專利名稱：芯片尺度表面安裝器件及其制造方法
背景技術(shù)：
本發(fā)明涉及半導(dǎo)體器件，更具體地說(shuō)，涉及一種新型半導(dǎo)體器件的低成本制造方法。
半導(dǎo)體器件和它們外殼是廣為人知的。在先有技術(shù)的器件中，外殼的面積常常比半導(dǎo)體器件的面積大好多倍。另外，在許多現(xiàn)有的半導(dǎo)體器件封裝中，熱量只是從管芯的一面(通常是底面)散出。還有，在當(dāng)前的封裝中，由于采用的是單個(gè)器件的處理方法而使制造過(guò)程變得很昂貴。
更具體地說(shuō)，目前的半導(dǎo)體器件(特別是功率MOS門器件)中，頂面接觸件(源極)一般是包含1.0％硅的鋁接觸件(以后就稱為鋁接觸件)。之所以采用鋁接觸件是因?yàn)樗苓m合于晶片的制造工藝過(guò)程。然而，由于很難與這種鋁接觸件形成電連接，通常要采用一種導(dǎo)線連接工藝，將導(dǎo)線通過(guò)超聲方法連到下面的鋁接觸件上。這些導(dǎo)線固定連接點(diǎn)的面積很有限，因而電阻源(RDSON)和工作過(guò)程中產(chǎn)生的熱量也不大。但是，如美國(guó)專利5,451,544等所表明的那樣，底部漏極接觸件一般是一個(gè)三金屬片，它很容易焊接或用其它方法電連接到一個(gè)大面積接觸面上，而不必用導(dǎo)線連接的方式。熱量主要是在背接觸面處從硅管芯上散出去，雖然大部分熱量是產(chǎn)生在頂面的連接點(diǎn)和導(dǎo)線連接處。
還知道，可以把可焊接的頂面接觸件做在管芯的頂面上，如美國(guó)專利5,047,833所示。然而，與管芯面積相比，用于這種可焊接頂面接觸件結(jié)構(gòu)的封裝具有很大的“占地面積”。
希望封裝結(jié)構(gòu)及其制造工藝能做到對(duì)同樣的管芯采用較小的封裝，而同時(shí)改善其電性能(如MOS門半導(dǎo)體器件的RDSON)。同時(shí)還希望生產(chǎn)這類器件能采用容許批量處理的工藝，并減少生產(chǎn)線上的設(shè)備和降低成本。
源極接觸區(qū)可能具有各種幾何形狀，甚至可以構(gòu)成一個(gè)單一的大面積區(qū)域。
然后將晶片鋸成或用其它方法分成單個(gè)的管芯。接著將單個(gè)管芯的源邊朝下，并采用導(dǎo)電環(huán)氧或焊料等將U形或杯形的經(jīng)部分涂敷的漏極與管芯的可焊接漏極邊相連，以將漏極固定于管芯的底漏極。漏極的腿的底部與管芯的源邊表面(即接觸件伸出部分的頂端)處在同一平面內(nèi)。然后將管芯的外表面從上面塑封在一個(gè)模盤內(nèi)?？梢园汛罅烤哂羞@種漏極的管芯同時(shí)塑封在一個(gè)模盤內(nèi)。
可以用一片惰性材料，或者將組件的全部或一部分從上面塑封起來(lái)以保護(hù)固定材料。生產(chǎn)中可以采用一個(gè)鉛框或連續(xù)的帶條來(lái)制造這些部件，或者將各器件塑封在單一的塊中并從該塊中將器件單分出來(lái)。
塑封后對(duì)器件進(jìn)行測(cè)試并用激光打上標(biāo)記，然后再鋸在單個(gè)的器件。
圖2是沿

圖1的2-2線的剖視圖。
圖3是圖1的管芯按本發(fā)明處理后的頂視圖，它包含一些分離的“可焊接的”源接觸區(qū)和一個(gè)“可焊接的”門區(qū)。
圖4是沿圖3的4-4線的剖視圖。
圖5是具有改變的源接觸模式的象圖3那樣的管芯的視圖。
圖6是具有更大面積的“可焊接”源接觸模式的象圖3和5那樣的管芯的視圖。
圖7是利用本發(fā)明的工藝形成的另一種接觸件布局(帶角門)的頂視圖。
圖8是沿圖7的8-8線的剖視圖。
