專利名稱：無支撐板的半導體器件及其制造方法
技術領域：
本發(fā)明一般來說涉及半導體器件，更具體地說，涉及無支撐板(flagless)的半導體器件及其制造方法。
外殼龜裂是塑料封裝的半導體器體中存在的普遍問題。這一問題是由多種因素的組合所產(chǎn)生的。一個因素就是塑料封裝材料和引線框架支撐板之間的內(nèi)部剝離。支撐板是常規(guī)引線框架中支撐芯片的板狀構(gòu)件。和引線框架的其余構(gòu)件一樣，支撐板通常由銅、銅合金，或鐵鎳合金構(gòu)成的，因此在大多數(shù)情況下，其熱膨脹系數(shù)(CTE)與周圍的注模成分或塑料的熱膨脹系數(shù)不同。作為這種CTE失配的結(jié)果是當半導體器件經(jīng)受溫度變化時在塑料-支撐板界面處產(chǎn)生應力。一旦該應力達到最大閾值，就通過塑料-支撐板界面的剝離而釋放出來。外殼龜裂的另一因素是濕氣吸收。在塑料-支撐板界面產(chǎn)生了剝離之后，濕氣就從周圍環(huán)境經(jīng)過注模成分擴散到剝離了的區(qū)域。一旦在外殼中積蓄了濕氣，溫度的急速增加就會引起濕氣的蒸發(fā)和膨脹，從而在該剝離了的區(qū)域產(chǎn)生一個內(nèi)部壓力袋(pressure pocket)。要釋放出壓力及相應的應力，周圍的塑料就得破裂。外殼龜裂最常發(fā)生在用戶用回流釬焊工藝把塑料封裝的半導體器件裝到-基板上的時候。伴隨著回流釬焊而產(chǎn)生的高溫導致溫度迅速上升，這往往足以引起塑料封裝破裂(取決于器件的濕氣含量)。
目前有許多處理外殼龜裂問題的方法。一種方法是干燥封裝。這種方法就是烘烤塑料封裝的半導體器件以充分降低濕氣的含量，并將這些器件裝在防濕的盒內(nèi)。器件的用戶在外殼由于暴露于大氣環(huán)境中能吸入足以引起破裂的濕氣的量將器件安裝好。這種方法是能效的，但顯著地增加了半導體器件的成本。而且，器件的用戶必須一直關注器件在大氣環(huán)境中已暴露了多長時間，以便確保吸入的濕氣不足以引起破裂的問題。
其它一些已知的途徑試圖通過改進支撐板與塑料之間的粘接來減少內(nèi)部剝離的可能性。例如，某些制造商把支撐板的金屬表面弄粗糙，以改進粘附性。另一些制造商在支撐板表面上制造出小孔或凹坑來提供固定機能。改進粘附性的另一個方法是用窗式框架支撐板。窗式框架支撐板大體上是一種支持芯片的多孔框架，而不是一個實心的片狀物。
上述那些方法通過提供與塑料封裝材料較好的粘附性，的確在某種程度上降低了剝離的可能性。本發(fā)明使用從前未用過的技術同樣得到了降低剝離的優(yōu)點，而且還解決了上述方法所沒有涉及的另一個制造問題，即，半導體制造商對其各種產(chǎn)品要使用不同的或定做的引線框架的問題。要對各種芯片尺寸和芯片的功能性的管腿引出頭作不同的引線框架設計，就需要大量的片狀構(gòu)件(Piece-Parts)，并且在各產(chǎn)品投產(chǎn)前需要用額外的時間和人力來設計新的引線框架。除了與大量的構(gòu)件及設計相關的成本之外，引線框架本身的成本也因制造量的不充分而產(chǎn)生不希望有的升高。各需單獨加工的引線框架的幾張小數(shù)額定單比總量相同的同種引線框架的一張訂單所需成本要高。因此，利用一種能被幾個不同的芯片尺寸共同使用的引線框架設計能顯著降低半導體制造的成本。本發(fā)明通過在半導體器件中使用一種能由各種各樣芯片尺寸使用的引線框架實現(xiàn)了這一目標，同時，改進了引線框架和封裝材料之間的粘附性以減輕外殼的破裂問題。
