專利名稱：用氧化層將半導體管芯固定在管芯基座上的電路和方法
一般來講，本發(fā)明涉及到半導體的封裝，確切地說，本發(fā)明涉及到將半導體管芯安裝在管芯基座上。
在半導體器件設計和制造方面的最新的改進包括了利用極小幾何尺寸的晶體管來完成非常高密度的電路設計，有時也稱做極大規(guī)模集成(ULSI)。前一代半導體電路叫做超大規(guī)模集成(VLSI)。ULSI通常被用在計算機和通信設備中，而且可能具有數(shù)目很大的輸出輸入管腿以及比VLSI電路更優(yōu)越的電性能。
為了組裝用在計算機和通訊裝置中的半導體電路，半導體管芯被安裝在集成電路(IC)封裝里面，而IC封裝安裝在印刷電路板上，將半導體管芯安裝到封裝管殼上去的工藝必須滿足幾個要求，包括管芯引線和封裝引線之間的良好導電性，為耗散掉由半導體管芯產(chǎn)生的熱所需的良好熱傳導，以及IC管芯對封裝管殼中管芯基座的良好附著性。
塑料球形柵格狀陣列封裝，也稱作塑模封蓋焊盤陣列載體(OM-PAC)，是一種為先進的ULSI電路提供低價、高密度封裝的解決辦法。建立OMPAC封裝典型地包括用有機管芯粘合材料將半導體管芯粘合到管芯基座上，基座是由在印刷電路板上制出的鍍金銅圖形構成的。在將半導體管芯粘合到鍍金的管芯基座上以后對其進行引線鍵合，并且用一個環(huán)氧樹脂基的包封來對它進行塑模封蓋。鍍金層對鍵合焊盤來說作用很好，因為它對金屬和金屬接合是電和熱的良導體。OMPAC封裝的背面附著一些焊料球，用于訊號傳輸和熱耗散。在最終的用戶那里再用諸如溫度典型地在215℃-260℃之間的紅外、氣相或波動焊料等低溫焊料回流工藝，將OMPAC封裝附著到通常稱做母板的印刷電路板上。
但是，鍍金銅料對大多數(shù)有機材料粘合性均不好，這些有機材料包括管芯粘合材料和包封材料。OMPAC封裝由多種有機材料組成。例如，在OMPAC封裝中使用的印刷電路板可以由一種通常稱作BT的雙馬來酰亞胺三嗪環(huán)氧樹脂(bismaleimide triazine-opoxy)構成。其它有機材料包括有機的管芯粘合劑和以環(huán)氧樹脂為基的包封。在海運運輸或在最終用戶那里儲存的過程中這些材料會吸潮。潮濕再加上回流焊接時的熱就產(chǎn)生巨大的內(nèi)部蒸氣應力，通常這個應力會使封裝中最脆弱的界面分層。
拿通常的塑料球形格柵陣列封裝來說，在管芯粘合劑和管芯基座之間是最常見的最脆弱界面。分層的界面釋放出水蒸汽壓，它不但在相鄰的包封與管芯基座之間的界面產(chǎn)生使其分層的剝離應力，并且最終使OMPAC封裝碎裂。通常，裂紋沿著樹脂-纖維界面向封裝的外表面延伸，從而危及封裝的完整性和可靠性。
為防止分層，一個解決辦法是在船運過程中用干燥劑防止吸潮，最終用戶應在打開干燥劑袋子后的96小時之內(nèi)將這些OMPAC封裝安裝到母板上。這種選擇是不理想的，因為費用高，而且事實上，顧客失去了他們的制造過程的靈活性。
因此，對管芯基座表面來說存在著一種需要，它要能更好地與包括塑模化合物和管芯粘合劑的液體聚合物粘合。
唯一的
一個固定在塑料球形格柵陣列封裝中的管芯基座上的半導體管芯。
本發(fā)明的優(yōu)選實例包括管芯基座表面上化學生長的褐色氧化層(主要是氧化亞銅)或黑色氧化層(主要為氧化銅)。該氧化層對將半導體管芯鍵合到管芯基座上提供了極好的粘附性。
