專利名稱：半導(dǎo)體封裝及其倒裝芯片接合法的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及如LSI芯片等的半導(dǎo)體芯片安裝在由有機(jī)材料形成的載體基板結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體封裝。
迄今為止，作為通過倒裝芯片接合技術(shù)將半導(dǎo)體芯片連接到基板的方法，使用焊料突點(diǎn)的方法已公知為C4技術(shù)。根據(jù)該方法，焊料突點(diǎn)通過阻擋金屬形成在芯片一側(cè)鋁電極焊盤上，同時(shí)焊料潤濕性優(yōu)良的鍍金層提供到基板一側(cè)連接端子上，在無助熔劑(fluxless)的非氧化氣氛中回流焊料，將芯片接合到基板。當(dāng)使用的基板為陶瓷基板時(shí)，基板用做氣密封接，而當(dāng)為有機(jī)基板時(shí)，已調(diào)節(jié)熱膨脹系數(shù)的樹脂-硅化合物填充在芯片和樹脂之間，以增強(qiáng)焊接部分的可靠性。
另一方面，作為不使用焊料的金突點(diǎn)/金焊盤倒裝芯片接合法，現(xiàn)在已知有熱壓焊法和熱聲焊法。熱壓焊的常規(guī)條件包括350℃的加熱溫度、150到250克/突點(diǎn)的載荷、以及芯片上的突點(diǎn)數(shù)量少于50。類似地，熱聲焊的常規(guī)條件包括200℃的加熱溫度、300克的載荷、芯片上有六個(gè)左右的突點(diǎn)。在這兩種情況中，使用由陶瓷材料制成的載體基板。在熱壓焊中，可通過升高加熱溫度降低載荷，但仍需要150克/突點(diǎn)的載荷。在熱聲焊中，加熱溫度減少到200℃，但仍需要高達(dá)300克/突點(diǎn)的載荷。通過對在空氣中得到有效的金/金接合進(jìn)行的各種研究的結(jié)果發(fā)現(xiàn)的這些條件。較低的溫度和較低的載荷條件不適用實(shí)際的產(chǎn)品裝配，是由于接合變得不穩(wěn)定。在以上提到的兩種壓力接合法中，金突點(diǎn)的壓力接合形狀提供了具有厚度為15到25μm和直徑為150μm以上為常規(guī)尺寸的大部分?jǐn)D壓形的接合部分。
作為常規(guī)金突點(diǎn)/金焊盤連接方法，現(xiàn)在已知一種使用導(dǎo)電樹脂作為介于其間的粘合劑加熱進(jìn)行壓力接合的方法。根據(jù)該方法，在芯片和基板之間填充并固化樹脂，由此得到預(yù)定的長期可靠性。
隨著超細(xì)布線技術(shù)的發(fā)展，近期的LSI芯片的集成度變得越來越高，隨著芯片上管腳數(shù)量的增加或隨著芯片的縮小，焊盤間距顯著變窄。當(dāng)將這種芯片安裝到封裝時(shí)，常規(guī)的周邊焊盤接合技術(shù)產(chǎn)生兩個(gè)問題。即，在TAB和引線鍵合中，可鍵合的焊盤間距遇到40μm級別的極限。由于從芯片端子到封裝的外部端子的布線不能以最短的路徑進(jìn)行，因此布線電感增加，使信號傳輸延遲，并降低了處理速度。
根據(jù)為解決以上提到問題提出的一個(gè)方法，芯片的電極端子排列在芯片的整個(gè)表面上。已在常規(guī)的大尺寸計(jì)算機(jī)領(lǐng)域中使用的焊料突點(diǎn)接合法(C4)可以解決以上的兩個(gè)問題，當(dāng)應(yīng)用到半導(dǎo)體封裝時(shí)，就焊接溫度而言存在問題。特別是，在大尺寸計(jì)算機(jī)中，由于隨后分層焊接的需要，使用高熔點(diǎn)焊料(95鉛-5錫焊料熔點(diǎn)為300℃)焊接芯片。通常合適的焊接溫度約50℃，高于使用的焊料熔點(diǎn)，所以當(dāng)基板材料不使用陶瓷而是有機(jī)材料時(shí)，由于基板將會受熱老化，所以不可能使用這種高溫焊料。如果使用了固相溫度在200℃到240℃范圍內(nèi)的焊料，那么將存在以下問題，在將半導(dǎo)體封裝安裝到布線板的低共熔焊接工藝中封裝內(nèi)的焊接部分的局部再次熔化并由于金屬線斷裂造成失效。由此，在半導(dǎo)體封裝的內(nèi)部連接中，必須實(shí)現(xiàn)耐熱不低于250℃的連接，同時(shí)在不高于250℃低溫接合。
作為適合該要求的接合方法，現(xiàn)已公知使用金突點(diǎn)的倒裝芯片接合法。根據(jù)所述接合方法，具有高熔點(diǎn)并且接合能力優(yōu)良的金形成突點(diǎn)形，通過加熱或使用超聲波在固相進(jìn)行壓力接合，由此產(chǎn)生低接合溫度下的耐熱接合部分。然而在常規(guī)的金突點(diǎn)接合法中，需要每突點(diǎn)300克的大接合載荷，在具有100到2,000個(gè)突點(diǎn)的芯片的實(shí)際情況中，施加到芯片的載荷達(dá)到30到600千克。隨后，由擠壓工具作用于芯片的局部接合點(diǎn)引起的破片或芯片龜裂導(dǎo)致嚴(yán)重的問題。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，施加到芯片的最大載荷假定在約20到40千克的范圍內(nèi)，所以常規(guī)接合方法的實(shí)際應(yīng)用很困難，除非以每突點(diǎn)20克到80克的接合載荷進(jìn)行高度可靠的接合。如果在常規(guī)的熱壓接合法中升高接合溫度，那么可以在低載荷條件下進(jìn)行可靠的接合。然而，由于基板由有機(jī)材料形成，從避免熱損傷的觀點(diǎn)來看，即使是耐熱的聚酰亞胺，加熱溫度也不能升高到250℃以上，使用環(huán)氧樹脂不能超過200℃。在能以低加熱溫度和較低載荷進(jìn)行可靠接合的熱聲接合法中，需要高超聲能，以得到可靠的接合部分，由此產(chǎn)生超聲振蕩損壞芯片的問題。此外，熱壓接合和超聲壓力接合都在接合后提供了相當(dāng)大的壓扁突點(diǎn)形，所以當(dāng)由于芯片縮小焊盤間距窄到200μm左右時(shí)，產(chǎn)生由于突點(diǎn)變形與相鄰焊盤短路的問題。同時(shí)，在高約20μm時(shí)相鄰?fù)稽c(diǎn)之間的間距變?yōu)?0μm左右，所以當(dāng)填充樹脂時(shí)，易于產(chǎn)生空隙，底填樹脂的填充變得很困難，由此產(chǎn)生為封裝體后可靠性變差的問題。
