利用金属框架和盖的隔间型屏蔽的制作方法

1.本发明一般而言涉及半导体器件，并且更具体地涉及一种半导体器件和使用利用金属框架和盖（cap）的隔间型屏蔽（compartment shielding）形成屏蔽半导体器件的方法。


背景技术：

2.半导体器件常见于现代电子产品中。半导体器件执行范围广泛的功能，诸如信号处理、高速计算、发射和接收电磁信号、控制电子设备、将日光变换成电力，以及为电视显示器创建视觉图像。半导体器件在通信、功率转换、网络、计算机、娱乐和消费者产品领域中被发现。半导体器件也在军事应用、航空、汽车、工业控制器和办公设备中被发现。
3.半导体器件常常易受到电磁干扰（emi）、射频干扰（rfi）、谐波失真或其他器件间干扰的影响，该器件间干扰诸如是电容、电感或导电耦合，也称为串扰（cross-talk），其可干扰半导体器件的操作。高速模拟电路（例如，射频（rf）滤波器）或数字电路也生成干扰。
4.导电层（conductive layer）通常形成在半导体封装上方，以屏蔽封装内的电子零件免受emi和其他干扰。被屏蔽的部件被封装在绝缘模塑料（molding compound）中，以及然后导电层被溅射到模塑料上以在部件周围形成屏蔽层。屏蔽层在信号可以击中封装内的半导体管芯和分立部件之前吸收emi，否则封装内的半导体管芯和分立部件可能会发生故障。屏蔽层也形成在具有预期要生成emi的部件的封装上方，以保护附近的器件。
5.半导体封装屏蔽的现有技术方法的一个问题在于，在封装部件上方形成屏蔽层是涉及若干昂贵步骤的复杂过程。屏蔽部件免受封装内干扰尤其昂贵，需要给密封剂挖沟并且沉积金属来填充沟槽（trench）。密封剂还限制了下层部件的热释放，这会导致器件热预算的问题。此外，在模塑料上形成的屏蔽层具有耐久性问题，并且易受剥落。因此，存在对一种用于半导体封装的改进的屏蔽机构的需要。
附图说明
6.图1a-1c图示了具有由锯道（saw street）分开的多个半导体管芯的半导体晶片；图2a-2k图示了使用金属框架和盖子的屏蔽半导体封装的形成；图3图示了双侧实施例；以及图4a和4b图示了将屏蔽封装集成到电子设备中。
具体实施方式
7.在下面参照各图的描述中，在一个或多个实施例中描述了本发明，其中类似的数字表示相同或相似的元件。虽然就实现本发明目的的最佳模式而言描述了本发明，但是本领域技术人员将领会到，本发明旨在覆盖可包括在如由所附权利要求及其等价物所限定的本发明的精神和范围内的替换、修改和等价物，所附权利要求及其等价物由以下公开内容和附图所支持。本文中使用的术语“半导体管芯”指的是词语的单数和复数形式两者，并且因此可以指的是单个半导体器件和多个半导体器件两者。
8.半导体器件通常使用两个复杂的制造过程来制造：前端制造和后端制造。前端制造涉及在半导体晶片的表面上形成多个管芯。晶片上的每个管芯包含有源和无源电部件，其被电连接以形成功能电路。诸如晶体管和二极管之类的有源电部件具有控制电流流动的能力。诸如电容器、电感器和电阻器之类的无源电部件在执行电路功能所必要的电压和电流之间创建关系。
9.后端制造指的是将完成的晶片切割或单体化成单个半导体管芯，并且针对结构支撑、电互连和环境隔离来封装半导体管芯。为了使半导体管芯单体化，沿着晶片的非功能区域（称为锯道或划线）对晶片进行刻痕和断裂。使用激光切割工具或锯片对晶片进行单体化。在单体化之后，单个半导体管芯被安装到封装衬底，所述封装衬底包括用于与其他系统部件互连的引脚或接触焊盘。然后，在半导体管芯上方形成的接触焊盘连接到封装内的接触焊盘。电连接可以用导电层、凸块、螺柱凸块、导电胶、接合线或其他合适的互连结构制成。密封剂或其他模塑料沉积在封装上方，以提供物理支撑和电隔离。然后将完成的封装插入到电系统中，并且使半导体器件的功能对其他系统部件可用。
