本發(fā)明涉及一種半導(dǎo)體封裝技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種倒裝芯片式半導(dǎo)體封裝結(jié)構(gòu)，可用于大功率芯片和高密度集成電路封裝。

背景技術(shù)：

集成電路芯片在工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量熱量，而模塑料的低熱導(dǎo)率會(huì)使包封的芯片熱量不易逸散，為此需要對(duì)其封裝結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)以降低熱阻。

在傳統(tǒng)封裝中一般采用引線(xiàn)鍵合的方式通過(guò)電氣將芯片與引線(xiàn)框架相連接，這種連接方式易增加芯片和和引線(xiàn)間的傳導(dǎo)電阻及熱阻，且引線(xiàn)也容易斷裂。

倒裝芯片式封裝則是將芯片翻轉(zhuǎn)倒扣在引線(xiàn)框架或基板上，芯片上的金屬凸塊使芯片焊盤(pán)和引線(xiàn)框架間的電連接更加堅(jiān)固。圖1是帶散熱塊的小外形晶體管sot狀封裝結(jié)構(gòu)的截面圖，圖2為圖1的引線(xiàn)框架、金屬凸塊、散熱塊和芯片的布局示意圖。

參照?qǐng)D1，其半導(dǎo)體芯片11倒向安裝在引腳13a和13c上，芯片11上靠近第一引腳13a的第一接觸墊通過(guò)第一金屬凸塊12a與第一引腳13a連接，芯片11上靠近第二引腳13c的第二接觸墊通過(guò)第二金屬凸塊12d與第二引腳13c連接。為了提供低阻熱通道，芯片11上的第三接觸墊通過(guò)第三金屬凸塊12b與散熱塊15上靠近第一引腳13a的第一焊區(qū)連接，芯片11上的第四接觸墊通過(guò)第四金屬凸塊12c與散熱塊15上靠近第二引腳13c的第二焊區(qū)連接。散熱塊的底面15s暴露在模塑料14之外。引腳安裝部分的第一表面13as、第二表面13cs與模塑料14的底表面14cs、散熱塊15的底面15s共面。圖2是圖1所示封裝結(jié)構(gòu)的引腳、金屬凸塊、散熱塊和芯片的布局示意圖，參照?qǐng)D2，第三金屬凸塊12b、第四金屬凸塊12c、第五金屬凸塊12h、第六金屬凸塊12i負(fù)責(zé)將芯片11上的熱量傳導(dǎo)至散熱塊。

引線(xiàn)框架在封裝中不僅負(fù)責(zé)電信號(hào)在封裝體內(nèi)外部的輸運(yùn)，還起到穩(wěn)固支撐芯片的作用。然而在越來(lái)越多倒裝芯片的封裝實(shí)施中，由于芯片尺寸的不斷減小和i/o密度的提高，芯片表面上的接觸墊越來(lái)越多，植上的金屬凸塊遍布芯片主表面的中心和周邊區(qū)域，引線(xiàn)框架也從芯片兩側(cè)延伸至芯片中心，確?；亓骱蠛托酒系慕饘偻箟K充分接觸。因此，芯片主表面的中間區(qū)域被引線(xiàn)框架占據(jù)，芯片上的熱量通過(guò)金屬凸塊傳導(dǎo)至散熱塊來(lái)提供高導(dǎo)熱通道的方法基本失效，小尺寸、高i/o密度的芯片所生成的大量的熱幾乎只能傳導(dǎo)至引線(xiàn)框架和模塑料。

另外，在倒裝芯片封裝中，由于芯片和引線(xiàn)框架的熱膨脹系數(shù)的失配，芯片上凸塊會(huì)產(chǎn)生熱應(yīng)力、應(yīng)變，積累的應(yīng)變能會(huì)導(dǎo)致凸塊產(chǎn)生裂紋并斷裂，致使封裝失效。

因此，需要研究出新型的倒裝芯片的封裝結(jié)構(gòu)以利用散熱塊的散熱優(yōu)勢(shì)，同時(shí)提升封裝結(jié)構(gòu)的熱可靠性。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)中的不足，提供一種新型的倒裝芯片式半導(dǎo)體封裝結(jié)構(gòu)，通過(guò)新型散熱塊的散熱優(yōu)勢(shì)，配合填充工藝，減小封裝熱阻和熱機(jī)械應(yīng)力，滿(mǎn)足高密度、小尺寸封裝的需要，提高封裝結(jié)構(gòu)的散熱能力和熱可靠性。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案如下：

一種倒裝芯片式半導(dǎo)體封裝結(jié)構(gòu)，包括：集成電路芯片、引線(xiàn)框架和一組金屬凸塊，該組金屬凸塊植在集成電路芯片主表面預(yù)留的表面接觸墊上，引線(xiàn)框架設(shè)有數(shù)個(gè)彼此絕緣的引腳，這些引腳按照輸出同一信號(hào)的金屬凸塊的排列布局延伸，集成電路芯片通過(guò)金屬凸塊與引線(xiàn)框架電連接，形成以集成電路芯片的主表面向上的定向倒裝芯片式結(jié)構(gòu)，其特征在于：