另一方面，使用金突點(diǎn)和導(dǎo)電樹脂的方法在低加熱溫度和低接合載荷的接合條件下進(jìn)行壓力接合，所以可以減小突點(diǎn)變形地接合；此外，由于在連接工藝中芯片和基板之間預(yù)填充樹脂之后進(jìn)行該方法中的壓力接合，因此可以裝配出無空隙的優(yōu)良封裝。然而，當(dāng)為導(dǎo)電樹脂時(shí)，由于吸收濕氣引起的立體膨脹使它的導(dǎo)電顆粒的接觸狀態(tài)變差，隨著時(shí)間的推移阻值增加產(chǎn)生可靠性問題。
近來，作為減小封裝成本的措施，提出了在晶片階段進(jìn)行組裝成封裝的芯片級封裝。為了將封裝安裝到布線板，經(jīng)常采用封裝通過焊料球突點(diǎn)接合到布線板的封裝結(jié)構(gòu)。此時(shí)，為了減少封裝的安裝成本和確?？尚蘩硇裕匾氖遣恍枰玫滋顦渲庸毯附硬糠志涂梢源_?？煽啃浴榇?，需要采用在除焊接部分之外的其它部分中減輕熱應(yīng)變以防止熱應(yīng)變集中在焊接部分中的結(jié)構(gòu)，其中由于硅芯片和布線板的熱膨脹系數(shù)之間的差異產(chǎn)生熱應(yīng)變。由此，在BGA封裝中，通常采用使用有機(jī)載體基板的結(jié)構(gòu)。然而，由于載體基板和硅晶片之間的熱膨脹差異，晶片狀態(tài)接合到載體基板在晶片周圍的接合區(qū)域中產(chǎn)生與晶片尺寸呈正比的大應(yīng)變。引入的應(yīng)變的數(shù)值正比于接合溫度，反比于突點(diǎn)高度。在通過焊料進(jìn)行的常規(guī)接合中，從將封裝安裝到布線板時(shí)耐焊接性的觀點(diǎn)來看，封裝組件中的焊接溫度不可避免地變高，結(jié)果增加了應(yīng)變的量值并降低了焊料強(qiáng)度。由于所述原因，當(dāng)有關(guān)的工件接合后冷卻到室溫時(shí)，產(chǎn)生在晶片周圍的焊接區(qū)域中引入大應(yīng)變的問題。另一方面，在使用金突點(diǎn)的接合結(jié)構(gòu)中，根據(jù)通過吸收分子的解吸附作用和界面擴(kuò)散提高接合能力的觀點(diǎn)，現(xiàn)有技術(shù)中可接合的加熱溫度為70℃以上。在不高于200℃的低溫，金突點(diǎn)大的塑性變形對接合很必要。由此到目前為止，就高寬比(高度/直徑比例)而言，壓力接合后形狀很難增加到1/5以上。特別是在不高于130℃的接合溫度，高寬比為1/10以下，相當(dāng)?shù)?。假設(shè)接合溫度為70℃，可以使用

圖19中顯示的結(jié)構(gòu)模型如下粗略地計(jì)算接合產(chǎn)品的熱應(yīng)變。當(dāng)晶片尺寸為8英寸時(shí)，在硅的熱膨脹系數(shù)α=3×10-6/K和載帶基板的熱膨脹系數(shù)α=15×10-6/K之間差異的基礎(chǔ)上，在晶片周圍的突點(diǎn)接合區(qū)域中可以證實(shí)發(fā)生了0.060mm的偏移。所述偏移可以由突點(diǎn)的變形、基板的變形以及硅晶片的變形吸收。此時(shí)，可以由應(yīng)力平衡粗略地計(jì)算硅晶片和載體基板占有的應(yīng)變份額。這些部件的楊氏模量為硅190GPa，金突點(diǎn)88GPa，以及聚酰亞胺基板9GPa。由于截面比值由每個(gè)部件的厚度和金突點(diǎn)的空間體積比確定，如果突點(diǎn)的高度假設(shè)為H，金突點(diǎn)垂直切力方向中的偏移為Δ，那么在兩維模式中，突點(diǎn)拉伸方向中的主要應(yīng)變(ε)表示為ε=((H2+Δ2)1/2=H)/H，突點(diǎn)高度和主要應(yīng)變之間的關(guān)系由圖20中顯示的曲線表示。另一方面，金突點(diǎn)的伸長取決于材料，當(dāng)通過電鍍或球接合形成金突點(diǎn)時(shí)，伸長在3％到6％的范圍內(nèi)。當(dāng)主要應(yīng)變超過該值時(shí)，將發(fā)生金突點(diǎn)斷裂。特別是，當(dāng)接合溫度為70℃時(shí)，即使具有足夠突點(diǎn)接合強(qiáng)度的突點(diǎn)也要求50μm以上的突點(diǎn)高度，當(dāng)接合溫度為200℃時(shí)，需要突點(diǎn)高度為80μm以上。如果芯片或基板和金突點(diǎn)之間的接合強(qiáng)度很低，那么需要確保相當(dāng)大的突點(diǎn)高度。因此，在金突點(diǎn)高度設(shè)置為最小高度，以不產(chǎn)生由接合后熱收縮造成的金突點(diǎn)斷裂時(shí)，即在70℃的接合溫度為50μm，壓力接合直徑變?yōu)?00μm以上；類似地，在200℃的接合溫度和80μm的突點(diǎn)高度的條件下，壓力接合直徑變?yōu)?00μm以上。由此，考慮壓力接合直徑和形狀中的變化，很難將突點(diǎn)間距縮小到500μm以下。
本發(fā)明的一個(gè)目的是提供一種半導(dǎo)體封裝，含有如超多管腳或高速LSI芯片等，能夠?qū)崿F(xiàn)大多數(shù)的芯片性能，并具有耐高溫和高可靠性的內(nèi)部連接。本發(fā)明的另一目的是提供一種芯片/基板倒裝芯片接合方法和裝置，能夠?qū)崿F(xiàn)低溫工藝、大規(guī)模生產(chǎn)和高成品率，以獲得以上所述的半導(dǎo)體封裝。
本發(fā)明的再一目的是提供一種安裝結(jié)構(gòu)，當(dāng)進(jìn)行晶片級安裝工藝時(shí)，晶片-有機(jī)載體基板接合之后，不會產(chǎn)生由于冷卻工藝中的熱應(yīng)變對接合部分損傷的問題，并能減小突點(diǎn)間距，并提供一種低成本晶片級封裝安裝方法。
在根據(jù)本發(fā)明的半導(dǎo)體封裝結(jié)構(gòu)中，有機(jī)載體基板和半導(dǎo)體芯片相距50μm以上，在此狀態(tài)中通過整個(gè)面上排列的金突點(diǎn)作為中間材料牢固地金屬性地接合在一起，兩者之間的空隙由樹脂填充。在根據(jù)本發(fā)明的接合方法中，倒裝芯片接合表面采用金/金的材料組成，所述接合表面的清潔度給定，就局部蒸汽壓而言，在具有100Pa以下的濕氣含量的干燥氣氛中加熱或擦洗或應(yīng)用弱超聲波振蕩的條件下進(jìn)行壓力接合。所述接合方法可以提供根據(jù)本發(fā)明的上述半導(dǎo)體封裝。
構(gòu)成本發(fā)明基礎(chǔ)的本發(fā)明人得到的研究結(jié)果將以下面稍微具體的方式引用。
