[发明专利]具有凝聚端子的半导体封装体

说明书

技术领域

本发明总体涉及半导体器件和工艺，尤其是涉及用于接触半导体封装体的凝聚端子（agglomerate terminal）的结构和制造方法，所述结构和制造方法允许通过焊接和键合进行可靠的接触。

背景技术

半导体器件主要使用金属来在半导体芯片内的部件（例如晶体管）之间进行连通（communicate），以及在半导体芯片和外部器具（例如印刷电路板（PCB））之间进行连通。在半导体芯片内，可以通过如下步骤来形成金属线和互连：淀积溅射的、蒸发的和电镀的金属膜（例如铜、铝、钛和钨）并且将淀积的金属图形化成期望的电气元件，包括使用光刻、刻蚀和化学机械抛光（CMP）技术。

在半导体芯片与PCB之间，连通是通过通常被称为引脚框架的另一个金属结构进行的。引脚框架由金属片例如铜、铝和铁镍合金形成，这些金属片被冲压或刻蚀成芯片焊盘和期望的引脚配置，半导体芯片被附连到该芯片焊盘上。铜线或金线将芯片端子电气连接到引脚框架的引脚。

虽然上述的金属部件可以由各种金属元素制成，但是它们的共同特征是其多晶结构，所述多晶结构的特征在于各种尺寸和方向的金属颗粒（grain）由清晰的颗粒边界隔开。所述颗粒结构延伸整个金属迹线、金属线、金属插头、金属引脚和芯片焊盘。颗粒之间不存在空洞。

为了保护组装的半导体芯片和键合引线免受环境损害和处理损害，芯片和键合引线以及一部分引脚框架通常被包封在塑料封装中。某些部分的引脚框架被暴露在塑料外壳外面，以便通过焊点连接到PCB。焊接材料通常是金属合金，并且可以通过印刷或电镀被施加于PCB的封装体。

焊接印刷包括使用模板（stencil）和滚轴（squeegee）将悬浮在液体中的焊料粒子焊膏施加在工作表面上。之后是在高于焊料粒子的熔点的温度下回流焊膏，以便将焊料粒子熔化为液体状态。在冷却后，焊料呈现出固态形式，从而将所述半导体器件封装体物理连接且电气连接到PCB。即使在固态形式下，焊料也由多晶形式的金属间化合物和组分金属的同质混合物组成，尤其是在多次回流工艺后。当在适当温度和环境条件下被处理时，焊料主体通常不包含空洞或仅包含最小的空洞。

与使用电介质基板的封装相比，使用引脚框架的半导体器件封装通常具有更大的成本优势。即使这样，引脚框架的成本仍然是封装总体物料清单中的最大组成部分。近年来，已经提出了消除相对昂贵的引脚框架，用成本有效的替代品代替它的半导体封装的制造工艺。

该工艺包括将金属粒子焊膏和液体施加在载板上以形成短的、引脚般的条带的步骤。这个步骤之后是，在低于金属粒子熔化温度的温度下，将金属粒子烧结在每个条带中。即使粒子保持它们的固态，它们也联合从而生长为连续固体区域，从而形成适合取代传统引脚框架并且适合使用金或铜进行热超声引线键合工艺的金属结构。作为示例，在有机悬浮载色料（vehicle）中的银粉末已被用于在250℃与400℃之间的温度下在受控的气氛中烧制，从而生成适于高良率引线键合的表面。在烧制期间，悬浮载色料被烧掉，没有留下灰烬，并且银被烧结为高密度金属块。载板可以是不锈钢的，其在模塑后易于剥离，从而留下洁净的表面，准备好用于焊接。

发明内容

当具有作为常规引脚框架替代的烧结金属端子的模塑半导体封装将被用作无引脚器件，例如四方扁平封装无引线（QFN）或小外形无引线（SON）器件时，这些端子必须适于键合在封装内部上的引线并且适于附连在封装外面的焊料。申请人调查了用于将焊点接头附连到通过烧结金属粉末形成的金属结构的各种工艺，并最初遇到许多问题。当金属结构由银制成时，包含传统焊料或无铅合金的焊接凸点具有很强的溶解银以致凸点常常接触模制塑料的倾向。这些接触点失去机械性，并且通不过强度和可靠性试验。当金属结构由铜制成时，在剥离载板后，铜表面被迅速氧化，使得焊接凸点不能适当地润湿铜结构，得到的焊点接头是不牢固和不可靠的。

当申请人发现如下金属多层结构，该金属多层结构包括夹在可键合且可焊接金属的烧结后的纳米大小粒子的顶层与底层之间的微米大小和纳米大小金属粒子的烧结后的凝聚金属层时，申请人解决了在被用作替代常规引脚框架的半导体封装端子的烧结后的金属结构上形成可靠的键合和焊接触点的问题。凝聚金属的优选选择包括铜，并且可键合且可焊接金属的优选选择包括银。低成本且自图形化金属淀积技术的优选选择包括喷墨，丝网印刷和模版印刷。