在本發(fā)明的一種形式中，半導體器件具有由多根引線和兩個懸臂狀連桿構(gòu)成的引線框架。多根引線有限定出芯片容納區(qū)的內(nèi)部部分。兩個連桿從芯片容納區(qū)的兩相對側(cè)延伸出來。半導體芯片附著在連桿上并由其支撐。該芯片還與多根引線進行電連接，并由外殼本體包封。制造這種或其它的該類型半導體器件的方法也包含在本發(fā)明的范圍內(nèi)。
由結(jié)合附圖所作的詳細描述可以更清楚地了解本發(fā)明的這些和其他特征以及優(yōu)點。重要的是要指出這些插圖不一定是按比例畫的，而且本發(fā)明還可以有其它的未作具體圖解說明的實施例。


圖1是本發(fā)明的部分組裝的、無支撐板的半導體器件的俯視圖。
圖2是使用與圖1所示同樣的引線框架設計的本發(fā)明另一個部分組裝的、無支撐板半導體器件的俯視圖。
圖3為本發(fā)明的完全組裝好的半導體器件的截面圖。
圖4為本發(fā)明另一個組裝好的半導體器件的截面圖。
圖5為說明適用于本發(fā)明的另一種連桿設計的引線框架的俯視圖。
圖6為說明適用于本發(fā)明的又一種連桿設計的引線框架的俯視圖。
本發(fā)明能降低內(nèi)部封裝剝離的可能性，同時通過利用懸臂狀的連桿來支撐半導體芯片的方式建立起能用于幾種不同芯片尺寸的通用設計。圖1和圖2說明本發(fā)明所用的引線框架的通用情況及其特性，這里，用連桿而不是支撐板來支撐半導體芯片。這兩個圖均為本發(fā)明的半導體器件的部分俯視圖。圖1說明半導體器件10，圖2說明半導體器件20。器件10和20均包括一個具有兩根相對的橫條14、多根引線16和兩個懸臂狀的連桿18的引線框架12。圖1和圖2中的半導體芯片22和半導體芯片24粘在連桿18上。每個芯片包括多個按常規(guī)方式用多根連接線28與引線16電連接的導電壓焊區(qū)26。
應注意，圖1和圖2所示的半導體器件是部分組裝后的。這些器件還沒有包封在塑料外殼本體中。如本領域的普通技術人員知道的，器件10和20接著用塑料封裝材料封裝起來，然后從引線框架12上切下來、形成完成了的器件。切開的結(jié)果，連桿18不再與橫條14相連，而是分離開來，與由圖1中虛線29表示輪廓的外殼本體的一個邊齊平。引線16被切下來，接著將其作成以下幾種外引線形狀中的一種。這幾種形狀有鷗翅狀、J狀引線狀或通孔狀。
引線框架12是由常用的引線框架材料，如銅、銅合金、鐵鎳合金或其它類似材料形成的，并由金屬腐蝕或沖壓等常規(guī)工藝制造的。傳統(tǒng)的制造工藝中，稱為“flag”或“paddle”的板狀構(gòu)件與連桿相連，用來給半導體芯片提供一個安裝區(qū)域。根據(jù)本發(fā)明不使用板，而是用懸臂狀的連桿來支撐芯片。例如，在圖1的器件10中，連桿18支撐半導體芯片22，圖2的器件20是用連桿18支撐半導體芯片24。連桿18各包括一個柄部分19和一個支撐部分21。如圖1所示，芯片22完全外伸或復蓋在連桿18的支撐部分21之上。而如圖2所示，支撐部分可以延伸超出芯片的周邊，這樣就不是所有的支撐部分都在芯片的下面。