通常，金的強(qiáng)度為14到25kg/mm2，且不經(jīng)受工件硬化，所以它的疲勞壽命比焊料延長一個(gè)數(shù)量級以上，所以如果進(jìn)行使用金突點(diǎn)的倒裝芯片接合，那么使用的封裝的溫度循環(huán)可靠性將提高。然而，需要嚴(yán)重壓扁金突點(diǎn)，否則不可能得到具有足夠接合強(qiáng)度的可靠接合部分。因此，產(chǎn)生由接合載荷或超聲波振蕩引起的芯片損傷的問題以及由于芯片-基板的間隙變得太窄不能充分地填充樹脂的問題。由此，很難在使用有機(jī)基板的半導(dǎo)體封裝中應(yīng)用金突點(diǎn)。另一方面，在如金和銀等的貴金屬的接合中，如果在超高真空中清潔金屬表面，那么可以進(jìn)行壓力接合，同時(shí)使在正常溫度和低載荷條件下突點(diǎn)的變形最小。然而，對于應(yīng)用到半導(dǎo)體封裝的大規(guī)模生產(chǎn)線，就搬運(yùn)機(jī)構(gòu)而言，存在在真空以及順序相關(guān)的工藝中清洗之后芯片和基板的對準(zhǔn)問題。由此，就大規(guī)模生產(chǎn)和制造成本而言，很難將接合方法應(yīng)用到實(shí)際的產(chǎn)品。更具體地說，由于很難在真空中夾緊芯片和基板，如果使用可排空的材料構(gòu)成，那么對準(zhǔn)機(jī)構(gòu)很昂貴，此外由于真空中高速操作易于使移動部件老化或卡住，導(dǎo)致裝置的使用壽命縮短。如果存在能夠在大氣壓力中進(jìn)行并能夠提供與真空中等效接合能力的任何接合方法，那么將可以解決以上提到的問題，易于搬運(yùn)芯片和基板，并可以高速地操作各種機(jī)械部分。
基于這種思想，我們對清潔表面狀態(tài)和接合狀態(tài)進(jìn)行了各種研究。圖12示出了通過在空氣和氮?dú)鈿夥罩?00℃的加熱溫度下將金球超聲焊到金淀積膜進(jìn)行的接合結(jié)果。接合載荷為50克。在同一圖中，沿橫坐標(biāo)軸繪制出超聲輸出，沿縱坐標(biāo)繪制出接合強(qiáng)度為16克以上的比例。在兩種氣氛中，這里顯示的接合結(jié)果繪制出了不處理金膜表面的情況和已由離子輻射清洗的情況。在清潔表面條件和氮?dú)鈿夥罩?，提?00％成功接合的超聲輸出為0mW；即，可以僅施加載荷完成接合。在氮?dú)庵校词共磺逑丛?.4mW可達(dá)到100％。與之相比，在空氣中，即使表面清洗后在15mW可以得到100％成功接合，如果不進(jìn)行清洗，需要151mW的載荷。換句話說，在氮?dú)庵形辞鍧嵄砻娴慕雍媳瓤諝庵星鍧嵄砻娴慕雍夏芰?yōu)良。圖13示出了通過俄歇分析檢查表面污染程度的結(jié)果。當(dāng)為未處理樣品時(shí)，已知有機(jī)污物或硫沾污，并且表面上的金濃度低到33atom％。與此相比，已進(jìn)行表面清潔處理的樣品比未處理樣品的污染程度低，即使暴露到氮?dú)饣虼髿?，表面上的金濃度?5到61atom％的高濃度。由此，在金/金接合中，不僅確定其接合能力的表面污染程度，而且大氣氣體的影響也很顯著。
接下來，因此為了研究大氣氣體如何影響接合能力，分析含在大氣中的各氣體，并研究除氮?dú)庵夂谄渲械钠渌鼩怏w對接合能力的影響。圖14示出了大氣(空氣)的氣體成分。假設(shè)氧氣和濕氣為影響接合能力的氣體。因此，我們準(zhǔn)備了含有這種氣體的氣氛，在其內(nèi)進(jìn)行接合并比較接合能力。圖15示出了在含有氧氣或濕氣的氬氣氣氛中進(jìn)行的接合、在空氣中進(jìn)行的接合以及在氮?dú)鈿夥罩羞M(jìn)行接合的結(jié)果。在同一圖中，陰影區(qū)域表示提供了100％成功接合的超聲波輸出區(qū)域?？梢钥闯鲅鯕鈱雍夏芰]有影響，而濕氣對其影響很壞。圖16示出了使用的大氣氣體中的濕氣含量和提供100％成功接合的最小超聲波輸出之間的關(guān)系?？梢郧宄乇嬲J(rèn)出兩者之間的相互關(guān)系，可以看出濕氣含量從0.03到0.1vol％接合能力突然變壞。即，如果使用的氣氛中濕氣含量在0.03到0.1vol％的范圍內(nèi)，那么通過進(jìn)行表面清潔處理以及分別為100℃和50克的低溫和低載荷條件下，金球和金焊盤可以接合在一起達(dá)到16克以上的接合強(qiáng)度。從這些結(jié)果中可以看出在金接合中控制使用的接合氣氛中的濕氣含量很重要。如果濕氣控制得合適，通過清洗金接合表面由此使它的金濃度變?yōu)?0atom％以上，可以得到足夠的接合強(qiáng)度。
如果應(yīng)用該結(jié)果，在控制濕氣的氣氛中將表面清潔處理和接合方法接合，那么形成有金突點(diǎn)的芯片可以接合到高強(qiáng)度的有機(jī)基板的金焊盤或金突點(diǎn)上，同時(shí)可以防止在不高于每突點(diǎn)50克和100℃到200℃的接合溫度的條件下突點(diǎn)變形。換句話說，通過在控制的氣氛中應(yīng)用表面清潔和金突點(diǎn)/金焊盤接合方法，可以封裝超-多-管腳或高速LSI芯片，并實(shí)現(xiàn)大多數(shù)的芯片性能；此外，可以實(shí)現(xiàn)接合部分具有長期可靠性的封裝結(jié)構(gòu)。而且，可以大批量和高成品率地組裝這種半導(dǎo)體封裝。
根據(jù)該方法組裝半導(dǎo)體封裝并進(jìn)行可靠性試驗(yàn)，結(jié)果顯示在圖17和18中。圖17示出了金突點(diǎn)高度不同、芯片尺寸在5到10mm2的封裝的溫度循環(huán)試驗(yàn)的結(jié)果。顯然突點(diǎn)高度和斷裂壽命彼此相關(guān)，當(dāng)突點(diǎn)高度約50μm以上時(shí)，壽命超過1,000次的實(shí)際要求壽命。圖18示出了重復(fù)焊料回流時(shí)突點(diǎn)接合強(qiáng)度和發(fā)生斷裂比例之間關(guān)系的結(jié)果。當(dāng)突點(diǎn)強(qiáng)度為20克時(shí)，可以看出發(fā)生了斷裂，雖然它的可能性很小。由此，從封裝可靠性的觀點(diǎn)來看，希望突點(diǎn)高度為50μm以上，突點(diǎn)強(qiáng)度為30克以上。
