用于在導線鍵合的半導體器件中穩定引線的結構和方法與流程

本發明的實施例總體涉及半導體器件和工藝領域，并且更具體地涉及引線框架的結構以及通過自支撐引線和臨時柔順的接口進行鍵合和成型操作的方法。

背景技術：

在半導體器件制造中頻繁實踐的技術中，半導體芯片被附連到引線框架的焊盤，然后通過使用由銅、金或鋁制成的直徑為大約25μm的導線的導線鍵合技術將芯片端子連接到相應的引線。在使用自動鍵合器的導線鍵合工藝中，導線被捆扎穿過具有適用于引導金屬導線的細孔的陶瓷毛細管。在從毛細管尖端突出的導線末端處，通過使用火焰或火花技術融化導線末端來產生無空氣球。該球具有大約1.5倍導線直徑的典型直徑。將毛細管朝向芯片端子移動，通過壓力且通常結合發射超聲能量時該球相對于焊盤的超聲運動來抵靠焊盤的金屬化層按壓該柔性球。該鍵合工藝導致金屬釘頭或壓扁的球通過金屬間化合物(金屬間鍵合)被附連到芯片焊盤。

在球附連之后，帶有導線的毛細管被提起以跨過從球到引線框架的引線之間的拱形。引線框架已經通過從金屬板沖壓或蝕刻提前制造；長引線通常已經用半蝕刻技術生產。當導線接觸引線表面時，抵靠導線按壓毛細管尖端以便抵靠引線將其壓平，因此形成至引線的針腳式(或楔形)鍵合。該附連工藝形成金屬相互擴散或焊接點(擴散鍵合)。基于毛細管尖端的幾何形狀，毛細管在被附連的導線的壓扁部分中留下印記。毛細管再次上升到足夠的高度以顯示導線的長度具有足夠的金屬以形成下一個球。然后，啟用撕裂方法以便在接近針腳式鍵合的端頭處折斷導線并且留下裸露的導線長度懸掛于毛細管尖端以準備下一個球成形融化步驟。

近期應用需要半導體器件在頂部引線框架表面和底部引線框架表面上提供不同的導電跡線圖案。產生這些不同的跡線圖案的常用技術是所謂的引線框架的半蝕刻(部分蝕刻)工藝。作為半蝕刻的副作用，細長的引線可能對于其長度的一部分來說損失其大約一半的厚度，其后果是在針腳式鍵合工藝中，半蝕刻的引線可能不能夠承受毛細管對導線施加的壓力；引線變得彎曲或損壞。

為了創建機械支撐，整個引線框架可能經受預成型工藝，其中半蝕刻長引線周圍的空間由聚合化合物填滿并且因此被加強。然而，這些所謂的預成型引線框架是昂貴的。

技術實現要素：

當申請人研究已封裝的半導體器件中的電氣故障時，他們發現根本原因在于使用具有半蝕刻的細長引線的引線框架的導線鍵合器件中較差的針腳式鍵合附著或甚至提升的針腳式鍵合。分析顯示導線至引線的不穩定鍵合是由于細長引線和加熱塊之間的間隙引起的，其中在針腳式鍵合工藝期間引線已被放在該加熱塊上用于支撐。該間隙誘發引線的微跳動并導致針腳處的提升導線或較差的針腳附著。轉而，該間隙源自于在半蝕刻引線的過程期間在蝕刻容差的下限處產生的引線，或者源自于由于引線起始于蝕刻容差的上限而引起的在加熱塊上傾斜的引線。在后一種故障模式中，即使封裝工藝的成型操作也可能產生故障，因為傾斜的引線可能允許模壓樹脂蔓延到裸露的引線上并且導致封裝期間的樹脂閃燃。

當申請人發現在需要立即補救的情況下以及另外允許足夠的時間來修改引線框架的引線配置的情況下提供解決方案的方法時，其解決了失效的針腳式鍵合的問題。

短語“補救”包含一種方法，其中柔順的補償物被放置在用于預熱具有附連芯片的引線框架的加熱塊上，以便達到球鍵合工藝所需要的溫度。補償物(諸如基于聚酰亞胺的柔順聚合物)被定制成形以便在鍵合工藝期間支撐多個半蝕刻的細長引線，使得將被鍵合的引線表面變得與其上已附連了芯片的焊盤表面共面。

