有底部表面和頂部表面的整體結構。所述第二彈性膜保持半導體芯片之間的間隔，保護半導體芯片的頂面或有效表面，并用作壁，來形成所述整體結構的頂面，也就是封裝材料的頂面。所述整體結構的底面安裝到第三彈性膜上，然后所述整體結構被單體化為電路部件個體。雖然半導體芯片一般包括有源電路元件比如絕緣柵場效應晶體管、雙極結式晶體管、絕緣柵雙極晶體管、結式場效應晶體管等，所述半導體芯片還可以包括無源電路元件如電阻、電容器、電感器等。或者，所述半導體芯片可以被代之以用基于非半導體的材料制成的電路元件。
根據另一個實施例，所述多個電路元件的頂面被放置為接觸彈性膜。彈性膜保護電路元件的頂面或有效表面，并用作壁以形成整體結構的頂面，也就是封裝材料的頂面。使用例如模塑料來封裝所述多個電路元件，以形成具有頂面和底面的整體結構。所述整體結構的所述底面安裝到彈性膜上，然后接觸電路元件的所述彈性膜被去除，從而整體結構的頂面和電路元件暴露出來。整體結構被單體化以形成電路部件。應注意每一個電路部件可以由一個或更多電路元件構成。每個電路部件最好是具有同樣數量和類型的電路元件。
應注意粘結膜和膠帶一般具有一個背層(backing layer)或支承層和一個粘結層。每一個層的組成隨膠帶類型的不同而變化。例如，晶片切割膜可以具有聚酯背層，以及硅酮粘合層或可紫外固化層。封裝單體化膠帶可以由例如帶有硅酮膠層的聚酯背層來構成。但是，背層和粘結層的類型不是對本發明的限制。
圖1是根據本發明的一個實施例的在半導體部件制造中使用的膜框架10的頂視圖。膜框架10是具有內邊緣14和外邊緣16的環形。膜框架10分別有頂面和底面15和17(底面17見圖2)、在相對兩側的一對平面18和一對用于接收導引腳的定位凹槽20(未圖示)。膜框架10也被稱為安裝框架組件。
在操作時，具有粘結表面26和非粘結表面28的膜24被拉在膜框架10上，這樣非粘結表面28接觸膜框架10。適用于膜24的材料包括聚酯、丙烯酸樹脂、聚酰亞胺、紫外光敏膜及合成材料等。為了說明的清楚，在這里討論了表面26、28、33和35，但是，還會參照圖2對它們進一步說明和論述。將膜框架10和膜24安裝在劃片機上(未圖示)并使用機械夾子將其固定到位。或者，可以使用真空吸盤、機械夾子和真空吸盤的組合等方法將膜框架10和膜24固定到位。襯底30，比如分別具有頂面和底面33和35并含有多個半導體芯片或電路小片32的半導體晶片，被安裝到粘結表面26上。半導體晶片30的頂面33最好包括置于接合區的可焊接頂部金屬、輸入輸出焊盤等。可焊接頂部金屬的例子包括非鐵金屬的疊層、金屬合金的疊層、導電復合材料等。更多具體的可焊接頂部金屬的例子包括但不限于鈦、鎳和銀的組合；鈦、鎳、釩和金的組合；鈦、鎢、鎳、釩和金的組合；鉻、鎳和金的組合；鋁、鉻、鎳和金的組合。半導體晶片30有多個基本上互相平行的劃片線34和多個基本上互相平行但基本上垂直于劃片線34的劃片線36。劃片線34和劃片線36一起形成劃片柵格，該劃片柵格形成半導體芯片個體或電路小片32個體的邊界。應當理解安裝在襯底30上的襯底類型不是對本發明的限制。例如襯底可以是球柵陣列封裝(BGA，Ball GridArray)襯底，針柵陣列封裝(PGA，Pin Grid Array)等。劃片機沿著劃片線34和36切割或鋸襯底30以形成有側面37的半導體芯片32個體。將襯底如半導體晶片30切割成元件個體的處理被稱為切割襯底(劃片)或者將襯底單體化。
