專利名稱：倒裝焊封裝方法及封裝結(jié)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種倒裝焊封裝方法及封裝結(jié)構(gòu)，其通過倒裝焊方式封裝半導(dǎo)體芯片，特別涉及一種應(yīng)用合金熱壓合將芯片與散熱片結(jié)合的方法。
背景技術(shù)：
倒裝焊式半導(dǎo)體封裝技術(shù)是一種先進(jìn)的半導(dǎo)體封裝技術(shù)，該項(xiàng)技術(shù)與一般現(xiàn)有技術(shù)打線球柵陣列(WBBGA)半導(dǎo)體封裝技術(shù)最主要的區(qū)別在于該項(xiàng)技術(shù)將需要封裝的半導(dǎo)體芯片采用作用表面(即鋪設(shè)有多數(shù)電子電路與電子組件的芯片表面)朝下的倒置方式安裝于基板上，同時(shí)通過多個(gè)焊塊(SolderBumps)焊接來提供到基板的電連接，而后采用襯墊片(Underfill)方式將一絕緣性膠料填入相鄰焊塊之間，使得半導(dǎo)體芯片得以穩(wěn)固地接合在基板上。由于倒裝焊式封裝結(jié)構(gòu)中無需使用較占空間的焊線來使半導(dǎo)體芯片進(jìn)行電連接，因此能夠有效縮減封裝件的整體厚度，更符合輕薄短小的封裝趨勢(shì)。
但伴隨著芯片的集成電路功能的持續(xù)增長，芯片在工作中所產(chǎn)生的熱量亦隨之顯著成長，因此為防止芯片產(chǎn)生的熱量無法有效釋放而影響到芯片的可靠性，如何將芯片產(chǎn)生之熱量有效釋放到外界就成另一主要技術(shù)課題。特別是對(duì)于高消耗功率的產(chǎn)品，例如中央處理器(CPU，Central Processing Unit)及圖形處理器GPU(graphics processing unit)，熱量釋放能力是整體性能的指針。
倒裝焊式半導(dǎo)體封裝的散熱性能有一個(gè)關(guān)鍵的因素，是散熱板及芯片之間的熱導(dǎo)接口物質(zhì)(thermal interface material，TIM)。現(xiàn)有技術(shù)中常用于CPU的熱導(dǎo)接口物質(zhì)有樹脂類散熱膏，以及錫鉛焊料。
圖1至圖3，是現(xiàn)有技術(shù)倒裝焊式半導(dǎo)體的封裝工藝。首先將半導(dǎo)體芯片20a采用作用表面朝下的倒置方式安裝于基板30a上并且經(jīng)過回焊爐，該基板30a底面設(shè)有多個(gè)接腳31a，其與半導(dǎo)體芯片20a電連接。
接著，采用襯墊片(Underfill)方式將一絕緣性膠料32a填入相鄰焊塊之間使得半導(dǎo)體芯片20a穩(wěn)固地接合在基板30a上。
最后，將嵌入式散熱板10a通過熱導(dǎo)接口物質(zhì)12a粘合在半導(dǎo)體芯片20a上。為防止水氣對(duì)半導(dǎo)體芯片20a造成損壞，進(jìn)一步還將封裝膠體填充于散熱板10a及基板30a之間。
上述現(xiàn)有技術(shù)具有以下缺點(diǎn)1、樹脂類的熱導(dǎo)接口物質(zhì)的熱傳導(dǎo)率(thermal conductivity)太低，以致無法具有良好的熱量釋放能力。
2、樹脂類的熱導(dǎo)接口物質(zhì)，容易在散熱片及該芯片之間殘留小氣泡，經(jīng)過高溫時(shí)會(huì)產(chǎn)生氣爆，以致產(chǎn)生裂痕使散熱效果變差。
3、采用錫鉛焊料裝配于該芯片及散熱片之間，其熱阻仍然很大，另外焊料中的鉛存在環(huán)保方面的隱患。
