分立半導體器件封裝和制造方法
【專利摘要】公開了一種分立半導體器件封裝(100)，包括：半導體管芯(110)，具有第一表面以及與所述第一表面相對且承載觸點(112)的第二表面；所述觸點上的導電體(120)；密封材料(130)，橫向地密封所述導電體；以及與導電體導電接觸的封蓋部件(140，610)，例如焊接帽、另一半導體管芯或者其組合，所述焊接帽在密封材料上延伸。可以將另一焊接帽(150)設置在第一表面上。也公開了一種制造這種分立半導體器件封裝的方法。
【專利說明】分立半導體器件封裝和制造方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種分立半導體器件封裝。
[0002]本發明還涉及一種對諸如二極管之類的分立半導體器件進行封裝的方法。
【背景技術】
[0003]在銷售時，諸如二極管之類的分立半導體器件典型地設置在封裝中。封裝保護分立半導體器件免受意外損壞，并且提供用于將分立半導體器件集成到更大電子設備中的觸點，例如通過將分立半導體器件安裝到諸如印刷電路板(PCB)之類的載體上。在已知的封裝方法中，封裝觸點典型地是分立半導體器件的觸點的散開輸出端(fan-out)，即具有較大的面積，因為按照直接且成本有效的方式在封裝層面再現小尺寸的分立半導體器件的制造方法當前不是可用的。
[0004]由于包括分立半導體器件在內的半導體器件正在微型化，必須對相應的封裝尺寸微型化。然而，這并不是輕而易舉的，因為封裝觸點的散開輸出端造成了封裝尺寸的下限。例如，對于二極管封裝，難以將封裝微型化超過0.6mmX0.3mmX0.3mm的尺寸。這種封裝也稱作0603封裝。
[0005]通常使用引線框封裝設計來制造這種分立半導體封裝，其中從半導體管芯或晶體到載體觸點的連接經由引線鍵合(wire bond)來提供。然而,超過0603封裝尺寸的微型化使得應用引線鍵合是麻煩且耗時的，從而使得這種連接的使用實際上不能實現。
【發明內容】
[0006]本發明旨在提供一種分立半導體封裝，所述分立半導體封裝避免了在將封裝安裝到諸如PCB之類的載體上時使用引線鍵合的需要。
[0007]本發明還旨在提供一種封裝方法，所述封裝方法便于將分立半導體器件封裝(具體地，二極管封裝)進一步微型化。
[0008]根據本發明的第一方面，提出了 一種分立半導體器件封裝，包括:半導體管芯，具有第一表面以及與所述第一表面相反且承載觸點的第二表面；所述觸點上的導電體；密封材料，橫向地密封所述導電體；以及與導電體導電接觸的封蓋部件，所述封蓋部件在所述密封材料上延伸。
[0009]導電體典型地包括在將封裝安裝到諸如印刷電路板之類的載體上時的溫度下保持固態的材料。例如，在超過280°C的溫度下熔化的焊料或者諸如Au、Ni和/或Cu之類的合適金屬可以用于金屬體。
[0010]在實施例中，封蓋部件可以是焊接帽。優選地，分立半導體器件還包括與第一表面導電接觸的另一焊接帽。
[0011]在替代實施例中，封蓋部件可以是另一半導體管芯，以進一步增加分立半導體封裝的魯棒性。例如，所述另一管芯可以是另一半導體器件以提供背靠背二極管功能，或者在局限于僅單獨器件的封裝的情況下代替地可以是虛擬管芯。在該實施例中，半導體管芯的相應底部表面可以用作帽，即，針對用于將封裝安裝到載體上的焊料的接觸表面。如果所述管芯和所述另一管芯包括可焊背部金屬疊層，在所述可焊背部金屬疊層上可以直接涂覆載體焊料，則這是特別切實可行的。
[0012]為了改進這種封裝的可焊接性，可以將封蓋層設置在相應的底部表面上。