銅的化學氧化物可以以多種成份和多種形貌形成。通常使用的是黑色氧化物，因它表現(xiàn)出均勻的黑色，其結構主要是由針狀構形的氧化銅組成的。不太常用的是由觀察者理解而限定表示的褐色，青銅和紅色銅氧化物。這些氧化物主要是氧化亞銅，具有粗糙的表面紋理和相互依附的塊組成的混亂的網(wǎng)狀結構。一價銅的褐色氧化物結構的粘附性明顯超過二價銅的黑色氧化物，更適合于需要對液體聚合物有優(yōu)秀粘合性的場合。因此最好將氧化亞銅結構淀積在管芯基座上以使改善聚合物粘附性，雖然氧化銅以及氧化銅和氧化亞銅的混合物也可用。
圖1說明了塑料球形格柵陣列封裝10的剖視圖。封裝10中的基片12可以是用常規(guī)方法加工的單層或多層印刷電路板的一部分。普通的用來制造印刷電路板的有機粘膠材料是BT。BT是一種在高溫下具有用戶所要求的令人滿意性能的材料，同時具有合理的價格和相當好的尺寸加工和濕度性能。導線鍵合焊盤22是將銅制成圖形，并層疊在基片12的頂部BT層上形成的，從而產(chǎn)生一導電介質(zhì)來攜帶電信號進出集成電路的半導體管芯32。在電路封裝的上表面刻蝕出管芯基座26。鍵合焊盤29也用銅層疊在基片12的底面上，用來粘附焊料球14。銅是用常規(guī)的光刻方法做成圖形的。通道16和20以及內(nèi)部功率和(或)接地板18可能存在于多層印刷電路板結構的內(nèi)部。通道16和20提供電和熱的傳導。
在印刷電路板的上表面上，焊料掩膜24蓋住了做成一定圖案的銅的一部分，直到引線鍵合焊盤22。用金鍍層23蓋住引線鍵合焊盤22的暴露部分，為鍵合引線36提供金屬對金屬的結合。引線不與焊料掩膜24鍵合。暴露出的鍍金引線鍵合焊盤22上的金或鋁引線36先鍵合到半導體管芯32的表面鍵合焊盤上，然后再鍵合到印刷電路板基片上的引線鍵合焊盤22上。
做為本發(fā)明的關鍵特征，氧化亞銅層28是用化學方法生長和淀積到管芯基座26上的。管芯固定粘合樹脂30通常具有導電或?qū)嵝阅?，將其涂在氧化?8上用來將半導體管芯32粘合到芯片焊盤26上。管芯固定粘合劑30通常是環(huán)氧樹脂或聚酰亞胺基樹脂，雖然也可使用其他材料如有機硅樹脂。這樣，半導體管芯32通過氧化層28和芯片固定粘合劑30被粘合在管芯基座26上。
緊隨管芯粘合和引線鍵合之后，基片12用普通的環(huán)氧樹脂基塑?；衔?4進行塑模蓋封，以便在搬運過程中充分保護易損的集成電路并使其免受環(huán)境應力的影響。將塑?；衔?4蓋住半導體管芯32的上表面，并與管芯基座26接觸。氧化層28也改善了塑?；衔?4與管芯基座26之間的粘合。
焊料小球14為鋁和錫的近似低共熔點合成物，其直徑大約25密爾，附著在印刷電路板背面的渡金焊盤29上。每個焊盤由一個焊料掩模27包圍，用來限制焊料的流動。一般來說先對焊盤29作焊劑處理。再把象14那樣的焊料球安放到液體焊劑上，然后在溫度高于焊料共溶溫度的爐子里回流。焊料球稍微有點塌陷，而在冷卻后更堅固地附著在印刷電路板基片上，并在隨后的處理工藝中保持穩(wěn)定。
在將銅的氧化層28選擇性地淀積在印刷電路板正面的管芯基座26上時有幾種方法。在一種工藝中，氧化層28是在制出銅的圖案之后、在淀積焊料掩模24之前或之后淀積。該工藝進一步包括把光刻膠涂覆在整個基片12上，只在管芯基座26上的光刻膠中產(chǎn)生一個窗口，將整個基片12暴露出來進行化學氧化處理，從而只在管芯基座表面上產(chǎn)生氧化結構，然后從整個結構上去掉光刻膠。光刻膠必須能抗住用來產(chǎn)生氧化結構的化學物質(zhì)，因此必須精心選擇光刻膠。
