TW510029B - Semiconductor device and method of isolating metals in encapsulating material used in semiconductor device - Google Patents

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Description

川029
經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 本發明之背景 1·本發明之技術領域 本發明係關於藉由將為封裝材料所封裝之晶圓切割為 個別裝置所獲得的半導體裝置，其中各外部端子的凸塊終 止面係被曝置出；以及關於其製法。 2·習知技術之說明 近來電子設備重量減小且尺寸縮減的趨勢係隨著具有 高品質之減重且更薄之半導體裝置的開發而發生。習知的 半導體裝置使用一個半導體功能元件以及一個引腳架，在 族裝置中，除了裝置黏著於印刷基板上所需的位置以外， 其他區域係以封裝材料封裝，以隔絕外界環境。因此，半 導體裝置尺寸縮減的發展主要集中於引腳架（作為基板） 及封裝材料。所以，具有較小封裝材料容量且較薄的 TSOPCthin small outline packages)、挑戰更多針數的 QFP(quad flat packages)等皆已被開發。 擁有一個引腳架及較多針數的半導體裝置具有較大的 封裝尺寸，而更難以被黏著，因為其外引腳具有較小的間 距。近來所開發的BGA(ball grid array)式封裝及晶片尺 寸封裝（CSP)已解決半導體裝置的上述問題。作為舉例， 晶片尺寸封裝包含有諸如封裝設置於具有各功能元件（晶 片）之外端子用的凸塊的表面上的晶圓，其中各凸塊的終 端被曝置出，以及接著將晶圓切割為個別晶片。 對於半導體裝置的封裝而言，因為其係使用以封裝樹 脂組成為基底的封裝材料的壓鑄法，藉此，半導體裝置的 本紙張尺錢财國(CNS)A4 mTUlO x 297 ) IJ. i— Μ------— -------^__wi {請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) A7 A7 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 ----------------------B7 _ 五、發明綱（2 ) " '—~ k係藉由填充封裝材料於容納半導體裝置的模具中而被 形成所以，封裝材料的脫模性為重要的要求。再者，其 有的難題為，右封裝材料與半導體功能元件或引腳架之 的黏著|±相s差’則其間將產生接合剝離，而接合剝離 的部分易為外部水氣所侵襲，因而加速功能元件上之導線 與襯塾的腐飿，或在黏著晶片的回流期間因水的氣化而使 封裝物破裂。然而，對於封裝材料而言，成型期間的脫模 I、用於保遵半導體功能元件的黏著性為相互衝突的特性 而^7已發現平衡二者的最佳化點。再者，可選擇諸如 聚亞醯胺塗覆材料等保護性材料作為用於半導體功能元件 的材料，或著諸如使得引腳架的表面不平坦而增加對封裝 材料的黏著性的開發已被完成。然而，在使用習知封裝材 料的半導體裝置中，其係難以使得黏著性與脫模性彼此相 容，因而無完全滿足該目的的半導體裝置。 另一方面，其被要求減少因使用不同材料所引起的内 應力，以增加半導體裝置的可靠度，而此要求得藉由協調 半導體功能元件或引腳架與封裝材料彼此之間的熱膨脹係 數以減少熱應力，而獲得滿足。藉此，半導體裝置的可靠 度可被改良。 以環氧樹脂為基底並包含諸如氧化鋁、氧化石夕或其他 相似的無機填充物的組成被使用為半導體裝置用的封裝材 料。在該組成中•，特別是在使用氧化矽填充物時，該填充 物表面係以矽烷耦合劑或其他相似物質處理，或著耦合劑 在樹脂捏合時與樹脂混合，以改良無機填充物與樹脂的潤 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規袼（210 x 297公釐）
裝 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) I--^--------- -Ji n n Bl· _ 五 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 此 製 Λ發明說明（3 减性。 在使用封裝材料為基底之樹脂的封裝期間，其係使用 高溫（諸如175t)°總之，在較切晶圓之封裝的狀況中 ’石夕晶圓在封裝後冷卻至室溫的期間，將_晶圓與封裝 材料之間的子差異而彎曲。當焊料球被設置於個別 疋件（晶片）的凸塊上或該晶圓被切割為個別元件（晶片 )時，此彎曲為一障礙物。 、包含樹脂組成及無機填充物的封裝材料具有的填充物 被限制的重量百分比町，以在晶圓封裝後（以上 述的方法成形）’控制因封裝物的固化與收縮所引起的晶 圓彎曲。此乃因大於7G%重量百分比時’封裝材料具有較 高的揚氏模數與較大的收縮應力，而增加彎曲。再者， 乃因當晶圓的彎曲增加時，其將大幅降低在半導體裝置 程中的加工性。 在晶片尺寸封裝中，封裝材料與晶片之間的黏著性相 S重要，而些微的封裝材料剝離將明顯地降低封裝物的可 罪度。封裝材料具有80至120微米的厚度，且晶片僅為封 裝材料所保護。因此，該封裝材料被要求較具有引腳架的 習知半導體裝置擁有更高的韌性及機械強度。此外，在封 裝材料層中的微小孔洞將大幅地降低封裝物的可靠度。 其係認為孔洞因下列因素而被產生。當無機填充物的 氧化矽粉末直接以耦合劑事先處理時，在氧化矽表面的矽 烧輕合劑與羥基將產生水解反應，且矽烷耦合劑與氧化石夕 將彼此化學鍵結，同時氧化矽的表面將批覆以矽烷輕合劑 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（21〇 χ 297公釐） I -------------- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 6 510029 A7
