專(zhuān)利名稱(chēng)：半導(dǎo)體倒裝芯片封裝及半導(dǎo)體倒裝芯片封裝的形成方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種倒裝芯片封裝，更特別涉及一種具有較佳的熱及機(jī)械性質(zhì)的倒裝 芯片封裝。
背景技術(shù)：
在半導(dǎo)體芯片封裝工業(yè)中，帶有集成電路的芯片一般安裝于封裝載體如基板、電 路板、或?qū)Ь€(xiàn)架上，使芯片電性連接至封裝外部。此種封裝法稱(chēng)為倒裝芯片安裝法，其中芯 片的主動(dòng)面以反裝的方式安裝于基板上，且芯片與基板一般為熱膨脹系數(shù)不匹配的不同材 料。如此一來(lái)當(dāng)元件生熱造成熱應(yīng)力時(shí)，芯片將會(huì)明顯地產(chǎn)生尺寸變化，且芯片與基板之間 的電性連接也會(huì)明顯翹曲。若不抵消熱膨脹系數(shù)不匹配的問(wèn)題，將會(huì)劣化芯片效能、損傷芯 片與基板之間的焊料連接、或造成封裝失效。目前倒裝芯片封裝在市場(chǎng)上正面臨越來(lái)越多的挑戰(zhàn)。當(dāng)芯片尺寸增加時(shí)，芯片與 基板之間的熱膨脹系數(shù)不匹配所造成的效應(yīng)也越明顯。在堆疊裸片封裝中，層狀裸片與封 裝之間的熱膨脹系數(shù)不匹配會(huì)比單裸片封裝更大。此外，高效裸片與環(huán)保需求的潮流，將使 改善封裝可信度的方法越來(lái)越困難且具挑戰(zhàn)性。微電子工業(yè)界已提供多個(gè)方法增加倒裝芯片封裝的可信度。一般常將封裝材料或 底部填充材料填入芯片與基板之間的縫隙，可在熱循環(huán)時(shí)降低施加于封裝的應(yīng)力。此外，一 般常用固定物圍繞封裝組合中的芯片。由于固定物為高剛性材料，封裝組合較不會(huì)產(chǎn)生翹 曲。為了進(jìn)一步增加倒裝芯片封裝的剛性，一般將散熱器或散熱片安裝于封裝頂。上述作 法可平衡芯片與基板之間因熱膨脹系數(shù)不匹配所造成的力，并幫助散熱。其他改善方法則 采用新穎基板材料如無(wú)機(jī)陶瓷，以改善倒裝芯片封裝的可信度。雖然公知技術(shù)可改善倒裝芯片封裝的熱及機(jī)械性質(zhì)，但在元件與系統(tǒng)等級(jí)的應(yīng)用 上仍有限制。如此一來(lái)，公知技術(shù)將無(wú)法最佳化設(shè)計(jì)等級(jí)。此外，部分公知技術(shù)僅限于應(yīng)用 在翹曲小于200微米的封裝中。由于上述或其他理由，目前亟需改善倒裝芯片封裝的熱及機(jī)械性質(zhì)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于改善倒裝芯片封裝的熱及機(jī)械性質(zhì)，并且最佳化設(shè)計(jì)等級(jí)。本發(fā)明提供一種半導(dǎo)體封裝結(jié)構(gòu)，包括第一基板，具有第一表面，以及位于第一表 面相反側(cè)的第二表面；半導(dǎo)體芯片，以焊料凸塊安裝于第一基板的第一表面上；導(dǎo)熱固定 物，安裝于第一基板的第一表面上并圍繞芯片，以定義空洞區(qū)于導(dǎo)熱固定物與芯片之間；一 個(gè)或多個(gè)模塑復(fù)合材料，位于空洞區(qū)中；以及第二基板，以焊球安裝于第一基板的第二表面 上。本發(fā)明也提供一種倒裝芯片封裝，包括第一基板，具有第一表面，以及位于第一表 面相反側(cè)的第二表面；半導(dǎo)體芯片，以焊料凸塊安裝于第一基板的第一表面上；導(dǎo)熱固定 物，安裝于第一基板的第一表面上并圍繞芯片，以定義空洞區(qū)于導(dǎo)熱固定物與芯片之間；一個(gè)或多個(gè)模塑復(fù)合材料，位于空洞區(qū)中；以及第二基板，以焊球安裝于第一基板的第二表面 上。