專利名稱：改進的倒裝芯片連接封裝的制作方法
技術領域：
本發(fā)明總的來說涉及半導體的固定和封裝，更具體地說，涉及將倒裝半導體固定到襯底上。
當前一般以管腳-柵格陣列(PGA)的形式向器件制造商提供需要成百個電連接的比較大的芯片，這時芯片是封裝在一個陶瓷外殼內，并提供大量的電連接管腳，這些管腳被排列成一個陣列，從管殼的一個表面伸出。目前還采用一些小外形集成電路(SOIC)和扁平外殼，它們通過一些固定在邊緣上的電觸點或管腳為封裝的芯片提供電連接。但是，所有這些技術都要求有一種將大的復雜芯片固定到管殼內的方法。
對于需要有成百個電連接的應用場合，很難將芯片固定到外殼內的襯底上。傳統(tǒng)的一些方法主要包括在芯片接觸區(qū)與外殼外面的管腳之間點焊細絲，但在目前芯片和管殼具有大量小尺寸的連接的情況下，這是不切實際的?，F(xiàn)已經開發(fā)出將芯片固定在襯底上的更實際的方法，而且通常也采用這些方法來將芯片直接固定在電路板上。
其中的一種方法是倒置法，就是利用沖擊工藝將倒置的芯片固定。倒裝芯片簡單說來就是將一個芯片倒置，使包含電路那面芯片最靠近將要被固定到的襯底。然后將此倒裝芯片物理和電固定到襯底上。
將倒裝芯片電連接到與襯底相連的導體上去是通過沖擊過程來完成的，它包括使焊料塊流入芯片和襯底的接觸區(qū)之間。一般是將焊料塊施加到集成電路芯片接觸區(qū)，然后在焊料塊加熱和流動之前將芯片倒置及定位。隨著焊料塊被加熱并能夠流動，由于流動的焊料塊產生的表面張力將使芯片經受一個細微的自對準過程。流過的焊料塊將在芯片和襯底的接觸區(qū)之間形成一個機械和電的連接，不過機械連接比較弱。同時，芯片表面由于流過焊料塊而暴露并懸在固定襯底的表面上。
為了密封暴露的芯片并在芯片和襯底之間形成較好的機械連接，通常在由焊料塊固定的芯片下面注入一層液態(tài)底層填料。底層填料由于芯片和襯底間的毛細作用而流動，因此要經過很長的時間，而且要從多個點注入，才能保證在芯片和襯底之間不存在未注入的空白點。為確保底層填料粘接良好，用于沖擊和流動的焊劑必須是可以用化學方法清除的，而且底層填料必須容易在芯片和襯底之間流動。一般采用基于環(huán)氧化合物的填料作為底層填料，其粘稠度應適合于正常流動，而且在凝固后的機械強度應該高。將底層填料加熱以把其溶劑排出，最后將模塑材料施加到已固定并底層填充的芯片上將其完全密封住。
這種工藝能較容易和有效地將一個芯片固定在襯底上，無論該襯底是一個PGA管殼的陶瓷襯底，還是一個印刷電路板，或者是希望將芯片固定在它上面的其它襯底。然而，目前的倒裝芯片工藝并不象所希望的那么有效。固定一個芯片所需的步驟和固定過程所占時間仍然很多，人們還希望找到更有效的方法。希望減少所用設備，減少固定一個倒裝芯片所需的步驟，以及減少固定一個倒裝芯片所需的時間，這些都將在本發(fā)明中加以討論。
圖2是按本發(fā)明一個實施例的安裝在襯底上的倒裝芯片。
圖3是按本發(fā)明一個實施例的芯片和襯底，其中的接觸面是一層非氧化金屬。
圖4是按本發(fā)明一個實施例的用于施加模塑底層填料的裝置。
圖5是按本發(fā)明一個實施例的用于施加模塑底層填料裝置的側視圖。
詳細說明在下面對本發(fā)明的實施例的詳細描述中，我們將參考作為其一部分的各附圖，圖中以示例方式表示出一些實施本發(fā)明的具體實例。這些實例都描述得很詳細，使得本領域技術人員能實施本發(fā)明，同時要指出，還可以采用其它的實施裝置，而且還可以對邏輯、機械、電氣及別的方面進行改變而不超出本發(fā)明的思想和范圍。因此，下面的詳細說明不能看成是一種限制，本發(fā)明的范圍只由所附的權利要求書確定。
我們希望將倒裝芯片固定到襯底上的方法不太復雜且費時不多，以及減少與目前工藝有關的制造時間及材料和設備成本。還希望固定方法能提供良好的粘附和可靠性，并能為固定的集成電路提供優(yōu)良的散熱性能。