圖2是在劃片后沿著剖面線2-2獲得的圖1中的膜框架10、膜24和半導體晶片30的橫截面側視圖。圖2中是膜框架10的內邊緣14、外邊緣16、頂面15和底面17。膜24的非粘結表面28和膜框架10的頂面15接觸。切割半導體晶片30將之分開形成彼此之間橫向分離或者隔開間距S1的半導體芯片32個體。每一個半導體芯片32具有頂面33和側面37，其中頂面33包括置于接合區的可焊接金屬、輸入輸出焊盤等。
參見圖3，膜24被拉伸以增大相鄰半導體芯片32之間的距離。根據本發明的一個實施例，使用膜拉伸器40將膜24拉伸，膜拉伸器40可以包括一對同心塑料圈或環42和44。或者，膜拉伸器40可以是半自動擴張器或全自動擴張器，例如機動的、導螺桿驅動的電路小片接合擴張器。環42有外直徑D1，環44有內直徑D2，內直徑D2大于外直徑D1。膜24被張在環42上以增加相鄰半導體芯片32之間的距離。拉伸之后，半導體芯片32彼此之間橫向分開比間距S1大的間距S2。圈或環44繞環42摩擦配合(frictionally fit)，使得膜24的一部分位于圈或環42和44之間。圈44繞圈42摩擦配合確保膜24固定到膜拉伸器40上。應該理解用于拉伸膜24的技術不是對本發明的限制。
參見圖4，膜拉伸器40和膜24被安裝到夾盤46上。具有粘結表面50和非粘結表面51的膜48被耦合到半導體芯片32的表面33上。具體地，粘結表面50接觸半導體芯片32的表面33。適于膜48的材料包括聚酯、丙烯酸樹脂、聚酰亞胺、紫外光敏膜和合成材料等。
現在參見圖5，膜拉伸器40和膜24和48從夾盤46去除。然后，膜24從半導體芯片32上去除。這樣，膜24與半導體芯片32的底面35分開，從而使底面35暴露。應注意膜48在圖中被圖示為相對于它在圖4中的位置反向。
現在來看圖6，暴露的表面35和半導體芯片32之間的區域用封裝材料52比如模塑料覆蓋，以形成包含多個半導體芯片32的整體結構53，該多個半導體芯片32彼此之間通過封裝材料52電絕緣。適合的封裝材料包括基于環氧-線型酚醛(epoxy novolac)的模塑料、基于硅樹脂的模塑料等。封裝材料52覆蓋半導體芯片32的表面35和側面37，接觸非粘結表面51。模塑材料可以在壓力機中轉移模塑或用分配的焊膏(dispensed paste)來進行圓形封裝(glob-topped)，之后固化.封裝材料52最好是基于環氧-線型酚醛的模塑料或基于硅樹脂的模塑料，它們是熱固的材料，在轉移模塑過程中固化。但是，可能也希望包括模塑后固化(post-mold curing)。對于焊膏圓形封裝，可以包括模塑后固化，其中，通過在氮環境內于大約125攝氏度到大約175攝氏度的溫度下加熱，使圓形封裝焊膏固化。封裝材料52具有頂面54和底面56。
參見圖7，封裝材料52的底面56安裝到膜60的頂面61上。作為例子，膜60和膜24的類型一樣。膜60的材料不是對本發明的限制。適合膜60的材料包括具有硅酮膠層的聚酯背層、具有丙烯酸脂膠層的聚酯背層、具有硅酮膠層的聚酰亞胺背層、具有丙烯酸脂膠層的聚酰亞胺背層等。從整體結構53上去除膜48。應注意整體結構53在圖中被圖示為與它在圖6中的位置反向。
