芯片帽及戴有芯片帽的倒装芯片封装制造技术

在本发明专利技术中，用于倒装芯片封装的芯片帽和盖有芯片帽的倒装芯片封装被提供。芯片帽的作用是通过紧紧地包住倒装芯片的顶部和侧边来约束芯片在温度变化过程中的热变形。在倒装芯片封装中，倒装芯片和基板之间的CTE（热膨胀系数）不匹配是引起倒装芯片封装的翘曲和可靠性方面的问题的根本原因。当前的发明专利技术构思是通过使用芯片帽来约束倒装芯片的热变形，以减少热膨胀系数的不匹配。当使用具有高的热膨胀系数和高模量的芯片帽，盖有芯片帽的倒装芯片具有相对高的整体的热膨胀系数，降低了与基板之间的热膨胀系数的不匹配。其结果是，倒装芯片封装的翘曲和可靠性同时得到根本改善。

【技术实现步骤摘要】
芯片帽及戴有芯片帽的倒装芯片封装
本专利技术总体上涉及集成电路的半导体封装。本专利技术特别涉及用于减少倒装芯片半导体封装的翘曲和提高其可靠性的芯片帽及其应用。
技术介绍
由于倒装芯片互连技术能够容纳非常高的单位面积引脚数，其被广泛用于半导体器件封装。倒装芯片封装是最常见的采用倒装芯片互连技术的半导体封装。倒装芯片封装基本上包括一个芯片和一个基板。其中的芯片通过安装在其一侧的导电焊球或铜柱焊球被焊接在基板的一侧。一种用来保护这些焊球的底部填充材料通常被通过毛细管力注入到倒装芯片和基板之间的间隙。根据基板底侧上不同的电触点，倒装芯片封装包括倒装芯片球栅阵列封装（FCBGA），倒装芯片栅格阵列封装（FCLGA）和倒装芯片引脚网格阵列封装（FCPGA）。翘曲是倒装芯片封装使用有机基板时的一个大问题，特别是对于大的基板尺寸和大的芯片尺寸的倒装芯片封装。为了控制倒装芯片封装的翘曲，各种金属加强环或金属盖子被安装在基板上以控制其变形。使用传统的金属加强环或金属盖子可以减少翘曲，但同时也增加了倒装芯片封装内的应力水平，从而导致了一些应力引起的失效问题。对于使用有机材料基板的倒装芯片封装，基板的热膨胀系数大约是15ppm，而芯片的热膨胀系数大约是为3ppm。如此大的芯片和基板之间的热膨胀系数的不匹配是下列这些问题的根本原因：倒装芯片封装的过量翘曲，在倒装芯片封装的制造过程，可靠性试验或应用中的芯片介电层开裂，焊球桥连或焊球开裂等。人们一直在尝试各种方法去减少倒装芯片封装的翘曲和提高其可靠性。例如，在现有的专利技术中，当注入和固化底部填充材料时，人们通过各种类型的夹子去夹紧基板或把倒装芯片和基板保持在一起来减少翘曲。此外，人们也设计了各种类型的加强环或盖子以减少倒装芯片封装基板的翘曲。图1A和图1B显示了在现有的专利技术中用于控制倒装芯片封装翘曲的传统类型的盖子。图1A所示的盖子也被称作帽子类型的盖子，其由顶片10，侧壁12和脚边沿14组成。这种帽子类型的盖子可以廉价地通过冲压金属片制造。图1B所示的盖子由顶片20和宽侧壁22组成。图2A，2B和2C显示了使用传统类型盖子的倒装芯片封装。图2A和图2B所示的倒装芯片封装的盖子的大小和基板相同，并粘附在基板的边缘上。图2C所示的倒装芯片封装的盖子小于基板，并附着在基板的内侧部分。这些传统的倒装芯片封装包括一个芯片32，一个基板36和一个盖子。芯片32和基板36通过焊点38和底部填充材料40获得在电性能和机械上的连接。盖子通过粘接材料34和热界面材料30被粘附在基板36和芯片32上。盖子的主要目的是限制基板36的热变形，以减少其翘曲。在这些传统的倒装芯片封装中，盖子不限制芯片的侧边，而是在芯片和盖子之间有一个空腔。图3所示的是一个在现有的专利技术中用于倒装芯片封装的芯片夹，其中倒装芯片52通过焊点54和底部填充材料56连接在基板58上，并且在注入底部填充材料前，为了把芯片固定在基板上，一个芯片夹50被首先粘接在基板上。图4显示了一个在现有的专利技术中用于倒装芯片封装的多片散热片70和76。在这个使用多片散热片的倒装芯片封装设计中，芯片72和基板80通过焊点74和底部填充材料78获得在电性能和机械上的连接，多片散热片70和76的其中一片76在注入底部填充材料前被粘附在基板80上，然后在注入底部填充材料后，另一片70再被粘附。在倒装芯片封装中使用盖子的主要目的是减少基板的翘曲。