專利名稱：倒裝片電子封裝件的柔順表面層及其制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及到電子封裝件，更確切地說是涉及到借助于使芯片及安裝芯片的襯底的熱膨脹差異相互適應(yīng)而改進(jìn)倒裝片連接的可靠性的方法與裝置。
集成電路(IC)芯片或模塊利用通常稱為C4(可控崩塌芯片連接)或倒裝片固定工藝連接于芯片載體，有時直接連接于PC板或卡上。小的焊料突塊或球制作在芯片的有源表面上。然后將芯片倒轉(zhuǎn)(因此稱為“倒裝片”)并置于要被固定于其上的載體、板或其它襯底上。各個元件被加熱，使焊料在可控的崩塌過程中回流，從而實(shí)現(xiàn)芯片與襯底之間的電連接。此工藝在連接緊湊、電性能及成本方面都有許多優(yōu)點(diǎn)，使其成為工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)之一。但也存在一些缺點(diǎn)，妨礙了其更廣泛的應(yīng)用。
一個更為明顯的缺點(diǎn)來自芯片與襯底熱膨脹系數(shù)(CTE)之間的差異。諸如硅、鍺和砷化鎵之類的普通芯片材料通常具有約為3-6ppm/℃的CTE。安裝芯片的有機(jī)芯片載體以及通常為有機(jī)介電質(zhì)和金屬電路的復(fù)合物的有機(jī)印刷電路板，多半具有約為12-20ppm/℃的CTE。當(dāng)這些元件被加熱和冷卻時，襯底比芯片膨脹和收縮大得多。對于簡單的芯片與襯底連接，來自不同膨脹的應(yīng)變主要被柔軟的焊料吸收。隨著反復(fù)的熱循環(huán)(這對許多電子元件來說是不可避免的)，焊料連接很可能失效。
解決此問題的常規(guī)方法是用CTE與焊料連接相匹配或接近的(通常約為22-28ppm/℃)介電質(zhì)底部填充材料來環(huán)繞焊料連接。典型的底部填充材料是環(huán)氧基酐系。它們通常被二氧化硅之類的材料的極細(xì)小顆粒高濃度填充以得到所希望的CTE。此填料也使底部填充物具有通常大于2GPa或300ksi的高的模數(shù)(此處所用術(shù)語“模數(shù)”表示儲存模數(shù))。低部填充物承受了芯片與襯底不同膨脹所引起的大部分負(fù)荷，從而減小了焊料連接上的應(yīng)變。但由于限制了芯片與襯底之間的不同的膨脹，芯片與載體之間比較強(qiáng)的耦合就傾向于使芯片和載體二者都彎曲。這增大了垂直于安裝載體的襯底表面而作用的負(fù)荷。例如，當(dāng)在載體被固定在通常具有BGA上的焊料球陣列的印刷電路板或卡之后封裝件冷卻時，芯片和載體傾向于在中部向上拱起，這在載體與印刷電路板或卡之間陣列的中央處的球上產(chǎn)生張力。這會導(dǎo)致BGA的早期失效。
為了緩解這些問題，進(jìn)行過各種嘗試，包括在多層有機(jī)印刷電路板或卡中的具有所希望的CTE的加強(qiáng)肋和柔順材料層。但加強(qiáng)肋昂貴，而印刷電路板中的柔順層在鍍敷的通孔(PTH)穿處引起應(yīng)力集中，形成切形變。于是就需要可靠而價廉的方法來適應(yīng)芯片與諸如芯片載體和印刷電路板之類的電路化有機(jī)襯底之間的不同的熱膨脹。
本發(fā)明的封裝件和方法調(diào)節(jié)芯片與用置于芯片和襯底之間的柔順材料層安裝芯片的有機(jī)介電質(zhì)載體、印刷電路板或其他襯底之間的CTE差異。芯片與襯底之間的焊料連接延伸通過此柔順層，此柔順層通常與常規(guī)底部填充物一起使用。柔順層位于底部填充物與襯底之間，且其模數(shù)應(yīng)該小于底部填充物模數(shù)的大約一半。一般希望柔順材料的模數(shù)小于大約100000psi，模數(shù)大約為20000-50000psi的材料更好。