[0013]這種封裝的優勢在于可以在批量工藝中制造并且可以側向放置在載體上，使得第一表面和第二表面從載體表面垂直地延伸。這允許使用從載體表面延伸至第一表面(上的焊接帽)和第二表面的觸點上的密封焊料部分之上的焊接帽的焊接材料來將所述封裝電連接至載體，從而避免了鍵合引線的使用。
[0014]導電體可以采取球的形式，或者替代地可以具有柱形形狀，例如焊料球或柱、金屬球或柱等。
[0015]在實施例中，密封材料沿將第一表面和第二表面相連的半導體管芯的相應側面延伸。這具有向分立半導體器件提供另外的保護以抵抗意外損壞的優點。
[0016]根據本發明的另一個方面，提出了一種載體，包括第一載體觸點和第二載體觸點，所述載體還包括根據本發明實施例的分立半導體器件封裝，其中通過相應的另外焊接部分將所述第一載體觸點導電連接至第一表面并且將所述第二載體觸點導電連接至導電體。如前所述，這種載體具有避免使用鍵合引線的優勢，從而可以更加易于(即更加節省成本地)制造這種載體。
[0017]根據本發明的再一個方面，提出了一種制造分立半導體封裝的方法，包括:提供晶片，所述晶片包括多個分立半導體器件，每一個所述分立半導體器件具有第一表面以及與所述第一表面相對且承載觸點的第二表面；在每一個所述觸點上形成相應的導電體；用密封材料至少覆蓋承載導電體的晶片表面；分割分立半導體器件；以及至少在每一個所述分立半導體器件的導電體上設置封蓋部件。可以通過對晶片切片或等離子體刻蝕執分割步驟，以提供分立半導體器件，并且可以在施加封蓋部件之前或之后執行分割步驟。這允許在批量工藝中制造多個分立半導體器件，其中向多個分立半導體器件同時施加每一工藝步驟，從而提供了成本有效的制造方法和無需鍵合引線就能安裝到載體上的半導體器件封裝。
[0018]在實施例中，該方法還包括:在所述分割步驟之前，對包括分立半導體器件的相應第一表面在內的晶片表面進行減薄。這具有以下優勢:由于減小了晶片破裂的風險，改善了在減薄步驟之前的制造工藝的魯棒性。
[0019]在實施例中，封蓋部件是與包括多個所述管芯在內的半導體晶片不同的另一半導體管芯。這在封裝要求背靠背功能(例如背靠背二極管功能)的情況下是有利的，并且可以在下述封裝工藝中是有利的:在所述封裝工藝中，因為該實施例允許使用較小的導電體，例如較小的焊料或金屬球或凸塊，柱形導電體是不可用的。在替代實施例中，在對于只包括單一有源器件的封裝需要使用較小的凸塊或球的情況下，所述另一晶片包括多個虛擬管芯。在將另一半導體管芯用作封蓋部件的情況下，可以在設置封蓋部件之后執行分割步驟。
[0020]在另一個實施例中，設置封蓋部件的步驟包括至少在導電體上設置焊接帽。優選地，該方法還包括在每一個分立半導體器件的第一表面上設置另一焊接帽。將要焊接的表面上存在焊接帽改進了所述表面與焊接材料的親合力，從而改進了焊料與半導體器件封裝觸點的粘附性。在使用另一半導體管芯作為封蓋部件的情況下，也可以將焊接帽設置在另一半導體管芯上。
[0021]在實施例中，該方法還包括:在所述覆蓋步驟之前，部分地分割分立半導體器件，從而暴露將第一表面和第二表面相連的每一個分立半導體器件的側面；以及其中所述覆蓋步驟還包括用密封材料覆蓋所述側面。這具有以下優勢:利用密封材料也保護了分立半導體封裝的側面。
[0022]為此目的，該方法可以包括:在所述部分分割步驟之前，將晶片放置于切割箔上；以及在所述部分分割步驟之后拉伸所述切割箔，以暴露出分立半導體器件的相應側面。
[0023]替代地，該方法可以包括用具有第一厚度的切割刀片切割晶片，其中所述分割步驟包括用具有比第一厚度小的第二厚度的切割刀片切割密封的晶片。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0024]參考附圖并且通過非限制示例更加詳細地描述本發明的實施例，其中:
[0025]圖1示意性地示出了根據本發明實施例的分立半導體器件封裝；
[0026]圖2示意性地示出了根據本發明另一實施例的分立半導體器件封裝；
[0027]圖3示意性地示出了根據本發明實施例的包括分立半導體器件封裝的載體；
[0028]圖4示意性地示出了根據本發明實施例的制造分立半導體器件封裝的方法的各步驟；
[0029]圖5示意性地示出了根據本發明另一實施例的制造分立半導體器件封裝的方法的各步驟；以及
[0030]圖6示意性地示出了根據本發明再一實施例的制造分立半導體器件封裝的方法的各步驟。
【具體實施方式】
[0031]應該理解，附圖只是示意性的并且沒有按比例繪制。還應該理解，貫穿附圖使用相同的附圖標記來表示相同或類似的部分。
[0032]圖1示意性地示出了本發明的分立半導體器件封裝100的第一實施例。垂直半導體器件(例如垂直二極管)的半導體管芯110(例如，單晶或多晶硅管芯)承載管芯觸點112，在管芯觸點112上形成有導電體120，導電體120在該示例中是具有足夠高熔點(例如大于280°C)的焊料或金屬球。可以按照任意合適的方式形成這種導電體120，例如通過沉積焊料、例如通過引線鍵合涂覆金或銅球、在電鍍槽中涂覆Ni觸點、在電鍍槽中生長銅柱等。導電體還可以包括可焊鍍層，例如Sn鍍層或具有足夠高熔點的鍍層，以改進導電體120的可焊接性。
[0033]管芯觸點112可以是任意合適的導電材料，例如諸如銅、鋁之類的金屬，任意合適類型的凸點下金屬化層(under-bump metallization)等等。為了改進可焊接性,可以通過從錫、銀、金屬合金、諸如配置有Ni阻擋層的Au(即NiAu最終層)之類的疊層、NiPdAu等中選擇的電鍍材料對管芯觸點112進一步進行電鍍。任意合適的導電合成物可以用于導電體120的形成。
[0034]將導電體120密封在模制材料130中，使得導電體120實現與焊接帽140的導電接觸。焊接帽140可以包括改進與封裝100的焊料粘合性的任意材料。例如，可以使用從錫、銀、金屬合金、諸如配置有Ni阻擋層的Au(即NiAu最終層)之類的疊層、NiPdAu等中選擇的電鍍材料。模制材料130典型地是聚合物材料，例如環氧樹脂。然而，許多其他合適的模制聚合物材料本身對于本領域普通技術人員也是已知的。
[0035]導電體120的橫向尺寸小于半導體管芯110的橫向尺寸，模制材料130從導電體120橫向地延伸至半導體管芯10的邊緣，使得在分立半導體器件封裝100中從管芯表面到導電體120的頂部的空間完全以模制材料130填充。
[0036]除了第一焊接帽140之外，封裝100還可以與半導體管芯110的底部觸點(未示出)導電接觸的第二焊接帽150。因為向這種封裝設置焊接帽本身是公知的，為了簡明起見不再詳細解釋這一點。可以說任意合適的焊接帽材料可以用于設置焊接帽140和150。焊接帽150可以是與焊接帽140相同或不同的材料。為了避免封裝工藝中的附加復雜性，相同材料是優選的。
[0037]圖2示出了圖1的分立半導體器件封裝100的替代實施例，其中用焊接或金屬柱120代替導電體120。這說明了分立半導體器件封裝100中的導電體120可以具有任意合適的形式。
[0038]通常，按照頂部/底部接觸朝向將分立半導體器件封裝安裝到諸如PCB之類的載體上，其中底部觸點直接鍵合到載體，而頂部觸點是引線鍵合觸點，用于將頂部觸點引線鍵合至載體。引線鍵合觸點的設置要求最小的面積，這抑制了封裝尺寸超過一定尺寸的縮小。
