專利名稱：使用粘結(jié)劑制造半導(dǎo)體器件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及半導(dǎo)體器件的制造，特別是在部件之間焊接點形成之前和期間，在器件部件堆棧(stack)內(nèi)以自對準(zhǔn)關(guān)系將器件部件臨時粘結(jié)在一起。
在一種已知的半導(dǎo)體器件制造方法中，將包括插入的焊料片在內(nèi)的多個器件部件相互堆疊地裝載到一個夾具型腔中，然后加熱夾具以熔化焊料片，形成焊接在一起的部件的堆棧。例如，裝載的部件可以包括一個第一接線端引線，一個安放在第一引線表面上的第一焊料片，一個安放在第一焊料片上的半導(dǎo)體芯片(或基片(die))，一個安放在芯片上的第二焊料片，最后是一個與第二焊料片接觸的第二接線端引線。
在制造過程中，夾具沿著把各個部件順序地裝載到夾具中的組裝通過連續(xù)工作臺(assembly past successive work stations)移動，然后裝載好的夾具通過一個用于加熱和回流焊料的爐子。產(chǎn)生的一個問題是，夾具的移動和工作臺的振動可能造成部件在夾具型腔內(nèi)的橫向位移，導(dǎo)致不合格器件部件焊接。另一個問題是，夾具一般是用鋁、石墨、或銅-石墨之類的耐高溫材料制造的。夾具的大的熱量可能對回流過程造成不良影響。例如，熱量有時造成不穩(wěn)定的、高度可變的結(jié)果。
一種替代方法是以粘結(jié)劑漿料的形式提供焊料，例如，一種焊料顆粒與一種具有漿狀稠度的粘結(jié)劑基料的混合物。這種方法的一個優(yōu)點是一般不需要夾具，因為粘結(jié)劑漿料能夠保持部件對準(zhǔn)。這種漿料的問題是，根據(jù)使用的漿料，在焊接過程完成后，可能需要附加的清理過程來除去基料。此外，這種漿料的粘結(jié)強(qiáng)度通常不足以在焊料回流過程中保持部件的對準(zhǔn)。一般情況下，盡管粘結(jié)劑漿料形式的焊料被廣泛地使用并且通常能夠獲得滿意的結(jié)果，但是仍然需要有一種替代和改進(jìn)的自粘結(jié)部件堆疊方法。
根據(jù)本發(fā)明，通過利用與堆棧中使用的焊料預(yù)型件分離的或是包括在粘性漿料形式的焊料中的粘結(jié)體取得了半導(dǎo)體組件的堆棧中各組件的臨時自粘結(jié)。
根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，粘結(jié)體包括相當(dāng)高純度的水，并且相鄰部件的粘結(jié)是通過水的表面張力取得的。在一個最好在是在保護(hù)性非氧化氣氛中進(jìn)行的單一的加熱步驟期間，水被完全蒸發(fā)，同時焊料預(yù)型件被加熱形成希望的焊接點。
根據(jù)本發(fā)明的另一個實施例，粘結(jié)體是市場上可買到的，具有可被熔融焊料濕潤性質(zhì)的，并且在最終器件的操作溫度下是化學(xué)和物理穩(wěn)定的粘結(jié)劑。在一個優(yōu)選實施例中，粘結(jié)體具有可與被形成的焊接點的厚度比較的，但是比焊接點包圍的總橫向面積小的預(yù)選固定尺寸。以這種方式，粘結(jié)體起到間隔件的作用，同時對通過焊接點和器件組件本身的電流和熱的流動只有最小的阻礙。
粘結(jié)體可以用作與焊料分離的組件(例如，小水滴)或作為焊料中的組件以形成自粘結(jié)焊料漿料。在后一種情況下，粘結(jié)體永久地嵌在完成的器件中的焊接點內(nèi)。


圖1示出了用于形成包括多個堆疊在一起的組件的半導(dǎo)體器件的慣用過程；圖2示出了在焊接處理完成后圖1的半導(dǎo)體器件；圖3示出了根據(jù)本發(fā)明的，用于形成包括多個堆疊在一起的組件的半導(dǎo)體器件的過程；圖4(a)示出了在焊接過程完成后，根據(jù)本發(fā)明原理形成的半導(dǎo)體器件；
圖4(b)示出了利用可以在本發(fā)明中使用的粘結(jié)劑和金屬組件的焊接點的一個示例。
如上所述，半導(dǎo)體器件制造中一個已知實踐是把器件的多個組件垂直地堆疊在一個組裝夾具的型腔內(nèi)，然后加熱夾具以回流放置在相鄰器件組件之間的焊料體，以在相鄰器件組件之間形成焊接點。圖1中示出了這種現(xiàn)有技術(shù)實踐的一個示例，圖1示出了一個典型的兩部分組裝夾具，夾具包括一個疊放了一個石墨頂板14的石墨基板12，石墨頂板14具有一個完全通向基板的疊放表面部分18的開口16。盡管僅示出了一個單一的開口16(提供了一個夾具“型腔”)，但是典型的制造夾具包含一個以行列布置的多個相同型腔的陣列，通過它可以成批地制造半導(dǎo)體器件。