五、發明說明（4 ) 。在此所使用的矽烷耦合劑，列舉如下：縮水甘油型的矽 烷偶合劑（例如，r-環氧丙基三甲氧基矽烷與環氧丙 基三乙氧基矽烷）及胺類矽烷偶合劑。在氧化矽表面上之 石夕烧耦合劑與羥基的反應為除醇反應，如下所示：
R ο IsiIOR
H + R si丨o丨silo 丨-si丨
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R oIsiIOR si—o isi—o —-si—
Η ο R (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 裝
·· R 3 H c ff2 c2 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 以本反應所產生的醇類ROH在填充物處理期間被釋放 至大氣中’而未留置於填充物表面。然而，其可能殘留未 反應的矽烷耦合劑；而在封裝材料被施加於其上之半導體 裝置中（其中該封裝材料係以經矽烧耦合劑處理的填充物 填充之’或著藉由預先添加耦合劑至樹脂組成而與混合物 一道混合），在封裝材料中之未反應的矽烷耦合劑將因氣 氛溫度與水汽而與所吸收的水產生水解反應，如丁所示， 其將產生醇類。 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） 訂--- 聲 510029
五、發明說明（ Η 0
R 0
/WASi-0R+3H20 一~>/W\Si_OH+3R〇H i i
R H R： -CH3f -C2H5 在封裝材料中的醇類將因封裝成形作業期間之溫度 的急遽上升，而被急遽汽化並膨脹，因而在被固化的封裝 材料中形成孔洞與裂痕。該情況在黏著時亦發生，且水將 更將侵入孔洞或裂縫，而導致半導體功能元件操作故障。 此外，在耦合劑水解反應期間，封裝材料的導電性將暫時 被減少，因此，當黏著後有未反應的耦合劑殘留時，導線 間的短路將因水解而發生。 另一方面，在部分狀況中，氧化矽粉末中的熔融矽被 作為封裝組成中的填充物’因為其包含較少的金屬、鈉及 氯離子。因為極少量的羥基出現於該熔融氧化矽的表面上 ，所以，當該填充劑以作為儲液的矽烷耦合劑處理時，除 醇反應並未發生於熔熔氧化矽填充物與矽烷耦合劑之間。 因此，以經耦合劑處理之熔融氧化矽填充物所填充的封裝 材料施加於其上的該半導體裝置所具有的問題為，其將因 氣氛溫度與水汽的影響而在封裝材料中產生水解反應，因 而在封裝成形期間形成孔洞並降低半導體裝置的可靠度（ 降低封裝材料與石夕基板之間的黏著力，並降低導線之間的 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） —^— I—mr 裝--------訂— (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 510029 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 ----—______ 五、發明說明（6 ) 絕緣性）。 以耦合劑處理填充物的方法（其具有與填充物表面上 之羥基產生水解反應的先決條件）不可被應用於氧化鋁、 氮化銘、氧化鎭、氮化♦、氮化硼等具有高導熱性的電絕 緣填充物。因此，這些填充物無法分享藉由改良樹脂的潤 濕性，而增強填充物性質的優點。 形成於封裝材料層中的孔洞與裂痕將使封裝材料層由 矽基板的剝離，因將晶圓切割為個別元件而以該孔洞或裂 痕為源頭傳遞之。 此外，在晶圓的封裝中，避免形成未為封裝材料所填 充的未填充部分係相當重要。具有未填充部分的晶圓將被 退出，而產生廢棄物。特別地是，對於直徑為6至8英寸（ 約為15至20公分）或更大尺寸的晶圓而言，因為形成未填 充部分將同時產生大量的元件廢棄物，所以必須完全覆蓋 晶圓，而不形成未填充部分。 黏著於基板上的經封裝半導體裝置將因黏著後之裝置 操作的開關與外部溫度的變化而歷經溫度循環。在該循環 期間，黏著用的基板將膨脹與收縮，且所產生的應力將施 加於半導體裝置。該應力係特別集中於半導體裝置中之銅 凸塊根部周圍（連接至矽基板），而產生凸塊的故障、元 件的破裂或相似的情況。 在封裝材料的製造方面，樹脂成份的融溶與捏合以及 後績的固化與研磨係為所需，且不可避免地是，來自這些 製程（捏合、擊碎等）所使用之設備的金屬將混入封裝材 本紙張尺度適財晒家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐）