在芯片和襯底的熱循環(huán)過程中，柔順層的一側(cè)與底部填充物的運(yùn)動一致，而其另一側(cè)與襯底的運(yùn)動一致。這樣，柔順層就降低了芯片與襯底之間的耦合，從而減小了它們的彎曲。各種柔順的介電質(zhì)都可用作柔順層，包括硅酮之類的橡膠材料以及聚四氟乙烯之類的粘塑性聚合物。用作完成焊料連接的掩模的光敏互穿聚合物網(wǎng)絡(luò)則更好。
從下列描述中，本發(fā)明的其他優(yōu)點(diǎn)將更為明顯。


圖1和2是現(xiàn)有技術(shù)電子封裝件的示意剖面圖。
圖3是體現(xiàn)本發(fā)明的電子封裝件的示意剖面圖。
圖4試驗(yàn)數(shù)據(jù)圖示出了標(biāo)準(zhǔn)封裝件和具有本發(fā)明柔順層的封裝件的曲率對溫度的關(guān)系。
圖1示出了一般示為10的常規(guī)電子封裝件，它具有一個用C4連接方法連接于電路化載體22的裸芯片12。正如C4工藝常做的那樣，焊料突塊即焊料球16固定于集成電路芯片或模塊12上的接觸14，芯片倒轉(zhuǎn)過來，使接觸14處于頂部。然后將芯片倒扣于所示位置，而且使焊料球16對準(zhǔn)于電路化載體22上的接觸24。再對此封裝件進(jìn)行加熱以回流焊料球16，從而在芯片12和載體22之間完成C4連接。載體中的常規(guī)電路(未示出)將載體頂部上的接觸24連接到載體底部上的第二組接觸26。比將芯片10固定于載體的焊料球16稍大的第二組焊料球28，被固定于載體下方的接觸26。通常稱為球柵陣列即BGA的這種焊料球陣列28，將接觸26連接于印刷電路板、卡或其他襯底32上的接觸34?？梢赃x擇BGA球28中的焊料以便在低于C4焊料球16中的焊料的溫度下熔化，使芯片和載體能夠固定于襯底32而不影響C4連接。
硅、鍺和砷化鎵之類的常規(guī)芯片材料的熱膨脹系數(shù)約為3-6ppm/℃。它們通常固定于載體、印刷電路板和用玻璃填充的環(huán)氧樹脂、聚酰亞胺、液晶聚合物、填充PTFE之類的有機(jī)介電質(zhì)制造的其他復(fù)合襯底。由這些有機(jī)介電質(zhì)制成的電路化載體、印刷電路板和其他襯底，其CTE一般約為12-20ppm/℃。由于電路化有機(jī)介電質(zhì)的CTE更接近芯片的其它材料(例如陶瓷)具有許多優(yōu)點(diǎn)(包括成本、BGA壽命和介電常數(shù))，故有機(jī)介電質(zhì)盡管有這一CTE失配，仍然被使用于許多應(yīng)用中。但使用這種CTE失配的材料并不出現(xiàn)問題。當(dāng)封裝件10被加熱或冷卻時，載體22的橫向膨脹或收縮明顯大于芯片12的橫向膨脹或收縮。這在C4焊料球16上產(chǎn)生切應(yīng)變。許多電子元件在其一般操作中例行經(jīng)受熱循環(huán)，且這些熱循環(huán)有時由于環(huán)境條件而惡化。100℃以上的熱循環(huán)是相當(dāng)普遍的。在極端操作或環(huán)境條件下可以超過125℃。這些循環(huán)加于C4連接上的應(yīng)力/應(yīng)變是這些連接早期失效的一個主要原因。
圖2示出了引入了解決CTE失配問題的常規(guī)方法的另一封裝件40。除了封裝件40在芯片12和載體22之間具有環(huán)繞C4焊料球的底部填充物48之外，封裝件40的各個部分基本上與封裝件10的相同。可以由為此而設(shè)計(jì)的許多市售材料中任何一種制成的底部填充物48，在固定于襯底之后，通常分散在芯片邊沿周圍，由于毛細(xì)作用而進(jìn)入C4連接之間的空間并固化。底部填充物也可以加于芯片或載體，并隨C4回流同時固化。凝固的底部填充物承受芯片12與載體22膨脹和收縮差異所產(chǎn)生的大部分負(fù)荷，這顯著地降低了C4連接16上的應(yīng)變。