本發(fā)明通過提供一種快速而可靠的將倒裝芯片固定在襯底上的方法來解決這些和其它一些問題。本發(fā)明提供一種在固定的集成電路芯片和襯底間注入模塑合成材料的方法，這對目前所用的比較費時而又不可靠的方法是一種改進。本發(fā)明所提供的固定方法在固定過程中不用加蠟或焊劑，因而在此過程中不需要應用溶劑或采取其它的清潔步驟。本發(fā)明還包含抗氧化和無鉛的焊料塊和接觸金屬，因而減少了對焊劑的需求，降低了小間距倒裝芯片(fine-pitch)應用中產生電遷移的危險。
目前的倒裝芯片工藝包括幾個步驟，并需要幾個設備來完成這些步驟。為了與本發(fā)明提供的改進相對比，這里對一種代表目前水平的特定工藝加以說明。首先，將一種焊劑加到襯底上，以幫助以鉛為基礎的焊料塊流入襯底和集成電路芯片之間。接著，將帶焊料塊的芯片倒置并安放在襯底上的適當位置。然后將已放置好的集成電路芯片和襯底在爐中加熱使焊料流動，一旦集成電路芯片連結則從爐中取出冷卻。此后將此組件用溶劑清洗除去焊劑，以保證底層填料粘接良好。最后，將一種液體底流材料加入到緊貼已固定的集成電路芯片的各邊，使它通過毛細作用流入已安裝的集成電路芯片和襯底間的間隙內。
液體底流需要持續(xù)到已固定的集成電路芯片和襯底間的空隙被完全填滿，這要耗費很多時間。從集成電路芯片各邊加入液態(tài)底層填料可以促使底層流動更快些，但隨著集成電路芯片的加大及芯片與襯底間的間隙的減小，這種方法的有效性將降低。本發(fā)明只需要幾秒鐘就能從底層填充一個普通的已固定的芯片，而通常的液態(tài)底層填充工藝需要一分鐘或更長的時間。例如，一個間隙為100μm，焊料塊間距為225μm的400mm方形芯片，如用標準的液體毛細底層填充工藝，需要45秒鐘才能完成，而采用這里所述的本發(fā)明的工藝僅需3秒鐘。普通毛細底層填充工藝要求的全過程包括焊劑連接，芯片安置，回流焊料塊，從多個位置去掉底層填料和凝固，這些對于普通的材料需要花費15至30分鐘。


圖1為固定在襯底上的普通倒裝芯片。芯片通過焊料塊103的回流而固定在襯底102上?；亓鞯暮噶蠅K將芯片接觸點104連至襯底接觸點105上，從而在芯片電路與襯底電路之間建立電連接。底層填料通過毛細作用流入芯片下面然后凝固。底層填料凝固后，將模塑化合物107施加到芯片和周圍的襯底上，以使芯片物理上固定在襯底上。
由焊料塊103所提供的在芯片觸點104和襯底觸點105之間的物理連接一般都不夠結實，當接點受到由于組件發(fā)熱，彎折或振動而產生的應力時，隨著時間的推移可靠性將變壞，因此必須用底層填料進一步加固。在施加底層填料之前，焊料應已應用到襯底上，芯片已被正確地安放到襯底上，連接的焊料塊應已回流，而且連在一起的芯片和襯底已用清洗溶劑將焊料去除。底層填料106一般為低粘度環(huán)氧樹脂或其它的高附著力材料，它們對應力破壞具有足夠的抵抗力。底層填料應施加到芯片和襯底間的間隙附近，使得毛細作用能將底層填料吸入芯片和襯底之間。通過毛細作用施加的底層填料往往要應用到一個以上的位置，以保證大的芯片能得到完全和有效的底層填充。
然而，隨著對較小的電子器件以及在芯片生產中所采用的較小間距半導體工藝的需求的增長，焊料塊間距和尺寸將減小，芯片尺寸將持續(xù)增加，以將更大量的元件支持在單個芯片上。因此，我們相信芯片尺寸將不斷增加，芯片和襯底間的間隙將持續(xù)減小，從而使通過毛細作用的底層填充過程耗時更多，可靠性更差。
所以，需要有一種新的芯片底層填充方法，這里公開的內容即能消除對毛細作用的依賴，又能提供一種更快更有效的工藝，它的實施所需的設備，時間和材料都較少。
圖2表示采用這種工藝將芯片固定到襯底上的一種實施裝置。其中芯片201是通過一種加熱的定位頭固定在襯底202上，焊料塊203在芯片觸點204和襯底觸點205之間回流。由于觸點上用的是不氧化的金屬表面(焊料塊在回流前不會粘在觸點上)，因而免除了加焊劑和去焊劑的步驟。最后，206表示一個模塑底層填料，它在一個施加步驟中取代了圖1所示普通倒裝芯片組件中底層填料和模塑化合物這兩種東西。
在圖3的實施例中，芯片301和焊料塊302一起同芯片觸點303相連，使得焊料塊302在放到襯底306上之后才回流。襯底觸點304被加工成帶有襯底觸點表面305，它由不氧化的金屬構成，用來促進無焊劑回流。