本發(fā)明可以用于制造任意數(shù)量的不同類型的半導(dǎo)體器件，但是，為了舉例說明，在這里結(jié)合半導(dǎo)體整流器的成批制造來說明本發(fā)明，其中每個半導(dǎo)體整流器包括一個單一的焊接在兩個器件接線端之間的半導(dǎo)體二極管芯片。在如圖1中所示的這種器件的已知制造方法中，裝載到夾具型腔16中的器件組件包括一個下接線端22，一個第一焊料預(yù)型件24，一個半導(dǎo)體二極管芯片26，一個第二焊料預(yù)型件28，和一個上接線端30。在這個現(xiàn)有技術(shù)示例中，焊料預(yù)型件是相對剛性的(形狀保持性)，并且在最初提供時沒有自粘結(jié)性。當(dāng)利用已知的“取放(pitch and place)”機(jī)器人之類的組件傳送機(jī)構(gòu)首次將組件裝載到夾具中時，可以把組件精確地橫向定位在夾具型腔中，并且精確地軸向相互對準(zhǔn)。圖2示出了在處理完成后得到的半導(dǎo)體器件。在圖1和2中，相同的參考號代表相同的元件。如圖所示，產(chǎn)生的半導(dǎo)體器件包括焊接點32和34。
夾具一般是沿一個將器件組件順序地裝載到夾具中的組裝線順序通過操作臺(assembly line past successive operating stations)移動。如上所述，問題是組裝裝置的振動可能造成組件在夾具型腔內(nèi)的位移。
在另一個已知現(xiàn)有技術(shù)實踐中，形成焊接的焊料漿料是用固體焊料顆粒和一種粘性熔劑載體混合制造的。在以較高的溫度進(jìn)行的最后回流加熱和焊接點形成處理之前，當(dāng)以適當(dāng)?shù)臏囟?這取決于熔劑的類型)預(yù)加熱時，這種焊料漿料可以用于提供相鄰組件的粘結(jié)。當(dāng)使用這種類型的漿料和方法時，熔劑載體(已經(jīng)成為殘渣)在焊料的回流處理期間被排除到焊接點之外。然后通過清潔處理將其從表面清除，在完成的焊接點中僅留下焊料。
盡管沒有示出，在一種已知實踐中，在最初提供時焊料預(yù)型件或漿料中包含一種高導(dǎo)電材料的，例如銅的，小剛性間隔球。在預(yù)加熱或最終加熱的任何加熱步驟期間，球體都不熔化或軟化。預(yù)選直徑的剛性球保留在最后焊接點中，并且保證了焊接點厚度不小于最小直徑球體的直徑。間隔球體沒有粘性。
現(xiàn)在結(jié)合圖3說明本發(fā)明的第一實施例。圖3示出了與圖1中所示的相同的半導(dǎo)體器件組件，但是增加了放置在每個焊料預(yù)型件24和28的兩面的粘結(jié)體40，粘結(jié)體40用于把固體預(yù)型件粘結(jié)到中間放置了預(yù)型件的器件組件上。
圖3中所示器件的組裝方法可以與現(xiàn)有技術(shù)圖1器件所用的相同，其差別在于四個額外“組件”，即，粘結(jié)體40，以圖示順序裝載在夾具型腔中。另一個差別是不進(jìn)行把焊料預(yù)型件軟化到粘性狀態(tài)的夾具預(yù)加熱。粘結(jié)體提供了型腔內(nèi)穩(wěn)定堆棧中的組件的粘結(jié)。
在本發(fā)明的第一實施例中，圖3所示粘結(jié)體40包括純水滴，最好是去離子水。本發(fā)明的這個實施例一般只有有限的應(yīng)用，因為水可以促使氧化，并且因為在達(dá)到特定焊料的熔點之前水可能蒸發(fā)。由于要把水滴用作粘結(jié)劑，水必須“濕潤”接觸表面。因此，盡管最好是以小的球形水滴的形式將水滴與圖3中所示的其余組件順序地裝入夾具型腔中，但是由于水對部件的濕潤性以及部件重量對水的作用，使水?dāng)U展成一個薄層。相鄰組件之間的水的表面張力將使堆棧內(nèi)的組件粘結(jié)。在回流處理期間，水被蒸發(fā)，從而留下焊料來焊接器件組件。
在本發(fā)明的一些實施例中可能希望在還原性氣氛中進(jìn)行回流處理，以防止器件組件的金屬表面氧化。作為替代，可以用不是水的其它流體形成粘結(jié)體40，只要它具有高的表面張力。其它流體最好具有比水小的氧化作用。但是，這些流體的大多數(shù)是基于溶劑的，并且在它們的蒸發(fā)過程期間必須十分小心。
當(dāng)如圖3中所示安放好所有組件，水或其它液體的薄層40置于每個組件之間之后，將夾具通過一個爐子，并將所有組件加熱到一個提高的溫度。例如，對于典型的鉛基焊料，溫度應(yīng)當(dāng)提高到300℃以上，以形成焊接點。如上所述，最好是在還原性氣氛中加熱組件，特別是如果使用了水時。由于水在加熱期間將蒸發(fā)，這個處理過程將產(chǎn)生與圖2中所示的相同的工件，在圖4(a)中也示出了這種工件。
