本申请涉及具有用于在表面不连续处的应力缓解的柱体的半导体器件，并且公开一种半导体器件(100)，其包含：第一主体(102)，其具有第一热膨胀系数(CTE)和第一表面(102a)；第三主体(111)，其具有第三CTE和面向第一表面的第三表面(111d)，和相对于第三表面成角度以限定第三主体(111)的边缘的第四表面；以及第二主体(103)，其具有高于第一和第三CTE的第二CTE，第二主体(103)接触第一和第三表面。一种具有低于第二CTE的第四CTE的柱体横切第二主体并且接触该边缘。
【技术实现步骤摘要】
具有用于在表面不连续处的应力缓解的柱体的半导体器件交叉引用本申请要求2016年12月30日提交的临时申请第62/441,152号的权益，所述申请的全部内容以引用的方式并入本文中。
本公开总体涉及半导体器件和工艺领域，并且更具体地说涉及具有通过屏障阻挡水分浸入并且缓解应力来保护的焊料凸块的封装半导体器件的结构和制造方法。
技术介绍
在用于半导体器件的塑料包封的方形扁平无引脚(QuadFlatNo-Lead；QFN)封装件中，HotRodTM封装件系列因其被热增强并且由此尤其适用于高功率器件而最近显现出高流行度。HotRod封装件使用被设计有电源总线和粗铜引线的金属引线框和焊料盘；半导体芯片端子通过焊料球或凸块连接到引线框，而不是通过引线键合。芯片的焊料凸块连接按照惯例被称作倒装芯片装配。引线框构造导致相对于传统引线封装件改进电学和热学性能的节约成本的先进模塑封装件。另外，芯片端子与引线之间的引线键合的去除通过使电学寄生最小化而改进应用效率。封装件大小通过被包封芯片大小和信号引脚的数目来确定。除芯片的倒装芯片装配在封装件内部以外，半导体封装件的外部端子通过焊料凸块的阵列附接到衬底或板的焊盘(pad)。对于这些器件连接以及封装件内的芯片连接，从倒装芯片装配技术的引入已知，由于半导体器件材料(例如硅、金属引线和金属焊盘)和塑料材料(例如封装件和衬底)之间的热膨胀(CTE)系数的巨大差异，焊料连接件可能承受严重的热机械应力。焊料连接件的可靠性可以通过使装配的半导体器件经受温度循环来测试，其中使装配的封装件经受-55℃与+125℃之间的快速温度波动。已经示出这些温度波动使组装件经受压缩和拉伸两种应力并且可能导致接合点处的金属疲劳和微裂纹。进而微裂纹可能通过水分的存在而严重恶化。已经观察到水分引起的塑料封装的半导体器件的故障并且已研究许多年。例如，由环氧树脂基模塑化合物制备的塑料封装件可以在约一天的时间段内被离散的水分子穿透。然而，只要在封装内的塑料化合物与器件组件(半导体芯片、金属引线框、衬底等)之间存在良好的粘合性，并且穿透的水分子不能积聚以在自由表面上形成水薄膜，则这种穿透不会导致有问题的情况。相比之下，当一些界面已发生分层并且已经能够形成水薄膜时，温度的快速上升可能使水蒸发并且在该组件与该封装材料之间引发膨胀内部压力。膨胀压力可以高到足以使薄点处的封装材料凸起并且最终导致穿过封装材料的裂纹。作为示例，当加热封装的器件以便回流焊该器件焊料球以将器件附接到板时，温度可能快速上升超过水的沸点。在文献中，由蒸汽压力造成的局部封装件开裂的现象被称为爆米花效应。伴随观察到的器件故障，爆米花效应多年来一直是令人沮丧的可靠性问题。已尝试多种方法通过增强不同器件组件(封装化合物、半导体芯片、衬底、引线框等)之间的粘合性来防止器件分层和封装件开裂。这些努力为：以化学方式纯化模塑化合物；刚好在模塑工艺之前例如通过等离子体来激活引线框金属表面；通过氧化基底金属或通过沉积特定金属层(例如粗锡)来增强引线框金属对聚合化合物的亲和力；压印(coining)引线框以产生凹坑和其他三维表面特征和粗糙度，以改进封装材料与封闭部件的表面的互锁。然而，所有这些努力的成效仅为部分并且有限的。