下面介紹晶片級載體基板的接合。通過采用根據(jù)本發(fā)明的接合方法，可以在70℃到100℃以圖21所示的很小壓扁比例進(jìn)行接合。在圖19所示的模型條件中，硅晶片和載體基板之間的應(yīng)變約60μm，所述突點(diǎn)高度與主要應(yīng)變之間的關(guān)系顯示在圖20中。如果接合溫度和突點(diǎn)高度分別設(shè)置在70℃和50μm，那么主要應(yīng)變變?yōu)榧s3％，引入13到20kg/mm2的應(yīng)力。如果金突點(diǎn)的接合界面強(qiáng)度低于該值，那么在界面將發(fā)生斷裂，由此需要得到足夠高的接合強(qiáng)度。在現(xiàn)有技術(shù)中，不能得到足夠的接合強(qiáng)度，除非突點(diǎn)斷裂比例增加到50％以上，所以需要420μm的突點(diǎn)直徑以得到50μm的突點(diǎn)高度，由此很難實(shí)現(xiàn)500μm以下的間距。但如果采用在干燥氣氛中清潔的表面上進(jìn)行的接合方法，那么可以22％的擠壓比例和0.52的高寬比進(jìn)行接合，由此可以在100μm的壓力接合直徑實(shí)現(xiàn)50μm的突點(diǎn)高度。即，可以進(jìn)行200μm間距的接合。相反，通過將突點(diǎn)直徑和突點(diǎn)高度分別設(shè)置為200μm和100μm，可以將應(yīng)變減小到0.3％，突點(diǎn)內(nèi)引入的應(yīng)力為2.6kg/mm2，由此將變形抑制到變形的彈性范圍，不必?fù)?dān)心對接合部分的損傷。
在以上研究的基礎(chǔ)上，完成了與接合方法相關(guān)的本發(fā)明，其中考慮了金表面的清潔和接合氣氛中的濕氣量，如后面將詳細(xì)介紹的。通過根據(jù)本發(fā)明的接合方法得到以下新穎的半導(dǎo)體封裝。
1)一種半導(dǎo)體封裝，其中半導(dǎo)體芯片的電極端子和有機(jī)基板的內(nèi)部連接端子通過直徑為300μm以下、高度50μm以下和高度/直徑比為1/5以上的金突點(diǎn)接合在一起。
2)一種半導(dǎo)體封裝，其中半導(dǎo)體芯片的多個(gè)電極端子和以與那些電極端子尺寸相同的方式排列在有機(jī)基板上的多個(gè)內(nèi)部連接端子通過金突點(diǎn)相互連接，由190℃以上液相溫度的焊料突點(diǎn)構(gòu)成有機(jī)基板的多個(gè)外部連接端子。
3)一種半導(dǎo)體封裝，其中半導(dǎo)體芯片和有機(jī)基板上的多個(gè)內(nèi)部連接端子通過間距為400μm以下的金突點(diǎn)倒裝芯片接合，通過狹縫分開有機(jī)基板上的外部連接端子的區(qū)域和內(nèi)部連接端子區(qū)域，外部和內(nèi)部連接端子通過延伸穿過狹縫的金屬絲相互連接。
4)一種半導(dǎo)體封裝，其中半導(dǎo)體芯片和有機(jī)基板上整個(gè)區(qū)域上排列的多個(gè)內(nèi)部連接端子以面朝下的方式通過金突點(diǎn)相互接合，內(nèi)部連接端子的區(qū)域和外部連接端子的區(qū)域在突起的表面上相互重疊。
5)一種半導(dǎo)體封裝，其中具有電極端子并以1mm以下的間隔排列的多個(gè)半導(dǎo)體芯片和有機(jī)基板上的多個(gè)內(nèi)部連接端子通過金突點(diǎn)相互連接，由190℃以上液相溫度的焊料突點(diǎn)構(gòu)成有機(jī)基板的外部連接端子。
在以上的每個(gè)半導(dǎo)體封裝中，優(yōu)選樹脂填充在半導(dǎo)體芯片和有機(jī)基板之間。
圖1示出了根據(jù)本發(fā)明的半導(dǎo)體封裝結(jié)構(gòu)的剖面圖的一個(gè)例子。
圖2A和2B示出了金突點(diǎn)形狀。
圖3示出根據(jù)本發(fā)明的半導(dǎo)體封裝結(jié)構(gòu)的剖面圖的另一個(gè)例子。
圖4示出根據(jù)本發(fā)明的半導(dǎo)體封裝結(jié)構(gòu)的剖面圖的又一個(gè)例子。
圖5為在圖4的半導(dǎo)體封裝中使用的有機(jī)載體基板的平面圖。
圖6示出了根據(jù)本發(fā)明的多端部半導(dǎo)體封裝結(jié)構(gòu)的剖面圖的一個(gè)例子。
圖7示出了根據(jù)本發(fā)明的芯片-載體基板接合方法采用的接合工序的一個(gè)例子。
圖8示出了用于實(shí)現(xiàn)圖7所示接合方法的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的一個(gè)例子。
圖9示出了根據(jù)本發(fā)明的芯片-載體基板接合方法采用的接合工序的另一個(gè)例子。
圖10示出了用于實(shí)現(xiàn)圖9所示接合方法的系統(tǒng)構(gòu)成的一個(gè)例子。
圖11示出了用于圖10中所示預(yù)處理室和接合室的系統(tǒng)構(gòu)成的一個(gè)例子。
圖12示出了氮?dú)獾慕雍蠚夥蘸涂諝獾慕雍蠚夥杖绾斡绊懡雍辖Y(jié)果的測試結(jié)果。
圖13示出了表示接合表面污染程度的俄歇分析結(jié)果。
圖14示出了空氣氣氛的氣體成分。
圖15示出了各種接合氣氛如何影響接合結(jié)果的試驗(yàn)結(jié)果。
圖16示出了接合氣氛的濕氣含量如何影響接合結(jié)果的試驗(yàn)結(jié)果。
圖17示出對根據(jù)本發(fā)明的半導(dǎo)體封裝進(jìn)行溫度循環(huán)測試的結(jié)果。
圖18示出了對根據(jù)本發(fā)明的半導(dǎo)體封裝進(jìn)行的焊料回流重復(fù)測試的結(jié)果。
圖19示出了半導(dǎo)體封裝的模型。
圖20示出了突點(diǎn)的高度與應(yīng)變關(guān)系。
圖21示出了擠壓的比例與接合強(qiáng)度的關(guān)系。
下面參考附圖詳細(xì)地介紹本發(fā)明的各實(shí)施例。
圖1示出了根據(jù)本發(fā)明的半導(dǎo)體封裝結(jié)構(gòu)的剖面圖。在同一圖中，金突點(diǎn)7通過球焊接形成在半導(dǎo)體芯片1(下文稱做“芯片1”)的鋁或金電極焊盤2上。有機(jī)載體基板包括有機(jī)絕緣板3、形成在有機(jī)絕緣板3一個(gè)表面上的內(nèi)部連接端子4、形成在與有機(jī)絕緣板3的表面?zhèn)认鄬Φ谋砻嫔系耐獠窟B接端子5、以及覆蓋外部連接端子5周圍絕緣板表面的鍍敷抗蝕劑6。通過腐蝕銅鍍層或銅箔方法形成內(nèi)部和外部連接端子4和5。這些端子通過在有機(jī)基板3中形成的通孔和布線電連接這些端子，鍍鎳或鈀作為底涂層之后電鍍它們的最外表面。以下面的方式進(jìn)行封裝的裝配。金突點(diǎn)8通過球焊接形成在載體基板的內(nèi)部連接端子4上，然后與芯片1的金突點(diǎn)6對準(zhǔn)，以便金突點(diǎn)相互接觸，將周圍的氣氛抽空到1Pa以下，之后加熱到150℃到250℃以進(jìn)行壓力接合。施加的載荷為30到80克/突點(diǎn)，在接合工件期間進(jìn)行位移量控制，以防止突點(diǎn)被過度擠壓。
