用于超大規(guī)模集成電路芯片的桶形焊球重分布封裝結(jié)構(gòu)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種用于超大規(guī)模集成電路芯片的桶形焊球重分布封裝結(jié)構(gòu)，包括RCP塑封材料、裸片、介質(zhì)層、RDL焊盤(pán)、焊球、PCB焊盤(pán)和PCB基板，所述的焊球?yàn)橥靶魏盖?，其上下兩部分分別是兩個(gè)半球的一部分，中間是一截圓柱，焊球整體呈桶形。本發(fā)明的桶形幾何結(jié)構(gòu)焊球的重分布封裝在熱機(jī)械可靠性方面得到了提高。
【專利說(shuō)明】
用于超大規(guī)模集成電路芯片的桶形焊球重分布封裝結(jié)構(gòu)
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明屬于半導(dǎo)體封裝領(lǐng)域，主要應(yīng)用于超大規(guī)模集成電路芯片的封裝，特別涉 及一種具有桶形幾何結(jié)構(gòu)焊球的重分布封裝結(jié)構(gòu)。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著小型化和多功能化的趨勢(shì)日漸加強(qiáng)，芯片封裝也從之前的球柵陣列 (BallGridArray，BGA)封裝發(fā)展到了晶元級(jí)封裝(WaferLevelPackage，WLP)封裝，而傳統(tǒng)的 扇入型WLP封裝形式制約了焊球的數(shù)量，而扇出型WLP封裝可以很好的解決焊球數(shù)量和節(jié)距 的問(wèn)題。重分布封裝技術(shù)(redistributedchippackaging，RCP)是扇出型WLP封裝的一種，它 與BGA封裝相比，封裝的厚度和面積都大幅度減小，是一種很有前景的未來(lái)封裝技術(shù)。
[0003] 而封裝厚度和面積的減小，使得該封裝形式的熱機(jī)械問(wèn)題變得尤為突出。近來(lái)，大 約65 %的失效都是有熱機(jī)械問(wèn)題引起的。焊球作為封裝中最重要的部分，起著電氣連通性 和導(dǎo)熱、散熱的功能，而焊球也是整個(gè)封裝中最脆弱的部分，大部分的熱機(jī)械失效都是有焊 球的斷裂引起的，甚至可以說(shuō)焊球的熱機(jī)械可靠性直接決定著整個(gè)封裝體的熱機(jī)械可靠 性。在如今主流封裝技術(shù)都在使用球形焊球，如圖2所示，而焊球的幾何結(jié)構(gòu)對(duì)封裝的熱機(jī) 械可靠性的影響問(wèn)題往往在封裝技術(shù)的設(shè)計(jì)和研發(fā)階段被忽略掉。
[0004] 因此，應(yīng)當(dāng)考慮封裝技術(shù)中焊球幾何機(jī)構(gòu)這一因素，以改善芯片封裝技術(shù)的熱機(jī) 械可靠性問(wèn)題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明提供一種能夠改善芯片封裝熱機(jī)械可靠性問(wèn)題的重分布封裝結(jié)構(gòu)。本發(fā)明 通過(guò)改變焊球的幾何結(jié)構(gòu)，來(lái)減小在使用過(guò)程中，通電產(chǎn)熱和斷點(diǎn)放熱這一熱循環(huán)的條件 下，由于封裝體各部件熱膨脹系數(shù)不同而導(dǎo)致的在焊球上產(chǎn)生的熱機(jī)械應(yīng)力、應(yīng)變和非彈 性應(yīng)變能量密度，從而改善重分布封裝的熱機(jī)械可靠性，提高芯片的使用壽命。本發(fā)明的技 術(shù)方案如下：
[0006] 一種用于超大規(guī)模集成電路芯片的桶形焊球重分布封裝結(jié)構(gòu)，包括RCP塑封材料、 裸片、介質(zhì)層、RDL焊盤(pán)、焊球、PCB焊盤(pán)和PCB基板，其特征在于，所述的焊球?yàn)橥靶魏盖?，?上下兩部分分別是兩個(gè)半球的一部分，中間是一截圓柱，焊球整體呈桶形。