現在參見圖8，通過沿著半導體芯片32之間的封裝材料50的部分切割或鋸來使整體結構53單體化，以形成半導體部件62個體。切割可以由鋸片、水射流(water jet)切割工具、激光、激光和水射流切割工具的組合等來完成。根據一個實施例，半導體芯片32的底面33和側面37由封裝材料覆蓋。每一個半導體部件62個體通過使用例如一種取放工具從膜60上取下，置于膠帶上或卷帶上或盤里。通常要進行一系列的電測試來確保半導體部件功能正常。半導體部件62可以通過使用例如倒裝晶片安裝，絲焊(引線接合)，回流焊接(再流焊)等技術電耦合到其它電路。
圖9是根據本發明的另一個實施例在劃片后的膜框架10、膜24和半導體晶片30的橫截面側視圖。應注意關于圖9的切割半導體晶片30的描述與關于圖2的不一樣，其區別在于圖9所示為用雙趟(double-pass)切割技術來切割半導體晶片30。更具體地，使用寬度為W1的鋸片沿著劃片線34和36來切割半導體晶片30。所獲得到的切口寬度為W1，從頂面33延伸進半導體晶片30一個距離H1。然后，使用寬度為W2的鋸片沿著劃片線34和36切割半導體晶片30，其中，寬度W2小于寬度W1。所獲得到的切口寬度為W2，延伸到膜24的表面26，因而形成半導體芯片70。使用雙趟切割技術繞著半導體芯片70周邊產生了凹槽72。應進一步注意到半導體晶片30的切割可以通過使用單一鋸片配置而不是雙趟切割技術。換句話說，鋸片可以被配置為用來產生這樣的切口其一部分具有寬度W1，延伸進半導體晶片30一個距離H1，該切口還具有寬度為W2的部分。
現在參見圖10，膜24從膜框架10上取下，被拉伸以增加相鄰半導體芯片70之間的距離，用封裝材料例如封裝材料52封裝以形成整體結構，并被鋸或切割以形成獨立的半導體部件76。適用于拉伸膜24、封裝半導體芯片70以形成整體結構以及從整體結構形成半導體部件76個體的技術已經參考圖3-8描述過。在半導體部件76和半導體部件62之間的不同在于在半導體部件76中存在凹槽72。凹槽72用作鎖定結構。例如，當封裝材料是模塑料時，凹槽72用作模具鎖定結構。鎖定結構提高了封裝材料比如模塑料對半導體芯片70的附著力。鎖定結構也稱為封裝材料附著力提高部件。
現在參見圖11，圖11描述了根據本發明的另一個實施例制造中間環節上的多芯片半導體部件100的側視圖。圖11中多個電路元件安裝在膜102上。更具體地，邏輯電路元件108、模擬電路元件110、分立電路元件112和無源電路元件113被安裝在膜102的頂面104。邏輯電路元件108分別有頂和底面116和118，模擬電路元件110分別有頂和底面120和122，分立電路元件112分別有頂和底面124和126，無源電路元件113分別有頂和底面125和127。頂面116、120、124和125最好是包括具有置于接合區上的可焊接金屬、輸入輸出焊盤等的部分。應該注意電路元件可以從襯底例如我們在圖1和圖2中論述的半導體晶片中分離出來。還應進一步注意無源電路元件113可以是具有置于相對兩端的導電性材料的芯片電容器或芯片電阻。
雖未圖示，但膜102的底面106可以安裝在膜框架如膜框架10或膜拉伸器如膜拉伸器40上。根據這個實施例，電路元件可以在被拉伸后置于膜102上，因為電路元件之間的距離可以由用來放置電路元件到膜102上的工具來設置。作為例子，用于放置電路元件108、110、112和113到膜102上的工具是一個取放工具。雖然電路元件108、110和112被圖示為分別帶有凹槽128、130和132，應當理解這不是對本發明的限制，電路元件可以沒有凹槽或只在一個或多個電路元件中有凹槽。與參考圖10描述的凹槽72一樣，凹槽128、130和132用作鎖定結構。