圖2A和2B示出了通過球焊接形成的金突點(diǎn)的初始形狀，其中通過適當(dāng)?shù)剡x擇卸放和接合條件以及毛細(xì)工具的形狀得到圖2A的芯片一側(cè)球突點(diǎn)形狀，由此壓力接合直徑Dc為110±10μm，毛細(xì)工具的端面接觸的臺肩高度Hc為25±5μm，每個(gè)突點(diǎn)的中心膨脹部分的直徑Dh為50μm，該部分的高度Hh為50±10μm。就剪切強(qiáng)度而言，得到80g以上的接合強(qiáng)度。另一方面，通過使球變形小于芯片一側(cè)的球變形并采用高于芯片一側(cè)的臺肩高度Hk40±10μm得到圖2B的基板一側(cè)球突點(diǎn)形狀。在所述球接合中，在接合之前對基板的接合端子表面進(jìn)行濺射清潔，以提高接合能力。就剪切強(qiáng)度而言，得到50g以上的接合強(qiáng)度。突點(diǎn)壓力接合在一起，同時(shí)通過控制位移量控制要擠壓的突點(diǎn)量，以便突點(diǎn)在各中心膨脹部分處相互金屬性地接合。在接合得到的突點(diǎn)列中，圖中垂直地相鄰的突點(diǎn)之間的接合界面部分為收縮最多的部分。此外就強(qiáng)度而言，接合的界面部分最低。對于壓力接合之后芯片和基板之間的高度H，可以得到約70±10μm的高度H。此后，將壓力接合的產(chǎn)品取出放入空氣中，在基板上形成堵封條19，然后灌入流動性優(yōu)良的樹脂9并固化，最后焊料突點(diǎn)10形成在外連接端子上以完成封裝。
通過本實(shí)施例可以得到以下效果。1)由于芯片的鋁電極焊盤和有機(jī)載體基板的內(nèi)部連接端子通過倒裝芯片接合法相互連接，因此焊盤可以大面積地排列，焊盤間距可以適中，即使是多管腳LSI芯片，由此可使芯片安裝到半導(dǎo)體封裝上。2)由于芯片和有機(jī)載體基板以最短的距離相互電連接的結(jié)構(gòu)，因此可以構(gòu)成高傳輸速度的封裝，封裝可以實(shí)現(xiàn)高速處理LSI芯片的大多數(shù)性能。3)由于芯片-基板接合距離為50μm以上，所以在每個(gè)金突點(diǎn)列中引入的應(yīng)變減小。4)由于芯片和基板之間熱膨脹差異引入的應(yīng)變被金突點(diǎn)列的中心部分吸收的結(jié)構(gòu)，因此高應(yīng)力不會施加到最弱的鋁焊盤/金突點(diǎn)接合界面。5)金比焊料的強(qiáng)度高并且疲勞壽命長，因此封裝中接合部分的溫度循環(huán)壽命長。6)當(dāng)封裝安裝到印刷電路板上時(shí)，大的熱應(yīng)變不會在接合兩者的焊料突點(diǎn)上發(fā)展，是由于外部連接端子形成在與布線板有相同熱膨脹系數(shù)的有機(jī)載體基板上。7)由于以上3)到6)的效果，封裝中的內(nèi)部和外部接合部分的溫度循環(huán)可靠性變得極高。此外，通過采用新的接合/組裝工藝，可以在小接合載荷條件下進(jìn)行高強(qiáng)度的接合，所以在接合工藝中芯片損壞的可能性降低，并可以實(shí)現(xiàn)能夠提供高成品率的安裝工藝。即，超-多-管腳高速LSI芯片可以安裝到高可靠性的半導(dǎo)體封裝，提供了高成品率，同時(shí)不使性能變壞。
此外，根據(jù)本實(shí)施例，由于在芯片突出區(qū)域和以面朝下的方式完成連接，因此多個(gè)芯片可以相鄰地安裝。因此，在多芯片封裝中，封裝尺寸可以顯著減小。此外，由于封裝內(nèi)接合部分的耐熱性與根據(jù)常規(guī)金線鍵合技術(shù)的封裝耐熱性相同，因此可以采用與現(xiàn)有技術(shù)中相同的焊料回流工藝將封裝安裝到布線板。
圖3示出了根據(jù)本發(fā)明的半導(dǎo)體封裝結(jié)構(gòu)剖面圖的另一個(gè)例子。在同一圖中，對于有機(jī)載體基板，使用帶形基板，包括具有開口的聚酰亞胺帶13和組合的內(nèi)-外連接端子14，端子14已進(jìn)行了構(gòu)圖，每個(gè)都由相同銅島的表面和背面形成。在每個(gè)連接端子的每一側(cè)，施加鍍鎳層作為底層，施加鍍金層作為最外表面。在開口側(cè)內(nèi)部連接端子上形成金突點(diǎn)16，金突點(diǎn)16接合到形成在LSI芯片11的鋁或金電極12的金突點(diǎn)15上。以下面的方式進(jìn)行金突點(diǎn)接合。首先，通過氬濺射清潔基板一側(cè)金突點(diǎn)表面，基板送入密封沒有暴露到空氣的接合室內(nèi)，接合室保持在干燥的氣氛中，蒸汽分壓不高于100Pa。在真空室內(nèi)加熱形成有金突點(diǎn)的芯片，吸收水，然后送入接合室內(nèi)。在接合室中，基板一側(cè)上的金突點(diǎn)和芯片一側(cè)上的金突點(diǎn)相互對準(zhǔn)，芯片面朝下地安裝在基板上，之后使用接合工具從芯片一側(cè)施加熱和壓力，通過以幅值為510μm擦洗幾次或超聲振蕩進(jìn)行接合。此時(shí)，通過控制變形，可以防止金突點(diǎn)被過度擠壓，確保50μm以上的芯片-基板間隙。在芯片和基板之間的間隙中填充樹脂17并固化，此后不需要引線并且液相溫度為190℃到230℃的焊料突點(diǎn)18形成在基板的外部連接端子。將所述封裝設(shè)計(jì)成芯片和基板有相同的尺寸。
根據(jù)所述實(shí)施例，由于與圖1實(shí)施例的相同原因，超高速處理的LSI芯片可以安裝到小尺寸的封裝，同時(shí)其特性不變差。此外，還可以得到當(dāng)封裝安裝到布線板的同時(shí)，封裝的內(nèi)和外接合部分的長期可靠性變得極高的效果。也可以得到多芯片封裝的尺寸很大程度地減小的效果。
此外，在本實(shí)施例中，芯片的尺寸和載帶基板的尺寸相同，突起表面上的所以接合部分都容納在芯片表面內(nèi)。因此，如果多個(gè)具有金突點(diǎn)的半導(dǎo)體集成電路器件(即，LSI)形成在單個(gè)硅晶片上并且所述晶片安裝在帶有圖形用于多個(gè)封裝形成其上的載帶基板，在形成焊料突點(diǎn)之后在最后的工藝中通過切割分離，然后可以每次組裝多個(gè)芯片尺寸的封裝，因此可以極大地減少制造成本。詳細(xì)的制造方法與圖1
本實(shí)施例適合于管腳數(shù)量不大于200的情況。