[0039]相反，在分立半導體器件封裝100中用集成導電體120代替引線鍵合觸點便于這種封裝在諸如圖3所示的PCB之類的載體200上進行側向安裝，其中焊接帽140和150提供從封裝100到外部的觸點。載體200具有第一觸點210和第二觸點220，使用焊接部分250將分立半導體器件封裝100焊接到第一和第二觸點。在分立半導體器件封裝100的端部上設置焊接帽140和150使得焊接部分250能夠從相應的觸點210和220垂直地延伸。例如，分立半導體器件封裝100的側向安裝允許將該封裝用于已經設計為容納更大形狀因子的部件如0603 二極管封裝的PCB。
[0040]在圖4中示出了用于制造根據圖1或圖2的半導體封裝的方法的實施例。在第一步驟(a)中，提供晶片410，所述晶片包括多個半導體管芯部分110，每一個半導體管芯部分承載管芯觸點112。晶片410可以是任意合適的晶片，例如單晶或多晶硅晶片、硅-鍺晶片、包括異質結的晶片，例如包括氮化鎵異質結器件的晶片等等。管芯觸點112可以是任意合適的導電材料，例如金屬。優選地，這種金屬是在可應用的半導體工藝中可容易應用的金屬，例如用于硅基工藝的銅。
[0041]在步驟(b)中，相應的導電體120 (例如柱或球)形成于每一個管芯觸點112上，隨后將導電體120密封在模制材料130中，例如諸如環氧樹脂之類的聚合物或樹脂或者任意其他合適的聚合物材料，如步驟(c)所示。可以在平坦化步驟(未示出)中去除過量的模制材料130，以露出導電體120的上表面。這種密封步驟本身是已知的，并且只是為了簡明起見而不再詳細地解釋。
[0042]該方法如可選步驟(d)所示繼續，其中將晶片410減薄到所需的厚度，例如通過機械研磨和拋光隨后進行可選的回蝕步驟，或者通過諸如化學機械拋光的拋光步驟。隨后在步驟(e)中分割晶片410以形成單獨的分立半導體器件封裝100，例如通過切片或等離子體刻蝕，此后通過在包括導電體120的暴露部分在內的表面上形成焊接帽140、并且在分立半導體器件封裝100的半導體管芯110的暴露(底部)表面上形成焊接帽150完成每一個分立半導體器件封裝100。
[0043]在圖4的實施例中，模制材料130形成于半導體管芯110中承載觸點112的表面的頂部上，使得通過模制材料130 (橫向地)密封導電體120。然而，在替代實施例中，使得模制材料130在半導體管芯110中將承載觸點112的半導體管芯110表面與半導體管芯110的相對表面(即，底部表面)相連的側面上延伸，使得模制材料130也密封了半導體管芯110，其具有的優點是對于分立半導體器件封裝100的附加保護。
[0044]在圖5中示出了制造這種分立半導體器件封裝100的方法的實施例。步驟(a)和(b)與圖4所示方法的步驟(a)和(b)相同，并且只是為了簡明起見不再詳細描述這些步驟。應注意，在圖5中，將晶片410放置于切割帶或箔或者一些其他的安裝輔助物510上，但是應理解，在圖4所示的方法中也可以使用這種安裝輔助物。
[0045]在步驟(c)中，將晶片410部分地切片以在單獨的半導體器件之間產生溝槽520，例如通過等離子體刻蝕或切割步驟，其中至少是安裝輔助物510將單獨的半導體器件保持在一起。可以增加溝槽520的寬度，即，可以通過拉伸安裝輔助物510來將單獨的半導體器件彼此進一步間隔開。替代地，具有相對較大厚度的切割刀片可以用于獲得針對溝槽520的所需寬度。
