TWI529819B - 用於半導體封裝之滾裝式囊封方法 - Google Patents

Description

用於半導體封裝之滾裝式囊封方法

本發明大致上涉及半導體器件及製程之領域，且更明確言之，本發明涉及以一滾裝式囊封技術為基礎之半導體器件之塑膠封裝的結構及製造方法。

自20世紀60年代初引進以來，轉移模製技術一直係最受青睞之方法，該方法用於將半導體器件囊封於塑膠封裝中。在此方法中，首先將半導體晶片組裝於一基板諸如一引線框架上，該組裝係藉由將該晶片實體地附著至該基板及將晶片端子傳導連接至基板墊，最常見係藉由拱形跨度接合線。然後，該基板及組裝晶片一起被轉移至一模壓機，並定位於模穴中。該穴有一精度閘，通過該精度閘，藉由一活塞驅動之半黏性模製化合物被壓縮。經過該閘，該化合物沿一實質上線性前端散佈於整個模穴。該精度閘經設計用於一均勻、緩和之前端過程，填充穴及嵌入晶片、接合線及基板。製造模具、閘、模壓機等等需要精密機器，因此價格昂貴：舉例來說，一適於約200個器件單元之模具可為約$250,000。

該模製化合物係一基於一環氧聚合物與一觸媒及一硬化劑混合之傳統配方：模製作業之前，該化合物由於其部分交聯之狀態，而儲存於低溫條件下。當溫度升高時，在所謂玻璃轉移溫度約150℃下，該化合物獲得一低黏度之狀態。當溫度在約175℃時，化合物於壓力作用下通過閘；之後，在溫度為約175℃時，該模製化合物完全聚合(「固化」)儲存。對於mpst模製化合物，模製及固化步驟所需時間為6至8小時。

為減少聚合物與半導體晶片之熱膨脹係數(CTE)之間超過一個數量級之差異所造成的熱機械應力，該模製化合物之環氧聚合物通常包含最多約90%的無機填充劑，如矽石。此等填充劑之直徑大約分佈於35至75μm之間；填充劑可為晶體或球形，因此該無機填充劑具有模穴之精度閘的研磨作用。因而，該等閘需要定期維修或翻新。翻新該等閘需要精密之機器，因此價格昂貴；例如，翻新一200-單元模具之費用約為$50,000。

一典型的組裝過程中所用到之接合線係由金或銅合金製成，其直徑約25μm。在一自動接合器中，該線饋通於一接合器之毛細管中。在接合作業中，毛細管將線附著至晶片，然後以一拱跨度將接合線移至基板，並將線附著至基板。對於一特定合金及線直徑，一線跨度可為多長，線在其自身重量下允許下垂多少，及該等拱跨可被放置為接近彼此多少，對於該等均有規格。

當模製化合物之前端自閘貫穿整個模穴時，該化合物施加壓力於線跨度之上。該壓力使跨度向一邊傾斜，使之彎曲並向一遠離閘之方向傾斜。這種干擾通常被稱為線偏移(wire sweep)。一般來說，線偏移係藉由分析模製封裝頂部及側面之X射線照片而觀察及測定。在決定線偏移之參數中係為：模穴與精度閘之設計；該接合線的組成及直徑、配方、使用期限及化合物之含水量；以及在穴填充過程中該化合物之黏度。規格--包括模製化合物之配方、晶片及引線框架設計及處理條件(溫度、壓力、時間等)規定一器件類型之線偏移的最大值。例如，一普通標準規定：線偏移之後，毗鄰之線必須仍保持一至少為二個線直徑之距離。另一標準則基於所使用的線長度來定義所允許之線偏移百分比。例如，允許之線偏移可為線長度的15%。若偏離該等標準，將認為器件失效；在某些情況下其等達到300至600ppm。

在打線接合及模製作業之前，在將晶片附著至基板之步驟中，常將黏合樹脂(環氧樹脂)與觸媒的一滴半液態混合物滴於基板之上。該樹脂通常含有70至80%的小直徑(1至3μm)無機填充劑。藉由將晶片按於該滴液之上，液體散佈於晶片區域之下以在晶片周圍形成具有一半月板形的一片層。其後允許該混合物聚合及硬化。

