批量封裝低引腳計數嵌入式半導體芯片的結構及方法與流程

此一般來說涉及半導體裝置及過程，且更特定來說涉及批量封裝的低引腳計數嵌入式半導體芯片的結構及制作方法。

背景技術：

將半導體裝置的有源及無源組件制造到從半導體元件或組件的細長圓柱形單晶體切割的圓形晶片中是慣例。這些固態晶片的直徑可高達12英寸。接著通常通過沿x方向及y方向穿過晶片鋸切割道以從晶片形成矩形形狀的離散件而使個別裝置從圓形晶片單化。通常，這些件被稱為裸片或芯片。每一芯片包含與相應金屬接觸墊耦合的至少一個裝置。半導體裝置包含許多大的電子組件系列。實例為有源裝置(例如，二極管及如場效應晶體管的晶體管)、無源裝置(例如電阻器及電容器)及有時具有遠多于一百萬有源及無源組件的集成電路。

在單化之后，一或多個芯片附接到離散支撐襯底，例如金屬引線框架或由多個金屬層及絕緣層層壓的剛性多層級襯底。引線框架及襯底的導電跡線接著通常使用接合導線或金屬凸塊(例如焊料球)而連接到芯片接觸墊。為保護免受環境及處置風險，經裝配芯片可囊封于離散堅固封裝中，所述離散堅固封裝通常采用硬化的聚合化合物且通過例如轉移模制等技術形成。裝配及封裝過程通常在個別基礎上或以小的分組(例如引線框架的剝離或模具壓機的裝載)執行。

為以大突破增加生產率且減少制作成本，最近已開始進行技術努力來增加由每一批量過程步驟處置的體積。這些努力大體在標題面板化(panelization)下概述。作為實例，描述用于制作基于面板的封裝結構的自適應圖案化方法。其它技術努力針對于防止新興問題，例如控制下的面板翹曲。

技術實現要素：

在用以使一組完整芯片將芯片嵌入于封裝中的過程流程中，方法使用粘合膠帶而非環氧芯片附接程序、可重新使用載體，且使用濺鍍方法來替換無電極電鍍。此外，新過程技術不需要使用激光。因此，新過程流程保留清潔的芯片接觸墊且同時處理一組四個芯片，因此大大增加生產率。并且，封裝式裝置提供經改進可靠性。對增強的可靠性的關鍵貢獻為通過用絕緣填充物層壓間隙而實現的減小的熱機械應力，所述絕緣填充物具有高模數及針對接近硅的熱膨脹系數的系數的玻璃轉變溫度。

在具有經等離子清洗且經冷卻面板的濺鍍技術中，跨越面板產生均勻經濺鍍金屬層，其而因此避免對無電極電鍍的需要。由于濺鍍程序還用于清洗襯底表面并使襯底表面粗糙化，因此經濺鍍層同樣好地粘附到電介質、硅及金屬。經濺鍍層可用作連接跡線或可充當籽晶層以用于后續經電鍍金屬層。

基于經修改過程的一個實施例可應用于具有小數目個端子的一組連續芯片。另一實施例適用于多組半導體芯片。許多經修改流程可適用于任何晶體管或集成電路。其它經修改流程尤其適用于較高數目個端子。一些封裝式裝置提供關于連接到外部部件的靈活性。所述封裝式裝置可經完成以適合用作具有平臺柵格陣列的裝置或用作球形柵格陣列或用作及QFN(四方平整無引線)端子。