本發(fā)明還提供一種半導(dǎo)體倒裝芯片封裝的形成方法，包括提供第一基板，第一基 板具有第一表面，以及位于第一表面相反側(cè)的第二表面；以焊料凸塊安裝半導(dǎo)體芯片于第 一基板的第一表面上；安裝導(dǎo)熱固定物于第一基板的第一表面上并圍繞芯片，以定義空洞 區(qū)于導(dǎo)熱固定物與芯片之間；射出低粘度狀態(tài)的模塑復(fù)合材料于空洞區(qū)中；固化模塑復(fù)合 材料以硬化模塑復(fù)合材料；以焊球安裝第二基板于第一基板的第二表面上。本發(fā)明提供的倒裝芯片封裝具有較佳的熱與機(jī)械性質(zhì)，且此倒裝芯片封裝可應(yīng)用 于元件與系統(tǒng)等級(jí)并最佳化設(shè)計(jì)等級(jí)。


圖1是本發(fā)明一實(shí)施例中，半成品的倒裝芯片封裝的剖視圖；以及圖2是本發(fā)明另一實(shí)施例中，半成品的倒裝芯片封裝的剖視圖。其中，附圖標(biāo)記說(shuō)明如下5 底膠；7 頂膠；10 倒裝芯片封裝；20 第一基板；22 導(dǎo)熱固定物；25 模塑復(fù)合材料；30 芯片；32 芯片30的后表面；34 芯片30的前表面；40 焊料凸塊； 42 第一基板20的后表面；44 第一基板20的前表面；50 底部填充材料；52 熱界面材料；60 焊球；70 第二基板；80 散熱器； 110 空洞區(qū)。
具體實(shí)施例方式可以理解的是，下述內(nèi)容提供多種實(shí)施例以說(shuō)明本發(fā)明的多種特征。為了簡(jiǎn)化說(shuō) 明，將采用特定的實(shí)施例、單元、及組合方式說(shuō)明。然而這些特例并非用以限制本發(fā)明。為 了簡(jiǎn)化說(shuō)明，本發(fā)明在不同附圖中采用相同符號(hào)標(biāo)示不同實(shí)施例的類(lèi)似元件，但上述重復(fù) 的符號(hào)并不代表不同實(shí)施例中的元件具有相同的對(duì)應(yīng)關(guān)系。此外，形成某一元件于另一元 件上包含了兩元件為直接接觸，或者兩者間隔有其他元件這兩種情況。圖1顯示本發(fā)明一實(shí)施例中半成品的倒裝芯片封裝10的剖視圖。倒裝芯片封裝 10包含半導(dǎo)體元件如集成電路芯片(以下簡(jiǎn)稱(chēng)芯片30)。芯片30具有后表面32，與位于后 表面32相反側(cè)的前表面34。焊料凸塊40連接至芯片30的前表面34上的接觸墊(未圖 示)。焊料凸塊40將芯片30固定至芯片30下的第一基板20。第一基板20可為無(wú)機(jī)基板 如氧化鋁，或有機(jī)基板如FR-4或增層基板。焊料凸塊40接觸第一基板20的后表面42的 接觸墊(未圖示)。雖然此例采用焊料凸塊40將芯片30耦合至第一基板20，但本領(lǐng)域普 通技術(shù)人員應(yīng)理解其他可將芯片30耦合至第一基板20的方法也適用于本發(fā)明。為了改善倒裝芯片封裝組合中電性連接的可信度，可將封裝材料或底部填充材料 50填入芯片30與第一基板20之間的縫隙中。底部填充材料50具有高拉伸系數(shù)，可固定倒 裝芯片封裝10以保護(hù)芯片不受彎曲外力損害，以增加倒裝芯片封裝10的疲勞壽命。底部 填充材料50可包含市售環(huán)氧樹(shù)脂高分子。焊球60可固定于第一基板20的前表面44上的接觸墊(未圖示)，使其連接至第 二基板70。第二基板70可為印刷線(xiàn)路板(有時(shí)稱(chēng)作印刷電路板)或本領(lǐng)域普通技術(shù)人員所知的多層組件。