最近已引入一種黏合晶片附著薄膜，其可取代樹脂滴定的方法。該薄膜由日本Nippon Steel Chemical銷售，品牌名稱為NEX-130。其厚度介於30至130μm之間，該薄膜包括30%重量百分比的黏合環氧樹脂及70%重量百分比的矽石填充劑。該樹脂黏度在溫度超過30℃之後急劇下降，並且在90℃至130℃之溫度範圍內具有一最低黏度；當溫度超過150℃時，樹脂聚合(「固化」)。在層壓處理過程中，該薄膜被施加至晶圓，整個半導體晶圓面朝下放置於一加熱器台之上(80℃)並且一加熱滾子將該薄膜層壓於晶圓背面之上。單切層壓晶圓之後，分割之晶片以黏合層向下被放置於一基板之上。然後該樹脂在150℃下固化，緊接一180℃之固化步驟。

申請者認識到，現階段300至600ppm之失敗率之原因係藉由半導體封裝之轉移模製作業期間過度線偏移而造成，對於目前的市場趨向更加整合及微型半導體組件，特別係當此失敗率可能為降低成本而造成更細之金線而變得更糟時，該失敗率係不可被接受的。此外，申請者還看到，精密加工及精度閘置換所帶來的購買及維護模具之高成本，模具維護的較長前置時間及緩慢模製及固化過程與產品的快速變化、快速周轉時間(turn-around-time)及快速變遷之消費者市場所需的生產力改良無法相容。

當申請者發現可將附著晶片之黏合膜用作一層壓技術來囊封晶片及線時，他解決了線偏移(wire sweep)、模製成本及時間問題。該方法利用一環氧型、部分固化(B階段)的黏合樹脂薄片，當被加熱至層壓溫度範圍時，其進入低黏度；其後該樹脂表現為類似於濃乳脂。在更高溫度之封裝過程中，該薄片例如藉由滾動而逐漸沈積在線接合之半導體晶片上，造成在線上幾乎無壓力，因此無明顯之線偏移。此外，該樹脂可具有一含量高之小圓形矽石填充劑，此使囊封劑之CTE朝向基板及矽之CTE降低。

申請者證實，該方法有助於大規模批式處理，使其成為低成本製造技術，而不需要昂貴之模具及昂貴之維修。在快速周轉時間情況下，囊封化合物及封裝之厚度於批次間不斷改變，使囊封技術具有前所未有之彈性。此外，完全固化成品之試驗結果表明，囊封晶片在無數次溫度循環後不顯示明顯分層，且器件在水分及壓力測試下具有極佳可靠特性。

作為一額外之優勢，申請者發明了一種方法，以協調用於晶片附著步驟之沈積技術及用於晶片囊封步驟兩者之沈積技術，該方法包括化合物固化循環，適用於當不同步驟使用不同化合物配方時。

在一實施例中，低黏度樹脂之沈積採用一種裝置，其帶有一可移動且可加熱之輪子及一加熱器台。提供一捲帶，其包含一黏性聚合樹脂層及一惰性塑膠化合物薄膜。該捲帶盤繞於輪子周邊，因此該薄膜接觸輪子及該層背向輪子。該輪子被加熱到一足夠高之溫度以將聚合樹脂轉變為一低黏度狀態。一基板帶，其已組裝有藉由接合線連接至基板的複數個半導體晶片，該基板帶被放置在一置台上，該置台也被加熱至轉移溫度。然後，移動該輪子以將低黏度樹脂沿著該基板帶在晶片及線上滾動，同時該惰性薄膜被分離。晶片及線因此被囊封。

技術優勢在於，本發明消除了一些習知模製技術之長期以來的缺點。由於該方法不僅允許一基板帶之囊封，更對所有類型之基板薄片適用，本發明有助於高囊封生產力。由於低黏度、類乳脂之樹脂緩和沈積於接合線上，本發明消除了線偏移。由於該軟樹脂填充晶片組裝之任何空間，本發明消除了傳統模流中觀察到的任何不完整填充及捕獲空氣。而且因為該樹脂係柔軟的，本發明消除了由轉移模製中的高化合物壓力而產生的晶片裂縫。

圖1以簡化之方式描述一種用於執行根據本發明之半導體器件之囊封方法之裝置，其一般被指定為100。帶有端子102之複數個半導體晶片101被組裝於一絕緣基板帶110上。基板110被顯示為一帶狀；或者，該基板可為一薄片，該等晶片以一二維陣列配置於其上。多種材料可作為基板之基本材料。當整體器件厚度必須保持一較低值，基板110可係一聚醯亞胺化合物製成之塑膠薄片，其厚度範圍大約40至80μm。或者，基板可係一陶瓷或FR-4製成之較厚絕緣板。與基板110整合在一起的係一導電之跡線及通孔；該基板110還具有金屬接觸墊111於其晶片附著之表面上，適於金屬線附著，並且具有金屬墊在相對之表面上(該等墊在圖中未顯示)，適於焊料附著。

