本發(fā)明涉及半導(dǎo)體器件的制造領(lǐng)域，尤其涉及一種提高焊球疲勞壽命的硅島陣列結(jié)構(gòu)及倒裝芯片封裝方法。
背景技術(shù)：
：1961年，ibm公司發(fā)明了應(yīng)用于集成電路(integratedcircuit,ic)芯片封裝的倒裝芯片(flip-chip,fc)技術(shù)。fc技術(shù)是一種ic芯片有源面向下直接通過焊料與基板或印刷電路板(printedcircuitboard,pcb)互連的封裝形式。與引線鍵合技術(shù)和載帶自動鍵合技術(shù)等相比，fc技術(shù)可以將更多的芯片面積用于互連，而不是僅僅局限于ic芯片四周，極大地提高了i/o數(shù)。另外，得益于可控塌陷芯片連接(controlledcollapsechipconnection,c4)技術(shù)，fc技術(shù)在鍵合過程中具有良好的自對準(zhǔn)性。然而，由于芯片材料熱膨脹系數(shù)(2.5×10-6/k)和基板材料熱膨脹系數(shù)(16～24×10-6/k)之間的差異，在封裝模塊經(jīng)歷熱循環(huán)載荷時，焊球作為層間互連結(jié)構(gòu)會受到交變載荷，容易在與芯片的互連界面或者與pcb的互連界面處發(fā)生疲勞失效。具體可以參考圖1至圖3，三圖繪示了采用現(xiàn)有技術(shù)的芯片倒裝封裝結(jié)構(gòu)的示意圖，其包括芯片，基板，芯片焊墊，基板焊墊和焊球。其中，芯片焊墊位于芯片的上表面，以將芯片的電極性引出；焊球位于芯片焊墊和基板焊墊之間，通過這種連接關(guān)系，將芯片上的電極性通過基板引出。然而在實際應(yīng)用中，由于芯片和基板的膨脹系數(shù)不同，因此，在溫度變化時，焊球很容易發(fā)生形變，形變的大小與焊球高度，芯片大小以及基板厚度等因素相關(guān)，焊球的形變將導(dǎo)致焊球的疲勞斷裂和電學(xué)上的開路或者短路，而造成系統(tǒng)的失效。針對上述問題，本領(lǐng)域技術(shù)人員嘗試作了一些努力進行改善，例如，中國發(fā)明專利(專利號：zl201210428121.7)公開了一種倒裝芯片封裝方法，包括在一芯片上設(shè)置一組焊墊；將一組第一連接結(jié)構(gòu)和一組第二連接結(jié)構(gòu)依次間隔排列設(shè)置于所述焊墊之上；將所述芯片倒置于一基板上，所述芯片通過所述第一連接結(jié)構(gòu)和所述第二連接結(jié)構(gòu)與所述基板連接。以通過硬度減小的第一連接結(jié)構(gòu)來承擔(dān)由于芯片和基板的熱膨脹系數(shù)不同而導(dǎo)致焊球形變的熱應(yīng)力。然而，這種雙焊球結(jié)構(gòu)實際上會在一定程度上增加焊接結(jié)構(gòu)的不穩(wěn)定性，并且，第一連接結(jié)構(gòu)與第二連接結(jié)構(gòu)，即兩個焊球之間仍然容易出現(xiàn)應(yīng)力的集中，在封裝結(jié)構(gòu)經(jīng)歷熱循環(huán)載荷過程中，由于熱膨脹系統(tǒng)不同仍會導(dǎo)致兩個焊球的連接部分應(yīng)力集中，出現(xiàn)在該連接部分出現(xiàn)連接失效的可能。技術(shù)實現(xiàn)要素：針對上述現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，本發(fā)明的目的在于提供一種提高焊球疲勞壽命的硅島陣列結(jié)構(gòu)及倒裝芯片封裝方法。改變傳統(tǒng)技術(shù)思路，在不改變焊接連接結(jié)構(gòu)的前提下也可有效避免封裝結(jié)構(gòu)在經(jīng)歷熱膨脹過程中出現(xiàn)的連接失效問題。從而提高連接結(jié)構(gòu)的疲勞壽命，確保倒裝芯片封裝結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。