圖4示出了根據(jù)本發(fā)明的半導(dǎo)體封裝結(jié)構(gòu)的剖面圖的另一例子，圖5為圖4中使用的有機(jī)載體基板的平面圖。有機(jī)載體基板為載帶基板，包括聚酰亞胺帶23和接合在帶上腐蝕的銅箔圖形。聚酰亞胺帶有一個(gè)外部連接端子部分和沿內(nèi)部連接端子區(qū)域24和外部連接端子區(qū)域25之間的界限形成的開口。開口形成為狹縫29，每個(gè)狹縫的尺寸能使內(nèi)部連接區(qū)域中的帶應(yīng)變不傳遞到外部連接區(qū)域。銅箔圖形包括內(nèi)部和外部連接端子26和27以及穿過狹縫29的布線部分28。在載帶基板上鍍金的內(nèi)部連接端子26和形成在芯片21的電極端子22上的金突點(diǎn)30金屬性地相互接合。根據(jù)這里采用的接合方法，首先通過用氬離子濺射清潔載帶基板上的內(nèi)部連接端子的表面，然后芯片安裝在基板上，同時(shí)在蒸汽分壓不高于100Pa的干燥氣氛中定位，之后通過加熱將整個(gè)溫度升高到200℃，通過從芯片一側(cè)施加壓力和超聲振蕩進(jìn)行壓力接合。熱膨脹系數(shù)等于其上安裝封裝的布線板熱膨脹系數(shù)的加強(qiáng)板31用粘結(jié)劑32粘貼到芯片安裝側(cè)外部連接端子區(qū)域中。在芯片和基板之間灌入有高度流動性的樹脂33并固化。當(dāng)灌入樹脂時(shí)，使用備用構(gòu)件防止樹脂從狹縫部分29漏出，狹縫部分也填充要固化的樹脂。由此，用樹脂覆蓋和保護(hù)穿過狹縫的布線。
根據(jù)本實(shí)施例，通過倒裝芯片接合法，使用具有長疲勞壽命和高耐環(huán)境性的高熔點(diǎn)材料，具有和電極端子數(shù)量相同的150以上管腳的超多管腳LSI芯片可以安全地接合到載帶基板的端子。因此，超多管腳和超高速處理的LSI芯片可以低成本地組裝成塑料封裝，并且在布線板上的安裝狀態(tài)中可靠性很高。當(dāng)根據(jù)本實(shí)施例的封裝安裝到布線板上時(shí)，通過狹縫部分可以斷開芯片和載體基板之間熱膨脹差異引入的熱應(yīng)變，外部連接端子區(qū)域的熱膨脹系數(shù)變得近似等于布線板的熱膨脹系數(shù)。因此，在焊料突點(diǎn)連接中不會形成大的熱應(yīng)力，焊料突點(diǎn)連接的溫度循環(huán)壽命變得很長。
圖6示出了根據(jù)本發(fā)明的多芯片封裝結(jié)構(gòu)剖面圖的一個(gè)例子，其中多個(gè)芯片以1mm以下的間隔相互靠近地排列。在同一圖中，內(nèi)部連接端子44、外部連接端子45以及布線圖形形成在組件基板43的兩個(gè)表面上。厚的鎳鍍層47作為底層施加到內(nèi)部連接端子，金鍍層48施加到底層上形成金突點(diǎn)。在芯片41的鋁電極焊盤42上通過引線鍵合法形成金栓柱突點(diǎn)46?；逡粋?cè)上的金突點(diǎn)和芯片一側(cè)上的金突點(diǎn)以下面的方式接合在一起。通過濺射清潔基板一側(cè)上的金突點(diǎn)的表面，然后如此清洗的金突點(diǎn)送入密封沒有暴露到空氣的接合室內(nèi)并填充干燥的大氣氣體，同時(shí)在真空中熱處理芯片一側(cè)的金突點(diǎn)，以除去吸收的水和有機(jī)物，然后對準(zhǔn)兩種突點(diǎn)，彼此相對，通過施加熱、壓力和清洗振蕩接合在一起。多個(gè)芯片接合到組件基板，樹脂49填充在芯片和基板之間。在組件基板的背面形成液相溫度為190℃以上的焊料突點(diǎn)50用于連接母板。作為外部連接機(jī)構(gòu)，可以采用焊料突點(diǎn)由引線端替代且引線端焊接到母板的結(jié)構(gòu)。
在本實(shí)施例中，由于組件基板-芯片連接部分為非常堅(jiān)固的金突點(diǎn)相互金屬性地接合，因此內(nèi)部連接的溫度循環(huán)可靠性很高，當(dāng)焊接到母板時(shí)，由于結(jié)合部分耐熱，所以對加熱溫度沒有限制。此外，各芯片可以相鄰芯片相互接觸的程度彼此靠近地安裝在組件基板上，由此可使組件尺寸減少到最小。
圖7示出了根據(jù)本發(fā)明的結(jié)合方法中采用的接合工序。通過球金屬線焊接方法形成的金突點(diǎn)作為突點(diǎn)材料金純度很高并且很軟，因此就在倒裝芯片接合之前的一個(gè)步驟中形成。由于該原因，突點(diǎn)表面的清潔程度很高。因此，可以省略了兩種突點(diǎn)的表面清潔處理。在大氣壓力中各芯片安裝到載體基板上，同時(shí)對準(zhǔn)，然后在該狀態(tài)中，將環(huán)境氣氛抽空到100Pa以下，之后加熱，吸收在突點(diǎn)表面上吸收的濕氣和有機(jī)物，進(jìn)行壓力接合。此時(shí)，如果以幾μm到十幾μm的幅值進(jìn)行幾次擦洗并加壓或施加超聲振蕩，可以容易地提高結(jié)合強(qiáng)度。在空氣中進(jìn)行各芯片的定位，同時(shí)將基板和各芯片固定到接合系統(tǒng)。定位之后，使用壓緊夾具將每突點(diǎn)幾克以下的載荷施加到每個(gè)芯片。這樣做可以防止加壓期間芯片和基板之間的位移，使接合區(qū)域盡可能地暴露到真空氣氛，由此吸收已吸收的物質(zhì)。結(jié)合之后，將帶芯片的基板取出放入空氣中，液體樹脂滲透在芯片和基板之間，然后除去空氣氣泡之后，通過加熱固化樹脂。此后，助焊劑涂敷到載體基板背面上的鍍金外部連接端子上，焊料球安裝其上，通過加熱回流焊料形成焊料突點(diǎn)。當(dāng)使用單個(gè)基板組裝多個(gè)封裝時(shí)，將切斷各封裝的切割步驟作為最后的步驟?，F(xiàn)在完成了組裝工藝。
圖8示出了實(shí)現(xiàn)圖7中接合方法的接合系統(tǒng)構(gòu)成的一個(gè)例子。在圖8中，用于抽真空的上室54和下室51通過O形環(huán)61相互緊密接觸。用于壓緊芯片68的組合壓緊夾具和真空法蘭盤55通過波紋管56以密封的方式與上室54的中心部分成一體。在法蘭盤上設(shè)置有固定到支撐臂53的圓筒62，圓筒62的活塞75固定到法蘭盤以控制法蘭盤的垂直運(yùn)動。上室可以獨(dú)立于法拉盤的運(yùn)動上和下移動，并通過固定到支撐臂的驅(qū)動機(jī)構(gòu)63控制。上室和法蘭盤的相對移動距離設(shè)計(jì)為20mm以上。根據(jù)該結(jié)構(gòu)，當(dāng)通過法蘭盤向半導(dǎo)體芯片68施加低載荷時(shí)，上室上拉，由此使位置檢查照相機(jī)插入到室內(nèi)。提供和固定半導(dǎo)體芯片68和載體基板700接觸金突點(diǎn)69和金焊盤71的加熱臺57的內(nèi)部提供有加熱器60，還提供有稍微向右和向左驅(qū)動加熱臺的臺驅(qū)動機(jī)構(gòu)59。加熱臺借助軸承58支撐，用于支撐加熱臺的運(yùn)動和承受接合載荷。將要抽真空的空間尺寸設(shè)計(jì)為允許其內(nèi)接收芯片和基板的最小尺寸，選擇真空泵64，以便抽空到10-2乇以下需要的時(shí)間不長于20秒。使用氮?dú)庾鳛槁?，將室壓力釋放到大氣壓?br> 由于本實(shí)施例為接合機(jī)構(gòu)設(shè)置在真空室之外并且僅可以排空接合樣品周圍的結(jié)構(gòu)，所以很大程度上縮短了從在大氣壓中定位直到得到接合需要的真空氣氛需要的時(shí)間，包括基板-芯片對準(zhǔn)→抽真空→壓力接合→泄漏到空氣的一個(gè)接合工藝可以在一分鐘之內(nèi)完成，由此將根據(jù)本發(fā)明的結(jié)合方法應(yīng)用到大規(guī)模生產(chǎn)。此外，由于可以在壓力接合步驟中從基板一側(cè)進(jìn)行幾μm左右的清洗，因此可以低載荷地增強(qiáng)結(jié)合強(qiáng)度，因而還可以減少芯片損傷的可能性。
