CN100381024C - 封装半导体器件的方法和设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及使用丝网印刷术封装半导体模具的设备和方法，在模具由封装剂丝网印刷后和从模具上取走模板之前，封装剂的边缘被部分光固化以防止或者减少在取走模板与封装剂完全固化这段时间内封装剂的滑动。特别是，所述模板具有多个在孔隙边缘终止的光管，该孔隙中置有模具。紫外光或其它固化光穿过光管投射到封装材料的边缘。一些普通的或者固定的加热能够加强或者加速封装剂边缘的光固化，但是实际上并不固化剩下的封装材料。

Description

封装半导体器件的方法和设备

技术领域

本发明涉及半导体模具和其它器件的封装。尤其涉及一种通过丝网印刷术来封装半导体和其它器件的技术。

背景技术

丝网印刷术最初被引入到半导体领域内是使用该技术将例如焊接块的小结构放置在半导体模具表面上。实际上，半导体模具设置在具有孔隙的模板或者丝网下面，该孔隙对应着模具表面上的例如将设置焊接块的地方。模板的高度或者深度要与相应的焊接块的期望高度相同。然后就在模板的上面按照一个锐角的方向挂擦或者滚涂一种粘性的焊剂。橡胶滚轴横贯模板，向前推动焊剂并且使其落入到孔隙中，这样在半导体模具表面上预定的焊接块位置处沉积焊剂。然后移开模板。

有些人尝试将丝网印刷术用于半导体的其它应用中。尤其是封装半导体模具方面。封装半导体模具的丝网印刷过程包括将多个模具放置在一个标准的矩形基板上，在模具之间形成了限定空间的多个平行的垂直通道和多个平行的水平通道。应该理解，术语“垂直”和”水平”是任意方向的，并不是要将通道的任一特定方向定义为水平方向，而仅仅是指两组通道差不多是相互垂直的。文中使用水平和垂直两个术语是因为其在相关技术中通常被使用。最后将一个模板放置在基板上，使模具显现在模板的孔隙中。

每一个模具可以与模板上的一个孔隙相对应，这样由模板上孔隙之间的间隔就限定了通道。然而，也可能模板上的每个孔可以容纳多个按照矩形模式排列的模具。模板可以含有多个这中按照矩形模式排列的孔隙。

如上所述，用橡胶滚轴在模板上碾过，将环氧树脂压入到模板的空隙中，从而将封装剂施加到空隙中，覆盖除了与基板接触的底面外的模具的所有侧面。根据该特殊工艺，模具可以面朝上或者朝下的放置在基板上。无论这样或那样，朝着基板的那一面都不会被封装剂所覆盖。然而，其他的侧面都被覆盖了。基板自己将作为模具朝下的侧面的保护罩。

在半导体制造中，典型的封装材料都是相关的高粘性流动性环氧树脂，其必须在丝网印刷后进行固化处理以使其硬化成最终的形态。因此，模板被取走后，工件(包括一个支撑有多个被未固化的环氧树脂锁住的模具的基板)被放入固化烘箱加热固化以硬化封装材料。典型地，多个这种工件可以同时在固化烘箱内固化。同时在烘箱内固化的工件的数量有赖于许多因素(包括烘箱的尺寸)，可以安排许多甚至好几万个。

固化过后，将工件沿着水平和垂直通道切割开以使封装好的半导体芯片彼此分开。

在封装应用中，模板上的孔隙明显地大于焊接应用中的空隙。在丝网印刷被用在半导体模具的封装上时，空隙可以设定每个边宽几英寸(例如假设空隙为正方形或者矩形)，可以容纳16到25个模具的两到六英寸的矩形空隙(例如4到36平方英寸)为典型示例。一般的尺寸为0.75”×0.75”和2”×2”。模板空隙具有一个等同于模具高度加上预期的在模具顶面的封装剂深度之和的高度。另一方面，用于焊接的丝网印刷的空隙一般是圆形而且直径从50-100微米，同时高度更加低。

