專利名稱：半導(dǎo)體芯片組件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般來說涉及半導(dǎo)體芯片，特別是涉及(但不局限于)半導(dǎo)體外殼內(nèi)的半導(dǎo)體芯片組件。
在典型情況下半導(dǎo)體芯片或集成電路被焊接到一個外部的、電互連系統(tǒng)(以下簡稱“互連系統(tǒng)”)。該互連系統(tǒng)可使半導(dǎo)體芯片與一個外部系統(tǒng)電連接。在典型情況下該互連系統(tǒng)包括金屬引線或具有一個整體的或分立的金屬熱沉(散熱片)的引線框架。半導(dǎo)體芯片與引線電連接。一般來講半導(dǎo)體芯片和互連系統(tǒng)的一部分被封裝到一個金屬或陶瓷的外殼中。這里所用的互連系統(tǒng)也描述焊接到印刷電路上的芯片。
在常規(guī)的工藝中，背面淀積金屬或不淀積金屬的硅芯片或管芯通過管芯固定(粘結(jié))介質(zhì)固定到金屬引線框架或金屬熱沉上。該芯片固定或粘結(jié)介質(zhì)包括焊料或其它金屬材料，或以環(huán)氧樹脂為基礎(chǔ)的材料。在這種常規(guī)的互連系統(tǒng)中，在半導(dǎo)體芯片的半導(dǎo)體材料和管芯固定材料之間以及在管芯固定材料和金屬引線框架之間發(fā)生熱失配。這種互連系統(tǒng)的問題包括由于熱失配而導(dǎo)致的管芯破裂，管芯和管芯固定材料間的粘接失效以及在常規(guī)的焊料和環(huán)氧樹脂芯片固定系統(tǒng)中出現(xiàn)的疏松(voiding)。
因此，希望能提供一種不存在常規(guī)互連系統(tǒng)的上述問題的互連系統(tǒng)。
通過提供至少一個半導(dǎo)體芯片和一個半導(dǎo)體基片以及在不用環(huán)氧樹脂或金屬層來建立半導(dǎo)體芯片和半導(dǎo)體基片之間的粘接的情況下半導(dǎo)體芯片粘接到半導(dǎo)體基片上來形成一個半導(dǎo)體芯片組件。
該半導(dǎo)體芯片可與一個外部的、電互連系統(tǒng)電連接。


圖1為工藝的開始階段本發(fā)明的一個實施例的頂視圖;
圖2為本發(fā)明的一個實施例在工藝的稍后階段的截面圖;
圖3為在工藝的稍后階段的本發(fā)明的一個實施例的頂視圖;
圖4為本發(fā)明的一個實施例在工藝的再后階段的透視圖;
圖5為本發(fā)明第一實施例在工藝中后部工序時圖4之結(jié)構(gòu)的側(cè)視圖;
圖6描述了本發(fā)明第二實施例在工藝的后部工序時圖4之結(jié)構(gòu)的側(cè)視圖;
圖7描述了本發(fā)明第三實施例在工藝的后部工序時圖4之結(jié)構(gòu)的側(cè)視圖;以及圖8為本發(fā)明的一個流程實施例的流程圖。
圖1描述了形成一個用于最后組裝在外殼內(nèi)的半導(dǎo)體芯片組件的工藝開始階段的頂視圖。在圖1至圖6的描述中，參照描述本發(fā)明的流程圖(圖8)是有益的。圖中所示為一個具有許多安放多個半導(dǎo)體芯片20的、互相隔開的槽12的固定件或支承件10。這類固定件一般稱為“華夫組合(wafflepack”)，這是一種“擴展的柵格”，在其中半導(dǎo)體芯片20可按特定的距離互相分隔開?？赏ㄟ^揀起一安放法將半導(dǎo)體芯片20放入固定件10中。多個半導(dǎo)體芯片20按正面21朝上的方式(如圖4所示)安放在固定件10中。
圖2描述了用真空構(gòu)架15從固定件10拾起多個半導(dǎo)體芯片20的情況。真空構(gòu)架15包括一個與真空17相連接的多口拾起表面。真空17連接到導(dǎo)管18。在多個半導(dǎo)體芯片20與半導(dǎo)體基片30相結(jié)合之前，必須清洗許多個半導(dǎo)體芯片20的背面22(如圖4所示)。在優(yōu)選實施例中，在用真空檢拾器15把多個半導(dǎo)體芯片20保持在適當(dāng)位置時，將它浸沒在一種清洗液中(最好是一種氨一過氧化氫溶液)維持一段清洗表面所必須的時間。適當(dāng)?shù)那逑磿r間的例子是十分鐘。