圖9是本發(fā)明一種漏極夾片的第一種形式的透視圖。
圖10是圖9的漏極夾片的頂視圖，其中模塑塊的開口形成于夾片內(nèi)。
圖11是圖3和4的管芯以及圖9的夾片的局部底視圖。
圖12是沿圖11的12-12線剖開的圖11的剖視圖。
圖13是將圖11和12從上面塑封到橫盤后的部裝圖。
圖14是沿圖13的14-14線剖開的圖13的剖面圖。
圖15是沿圖13的15-15線剖開的圖13的剖面圖。
圖16是漏極夾片的另一種具體實(shí)施裝置的透視圖。
圖17是圖16的夾片的頂視圖。
圖18是圖16和17的夾片組件的底視圖，其中的管芯是圖3和圖4那種普通類型的管芯經(jīng)過(guò)從上面塑封。
圖19是沿圖18的19-19線切開的剖面圖。
圖20是一種杯形漏極夾片的底視圖，其中管芯的布局為圖7和圖8所示。
圖21是沿圖20的21-21線切開的剖面圖。
圖22表示在MOSFET管芯分開之前的一個(gè)晶片。
圖23表示在圖22的晶片源極表面上形成一個(gè)鈍化層并作出一定圖形的各工藝步驟。
圖24表示在圖23的鈍化層頂部涂敷金屬的過(guò)程。
附圖的詳細(xì)描述本發(fā)明為在管芯的兩對(duì)面具有功率電極或其它電極的那類半導(dǎo)體管芯提供一種新型的封裝，并能以低成本的制造方法使兩個(gè)電極的表面安裝在一個(gè)公共的支撐面(例如在印刷電路板的金屬化圖案)上。雖然本發(fā)明是參照一種垂直形導(dǎo)電功率MOSFET(一面上有門和源電極，相對(duì)的一面有漏極)來(lái)描述的，但本發(fā)明同樣可用于IGBT，閘流晶體管，二極管，及各種類似的布局。
因此，正如我們要將看到的，一種新型的管芯夾片至少圍繞并接觸一部分背面電極(MOSFET中的一個(gè)漏極)，同時(shí)夾片的至少一條腿伸出管芯的邊緣，并終止于一個(gè)平面內(nèi)，此平面與前面接觸件(MOSFET的門極和源極)同平面，但與它彼此絕緣。因此，這種器件能圍繞管芯和夾片的背面和側(cè)面從上面模塑，以將所有管芯電極的處在同一平面內(nèi)的平的可焊接接觸面座安置在一個(gè)安裝表面上。
所有頂部接觸面都是采用一個(gè)新型的焊接模來(lái)形成的，以在管芯頂面形成容易焊接的接觸面，這時(shí)管芯還處在晶片階段。然后將漏極夾片與分開后的管芯相連并經(jīng)批量模塑工藝從上面模制。
圖1示出一種可應(yīng)用本發(fā)明的典型功率MOSFET30。管芯30可以是如美國(guó)專利5,795,793中所示的那種類型，但也可以是具有一個(gè)結(jié)的任何種類的管芯，這個(gè)結(jié)包含硅基體31，頂層鋁(即含1.0％硅的鋁)源電極32，一個(gè)鋁門電極33和一個(gè)底層體漏極34(它可以是一個(gè)普通的易于焊接的三元金屬)。頂面鋁層可以是任何其它適宜的金屬材料。通常利用引線接合將鋁電極32和33連起來(lái)。
下面將會(huì)談到，按本發(fā)明要將一些易于焊接的接觸柱36固定到(或形成在)源極上，且如圖3和4所示，接觸柱37被固定在門電極33上。對(duì)于銀頂金屬管芯，接觸柱36和37稍稍比鈍化層的厚度小一點(diǎn)；而對(duì)于鍍鋁頂金屬管芯，則為鈍化層厚度的一半左右。平的接觸頂面處在一個(gè)平面內(nèi)。與這些接觸面的觸點(diǎn)是由焊膏形成的，焊膏的最小可印刷厚度約為層38厚度的4至5倍。
接觸件36的圖形可取不同的形式，如圖5、11、18所示的那些。另外，對(duì)圖6、7、8的管芯，也可采用一個(gè)大面積可焊接接觸件，如源接觸件40或41。形成接觸件36、37和40的金屬化工藝將在后面描述。