技术实现思路
一个实施例公开一种半导体器件。该半导体器件包含：第一主体，其具有第一热膨胀系数(CTE)和第一表面；第三主体，其具有第三CTE和面向该第一表面的第三表面，和相对于该第三表面成角度以限定该第三主体的边缘的第四表面；以及第二主体，其具有高于第一CTE和第三CTE的第二CTE，该第二主体接触第一表面和第三表面。具有低于第二CTE的第四CTE的柱体横切第二主体并且接触该边缘。另一实施例公开一种半导体器件。该半导体器件包含具有由金属层加盖(topped)的集成电路的半导体芯片并且该层的金属具有第一热膨胀系数(CTE)。聚合物层在金属层上并且该聚合物层具有含侧壁的窗口。该窗口暴露金属层的表面。聚合物层具有高于第一CTE的第二CTE。半导体器件包含具有颈部和本体的金属凸块，其中颈部触及(touching)窗口侧壁并且接触金属层的表面。本体在平行于金属层的表面上延伸直到边缘。凸块的金属具有低于第二CTE的第三CTE。柱体在边缘处横切聚合物层。柱体接触该边缘和金属层。柱体的金属具有低于第二CTE的第四CTE。又一实施例公开一种用于制造半导体器件的方法。将聚酰亚胺层沉积在半导体芯片的金属层上。然后，在聚酰亚胺层中打开第一窗口以暴露金属层。在该窗口中形成柱体并且然后形成金属凸块，该金属凸块与金属凸块的边缘上的柱体对准。附图说明图1A是具有附接到衬底的金属凸块的半导体器件的一部分的横截面。图1B是详细说明热机械应力集中的位置中的柱体的位置的横截面。图2展示在图1A的器件中的不连续表面的位置处由热机械应力集中造成的穿过聚合物层的裂纹的显微照片。图3展示在图1A的器件中由热机械应力集中造成的穿过金属层的裂纹的显微照片。图4描绘以示例性制造工艺流程在半导体器件的顶部金属上使聚合物层图案化的步骤，该图案包含穿过该聚合物层以暴露金属表面的窗口。图5说明用光致抗蚀剂层旋涂经图案化的聚合物层的工艺步骤。图6展示在光致抗蚀剂层中形成与聚合物层中的窗口嵌套的开口的工艺步骤。图7描绘根据示例性制造工艺流程在聚合物层的每个窗口中电镀金属层的步骤。图8说明移除图5的光致抗蚀剂层，从而暴露聚合物层的窗口中的顶部金属表面的工艺步骤。图9展示在器件表面上旋涂另一光致抗蚀剂层，随后打开暴露顶部金属和柱体的表面的窗口的工艺步骤。图10描绘根据制造工艺流程穿过柱体、顶部金属和邻接聚合物层的暴露的表面溅射粘性凸块下金属层，以及在凸块下金属层上电镀金属凸块的步骤。图11说明剥离图9的光致抗蚀剂层的工艺步骤。图12展示一种替代性制造工艺流程的步骤，其中将光致抗蚀剂层旋涂在半导体器件的顶表面金属上。图13描绘根据替代性制造工艺流程在光致抗蚀剂层中放置柱体的位置处打开窗口的步骤。图14说明根据替代性制造工艺流程在光致抗蚀剂窗口中电镀柱体的步骤。图15展示剥离图12的光致抗蚀剂层，从而暴露被电镀的柱体用于进一步处理的步骤。图16展示根据实施例的半导体器件的一部分的3D视图。具体实施方式分析在包含暴露在水分以及温度循环和电偏置下的高加速应力测试中不合格的半导体器件，显示在绝大多数故障中，根本原因是由聚合化合物制成或由邻近的金属层制成的层中的裂纹，导致电短路。在统计上，大部分裂纹发现于组成部件的相邻表面不连续或大幅度变化的器件位置处。