如上所述，底部填充材料一般含有顯著數(shù)量的二氧化硅之類的材料的極細(xì)小的顆粒。此顆粒被加于材料中，使底部填充物48的CTE基本上等于焊料球16的CTE(一般約為22ppm/℃)。這些熱膨脹系數(shù)必須匹配以便防止底部填充物交替伸縮并沿垂直于芯片表面方向壓縮C4焊料球(這也會產(chǎn)生早期失效)。但此顆粒添加物使底部填充材料的模數(shù)高，通常大于2Gpa即300ksi。當(dāng)圖2所示類型的封裝件在底部填充物固化后被冷卻時，芯片14和載體22之間的CTE差異和強(qiáng)耦合傾向于使芯片和載體都彎曲。這可能使硅芯片破裂。在完成載體22和襯底22之間的BGA連接28之后冷卻時，芯片和載體的彎曲在載體和襯底之間的球柵陣列中央焊料球28上施加張力。隨后的熱循環(huán)使這些焊料球受壓，并能引起早期失效。這樣，底部填充層本身也不是完全滿意的解決辦法。
圖3示出了體現(xiàn)本發(fā)明的電子封裝件60，它明顯地降低了CTE差異引起的彎曲或翹曲以及早期芯片破裂或BGA芯片破碎的伴生危險。封裝件60包括底部填充物48和載體22之間的柔順層68，它在一側(cè)與底部填充物48的運(yùn)動一致，而在另一側(cè)與載體22的運(yùn)動一致。在圖3所示的底部填充的封裝件中，柔順層68的模數(shù)應(yīng)該小于填充物48的模數(shù)的大約一半。通常，模數(shù)小于大約100000psi的材料是合適的，而模數(shù)大約為50000-20000psi的材料更好。合適的材料包括光成像互穿聚合物網(wǎng)絡(luò)、硅酮之類的橡膠材料和聚四氟乙烯之類的粘塑性材料。諸如此處列為參考的Day等人的美國專利5439779所公開的陽離子聚合環(huán)氧樹脂基樹脂系統(tǒng)的光成像互穿聚合物網(wǎng)絡(luò)(IPN)特別好。這些IPN可用來制作焊料掩模，使芯片和載體之間的C4連接容易實(shí)現(xiàn)。它們的物理性質(zhì)也使其非?？扇?。
最佳柔順材料被用于固化和處理過的載體22的表面，以便提供對應(yīng)于芯片12上C4焊料球和載體22上接觸24的窗口66圖形。然后將具有預(yù)制焊料球16的芯片置于柔順層上，并加熱封裝件以軟化焊料球，使焊料流過柔順層中的窗口66，并完成與載體上的接觸24的連接，通常在芯片固定于載體之后，使柔順層與芯片之間的空間充滿常規(guī)底部填充材料。
柔順層68較低的模數(shù)使此層的頂部與底部填充物48的運(yùn)動一致，而此層的底部與載體22的運(yùn)動一致。這使芯片膨脹與載體膨脹顯著地去耦，降低了應(yīng)力轉(zhuǎn)移和封裝件60的彎曲，降低了BGA連接上的應(yīng)力并提高了其可靠性。芯片與襯底之間降低了的耦合增大了C4連接16的切形變，但BGA連接28的增大了的可靠性(通常比C4更不可靠得多)比C4連接預(yù)期壽命的任何降低都變化得更大。借助于適當(dāng)選擇材料、尺寸和其它參量，本發(fā)明的封裝件可以設(shè)計(jì)成使C4連接的預(yù)期壽命與BGA連接的預(yù)期壽命大致相同，總體可靠性大為提高。
有限元分析和試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，柔順層的最佳厚度范圍為芯片與載體之間空間的四分之一到二分之一。對于降低彎曲來說，更薄的層不如最佳范圍內(nèi)的層那樣有效，而更厚的層使得難以用底部填充物來填充留下的空間。