集成電路芯片的下部設(shè)有散熱塊，該散熱塊表面開(kāi)有凹槽，集成電路芯片整體嵌入到凹槽內(nèi)，使集成電路芯片的背面與散熱塊的凹槽的底面直接接觸；

集成電路芯片的主表面與引線(xiàn)框架之間填充有高導(dǎo)熱絕緣灌封膠，固化后形成膠層，以降低金屬凸塊受到的熱應(yīng)力，并使集成電路芯片上的熱量更易于向散熱塊傳導(dǎo)。

作為優(yōu)選，所述引線(xiàn)框架的上表面及膠層和散熱塊的側(cè)面包封有模塑料，引線(xiàn)框架的引腳一端從模塑料內(nèi)水平延伸出來(lái)，經(jīng)切筋成型向下形成引腳的安裝部分，該引腳安裝部分的底表面與散熱塊暴露的底表面齊平。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下優(yōu)點(diǎn)：

1、本發(fā)明由于采用集成電路芯片的主表面向上定向，其背面和散熱塊直接接觸，芯片上金屬凸塊通過(guò)高導(dǎo)熱絕緣灌封膠和散熱塊間接接觸，散熱塊的底表面暴露在模塑料之外，引腳的安裝部分的表面與散熱塊的底表面共面的結(jié)構(gòu)，根據(jù)熱傳導(dǎo)的原理，這種設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)不僅可以幫助芯片快速散熱，而且散熱塊不會(huì)占用引線(xiàn)框架的空間，因而非常適合小型高密度電路的封裝。

2、本發(fā)明由于采用帶有凹槽的散熱塊支撐倒裝芯片，高導(dǎo)熱絕緣灌封膠固化后形成的膠層包封金屬凸塊的側(cè)面，并填滿(mǎn)芯片至引線(xiàn)框架的間隙，形成復(fù)合加強(qiáng)結(jié)構(gòu)，這種加強(qiáng)結(jié)構(gòu)可以分散金屬凸塊上熱導(dǎo)應(yīng)力導(dǎo)致的畸變，提升封裝結(jié)構(gòu)的熱機(jī)械可靠性。

附圖說(shuō)明

圖1為現(xiàn)有帶散熱塊的封裝結(jié)構(gòu)截面圖；

圖2為圖1的引線(xiàn)框架、金屬凸塊、散熱塊和芯片的布局示意圖；

圖3為本發(fā)明的倒裝芯片式半導(dǎo)體封裝結(jié)構(gòu)截面圖；

圖4為本發(fā)明散熱塊的第二實(shí)施例的截面圖。

具體實(shí)施方式

實(shí)施例1

參照?qǐng)D3，本發(fā)明的倒裝芯片式半導(dǎo)體封裝結(jié)構(gòu)，包括：引線(xiàn)框架25、一組金屬凸塊24a-24e、集成電路芯片23、散熱塊21和模塑料26。

引線(xiàn)框架25上設(shè)有數(shù)個(gè)彼此絕緣的引腳，本實(shí)施例中以三個(gè)引腳25a-25c為例，芯片23的主表面預(yù)留有接觸墊，接觸墊根據(jù)芯片輸入輸出信號(hào)的要求，分布于芯片23的中心和周邊區(qū)域。第一金屬凸塊24a植在芯片23上靠近第一引腳25a的第一接觸墊29a上，第二金屬凸塊24b植在芯片23上靠近第一引腳25a的第二接觸墊29b上，第三金屬凸塊24c植在芯片23上中間區(qū)域的第三接觸墊29c上，第四金屬凸塊24d植在芯片23上靠近第三引腳25c的第四接觸墊29d上，第五金屬凸塊24e植在芯片23上靠近第三引腳25c的第五接觸墊29e上，每個(gè)接觸墊的直徑大于植在上面的金屬凸塊的直徑，芯片上的電信號(hào)通過(guò)這些接觸墊由金屬凸塊導(dǎo)入或?qū)С鲋两饘偻箟K。

將芯片23上金屬凸塊24a-24e中輸運(yùn)同一電信號(hào)的若干個(gè)凸塊分為一個(gè)小組，即第一小組包括第一金屬凸塊24a，第二小組包括第二金屬凸塊24b、第三金屬凸塊24c和第四金屬凸塊24d，第三小組包括第五金屬凸塊24e。第一引腳25a從芯片23一側(cè)按照第一小組內(nèi)凸塊走向向芯片23中心靠近，保證其大小能覆蓋第一小組內(nèi)的所有凸塊；第二引腳25b從芯片23一側(cè)按照第二小組內(nèi)凸塊走向向芯片23中心靠近，保證其大小能覆蓋第二小組內(nèi)的所有凸塊；第三引腳25c從芯片23一側(cè)按照第三小組內(nèi)凸塊走向向芯片23中心靠近，保證其大小能覆蓋第三小組內(nèi)的所有凸塊。