此类不连续包含凸块的颈部(其使附接到其它部件的凸块变窄)和另外光滑的二维和三维表面中的突出物和峰。热机械应力在测试和操作条件期间的建模显示二维和三维的不连续致使热机械应力集中在较窄面积和体积中。虽然弹性和塑性材料的特征为通常能够耐受均匀的应力分布或少量应力集中，但持久的暴露或集中最大值很可能超过材料特征的耐受极限，并且引发微裂纹。通过在表面中的一个展现表面的不连续性的位置处用坚固的柱体横切高CTE的主体来解决在具有高热膨胀系数的受具有较低CTE的主体限制的主体的高应力区域中发生的微裂纹问题。该方法已通过数据和在测试和操作条件下的半导体器件中对热机械应力的建模来确认。作为半导体技术的本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种半导体器件，其包括：第一主体，所述第一主体具有第一热膨胀系数即CTE和第一表面；第三主体，所述第三主体具有第三CTE和面向所述第一表面的第三表面，以及第四表面，所述第四表面相对于所述第三表面成角度以限定所述第三主体的所述第三表面与所述第四表面之间的边缘；第二主体，所述第二主体具有高于所述第一CTE和所述第三CTE的第二CTE，所述第二主体接触所述第一表面和所述第三表面；以及柱体，所述柱体具有低于所述第二CTE的第四CTE，所述柱体横切所述第二主体并且接触所述边缘。
【技术特征摘要】
2016.12.30 US 62/441,152;2017.12.07 US 15/835,1971.一种半导体器件，其包括：第一主体，所述第一主体具有第一热膨胀系数即CTE和第一表面；第三主体，所述第三主体具有第三CTE和面向所述第一表面的第三表面，以及第四表面，所述第四表面相对于所述第三表面成角度以限定所述第三主体的所述第三表面与所述第四表面之间的边缘；第二主体，所述第二主体具有高于所述第一CTE和所述第三CTE的第二CTE，所述第二主体接触所述第一表面和所述第三表面；以及柱体，所述柱体具有低于所述第二CTE的第四CTE，所述柱体横切所述第二主体并且接触所述边缘。2.根据权利要求1所述的器件，其中所述柱体具有顶表面和底表面以及形成选自由以下组成的群组的形状的侧面：圆形、六边形和矩形。3.根据权利要求2所述的器件，其中所述柱体包含金属。4.根据权利要求1所述的器件，其中所述边缘包含拐角或峰。5.根据权利要求1所述的器件，其中所述第一主体和所述第三主体各自包括金属。6.根据权利要求1所述的器件，其中所述第二主体包含聚合材料。7.根据权利要求1所述的器件，其中所述第一CTE为16×10-6K-1，所述第二CTE为33×10-6K-1，并且所述第三CTE为16×10-6K-1。8.根据权利要求1所述的器件，其进一步包括附接到所述第三主体上的衬底。9.根据权利要求8所述的器件，其进一步包括覆盖所述第三主体、第二主体和所述衬底的一部分的聚合封装化合物。10.根据权利要求1所述的器件，其中所述第三主体包含覆盖所述第三主体的所述第一表面并且触及所述柱体的一部分的铜或铜合金的凸块下金属层。11.一种半导体器件，其包括：半导体芯片，所述半导体芯片具有被金属层加盖的集成电路，所述层的所述金属具有第一热膨胀系数即CTE；聚合物层，...
【专利技术属性】
技术研发人员：J·M·威廉姆森，G·李，
申请(专利权)人：德克萨斯仪器股份有限公司，
类型：发明
国别省市：美国,US
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