在用連桿而不是用支撐板作為芯片支座的情況下，總的塑料-金屬界面面積在器件包封在塑料中之后將被減少。為了描述本發(fā)明，用短語“塑料-金屬界面”，而不是用短語“塑料-支撐板界面”，這是由于本發(fā)明的實施例中沒有常規(guī)的支撐板。隨著塑料-金屬界面面積的減少，塑料與半導體芯片直接接觸的面積就增加了。塑料-金屬界面面積的減少和塑料-芯片界面面積的增加，減少了剝離的機會，因為絕大部分塑料包封材料將與芯片而不是與金屬表面粘接得更好。因此，如果在一個連桿與包封塑料之間的界面處發(fā)生剝離，也不會影響另一個連桿與塑料的界面。
通過圖1與圖2的比較，可以清楚地看到引線框架12的通用性。在這兩個圖中，用的是相同的引線框架，但所用的芯片尺寸是不同的。如圖所示，芯片22比芯片24大得多。由于不使用支撐板，所以對兩種不同尺寸的器件不需要設計新的引線框架。在常規(guī)的半導體器件中，支撐半導體芯片的板的形狀制造得與芯片相同，只是尺寸稍大一點。使用支撐板的目的是將它用于在組裝操作中(主要是引線焊接步驟)和直到包封為止的一般的器件處理步驟中支撐芯片。一旦將芯片包封到塑料中，芯片支撐構(gòu)件就不再需要了。把支撐板制造得比芯片大的一個目的是要能夠進行芯片和支撐板之間粘接狀況的外觀檢查。半導體芯片通常用環(huán)氧樹脂粘接到支撐板上。在對著覆蓋在板上的環(huán)氧樹脂按壓芯片時，環(huán)氧樹脂從芯片下面擠壓出來在芯片周邊形成環(huán)氧樹脂的鑲邊(fillet)。芯片與板之間粘接的質(zhì)量可通過對上述鑲邊的肉眼觀察來判斷。如果該鑲邊是連續(xù)的，就認為粘接充分了。
根據(jù)本發(fā)明，粘接芯片的環(huán)氧樹脂涂在懸臂狀連桿的支撐芯片用的那些部分上。例如在圖1中，環(huán)氧樹脂涂在連桿18由虛線表示出的那些部分上。對著連桿按壓芯片而進行粘接時，環(huán)氧樹脂就被擠壓出來，沿著連桿的四周而不是芯片的周圍形成鑲邊。這種“翻轉(zhuǎn)的”鑲邊在圖3的半導體器件30的截面圖中得到了說明。器件30包括-按裝在懸臂狀的連桿33上的半導體芯片32。該器件包封在塑料外殼35中，該芯片通過焊線37與多根引線36電連接。引線36如圖所示為通孔狀，當然也可以用J引線和鷗翅狀。盡管芯片32粘接在兩根連桿上，但該截面圖實際上是經(jīng)過一根連桿的分叉狀部分取的，例如取圖1和圖2中連桿18的U形部分作圖。芯片32用常規(guī)的芯片粘接劑34，如環(huán)氧樹脂，粘在連桿上。當半導體芯片全部外伸在連桿之上時(如器件10和30)，環(huán)氧樹脂就象圖3所示那樣形成翻轉(zhuǎn)的鑲邊。粘接狀況可以象常規(guī)器件那樣用環(huán)氧樹脂鑲邊的連續(xù)性來進行評價。然而，檢測翻轉(zhuǎn)的鑲邊要從器件的背面來檢查，如果要用檢測工藝的話，就可能要在制造者的檢測工藝中稍微改變一下。