現在參見圖12，具有粘結表面142和非粘結表面144的膜140被分別耦合到電路元件108、110、112和113的表面116、120、124和125上。具體地，電路元件108、110、112和113的表面116、120、124和125分別接觸粘結表面142。膜102從電路元件108、110、112和113去除，讓表面118、122、126和127暴露。應注意電路元件108、110、112和113被圖示為與它在圖11中的位置反向。
現在參見圖13，暴露的表面118、122、126和127和電路元件108、110、112和113之間的區域被封裝材料150例如模塑料覆蓋以形成含有多個電路元件108、110、112和113和封裝材料150的整體結構151。適合的封裝材料包括基于環氧-線型酚醛模塑料，基于硅樹脂的模塑料等。封裝材料150覆蓋半導體芯片32的表面35和側面37并和粘結表面142接觸。模塑料可以在壓力機中轉移模塑或用分配的焊膏來進行圓形封裝，之后固化。封裝材料150最好是基于環氧-線型酚醛的模塑料或基于硅樹脂的模塑料，它們是熱固的材料，在轉移模塑過程中固化。但是，可能希望包括模塑后固化。對于焊膏圓形封裝，可以包括模塑后固化，其中，通過在氮環境中在從大約125攝氏度到大約175攝氏度的溫度加熱，使圓形封裝焊膏固化。封裝材料150具有頂面152和底面154。
現在參見圖14，封裝材料150的底面154安裝在膜158的頂面160上。作為例子，膜158和膜102是同樣類型的膜。膜158的材料不是對本發明的限制。適用于膜158的材料包括具有硅酮膠層或是丙烯酸脂膠層的聚酯背層、具有硅酮膠層或是丙烯酸脂膠層的聚酰亞胺背層等。膜140從整體結構151去除。應注意電路元件108、110、112和113被圖示為與它在圖13中的位置反向。
現在參見圖15，沿著電路元件組之間的封裝材料150的部分切割整體結構151以形成半導體部件162。每一個半導體部件162包括邏輯電路元件108、模擬電路元件110、分立電路元件112和無源電路元件113。這樣，半導體部件162是多芯片元件或多芯片模塊。每一個半導體部件162個體能使用例如取放工具從膜158取下，被置于膠帶上或卷帶上或盤里。通常要進行一系列的電測試來確保半導體部件功能正常。半導體部件162內的電路元件可以通過使用諸如絲焊、回流焊接等技術彼此互相電耦合。類似地，半導體部件可以使用諸如倒裝晶片安裝、絲焊、回流焊接等技術電耦合到半導體元件外部的電路。
這樣可以看到，本發明提供了不包括安裝電路元件到剛性支承襯底例如引線框或印刷電路板上的用于制造半導體部件的方法，以及根據該方法制造的半導體部件。根據本發明的一個實施例，使用多個膜將電路元件個體嵌在封裝材料內，以保護電路元件的有效表面，幫助封裝材料成型。根據本發明的另一個實施例，使用多個膜將多個電路元件嵌入封裝材料內，以保護它們的有效表面，幫助封裝材料成型。本發明的優勢包括降低制造半導體部件的成本以及使制造過程對用戶更友好。
雖然在這里描述了特定的優選實施例和方法，從前面所述的說明，對本領域的技術人員很明顯的是在不脫離本發明的精神和實質范圍內，可以對以上實施例及方法作來各種變動，修改。對本發明的限制僅限于所附權利要求書以及適用的法律的規則和原則。
權利要求