為了進(jìn)一步增加倒裝芯片封裝10的剛性，本發(fā)明一實(shí)施例將一個(gè)或多個(gè)導(dǎo)熱固 定物(stiffener) 22安裝在第一基板20的后表面42上，且導(dǎo)熱固定物22圍繞芯片30以 定義空洞區(qū)110于兩者之間。導(dǎo)熱固定物22可由底膠5固定至第一基板。底膠5包含粘 膠或粘液材料如熱脂、銀膠、或焊料。底膠5可為機(jī)械層狀散布法形成的薄層。此外，底膠5 的形成方法可采用毛細(xì)作用。在一實(shí)施例中，導(dǎo)熱固定物22包含銅、碳化銅、銅鎢合金、鋁 硅碳化物、鋁、不銹鋼、鎳、或鍍鎳銅。為了符合特殊應(yīng)用的特定設(shè)計(jì)，導(dǎo)熱固定物22也可為 本領(lǐng)域普通技術(shù)人員所知的其他具有高熱膨脹系數(shù)的材料。如圖1所示，本發(fā)明一實(shí)施例可將一個(gè)或多個(gè)模塑復(fù)合材料(moldingcompound material) 25部分或?qū)嵸|(zhì)上填充于空洞區(qū)110中。模塑復(fù)合材料25可固定倒裝芯片封裝 10。模塑復(fù)合材料25與第一基板20的接觸表面越大越好，可增強(qiáng)倒裝芯片封裝10的結(jié)構(gòu) 以避免其扭曲或翹曲。在本發(fā)明另一實(shí)施例中，模塑復(fù)合材料25具有好的熱性質(zhì)，使芯片 30的熱能有效分散至環(huán)境、散熱器、或散熱片。在本發(fā)明又一實(shí)施例中，模塑復(fù)合材料25與 第一基板20的熱膨脹系數(shù)(CTE)實(shí)質(zhì)上相同。在本發(fā)明另一實(shí)施例中，模塑復(fù)合材料25、 芯片30、與第一基板20的CTE實(shí)質(zhì)上相同。由于模塑復(fù)合材料25、芯片30、和/或第一基 板20的CTE實(shí)質(zhì)上相同，倒裝芯片封裝10在熱產(chǎn)生時(shí)，倒裝芯片封裝的形變與封裝內(nèi)電性 連接的熱應(yīng)力均明顯降低。在一實(shí)施例中，可將較低粘度的模塑復(fù)合材料25施加至空洞區(qū)110中，接著再 以后續(xù)的固化步驟硬化模塑復(fù)合材料25。將模塑復(fù)合材料25施加或射至空洞區(qū)110中 的方法可為注射器或泵浦?？刹捎萌魏涡螒B(tài)的注射器將模塑復(fù)合材料25施加至空洞區(qū) 110中。在本發(fā)明一實(shí)施例中，未固化的粘態(tài)模塑復(fù)合材料25可為介電材料如具有高 強(qiáng)度、好的熱性質(zhì)、和抗芯片工藝高溫的環(huán)氧樹(shù)脂材料。未固化的液態(tài)環(huán)氧樹(shù)脂可具有 較低粘度，以利射出成型工藝。在一實(shí)施例中，模塑復(fù)合材料25為市售環(huán)氧樹(shù)脂如購(gòu)自 MasterbondCorporation 的 Masterbond Supereme IOAOHT0在本發(fā)明某些實(shí)施例中，模塑復(fù)合材料25也可包含聚酯材料、熱塑性材料、介電 材料、金屬、陶瓷、或含硅材料。模塑復(fù)合材料25可包含其他具有高強(qiáng)度、好的熱性質(zhì)、抗高 溫、和可由射出成型法或其他方法施加至空洞區(qū)等性質(zhì)的其他材料。在某些實(shí)施例中，模塑復(fù)合材料25的厚度介于約0. 5mm至約5mm之間。模塑復(fù)合 材料25的形狀可為方形、矩形、菱形、橢圓形、或多邊形。本領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解的是，模 塑復(fù)合材料25的形狀取決于第一基板20的尺寸和形狀。