從圖4可以看到由于使用這些材料而對彎曲的改進(jìn)，此圖示出了常規(guī)芯片載體(曲線A)和具有本發(fā)明柔順層的載體(曲線B)的試驗(yàn)彎曲數(shù)據(jù)(用莫爾干涉法得到的)。用同一個總共具有700個焊料球的陣列的硅芯片掩模模型制作了二個封裝件。芯片被固定在CTE約為18ppm/℃而模數(shù)約為18GPa的玻璃填充的環(huán)氧樹脂疊層(由相同的材料制成)。厚度約為2密耳的由200℃時模數(shù)約為0.3GPa的多元醇樹脂和溴化環(huán)氧樹脂制成的光成像互穿聚合物網(wǎng)絡(luò)制成的柔順層，被加于第二載體的表面并被處理，以便形成對應(yīng)于芯片上陣列中的焊料球和載體表面上的接觸的窗口。焊料球通過柔順層中的窗口被連接到載體上的接觸，在芯片和柔順層之間留下大約4密耳的空間。在不具有柔順層的第一載體中，芯片和載體之間的空間約為6密耳。各個封裝件中C4連接周圍的開放空間在室溫下用模數(shù)約為11GPa的市售底部填充材料Dexter Hysol 4511填充。
圖4示出，正比于封裝件中的彎曲應(yīng)力的彎曲曲率是溫度的線性函數(shù)。彎曲曲率越低，彎曲應(yīng)力就越小。封裝件變平(彎曲曲率為零)時的溫度，由于低于此溫度時芯片將開始被鎖定或耦合于疊層芯片載體，故定義為“無應(yīng)力溫度”或“芯片鎖定溫度”或“芯片耦合溫度”。高于此溫度時，芯片將與疊層芯片載體去耦，亦即，芯片幾乎保持平坦，而彎曲曲率基本上保持為零。
如從圖可見，第二封裝件中的去耦層有效地降低了“芯片耦合溫度”、零彎曲曲率點(diǎn)或曲線與溫度軸的交點(diǎn)。此時，“芯片耦合溫度”從標(biāo)準(zhǔn)封裝件的140℃降低到具有去耦層的封裝件的大約110℃。由于彎曲曲率與溫度之間的線性關(guān)系，具有去耦層的封裝件的整個彎曲曲線向下偏移。于是，在具有去耦層的封裝件中，在低于“芯片耦合溫度”點(diǎn)的整個溫度范圍內(nèi)，得到了較低的彎曲曲率因而也是較低的彎曲應(yīng)力。
如上所述，各種其它的柔順材料都能夠用作柔順層68。諸如在Tg非常低的材料上的絲網(wǎng)印刷之類的其它制備焊料掩模的方法，也可以用于不能光成像的材料。正如本技術(shù)領(lǐng)域熟練人員從上述描述中可理解的那樣，本發(fā)明提供了一種在倒裝芯片于電路化有機(jī)介電質(zhì)襯底的封裝件中降低彎曲的有效、實(shí)用而成本合算的方法。獲得了這些改進(jìn)而沒有產(chǎn)生別的困擾現(xiàn)有技術(shù)方法的問題。當(dāng)然，本技術(shù)領(lǐng)域熟練人員還能理解，在本發(fā)明的范圍內(nèi)，對上述由下列權(quán)利要求所定義的材料、結(jié)構(gòu)和方法可以做出許多修正。
權(quán)利要求
1.一種半導(dǎo)體封裝件，它包含集成電路芯片；熱膨脹系數(shù)明顯高于所述芯片熱膨脹系數(shù)的電路化有機(jī)襯底；在所述芯片和所述襯底之間的焊料連接；環(huán)繞所述焊料連接的底部填充層；以及在所述包封劑和所述電路化有機(jī)載體之間的柔順介電質(zhì)材料層，所述介電質(zhì)材料的模數(shù)小于底部填充層模數(shù)的大約一半，并被用來與一側(cè)上的底部填充層一致地運(yùn)動和與另一側(cè)上的所述有機(jī)襯底一致地運(yùn)動。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的封裝件，其中的柔順介電質(zhì)材料包含模數(shù)小于大約100000psi的聚合物材料。
3.根據(jù)權(quán)利要求2的封裝件，其中所述聚合物材料的模數(shù)為大約50000psi-20000psi。
4.根據(jù)權(quán)利要求3的封裝件，其中所述聚合物材料包含互穿聚合物網(wǎng)絡(luò)、橡膠材料或粘塑性聚合物。
5.根據(jù)權(quán)利要求1的封裝件，其中的柔順介電質(zhì)材料包含互穿聚合物網(wǎng)絡(luò)。
6.根據(jù)權(quán)利要求5的封裝件，其中所述網(wǎng)絡(luò)中至少一種聚合物是可光成像的。
7.根據(jù)權(quán)利要求1的封裝件，其中的柔順層包含焊料掩模。
8.根據(jù)權(quán)利要求7的封裝件，其中的焊料掩模包含可光成像的互穿聚合物網(wǎng)絡(luò)。