在圖2所示的本發(fā)明的芯片未完全伸出在連桿之上的實施例中，一個鑲邊應該在連桿延伸超出芯片處的芯片周邊形成。而沿著芯片伸出在連桿之上的那部分連桿的周邊形成另一個翻轉(zhuǎn)的鑲邊。圖4的器件40的截面圖示出兩個不同的鑲邊。器件40包括用芯片粘接劑44粘在叉狀連桿43上的半導體芯片42。該器件包封在塑料外殼45內(nèi)，芯片由焊線47與多根引線46電連接。引線46如圖所示為J引線狀，不過，也可以用通孔和鷗翅狀。
盡管在根據(jù)本發(fā)明的器件中可以把各種不同尺寸的芯片用于同樣的引線框架設計，但對所用芯片的尺寸還是有限制的。例如，芯片22和24的尺寸和形狀分別受限定芯片容納區(qū)的引線16的內(nèi)部部分的影響。對引線框架12所用的芯片尺寸的另一個限制可能是焊線長度。隨著芯片尺寸的變小，連接芯片與引線16所需的焊線28的長度增加。因此，制造者對焊線長度設置的上限也就對芯片尺寸設置了下限。
由于不用支撐板，在制造本發(fā)明的器件時可能需要改進現(xiàn)有的組裝步驟。例如，如上面討論所提到的，把芯片粘接劑的涂布圖形局限在一個小的連桿面積上，而不是整個支撐板的面積上。所以，可能需要對粘接劑涂布頭和涂布圖型作工具性改進。此外，由于芯片支撐面積(連桿)比常規(guī)的支撐板小，本發(fā)明所需的粘接劑的量較少。另外可能需要對芯片粘接劑的涂布作較嚴格的工藝控制。由于芯片整個伸出，或至少部分伸出在連桿之上，則在粘接芯片時，粘接劑有可能伸展超過連桿，從而弄臟下面的工作臺。因此，要嚴密監(jiān)視粘接劑用量的上限。而如上所述，涂布足夠的粘接劑以提供合適的鑲邊同時也是重要的。
另一工藝改進在引線焊接時是有用的。既然半導體芯片沒有沿著芯片的周邊全部被支撐，那么在引線焊接期間提供對芯片周邊的支撐可能是有益的。壓焊區(qū)一般(但不始終)位于芯片的周邊。要在每個壓焊區(qū)上焊接引線，引線焊接工具必然在每進行一次焊接時向芯片周邊加壓。如果引線壓焊用力很大，或者芯片沒有足夠的韌性，則所加的力就會引起芯片的未得到支撐的部分破裂或碎裂。因此，最好在引線焊接臺上增加一個支撐機構(gòu)。例如，壓焊臺可以設計成包括一切口，該切口與懸臂狀連桿的形狀及厚度相匹配，以便壓焊臺與連桿一起形成一個基本平整和連續(xù)的表面。這樣，整個芯片在引線焊接時就由連桿和壓焊臺的組合結(jié)構(gòu)支撐起來。重要的是應注意，對現(xiàn)有引線焊接操作的改進對于實施本發(fā)明可能不是必須的。對改進的要求取決于許多因素，僅列出幾個就有壓焊力、芯片厚度、芯片尺寸和壓焊區(qū)的位置等。
圖1和圖2中的連桿18為叉狀，以便使各連桿的內(nèi)端部為U形。不過，根據(jù)本發(fā)明，也可以用其它的懸臂狀連桿的形狀。圖5和6中說明了兩個這種可供替代的形狀。這兩張圖只是半導體器件的一部分(也就是連桿部分)的俯視說明圖。如圖5所示，兩個懸臂狀連桿52其內(nèi)端部為T形，其外端部象前面所說的實施例那樣延伸到引線框架的橫條上。和本發(fā)明前述的實施例一樣，總的金屬表面面積的減少有助于在連桿被塑料包封后阻止發(fā)生剝離。由于能適用于各種芯片尺寸(如虛線54和56代表的芯片)，T形連桿也是通用的。線54表示半導體芯片的兩個完整的邊(即“短”邊)能夠得到支撐，這一點可能對某種特定的引線焊接方式是有利的。但具體對存儲器芯片來說，通常芯片的“長”邊側(cè)設置著壓焊區(qū)。為了支撐本發(fā)明的半導體芯片的“長”邊側(cè)，懸臂狀連桿可以插入到引線中。例如在圖1和圖2中，連桿可以在引線之中和沿著和引線平行的方向形成，從而從左和右而不是如圖所示那樣從上和下方在半導體芯片之下延伸。