现在用于半导体模具的封装材料的粘性从50,000-1,000,000厘泊。然而由于多种环境条件，在从基板/模具上移走模板到最终固化两个步骤之间会有一个较长的延迟，在这个时间内粘性的环氧树脂流体封装材料会滑动和流动。例如，在许多制造设备中，大量的模板所提供的模具数量远少于固化烘箱中可以同时固化的模具数量。因此，模板被从第一套模具中取走并且在第一套模具进入烘箱内固化之前被再次使用。在从模具上取走模板到开始固化模具之间延迟有几个小时并不少见。所以，半导体制造商为了达到某种应用通常必须选择特别的封装材料(至少是部分地)以使其具有足够高的粘度从而使延迟期间内的滑动最小化。这个问题随着工件尺寸的增加(模板内孔隙尺寸的增加)或者封装高度的增加变得非常尖锐。

因此，如果在从模具上取走模板到最终固化封装剂之间有很长的时间延迟，半导体制造商可能就需要选择一种粘性至少要达到300,000厘泊的封装材料以使滑动最小化。

现在一些丝网印刷机器制造商提供的用于焊接的丝网印刷机器中，焊接剂被放置在一个压力管里以使焊接剂被强制注射到模板的空隙中。这样的一种生产线是由位于英国萨里的DEK公司制造的PRO-FLOW系列丝网印刷机器，其中包括水平(Horizon)265型号。这种丝网印刷机器，焊接剂就是容置在一个压力导管中以压迫焊接剂。在导管底部是一个印刷头，其包括了一个带有两个刮片或者橡胶滚轴的细长槽，每个刮片或者橡胶滚轴位于细长槽的每个纵向侧面。

发明内容

本发明的目的就是提供一种改进的丝网印刷器材。

本发明的另一个目的就是提供一种使用丝网印刷术封装半导体模具或者其他器件的改进方法。

本发明的再一个目的就是提供一种用于封装半导体模具或者其他器件的改进的丝网印刷器材。

本发明还有一个目的就是提供一种使用丝网印刷封装半导体的改进设备。

根据本发明，使用丝网印刷技术封装半导体模具和其他器件，在模具由封装剂丝网印刷期间和/或丝网印刷后到从模具上取走模板之前，封装剂的边缘被部分光固化以防止或者减少在取走模板与封装剂固化这段时间内封装剂的滑动。特别是，所述模板具有多个光管，其端点止于限定孔隙的边缘壁，该孔隙中置有模具。紫外光或者其他固化光穿过光管射到封装材料的边缘。所述光仅仅固化封装材料的边缘所以模板能够在封装材料不滑动的情况下被取出。这样，由于封装材料的边缘被部分固化而使其不会滑动，从而使半导体芯片制造商能够灵活地选择低粘度的封装材料和/或增加从封装模具中取出模板到封装材料的固化之间的延迟时间。

所述光管还包括模板本体内的带有光学纤维的沟槽。尽管在本发明的范围内，在模板的本体内具有自有光源以提供进入到光管的光，但在更多的实施例中，光管的相对一端终止或者靠近在模板的外边缘，在此它们与一个外部光源相接，例如紫外光。

在其他的实施例中，光管可以由壁上带有高反射涂层的中空管道构成。在其他的实施例中，整个模板可以由一种材料构成，例如丙烯酸或者聚乙烯-对苯二酸乙二脂(PETG)，其透过紫外光，由此整个模板实际上就是一个大的光管。除了限定孔隙的垂直表面，所有表面上可以涂一种不透明的或者反射涂层(反射侧朝向模板的内部)，以防止光线从模板表面而非孔隙表面溢出。