9.根據(jù)權(quán)利要求8的封裝件，其中所述可光成像的互穿聚合物網(wǎng)絡(luò)包含含有多元醇樹脂和溴化環(huán)氧樹脂的環(huán)氧基樹脂系統(tǒng)。
10.根據(jù)權(quán)利要求9的封裝件，其中所述聚合物網(wǎng)絡(luò)在大約95-105℃的溫度下開始轉(zhuǎn)變到橡膠態(tài)。
11.根據(jù)權(quán)利要求1的封裝件，其中柔順材料的柔順層的厚度約為芯片和載體之間距離的四分之一到二分之一。
12.一種電子設(shè)備，它包含集成電路芯片；在第一表面上具有第一組接觸并在正對著所述第一表面的第二表面上具有第二組接觸，所述第二組中的接觸電連接于所述第一組中的接觸的電路化有機(jī)介電質(zhì)芯片載體；在所述芯片和載體之間的焊料連接；環(huán)繞所述焊料連接的底部填充層；在所述底部填充層和所述芯片載體之間的由互穿聚合物網(wǎng)絡(luò)制成的柔順層；至少在一個表面上具有接觸的電路化有機(jī)襯底；以及在所述襯底上的接觸與所述載體上的所述第二組接觸之間的焊料連接陣列。
13.一種用來將集成電路芯片連接到至少一個表面上具有接觸陣列的有機(jī)介電質(zhì)芯片載體的方法，其特征是包含下列步驟提供一個從所述芯片有源表面突出的焊料元件陣列；將互穿聚合物網(wǎng)絡(luò)組成的柔順層涂于所述襯底的所述表面，將所述表面上的接觸覆蓋；在所述柔順層中制作窗口以便能夠接近所述襯底上的接觸；將所述集成電路芯片置于所述柔順層上，使所述突出的焊料元件與所述窗口對準(zhǔn)；并對焊料元件進(jìn)行加熱，使焊料流過所述窗口，從而完成所述芯片與所述接觸之間的電連接；以及制作環(huán)繞柔順層與芯片之間的所述焊料連接的底部填充材料層。
14.一種裝配電子元件的方法，它包含提供一個具有從所述芯片有源表面突出的焊料元件陣列的集成電路芯片；提供一個在第一表面上具有第一組接觸并在正對著所述第一表面的第二表面上具有第二組接觸，所述第二組中的接觸電連接于所述第一組中的接觸的電路化有機(jī)介電質(zhì)芯片載體；在所述載體與所述芯片之間制作環(huán)繞所述突出焊料元件的底部填充層；將所述集成電路芯片置于所述柔順層上，使所述突出的焊料元件與所述窗口對準(zhǔn)；并對焊料元件進(jìn)行加熱，使焊料流過所述窗口，從而完成所述芯片與所述接觸之間的電連接；在所述芯片載體的所述第一表面上，制作具有對應(yīng)于所述突出焊料元件和所述載體上的所述接觸，且模數(shù)為100000psi或更小的柔順層；將第二級焊料元件陣列鍵合到所述載體的第二表面上的接觸；提供至少在一個表面上具有接觸的電路化有機(jī)印刷電路板或卡或其它襯底；將具有所述第二級焊料元件的所述載體與所述襯底上的接觸相接觸；以及使所述第二級焊料元件回流，從而完成從所述集成電路芯片通過所述一級焊料元件和所述二級焊料元件到所述襯底的電連接。
全文摘要
倒裝片電子封裝件配備有通常位于底部填充層和諸如芯片載體或印刷電路板或卡之類的襯底之間的柔順表面層,這降低了芯片和襯底之間熱膨脹系數(shù)差異引起的應(yīng)力和應(yīng)變。儲存模數(shù)應(yīng)該小于襯底模數(shù)一半(最好在大約50000psi－20000psi之間)的柔順層可以包含諸如硅酮之類的橡膠材料、諸如聚四氟乙烯之類的粘塑性聚合物或互穿聚合物網(wǎng)絡(luò)(IPN)。用作焊料標(biāo)記的光敏IPN最好。
文檔編號H01L21/56GK1244728SQ99104390
公開日2000年2月16日 申請日期1999年3月26日 優(yōu)先權(quán)日1998年4月28日
發(fā)明者米格爾·A·吉姆雷斯, 埃里克·A·約漢森, 李力, 簡·奧伯魯茲 申請人:國際商業(yè)機(jī)器公司