如上所述，當(dāng)使用的粘結(jié)體是水時，在最終加熱和焊料回流之后，沒有圖3中所示的組件堆棧中使用的“粘結(jié)劑”遺留下來。但是，根據(jù)本發(fā)明的其它實施例，使用了遺留在如圖4(b)中所示的完成工件中的粘結(jié)體。這些粘結(jié)體是從具有如下某種優(yōu)選特性的市場上可買到的粘結(jié)劑中選出的。
具體地講，為了僅需要少量的粘結(jié)劑，最好具有相當(dāng)高的粘結(jié)強(qiáng)度。以這種方式，粘結(jié)劑與組件之間的界面占據(jù)了整個可用表面積的相當(dāng)小的一部分。結(jié)果，最終焊接點的電和熱性質(zhì)僅取決于焊接點中的金屬。此外，如果僅使用了少量的粘結(jié)劑，那么粘結(jié)劑本身不必是導(dǎo)電的。由于可以根據(jù)本發(fā)明制造各種不同尺寸的器件，因而在這里不對比熱和導(dǎo)電性作出規(guī)定。熟悉本領(lǐng)域的人員應(yīng)當(dāng)根據(jù)希望的工件的特性選擇粘結(jié)劑的性質(zhì)。無論使用了何種類型的粘結(jié)劑，最終焊接點必須滿足與沒有使用粘結(jié)劑時相同的規(guī)定，例如，電參數(shù)和操作條件。從焊接點內(nèi)使用粘結(jié)劑得到的一個額外利益是粘結(jié)劑可以起到內(nèi)部結(jié)構(gòu)的應(yīng)力釋放元件的作用。粘結(jié)劑執(zhí)行這種功能的可能性取決于粘結(jié)劑的性質(zhì)和制造的特定器件。
在本發(fā)明的一些實施例中，粘結(jié)劑是一種熱固性材料。不幸的是，當(dāng)前可用的熱固性粘結(jié)劑一般不能經(jīng)受高達(dá)300℃的溫度，而不遭受某種程度的降解。但是，已經(jīng)開發(fā)出在高達(dá)400℃溫度下也是穩(wěn)定的純熱塑性材料，或熱塑性和熱固性材料的混合物。在本發(fā)明中使用這種塑料是特別有利的。
使用的焊料可以是能夠嵌入粘結(jié)劑的焊料合金或其它金屬。例如，一種市場上可以買到的叫作“導(dǎo)電粘結(jié)劑”的產(chǎn)品，它是由其中嵌有金屬(通常是銀)顆粒的熱固性環(huán)氧樹脂形成的。盡管這種材料可能適合于組裝某些半導(dǎo)體器件，但是它的熱和導(dǎo)電性當(dāng)前不能滿足電力整流器的使用?？梢砸栽谑覝叵乱呀?jīng)是粘性的預(yù)型件的形式提供粘結(jié)劑和焊料，從而在一開始就能把所有組件堆疊定位。作為替代，可以以能夠容易地從注射器分配的粘性漿料的形式提供粘結(jié)劑和焊料。如果使用預(yù)型件，那么可以通過與用于安排組件堆棧的相同的“取放”系統(tǒng)將它們定位，只要適當(dāng)?shù)乜紤]預(yù)型件的粘性。在另一種替代中，在一個兩步驟操作中施加焊料(漿料或預(yù)型件)和粘結(jié)劑。由于可以相互獨立地選擇焊料和粘結(jié)劑從而可以為它們每個選擇更好的材料，因而這種處理過程是有利的?？梢愿鶕?jù)每種材料的不同性質(zhì)來選擇材料。
權(quán)利要求
1．一種組裝包括相互堆疊在一起的多個接線端和至少一個半導(dǎo)體組件的半導(dǎo)體器件的方法，所述方法包括步驟提供第一接線端，第一焊料預(yù)型件，第一半導(dǎo)體組件，第二焊料預(yù)型件，和第二接線端；提供第一，第二，第三和第四粘結(jié)體；把第一接線端，第一粘結(jié)體，第一焊料預(yù)型件，第二粘結(jié)體，第一半導(dǎo)體組件，第三粘結(jié)體，第二焊料預(yù)型件，第四粘結(jié)體，和第二接線端順序地相互堆疊；和把堆棧加熱到足以軟化焊料預(yù)型件的溫度，從而形成焊接點。
2．根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述第一，第二，第三和第四粘結(jié)體是流體小滴，所述流體小滴濕潤其接觸的表面。
3．根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述第一，第二，第三和第四粘結(jié)體是水滴。
4．根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其中所述水滴是去離子水滴。