絕緣基板110上之組裝包括黏合聚合化合物104以將晶片101附著於該基板。黏合化合物之較佳選擇包含與觸媒混合之環氧基及聚醯亞胺基配方。為了改良黏合化合物之導熱性，配方包含50至80%量之銀填充劑。

圖中，半月板104a指示，晶片101已藉由將半液體之化合物滴定於基板上之方法而附著；基板置於室溫下。藉由將晶片壓於液滴上，該液體散佈於晶片區域之下以在晶片周邊形成具有一半月板形的一片層。該附著過程藉由提高溫度至約100℃繼續，以將溶劑逐出該片層；取決於晶片尺寸，該處理步驟可持續約10分鐘至6小時。藉由進一步提高溫度至大約175至200℃並維持約30至60分鐘，允許該聚合體藉由交聯而固化(聚合相)。

如圖所示，該等晶片端子102係藉由接合線120連接到基板接觸墊111。較佳接合線金屬為金或金合金；或者，其可為銅或銅合金。較佳接合技術為球形接合，其使用線直徑範圍在15至33μm，較佳地20至25μm之間的一接合器；對於電力器件，可使用直徑約50μm的較粗之線。因為從接合器之毛細管突出的金線之長度，形成具有一較佳直徑約1.2至1.6個線直徑之自由空氣球。基座被加熱至150℃至270℃之間之一溫度時，該自由空氣球置於端子102上並被抵著墊之鍍金屬擠壓。該毛細管被提起而接合線朝著墊111移動以形成一拱形，其橫跨端子102與墊111間之空隙。該接合線藉由針腳式接合附著到墊111。接合器經控制用於將鄰近之拱形以一有序圖案放置，間隙至少為二個接合線之直徑的一最小距離，而避免干擾。

如圖進一步所示，裝置100還包括一平坦置台130，其上可放置具有附著及打線接合之晶片的基板110。置台130可加熱至約300℃；其甚至有助於一些如下所述之處理步驟，前提係置台130(連同基板110)可沿箭頭131指示之方向橫向移動。

對於根據本發明之方法，提供一捲帶，其包括一黏合聚合樹脂層140及一惰性塑膠化合物薄膜141。層140之最佳厚度介於約300至900μm之間，且薄膜141之最佳厚度介於約25至40μm之間。層140之厚度取決於晶片之厚度(對於許多產品為100至275μm之間)及接合線之拱形高度。該樹脂層140係一混合有一觸媒之環氧配方(所謂B階段樹脂)，其在一定溫度範圍內展現出熔化及硬化(固化)之流變相。所描述組態之捲帶可購自例如日本Nippon Steel Chemical。

在室溫下，樹脂層140之黏度高，例如約800k Pa‧s。隨著溫度升高，樹脂轉變為熔融態；該樹脂之黏度隨溫度升高降低到約8k Pa‧s，70℃時約為8k Pa‧s，90℃時約800Pa‧s。該樹脂在溫度約90與130℃之間仍保持低黏度。在低黏度下，樹脂表現為類似於乳脂。在溫度高於約130℃時，黏度開始再次增大，因為該樹脂進入固化相。在約200℃時，樹脂的黏度再次約為800k Pa‧s。

環氧樹脂層140此外含有較高含量(約為70與80%之間)之矽石填充劑，以將純環氧樹脂之CET(約70ppm)降低為約10ppm之CET。層140為電氣絕緣。此外，該環氧樹脂層140對半導體器件中常用之基板材料(如聚醯亞胺)、FR-4、引線框架、及焊接遮罩展現出強黏合性。在剪切測試中，其黏合強度測為25至40N‧mm^-2。

在該囊封方法中，層140被加熱到該樹脂之低黏度狀態，並層壓於接合線及晶片之上。對於少量之晶片，層壓處理可手動執行。較佳之層壓方法使用圖中描繪之裝置100。在該裝置中，基板110中，晶片101附著於該基板且晶片端子102藉由接合線120電氣連接於該基板墊111，該基板放置於可加熱置台130之上。如圖所示，接合線120背對基板110。

裝置100包括一可加熱之輪子150，其可如圖中箭頭151指示的繞其軸旋轉，且此外可以x、y及z方向移動。其次，提供一層壓捲帶，其包含黏合樹脂層140及惰性薄膜141。捲帶之一部分繞於該輪子150上，使惰性薄膜141觸碰該輪子並使該樹脂層140背對該輪子。下一步驟中，輪子150及置台130被加熱至一適合將聚合樹脂層140轉變至一低黏度狀態之溫度。如上所述，較佳之溫度範圍在大約70℃至130℃之間，且更佳之溫度範圍在大約80℃至90℃之間。繞有捲帶之該輪子150在基板帶110之一端上移動，使聚合層140面朝線接合晶片之線拱形。