[0046]接下來，如步驟(d)所示，將所得到的結構密封在模制材料130中。應該注意，在這一步驟中溝槽520也填充了模制材料130，從而在相應半導體管芯110的側面處提供了密封。如前所述，如果必要，可以向模制材料130施加諸如化學機械拋光步驟之類的平坦化步驟，以暴露導電體120的上表面。在可選步驟(e)中，可以如前所述施加晶片減薄步驟，接著是分割步驟(f)以形成單獨的分立半導體器件封裝100，例如通過切片(切割)或等離子體刻蝕。在實施例中，通過使用第一厚度的切割刀片的切片步驟來執行步驟(C)，并且通過使用比第一厚度小的第二厚度的切割刀片的切片步驟執行分割步驟(f)，使得第二厚度的切割刀片可以跟隨填充有模制材料130的溝槽520，而不會從這些溝槽中完全去除模制材料 130。
[0047]如前所述，通過在包括導電體120的暴露部分的表面上形成焊接帽140并且在分立半導體器件封裝100的半導體管芯110的暴露(底部)表面上形成焊接帽150，如步驟(g)所示完成每一個分立半導體器件封裝100。
[0048]在圖6中示出了本發明的方法的另一實施例。步驟(a)和(b)與圖4所示且如上所述的方法的步驟(a)和(b)實質上相同，從而只是為了簡明起見不再詳細描述這些步驟。唯一的區別在于導電體是凸塊或球形而不是如圖4所示的柱。在步驟(C)中，提供了包括多個另外的管芯部分的另一半導體晶片610，每一個另外的管芯部分承載管芯觸點112’。另外的管芯部分可以限定分離的半導體器件(例如分離的二極管)，以形成背靠背半導體器件封裝，或者替代地可以是虛擬管芯部分，在這種情況下最終封裝將只包含單獨的半導體器件。管芯觸點112’導電連接(例如焊接)至導電體120，如步驟(c)所示，使得可以將另外的半導體管芯看作是導電體120的封蓋部件。基于雙側晶片的封裝工藝的主要優勢在于減小了制造復雜度，因此減小了所得到的分立半導體器件封裝100的成本。
[0049]在替代實施例中(為了簡明起見沒有明確示出)，可以將另一半導體晶片610劃分為更小的部分，之后可以將這種晶片部分的管芯觸點112’焊接到導電體120。為了在將另一半導體管芯601放置在焊料部分120上時獲得所要求的對準精度，這可能是必要的。
[0050]在步驟(d)中，如前所述將導電體120密封在密封材料或模制材料130中，隨后可以如前所述執行晶片410和/或另一晶片610的可選減薄步驟。這在步驟(e)中示出。在后續的步驟(f)中，通過分割步驟，例如切片(切割)或等離子刻蝕步驟，形成單獨的分立半導體器件封裝100，隨后如步驟(g)所示，在每一個封裝中的半導體管芯的相應底部表面上形成焊接帽140和150。
[0051]應該理解，在分立半導體器件封裝包括如圖6所示的背靠背半導體管芯的情況下，在替代實施例中可以省略步驟(g)，即，可以不向每一個封裝提供焊接帽，在這種情況下半導體管芯的底部表面用作封裝的帽，如前所述。如果晶片Iio和610包括可以直接施加載體焊料的可焊背部金屬疊層，這是特別切實可行的。
[0052]應該注意，上述實施例說明不是限制本發明，本領域的普通技術人員在不脫離所附權利要求的范圍的情況下將能夠設計許多替代實施例。在權利要求中，不應該將置于括號中的任意附圖標記解釋為限制權利要求。術語“包括”不排除權利要求中所列元件或步驟以外的元件或步驟的存在。元件前面的詞語“一”或“一個”不排除多個這種元件的存在。本發明可以通過包括若干不同元件的硬件來實現。在列舉了若干裝置的設備權利要求中，這些裝置的一些可以由同一硬件來具體實現。在多個彼此不同的從屬權利要求中記載某些措施的事實并不表示不能有利地使用這些措施的組合。
【權利要求】