5．根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中加熱堆棧的步驟包括在還原性氣氛中加熱堆棧的步驟。
6．根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中堆疊步驟是在一個夾具的型腔中執(zhí)行的。
7．根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中粘結(jié)體之一和與之接觸的表面之間的界面的表面積小于第一半導(dǎo)體組件表面的表面積。
8．根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其中所述界面的所述表面積小到足以使焊接點的電和熱性質(zhì)改變到無實質(zhì)作用的程度。
9．根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述粘結(jié)體是由實際上非導(dǎo)電材料形成的。
10．根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述半導(dǎo)體器件是整流器。
11．根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中粘結(jié)體具有足以保持形成堆棧的組件的對準(zhǔn)的粘結(jié)強(qiáng)度。
12．一種組裝包括相互堆疊的多個接線端和至少一個半導(dǎo)體組件的半導(dǎo)體器件的方法，所述方法包括步驟提供第一接線端，第一焊料元件，第一半導(dǎo)體組件，第二焊料元件，和第二接線端，其中所述焊料元件包括一種把粘結(jié)性質(zhì)賦予所述焊料元件的實際上非導(dǎo)電組分；把第一接線端，第一焊料元件，第一半導(dǎo)體組件，第二焊料元件，和第二接線端順序地相互堆疊；和將堆棧加熱到足以使焊料元件軟化從而形成焊接點的溫度。
13．根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，其中所述焊料元件是以漿料形式提供的。
14．根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，其中所述焊料元件是以剛性預(yù)型件提供的。
15．根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，其中在一個夾具的型腔中執(zhí)行堆疊步驟。
16．根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，其中所述半導(dǎo)體器件是整流器。
17．根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，其中焊料元件具有足以保持形成堆棧的組件的對準(zhǔn)的粘結(jié)強(qiáng)度。
18．根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其中所述流體小滴是基于溶劑的流體小滴。
19．根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其中焊料元件的所述非導(dǎo)電組分包括一種熱固性材料。
20．根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其中焊料元件的所述非導(dǎo)電組分包括一種熱塑性材料。
21．根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其中焊料元件的所述非導(dǎo)電組分包括一種熱塑性材料和一種熱固性材料。
全文摘要
通過使用與堆棧中使用的焊料預(yù)型件分離的或是包括在粘性漿料形式的焊料中的粘結(jié)體完成了半導(dǎo)體組件的堆棧中各個組件的臨時自粘結(jié)。粘結(jié)體可以包括相當(dāng)高純度的水,并且相鄰部件的粘結(jié)是通過水的表面張力取得的。在一個最好是在保護(hù)性非氧化氣氛中進(jìn)行的單一的加熱步驟期間,水被完全蒸發(fā),同時焊料預(yù)型件被加熱,形成希望的焊接點。
文檔編號H01L21/60GK1323062SQ0111600
公開日2001年11月21日 申請日期2001年5月8日 優(yōu)先權(quán)日2000年5月4日
發(fā)明者瑪麗·吉約, 帕迪·奧謝 申請人:通用半導(dǎo)體愛爾蘭公司