模塑復(fù)合材料25的尺寸也可取 決于芯片30的尺寸和形狀。當(dāng)芯片越大時(shí)，需采用越大尺寸的模塑復(fù)合材料以適當(dāng)?shù)卦黾?倒裝芯片封裝10的剛性和/或散熱性。為了符合特殊應(yīng)用的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，也可采用其他形狀 或組態(tài)的模塑復(fù)合材料25。在本發(fā)明另一實(shí)施例中，倒裝芯片封裝10也包含散熱器80，如圖2所示。散熱器 80可避免倒裝芯片封裝10過(guò)度翹曲，并可幫助散熱。散熱器80安裝于導(dǎo)熱固定物22上以 封裝其中的芯片30，并平衡芯片30與第一基板20之間因熱膨脹系數(shù)不匹配所造成的力。 散熱器80與導(dǎo)熱固定物22可為一體成型或分開(kāi)的單元，且實(shí)質(zhì)上包含具有較高熱膨脹系 數(shù)的材料。在一實(shí)施例中，散熱器80包含銅鎢合金、鋁硅碳化物、鋁、不銹鋼、銅、鎳、或鍍鎳 銅。為了符合特殊應(yīng)用的特定設(shè)計(jì)，散熱器80也可為本領(lǐng)域普通技術(shù)人員所知的其他具有高熱膨脹系數(shù)的材料。此外，散熱器80與導(dǎo)熱固定物22可包含本領(lǐng)域普通技術(shù)人員所知的其他具有高 熱膨脹系數(shù)的材料。然而在一實(shí)施例中，散熱器80與導(dǎo)熱固定物22采用實(shí)質(zhì)上相同的材 料，因此具有實(shí)質(zhì)上相同的熱膨脹系數(shù)。散熱器80以頂膠7耦合至導(dǎo)熱固定物22。如圖2所示，倒裝芯片封裝10可包含熱界面材料(TIM) 52于芯片30與散熱器80 之間。熱界面材料52可將芯片30生成的熱傳送至散熱器80，散熱器80再將熱散布至其 他單元如散熱片或環(huán)境中。熱界面材料52可為熱脂型材料或剛性材料(如環(huán)氧樹(shù)脂或焊 料)。在本發(fā)明上述實(shí)施例中，已提供具有較佳熱與機(jī)械性質(zhì)的倒裝芯片封裝10，且此 倒裝芯片封裝10可應(yīng)用于元件與系統(tǒng)等級(jí)并最佳化設(shè)計(jì)等級(jí)。雖然圖1和圖2的模塑復(fù) 合材料25應(yīng)用于倒裝芯片封裝結(jié)構(gòu)，但本領(lǐng)域普通技術(shù)人員應(yīng)理解可根據(jù)本發(fā)明將模塑 復(fù)合材料25應(yīng)用于任何型態(tài)的半導(dǎo)體封裝中。雖然本發(fā)明已以數(shù)個(gè)優(yōu)選實(shí)施例公開(kāi)如上，然其并非用以限定本發(fā)明，任何本領(lǐng) 域普通技術(shù)人員，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，當(dāng)可作任意的更動(dòng)與潤(rùn)飾，因此本發(fā)明 的保護(hù)范圍當(dāng)視隨附的權(quán)利要求所界定的保護(hù)范圍為準(zhǔn)。
權(quán)利要求
1.一種半導(dǎo)體倒裝芯片封裝，包括一第一基板，具有一第一表面，以及位于該第一表面相反側(cè)的一第二表面； 一半導(dǎo)體芯片，以焊料凸塊安裝于該第一基板的第一表面上； 一導(dǎo)熱固定物，安裝于該第一基板的第一表面上并圍繞該芯片，以定義一空洞區(qū)于該 導(dǎo)熱固定物與該芯片之間；一個(gè)或多個(gè)模塑復(fù)合材料，位于該空洞區(qū)中；以及 一第二基板，以焊球安裝于該第一基板的第二表面上。