在形成具有如圖3至8所示管芯的新型封裝時(shí)，要采用如圖9所示的新形導(dǎo)電涂敷(或部分涂敷)金屬夾片45。夾片45可以是一種銅合金，且至少有部分鍍銀的表面，在此表面上制成與其它表面的接觸。
夾片45具有普通的“U形”形狀，其腿46很短，如從表面47測(cè)量至接觸柱36、37的自由表面，再加上粘接劑(用來(lái)將漏極連到夾片的薄平腹板48的經(jīng)涂敷的內(nèi)表面47)的厚度，腿46的長(zhǎng)度稍微比管芯31的厚度大一些。例如，夾片沿腿46整個(gè)長(zhǎng)度的總厚度為0.7mm，而從表面47至腿46自由端的長(zhǎng)度約為0.39mm。兩腿46之間的距離與管芯的尺寸有關(guān)，如對(duì)于International Rectifier Corporation的尺寸為4.6的管芯，采用5.6mm的距離，每條腿46的總寬度約為1.5mm也可以在夾片45上形成模塑鎖眼48和49，如圖10所示。
按照本發(fā)明的一種形式，管芯30的可焊接底面漏極34是用導(dǎo)電膠60電連接并固定到漏極夾片45的經(jīng)過(guò)鍍金屬的內(nèi)表面上，如圖12所示。這種膠可以是適當(dāng)固化的加銀環(huán)氧樹脂材料。在管芯30的側(cè)邊和夾片45的腿46的相對(duì)邊留有間隙61和62。
此結(jié)構(gòu)的尺寸應(yīng)控制成使得腿46的自由表面(漏極連接部)與接觸柱36和37自由表面處在同一平面內(nèi)。
以后就如圖13、14和15所示，將圖11和12的器件用模塑料70封裝在一個(gè)模塑盤內(nèi)。模塑料70處于夾片45的整個(gè)外露表面之上，但不包括腿46的自由外表面。如圖13和15所示，模塑料填入隙縫61和62中?，F(xiàn)在就可以把器件表面安裝到印刷電路板的導(dǎo)線上，這些導(dǎo)線與接觸件36、37和46對(duì)齊。
圖16至19為采用一種不同夾片形狀的本發(fā)明的另一種實(shí)施裝置。圖16和17的夾片80有一塊腹板81和三個(gè)分段的伸出腿82、83和84。首先把一個(gè)具有伸出接觸件36和37的管芯30在其漏極觸片(未示)處與腹板81粘結(jié)(如圖18和19所示)，使得接觸件36、37和漏極夾片伸出部分82、83及84處于一個(gè)共同的平面內(nèi)。然后在一個(gè)合適的模塑盤內(nèi)用模塑料70在器件上進(jìn)行模塑。
圖20和21表示本發(fā)明的另一種實(shí)施裝置，其中將圖7和8的管芯安裝在杯形夾片100內(nèi)，此夾片是用鍍銀的銅合金制成的。夾片100的內(nèi)部區(qū)域的長(zhǎng)度和寬度都比管芯30大些，且管芯30的底面漏極用加銀的(導(dǎo)電)環(huán)氧樹脂102與腹板的內(nèi)表面101(圖21)相連。環(huán)氧樹脂被固化。最好環(huán)繞管芯邊緣施加一圈低應(yīng)力高粘結(jié)性的環(huán)氧樹脂103，以將封裝密封并增加其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。
可焊接接觸件40的頂面與漏極夾片伸出的表面105處在同一平面內(nèi)。因而全部接觸件105，40和37都與印刷電路板上的接線對(duì)齊。漏極接觸件可以是任何適當(dāng)?shù)男螤?，而且需要的話可以?gòu)成一個(gè)單一的接觸邊。