4、以錫鉛焊料粘接時(shí)，由于芯片(硅)及焊料的熱膨脹系數(shù)(Coefficientof Thermal Expansion，CTE)差異過大，造成二者受熱形變量不一致，從而在接口產(chǎn)生應(yīng)力集中點(diǎn)，容易造成剝離或芯片的裂損。
因此若能提供一種在倒裝焊封裝上具有良好熱傳導(dǎo)率，以提高散熱能力及發(fā)揮整體性的能熱導(dǎo)接口物質(zhì)，是眾人所期盼的。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的主要目的是提供一種倒裝焊封裝方法及封裝結(jié)構(gòu)，其主要是提供一種具有金屬熱傳導(dǎo)率的熱導(dǎo)接口物質(zhì)，使倒裝焊型芯片的熱量能良好地傳導(dǎo)至散熱片而釋放到外界。
本發(fā)明的另一目的是提供一種倒裝焊封裝方法及封裝結(jié)構(gòu)，其能使散熱片及芯片良好結(jié)合，避免兩者之間產(chǎn)生應(yīng)力或氣泡。
為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明的倒裝焊封裝方法，包括下列步驟提供一散熱片，其具有一鍍有金膜的表面及一裸露面；提供一芯片，系具有一作用表面，其上設(shè)有接合點(diǎn)，及一接合面；加熱上述散熱片，并將上述芯片的接合面置于散熱片的金膜并使之交互磨擦，由此產(chǎn)生金硅的交互擴(kuò)散作用使芯片結(jié)合在散熱片上；將上述芯片的作用表面以倒裝焊方式設(shè)置于一基板上；及提供一底層填充，充填于該芯片及該基板之間。
為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明的倒裝焊封裝結(jié)構(gòu)，包括一散熱片，具有一鍍有金膜的表面及一裸露面；一芯片，其具有一作用表面，其上設(shè)有接合點(diǎn)，及一接合面；形成于該散熱片的該金膜及該芯片的該接合面之間的一金硅合金層；上述芯片的作用表面以倒裝焊方式設(shè)置于其上的一基板；及充填于該芯片及該基板之間的一底層填充。
以下結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)描述，但不作為對(duì)本發(fā)明的限定。


圖1是現(xiàn)有技術(shù)的倒裝焊封裝中芯片置于基板的示意圖。
圖2是現(xiàn)有技術(shù)的倒裝焊封裝中襯墊片的示意圖。
圖3是現(xiàn)有技術(shù)的倒裝焊封裝中散熱片粘接于芯片的示意圖。
圖4是本發(fā)明的倒裝焊封裝方法中散熱片鍍金膜的示意圖。
圖5是本發(fā)明的倒裝焊封裝方法中芯片與散熱片進(jìn)行熱壓合的示意圖。
圖6是本發(fā)明的倒裝焊封裝方法中芯片粘接于散熱片的示意圖。
圖7是本發(fā)明的倒裝焊封裝方法中芯片置于基板并進(jìn)行襯墊的示意圖。
其中，附圖標(biāo)記10a-散熱板12a-熱導(dǎo)接口物質(zhì)20a-芯片30a-基板31a-接腳32a-膠料10-散熱片12-金膜14-裸露面15-金硅合金層20-芯片21-作用表面
22-接合面212-接合點(diǎn)30-基板32-底層填充(底部填料)40-夾具具體實(shí)施方式
圖4至圖7是本發(fā)明的倒裝焊封裝方法各步驟示意圖。如圖4所示，本發(fā)明的倒裝焊封裝方法首先提供一散熱片10，該散熱片10具有一鍍有金膜12的表面及一裸露面14。