然后提供一個半導(dǎo)體基片30。在一優(yōu)選實施例中，半導(dǎo)體基片30是一個晶片，其大小一般是用以在其上形成多個半導(dǎo)體芯片20的晶片的大小。在本領(lǐng)域中應(yīng)用4、5、6，甚至12英寸的晶片。半導(dǎo)體基片30也要用上述類似的方法進行清洗。把半導(dǎo)體芯片20的背面22結(jié)合到半導(dǎo)體基片30的正面31(如圖4所示)。一旦把多個半導(dǎo)體芯片20粘結(jié)到半導(dǎo)體基片30上，就把半導(dǎo)體基片30和多個半導(dǎo)體芯片20以水平位置放進一個溫度最好在約200℃至400℃之間的爐子內(nèi)，并維持至少約一小時。半導(dǎo)體芯片20與半導(dǎo)體基片30的粘合可以在垂直位置上發(fā)生，但這需要將一個小的力加到半導(dǎo)體芯片20和半導(dǎo)體基片30上。要注意在通常的晶片與晶片的鍵合中(不是這里進行的芯片與晶片的鍵合)，需要應(yīng)用高得多的溫度?？梢韵嘈派厦嬗盟x擇的溫度范圍和時間在每個半導(dǎo)體芯片20和半導(dǎo)體基片30之間可得到最佳的結(jié)合。
重要的是要注意半導(dǎo)體芯片20是在不應(yīng)用粘結(jié)介質(zhì)(環(huán)氧樹脂)或金屬層的情況下粘接到半導(dǎo)體基片30的一部位上的。這一點之所以重要是因為粘結(jié)介質(zhì)或金屬層具有與半導(dǎo)體芯片20或半導(dǎo)體基片30根本不同的熱膨脹系數(shù)。在優(yōu)選實施例中，半導(dǎo)體基片30是由用以形成半導(dǎo)體芯片20的半導(dǎo)體材料所構(gòu)成的。即使在半導(dǎo)體基片30與半導(dǎo)體芯片20是由不同的半導(dǎo)體材料所構(gòu)成的情況下，它們在熱性質(zhì)方面的差異仍然比半導(dǎo)體材料與金屬或環(huán)氧樹脂間的熱性質(zhì)的差異要小。
為了得到最佳的結(jié)合，在半導(dǎo)體基片30的正面31和半導(dǎo)體芯片20的背面最好都有一層以化學(xué)方式形成的氧化層，以盡量減少或防止形成疏松鍵合。在優(yōu)選實施例中，該氧化層是通過對半導(dǎo)體芯片20或半導(dǎo)體基片30的半導(dǎo)體材料進行氧化而熱生長在半導(dǎo)體基片30或半導(dǎo)體芯片20上的。如果半導(dǎo)體材料由硅構(gòu)成，那么該氧化層最好由二氧化硅構(gòu)成。要注意氧化層的一種元素是由半導(dǎo)體材料構(gòu)成的。氧化層厚度要足夠薄，故可以忽略不計對熱性質(zhì)匹配的半導(dǎo)體基片30和半導(dǎo)體芯片20產(chǎn)生的影響。換言之，氧化層不會對本發(fā)明的半導(dǎo)體芯片組件35引入較大的熱失配。這樣一來，本發(fā)明就避免了許多與熱失配的互連系統(tǒng)相聯(lián)系的失效機制。
圖3描述了在將至少一個半導(dǎo)體芯片20孤立起來放入一個組件35(如圖4所示)的工藝中半導(dǎo)體基片30的頂視圖。圖3中的虛線40表明半導(dǎo)體基片30可沿此線鋸開分隔成多個組件35。也可以應(yīng)用其它將半導(dǎo)體基片30分隔開的方法。
圖4描述了具有正面31和背面32的單個半導(dǎo)體芯片組件35。在這個特定的圖中，把具有正面21和背面22的單個半導(dǎo)體芯片20粘合到半導(dǎo)體基片30的一個部位上。半導(dǎo)體基片30的這個部位的面積大于鍵合在其上的半導(dǎo)體芯片20的面積。