圖22至24表示在普通管芯鋁電極上形成導(dǎo)電柱的一種新工藝。圖中標(biāo)出了在管芯分開前在晶片110內(nèi)的一些相同的管芯，每個(gè)管芯有一個(gè)門電極37和分開的源電極(沿有標(biāo)號(hào))。雖然仍然是晶片的形式，但晶片110的頂面被涂上了一個(gè)可光成象的焊料掩模111。掩模111是一種光敏液態(tài)環(huán)氧樹脂，它用作鈍化層，一種涂敷抗蝕劑(如需要的話)和一種焊料掩模，用來(lái)確定和形成焊料區(qū)。但也可以采用其它的掩模材料，如氮化硅等。利用普通的光柵，可以通過(guò)掩模在管芯頂層金屬上的底層源極和門極接觸件上形成許多開孔111a至111d。也可以采用激光刻蝕工藝來(lái)形成這些開孔。
如圖24所示，在此之后將一系列的金屬112鍍到晶片的頂面上，且鍍層與源極32的金屬(以及其它的電極)相粘結(jié)，構(gòu)成與源極的接觸件112a至112d，以及一個(gè)類似的至門極的接觸件，源極是通過(guò)開孔111a至111d而露在外面的。金屬112a至112d的第一層可以是鎳(它與鋁接觸良好)，下一層是金。在鎳下面也可以是一層銅或錫等，最后是一個(gè)容易焊接的金屬頂面(如銀)。
然后將晶片鋸開，讓管芯沿線112和113分離，使管芯分開。典型的管芯30的外形為圖3至8所示，而且有一些可焊接的源極接觸件和門極接觸件，它們都伸到絕緣表面50的上面。
此后將被分開的管芯的漏極源極邊朝下置于導(dǎo)電夾片內(nèi)，夾片的內(nèi)部鍍有銀或其它的導(dǎo)電層。把管芯用普通的粘固材料(如前面講過(guò)的導(dǎo)電環(huán)氧樹脂)粘到夾片上。夾片/外罩可以做成鉛框的形式，以后可將器件從鉛框中分離出來(lái)。
雖然本發(fā)明是參照一些特定的實(shí)施裝置來(lái)描述的，但本領(lǐng)域技術(shù)人員顯然明白，可以對(duì)它們作許多的修改和變型。因此，本發(fā)明并不局限于上面的公布具體內(nèi)容，其范圍將由下面的權(quán)利要求書予以界定。
權(quán)利要求
1.一種半導(dǎo)體器件封裝，包括具有平行的頂面和底面的半導(dǎo)體器件管芯；所述頂面有一個(gè)平面金屬電極，所述底面有一個(gè)可焊接的平面金屬電極；在該平面金屬電極的至少第一部分上形成有至少一層可焊接的導(dǎo)電層，所述至少一層可焊接的導(dǎo)電層有一個(gè)上平表面；一個(gè)金屬夾片具有一個(gè)平腹板部分和至少一個(gè)從平腹板部分的邊緣延伸出去的周邊緣部分；所述腹板的底面以面對(duì)面接觸的方式與管芯底面上的可焊接平金屬電極電連接；所述夾片的周邊緣部分延伸至管芯邊緣的上方并與之分開，且終止于夾片邊緣表面，此邊緣表面處在與上述至少一個(gè)可焊接平面金屬電極的上表面平面相平行的平面內(nèi)且與該平面絕緣開，這樣就可以把該夾片邊緣表面和該至少一個(gè)可焊接平面金屬電極安裝在一個(gè)支撐表面上的金屬化圖案上。
2.如權(quán)利要求1所述的封裝，其中一些可焊接的平面金屬柱形電極與所述金屬功率電極相連，且全部終止于所述上平面表面的平面內(nèi)。
3.如權(quán)利要求1或2所述的封裝，其中在所述管芯上表面上還包含一個(gè)第二平面金屬電極，該電極包括一個(gè)控制電極；且第二可焊接平面金屬電極有一個(gè)上表面，它與該至少一個(gè)可焊接平面金屬電極的上表面處在同一個(gè)平面內(nèi)。
4.如權(quán)利要求1至3所述的器件，其中所述至少一個(gè)可焊接平面金屬電極包含一層的與所述金屬電極相連鎳和一種與所述鎳層頂面相連的易焊金屬。
5.如權(quán)利要求1至3所述的器件，其中所有所述可焊平面電極包含一層與它下面的金屬電極相連的鎳和一種與鎳層頂面相連的易焊金屬。