1.用于制造半導體部件的方法，包括提供具有第一和第二主表面的第一膜；將至少一個電路元件安裝在所述第一膜的第一主表面上，所述至少一個電路元件具有第一和第二表面，所述至少一個電路元件的第一表面和所述第一膜的第一主表面相接觸；以及將第二膜和所述至少一個電路元件的第二表面相接合，所述第二膜具有第一和第二主表面，其中第二膜的第一主表面和所述至少一個電路元件的第二表面相接觸。
2.如權利要求1所述的方法，還包括將第一膜從所述至少一個電路元件的第一表面去除；在所述至少一個電路元件的至少第一表面上形成封裝材料，所述封裝材料具有頂面和接合面，所述接合面與所述至少一個電路元件分隔開；以及將第二膜從所述至少一個電路元件的第二表面去除。
3.如權利要求1所述的方法，其中將至少一個電路元件安裝在所述第一膜的第一主表面上的步驟包括在第一膜上安裝半導體晶片，還包括切割半導體晶片以形成多個半導體芯片拉伸第一膜使所述多個半導體芯片中的分開；其中將第二膜和所述至少一個電路元件驟包括將第二膜和所述多個半導體芯片中的少一個相接合；以及將第三膜與所述封裝材料的接合面進行接合，所述第三膜具有第一和第二主表面，其中所述第三膜的所述第一主表面和封裝材料的接合面接觸。
4.如權利要求3所述的方法，其中切割半導體晶片以形成多個半導體芯片的步驟包括用具有第一寬度的第一鋸片切割半導體晶片和用具有第二寬度的第二鋸片切割半導體晶片。
5.一種用于封裝電路元件的方法，包括提供安裝到第一粘接材料的多個電路元件，其中所述多個電路元件包含具有第一和第二主表面的電路元件，并且其中所述多個電路元件的第一主表面和第一粘接材料相接觸；以及在將所述多個電路元件安裝到所述第一粘接材料上的同時將第二粘接材料和所述多個電路元件的第二表面相接合。
6.如權利要求5所述的方法，還包括將第一粘接材料與所述多個電路元件分開，暴露出所述多個電路元件的一部分；以及在所述多個電路元件的暴露部分上形成封裝材料以形成整體結構。
7.如權利要求6所述的方法，還包括在第三粘接材料上安裝所述整體結構；將所述第二粘接材料從所述整體結構分離；以及將所述整體結構單體化。
8.適合用于半導體部件的中間結構，包括具有第一和第二主表面的電路元件，耦合到第一主表面的第一膜；以及耦合到第二主表面的第二膜。
9.如權利要求8所述的半導體部件，其中第一和第二膜的材料是選自包括丙烯酸酯、聚酯、聚酰亞胺和復合材料的材料組中的材料。
10.一種半導體部件，包括具有頂面、底面和側表面的至少一個電路元件；以及接觸所述底面和側表面的封裝材料，其中所述至少一個電路元件沒有耦合到支承襯底。
全文摘要
本申請涉及半導體部件及其制造方法，具體地是一種具有一個或多個不放置在剛性支承襯底上的封裝電路元件的電路部件和一種用于制造所述電路部件的方法。半導體晶片被放置在劃片膜上，被被單體化為單個的半導體芯片。所述劃片膜被拉伸，并放置保護膜使其與半導體芯片的有效表面相接觸。在半導體芯片上形成封裝材料。所述封裝材料覆蓋半導體芯片和在半導體芯片之間的保護膜部分以形成整體結構。將支持膜耦合到所述整體結構，去除保護膜。所述整體結構被單體化成單個的半導體部件。或者，可以制造多芯片電路部件，該多芯片電路部件可以包括有源電路元件，無源電路元件，或是二者的組合。
文檔編號H01L23/31GK1967775SQ20061014362
公開日2007年5月23日 申請日期2006年11月2日 優先權日2005年11月18日
發明者哈羅德·G·安德森, 杰·A·尤德, 蒼·尼奧, 喬斯弗·K·弗蒂, 小詹姆斯·P·萊特蔓 申請人:半導體元件工業有限責任公司