圖5描述了與一個互連系統(tǒng)49粘結(jié)在一起的半導(dǎo)體芯片組件35。在引線51和半導(dǎo)體芯片20之間有電連接線54。在該實施例中，金屬熱沉50是與引線51分離的。圖5僅描述了可以把半導(dǎo)體芯片組件35固定在金屬熱沉上的一種途徑。在該實施例中，通過應(yīng)用諸如導(dǎo)電性的或非導(dǎo)電性的環(huán)氧樹脂或焊料的導(dǎo)熱性粘合材料52將半導(dǎo)體芯片組件35的正面31固定到金屬熱沉50的方式將半導(dǎo)體芯片組件35與金屬熱沉50固定在一起。在本實施例中，半導(dǎo)體基片30的這個部位代替了一部分常規(guī)金屬熱沉。要注意，在本實施例中為金屬熱沉50設(shè)置了一個開口，以使半導(dǎo)體芯片20的正面暴露出來。還要注意金屬熱沉50有一個讓半導(dǎo)體基片30固定在其上的臺階或槽口53。該臺階53并不是對所有的封裝都是必要的，而是在熱特性需要的情況下可形成一個共平面的表面。該其平面的表面改善了互連系統(tǒng)49的熱特性。然后，可以形成塑料封裝或其它的外殼(未示出)，把半導(dǎo)體芯片組件35、熱沉50和引線51的一部分包封起來。
圖6描述了本發(fā)明的另一個實施例的互連系統(tǒng)60。這里，通過上文參照圖5所描述的鍵合材料52可把半導(dǎo)體芯片組件35的正面31固定到引線或引線框架56上。如果粘合材料52是非導(dǎo)電性的，可以在引線56和半導(dǎo)體芯片20之間焊接電連接線54。塑料封裝劑65可用來將半導(dǎo)體芯片組件35和引線56的一部分包封起來。在本領(lǐng)域中公知的有許多工藝方法來完成這個包封步驟。在本實施例中，半導(dǎo)體基片30的這部分取代了已有技術(shù)的金屬熱沉。
雖然在半導(dǎo)體芯片組件35與金屬熱沉50(圖5)之間或與引線框架56(圖6)之間仍有熱失配存在，但消除了芯片20和鄰近芯片20的材料之間的熱失配。因為僅是半導(dǎo)體基片30的一部分與金屬熱沉或引線相粘合，因此存在熱失配的面積也小于已有技術(shù)。在已有技術(shù)中，毗鄰芯片的材料是焊料或環(huán)氧樹脂層，而毗鄰焊料或環(huán)氧樹脂層的是金屬熱沉。在本發(fā)明中通過消除芯片與焊料或環(huán)氧樹脂間以及焊料或環(huán)氧樹脂與金屬熱沉間的熱失配，使互連系統(tǒng)的熱特性比常規(guī)互連系統(tǒng)的熱特性有了改善。在以上示出的兩個實施例中，金屬熱沉都不與半導(dǎo)體芯片20的背面22相毗鄰。故在本發(fā)明中不出現(xiàn)已有技術(shù)中存在的半導(dǎo)體芯片與金屬熱沉間的熱失配。從而在本發(fā)明中避免了半導(dǎo)體芯片20的破裂。
圖7描述了本發(fā)明的又一個實施例。在該實施例中，半導(dǎo)體芯片組件35被用于代替印刷電路板中的全部或一部分。電隔離的金屬層或條72(在這里起引線的作用)可直接形成在基片30的一部分之上。金屬層72互相之間以及與半導(dǎo)體基片30的上述部分隔離開。一種形成隔離的金屬層72的方法是先在半導(dǎo)體基片30的正面31上形成一層絕緣層，隨后再在該絕緣層上(通過蒸發(fā)或濺射)形成一層金屬層。然后使金屬層和絕緣層構(gòu)成圖形，以形成多個隔離的金屬層72和一個絕緣部分(或多個絕緣部分)74。也可以應(yīng)用其它的方法來形成電隔離的金屬層72。然后通過電連接線54使這些金屬層72與半導(dǎo)體芯片20電連接。要注意，這里描述的三個實施例都顯示了本發(fā)明的半導(dǎo)體芯片組件35能與之電連接的、不同的外部電互連系統(tǒng)。
圖8描述了本發(fā)明中所用的制造半導(dǎo)體芯片組件的工藝流程圖。通過應(yīng)用本發(fā)明的半導(dǎo)體芯片組件，管芯就不必通過粘結(jié)介質(zhì)直接粘合到金屬熱沉上，因此就防止了熱失配。熱失配導(dǎo)致粘結(jié)介質(zhì)中高的應(yīng)力并已知會引起芯片破裂。通過熱失配的消除也提高了互連系統(tǒng)的熱特性。
權(quán)利要求