為達上述目的，本發(fā)明采取的具體技術(shù)方案是：一種提高焊球疲勞壽命的硅島陣列結(jié)構(gòu)，形成于倒裝芯片封裝結(jié)構(gòu)中的集成電路芯片的有源面，包括：若干陣列布置的柱狀或臺狀硅島。進一步地，所述集成電路芯片包括硅襯底，所述柱狀或臺狀硅島通過刻蝕的方式形成于的硅襯底的表面。進一步地，所述刻蝕過程中在所述柱狀或臺狀硅島的周圍形成間隔槽。進一步地，所述間隔槽為方形槽、梯形槽或燕尾槽。進一步地，所述間隔槽的寬度范圍為5μm至50μm，深度范圍為5μm至50μm。一種倒裝芯片封裝結(jié)構(gòu)，包括：具有前述硅島陣列結(jié)構(gòu)的倒置于一基板的集成電路芯片；連接前述基板及集成電路芯片的一組連接結(jié)構(gòu)；各連接結(jié)構(gòu)與所述硅島陣列結(jié)構(gòu)形成對應(yīng)的陣列分布。進一步地，單個所述連接結(jié)構(gòu)包括設(shè)置于一硅島表面的一第一焊墊、設(shè)置于基板表面的一第二焊墊及連接第一焊墊與第二焊墊的一連接件。一種倒裝芯片封裝方法，包括以下步驟：1)將集成電路芯片的硅襯底劃分為多個陣列分布的區(qū)域；2)通過刻蝕在硅襯底表面各區(qū)域的邊緣形成間隔槽，由此在襯底表面形成多個陣列分布的長方體硅島；3)各硅島表面設(shè)置連接結(jié)構(gòu)；4)將設(shè)置連接結(jié)構(gòu)的硅襯底與基板互連。進一步地，步驟3)中所述連接結(jié)構(gòu)包括：形成于硅島表面的金屬層及互連線；通過植球或表面印刷的方式轉(zhuǎn)移到硅島表面的焊球。進一步地，步驟4)中設(shè)置連接結(jié)構(gòu)的硅襯底通過倒裝鍵合的方式與基板互聯(lián)。通過采取上述技術(shù)方案，本發(fā)明在集成電路芯片布置硅島陣列，以在集成電路芯片-焊球-基板或印刷電路板間因熱膨脹系數(shù)差異導(dǎo)致的變形過程中提供變形的空間。從而提高焊球在熱循環(huán)載荷條件下的熱機械可靠性，延長其疲勞壽命。附圖說明圖1為
背景技術(shù)：
中現(xiàn)有技術(shù)的fcob封裝結(jié)構(gòu)的剖面結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為
背景技術(shù)：
中現(xiàn)有技術(shù)的fcob封裝結(jié)構(gòu)的立體結(jié)構(gòu)示意圖。圖3為
背景技術(shù)：
中現(xiàn)有技術(shù)的fcob封裝結(jié)構(gòu)中芯片有源面俯面立體結(jié)構(gòu)示意圖。圖4為本發(fā)明一實施例中倒裝芯片封裝結(jié)構(gòu)的剖面結(jié)構(gòu)示意圖。圖5為本發(fā)明一實施例中倒裝芯片封裝結(jié)構(gòu)的立體結(jié)構(gòu)示意圖。圖6為本發(fā)明一實施例中倒裝芯片封裝結(jié)構(gòu)中芯片有源面俯面立體結(jié)構(gòu)示意圖。圖7a至圖7i為本發(fā)明一實施例中倒裝芯片封裝結(jié)構(gòu)的封裝工藝流程圖。圖8為本發(fā)明一實施例中疲勞壽命驗證時間中的熱循環(huán)載荷曲線。圖9為本發(fā)明一實施例中疲勞壽命驗證時間中的無硅島陣列結(jié)構(gòu)的fcob封裝形式的有限元網(wǎng)格。圖10為本發(fā)明一對比例中疲勞壽命驗證時間中的有硅島陣列結(jié)構(gòu)的fcob封裝形式的有限元網(wǎng)格。圖11為本發(fā)明一實施例中疲勞壽命驗證時間中的焊球/pcb界面處用于計算非彈性能量密度的層單元.圖12為本發(fā)明一實施例中疲勞壽命驗證時間中的平均等效蠕變應(yīng)變隨時間變化曲線圖。圖13為本發(fā)明一實施例中疲勞壽命驗證時間中的平均等效塑性應(yīng)變隨時間變化曲線圖。具體實施方式下面將結(jié)合本發(fā)明實施例中的附圖，對本發(fā)明實施例中的技術(shù)方案進行清楚、完整的描述。