另一種實施例中的襯底觸點304包括鎳或銅等基金屬，而襯底觸點表面305由不氧化的金屬(如金或鈀)構成。焊料可以是任何可在適當低的溫度下流動的軟金屬，在某些實施例中是一種無鉛的含銀焊料。由于焊料可流動且容易粘接到金或鈀等不氧化的金屬表面上，因而不需要焊劑或以后的去焊劑過程。
圖4說明如何施加模塑底層填料206，這是在無焊劑的焊料回流后進行的。一個模塑化合物片被安放在下模塑模具402內的柱塞上，同時芯片和襯底組件404被安放在下模塑模具中一個開口內。上模塑模具403安放成與下模塑模具402相接觸，且其中有一個成一定形狀的芯片和襯底組件模塑孔405，一個模塑化合物片孔406，及一個連接孔405和406的模塑化合物溝槽407。
工作時，上模塑模具403和下模塑模具402被合在一起，同時由一個柱塞施加壓力至模塑化合物片401上。在一些實施例中，要將模塑化合物片加熱以使其容易流動，而化合物冷卻后將變得更加堅固。模塑化合物被壓力推著通過模塑化合物溝槽407，并進入上模塑模具403內由芯片和襯底組件模塑化合物孔405所形成的孔，以及下模塑模具402內的相應孔408中?？椎男螤詈涂變刃酒鸵r底組件的位置使得模塑化合物被壓入孔內，從而形成如圖2中206所示的模制底層填料。
圖5為本發(fā)明一種實施例的側視圖，包括一個上模塑模具501和一個下模塑模具502，用來在芯片和襯底組件503中產生模制底層填料。圖中示出一個處在活塞504上的模塑化合物片503，它帶有一個將模塑化合物與下模塑模具和活塞分開的隔離膜。芯片和襯底組件506位于下模塑模具內的一個孔中，在該處隔離膜也有一個開口，如圖5所示。上模具501也由隔離膜507蓋住，它包含芯片和襯底模塑化合物孔508(相當于圖4中的405)及模塑化合物溝槽509(相當于圖4中的407)。
為了將模塑化合物施加到芯片和襯底組件上，要將上下模塑模具合在一起，這樣柱塞504就將模塑化合物503擠入隔離膜505和507之間的模塑化合物溝槽509內。于是模塑化合物被擠入由上下模具形成的芯片和襯底模塑化合物孔508中，然后被擠入芯片和襯底組件的芯片和襯底間的間隙內。在一些實施裝置中，模塑化合物形成一定形狀的填角，如圖2所示處在芯片邊緣周圍，它是由模塑化合物孔508的幾何形狀所決定的。
在另外一些實施裝置中，芯片和襯底組件被由彈簧510偏壓的平臺推到與覆蓋著上模具501的隔離膜507靠接的位置，使得模具的頂部與隔離膜作物理接觸。這種實施裝置所產生的芯片和襯底組件在芯片的頂面沒有模塑化合物，此頂面不與模塑化合物相接觸，因而能有效地加上散熱片或所需的其它的裝置。還有一些別的實施裝置完全將芯片封裝在模塑化合物內，使芯片密封并受到保護。
本發(fā)明提供一種將芯片固定到襯底上的的改進方法。它提供了一種新型的將芯片電連接至襯底及從底層填充芯片和襯底間的間隙的方法。本發(fā)明大大減少了將芯片固定到襯底所需的時間和步驟數提供了一種只需要用比較簡單和便宜的材料和設備就能做到這些的方法。本發(fā)明不需要焊劑和清除焊劑，因而減少了在芯片固定過程中產生的化學副產品。本發(fā)明還提供一種非?？煽康墓潭ㄐ酒姆椒?，能比其它方法將更高比例的增強填充料加入底層填料中。本發(fā)明特別有利于固定具有比較小的焊料塊間距的芯片，因為采用加壓的底層填充工藝比通過毛細作用進行液體底層填充能更好地填滿芯片和襯底之間的空隙。
雖然上面示出和說明的是一些具體的實施裝置，但本領域技術人同可以知道，可以采用任何能達到同樣目的的裝置來替代所示的具體實例。本申請將包括本發(fā)明的任何修改或變更。本發(fā)明只由下面的權利要求書以及與之等效的全部范圍的限定。
權利要求
1.一種將集成電路芯片連接到襯底的方法，包括將焊料塊施加到接觸區(qū)；將倒置集成電路芯片置于所需位置，使焊料塊與集成電路芯片和襯底的接觸區(qū)相接觸；將焊料塊加熱以固定芯片，使焊料塊構成襯底和集成電路間的連接；通過將模塑化合物注入位于已固定的集成電路芯片之上的模塑模具內，來底層填充已固定的集成電路芯片和襯底之間的間隙。