[0007] 本發(fā)明的桶形幾何結(jié)構(gòu)焊球的重分布封裝在熱機(jī)械可靠性方面得到了提高，主要 體現(xiàn)在:桶狀幾何結(jié)構(gòu)的焊球可以減小重分布封裝中由于封裝體各部件熱膨脹系數(shù)不匹配 而產(chǎn)生的熱機(jī)械應(yīng)力、應(yīng)變，還有效減小了非彈性應(yīng)變能量在焊球連接RDL焊盤(pán)和PCB焊盤(pán) 表面薄層的積累，延長(zhǎng)了芯片的壽命;桶形焊球相對(duì)于傳統(tǒng)的球形焊球，對(duì)焊接過(guò)程中的翹 曲現(xiàn)象有較好的緩解，提高了芯片的板級(jí)可靠性;桶形焊球與相同焊球開(kāi)口和焊球高度的 球形焊球相比，焊球的體積得到有效的減小，從而節(jié)省了成本。
【附圖說(shuō)明】
[0008] 圖1桶形幾何機(jī)構(gòu)焊球的RCP封裝結(jié)構(gòu)
[0009] 圖2是球形焊球的幾何結(jié)構(gòu)
[0010] 圖3桶形焊球的幾何結(jié)構(gòu)
[0011] 圖4桶形焊球RCP封裝的縱向結(jié)構(gòu)
[0012] 圖5所構(gòu)建的四分之一模型的俯視圖
[0013 ]圖6桶形焊球RCP封裝中非彈性應(yīng)變能量密度在焊球上的總體分布圖
[0014] 圖7是桶形焊球RCP封裝中非彈性應(yīng)變能量密度在焊球上分布的俯視圖
[0015] 圖8是桶形焊球RCP封裝中非彈性應(yīng)變能量密度在焊球上分布的仰視圖
[0016] 附圖標(biāo)記說(shuō)明：1是RCP塑封材料;2是裸片(硅片）；3是介質(zhì)層;4是RDL焊盤(pán);5是焊 球;6是PCB焊盤(pán);7是PCB基板;R是焊球開(kāi)口的半徑;H是焊球的高度。
【具體實(shí)施方式】
[0017] 常規(guī)重分布封裝技術(shù)流程為:首先，把裸片有源面向下放置于基板上，并用環(huán)氧樹(shù) 脂封裝;然后去除掉基板材料;重分布過(guò)程，即重新排布信號(hào)線、電源線和地線;之后植入球 形焊球;最后切割開(kāi)程單獨(dú)的芯片。
[0018] 為了與常規(guī)重分布封裝流程相契合，桶形焊球要根據(jù)原有的球形焊球的參數(shù)作為 參考來(lái)設(shè)計(jì)和生產(chǎn)，例如焊球的開(kāi)口、焊球的高度、焊球的材料等。桶形焊球上下兩部分分 別是兩個(gè)半球，上下兩端的焊球開(kāi)口要與原工藝流程契合，即保持桶形焊球的焊球開(kāi)口與 原球形焊球的焊球開(kāi)口一致，中間是一截圓柱，焊球整體呈桶形。然后在植球過(guò)程中，把桶 形焊球植到焊盤(pán)上，最后在實(shí)際使用中采用合適的焊接技術(shù)把芯片焊接到PCB板上。
[0019] 這個(gè)技術(shù)方案中的桶形焊球制造技術(shù)、植球技術(shù)和最后的焊接技術(shù)是本發(fā)明的關(guān) 鍵技術(shù)點(diǎn)。在這些過(guò)程中，要保證焊球的幾何形狀為桶形，這樣才能使桶形焊球?qū)Ψ庋b的熱 機(jī)械可靠性起到改善的效果。
[0020] 下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行說(shuō)明。
[0021 ]本發(fā)明的結(jié)構(gòu)如圖1、圖3和圖4所示，圖1為總體效果圖，圖3為焊球的幾何結(jié)構(gòu)，圖 4為整體縱向結(jié)構(gòu)，依次由上到下為塑封材料1、裸片2(硅片）、介質(zhì)層3和RDL焊盤(pán)4構(gòu)成的重 分布層、焊球5、PCB焊盤(pán)6和PCB基板7。其中，塑封材料把硅片包裹在內(nèi)，起到對(duì)硅片的保護(hù) 作用;塑封材料盡量薄，可以更好的導(dǎo)熱;塑封材料面積遠(yuǎn)大與硅片面積，多出的部分充當(dāng) 扇出區(qū)域，可以慢足高焊球數(shù)量的要求;焊球通過(guò)RDL焊盤(pán)與封裝體內(nèi)部電氣連通，通過(guò)PCB 焊盤(pán)與PCB基板連接。