繞有捲帶之該輪子150下降直至該低黏度樹脂140觸碰第一晶片之接合線。然後，該輪子進一步緩慢降低，直至樹脂140完全將該晶片及接合線浸於該類乳脂樹脂中，而幾乎沒有干擾線接合。接合線上之壓力約0.2MPa。然後，該輪子沿基板帶向前滾動，以使毗鄰之接合線及晶片浸於樹脂140中，而同時該薄膜141從沈積樹脂140中分離(見圖中141a部分)。接合線上之壓力仍保持為約0.2MPa。該輪子之橫向運動(X方向)的較佳速度為約40mm/s至100mm/s之間。在該方式下，該等晶片及組裝之複數個晶片之接合線被囊封，且沈積樹脂之平面140a被曝露。若需要，置台130也可在箭頭131所示方向移動。

經驗表明，利用該類乳脂之樹脂層140之滾裝式層壓法囊封晶片及接合線時無覆埋空隙，無接合線偏離。該過程不提供可見之線偏移及線干擾，即使用批式囊封處理具有複數個組裝晶片之延長基板薄片。

下一處理步驟中，該聚合樹脂係藉由交聯分子而硬化(固化)。此步驟較佳地係以二個階段執行：在第一階段中，置台130之溫度提高到150℃至160℃之範圍；該聚合階段持續約1小時。當溫度上升至約180℃時，該時間可縮短至約10分鐘。其後，在第二階段中，帶有囊封晶片之基板從置台130移入一個烤爐，在該烤爐中該樹脂在180℃時可完全固化(硬化)約1小時。因此，該二步驟固化階段之總時間為2小時或更少，比用於在習知轉移模製方法中固化模製化合物所需之6至7小時，此係一明顯改良。

然後，具有硬化囊封之複數個線接合晶片之基板帶經受器件單切(singulation)步驟，其較佳地藉由鋸切執行。鋸切處理之後，離散器件係處於一硬封裝中，該硬封裝在封裝側具有由切鋸引起之鋸痕。該封裝之側面沒有突起。

本發明之囊封方法可配合一晶片附著處理進行，其不同於用於圖中晶片之方法。一種較佳方法將該附著化合物作為一捲帶沈積至整個半導體晶圓。該捲帶含有一厚度範圍為30μm至130μm之黏合薄膜，及一30%重量百分比之環氧樹脂及70%重量百分比之矽石填充劑之組合物(與銀填充晶片附著材料104對比)。該薄膜受一惰性覆膜之保護。該等捲帶由例如日本Nippon Steel Chemical銷售，品牌名稱NEX-130。在沈積於晶圓上期間，該環氧薄膜具有低黏度，因為其在一約90℃至130℃之溫度中。沈積之後，該晶圓放在一切粒帶(dicing tape)上，並被一切割鋸(saw)單切成附著有黏合薄膜之離散晶片。由於單切處理，該附著化合物已經擁有晶片邊緣之整齊輪廓。

單切晶片自切粒帶被逐個取出並被放置於其等黏合之基板110之上。該基板連同附著晶片隨後置於約150℃至160℃之間之一溫度中，進行環氧固化之一第一階段(持續約一個小時)。然後，該晶片附著層足夠堅固以允許如上所述之該線接合處理步驟。完成該環氧樹脂固化之該第二階段與上文所述之層140之聚合樹脂固化同時執行。

本發明適用於任何類型之半導體晶片、離散或積體電路，以及半導體晶片之材料可包含矽、鍺化矽、砷化鎵，或任何其他用於積體電路之半導體或化合物材料。

本發明也適用於製造成本為一主要問題之器件。一成本敏感之產品的實例為智慧卡模組；其等需要藉由低成本之批次處理而製造。此等產品之一些可有其他優先考慮事項，如產品厚度，或迅速回應市場需求之彈性。該等問題可藉由本發明之方法同時滿足。

在一一般實施例中，提供一種方法用於囊封積體電路晶片或類似微電子器件，其中一系列連續之晶片相對於一連續長度之樹脂材料移動，以使樹脂材料之連續加熱部分極度靠近該等晶片之連續部分，使樹脂材料之加熱部分流動而囊封該等晶片。該樹脂材料之長度可基於用作一載體之薄膜的一長度而提供；該等晶片可被提供於一輸送帶上；且該薄膜及輸送帶可向彼此相反方向移動；且該樹脂材料自該薄膜流走並流至晶片上。該流動樹脂材料在其流至晶片上之後可被固化，且該等囊封晶片被單切為離散囊封組件。