IP騰 t------— ^---------AWI. (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 9 510029 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 ~----2Z--- 五、發明說明（7 ) 料。在用於接合半導體功能元件與引腳架的習知導線接合 法中，即使當具有諸如34微米長度的金屬被夾雜於封裝材 料中時，被夾雜的金屬並不會直接在導線間的間距及引腳 間的間距形成凸出物。然而，在晶片尺寸封裝中，因為位 於元件表面上之導線間的距離為25 — 1〇微米，所以當該金 屬或導體粉末被夾雜於封裝材料中時，34微米或更長的金 屬或導體粉末所引起之導線間短路的可能性將急遽上升。 因此，關於封裝材料中的金屬或導體粉末夹雜物部份，其 必須嚴格控制其尺寸品質。一種隔離樹脂中之金屬的方法 以及一種分析其的方法至今已被建立，其對於該控制相當 有用0 田 本發明之概要 因此，在以各外端子用之凸塊終止面被曝置於外的方 式，將以封裝材料層封裝的晶圓切割成個別元件裝置的半 導體裝置中，封裝材料層中無孔洞或裂痕、在吸水封裝物 黏著期間無封裝材料層裂痕的發生、在將晶圓切割成個別 元件期間無因震動所造成之封裝材料層由矽基板剝離，以 及該半導體裝置設有耐溫度循環的韌性和矽基板與封裝材 料層間的足夠黏著強度且其更以具有可控制金屬含量之封 裝材料層封裝係相當重要。 ' 因此，本發明之一目的係為提供一種滿足這些要求之 高可靠度半導體裝置。本發明之目的亦為提供一種隔離封 裝材料中之金屬的方法。 本發明的半導體裝置為一種包含一半導體元件、形成 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 297公釐）
i β· Μ. --------^-------!9γ. (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 10 A7
五、發明說明（8 ) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 於其表面上之用於外端子的凸塊以及封裝材料層的半導體 裝置，該封裝材料層的形成方式為其覆蓋在凸塊被形成於 其上之元件的表面並曝置出凸塊終止面，其中該封裝材料 包含大於70wt%但不大於9〇wt%總封裝材料重的熔融矽化物 〇 本舍明之方法為一種隔離包含在封裝半導體裝置用之 封裝材料中的金屬的方法，該封裝材料包含樹脂成份及熔 融矽化物填充物，其中該方法包含添加可溶解樹脂成份的 溶劑至封裝材料中，以將不溶於溶劑者與樹脂成份已溶於 其中的溶液分離，將不溶物導入比重為2· 5—5· 5的液體中 以分散該不溶物，並接著回收沈澱物。 在另一個特性中，本發明為一種隔離包含在封裝半導 體裝置用之封裝材料中的金屬的方法，該封裝材料包含樹 月曰成伤及填充物’其中該方法包含添加可溶解樹脂成份的 溶劑至封裝材料中，以將不溶於溶劑者與樹脂成份已溶於 其中的溶液分離，將不溶物導入比重在填充物比重與金屬 比重之間的液體中以分散該不溶物，並接著回收沈澱物。 圖式之簡略說明 本發明之上述與其他目的及優點將由下列細節說明並 參考附圖而為熟習本技藝之人士所清楚地瞭解，其中： 第1圖係說明本發明之半導體裝置；以及 第2A-2D圖係說明圖1之半導體裝置的製造。 本發明之細節說明 第1圖係示意地表示本發明的半導體裝置1。在半導體 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（21〇 X 297公釐） 11 — III — — — — — — ^__wi · I----I I ^----I I I I (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 510029 A7
五、發明說明（9 ) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 衣置1中，外端子用之凸塊3被形成於已進行部份微製造製 %之半導體功能元件2的表面上，且封裝材料層4係以凸塊 3之外端子的各終止表面被曝置於外的方式形成。為將半 導體裝置1黏著於基板上，焊料球被設置於各所曝置之凸 塊3終止面上。 參考第2圖，半導體裝置}的製造係被說明。首先，在 晶圓11進行各元件區的微製造製程，而銅凸塊3係以電鍍 形成於晶圓11表面上（第2 A圖）。其次，以圖塊3的各外端 子終止面被曝置出的方式形成一封裝材料層4 (第2β圖）。 其次，將焊料球5放置於各所曝置之凸塊3的終止面（第％ 圖）。最後，將晶圓11切割成晶片，以獲得各半導體裝置1 (第2D圖）。 由樹脂成份及填充物所組成之複合物係被使用為封裝 材料。此處所使用的“樹脂成份“意指有機材料，其通常 為其通常以環氧樹脂為底材且其包含固化底材樹脂用的固 化劑、加速固化反應的催化劑及其他物質。例如，諸如聚 亞醯胺等具有高抗熱性的樹脂可被使用為該底材樹脂。再 者，此處所使用的“填充劑“通常意指無機材料，其被混 入複合物中而使得封裝材料的線性膨脹接近半導體元件， 以避免該封裝材料因封裝材料與元件間的熱膨脹係數差異 而由元件剝離或強化該封裝材料。在本發明之半導體裝置 的封裝材料中，溶融石夕化物為該填充物。 在本發明之半導體裝置中的封裝材料的樹脂成份中， 環氧樹脂被使用為底材樹脂。該環氧樹脂並不僅限於特定 -----!