產生可靠的針腳式鍵合的解決方案涉及引線框架結構的修改。在該引線框架中，焊盤被細長引線包圍，這些細長引線通過間隙與焊盤隔開并且延伸到框架。引線框架金屬的支撐件被添加到間隙附近的引線的尖端，使得引線可以在整個針腳式鍵合過程中在熱載臺上保持無振動。在該支撐結構的實施例中，焊盤和引線由基底金屬板制成，該基底金屬板具有第一厚度并且具有第一表面和與第一表面相對且平行的第二表面，其中引線具有接近間隙的第一厚度的第一部分和接近框架的第一厚度的第二部分，以及在第一部分和第二部分之間的減小的第二厚度的區域。在該實施例中，第一引線部分具有帶有可鍵合冶金的第一表面和與第二部分的第二表面共面的第二表面。

附圖說明

圖1a示出具有根據本發明的結構的典型引線框架的底部透視圖，其用于在導線鍵合過程使細長引線穩定。

圖1b示出圖1a的引線框架的一部分的放大視圖。

圖2描繪具有引線框架的導線鍵合封裝的半導體器件的橫截面，其中引線框架具有細長引線和用于導線鍵合工藝的穩定結構。

圖3示出導線鍵合裝配在引線框架上的半導體芯片的工藝，其中該引線框架被放置在具有在導線鍵合工藝期間支撐細長引線的特征部的加熱塊上。

圖4是用于通過在加熱塊上使用柔順補償物而在半蝕刻引線上制造自動防故障的(fail-safe)針腳式鍵合的工藝流程圖。

具體實施方式

本發明的實施例是在具有被裝配在支撐件(諸如金屬引線框架)上并且被密封在聚合化合物的封裝件中的半導體芯片的器件中發現的。圖1a示出包含用于在半導體器件制造中裝配半導體芯片的標記為100的引線框架的示例性實施例。引線框架100是從底部角度觀看的。

引線框架100包括用于裝配半導體芯片的焊盤101、將焊盤101連接到框架150的系桿或條帶102以及包圍焊盤101的多個細長引線110。如圖1a和圖1b所示，細長引線110的一個端頭112面對焊盤101，但是通過間隙113與焊盤101隔開。在圖1a的示例中，引線110的形狀是細長扁平的引線，其中一個扁平端頭遠離且背向焊盤101。端頭111被增厚并且具有將從最終封裝件的密封材料中突出的表面111a；這種引線用于方形扁平無引線(qfn)器件或小外形無引線(son)器件。扁平端頭的突出表面在圖1b中被標記為111a。應該注意，在一些器件系列中，由于焊盤101和引線110可能不在同一平面中，條帶102可以包括彎曲部和臺階。

引線框架優選由基底金屬的扁平板制成，該基底金屬選自于包括銅、銅合金、鋁、鋁合金、鐵鎳合金以及科伐合金(kovar)的群組。對于很多器件來說，引線框架基底金屬的平行表面被處理以產生用于粘附到塑料化合物(尤其是成型化合物)的強親和力。作為一個示例，由于已知氧化銅表面表現出對成型化合物的良好粘附，因此銅引線框架的表面可以被氧化。其他方法包括表面的等離子處理或在基底金屬表面上沉積其他金屬的薄層。作為銅引線框架的一個示例，已經使用錫的鍍層，或者鎳層(大約0.5μm至2.0μm厚)及隨后的鈀層(大約0.01μm至0.1μm厚)以及可選擇的隨后最外面的金層(0.003μm至0.009μm厚)。