选择性地，一些普通的或者固定的加热能够加强或者加速封装剂边缘的光固化，但是实际上并不固化剩下的封装材料。

附图说明

图1是一个模板的平面图，该模板安装在支撑有多个准备通过丝网印刷封装的模具的基板上。

图2是根据本发明在丝网印刷封装工艺中用于部分光固化封装材料边缘的器材的示意图。

图3是根据本发明在丝网印刷封装工艺中用于部分光固化封装材料边缘的器材的侧剖图。

图4、5、6是根据本发明的不同实施例，在丝网印刷封装工艺中用于部分光固化封装材料边缘的器材的示意图。

具体实施方式

图1是安装在一块基板14上的多个半导体模具16的平面图，该基板上方有模板10。可以看到模板是一个限定了多个孔隙或者窗口12的框架。模具16设置在孔隙12中。在这个例子中，每个孔隙包围着按照5X5矩阵方式排列的25个模具。这种设置只是一种典型的模板设计的例子而非固定模式。每个孔隙中能够有任意数量的模具，包括一孔一模，而且每个模板可以有多个孔隙，也包括一个。穿过模具之间的通道中的孔隙12可以看到，这些模具被设置在基板14的上面。具有代表性的是，模板覆盖在整个基板上。然而基板的面积也可以大于模板。这种基板/模板/模具总成用于封装工艺。根据本发明，这些模具可以采用任何形式的丝网印刷机械而被封装，包括第一代通过橡胶滚轴施放封装材料的丝网印刷机和新一代压力施放器型丝网印刷机。另外，泵或者注射器也可以将材料施放入模板孔隙中。

图2是根据本发明显示本发明基本概念的模板剖视图。图3是沿着图2的3-3线的截面图。然而图3显示了工艺的后期阶段，尤其是封装材料被施放到模板内的模具上，且封装材料的边缘被部分固化的阶段。下面参考图2和图3进行讨论。首先参考图2，模板10具有多个从模板本体到孔隙12的垂直壁203的光管201。在模板内部或者更佳在模板外部，一个或者多个光源207连接到光管201上。如果在外部，光源207可以作为丝网印刷机的一个部件或者独立单元。光源207的波长的选择应该优化封装材料的固化，最好尤其是适用特别封装材料。许多的可光固化的封装材料在蓝色或者紫外光的波长范围内进行固化。光管201载着从光源207发出的光到达孔隙12的壁203。光管201可以是从模板的周边209到孔隙的壁203的小通道，也可以在其中具有将光线在可能的弯道中传导到孔隙的壁203的光纤。对于可紫外光固化的环氧树脂，石英光学纤维或者充液光导(light guide)都优于普通的光纤。模板10包括一个或者多个光连接器211用来通过一个配套光连接器213连接到外部光源207。光连接器211和213可以包括任何标准的光连接器，例如SC、ST、SL、FODI、EXCON连接器，以上连接器都是根据国际标准认定的光连接器。

在其他实施例中，光管还包括管壁具有高反射涂层的中空管道。还有一些实施例中，整个模板都是由例如丙烯酸或者聚乙烯-对苯二酸乙二脂(PETG)的材料制成，紫外光可以穿透他们，这样整个模板实际上就是一个巨大的光管。除了限定孔隙的垂直表面外的其他面，都可以涂上不透明或者反射涂层(反射侧面面向模板的内部)用以防止光线从除了孔隙表面的模板表面外溢。

现参考图3，模板、基板和模具总成是通过丝网印刷机来处理的。因而孔隙12内容纳了多个模具16，并且被液体封装剂301所充满。还有不管是在往孔隙12中填充封装剂301时还是之后，光已经通过光管201照到孔隙的边缘203。相应地，液体封装剂301靠近边缘的部分303就部分的被光固化，并因此硬化。这样当模板被取出时封装材料就不会滑动。

当然，液体封装材料301与孔隙12的壁203接触。相应地，尽管实际上是光传送，在光管201的端部与孔隙的壁之间必定存在紧密的流体密封。该密封可以是一个片、盘或者其他的对固化光的波长呈透明或者半透明的聚合物层312。该片、盘或者聚合物层中朝着光管的表面可以涂有防反射涂层以使到达液体封装材料的光量最大。

本发明可以应用到任何型号的模板印刷***，包括橡胶滚轴刀片和压力施放器丝网印刷***。

最好，直到孔隙12被封装材料完全填满后，光源207才被启动。那时光源207开启然后封装材料301的边缘303被固化。

由于一些封装材料实际上是透明或者半透明的，所以多数情况下应用到孔隙边缘的固化光线会使得围在光管端部的封装材料的一小部分固化，该体积要大于光管自身的截面积。

理论上，如图3中区域303所示，对应于每个终止于孔隙边缘的光管的固化区域应该是半球型的，靠近光管端部的固化量最大，随着离光管距离的增加固化量减少。因而，多个位于孔隙壁处的光管终端应该彼此位置靠的足够近以保证封装材料的整个边缘被部分固化，从而达到最佳效果以防止取出模板后封装材料的滑动或者其他变形。当然，除了光管端部彼此间的间隔，发生固化的数量还依赖于其他多个因素，包括但并不限于光源207的功率、是否施加额外的热量、增加多少额外热量、光固化的持久时间、光源的特别波长、和特别的封装材料的性能，例如其半透明和对光固化的敏感性。