_i (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) ---—訂--II —--- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） 12 510029 A7 B7 五、發明說明（l〇 ) 的種，而可為具有二種或多種環氧樹脂基於分子 =氧樹脂。可被使用於本發明之環氧樹脂基包含諸如甲 樹脂樹！、盼類祕清漆型環氧樹脂、聯苯環氧 曰不衣氧樹脂、各種由雙酚A與間苯二醛之—者 成的輕清漆型環氧樹脂、線性㈣環氧樹脂、環脂鱗 二樹脂、雜環環氧樹脂以及齒化環氧樹脂。。二種或多種 環氧樹脂的結合皆可被使用。 以抗熱及抗渔氣性的觀點而言，較佳的環氧樹脂為聯 苯環氧樹脂。在該狀況下，當二種或多種環氧樹脂被結合 使用於部份應㈣，聯苯環氧樹脂的比例不低於總環氧樹 脂的50wt%較為有利。 本發明的封裝材料通常包含―固化劑，其亦被視為一 樹脂成份。該固化劑並不僅限於特定的一種，而可為能與 環氧樹脂反應以固化其之任何固化劑。固化劑的範例^ 諸如酚類酚醛清漆樹脂、甲苯酚酚醛清漆樹脂、酚類芳烷 基樹脂、各種由三羥苯基甲烷、雙酚A或間苯二醛所合成 的酚醛清漆樹脂、各種多羥酚化合物（例如，多烯丙基酚 、二環戊二烯酚、酚醛樹脂A與聚乙烯酚）、酸酐（例如， 馬來酸酐、酞酸酐及1，2,4,5-苯四酸酐）以及芳香胺（例如， m-苯撐基二胺、二胺二苯基甲烷以及二胺二苯颯）。在其 它方面，基於黏著劑，在一分子中具有二個或多個的酚類 化合物是較佳的，而以酚類酚醛清漆樹脂、酚類芳烷基樹 脂及其類似物是較佳的。在部份案例中，亦可使用二種或 多種固化劑的組合。 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 x 297公釐 Μ 0029 A7
經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 五、發明說明（U ) 至於在環氧樹脂對所使用之固化劑的比例方面，雖然 其並無特殊限制，但以所形成之環氧樹脂固化品的機械性 質及固化品對半導體裝置之黏著性的觀點視之，環氧樹脂 之化學當量對固化劑之化學當量的比例最好在〇· 5 —丨· 5的 範圍，特別在0.8-1.2更佳。 在本發明之半導體裝置的封裝材料中，固化催化劑可 被用以加速環氧樹脂與固化劑之間的固化反應，且該固化 劑亦被視為一樹脂成份。該固化催化劑並不僅限於特定一 種加速固化反應的催化劑。可被使用的催化劑包含諸如咪 唾化合物（例如，2-甲基咪唾、2,4-二甲基味峻、2·甲基-4-甲基味哇以及2 -十七基喃嗤）、三級胺化合物（例如，三乙 胺、苯甲基二甲胺、α-曱基苯甲基二甲胺、；2-(二甲基胺 基甲基）酚、2,4,6-三（二甲基胺基甲基）酚、ι，8-二氮二環 (5,4,0)十一烯_7以及丨，％二氮二環（no)壬烯_5)、有機金 屬化合物（例如，四甲氧化錘、四丙氧化錘、四（乙醯基丙 酮酸）鍅以及三（乙醯基丙酮酸）鋁）與有機膦化合物（例如， 三苯基膦、三甲膦、三乙膦、三丁膦、三（p_甲基苯基）膦 、二（壬基本基）膦、三苯基膦三苯基侧烧以及四苯删酸四 苯鱗）。在部份案例中，可使用二種或多種固化催化劑的 組合。母lOOwt%的環氧樹脂最好使用〇· 1 —iQwt%的固化催 化劑。 本發明之半導體裝置的封裝材料包含作為填充劑之熔 融氧化石夕，其數量為封裝材料總重的7〇 —9〇wt%之間。其已 餐現’該溶融氧化石夕相較於氧化铭等含有更少的雜質， 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規袼（210 X 297公釐） 14 — — — — — — — — — — ^w— ^ i — — — — — — ^-1111111 —^wi (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 510029
經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 可改良封«料的抗水氣性。此外，其亦發現，藉由使月 大於7〇wt%的填充劑含量，則石夕基板（石夕晶片.）盘封裝相 料間的線性膨脹係數㈣異可被減少，以改良半導體裝置 t熱循環性質並避免凸塊的故障。在填充劑含量大於90州 化，封裝材料在封裝期間的流動性將被降低而在所形成的 封裝材料層Η現未被填充之部份，而形成針孔於封裝材 ^層表面料低半導縣置料纽。隨著料氧化石夕含 置之增加而造成的晶圓彎曲可由調整製程適用於該彎曲而 被避免。 熔融氧切最好具有卜5㈣平均微粒直徑。在大 於50微㈣平均微粒直財，元件上的導線及凸塊將被損 傷。在小於1微㈣平均微粒直徑中，該封裝材料在封裝 期間的流動性將被降低。雖然魏融氧切可為任何形狀 ’但其最好為球形。本發明所❹的㈣氧切最好具有 可滿足下列關係的微粒直徑分布微粒數的百分比表示時， 亦即當該微粒直徑分布係以小於特定微粒直徑之微粒累積 數對總微粒數的百分比表示時： 、 D10^(1/1〇)XD50 D90 S 10 X D50 其中D1()、D5〇與Dgo為微粒累積數10%、5〇%與9〇%時的微 粒直徑。 ' 該熔融氧化矽可為經過或不經過矽烷耦合劑表面處理 。熔融矽化物具有極微量的氫氧根於其表面上，且當該熔 融氧化係以矽烷耦合劑表面處理時，該未經處理的矽烷