1.一種半導(dǎo)體芯片組件(35)，其特征在于至少一個具有一個正面(21)和一個背面(22)的半導(dǎo)體芯片；以及一個具有一個正面(31)和一個背面(32)的半導(dǎo)體基片(30)，其中半導(dǎo)體基片(30)大于至少一個的半導(dǎo)體芯片(20)以及在不應(yīng)用環(huán)氧樹脂或金屬層以在該至少一個半導(dǎo)體芯片(20)和半導(dǎo)體基片(30)間形成結(jié)合的情況下把該至少一個半導(dǎo)體芯片(20)背面(22)結(jié)合到半導(dǎo)體基片(30)的正面(31)上。
2.權(quán)利要求1的半導(dǎo)體芯片組件(35)，其中，半導(dǎo)體基片(30)和該至少一個半導(dǎo)體芯片(20)具有近似相同的熱特性。
3.權(quán)利要求1的半導(dǎo)體芯片組件(35)，其中，半導(dǎo)體基片(30)是由該至少一個半導(dǎo)體芯片(20)所用的半導(dǎo)體材料所構(gòu)成的。
4.權(quán)利要求1的半導(dǎo)體芯片組件(35)，其中，半導(dǎo)體基片(30)是由一種半導(dǎo)體材料和在該半導(dǎo)體基片(30)上以化學(xué)方式形成的一層氧化層所構(gòu)成，其中該至少一個半導(dǎo)體芯片(20)被直接結(jié)合到該氧化層上。
5.權(quán)利要求1的半導(dǎo)體芯片組件(35)，其中，半導(dǎo)體芯片(20)包括一層在該至少一個半導(dǎo)體芯片(20)的背面以化學(xué)方式形成的氧化層，其中半導(dǎo)體基片(30)被直接結(jié)合到該氧化層上。
6.權(quán)利要求1的半導(dǎo)體芯片組件(35)，其中，半導(dǎo)體基片(30)由硅和在其上以化學(xué)方式形成的一層二氧化硅所構(gòu)成，其中所述至少一個半導(dǎo)體芯片(20)被直接結(jié)合到該二氧化硅層上以及該二氧化硅層的厚度基本上不影響半導(dǎo)體芯片組件(35)的熱特性。
7.權(quán)利要求1的半導(dǎo)體芯片組件(35)，還包括一個與該至少一個半導(dǎo)體芯片(20)電連接的外部電互連系統(tǒng)(49)。
8.一種形成半導(dǎo)體芯片組件(35)的方法，其特征在于包括以下步驟提供至少一個具有一個正面(21)和一個背面(22)的半導(dǎo)體芯片(20);提供一個具有一個正面(31)和一個背面(32)的、大于該至少一個半導(dǎo)體芯片(20)的半導(dǎo)體基片(30);以及在不應(yīng)用粘結(jié)介質(zhì)或金屬層在半導(dǎo)體芯片(20)和半導(dǎo)體基片(30)之間形成結(jié)合的情況下將半導(dǎo)體芯片(20)的背面結(jié)合到半導(dǎo)體基片(30)的正面。
9.權(quán)利要求8的方法，其中，提供半導(dǎo)體基片(30)的步驟包括提供一個由熱特性與該至少一個半導(dǎo)體芯片(20)近似相同的材料構(gòu)成的半導(dǎo)體基片(30)。
10.權(quán)利要求8的方法，其中，提供半導(dǎo)體基片(30)的步驟包括提供一個由構(gòu)成該至少一個半導(dǎo)體芯片(20)的半導(dǎo)體材料所構(gòu)成的半導(dǎo)體基片(30)。
全文摘要
通過提供至少一個半導(dǎo)體芯片和一個半導(dǎo)體基片并且在不應(yīng)用環(huán)氧樹脂或金屬層來形成半導(dǎo)體芯片和半導(dǎo)體基片間結(jié)合的情況下將半導(dǎo)體芯片結(jié)合到半導(dǎo)體基片上以形成一個半導(dǎo)體芯片組件。該半導(dǎo)體芯片組件的半導(dǎo)體芯片與一個外部的電互連系統(tǒng)電連接。半導(dǎo)體基片的熱特性與半導(dǎo)體芯片相近，從而消除了在半導(dǎo)體芯片與常規(guī)的外部電互連系統(tǒng)中的金屬熱沉之間出現(xiàn)的熱失配。
文檔編號H01L23/373GK1095862SQ94105000
公開日1994年11月30日 申請日期1994年4月29日 優(yōu)先權(quán)日1993年5月4日
發(fā)明者西奧多·R·戈盧比, 尤迪·昭德瑞 申請人:莫托羅拉公司