圖9示出了在根據(jù)本發(fā)明的結(jié)合方法中使用的另一接合工序。如果通過電鍍形成的金焊盤或金突點(diǎn)厚于幾μm，那么成本增加，所以需要形成的厚度不大于1μm。另一方面，如果鍍金層很薄，那么金焊盤的變應(yīng)變得很小，因此表面污染程度對接合的影響很大。因此在示出的工序中，通過濺射清潔進(jìn)行基板一側(cè)金焊盤的表面清潔處理和在真空中熱處理芯片一側(cè)金突點(diǎn)表面僅除去吸收的水。進(jìn)行兩種處理之后，將部件送入密封的室內(nèi)，氣體壓力為5×103到2×105Pa以上，在與大氣不接觸狀態(tài)蒸汽分壓為100Pa以下的干燥空氣氣氛中，或主要由N2或Ar組成的氣體氣氛中，基板放置在加熱臺上，同時(shí)通過負(fù)壓吸引芯片被夾在壓緊夾具上，然后基板和芯片相互對準(zhǔn)并在擦洗或超聲振蕩下進(jìn)行壓力接合。當(dāng)使用的基板由對應(yīng)于多個(gè)封裝的圖形組成時(shí)，連續(xù)地送入各芯片進(jìn)行接合。接合之后，如此得到的組件取出到大氣中，然后在芯片和基板之間填充樹脂并固化，在基板一側(cè)外部連接端子上形成焊料突點(diǎn)，之后切成多個(gè)封裝?，F(xiàn)在完成了組裝工作。
圖10示出了實(shí)現(xiàn)圖9中的結(jié)合方法的接合系統(tǒng)構(gòu)成的一個(gè)例子。該結(jié)合系統(tǒng)基本上包括清潔基板的焊盤表面的預(yù)處理室81；在真空中熱處理半導(dǎo)體芯片并將其提供到要介紹的接合室的芯片提供室83；使基板和芯片相互對準(zhǔn)并加熱和加壓及擦洗或超聲波振蕩的條件下接合兩者的接合室82；從接合室中取出帶有芯片基板的基板卸載室86；向預(yù)處理室、接合室、芯片提供室、和基板卸載室提供干燥氣體的干燥氣體提供結(jié)構(gòu)85，每個(gè)室都?xì)饷苊芊猓慌趴彰總€(gè)室的排氣系統(tǒng)84；以及將基板提供到預(yù)處理室的基板提供機(jī)構(gòu)87。這些室通過閥門88、89以及90相互連接，基板或芯片傳送穿過這些室。作為干燥氣體，可以使用無論氧化氣體或非氧化氣體的任何氣體，只要蒸汽分壓不高于100Pa。例如空氣、氮?dú)夂蜌鍤狻?br> 圖11示出了圖10中預(yù)處理室和接合室構(gòu)成的一個(gè)例子。在預(yù)處理室10中提供了用氬離子濺射載體基板129的機(jī)構(gòu)。通過絕緣構(gòu)件108與系統(tǒng)電絕緣的方式設(shè)置陰極電極107。在陰極電極107上設(shè)置與地電位相同電位的陽極電極106?；骞潭ㄔ陉帢O電極上并排空室內(nèi)部之后，引入氬氣，用放在其上的直流部件從高頻發(fā)生器109向電極之間施加高頻電壓，在電極之間產(chǎn)生輝光放電。此時(shí)，氬氣電離并通過DC電壓部件朝向基板加速，由此物理地腐蝕并清潔基板表面。清潔之后，引入氮?dú)庵钡脚c下一接合室116中的氣體壓力相同。在接合室中安裝基板傳送機(jī)構(gòu)127，包括照相機(jī)的對準(zhǔn)結(jié)構(gòu)125、照相機(jī)的驅(qū)動系統(tǒng)126、XY移動臺124以及控制器123，接合結(jié)構(gòu)包括加壓機(jī)構(gòu)118、支撐臂121、超聲波振蕩機(jī)構(gòu)119、接合工具120和控制器122、以及將芯片131傳送到接合工具的芯片提供結(jié)構(gòu)(未示出)。一旦排空接合室，系統(tǒng)開始工作，干燥的氮?dú)庖肫渲兄钡浇咏髿鈮?，保持室的?nèi)部為干燥氣氛和大氣壓?；?30安裝在引入加熱機(jī)構(gòu)的加熱臺128上。通過負(fù)壓吸引芯片131被夾到接合工具。照相機(jī)嵌在芯片和基板之間，以檢查芯片上的金突點(diǎn)位置和基板上的金突點(diǎn)位置，同時(shí)通過XY移動臺進(jìn)行對準(zhǔn)，然后移動照相機(jī)之后，通過加壓機(jī)構(gòu)向下移動芯片，施加壓力和超聲波進(jìn)行接合。
根據(jù)本實(shí)施例，即使作為基板一側(cè)的內(nèi)部連接端子的金焊盤被有機(jī)物或由于從底層向外擴(kuò)散的氧化金屬污染，由于它們的表面已用氬離子物理地腐蝕并清潔，因此與芯片一側(cè)金突點(diǎn)的結(jié)合能力顯著提高，得到高強(qiáng)度的高可靠的接合部分。此外，由于接合室保持在濕氣含量減少的大氣壓下的干燥氮?dú)鈿夥罩?，通過負(fù)壓吸引卡住芯片，驅(qū)動系統(tǒng)中的移動部件有很長的使用壽命，不會被卡住。因此，可以實(shí)現(xiàn)能夠大規(guī)模制造的工藝和系統(tǒng)，并得到高度可靠的芯片-載體基板接合。由此，即使是電極焊盤大面積地排列其上的超多管教腳和超高速LSI芯片，芯片和有機(jī)載體基板也可以通過金突點(diǎn)直接并高強(qiáng)度地接合在一起。以此方式，可以低成本地得到高度可靠的半導(dǎo)體封裝，同時(shí)芯片性能不變壞。
根據(jù)本發(fā)明，如上所述，可以密集地封裝超多管教腳或超高速LSI芯片，并且可以最大程度地增強(qiáng)芯片性能。此外，使用低成本的有機(jī)載體基板，可以提供高可靠性連接的半導(dǎo)體封裝。此外，可以提供金突點(diǎn)/金焊盤或金突點(diǎn)/金突點(diǎn)倒裝芯片結(jié)合法，能夠通過可大規(guī)模制造的工藝以及實(shí)現(xiàn)所述方法的接合系統(tǒng)制造所述半導(dǎo)體封裝。
權(quán)利要求
1．一種半導(dǎo)體封裝，特征在于包括具有電極端子的半導(dǎo)體芯片；有機(jī)基板，具有連接到所述電極端子的內(nèi)部連接端子；以及填充在所述半導(dǎo)體芯片和所述有機(jī)基板之間的樹脂，其中所述電極端子和所述內(nèi)部連接端子通過金突點(diǎn)接合在一起，每個(gè)金突點(diǎn)的直徑不大于300μm、高度不小于50μm和高度/直徑比不低于1/5。