附圖說明

圖1展示具有如由所描述實例所使用的三層級粘合膠帶的可重新使用載體的橫截面。

圖2A是圖1的載體的橫截面，所述圖圖解說明將一組芯片附接到載體的頂部粘合層上的過程。

圖2B是組合件的俯視圖，所述圖圖解說明將一組四個芯片附接到載體的頂部粘合層上的過程。

圖3展示組合件的橫截面，所述圖圖解說明將聚合填充物材料層壓于組合件上方的過程。

圖4A是組合件的橫截面，所述圖圖解說明研磨填充物材料以暴露凸起芯片端子的過程。

圖4B是組合件的俯視圖，所述圖圖解說明在研磨填充物材料之后的所暴露凸起芯片端子。

圖5A是組合件的橫截面，所述圖概述沉積并圖案化至少一個金屬層以形成經延伸接觸墊及墊與芯片端子之間的重新布線連接的過程。

圖5B顯示形成經延伸接觸墊及介于墊與芯片端子之間的經重新布線連接的經沉積且經圖案化至少一個金屬層的俯視圖。

圖6A展示組合件的橫截面，所述圖描繪沉積并圖案化保護絕緣體層的過程。

圖6B是組合件的俯視圖，所述圖圖解說明由具有用于經耗盡接觸墊的開口的保護層覆蓋的組合件表面。

圖7A圖解說明在將載體分離之后使離散裝置從經封裝組單化的過程。

圖7B展示從組單化的經單化的封裝式裝置的俯視圖。

具體實施方式

通過用于從既定用于半導體封裝的若干組較少連續芯片到若干組較大數目的連續芯片的大規模面板的成功方法及過程流程來解析關鍵技術挑戰。這些挑戰包含：實現面板的平坦性且避免翹曲及機械不穩定性、使接觸墊的間距延伸以用于容易地連接到外部部件，實現低電路連接且實現高可靠性背側芯片連接件、避免尤其通過金屬層及環氧層的昂貴激光過程步驟，以及經改進熱特性。對于金屬籽晶層，應實現跨越選定面板大小的層的均勻性，然而應避免無電極電鍍技術。

至少一個實施例包含制作呈面板格式的封裝式半導體裝置的方法，所述方法的一些過程圖解說明于圖1到7B中。方法在圖1中通過選擇平整面板薄片作為剛性載體(通常指示為100)而開始。載體100包含堅硬襯底101及膠帶102。襯底101為適合于維持面板平整度的絕緣板。舉例來說，襯底101可由玻璃或另一堅硬無機或有機材料制成。膠帶102優選地包含3層膠粘性箔，所述3層膠粘性箔包含具有在升高溫度下可釋放的第一粘合劑的表面層110、核心基底膜111及具有第二粘合劑的底部層112。底部層112附接到襯底101。載體100的組成確保載體不會成為最終封裝式裝置的永久部分。替代地，載體100可被賦予允許面板并入于最終裝置封裝中的組成。面板100具有適合于一組連續半導體芯片的橫向尺寸。在圖2A及2B的實例性實施例中，面板100具有大于布置為單元的四個連續半導體集成電路芯片(例如，制作于單晶硅中且尚未經單化的四個芯片)的橫向尺寸。

將一組四個半導體芯片作為單批處理的能力會使所涉及過程步驟的生產率增強四倍。

圖2A及2B展示將一組四個連續半導體芯片附接到載體100的電介質膠帶102的第一粘合層110的過程步驟。圖2B圖解說明布置為大的大小的方形以利用將接觸墊重新設計成對稱幾何形狀的所述組四個方形形狀的芯片。更一般來說，芯片組與側壁一起形成矩形。替代地，其它不對稱重新布置為可能的。在任一情形中，與常規芯片附接(一次附接一個芯片)中所需要的多個步驟相比，附接過程由單個步驟組成，從而展現生產率的顯著增加。

實例性實施例的圖2A及2B圖解說明每一芯片具有位于芯片表面上的八個端子；所述端子優選地以有序甚至對稱布置對準。此外，所述圖展示端子具有金屬凸塊210。芯片可具有約150μm的厚度，且優選凸塊包含圓形或方形銅柱以及壓扁銅球(如通過導線接合技術而形成)。個別芯片的凸塊210彼此間隔開間隙211。所述組的所附接芯片經定向，使得芯片端子墊的金屬凸塊210背對面板表面。

在圖3的過程步驟中，在真空吸力下層壓柔軟絕緣材料330以粘著地填充芯片凸塊之間的任何間隙211并覆蓋芯片201及凸塊210的表面。優選地，凸塊頂部上方的經層壓材料的高度330a介于約15μm與50μm之間。同樣，絕緣材料形成環繞矩形側壁的框架330b。所述框架的寬度331包含用于提供可用于支撐后續過程步驟中的經重新布線接觸墊的區域所需要的部分。柔軟材料經選擇以具有高模數及接近半導體芯片的CTE的低CTE；其可為玻璃填充的且可包含液晶聚合物。

在圖4A及4B中所描繪的下一過程步驟中，使用研磨技術來均勻地研磨絕緣層壓材料330，直到暴露金屬凸塊210的頂部為止。研磨過程可通過移除一些凸塊高度直到凸塊210與層壓材料330的平坦表面平整為止而繼續；優選地，剩余凸塊高度210a介于約25μm與50μm之間。此后，載體100與其組合件一起被轉移到設備的真空及等離子室以用于濺鍍金屬。

在圖5A及5B中所概述的過程期間，具有所暴露金屬凸塊及層壓表面的載體100的組合件在面板被冷卻時(優選地低于環境溫度)進行等離子清洗。除清洗來自所吸附膜(尤其水單層)的表面以外，等離子還完成表面的一定粗糙化；兩種效應均增強經濺鍍金屬層的粘附。接著，至少一個金屬層540以均勻能量及速率跨越載體而濺鍍到所暴露凸塊及層壓表面上。經濺鍍層粘附到表面。