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I— e« Mil-----^---------_9i. (請先閱讀背面之注意事項#»f^f V 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 510029 A7 ............................ ____ ______ B7 五、發明說明（l3 ) 合劑將易於殘留在封裝材料中。留置於封裝材料中之未反 應的石夕烧麵合劑將與大氣中的水氣反應而產生醇類。該醇 類將在封裝材料固化期間蒸發，而形成孔洞於所固化的製 品中（亦即封裝材料層）。另一個可能發生的狀況為未反 應的石夕烧耗合劑留置於所形成的封裝材料層中。當具有殘 留未反應矽烷耦合劑的半導體裝置吸收水氣時，因所吸收 的水氣與耦合劑的反應所產生的醇類將使半導體裝置的可 靠度明顯地降低。該問題可藉由塗覆具有先經水解處理之 矽烷耦合劑的填充劑而獲得解決。矽烷耦合劑的預水解處 理可以諸如將石夕烧耦合劑與水反應而完成。 在本發明之半導體裝置中的封裝材料可包含諸如矽樹 脂橡膠、烯共聚合物、改質的丁青橡膠、改質的聚二丁烯 橡膠及改質的矽樹脂油等黏彈性體以及諸如聚乙烯等熱塑 性樹脂作為減應力劑。該減應力劑可降低於室溫下所形成 之封裝材料的可撓性模數。 此外，諸如鹵化環氧樹脂等鹵素化合物、諸如磷化合 物專火焰阻滯劑、諸如三磷化銻等阻焰劑、諸如有機過氧 化氫等交聯劑、諸如碳黑等染色劑皆可選擇性地被添加至 該封裝材料中。 當封裝材料含有除了前述的樹脂成份以外的選擇性添 加物時，諸如上一段所指出者，則可溶解樹脂成份的溶劑 亦被要求以溶解該添加物。 包含樹脂成份與填充劑的封裝材料通常以粉末或旋塊 的形式被供應於半導體裝置的封裝。本發明的半導體裝置 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） 16
Awi Μ.-----—^---------^_wi (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) Μ 0029 Α7 五、發明說明（Μ ) 可藉由製備-未被封裝的晶圓、將封裂材料置於其上、將 具有封裝材料的晶圓插入加壓成形用之被加熱模具間而製 作被封裝的晶圓以及將晶圓切割成個別晶片而被製造。該 加壓成形在m-25(rc的溫度進行，最好為⑽綱。對 於晶圓的封裝而言，諸如壓鑄、射出成形或矯造等方式皆 可被使用。在封裝後’可依所需在諸如⑽丨齡進行Μ 小時的額外熱處理（後固化）。 在製備封裝材料的過程中，樹脂成份的融溶與捏合以 及後續的固化與研磨係為所需’而不可避免的是來自製程 設備的金屬將混入其中。本發明的半導體裝置具有間隔為 諸如25-職米的導線於元件表面上，而在此狀況下，若 具有諸如34微米長度的金屬片被包含於封裝材料中，則所 包含之金屬片造成導線間短路的可能性將急遽地上升。總 之，在本發明之半導體裝置的封裝材料中，所包含之金屬 粉末的長度最好被控制在小於34微米，最好不大於14微米 ’特別是不大於10微米最好。控制該長度使其不大於14微 米則因V線間的短路所造成之產品良率的下降可被限制 。在金屬粉末長度為10微米或大於1〇微米小於34微米的狀 況中因^線間的短路所造成的產品良率降低係於可被接 受的程度；惟在34微米或更長的狀況下，則良率被大幅降 低而降低量產性。金屬的總量最好為15G _或更低。 因此，用於封裝本發明之半導體裝置的封裝材料包含 可控制量的金屬係相當重要，而為此目的，其係要求確實 地隔離（分離）並分析該金屬。在本案例中用於隔離金屬 本紙張尺度適用中國國家標準（CNSM4規格⑽χ撕公爱） Μ 0029 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 Α7 Β7 五、發明說明（15 ) 的方法為將包含樹脂成份與溶融氧化;g夕填充物的組成添加 至可溶解樹脂成份的溶劑以溶解該樹脂成份，不溶於溶劑 者將與樹脂成份已被溶於其中的溶液分離，該不溶物將被 導入比重為2· 5-5. 5的液體中，以分散該不溶物並回收沈 澱物。 用於溶解樹脂成份的溶劑包含（但非僅限於此）丙酮 、四氫化夫喃、二甲基甲醯胺、甲苯及二甲苯等。該溶劑 可溶解除了樹脂成份以外的材料，除非所溶解的材料對本 發明之方法有負面的影響。在將不溶物由樹脂成份被溶於 其中的溶液分離方面，可使用離心機，而其他構件亦可被 使用。此處所使用的“不溶物“封裝材料中的樹脂成份溶 解後所留下的固體，且為填充物之氧化矽與金屬的混合物 。该混合物可藉由將其導入比重為2· 5· 5的液體而分離 。此舉係利用氧化矽（2.1)與金屬比重的差異，其中金 屬的比重取決於封裝製程中所使用之金屬材料的種類且通 常為6.6。在此所使用的液體包含（但並非僅限於此）二 碘曱烷（比重3·3)、溴仿（比重2.82)、碘化鋇與碘化汞（π)之 混合液體（比重3.56)以及丙二酸鉈⑴與甲酸鉈⑴之當量混 合物之飽和溶液（比重3.4)。 藉由以掃描式電子顯微鏡（SEM)、電子探針微分析 (ΕΡΜΑ)、光學顯微鏡、流體式微粒影像分析設備（丁⑽
Medical Electronics(Toa Iyou Denshi))等量測被分離 之金屬粉末的尺寸，則封裝材料中的金屬可被輕易地控制 。再者，金屬的總量可將被分離的金屬秤重而得知。 丨丨丨丨丨丨_丨！裝·！_! —訂！ — (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁)