10.图1a示出了半导体晶片100，其具有基础衬底材料102，诸如硅、锗、磷化铝、砷化铝、砷化镓、氮化镓、磷化铟、碳化硅或其他块状半导体材料。多个半导体管芯或部件104形成在晶片100上，由如上面所描述的无源管芯间晶片区或锯道106分开。锯道106提供切割区以将半导体晶片100单体化成单个半导体管芯104。在一个实施例中，半导体晶片100具有100-450毫米（mm）的宽度或直径。
11.图1b示出了半导体晶片100的一部分的截面图。每个半导体管芯104具有背面或非有源表面108和有源表面110，所述有源表面110包含被实现为有源器件、无源器件、导电层和电介质层的模拟或数字电路，其形成在管芯内或管芯上方，并且根据管芯的电设计和功能进行电互连。例如，电路可以包括形成在有源表面110内的一个或多个晶体管、二极管和其他电路元件，以实现模拟电路或数字电路，诸如数字信号处理器（dsp）、asic、mems、存储器或其他信号处理电路。半导体管芯104还可以包含用于rf信号处理的集成无源器件（ipd），诸如电感器、电容器和电阻器。半导体晶片100的背面表面108可以经历可选的背面研磨操作，该操作利用机械研磨或蚀刻工艺，以去除基底材料102的一部分并减小半导体晶片100和半导体管芯104的厚度。
12.使用pvd、cvd、电解电镀、化学镀工艺或其他合适的金属沉积工艺在有源表面110上方形成导电层112。导电层112包括一层或多层的铝（al）、铜（cu）、锡（sn）、镍（ni）、金（au）、银（ag）或其他合适的导电材料。导电层112操作为电连接到有源表面110上的电路的接触焊盘。
13.如图1b中所示，导电层112可以形成为与半导体管芯104的边缘相距第一距离并排设置的接触焊盘。替换地，导电层112可以形成为在多行中偏移的接触焊盘，使得第一行接触焊盘设置在离管芯边缘第一距离处，并且与第一行交替的第二行接触焊盘设置在离管芯边缘第二距离处。导电层112表示在半导体管芯104上方形成的最后导电层，其具有用于随后电互连到更大系统的接触焊盘。然而，在有源表面110上的实际半导体器件与用于信号路由的接触焊盘112之间可以形成有一个或多个中间导电和绝缘层。
14.使用蒸发、电解电镀、化学镀、球滴或丝网印刷工艺在导电层112上方沉积导电凸块材料。该凸块材料可以是al、sn、ni、au、ag、pb、bi、cu、焊料及其组合，具有可选的焊剂溶
液（flux solution）。例如，凸块材料可以是共晶sn/pb、高铅焊料或无铅焊料。使用合适的附着或结合工艺将凸块材料结合到导电层112。在一个实施例中，通过将材料加热到其熔点以上来回流凸块材料，以形成导电球或凸块114。在一个实施例中，导电凸块114形成在具有润湿层、阻挡层和粘附层的凸点下金属化（ubm）上方。导电凸块114也可以压缩结合或热压结合到导电层112。导电凸块114表示一种类型的互连结构，其可以形成在导电层112上方，以用于电连接到衬底。互连结构也可以使用接合线、导电胶、螺柱凸块、微凸块或其他电互连。
15.在图1c中，使用锯片或激光切割工具118通过锯道106将半导体晶片100单体化成单个半导体管芯104。可以对单个半导体管芯104进行检查和电测试，以用于单体化后的kgd的标识。
16.图2a-2k图示了形成具有半导体管芯104的屏蔽半导体封装150。图2a是用作制造封装的基底的衬底152的局部截面图。衬底152可以是从较大的面板单体化的单元衬底，或者可以作为较大的衬底面板的一部分而保留。使用本文中描述的相同步骤，通常在单个面板中形成数百或数千个封装。