優選地，濺鍍步驟包含：濺鍍第一金屬層，所述金屬選自包含以下各項的群組：鈦、鎢、鉭、鋯、鉻、鉬及其合金，其中所述第一層粘附到芯片及層壓表面；及毫不延遲地將至少一個第二金屬層濺鍍到第一層上，所述金屬選自包含以下各項的群組：銅、銀、金及其合金，其中所述第二層粘附到所述第一層。經濺鍍層具有均勻性、強粘附性及用以在圖案化之后充當用于重新布線的導電跡線所需要的低電阻率，參見圖5A及5B；經濺鍍層也可充當用于經鍍覆較厚金屬層的籽晶金屬。

在任選步驟中，將至少一個金屬層電鍍到經濺鍍層540上。優選金屬為銅。經鍍覆層優選地厚于經濺鍍金屬以降低薄片電阻，且因此降低在使經鍍覆及經濺鍍金屬層圖案化之后的重新布線跡線的電阻率。使經濺鍍及經鍍覆金屬層圖案化以形成凸塊與加大封裝接觸墊之間的連接跡線的步驟優選地用激光直接成像技術執行。激光直接成像技術使用錯位對準(out-alignment)校正技術。

在另一任選步驟中，可沉積一或多個可焊接金屬(例如錫、錫合金、鎳，后續接著鈀)層。

圖5B中圖解說明用于重新布線及加大的接觸墊的金屬層圖案化的結果。與原始凸塊210及其間距211相比，新接觸墊510得益于通過層壓(由圖3中的框架寬度331確定)及經定制重新布線而加大的面積。與原始凸塊210相比，新接觸墊510具有加大的接觸直徑510a；新接觸墊510進一步具有更寬間距511及對稱布局。同樣，實現從墊到具有凸塊的芯片端子的連接跡線520，其得益于經定制布局，但由于經濺鍍及經鍍覆金屬層的高導電性，所述連接跡線僅具有可忽略的小的電阻及電感增加。

并且，如在圖6A及6B中所展示，優選沉積并圖案化剛性絕緣材料660(例如所謂的抗焊劑)以保護并加強未用于經延伸觸點的剩余芯片區域；在剛性絕緣保護的優選應用中，僅經延伸接觸區域610保持暴露且開放為窗口。接觸區域可為圓形(如圖7B中所展示)或方形的。為施加抗焊劑及其它電介質材料、可光成像材料、蝕刻劑及其它材料，優選技術使用超聲波噴涂工具。在絕緣材料660的剛性保護下，完成針對芯片組的封裝的裝配。取決于接觸區域610的配置，其可施加為球形柵格陣列、平臺(land)柵格陣列及QFN型接觸墊。

在下一過程步驟中，升高溫度，使得層110的溫度敏感第一粘合劑允許將面板110(襯底101及膠帶102)從經封裝芯片組的組合件移除。

圖7A及7B中所圖解說明的下一過程步驟，將經封裝芯片組單化成離散裝置700。優選分離技術為鋸切。在單化之后，載體320的相應部件321與裝置370的所完成封裝保持在一起。針對圖7A中所展示的實例性裝置700，芯片組的單化形成單元，所述單元具有接觸墊610、具有所暴露絕緣層壓730的側壁730c及具有所暴露硅701的側壁701c。所暴露硅區域提供用于熱散布的良好機會，且因此有助于改進熱裝置特性。

另一實施例為實例性封裝式半導體裝置700。所述裝置具有半導體芯片701，所述半導體芯片具有第一表面701a及平行第二表面701b。第一表面701a具有多個端子710，所述多個端子具有金屬凸塊，例如銅柱或銅壓扁球。

裝置700具有絕緣材料框架730，所述絕緣材料框架粘附到芯片的至少一個側壁。所述框架的絕緣材料包含浸漬有膠質樹脂的玻璃纖維，所述膠質樹脂具有高模數及接近于硅的熱膨脹系數(CTE)的CTE。框架730具有與凸塊710之間的絕緣材料成平面的第一表面730a，及與第二芯片表面701b成平面的平行第二表面730b。

裝置700進一步具有經濺鍍金屬的至少一個膜740，所述膜從凸塊710跨越絕緣材料層的表面730a而延伸到靠近于絕緣框架的邊緣。膜740經圖案化以在框架上方形成經延伸接觸墊610，且在任何需要的地方重新布線芯片凸塊710與經延伸接觸墊610之間的跡線。由于膜740已通過濺鍍形成，因此其粘附到所提及的所有表面。

取決于經延伸接觸墊610的大小、輪廓及冶金配置，其可用作球形柵格陣列端子、平臺柵格陣列端子及QFN型端子。

修改在所描述實施例中為可能的，且其它實施例在權利要求書的范圍內為可能的。作為實例，取決于芯片及封裝的大小，可針對與所討論的八個接觸墊相較相當更高數目個端子而利用足夠面積來布局經重新分布接觸墊。作為另一實例，針對一組四個芯片，芯片以及封裝的配置可為矩形而非方形；可容納經重新分布接觸墊的布局。