如圖5所示，提供一芯片20，具有一作用表面21，其上設(shè)有接合點(diǎn)212，及一接合面22；并且提供一夾具40夾持該芯片20的周圍，將芯片20的接合面22置于散熱片10的金膜12上。
對(duì)芯片20的接合面22與散熱片10的金膜12進(jìn)行合金熱壓合；由于芯片20主要是由硅構(gòu)成，因此產(chǎn)生金硅的交互擴(kuò)散作用使該芯片20粘接于散熱片10上。合金熱壓合是利用金—硅合金在溫度363℃時(shí)產(chǎn)生的共晶反應(yīng)特性進(jìn)行粘結(jié)固著，通常加熱至約425℃，由于金硅之間的交互擴(kuò)散作用而形成接合。合金熱壓合適宜在熱氮環(huán)境中進(jìn)行以防止硅高溫氧化。散熱片10與芯片20需要施加一交互磨擦作用以除去硅氧化表層，增加反應(yīng)面的潤濕性。
由于交互磨擦?xí)r也會(huì)產(chǎn)生熱能，因此加熱該散熱片的溫度范圍可以是在350℃以上、450℃以下。交互磨擦?xí)r會(huì)產(chǎn)生振蕩能，該振蕩能進(jìn)而轉(zhuǎn)化為熔化能，使得金膜和硅向彼此擴(kuò)散。其中交互磨擦芯片20的接合面22與散熱片10的金膜12的時(shí)間在15秒至25秒之間，即可形成金硅合金層15，當(dāng)然其交互磨擦的時(shí)間也可以更長。由于是借助金硅的擴(kuò)散作用，金硅合金層15的金與硅之間組成比例不是固定的，靠近該金膜12的部份金原子較多，而靠近該芯片10的部份硅原子較多。
由上述可知，本發(fā)明借助金硅合金層15以結(jié)合散熱片及該芯片，改善現(xiàn)有技術(shù)中熱傳導(dǎo)率低的情況，其熱傳導(dǎo)率遠(yuǎn)大于樹脂類的熱導(dǎo)接口物質(zhì)、及錫鉛焊。舉例來說Au/3Si為216W/m℃，TIM為0.88W/m℃，Sn63/Pb37為51W/m℃。因此本發(fā)明的熱傳導(dǎo)率為TIM的245倍，為錫鉛合金的4倍?，F(xiàn)有技術(shù)采用樹脂類的熱導(dǎo)接口物質(zhì)通常需要烘干，而錫鉛焊料需要經(jīng)過回焊爐高溫烘烤，本發(fā)明的金硅合金層所需的時(shí)間極短，可節(jié)省工藝時(shí)間。
本發(fā)明中該散熱片10可以通過一治具加以固定，并且可以利用治具加熱散熱片10的裸露面14。
在實(shí)際操作中，進(jìn)一步也可以由夾具40加熱芯片20。加熱該芯片的溫度較佳在150℃至200℃之間，不宜過高。
如第七圖所示，當(dāng)芯片20粘接固定于散熱片10之后，再將芯片20的作用表面21以倒裝焊方式設(shè)置于一基板30上。最后提供一底層填充32充填于芯片20及基板30之間。
由上述的倒裝焊封裝方法即可得到本發(fā)明的倒裝焊封裝結(jié)構(gòu)，包括散熱片10、一芯片20、形成于散熱片10的該金膜12及芯片20的接合面22之間的一金硅合金層；芯片20以倒裝焊方式設(shè)置于基板30上。底層填充32充填于該芯片20及該基板30之間。其中進(jìn)一步可以具有一封膠體包圍于散熱片10的周圍及基板30之間。
本發(fā)明的特點(diǎn)及功能如下一、本發(fā)明的倒裝焊封裝方法以具有金屬熱傳導(dǎo)率的熱導(dǎo)接口物質(zhì)—金硅合金層結(jié)合散熱片及芯片，使倒裝焊型芯片的熱量能良好地傳導(dǎo)至散熱片而釋放出去。
二、本發(fā)明的倒裝焊封裝方法能使散熱片及芯片結(jié)合良好，避免兩者之間產(chǎn)生應(yīng)力或氣泡。
三、本發(fā)明的倒裝焊封裝方法不具有鉛，不會(huì)造成環(huán)境的污染。