基板14和模具12以及模板10和液体封装材料301的总成可以被加热以加速边缘部分的光固化。加热可以是只限于所固化的边缘部分，也可以是加热整个总成。例如图3所示的整体加热的一个实施例。特别地，基板14可以放置在一个用于加热基板的热板305上以使热量通过基板14向上辐射入封装材料301中。

另外，图4显示了一个用设置在总成上方的第二光源401加热封装材料301的实施例。该第二光源401的波长应适于初始发热而非光固化封装剂。可见的红光和红外光常用来提供适当的有效热量。该第二光源401将热量施加到整个总成，或者是一束激光源被特别导引至需要固化的封装材料边缘。

图5显示了说明另外一种实施例的一个模板500的截面图，其中结合在模板500中的加热丝501与孔隙502的边缘壁503相邻。图5中光管被省略是为了不使加热丝的图示混乱。加热丝501可以是嵌在模板本体内的靠近孔隙502的边缘503的电线。该电线在靠近模板外边缘505的地方止于一个电气连接器507，该连接器通过一个配套的电气连接器511连到电源509以供电而加热所述加热丝。

目前，用于半导体的合适封装材料的粘度可以从50,000到1,000,000厘泊。然而在世界上许多的实际半导体生产环境下，为了保证在从封装模具取出模板到加热固化的最长的合理的期限间内，不使封装材料滑动，相信使用任何粘度低于300,000厘泊的封装材料将很难做到。本发明通过部分或者全部固化封装材料的边缘以消除或者显著降低热固化之前的滑动而解决了这一问题。这样，生产商就能够根据他们的特定应用自由地选择最合适的封装材料而不需要在考虑是否封装材料的粘度足够高而防止滑动。

尽管本发明至此讨论了关于半导体模具的封装，事实上那只是其最普通的应用，本发明还可以适用于任何设备的封装。本发明可以适用于任何类型的半导体包装***，包括堆栈式半导体器件(stacked semiconductordevices)，芯片刻度组件(CSPs)，多芯片模块(multichip modules)，芯片封装(chip on board)，倒装球栅阵列(face down ball gridarray)，倒装芯片(flip chip packages)，密距球栅阵列(fine-pichball grid array)，塑装球栅阵列(plastic ball grid array)等。

通过这样描述的本发明的几个特别的实施例，对于本领域的熟练技术人员还可以有不同的变更，改进和提高。通过本发明的公开而做的明显的变更、改进和提高是本发明的一部分，尽管它们没有在这里详述但是都应该包含在本发明的精神和所限定的范中。因而，上述描述仅是举例说明并非用来限制。本发明仅仅通过下面的权利要求书及其等同内容来限定。

Claims (37)

1.一种封装器件的方法，所述方法包括如下步骤：

(1)将所述器件置于基板上；

(2)在所述基板和器件上设置一个带有孔隙的模板，所述孔隙确定了一个包围所述器件的容积；

(3)将封装材料引入所述容积中；

(4)至少部分固化所述封装材料的边缘，使当模板被取走时防止封装材料滑动。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于所述步骤(4)包括光固化。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于所述器件是一个半导体模具。