由于環(huán)氧樹脂基聚合物的粘附性被證明對化學生長的氧化層的表面，特別對于氧化亞銅結構來講是非常好的，于是還能獲得其他一些好處，它們涉及到與集成電路器件尺寸和形狀相關的管芯基座26的尺寸和設計。管芯基座26很少或不給前述的在回流焊接過程中的蒸汽應力貢獻濕氣，這是由于它對處于25℃-250℃的水來說有非常低的溶解性和擴散性。印刷電路板中的BT環(huán)氧樹脂會向管芯固定樹脂30中的蒸氣應力貢獻可觀的濕氣，如果印刷電路板膠直接與管芯固定樹脂30接觸的話。因此一個優(yōu)選的設計是使芯片基座26足夠地伸出半導體管芯32的邊緣之外，這樣，管芯固定樹脂30的過流動不會達到管芯基座的邊緣，而留下一個區(qū)域環(huán)繞在整個管芯基座26的周圍，這就形成了與塑?；衔?4的密切接觸。這保證了印刷電路板膠與管芯固定樹脂之間的密封，阻止了來自印刷電路板膠的濕氣在回流焊期間到達管芯固定樹脂30。
氧化處理的優(yōu)點對于芯片直接安裝在印刷電路板(chip-on-board)的運用也一樣好，在那里半導體器件被粘合到做出圖案的印刷電路板的表面，用銅做導電層。
已描述了本發(fā)明的具體實施例，本領域的一般技術人員也會想到進一步的修改和改進。這一點要明白，本發(fā)明不局限于所描述的特殊形式，附加的權利要求覆蓋了所有那些未離開本發(fā)明的精神和范圍的修改。
權利要求
1.一種電路封裝，其特征在于在電路封裝(12)的表面上刻蝕出來的管芯基座(26)；淀積在上述管芯基座表面上的氧化層(28)；涂在上述氧化層項部的管芯固定粘合劑(30)；以及通過上述管芯固定粘合劑和上述氧化層粘合到上述管芯基座上的半導體管芯(32)。
2.如權利要求1的電路封裝，其中，上述氧化層包括氧化亞銅。
3.如權利要求2的電路封裝，其中，上述氧化層包括氧化銅。
4.一種將半導體管芯粘合到管芯基座上的方法，其特征在于包括下列步驟從基片(12)表面刻蝕出管芯基座(26);在該管芯基座頂上設置一層氧化層(28);在上述氧化層頂上涂覆一層管芯固定粘合劑(30);以及通過上述管芯固定粘合劑和上述氧化層將半導體管芯粘合到管芯基座上。
5.如權利要求4的方法，進一步包括以下步驟以上述基片上整個涂覆光刻膠在覆蓋芯片基座的上述光刻膠中產(chǎn)生一個窗口;將上述基片暴露出來進行化學氧化處理，以及從上述基片上去掉上述的光刻膠。
全文摘要
用氧化層將半導體芯片固定在芯片基座上的電路和方法。將粘合劑材料(30)和氧化層(28)設置在半導體封裝的管芯基座(26)的頂層，把半導體管芯(32)固定在封裝的芯片基座上。氧化層(28)淀積在基座的頂上。氧化層可以是用化學方法生長的氧化亞銅。將聚合物材料等粘合劑(30)涂在氧化層頂部，把半導體管芯固定在基座上。氧化層為半導體管芯與管芯基座提供優(yōu)秀的粘合并防止管芯從基座上剝離。
文檔編號H01L21/58GK1108432SQ9411284
公開日1995年9月13日 申請日期1994年12月2日 優(yōu)先權日1993年12月3日
發(fā)明者霍華德·M·伯格, ?？櫚⑷鸢舶病じ誓嵘?申請人:莫托羅拉公司