2.如權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體倒裝芯片封裝，還包括一底部填充層填充并硬化于該半 導(dǎo)體芯片與該第一基板之間的縫隙。
3.如權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體倒裝芯片封裝，還包括一散熱器安裝于該導(dǎo)熱固定物 上，以密封該導(dǎo)熱固定物之中的半導(dǎo)體芯片。
4.如權(quán)利要求3所述的半導(dǎo)體倒裝芯片封裝，還包括一熱界面材料位于該半導(dǎo)體芯片 與該散熱器之間。
5.如權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體倒裝芯片封裝，其中該模塑復(fù)合材料包括環(huán)氧樹(shù)脂材 料、聚酯材料、熱塑性材料、介電材料、金屬、陶瓷、或含硅材料，其中該模塑復(fù)合材料的厚度 介于約0. 5mm至約5mm之間。
6.如權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體倒裝芯片封裝，其中該模塑復(fù)合材料的熱膨脹系數(shù)與該 第一基板的熱膨脹系數(shù)實(shí)質(zhì)上相同。
7.如權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體倒裝芯片封裝，其中該模塑復(fù)合材料的熱膨脹系數(shù)、該 第一基板的熱膨脹系數(shù)、與該第一基板的熱膨脹系數(shù)實(shí)質(zhì)上相同。
8.如權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體倒裝芯片封裝，其中該模塑復(fù)合材料于低粘度的狀態(tài) 下，以射出成型的方式形成于該空洞區(qū)中。
9.一種半導(dǎo)體倒裝芯片封裝的形成方法，包括提供一第一基板，該第一基板具有一第一表面，以及位于該第一表面相反側(cè)的一第二 表面；以焊料凸塊安裝一半導(dǎo)體芯片于該第一基板的第一表面上；安裝一導(dǎo)熱固定物于該第一基板的第一表面上并圍繞該芯片，以定義一空洞區(qū)于該導(dǎo) 熱固定物與該芯片之間；射出低粘度狀態(tài)的一模塑復(fù)合材料于該空洞區(qū)中； 固化該模塑復(fù)合材料以硬化該模塑復(fù)合材料； 以焊球安裝一第二基板于該第一基板的第二表面上。
10.如權(quán)利要求9所述的半導(dǎo)體倒裝芯片封裝的形成方法，還包括安裝一散熱器于該 導(dǎo)熱固定物上以密封該導(dǎo)熱固定物之中的半導(dǎo)體芯片。
全文摘要
本發(fā)明提供一種半導(dǎo)體倒裝芯片封裝以及半導(dǎo)體倒裝芯片封裝的形成方法。在一實(shí)施例中，半導(dǎo)體倒裝芯片封裝包含第一基板，其具有第一表面與位于第一表面相反側(cè)的第二表面；半導(dǎo)體芯片以焊料凸塊安裝于第一基板的第一表面上；導(dǎo)熱固定物安裝于第一基板的第一表面上并圍繞芯片，以定義空洞區(qū)于兩者之間；一個(gè)或多個(gè)模塑復(fù)合材料位于空洞區(qū)中；以及第二基板，以焊球安裝于第一基板的第二表面上。本發(fā)明提供的倒裝芯片封裝具有較佳的熱與機(jī)械性質(zhì)，且此倒裝芯片封裝可應(yīng)用于元件與系統(tǒng)等級(jí)并最佳化設(shè)計(jì)等級(jí)。
文檔編號(hào)H01L23/16GK102110660SQ20101019283
公開(kāi)日2011年6月29日 申請(qǐng)日期2010年5月27日 優(yōu)先權(quán)日2009年12月29日
發(fā)明者袁從棣 申請(qǐng)人:臺(tái)灣積體電路制造股份有限公司