本申請針對硅芯片-焊球-pcb的板上倒裝芯片封裝形式(flip-chiponboard,fcob)，如圖4、圖5和圖6所示，提供了一種位于硅芯片有源面的硅島陣列結(jié)構(gòu)。形成于倒裝芯片封裝結(jié)構(gòu)中的集成電路芯片，包括：若干陣列布置的柱狀或臺狀硅島。硅島形狀柱狀或臺狀，包括但不限于方形柱、圓柱、類圓柱、多邊形柱，圓錐臺、倒錐臺、方錐臺等，考慮加工復(fù)雜程度，本實施例優(yōu)選硅島為方形柱，下文對于實施例的具體描述也參考方形柱的硅島。而采用其他形狀硅島，其形成過程僅存在些許工藝差別。該硅島陣列結(jié)構(gòu)在硅芯片-焊球-pcb間因熱膨脹系數(shù)差異導(dǎo)致的變形過程中提供變形的空間，能夠提高焊球在熱循環(huán)載荷條件下的熱機械可靠性，從而提高其疲勞壽命。應(yīng)用倒裝芯片封裝結(jié)構(gòu)，包括：具有前述硅島陣列結(jié)構(gòu)的倒置于一基板的集成電路芯片；連接前述基板及集成電路芯片的一組連接結(jié)構(gòu)；各連接結(jié)構(gòu)與所述硅島陣列結(jié)構(gòu)形成對應(yīng)的陣列分布。結(jié)合附圖，單個連接結(jié)構(gòu)包括設(shè)置于一硅島表面的一第一焊墊、設(shè)置于基板表面的一第二焊墊及連接第一焊墊與第二焊墊的一連接件。獲得上述封裝結(jié)構(gòu)的倒裝芯片封裝方法，主要包括以下步驟：首先，將集成電路芯片的硅襯底劃分為多個陣列分布的區(qū)域；然后，通過刻蝕在硅襯底表面各區(qū)域的邊緣形成間隔槽，由此在襯底表面形成多個陣列分布的長方體硅島；再然后，在各硅島表面設(shè)置連接結(jié)構(gòu)；最后，將設(shè)置連接結(jié)構(gòu)的硅襯底與基板互連。結(jié)合圖7a～圖7i，實現(xiàn)封裝的具體工藝流程如下：a)準(zhǔn)備硅片或硅襯底，包括劃片分離后的小片、4英寸晶圓、8英寸晶圓或者12英寸晶圓。b)～d)在硅襯底表面進行刻蝕，刻蝕過程中在柱狀或臺狀硅島的周圍形成間隔槽?？涛g區(qū)域，即形成間隔槽的區(qū)域深度為5μm～50μm、寬度為5μm～50μm；刻蝕后，硅襯底表面呈長方體陣列狀，這種襯底表面的長方體陣列狀以下統(tǒng)稱為硅島陣列；所形成硅島的具體尺寸、橫向間距和縱向間距的數(shù)據(jù)變化范圍較大，需根據(jù)具體的芯片尺寸和焊球尺寸進行選取。結(jié)合附圖，本實施例中，間隔槽為方形槽，在其他實施例中，也可以選用梯形槽或燕尾槽形狀的間隔槽。e)～g)在刻蝕硅島陣列后的硅襯底表面布線，包括焊球?qū)?yīng)區(qū)域的金屬層及互連線。h)通過植球或者表面印刷等工藝將焊球轉(zhuǎn)移到硅島區(qū)域。i)將帶有焊球的硅襯底通過倒裝鍵合工藝與pcb互連；至此，一種帶有硅島陣列的fcob封裝形式完成。為了驗證硅島陣列結(jié)構(gòu)對焊球疲勞壽命的影響，本申請通過有限元仿真技術(shù)，對比有無硅島陣列結(jié)構(gòu)情況下的焊球疲勞壽命，驗證了硅島陣列結(jié)構(gòu)提高焊球疲勞壽命的可行性。有無硅島陣列的fcob封裝形式的有限元模型如圖2和圖5所示。采用六面體網(wǎng)格劃分技術(shù)，保證模型之間網(wǎng)格尺寸和網(wǎng)格劃分種子密度等的一致性。模型具體尺寸：基板尺寸：長4mm、寬4mm、高0.8mm；芯片尺寸：長1.705mm、寬1.18mm、高0.498mm；焊球尺寸：焊球半徑0.10mm、焊球高度0.16mm；焊球間距：沿芯片長度方向的間距為0.46mm，沿芯片寬度方向的間距為0.44mm；建模比例為1:1。熱循環(huán)載荷曲線(-55℃～125℃)如圖8所示，其中，在最低溫-55℃處保溫10分鐘，在最高溫125℃處保溫15分鐘，升溫過程時長1960秒，降溫過程時長1080秒?；谀Ｐ偷膶ΨQ性，采用四分之一模型計算，網(wǎng)格劃分后的模型如圖9及圖10所示。