2．根據(jù)權(quán)利要求1的半導(dǎo)體封裝，特征在于就每個(gè)突點(diǎn)的拉伸斷裂強(qiáng)度而言，它的結(jié)合強(qiáng)度不低于30克。
3．一種半導(dǎo)體封裝，特征在于包括具有多個(gè)電極端子的半導(dǎo)體芯片；有機(jī)基板，具有多個(gè)內(nèi)部連接端子和多個(gè)外部連接端子，所述內(nèi)部連接端子以與所述電極端子相同的方式兩維地排列，并通過金突點(diǎn)連接到電極端子；所述外部連接端子由液相溫度不低于190℃的焊料突點(diǎn)構(gòu)成；以及填充在所述半導(dǎo)體芯片和所述有機(jī)基板之間的樹脂。
4．一種半導(dǎo)體封裝，特征在于包括半導(dǎo)體芯片；有機(jī)基板，具有多個(gè)內(nèi)部連接端子和多個(gè)外部連接端子，它們通過間距不大于400μm的金突點(diǎn)倒裝芯片接合到所述半導(dǎo)體芯片上，所述外部連接端子區(qū)和所述內(nèi)部連接端子區(qū)通過狹縫彼此分開，所述內(nèi)部連接端子和所述外部連接端子通過延伸穿過所述狹縫的金屬絲相互連接；樹脂，填充在所述半導(dǎo)體芯片和所述有機(jī)基板之間并覆蓋所述布線。
5．一種半導(dǎo)體封裝，特征在于包括半導(dǎo)體芯片；有機(jī)基板，具有大面積排列并以面朝下的方式與所述半導(dǎo)體芯片接合的多個(gè)內(nèi)部連接端子，和大面積排列的多個(gè)外部連接端子，所述內(nèi)部連接端子的區(qū)域和所述外部連接端子的區(qū)域在突起的表面上相互重疊；填充在所述半導(dǎo)體芯片和所述有機(jī)基板之間的樹脂。
6．根據(jù)權(quán)利要求5的半導(dǎo)體封裝，特征在于一對所述內(nèi)部連接端子和所述外部連接端子形成在單個(gè)銅島的背面和表面上。
7．一種半導(dǎo)體封裝，特征在于包括多個(gè)半導(dǎo)體芯片，具有電極端子并以不大于1毫米的間隔排列；有機(jī)基板，具有通過金突點(diǎn)連接到所述電極端子的多個(gè)內(nèi)部連接端子和由不低于190℃液相溫度的焊料突點(diǎn)構(gòu)成的多個(gè)外部連接端子；以及填充在所述半導(dǎo)體芯片和所述有機(jī)基板之間的樹脂。
8．一種用于有機(jī)基板和半導(dǎo)體芯片的倒裝芯片結(jié)合法，特征在于包括以下步驟在半導(dǎo)體芯片的電極端子上形成金突點(diǎn)；在有機(jī)載體基板或載帶基板的內(nèi)部連接端子的表面上形成鍍金層，對基板一側(cè)接合部分和芯片一側(cè)接合部分的金結(jié)合表面進(jìn)行清潔處理，以使金濃度不低于20atom％，在蒸汽分壓不高于100Pa的干燥氣氛中，不暴露到大氣并施加熱和壓力，壓力接合所述表面。
9．根據(jù)權(quán)利要求8的倒裝芯片結(jié)合法，特征在于所述基板一側(cè)接合部分的所述清潔處理使用氬離子濺射清潔，結(jié)合氣氛為不高于100Pa的局部蒸汽壓，并包括主要由空氣組成的氣體，或壓力為5×103到2×105pa的氬氣，在擦洗或超聲振蕩條件下同時(shí)施加熱和壓力進(jìn)行壓力接合。
10．一種用于有機(jī)基板和半導(dǎo)體芯片的倒裝芯片結(jié)合法，特征在于包括以下步驟在半導(dǎo)體芯片的電極端子和有機(jī)載體基板或載帶基板的內(nèi)部連接端子上通過金球結(jié)合方法形成金突點(diǎn)，在大氣壓力下使基板一側(cè)接合部分的金突點(diǎn)和芯片一側(cè)接合部分的金突點(diǎn)相互對準(zhǔn)，在該狀態(tài)中形成氣密密封的空間或?qū)?zhǔn)后將基板和芯片傳送到氣密密封的室內(nèi)，排空所述密封室直到得到不高于100Pa的接合氣氛，在擦洗或超聲振蕩條件下同時(shí)施加熱和壓力進(jìn)行壓力接合。
11．一種倒裝芯片結(jié)合系統(tǒng)，特征在于包括氣密密封的預(yù)處理室，清潔形成在基板上的金焊盤表面；氣密密封的接合室，加熱和在擦洗或超聲振蕩條件下，使基板上的金焊盤和半導(dǎo)體芯片上形成的金突點(diǎn)相互壓力接合，同時(shí)保持干燥氣氛；氣密密封的芯片提供室，將帶金突點(diǎn)的半導(dǎo)體芯片提供到所述接合室；以及氣密密封的卸載室，取出上述接合在半導(dǎo)體芯片和基板放入大氣中，其中所述預(yù)處理室和所述接合室、所述接合室和所述芯片提供室、以及所述接合室和所述卸載室分別通過閥門連接。
12．一種倒裝芯片結(jié)合系統(tǒng)，特征在于包括施加壓力和加熱的接合機(jī)構(gòu)；將基板和半導(dǎo)體芯片提供到所述接合機(jī)構(gòu)的提供機(jī)構(gòu)；所述半導(dǎo)體芯片和所述基板固定其中的氣密密封容器；以及排空機(jī)構(gòu)，所述氣密密封容器被分為上部容器和下部容器，所述上部容器包括連接到加壓機(jī)構(gòu)的部件和通過O形環(huán)與所述下部容器緊密接觸的部件，兩種部件以氣密密封的方式通過相對移動的波形管接合在一起。
13．一種半導(dǎo)體封裝的制造方法，特征在于包括以下步驟對形成有多個(gè)具有金突點(diǎn)的半導(dǎo)體集成電路器件的半導(dǎo)體晶片和形成有金突點(diǎn)或金焊盤用于多個(gè)封裝的有機(jī)基板進(jìn)行表面清潔處理；之后加熱和清洗或超聲振蕩使半導(dǎo)體晶片和所述有機(jī)基板相互壓力接合；在所述半導(dǎo)體晶片和所述有機(jī)基板之間灌入并固化樹脂；隨后在所述有機(jī)基板的外部連接端子上形成焊料突點(diǎn)；以及此后通過切割工藝組裝多個(gè)芯片尺寸的封裝。
全文摘要
半導(dǎo)體芯片和有機(jī)基板在濕氣含量減少的氣氛中通過已進(jìn)行清潔處理的金突點(diǎn)接合在一起。根據(jù)本發(fā)明,使用直徑不大于300μm、高度不小于50μm和高度/直徑比不低于1/5的金突點(diǎn)以足夠高的強(qiáng)度將半導(dǎo)體芯片和有機(jī)基板接合在一起,由此減少了應(yīng)變。
文檔編號H01L21/56GK1299518SQ98814031
公開日2001年6月13日 申請日期1998年9月28日 優(yōu)先權(quán)日1998年9月28日
發(fā)明者梶原良一, 小泉正博, 守田俊章, 高橋和彌, 西村朝雄, 坪崎邦宏 申請人:株式會社日立制作所