圖6說明本發(fā)明的另一種連桿形式。兩個懸臂狀連桿62均為H形。連桿的內(nèi)端在由虛線64表示的較大的半導體芯片之下延伸，或在由虛線65所表示的較小的半導體芯片之下延伸。連桿的外端伸向引線框架的橫條(未圖示)。如線64所表示的半導體芯片與H形連桿的中心部分66對準，並由其支撐。然而，這不是這種連桿的形狀所要求的。這種連桿形狀與所示的其它連桿形狀一樣，可以用于各種尺寸的半導體芯片。
在本發(fā)明的其它實施例中，可對前面所述的“叉狀”連桿的形狀加以改進以增加連桿的剛性。例如，對U形和H形而言，可用一個附加部分將連桿的自由端連在一起，以防止或限制各端在Z軸方向(垂直方向)上的獨立運動，或換句話說，保持連桿的平面性。這種附加部分可以做成直的，也可以做成圓形的，以減少封裝后的器件內(nèi)產(chǎn)生的應力。
以上的描述表明了本發(fā)明的許多優(yōu)點。特別是已經(jīng)披露了可以用懸臂狀連桿支撐半導體芯片，以減少塑料封裝器件內(nèi)部的總的塑料-金屬界面。該界面的減少降低了界面處內(nèi)部剝離的可能性，從而降低了外殼龜裂的可能性。此外，懸臂狀連桿是互相分離的這一事實減少了可能發(fā)生的任何一個剝離的面積。如有一個連桿與包封塑料的界面處發(fā)生剝離，該剝離區(qū)域也不會波及到另一根連桿。換言之，兩根連桿中每一個上出現(xiàn)的剝離均與另一個無關。本發(fā)明的附帶的優(yōu)點是應用懸臂狀連桿使多種尺寸的芯片可由連桿來支撐。還有一個優(yōu)點是實施本發(fā)明不用增加板狀構(gòu)件的成本?？梢杂门c現(xiàn)行引線框架同樣的價格來制造本發(fā)明所用的引線框架，或由于制造量較大而導致較低的價格。隨著任何工具改進所導致的其它的制造成本的增加是極少的。
顯然，根據(jù)本發(fā)明的無支撐板半導體器件及其制造方法完全滿足前述要求和優(yōu)點。盡管已參考具體的實例描述了本發(fā)明，但這並不說明僅局限于這些實施例。本領域的熟練技術人員均可以了解在不偏離本發(fā)明精神的范圍內(nèi)可作出各種改進和變動。例如，本發(fā)明沒有具體地限定U形、T形和H形連桿的形狀。此外，本發(fā)明也沒有局限于任一特殊的外殼形狀。本發(fā)明的器件的連桿可以設置在低于器件的引線的位置這一點也是很重要的，這可以象圖3所示那樣把芯片放大器件內(nèi)所需要的高度。而且，本發(fā)明器件的連桿可包括對準特征，來幫助在芯片粘結(jié)時對準半導體芯片。另外，本發(fā)明不以任何方式局限于器件所用的半導體芯片的類型。盡管使用存儲器芯片的器件可能將從本發(fā)明得到不少益處，其實用其它類型的芯片(如微控制器、模擬器件等)一樣可以獲益。因此，本發(fā)明包括所有在所附權(quán)利要求的范圍內(nèi)變動和改型。
權(quán)利要求