圖1b中一些引線的放大圖示出引線110具有面對間隙113朝向焊盤101的端頭件112。增厚的端頭件112的表面112a與增厚的端頭件111(厚度115)的表面111a共面。這是由于表面111a和112a來源于在(通過蝕刻、沖壓或壓印)產生下移段(downset)114之前為連續的初始金屬板的表面。形成減薄區域114(厚度116)用于以下雙重目的，即生成可能在一個引線表面上與相對的表面相比為不同的表面輪廓，以及產生更大的面積和機械握力以增強聚合封裝化合物和金屬引線框架表面之間的粘附。

如圖2所示，示例性引線框架100旨在用于導線鍵合(尤其是球形鍵合)以便將芯片200的端子與引線110電互連。用于鍵合的導線230優選由銅、金、鋁及其合金制成并且具有大約25μm的直徑。導線、芯片以及引線框架焊盤和引線的一些部分被密封在優選由填料填滿的聚合化合物制成的封裝件260中。

如圖3所指示，導線鍵合過程可以開始于將半導體芯片定位在加熱基座350上以便使溫度上升到150℃至300℃之間。對于銅和鋁導線，球成形和鍵合可能需要在還原性氣氛(諸如干氮氣和百分之幾的氫氣)中執行。對于該過程，導線被捆扎穿過自動鍵合器的毛細管。毛細管是惰性材料(諸如陶瓷)的細長管，其具有適用于引導在15μm至33μm的直徑范圍內的金屬導線的細孔(嚴格意義上的毛細管)。在從毛細管尖端突出的導線端頭處，通過使用火焰或火花技術融化導線端頭來產生無空氣球(freeairball)。該球具有大約1.2～1.6個導線直徑的典型直徑。將毛細管朝向作為附連焊盤的芯片端子321移動。端子321可以是鋁和銅的合金。通過壓力且通常結合發射超聲能量并形成金屬間化合物層(大約50nm至100nm的厚度)的該球相對于焊盤的超聲運動將該軟球壓在金屬化焊盤321上。該壓縮力(也稱為z力或壓平力)通常在大約17～75克力/平方厘米(大約1670～7355pa)之間；超聲時間在大約10～30ms之間；超聲功率在大約20～50mw之間。該鍵合過程導致金屬釘頭或壓扁的球231具有金屬間化合物(“金屬間鍵合”)。

與球形鍵合不同，針腳式鍵合232(有時稱為楔形鍵合)通過將導線230壓到引線的金屬上(優選為銅或者鈀或金鍍層)來產生。對于引線溫度稍微低于加熱基座溫度(即150℃至300℃)的情況，由于未提供超聲振蕩，因此僅產生用于針腳式鍵合的金屬間擴散。應該指出，本文中這種類型的鍵合被稱為“擴散鍵合”，以區別于金屬間鍵合。基于毛細管尖端的幾何形狀，毛細管在所附連導線的扁平部分中留下印記。具有從圓導線到扁平導線的轉變的導線部分是彎曲的并且被稱為針腳式鍵合的足部。

如上所述，為了成功的針腳式鍵合所要實現的互相擴散要求通過毛細管對導線施加壓力并且引線310能夠承受該壓力。否則，對于具有既細長又(通過半蝕刻)減小厚度的部分311的引線310，部分311的彈性強度可能不足以抵消該壓力。如果產品開發周期將不允許有足夠的時間來重新設計包括增厚端頭112(見圖1b)的引線，則可以通過位于細長引線310的端頭部分311下方的補償材料340立即獲得用于引線311的替代支撐件。

材料340是耐熱且非粘性的聚合物，其可以容易地形成(例如通過從聚合物板切出一些配置)以便以適于在將針腳式鍵合附連到引線的過程期間支撐多個半蝕刻引線的幾何配置安裝在熱載臺上。該材料需要足夠柔順，使得其高度可以在壓力下被(毛細管)調整以補償由半蝕刻工藝導致的引線間的任何高度差。該聚合材料表現為自調整件或自動補償物。結果，在針腳式附連工藝中，全部引線以相同的正確高度出現，并且因此允許形成可靠的針腳式鍵合。