17.衬底152包括与一个或多个导电层156交错的一个或多个绝缘层154。在一个实施例中，绝缘层154是芯绝缘板，具有在顶面和底面上方图案化的导电层156，例如覆铜层压衬底。导电层156还包括通过绝缘层154电耦合的导电通孔。衬底152可以包括任何数目的在彼此上方交错的导电层和绝缘层。焊料掩模或钝化层可以形成在衬底152的任一侧上方。在其它实施例中，任何合适类型的衬底或引线框（leadframe）被用于衬底152。
18.实现封装150的意图功能所希望的任何部件被安装到衬底152或设置在衬底152上方，并且电连接到导电层156。衬底152具有两个主要表面：顶面157和底面159。部件可以以任何合适的配置安装到顶面157和底面159上。
19.在图2b中，在衬底152上制造封装150开始于半导体管芯104a和分立部件164在底面159上的表面安装。首先安装底部部件，但是制造也可以以首先设置在顶面157上的部件进行。分立部件164（例如电阻器、电容器、电感器、晶体管或二极管）使用焊膏或另一合适的附着和连接机构安装在底面159上。焊膏在分立部件164的端子与底面159上的导电层156的接触焊盘之间回流。
20.在图2c中，衬底152被翻转（flip），并且半导体管芯104b、半导体管芯104c和附加的分立部件164被安装在顶面157上。半导体管芯104a-104c可以全部是来自同一晶片100的相同的半导体管芯。在其他实施例中，半导体管芯104a是数字处理器芯片，并且半导体管芯104b和104c是连接到半导体管芯104a以供处理器使用的闪速存储器或ram芯片。有源部件、无源部件和集成部件的任何合适的组合可以以任何合适的配置安装在顶面157和底面159上。
21.图2d和图2e示出了金属框架200，其将被安装到衬底152的顶面157，以便于屏蔽。图2d是从框架200下面的视图，而图2e是从上面的视图。在一个实施例中，框架200由一块金属片形成。该金属可以是铝、钢、铜、钛、金、银、其合金或任何其他合适的金属材料。在其他实施例中可以使用非金属材料。金属片被切割成合适的形状，然后折叠成图2d和图2e中看到的结构。在切割和折叠之后剩余的平坦金属片块作为框架的顶部202来起作用。
22.切割用于在折叠之前在框架200中形成多个开口204和翼片（flap）206。凹坑
（divot）208可选地在翼片206的边缘处形成到金属片中，以改进折叠翼片的可靠性，同时金属片的其余部分保持平坦。在图示的实施例中，凹坑208是半圆形的，但也可以是任何合适的多边形。凹口（notch）210形成在每个翼片206的边缘处。凹口210导致具有齿形（castellated）边缘的翼片206。翼片206是齿形的。围绕框架200的周边形成的凹口210具有穿过其形成的孔（hole）212，所述孔212将用来将盖子保持到框架200上。
23.可以使用激光切割机、模冲（die punch）或其他合适的方法来执行将金属片切割成框架200。在使用任何合适的制造工艺进行切割之后，翼片206全部朝向框架200的底部以90度角折叠。替代地，框架200可以被模制、加工或以其他方式形成为期望的形状。
24.图2f示出了使用例如拾取和放置操作来设置或安装到衬底152的顶面157上或者设置或安装在其上方的框架200的截面。翼片206围绕所安装的部件并且在所安装的部件之间向下定向，使得翼片的末端接触衬底152。顶部202远离衬底152定向。顶部202加强了框架200的强度，并且使制造期间的处理在没有损坏框架的情况下更加可靠。
25.翼片206围绕框架200的整个周边形成，以包围所有要被屏蔽的部件。此外，翼片206可选地形成在框架200内，以将屏蔽区分离成多个分别屏蔽的隔间（compartment）。框架200内部的翼片206（即不在周边上的翼片206）在顶面157上的部件之间（例如在管芯104b与管芯104c之间）提供屏蔽，使得不同的部件不会互相引起干扰。