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經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 五、發明說明（l6 ) 在半導體裝置的封裝材料中’除了溶融氧化碎之外， 合成氧化秒、結晶氧化;δ夕、碳酸莉、碳酸鎮、氧化紹、氧 化鎂、黏土、滑石、石夕酸舞、氧化鈦、氧化銻、石棉、玻 璃纖維等皆可被使用。上述的分離法亦可被應用於由除了 溶融氧化矽以外的任何填充物所組成的封裝材料。亦即， 包含於由任何填充物所組成之封裝材料中的金屬可以添加 由樹脂成份與填充物所組成之封裝材料至可溶解樹脂成份 的溶劑、將不溶於溶劑者與樹脂成份已被溶解於其中的溶 液分離、將不溶物導入比重在填充物與金屬之間的液體以 分散該不溶物並回收沈澱物而被輕易地分離。 範例 本發明之範例現在將被說明。當然，本發明並不僅限 於這些範例。 封裝材料的製備係藉由在混合器中以表1所示的組成 比例混合作為基材樹脂的聯苯環氧樹脂（由Yuka Shell Epoxy所製的YX-4000H)、作為固化劑的對苯二甲聚酚（由 Mitsui Toatsu Chemicals所製的 Crayton G-1901X)、溶 融氧化石夕（由Denki Kagaku Kogyo所製的FB-6S)以及三 苯膦（固化劑），接著在捏合器中融熔並捏合該混合物， 接著冷卻並研磨，以及使用1 〇 KG的磁棒移除金屬。對於 經矽烷耦合劑處理的熔融氧化矽而言，環氧烷基二甲 氧基矽烷被使用為矽烷耦合劑。當該矽烷耦合劑事先以水 解處理時’該编合劑係與水混合，且該混合物隨後被放置 24小時。在所有狀況中，每i〇〇wt%的氧化石夕使用iwt%的寿 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） 19 ---I:——ΙΙΦΜ----------------ΦΓ (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) A7 --------B7五、發明說明（17 ) 合劑。 表 1 組成比例（wt%) 里樹脂 100 聚酚 94. 1 可撓性物質 5 二 1.6 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 弟1圖所示之半導體裝置係由使用經製備之封裝材料 的熱壓製程所封裝的晶圓而製成。所使用的晶圓具有八英 吋的直徑（約20公分），且該半導體為6*7mm的尺寸，該半 導體裝置設有直徑為15〇微米的48個凸塊，且該封裝材料 層具有100微米的厚度並具有1〇微米的導線距離。下列的 測試係於半導體裝置進行。 (1) 抗水氣性 將半導體裝置停置於加壓加熱測試器（ρ(：τ)(12ΐ1， 85i相對溼度）中1 〇〇小時，並施加7伏特的偏壓至該裝置， 而測試元件的故障。該結果係以半導體裝置的數目表示， 其中每二十個進行測試的半導體裝置就有一個元件故障。 (2) 黏著於基板上之吸水氣裝置的抗裂行為 在85C與85%相對'屋度吸收水氣96小時的半導體裝置 中’在245 C的紅外線電爐中以焊料回流法黏著於基板上 後’裝置之封裝材料層中的裂痕係為立體顯微鏡所觀察到 〇 (3) 孔洞 半導體裝置之封裝材料層中的孔洞係以超音波瑕&偵 測顯微鏡觀察。 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） 20 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 裝 11 — I i I---11 510029
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(4) 矽元件與封裝材料層之間的黏著性 、半導體裝置係於-65。(：至150。(：間進行熱震動測試， 被觀察到剝離（1000循環剝離）。結果係以每2〇個進疒、，^ 之半導體裝置令發生剝離之半導體裝置的數目表示m (5) 元件的斷路測試 黏著於玻璃環氧樹脂基板上之半導體基板被 循環測試（-5(rc_15(rc)，且斷路故障的出現⑽g播= 路故障）係被評估。結果係以㈣個進行測試之半_ 置中發生斷路故障（不連接）之半導體装置的數目表示。义 (6) 融溶黏滯性與膠凝時間 ’、 各封裝材料的融熔黏滯性係以流體測試器決定。 各封裝材料的膠凝時間係以放置一克的基:試樣於 not的加熱板上’同時啟動碼表，以金屬Μ拌該試樣 並將該4縣合於加熱板錢其祕，並於料試樣勝化 (固化）時終止碼表，而被決定。 (7) 金屬的含量及最大長度 職㈣下列㈣分離並分析。 200克的封裝材料被溶解並分散於丙_中，不溶於溶 劑者則被離心分離，且該不溶於溶劑者被分❹二㈣烧 中：以回收金屬沈澱物。該回收金屬被秤重（總金屬）， 且最大長度係以掃描式電子顯微鏡（§腹）決定。 測試結果及填充物添加量（填充物對封装材料總量的 比例）係列於表2中。
本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐^