當(dāng)然，本發(fā)明還可有其他多種實(shí)施例，在不背離本發(fā)明精神及其實(shí)質(zhì)的情況下，熟悉本領(lǐng)域的技術(shù)人員可根據(jù)本發(fā)明作出各種相應(yīng)的改變和變形，但這些相應(yīng)的改變和變形都應(yīng)屬于本發(fā)明權(quán)利要求的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1.一種倒裝焊封裝結(jié)構(gòu)，其特征在于，包括一散熱片，具有一鍍有金膜的表面及一裸露面；一芯片，具有一作用表面，其上設(shè)有接合點(diǎn)、及一接合面；形成于所述散熱片的金膜及接合面之間的一金硅合金層，所述芯片的作用表面以倒裝焊方式設(shè)置其上的一基板；及充填于該芯片及該基板之間的一底層填充。
2.按照權(quán)利要求1所述的倒裝焊封裝結(jié)構(gòu)，其特征在于，進(jìn)一步具有一封膠體包圍于所述散熱片的周圍及所述基板之間。
3.一種倒裝焊封裝方法，其特征在于，包括以下步驟提供一散熱片，其具有一鍍有金膜的表面及一裸露面；提供一芯片，該芯片具有一作用表面，其上設(shè)有多個(gè)接合點(diǎn)、及一接合面；及所述芯片的接合面和散熱片的金膜之間通過合金熱壓合，產(chǎn)生金硅的交互擴(kuò)散作用使芯片與散熱片結(jié)合；將上述芯片的作用表面以倒裝焊方式設(shè)置于一基板上；及提供一底層填充，填充于該芯片及該基板之間。
4.按照權(quán)利要求3所述的倒裝焊封裝方法，其特征在于，還包括提供一夾具夾合所述芯片，以將該芯片的接合面置于散熱片的金膜。
5.按照權(quán)利要求4所述的倒裝焊封裝方法，其特征在于，進(jìn)一步包括利用所述的夾具加熱所述芯片。
6.按照權(quán)利要求5所述的倒裝焊封裝方法，其特征在于，加熱所述芯片的溫度在150℃至200℃之間。
7.按照權(quán)利要求3所述的倒裝焊封裝方法，其特征在于，還包括提供一治具以固定該散熱片。
8.按照權(quán)利要求7所述的倒裝焊封裝方法，其特征在于，還包括利用上述治具加熱所述散熱片的裸露面。
9.按照權(quán)利要求7所述的倒裝焊封裝方法，其特征在于，加熱所述散熱片的溫度范圍在350℃以上450℃以下。
10.按照權(quán)利要求3所述的倒裝焊封裝方法，其特征在于，還包括交互磨擦所述芯片的接合面與散熱片的金膜。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種倒裝焊封裝方法及封裝結(jié)構(gòu)，尤其涉及一種應(yīng)用合金熱壓合的方法使芯片結(jié)合于散熱片上，使芯片的熱量能良好地傳導(dǎo)至散熱片，以確保芯片正常運(yùn)作。該倒裝焊封裝方法，包括下列步驟提供一具有一鍍有金膜的表面及一裸露面的散熱片；提供一芯片，該芯片有一作用表面，其上有接合點(diǎn)及一接合面；加熱散熱片并將芯片的接合面置于散熱片的金膜并使之交互摩擦，由此產(chǎn)生金硅的交互擴(kuò)散作用使芯片結(jié)合于散熱片上；將芯片的作用表面以倒裝焊方式設(shè)置于一基板上；及提供一底層填充，填充于芯片及基板之間。
文檔編號(hào)H01L21/02GK1755921SQ20041007935
公開日2006年4月5日 申請(qǐng)日期2004年9月30日 優(yōu)先權(quán)日2004年9月30日
發(fā)明者楊智安 申請(qǐng)人:威盛電子股份有限公司