4.如权利要求2所述的方法，其特征在于所述器件是一个堆栈式半导体器件。

5.如权利要求2所述的方法，其特征在于所述器件是一个密距球栅阵列半导体器件。

6.如权利要求2所述的方法，其特征在于所述器件是一个塑装球栅阵列半导体器件。

7.如权利要求2所述的方法，其特征在于所述器件是一个芯片刻度组件半导体器件。

8.如权利要求2所述的方法，其特征在于所述器件是一个多芯片模块半导体器件。

9.如权利要求2所述的方法，其特征在于所述器件是一个芯片封装半导体器件。

10.如权利要求2所述的方法，其特征在于所述器件是一个倒装球栅阵列半导体器件。

11.如权利要求2所述的方法，其特征在于所述器件是一个倒装芯片半导体器件。

12.如权利要求3所述的方法，其特征在于所述模板包括多个孔隙，每个孔隙都包围着多个模具。

13.如权利要求2所述的方法，其特征在于所述孔隙至少有一面壁限定所述容积，并且在步骤(4)中至少部分固化靠近所述孔隙壁的封装材料的一部分。

14.如权利要求13所述的方法，其特征在于所述模板包括多个在所述壁处截止的光管，并且步骤(3)包括将光线引入到所述光管然后穿过光管到所述封装材料的边缘。

15.如权利要求14所述的方法，其特征在于它还包括如下步骤：

(5)在步骤(4)中加热所述封装材料。

16.如权利要求14所述的方法，其特征在于它还包括如下步骤：

(6)在步骤(4)后加热固化所述封装材料。

17.如权利要求16所述的方法，其特征在于它还包括如下步骤：

(7)在步骤(6)之前移走所述模板。

18.一种在封装材料的封装设备中使用的模板，包括：

一个框架，

一个在所述框架内的孔隙，所述孔隙的尺寸和形状要围绕着被封装的器件，所述孔隙具有一个限定封装材料体积的壁；以及

至少有一个在所述模板中的光管终止于所述孔隙的壁处。

19.如权利要求18所述的模板，其特征在于所述孔隙壁包括一个至少覆盖在所述光管终端的光传导层。

20.如权利要求19所述的模板，其特征在于所述模板还包括一个固化光源。

21.如权利要求18所述的模板，其特征在于该模板还包括一个光连接器，其具有一个与所述光管光学连接的第一端点和一个将外部固化光源与所述光管光学连接的第二端点。

22.如权利要求18所述的模板，其特征在于至少一个光管含有多个光纤。

23.如权利要求18所述的模板，其特征在于至少一个光管含有石英纤维。

24.如权利要求18所述的模板，其特征在于至少一个光管含有多个充液光导。

25.如权利要求18所述的模板，其特征在于所述模板至少一部分是由其波长对于固化所述封装材料的光为透明的材料制成，其中所述模板的透明材料包括至少一个光管。

26.如权利要求25所述的模板，其特征在于所述模板整个由所述透明材料制成。

27.如权利要求25所述的模板，其特征在于所述透明材料是丙烯酸衍生物。

28.如权利要求25所述的模板，其特征在于所述透明材料是聚乙烯一对苯二酸乙二脂。

29.如权利要求25所述的模板，其特征在于除了构成孔隙壁的透明材料的表面外，该模板还包括在透明材料表面上的一层不透明层。

30.如权利要求29所述的模板，其特征在于所述的不透明层包括一个反射层。

31.如权利要求18所述的模板，其特征在于该模板还包括靠近所述孔隙壁的加热丝。

32.一种用封装材料封装器件的设备，其特征在于该设备包括权利要求18中所述的模板，它还包括：一个产生用以固化所述封装材料的波长的光的光源，与所述光管相连而提供光。

33.如权利要求32所述的设备，其特征在于所述光源处于所述模板的外部，所述设备还包括：

一个第一光连接器，位于所述模板上并与所述光管间光通信，所述第一光连接器具有一个终端；

一个第二光耦合器，与所述光源间光通信，具有一个与所述第一光连接器的终端相耦合的光学终端，使光线从所述的光源传输至光管。

34.一种用封装材料封装器件的设备，其特征在于该设备包括权利要求18中的模板，还包括用于在至少靠近孔隙的壁处供热的装置。

35.如权利要求34所述的设备，其特征在于所述供热装置包括一个热板，该热板上放置有所述模板、器件和基板。

36.如权利要求34所述的设备，其特征在于所述供热装置包括靠近所述孔隙的壁处的模板内的加热丝。

37.如权利要求34所述的设备，其特征在于所述供热装置还包括一个加热光源。

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