' 21 510029 A7 B7 五、發明說明（19 ) 表 2 ---- 1 實权 2 匕例 3 4 A 比 ί列 填充劑之添加量，wt% 71 80 90 80 65 D 95 C 80 D 80 Ε 70 以r-環氧丙基板三曱 氧基板處 無 無 無 無 無 無 有 無 無 以經水解環氧丙基板 三甲氧基板處 無 無 無 有 無 無 無 無 無 防溼氣性，PCT 1000h 1/20 1/20 1/20 0/20 10/20 5/20 20/20 20/20 2/20 抗不安定性行為 良好 良好 良好 良好 良好 不[~ 良好 良好" 良好 熱衝擊測試，1〇〇〇循 環剝離 0/20 0/20 0/20 0/20 20/20 10/20 知真充 5/20 0/20 0/20 熱衝擊測試，1000循 環開孔失敗 0/20 0/20 0/20 0/20 20/20 20/20 0/20 0/20 020 空洞 無 無 無 無 無 有 無 無 無 總金屬，ppm 60 60 60 60 60 60 60 60 60 最大金屬長度， 8 8 8 8 8 8 8 35 8 熔融黏度，not：，P 250 280 300 250 200 350 250 280 250 凝膠時間，170°C，粆 50 40 35 40 40 25 50 40 50 ---------裝--------訂---- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) ·· 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） 22 A7 五、 發明說明（2〇 因此，根據本發明， 以外端子的凸塊終止面被曝置出 的方式切割為封裝材料層里认^ 了衣之日日W所獲得的半導#奘置的可靠度可被提升。 j干夺篮衣 本發明亦得以控制高可靠 雜在封裝材料中的金屬。又 、置製造時之夾 準 標 家 國 國 中 用 適 度 尺 張 紙_Μ 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製
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Claims (1)

  1. 510029 六、申請專利範圍 丨福 第881U990號專利再審查案申請專利範圍修正本 修正日期：90年2月 1. -種半導體裝置，其包含—半㈣元件、形成於其表面 上之用於外端子的凸塊以及封裝材料層，該封裝材料層 的形成方式為其覆蓋在凸塊被形成於其上之半導體元 件的表面並曝置出凸塊終止面，其中該封裝材料層由包 含大於7〇Wt%但不大於90wt%總封裝材料重的熔融 化石夕的封裝㈣所組成，其中該熔融氧切#該微粒直 控分布係以小於特定微粒直徑之微粒累積數對總微粒 數的百分比表示時’具有可滿足下列關麵微粒直徑分 布微粒數的百分比表示即： 本 訂 Dlo^(l/10)*D5〇 D90^ 10* Dso 微 其中D10、D4D9。為微粒累積數·、5〇%與9〇%時的 粒直徑。 如申請專利範圍第W之半導體裝置，其中該封裝 由環氧樹脂所組成。 3. =請專利範圍第2項之半導體裝置，其中該環氧樹脂 ”由下列㈣樹脂所構成者：甲苯_經清漆型環 脂、酚類酚醛清漆型環氧樹脂、聯苯環氧樹脂、心 ，脂、由錢a與間笨二搭之—者所合成的㈣ %讀脂、線性脂族環氧樹脂、環脂族環氧 環氧樹脂以及函化環氧樹脂。 曰、 4. 如申請專利範圍第2項之半導體裝置，其中該環氧樹脂 本紙張尺度_中(CNS)A4規袼（趟
    申請專利範圍 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 為聯苯環氧樹脂。 •如申請專利範圍第2項之半導體裝置，其中該封裝材料 匕S 一種或多種環氧樹脂的混合物，且該混合物包含的 聯苯環氧樹脂為混合物中環氧樹脂總量的50wt%或更 高百分比。 6·如申請專利範圍第2項之半導體裝置，其中該封裝材料 更包含使環氧樹脂 固化的固化劑。 7·如申請專利範圍第6項之半導體裝置，其中該固化劑係 選自於下列群中：酚類酚醛清漆樹脂、甲苯酚酚醛清漆 树脂、酚類芳烷基樹脂、由三羥苯基甲烷、雙酚A與間 笨二醛之一者所合成的酚醛清漆樹脂、多羥酚化合物、 酸酐以及芳香胺。 8·如申請專利範圍第7項之半導體裝置，其中該固化劑係 為選自於下列群中的多羥酚化合物：多烯丙基酚、二環 戊二烯酚、酚醛樹脂A與聚乙烯酚。 9·如申請專利範圍第7項之半導體裝置，其中該固化劑係 為選自於下列群中的酸酐··馬來酸酐、酞酸酐及丨，2,4,5_ 苯四酸肝。 10·如申請專利範圍第7項之半導體裝置，其中該固化劑係 為選自於下列群中的芳香胺：.苯撐基二胺、二胺二 苯基甲烷以及二胺二苯颯。 11.如申請專利範圍第6項之半導體裝置，其中該封襞材料 包含化學當量比為0.5-1.5的環氧樹脂與固化劑。 12·如申請專利範圍第11項之半導體裝置，其中環氧樹脂與 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） --------------0.___ (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁} ----I——線丨,
    、申請專利範圍 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 Μ氏張尺度適用^關家標準（CNS)A4規袼（21G x 297公爱 固化劑的化學當量比為的範圍。 13·如申請專利範圍第6項之半導體裝置，其中該封裝材料 更包含一固化催化劑。 14. 如申請專利範圍第⑽之半導體裝置，其中該催化劑係 選自於下列群中：咪唑化合物、三級胺化合物、有機金 屬化合物與有機膦化合物。 15. 如申請專㈣圍第13項之半導體裝置，其中該催化劑係 選自於下列群中的咪唑化合物：2-甲基咪唑、2,‘二甲 基咪唑、2_甲基-4-甲基咪唑以及2-十七基咪唑。 ⑺·如申請專利範圍第13項之半導體裝置，其中該催化劑係 選自於下列群中的三級胺化合物：三乙胺、苯甲基二甲 胺、甲基苯甲基二甲胺、2-(二甲基胺基甲基）酚、 2,4,6·三（二甲基胺基甲基）酚、Μ-二氮二環（5,4,〇)十— 烯J以及1，5_二氮二環（4,3,0)壬烯-5。 17·如申請專利範圍第13項之半導體裝置，其中該催化劑係 選自於下列群中的有機金屬化合物：四甲氧化錯、四丙 氧化锆、四（乙醯基丙酮酸）锆以及三（乙醯基丙_酸）鋁 〇 18·如申請專利範圍第13項之半導體裝置，其中該催化劑係 選自於下列群中的有機膦化合物：三苯基膦、三甲膦、 三乙膦、三丁膦、三（p-f基苯基）膦、三（壬基笨基）膦 、二苯基膦三苯基硼烷以及四苯硼酸四苯鱗。 19·如申請專利範圍第13項之半導體裝置，其中該封裝材料 在每100wt%的環氧樹脂中含有0.1-10wt%的催化劑。 26 I ^9. 訂------------------------------------- Γ讀先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 C8 ----— __D8 _ 六、申請專利範圍 —"^ 2〇·如申請專利範圍第w之半導體裝置，其中該熔融氧化 石夕具有1-50微米的平均微粒直徑。 21·如申請專利範圍第旧之半導體裝置，其中該溶融氧化 矽係以預經水解處理的矽烷耦合劑塗覆。 22.如申請專利範圍第丨項之半導體裝置，其中該封裝材料 包含被控制以具有最大長度小於34微米的金屬粉末。 23·如申請專利範圍第22項之半導體裝置，其中該金屬粉末 具有不大於14微米的最大長度。 24.如申請專利範圍第22項之半導體裝置，其中該封裝材料 包含總量約150ppm或更低量的金屬粉末。 25· —種隔離包含在封裝半導體裝置用之封裝材料中的金 屬的方法，該封裝材料包含樹脂成份及熔融氧化矽填充 物，其中該方法包含添加可溶解樹脂成份的溶劑至封裝 材料中，以自樹脂成份已溶於其中的溶液分離出溶劑不 溶物，將該不溶物導入比重為2.5-5.5的液體中以分散該 不溶物，並接著回收沈澱物。 26·如申請專利範圍第25項之方法，其中該可溶解該樹脂成 份的溶劑係選自於下列的群中··乙酮、四氫呋喃、二甲 基甲醯胺、甲苯與二甲苯。 27·如申請專利範圍第25項之方法，其中具有2·5至5.5比重 的液體係選自於下列群中：二碘甲烷、溴仿、碘化鋇與 峨化汞（II)之混合液體以及丙二酸銘⑴與甲酸銘⑴之當 量混合物之飽和溶液。 28· —種隔離包含在封裝半導體裝置用之封裝材料中的金 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規袼（210 X 297公釐） 27 . ---,_·------ 丨訂----------線-ml-·, (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) /、、申清專利範圍 屬的方法’ 4封I材料包含樹脂成份及填充物，其中該 =法L 3添加可溶解樹脂成份的溶劑至封裝材料中，自 樹脂成份已溶於其中的溶液中分離出溶劑不溶物，將該 不溶物導入比重在填充物比重與金屬比重之間的液體 中，以分散該不溶物，並接著回收沈澱物。 9·如I專利㈣第28項之方法，其中該填充劑係為由合 成乳化梦、結晶氧切、碳g㈣、碳賴、氧化銘、氧 化鎂、黏土、滑石、矽酸鈣、氧化鈦、氧化銻、石棉及 破璃纖維所組成的族群中做選擇。 3〇·-種製造以封裝材料封裝之半導體裝置以覆蓋半導體 疋件表面並曝置出形成於該半導體元件表面上之凸塊 終止面的方法，其中該封裝係使用封裝材料完成，含於 封裝材料中之金屬的含量與尺寸已藉由下述方法來控 制，利用添加可溶解樹脂成份的溶劑至封裝材料中，分 離出含在-包含有樹脂成份與融合氧化石夕填物之封裝 材料中的金屬，自該樹脂成份已溶於其中的溶液中分離 出溶劑不溶物，將不溶物導入比重為2 5巧5的液體中以 分散該不溶物，並接著回收沈澱物。 31·—種製造以封裝材料封裝之半導體裝置以覆蓋半導體 元件表面並曝置出形成於該半導體元件表面上之凸塊 終止面的方法，其中該封裝係使用封裝材料完成，夹雜 於封裝材料中之金屬的含量與尺寸已藉由下述方法來 控制’該方法係為利用添加可溶解樹脂成份的溶劑至封 裝材料中，分離出含在-包含有樹脂成份與融合氧化石夕
    六、申請專利範圍 填物之封裝材料中的金屬，自該樹脂成份已溶於其中的 溶液中分離出溶劑不溶物，將不溶物導入比重在填充物 與金屬間的液體中以分散該不溶物，並接著回收沈澱物 i ---··.--- (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁} 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 x 297公釐） «ΙΙΙΙΙΙΙ — 1ΓΙΙΙΙΙΙ1Ι — n n n ϋ
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