[0022] 焊球選用SAC焊球，即錫-銀-銅焊球，這種焊球不含鉛，對(duì)環(huán)境更佳友好;桶形焊球 比同參數(shù)要求的球形焊球體積小，成本低；另外，本發(fā)明的技術(shù)難點(diǎn)是植球和焊球過(guò)程，要 詳盡考慮各種因素，選用合適的焊膏，嚴(yán)格保證桶形焊球的幾何結(jié)構(gòu)不改變。
[0023] 為驗(yàn)證桶形幾何機(jī)構(gòu)焊球較之球形幾何結(jié)構(gòu)焊球具有更佳的熱機(jī)械可靠性，對(duì)圖 1所示的封裝結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模，考慮到封裝的對(duì)稱性，分別建立桶形焊球和球形焊球的四分之 一RCP郵箱元封裝模型，如圖4和圖5所示，圖4顯示了桶形焊球RCP封裝的縱向結(jié)構(gòu)，圖5顯示 了所建立的模型的相對(duì)大小，娃片為2 X 2 X 0.3mm3，位于內(nèi)層16個(gè)焊球上方，外層焊球上方 為扇出區(qū)。如圖2和圖3所示，桶形焊球和球形焊球的焊球開(kāi)口半徑R和焊球高度H保持一致。 施加-40 °C-125 °C的熱循環(huán)載荷，循環(huán)三次，求得關(guān)鍵點(diǎn)處焊球表面薄層中非彈性應(yīng)變能量 密度的大小，來(lái)表征封裝的熱機(jī)械可靠性。非彈性應(yīng)變能量積累越少，即非彈性應(yīng)變能量密 度值越小，則說(shuō)明該結(jié)構(gòu)的封裝熱機(jī)械可靠性越好。從圖6、圖7和圖8可知:對(duì)于焊球與封裝 體連接的上表面處，硅片下方角部的焊球上表面薄層中非彈性應(yīng)變能量密度值最大;對(duì)于 焊球與PCB連接的下表面處，封裝整體角部的焊球小表面薄層中非彈性應(yīng)變能量密度值最 大。球形焊球RCP封裝四分之一模型仿真結(jié)果與桶形焊球RCP封裝四分之一模型仿真結(jié)果一 致。所以，硅片下方角部焊球和封裝整體角部焊球?yàn)閮蓚€(gè)關(guān)鍵點(diǎn)焊球，硅片下方角部焊球上 表面薄層和封裝整體角部焊球的下表面薄層中的非彈性應(yīng)變能量密度值是表征封裝熱機(jī) 械可靠性的兩個(gè)關(guān)鍵參數(shù)。兩種結(jié)構(gòu)模型仿真所得兩個(gè)關(guān)鍵參數(shù)值如表1所示，桶形幾何結(jié) 構(gòu)焊球RCP封裝中硅片下方角部焊球的上表面薄層中非彈性應(yīng)變能量密度較之球形焊球結(jié) 構(gòu)RCP封裝減小了約16.9%，整體封裝角部焊球下表面薄層中非彈性應(yīng)變能量密度較之球 形結(jié)構(gòu)RCP封裝減小了約17.3%。這表明，桶形幾何結(jié)構(gòu)焊球的RCP封裝的熱機(jī)械可靠性較 之球形幾何結(jié)構(gòu)焊球的RCP封裝有了顯著的提升，芯片的壽命也會(huì)相應(yīng)的增加。
[0024]表1常規(guī)球形焊球和桶形焊球的RCP封裝關(guān)鍵點(diǎn)焊球上表面薄層處平均非彈性應(yīng) 變能量密度值
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種用于超大規(guī)模集成電路芯片的桶形焊球重分布封裝結(jié)構(gòu)，包括RCP塑封材料、裸 片、介質(zhì)層、RDL焊盤(pán)、焊球、PCB焊盤(pán)和PCB基板，其特征在于，所述的焊球?yàn)橥靶魏盖?，其?下兩部分分別是兩個(gè)半球的一部分，中間是一截圓柱，焊球整體呈桶形。
【文檔編號(hào)】H01L21/60GK106057761SQ201610673588
【公開(kāi)日】2016年10月26日
【申請(qǐng)日】2016年8月14日 公開(kāi)號(hào)201610673588.6, CN 106057761 A, CN 106057761A, CN 201610673588, CN-A-106057761, CN106057761 A, CN106057761A, CN201610673588, CN201610673588.6
【發(fā)明人】肖夏, 曹一凡
【申請(qǐng)人】天津大學(xué)