在圖3的示例中，聚合材料340可以被形成為擱置在熱載臺350上的方形環，以便在包圍焊盤101并且由間隙113隔開的所有四個邊上支撐半蝕刻引線311(見圖1a)。當毛細管對引線311施加壓力以便形成針腳式鍵合時，引線311的表面311a與焊盤101的表面101a基本共面。

在針腳式鍵合附連之后，毛細管可以折斷導線，或者帶有導線的毛細管可以被提升以跨過從球203到襯底或引線框架上的焊盤205的拱形204。當導線接觸焊盤表面時，毛細管尖端被壓到導線上以便將其壓平并且因此形成針腳式鍵合206，有時被稱為楔形鍵合。

毛細管再次上升到足夠的高度以顯示具有足以形成下一個球的金屬的導線長度。然后，啟用撕裂方法以便在接近針腳式鍵合的端頭處折斷導線并且留下裸露的導線長度懸掛于毛細管尖端以準備下一個球成形融化步驟。通常采用各種導線折斷方法，其中有所謂的夾鉗撕裂方法和夾臺撕裂方法。

標準化鍵合拉力測試(以克-力(gram-force)為單位測量拉力)被用于標定球形鍵合和針腳式鍵合的強度。測量鍵合質量的拉力測試可以通過在大量標準化加速壽命測試、濕度測試和電應力測試中任意一個之后測量可靠性的拉力測試而重復。

本發明的另一個實施例是圖4中概述的用于穩定導線鍵合的半導體器件中的引線的方法。該方法開始于提供加熱塊的過程401，該加熱塊適用于在鍵合過程中機械地支撐引線框架并且提供熱量以使引線框架達到規定的溫度。

在下一個過程402中，層狀、耐熱、非粘性并且柔順的聚合物材料的工件被定位在加熱塊上，以便這些工件能夠支撐引線框架的半蝕刻引線的端頭部分。這些工件被調整以適配在半蝕刻引線組下面，同時保持引線框架焊盤與附連的半導體芯片之間的間隙。在其作為引線支撐件的位置處，材料是足夠柔順的，以補償引線的任意過蝕刻或欠蝕刻，并且因此在鍵合器毛細管的壓力下產生必要的阻抗強度外加引線的表面和芯片焊盤的表面之間的共面性。

在過程403中，引線框架被放置在加熱塊上以使得半蝕刻引線擱置在柔順的補償物上并且獲得必要的支撐，從而補償引線的任何過蝕刻或欠蝕刻。一些加熱塊部分地作為硬支撐(諸如加熱塊的臺階)并且部分地作為柔順的補償物來為半蝕刻引線提供支撐。

在過程404中，針腳式鍵合通過將鍵合導線附連到與補償物相對的半蝕刻引線表面來形成。如上所述，在由毛細孔對導線和引線施加的壓力下，引線和焊盤的表面(分別是圖3中的311a和101a)變得基本共面。然而，應該指出，在其他引線框架中，引線和焊盤的表面可以在不同的平面中，有意地由臺階分開以便保證用于防止導線短接到半導體芯片的向上(uphill)鍵合。

盡管已參考說明性實施例描述了本發明，然而該說明書不旨在被解釋為限制意義。本領域技術人員在參考本說明書之后將會明白說明性實施例的各種修改和組合以及本發明的其他實施例。作為一個示例，本發明不僅應用于具有低引腳數和高引腳數的有源半導體器件，諸如晶體管和集成電路，而且還應用于引線框架焊盤上的有源和無源元件的組合。

作為另一個示例，本發明不僅應用于硅基半導體器件，而且還應用于使用砷化鎵、氮化鎵、硅鍺以及工業中采用的任何其他半導體材料的器件。本發明應用于qfn和son類型的引線框架以及具有懸臂式引線的引線框架。

作為另一個示例，本發明應用于引線框架、層疊襯底以及任何其他襯底或支撐結構，這些襯底或支撐結構包括局部減小厚度的導體(諸如懸臂式引線和適用于金屬相互擴散和焊接的冶金表面配置)。

因此，旨在使附加權利要求包含任何此類修改或實施例。