26.没有凹口210的翼片206的区可以使用焊料220附接到衬底152的导电层156，如图2g的局部截面中所示。可以使用任何合适的表面安装或其他焊接技术来执行焊接。在一个实施例中，在将框架200设置到衬底上之前，焊料220作为焊膏设置在导电层156的接触焊盘上，然后回流以将框架物理和电耦合到衬底152。翼片206可以在翼片接触衬底200的每个地方被连续焊接，或者只有几个选择点可以被焊接，例如，对于四个角中的每一个只有焊料220的一个点。
27.图2h示出了通过凹口210的另一局部截面。凹口210在框架200与衬底152之间提供间隙，使得在焊剂清洁期间使用的去离子水如由箭头224指示的那样流出框架，而不是被截留在衬底152、翼片206与顶部202之间。用来清洁或以其他方式处理封装150的任何流体能够经由凹口210逸出框架200。导电层156可以在凹口210下延伸，或者可以包括如图示的断裂。
28.图2i示出了将安装在框架200上以完成屏蔽功能的盖子230。类似于框架200，盖子230由金属片形成。没有像框架200的孔204那样通过顶部232形成孔，使得盖子的金属片将在衬底152上的部件上方创建完全的覆盖。替代地，可以形成开口，导致选择的下层部件不被盖子230屏蔽。
29.通过将金属片切割成如与框架200一样的期望的形状，围绕盖子230的周边形成翼片236。翼片236以90度角折叠以形成盖子230的侧壁。缺口（indentation）242形成在翼片236中，在位置上对应于框架200的开口212的位置处。翼片236被折叠，使得缺口242朝向盖子的内部向内延伸。
30.盖子230的翼片236之间的内部宽度近似等于或稍大于框架200的周边翼片206之间的外部宽度。当盖子230如图2j中所示设置在框架200上时，翼片236围绕翼片206滑动。缺口242压在翼片206的外侧上，使盖子230的翼片236扩张。如图2k中所示，一旦盖子230被完全压下，翼片236向内弹回，其中盖子的缺口242部分压入框架200的开口212中。盖子230通
过盖子的弹性特征固定，保持缺口242压入开口212中。虽然示出了压入盖子230的外部从而创建朝向内部的凸块的缺口242，但是也可以创建向内定向的突起，同时使翼片236的外表面处于平坦。此外，开口212可以简单地是缺口，而不是完全通过翼片206形成的孔。开口212和缺口242作为固定盖子230的锁闩来起作用。
31.在图2k中增加了凸块248，用于将封装140安装到正在制造的器件的较大衬底上。凸块248类似于管芯104的凸块114来形成。如果必要的话，衬底152被单体化。图2k中的封装150是完成的半导体封装。组合金属屏蔽框架200和罐盖子230为封装150创建了完整的隔间型emi屏蔽。框架200和盖子230的组合在衬底152的顶面157上的所有部件上方和周围延伸，以提供彻底的屏蔽。翼片206还在不同部件之间向下延伸，以分隔屏蔽，以及由此减少封装内的干扰。
32.利用框架200和盖子230消除了通常用于被屏蔽的部件的密封剂，并且降低了在密封剂内创建隔间型屏蔽的复杂性。框架200和盖子230也比现有技术的方法更加可靠，这是由于盖子不易于从密封剂剥离。