6.如權(quán)利要求1至5所述的器件，還包含一種導(dǎo)電環(huán)氧樹脂，它將所述腹板底面連接到所述管芯底面。
7.如權(quán)利要求1至6所述的器件，其中所述夾片具有第二周邊緣部分，其處在離開該至少一個(gè)周邊緣部分的夾片反面上，該至少一個(gè)周邊緣部分延伸至所述管芯的相對(duì)邊緣上面并與之分開，同時(shí)終止于與該至少一個(gè)周邊緣部分終止平面相平行的平面內(nèi)。
8.如權(quán)利要求1至6所述的器件，其中所述夾片為杯形結(jié)構(gòu)，所述周邊緣是一個(gè)連續(xù)的邊緣，環(huán)繞著所述管芯的外部并與之分開。
9.如權(quán)利要求8所述的器件，其中所述管芯和周邊緣之間的空隙由絕緣熔珠填充。
10.在具有金屬頂電極結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體管芯上形成可焊頂面的方法該方法包括在包含一些具有所述金屬頂電極結(jié)構(gòu)的相同管芯的晶片表面上淀積一個(gè)掩模層；用光刻方法在這些管芯的每一個(gè)上在所述掩模層中開出至少第一和第二兩個(gè)開孔；淀積第一金屬層，它與所述掩模層上方的金屬電極相連，并位于與至少由第一和第二開孔暴露的金屬電極表面上；在第一金屬層上淀積可焊接的第二金屬層；除去掩模層和位于其上的第一和第二金屬層，保留形成在至少是第一和第二開孔中的金屬，以在由于除去掩模層而外露的硅表面上方形成一個(gè)鈍化絕緣層，并讓金屬保留在該至少第一和第二開孔中并突出鈍化絕緣層的表面之外，且終止于鈍化層上方的一個(gè)公共平面內(nèi)；此后由所述晶片分成所述管芯。
11.如權(quán)利要求10所述的方法，其中所述晶片有一個(gè)公共的可焊接電極，該電極形成于它的整個(gè)底面上。
12.如權(quán)利要求10和11所述的方法，其中所述頂面鋁電極被分割成第一和第二絕緣部分；該至少第一和第二開孔分別形成于第一和第二部分的上方。
13.如權(quán)利要求12所述的方法，其中所述至少第一和第二開孔包含一些處于第一部分上方的開孔，用來(lái)確定一些與第一部分相連的導(dǎo)電柱。
14.如權(quán)利要求12和13所述的方法，其中所述第一和第二部分分別為一個(gè)功率金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管的源極和門極。
15.如權(quán)利要求10至14的所述的方法，其中所述掩模層是光敏聚酰亞胺。
全文摘要
一種芯片尺度封裝，具有一個(gè)金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)管管芯，此管芯具有一個(gè)頂電極表面(37)，其被一層光敏液態(tài)環(huán)氧樹脂(111)所覆蓋，環(huán)氧樹脂被光刻成圖案以使電極(37)的一部分曝露在外，并用作鈍化層或焊料掩模。在留下的液態(tài)環(huán)氧樹脂層(111)的一部分上形成可焊接的接觸層(40)。每個(gè)單獨(dú)的管芯(30)以漏極邊朝下安裝在一金屬夾片(100)內(nèi)，或者以漏極邊朝下安裝在一個(gè)殼內(nèi)，此時(shí)漏極(34)與一個(gè)從殼底(101)伸出的法蘭邊(105)處在同一平面內(nèi)。
文檔編號(hào)H01L23/492GK1430791SQ01810001
公開日2003年7月16日 申請(qǐng)日期2001年3月29日 優(yōu)先權(quán)日2000年4月4日
發(fā)明者M·斯坦丁, H·D·肖菲爾德 申請(qǐng)人:國(guó)際整流器公司