芯片23的主表面面向封裝結(jié)構(gòu)頂部倒向安裝到引線(xiàn)框架25上，芯片23上靠近第一引腳25a的第一接觸墊29a通過(guò)第一金屬凸塊24a與第一引腳25a上的第一焊區(qū)連接，芯片23上靠近第一引腳25a的第二接觸墊29b通過(guò)第二金屬凸塊24b與第二引腳25b上的第一焊區(qū)連接，芯片23上中間區(qū)域的第三接觸墊29c通過(guò)第三金屬凸塊24c與第二引腳25b上的第二焊區(qū)連接，芯片23上靠近第三引腳25c的第四接觸墊29d通過(guò)第四金屬凸塊24d與第二引腳25b上的第三焊區(qū)連接，芯片23上靠近第三引腳25c的第五接觸墊29e通過(guò)第五金屬凸塊24e與第三引腳25c上的第一焊區(qū)連接。

梯臺(tái)形狀的散熱塊21的表面開(kāi)有凹槽，凹槽的形狀為梯臺(tái)，芯片23的背面在去除表面氧化物或者通過(guò)機(jī)械研磨將晶片減薄后，將芯片23整體嵌入到凹槽內(nèi)，使芯片23的背面散熱塊和散熱塊21上凹槽內(nèi)的底表面接觸?；亓骱附咏饘偻箟K24a-24e和引線(xiàn)框架25后，向凹槽內(nèi)填充高導(dǎo)熱絕緣灌封膠，高導(dǎo)熱絕緣灌封膠固化后形成膠層27，膠層27包覆芯片23的主表面和四個(gè)側(cè)面，以及包覆芯片上金屬凸塊24a-24e的側(cè)面，并與引線(xiàn)框架25接觸，在凹槽周?chē)纳釅K和引線(xiàn)框架之間形成厚度為h＝0.05mm～0.1mm的膠柱。膠層27的熱傳導(dǎo)系數(shù)大于1.5w/m·k，體積電阻率為5x1014ω·㎝，絕緣常數(shù)為5.0，承受溫度為-60℃～260℃，瞬間溫度高達(dá)310℃。

高導(dǎo)熱絕緣灌封膠固化后，引線(xiàn)框架25、金屬凸塊24a-24e、膠層27、芯片23和散熱塊21連接形成倒裝芯片式封裝內(nèi)部組件一體化結(jié)構(gòu)。

模塑料26包封在該一體化結(jié)構(gòu)的外部，其散熱塊21的底面21s暴露于模塑料26的底部，并且與表面28接觸。第一引腳25a的一端從模塑料26內(nèi)水平延伸出來(lái)，經(jīng)切筋成型向下形成第一引腳25a的安裝部分，第三引腳25c的一端從模塑料26內(nèi)水平延伸出來(lái)，經(jīng)切筋成型向下形成第三引腳25c的安裝部分，該第一引腳25a的安裝部分的底表面25as、模塑料26的底表面26s、散熱塊21的底表面21s和第三引腳25c的安裝部分的底表面25cs這四者共面，形成倒裝芯片式封裝結(jié)構(gòu)。

本實(shí)施例的倒裝芯片式封裝結(jié)構(gòu)，是通過(guò)高導(dǎo)熱絕緣灌封膠層27和散熱塊21提供高導(dǎo)熱通道，即芯片23產(chǎn)生的熱量先通過(guò)該高導(dǎo)熱通道傳導(dǎo)到散熱塊21，再通過(guò)散熱塊21傳導(dǎo)到外部支撐結(jié)構(gòu)，如印刷電路板的表面28。

高導(dǎo)熱絕緣灌封膠27固化后，芯片上的金屬凸塊24a-24e、芯片23及散熱塊21形成加強(qiáng)結(jié)構(gòu)，芯片23和引線(xiàn)框架25由于熱膨脹系數(shù)不同所產(chǎn)生的畸變將分散于該加強(qiáng)結(jié)構(gòu)，避免了金屬凸塊24a-24e上積累的應(yīng)變能導(dǎo)致凸塊產(chǎn)生裂紋甚至斷裂，提高了電氣連接和機(jī)械連接的可靠性。

實(shí)施例2

本實(shí)施例的結(jié)構(gòu)關(guān)系與實(shí)施例1相同，所不同的是其散熱塊及凹槽的形狀不同，散熱塊和凹槽的形狀結(jié)構(gòu)如圖4所示。本實(shí)例的散熱塊31形狀為長(zhǎng)方體，凹槽形狀為梯臺(tái)，該梯臺(tái)凹槽中面積較小底面30的面積不小于芯片背面面積。

以上描述僅是本發(fā)明的兩個(gè)具體實(shí)例，不構(gòu)成對(duì)本發(fā)明的任何限制，顯然對(duì)于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在了解了本發(fā)明內(nèi)容和原理后，都可能在不背離本發(fā)明原理、結(jié)構(gòu)的情況下，進(jìn)行形式和細(xì)節(jié)上的各種修正和改變，但是這些基于本發(fā)明思想的修正和改變?nèi)栽诒景l(fā)明的權(quán)利要求保護(hù)范圍之內(nèi)。