33.图3示出了另一实施例，其中第二屏蔽形成在底面159上的部件上方。底部屏蔽包括具有翼片260和顶部262的框架，正如顶面157上的框架200一样。如果希望的话，在框架的中间内形成另外的翼片260，以创建隔间型屏蔽。翼片260包括全部与翼片206相同的特征，例如，齿形边缘和开口，以与盖子270上的凸块或缺口对接。包括翼片272的盖子270设置在底部框架上方，以完成底部屏蔽。翼片272包括延伸到翼片260中的开口或凹痕（dent）中的凸块或缺口。底部屏蔽260-272可以在图2b中安装其它底部部件之后立即设置在底部表面159上，或者在任何其它制造阶段设置在底部表面159上。
34.图4a和图4b图示了将上面描述的半导体封装（例如，封装150）结合到电子设备300中。图4a图示了安装到印刷电路板（pcb）或作为电子设备300的一部分的其他衬底302上的封装150的局部截面。凸块248回流到pcb 302的导电层304上，以将封装150物理附接和电连接到pcb。在其他实施例中，使用热压或其他合适的附接和连接方法。在一些实施例中，在封装150与pcb 302之间使用粘合剂或底部填充层。半导体管芯104通过衬底152和凸块248电耦合到导电层304。
35.图4b图示了包括pcb 302的电子设备300，所述pcb 302具有安装在pcb表面上的多个半导体封装，包括封装150。取决于应用，电子设备300可以具有一种类型的半导体封装或者多种类型的半导体封装。电子设备300可以是使用半导体封装来执行一个或多个电功能的独立系统。替代地，电子设备300可以是更大系统的子部件。例如，电子设备300可以是平板计算机、蜂窝电话、数码相机、通信系统或其他电子设备的一部分。电子设备300也可以是图形卡、网络接口卡或插入到计算机中的另一信号处理卡。半导体封装可以包括微处理器、存储器、asic、逻辑电路、模拟电路、rf电路、分立的有源或无源器件或其他半导体管芯或电部件。
36.在图4b中，pcb 302为安装在pcb上的半导体封装的结构支撑和电互连提供了通用衬底。使用蒸发、电解电镀、化学镀、丝网印刷或其他合适的金属沉积工艺来在pcb 302的表面上方或层内形成导电信号迹线304。信号迹线304提供半导体封装、安装的部件与其他外部系统或部件之间的电通信。迹线304还根据需要向半导体封装提供电源和接地连接。
37.在一些实施例中，半导体器件具有两个封装级别。第一级封装是一种将半导体管
芯机械地和电气地附接到中间衬底的技术。第二级封装涉及将中间衬底机械地和电气地附接到pcb 302。在其他实施例中，半导体器件可以仅具有第一级封装，其中管芯被机械地和电气地直接安装到pcb 302。
38.出于说明的目的，在pcb 302上示出了几种类型的第一级封装，包括接合线封装346和倒装芯片348。另外，包括球栅阵列（bga）350、凸块芯片载体（bcc）352、连接盘网格阵列（lga）356、多芯片模块（mcm）358、方形扁平无引线封装（qfn）360、方形扁平封装362和嵌入式晶片级球栅阵列（ewlb）364的几种类型的第二级封装被示出为连同封装150安装在pcb 302上。导电迹线304将设置在pcb 302上的各种封装和部件电耦合到封装150，从而将封装150内的部件的使用给予到pcb上的其他部件。
39.取决于系统要求，配置有第一和第二级封装风格的任何组合的半导体封装的任何组合以及其他电子部件可以连接到pcb 302。在一些实施例中，电子设备300包括单个附接的半导体封装，而其他实施例要求多个互连的封装。通过在单个衬底上方组合一个或多个半导体封装，制造商可以将预制部件结合到电子设备和系统中。因为半导体封装包括复杂的功能，所以可以使用较不昂贵的部件和流线型制造工艺来制造电子设备。结果得到的器件较不可能失效，并且制造起来较不昂贵，从而导致消费者的较低的成本。
40.虽然已经详细地说明了本发明的一个或多个实施例，但是技术人员将领会到，在不脱离如下面权利要求中阐述的本发明的范围的情况下，可以对那些实施例进行修改和改编。