用於囊封積體電路晶片或類似微電子器件之裝置可包括：一第一輸送帶、一第二輸送帶、一加熱器，及一用以使第一輸送帶及第二輸送帶相對彼此移動之機件。該裝置可經定尺寸、組態及調適以用於使第一輸送帶上的一連續長度之樹脂材料之連續加熱部分極度靠近第二個輸送帶上之一系列晶片的各自連續部分，使該等加熱部分流動而囊封晶片。

熟悉本發明相關之此項技術者將明白許多變動及實施例在本發明之範疇內係可能的。

100．．．囊封裝置

101．．．半導體晶片

102．．．端子

104．．．銀填充晶片附著材料

104a．．．半月板

110．．．絕緣基板帶

111．．．金屬接觸墊

120．．．接合線

130．．．置台

131．．．置台移動之方向

140．．．黏合樹脂層

140a．．．沈積樹脂之平面

141．．．惰性塑膠化合物薄膜

141a．．．分離出之惰性塑膠化合物薄膜

150．．．可加熱之輪子

151．．．輪子繞軸自轉方向

圖1示意性繪示了一裝置，該裝置藉由一輪子之滾裝式方法而用於將一低黏度黏合樹脂層沈積於將半導體晶片連接至一基板的接合線上，藉此囊封晶片及接合線。該晶片附著化合物在晶片周圍形成一半月板。

100．．．囊封裝置

101．．．半導體晶片

102．．．端子

104．．．銀填充晶片附著材料

104a．．．半月板

110．．．絕緣基板帶

111．．．金屬接觸墊

120．．．接合線

130．．．置台

131．．．置台移動之方向

140．．．黏合樹脂層

140a．．．沈積樹脂之平面

141．．．惰性塑膠化合物薄膜

141a．．．分離出之惰性塑膠化合物薄膜

150．．．可加熱之輪子

151．．．輪子繞軸自轉方向

Claims (8)

1. 一種製造一半導體器件之方法，其包括以下步驟：將一具有複數個半導體晶片之基板帶放置於一可加熱置台上，使該等線背對基板，該複數個半導體晶片係藉由接合線連接於該基板；將包括一黏性聚合樹脂層及一惰性塑膠化合物薄膜的一捲帶繞於一可加熱輪子之上，使該層背對該輪子；將該輪子及該基板加熱至一適宜溫度，用以將該聚合樹脂轉變為一低黏度狀態；及相對該基板帶滾動該輪子，以沈積該低黏度樹脂於該等晶片及接合線之上，從而囊封該等晶片及該等接合線。
2. 如請求項1之方法，其進一步包括分離該惰性薄膜同時沈積該樹脂之步驟。
3. 如請求項2之方法，其進一步包括以下之步驟：硬化該樹脂；及將該基板帶單切為離散之囊封器件。
4. 如請求項3之方法，其中該單切步驟係藉由鋸切來執行。
5. 一種囊封一積體電路晶片或類似之微電子器件之方法，其包括：在一基板上提供一系列連續之晶片；提供一連續長度之樹脂材料；相對於該系列晶片移動該長度之樹脂材料，並加熱該樹脂材料以使該樹脂材料之一加熱部分靠近於一晶片，藉由沈積該樹脂材料之該加熱部分於 連接讓晶片至該基板之接合線上而使該樹脂材料之該加熱部分流動以囊封該晶片；該方法將該樹脂材料之連續部分流入該等晶片之連續部分上。
6. 如請求項5之方法，其中該長度之樹脂材料提供於一長度之薄膜之上；該等晶片提供於一輸送帶之上；且該薄膜及輸送帶以相對於彼此之反方向移動，該樹脂材料自該薄膜上流走並流入至該等晶片之上。
7. 如請求項6之方法，其中該流動之樹脂材料在其流至該等晶片上之後固化；且該等封裝晶片被單切為離散囊封組件。
8. 一種用於囊封在一基板上的一積體電路晶片或類似之微電子器件之裝置，其包括：一第一輸送帶；一第二輸送帶；一加熱器；及一用以使該第一輸送帶及該第二輸送帶相對移動之機件；該裝置經定尺寸及組態以使該第一輸送帶的一連續長度之樹脂材料之連續加熱部分緊密接近該第二輸送帶上之一系列晶片的各自部分，藉由沈積該連續長度之樹脂材料之該等連續加熱部分於連接該等晶片至該基板之接合線上而使該等加熱部分流動而囊封該等晶片。