2.如權利要求1所述的方法，其特征在于，焊料塊包括一種抗氧化的金屬合金。
3.如權利要求2所述的方法，其特征在于，抗氧化的金屬合金包括金和錫中至少一種金屬。
4.如權利要求1所述的方法，其特征在于，集成電路芯片的接觸區(qū)具有一個由抗氧化金屬合金組成的接觸表面。
5.如權利要求1所述的方法，其特征在于，襯底的接觸區(qū)具有一個由抗氧化金屬合金組成的接觸表面。
6.如權利要求1所述的方法，還包括在將模塑化合物注入模塑模具之前，將模塑化合物加熱。
7.如權利要求1所述的方法，其特征在于，模塑化合物基本上不含蠟。
8.如權利要求1所述的方法，還包括將一種隔離膜設在模塑模具和注入的模塑化合物之間。
9.如權利要求1所述的方法，其特征在于，模塑化合物包含70％至90％的二氧化硅。
10.如權利要求1所述的方法，其特征在于，模塑化合物包含75％至85％的二氧化硅。
11.如權利要求1所述的方法，其特征在于，模塑模具有一定形狀，且位于已固定的集成電路芯片之上，使得注入的模塑化合物進一步形成一種與已固定的集成電路芯片相鄰接的填角。
12.如權利要求1所述的方法，其特征在于，模塑模具有一定形狀，且位于已固定的集成電路芯片之上，使得注入的模塑化合物基本上不復蓋已固定的集成電路芯片的背面。
13.一種底層填充已固定的集成電路芯片和襯底之間的間隙的方法，包括將一種模塑化合物注入設于該固定的集成電路芯片之上的模塑模具中。
14.一種固定的芯片組件，包括一個固定到襯底上的的集成電路芯片；一種注入該芯片和襯底間的模塑化合物。
15.如權利要求14所述的固定的芯片組件，其特征在于，固定的集成電路芯片是一個倒裝芯片。
16.如權利要求14所述的固定的芯片組件，其特征在于，模塑化合物還形成與固定的集成電路芯片相鄰接的填角。
17.如權利要求16所述的固定的芯片組件，其特征在于，模塑化合物基本上不復蓋固定的集成電路芯片的背面。
18.如權利要求14所述的固定的芯片組件，其特征在于，模塑化合物基本上不含蠟。
19.如權利要求14所述的固定的芯片組件，其特征在于，模塑化合物包含70％～90％的二氧化硅。
20.如權利要求14所述的固定的芯片組件，其特征在于，模塑化合物包含75％～85％的二氧化硅。
21.如權利要求14所述的固定的芯片組件，還包含連接芯片和襯底的焊料塊，它由抗氧化的金屬合金組成。
22.如權利要求21所述的固定的芯片組件，其特征在于，抗氧化合金包含金和錫中至少一種金屬。
23.如權利要求14所述的固定的芯片組件，還包括至少一個處于集成電路芯片上的接觸區(qū)，它是由抗氧化的金屬合金構成的。
24.如權利要求14所述的固定的芯片組件，還包括至少一個處于襯底上的接觸區(qū)，它是由抗氧化的金屬合金構成的。
25.一種將集成電路芯片連接到襯底的方法，包括將焊料塊施到集成電路芯片的接觸區(qū)；將倒置的集成電路芯片置于所需的位置，使得焊料塊與襯底的接觸區(qū)相接觸；將焊料塊加熱以固定芯片，使得焊料塊在襯底和集成電路之間形成電連接和物理連接；將隔離膜施加到模塑模具的模塑表面上；將模塑模具置于固定的集成電路芯片上面；將模塑化合物注入隔離膜和固定的集成電路芯片之間，使得模塑化合物在固定的集成電路芯片和襯底之間形成底層填料，并進一步形成與已固定的芯片鄰接的填角。
全文摘要
本發(fā)明提供一種將集成電路芯片連接到襯底的方法。該方法包括將焊料塊施加到接觸區(qū)，并將倒置的集成電路芯片置于所需位置，使得焊料塊與集成電路芯片和襯底的接觸區(qū)相接觸。然后將焊料塊加熱以將芯片固定，使得焊料塊則形成襯底和集成電路之間的連接。將一種模塑化合物注入位于已固定集成電路芯片上面的模塑模具內，從而底層填充芯片和襯底之間的間隙。
文檔編號H01L21/56GK1451178SQ00817709
公開日2003年10月22日 申請日期2000年9月27日 優(yōu)先權日1999年10月26日
發(fā)明者K·伊施達, K·塔卡哈施, J·庫波塔 申請人:英特爾公司