1.一種分立半導體器件封裝(100)，包括: 半導體管芯(110)，具有第一表面以及與所述第一表面相對且承載觸點(112)的第二表面； 所述觸點上的導電體(120)； 密封材料(130)，橫向地密封所述導電體；以及 與導電體導電接觸的封蓋部件(140，610)，所述封蓋部件在所述密封材料上延伸。
2.根據權利要求1所述的分立半導體器件封裝(100)，其中所述封蓋部件(140，610)包括另一半導體管芯(610)或焊接帽(140)。
3.根據權利要求2所述的分立半導體器件封裝(100)，還包括所述另一半導體管芯(610)上的焊接帽。
4.根據任一前述權利要求所述的分立半導體器件封裝(100)，還包括與所述第一表面導電接觸的另一焊接帽(150)。
5.根據任一前述權利要求所述的分立半導體器件封裝(100)，其中所述導電體(120)具有球形形狀或柱形形狀。
6.根據任一前述權利要求所述的分立半導體器件封裝(100)，其中所述密封材料 (130)沿將第一表面和第二表面相連的半導體管芯(110)的相應側面延伸。
7.—種載體(200),包括第一載體觸點(210)和第二載體觸點(220),所述載體還包括根據權利要求1至6中任一項所述的分立半導體器件封裝(100)，其中通過相應的另外焊接部分(250)將所述第一載體觸點導電連接至所述第一表面且將所述第二載體觸點導電連接至導電體(120)。
8.—種制造分立半導體封裝(100)的方法，包括: 提供晶片(410)，所述晶片包括多個分立半導體器件，每一個所述分立半導體器件具有第一表面以及與所述第一表面相對且承載觸點(112)的第二表面； 在每一個所述觸點上形成相應的導電體(120)； 用密封材料(130)至少覆蓋承載所述導電體的晶片表面； 分割所述分立半導體器件；以及 至少在每一個所述分立半導體器件的導電體上設置封蓋部件(140，610)。
9.根據權利要求8所述的方法，還包括:在所述分割步驟之前，對包括分立半導體器件的相應第一表面在內的晶片(410)的表面進行減薄。
10.根據權利要求8或9所述的方法，其中設置封蓋部件(140)的步驟包括在每一個分割的分立半導體器件上設置焊接帽，所述方法還包括在每一個分立半導體器件的第一表面上設置另一焊接帽(150)。
11.根據權利要求8-10中任一項所述的方法，其中所述分割步驟包括對晶片(410)進行切片或等離子體刻蝕以提供分立半導體器件。
12.根據權利要求8-11中任一項所述的方法，還包括: 在所述覆蓋步驟之前，部分地分割分立半導體器件，從而暴露將第一表面和第二表面相連的每一個分立半導體器件的側面；以及 其中所述覆蓋步驟還包括用密封材料(130)覆蓋所述側面。
13.根據權利要求12所述的方法，還包括:在所述部分分割步驟之前，將晶片(410)放置于切割箔(510)上；以及 在所述部分分割步驟之后拉伸所述切割箔，以暴露出分立半導體器件的相應側面。
14.根據權利要求12所述的方法，其中所述部分分割步驟包括用具有第一厚度的切割刀片切割晶片(410)，并且其中所述分割步驟包括用具有比第一厚度小的第二厚度的切割刀片切割密封的晶片。
15.根據權利要求8-14 中任一項所述的方法，其中設置所述封蓋部件￠10)的步驟還包括將另一半導體晶片(610)設置在所述相應的導電體(120)上。
【文檔編號】H01L21/48GK103456706SQ201310205500
【公開日】2013年12月18日 申請日期:2013年5月29日 優先權日:2012年6月1日
【發明者】提姆·伯切爾, 斯文·沃爾茲克, 洛爾夫·格羅恩休斯, 洛爾夫·布萊納, 艾米勒·德·布魯因 申請人:Nxp股份有限公司