根據(jù)基于應(yīng)變的coffin-manson模型預(yù)測有無硅島陣列結(jié)構(gòu)的fcob封裝形式中的焊球疲勞壽命，該模型如下式所示。其中，nf是預(yù)估疲勞壽命；δεp是平均非彈性應(yīng)變，為平均等效蠕變應(yīng)變和平均等效塑性應(yīng)變之和；n是疲勞指數(shù)；c是材料系數(shù)。在仿真中，取n＝0.853，取c＝9.2，取焊球/pcb界面處的層單元的非彈性應(yīng)變的平均值為δεp。以無硅島陣列結(jié)構(gòu)的模型為例，闡述計算過程。取圖11中下方標(biāo)識a所指示區(qū)域的層單元，計算其平均等效蠕變應(yīng)變(ceeq)和平均等效塑性應(yīng)變(peeq)，結(jié)果如表1和表2所示。表1平均等效蠕變應(yīng)變表2平均等效塑性應(yīng)變peeqtimepeeqtimepeeqtimepeeqtimepeeqtime000.006511855.630.006744855.630.01097855.630.014710855.60200.006512055.630.006775055.630.01098055.630.014711055.60400.006562255.630.008145255.630.01098255.630.014711255.66.50e-07600.006742455.630.009675455.630.01098455.630.014711455.62.54e-05900.006742655.630.01095655.630.01098655.630.014711655.60.0001921350.006742855.630.01095855.630.01098855.630.014711855.60.000484202.50.006743055.630.01096055.630.01099055.630.014712055.60.000951303.750.006743255.630.01096255.630.01099255.630.014712255.60.00180455.6250.006743455.630.01096455.630.01099455.630.014712455.60.00322655.6250.006743655.630.01096655.630.01099655.630.014712655.60.00477855.6250.006743855.630.01096855.630.01239855.630.014712855.60.006321055.630.006744055.630.01097055.630.013810055.60.014713055.60.006511255.630.006744255.630.01097255.630.014710255.60.014713255.60.006511455.630.006744455.630.01097455.630.014710455.60.014713455.60.006511655.630.006744655.630.01097655.630.014710655.60.014713620根據(jù)表1和表2，得到ceeq和peeq隨時間的變化曲線，如圖12及圖13所示。將最后一步循環(huán)的ceeq值和peeq值之和作為δεp代入公式(1)，求得疲勞壽命nf為1977次循環(huán)。同理，可以求得有硅島陣列結(jié)構(gòu)的fcob封裝形式中焊球的疲勞壽命為2649次循環(huán)。綜合以上仿真結(jié)果可以得出，硅島陣列結(jié)構(gòu)設(shè)計可以大大提高fcob封裝形式中焊球的疲勞壽命。顯然，所描述的實施例僅是本發(fā)明一部分實施例，而不是全部的實施例?；诒景l(fā)明中的實施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發(fā)明保護的范圍。當(dāng)前第1頁12