1.一種無支撐板半導體器件(10)，其特征是一個包括以下兩部分的引線框架多根具有內(nèi)引線部分和外引線部分的引線(16)，其中內(nèi)引線部分限定出具有兩個相對側(cè)邊的芯片容納區(qū)；兩個從該芯片容納區(qū)相對兩側(cè)邊延伸到芯片容納區(qū)之內(nèi)的連桿(18)，這兩根連桿互相不在另一個之下延伸、互相保持分離，且各有一個柄部分(19)和支撐部分(21)；一個裝在兩個連桿的支撐部分上的半導體芯片(22)；用于將半導體芯片與引線的內(nèi)引線部分連接的裝置(28)；一個包封該半導體芯片和多根引線的內(nèi)引線部分的外殼本體(35)。
2.一種無支撐板半導體器件(10)，其特征是各具有一內(nèi)引線部分和一外引線部分的多根引線(16)，這些內(nèi)引線部分一起限定出一個芯片容納區(qū)，該芯片容納區(qū)有兩個第一相對側(cè)邊和兩個第二相對側(cè)邊，其中各第一相對側(cè)邊短于各第二相對側(cè)邊;兩個從各第一相對側(cè)邊延伸入芯片容納區(qū)的連桿(18)，各連桿有一柄部分(19)和支撐部分(21)，該柄部分基本與多根引線的外引線部分垂直，且支撐部分終止于芯片容納區(qū)內(nèi);粘結(jié)在各連桿上並由其支撐的一個半導體芯片(22)，該芯片完全覆蓋住各連桿的支撐部分;用于將半導體芯片與多根引線電連接起來的裝置(28);以及包封該半導體芯片及多根引線的內(nèi)引線部分的一個外殼本體(35)。
3.如權(quán)利要求1或2的半導體器件，其中，各連桿的支撐部分為叉狀，芯片放在該叉狀的支撐部分上。
4.如權(quán)利要求3的半導體器件，其中，連桿的叉狀支撐部分基本為U形或H形。
5.如權(quán)利要求3的半導體器件，其中，半導體芯片伸出在兩個連桿的叉狀支撐部分上。
6.如權(quán)利要求1或2的半導體器件，其中，各連桿的端部為T形。
7.如權(quán)利要求1或2的半導體器件，其中，外殼本體有四個側(cè)面，多根引線的外引線部分從外殼本體的兩個相對側(cè)向外延伸，兩根連桿中的每一個的端部與從引線框架上切下來后留下的兩個側(cè)邊之一齊平。
8.如權(quán)利要求1的半導體器件，其中，兩個連桿的支撐部分在芯片容納區(qū)限定出一個矩形區(qū)域，該矩形區(qū)域的面積小于芯片面積。
9.如權(quán)利要求1的半導體器件，其中，兩個連桿的支撐部分在芯片容納區(qū)限定出一個矩形區(qū)域，該矩形區(qū)域的面積大于芯片面積。
10.如權(quán)利要求1或2的半導體器件，其中，半導體芯片還部分覆蓋住兩個連桿的柄部分。
全文摘要
一種無支撐板半導體器件(10)，包括一具有多個壓焊區(qū)(26)的半導體芯片(22)，壓焊區(qū)經(jīng)焊線(28)與多根引線(16)電連接。芯片由兩個懸臂狀連桿(18)支撐。使用懸臂狀連桿減少了塑料封裝的器件中總的塑料-金屬界面面積，從而降低了內(nèi)部剝離和外殼龜裂的可能性。懸臂狀連桿也使得相同的引線框架設計可用于不同的芯片尺寸。懸臂狀連桿合適的形狀包括(但不限于)U形、T形和H形。
文檔編號H01L23/50GK1098558SQ9410395
公開日1995年2月8日 申請日期1994年3月21日 優(yōu)先權(quán)日1993年3月22日
發(fā)明者托姆·R·霍林斯沃斯, 邁克爾·B·邁克斯?jié)h恩 申請人:莫托羅拉公司