然而，在现有的专利技术中，图1A和图1B所示的传统的盖子主要限制图2A，2B和2C所示的倒装芯片封装基板36的变形或翘曲。这种传统盖子的缺点之一是盖子和芯片之间有一个空腔，其结果是由于芯片的侧面32没有被有效地约束，这种用来减小倒装芯片封装翘曲的传统方法的效率不能令人满意。图3和图4中所示的现有的专利技术中的基本概念是先在基板上粘附一个芯片夹或多片散热片的一片以防止倒装芯片在底部填充材料注入和固化期间的移动。图3所示的现有的专利技术中的散热片被称为芯片夹50，它包括一个顶部和一个侧部，为了让底部填充材料流入，其侧部具有至少一个开口。图4所示的现有的专利技术使用了多片散热片，其特征在于，为了让底部填充材料流入，其第一片76具有至少一个开口，并在注入底部填充材料前被粘附在基板上，而这个多片散热片的第二片在底部填充材料注入芯片和基板的间隙后再被粘附在基板上以封住这个多片散热片的第一片的开口。图3和图4图中所示的现有专利技术的一个缺点是芯片夹或多片散热片的第一片要在注底部填充材料流入芯片和基板之间的间隙前被粘附在基板上。其结果是，为了让底部填充材料流入，芯片夹或多片散热片的第一片的侧部需要一个或多个开口，从而导致一个复杂的倒装芯片封装装配过程。本专利技术介绍一个具有一些本专利技术性元素的芯片帽及其在倒装芯片半导体封装中的应用。在本专利技术的戴有芯片帽的倒装芯片封装中，芯片帽不是被粘附在基板上，而是在注底部填充材料进入芯片和基板之间的间隙后被粘附在芯片上，以控制热芯片的热变形。值得注意的是，本专利技术的芯片帽不仅与芯片的顶部粘接而且也与芯片的侧部粘接，并且在本专利技术的倒装芯片封装中使用的芯片帽不必留有侧面开口。可以选用高热膨胀系数和高模量的材料，如铜或铜合金来制作芯片帽。这样，戴有芯片帽的芯片（这里简称作戴帽子的芯片）具有相对高的整体热膨胀系数，从而降低了倒装芯片半导体封装中的芯片和基板之间的热膨胀系数的不匹配。其结果是，倒装芯片封装的翘曲被减少或消除，同时倒装芯片封装的可靠性也被提高，而且效率高，成本低。此外，热膨胀系数的不匹配也是引起倒装芯片封装和印刷电路板之间的焊锡球的可靠性问题的根源，所以戴有芯片帽的倒装芯片封装同时提高倒装芯片封装和印刷电路板之间的焊锡球的可靠性。
技术实现思路
本专利技术描述了一个具有一些特定元素的芯片帽，戴有芯片帽的倒装芯片封装及其制造方法。在本专利技术的一个实施例中，芯片帽由顶片和侧壁组成，其中在侧壁的底部可以有脚边沿，也可以没有脚边沿，并且芯片帽具有这样一些特定元素，包括：1）在芯片帽顶片的内表面和靠近其边缘上开有凹口，（这里简称作边缘凹口），2）在芯片帽顶片的内表面和中间部分有一些凸点（这里简称作中凸点），3）从芯片帽顶片向外延伸的顶部边沿（这里简称作顶边沿），4）从顶部边缘向下延伸的侧支撑壁或侧支撑柱（这里简称作侧支撑壁或侧面支柱）。涉及在本专利技术中的边缘凹口，中凸点，顶边沿和侧支撑壁及在传统盖子涉中的脚边沿这些术语将在下面结合图片被进一步解释。除了控制倒装芯片封装的翘曲这个主要目的外，在本专利技术中的芯片帽具有的这些特定元素还可以提高热性能，并减少芯片帽从芯片剥离的风险。在本专利技术的另一个实施例中，倒装芯片封装由芯片，基板及芯片帽组成，其特征在于，芯片和芯片帽形成一个戴帽子的芯片，底部填充材料通过毛细管力注入芯片和基板之间的间隙以保护焊点。芯片帽通过粘合剂材料或相同的底部填充材料与芯片粘在一起，从而紧紧地包住芯片的顶部和侧边。在本专利技术的另一个实施例中，使用芯片帽的倒装芯片封装的制造方法被描述，其特征在于，组装过程中的主要步骤包括：在基板上附加芯片，在芯片和基板之间的间隙注入底部填充材料，在芯片的上表面或芯片帽的里侧分配一些粘接材料或相同的底部填充材料，把芯片帽通过一定的压力覆盖在芯片上，然后同时固化封装组件。在现有的专利技术中，用于减少倒装芯片封装本文档来自技高网...

【技术保护点】
用于倒装芯片封装的芯片帽，其包括顶片，在底部带脚边缘或不带脚边缘的四个侧壁，以及这四个特定元素中的一个或多个：1）在芯片帽的顶片的内表面上并沿着顶片边缘的边缘凹口，）在芯片帽的顶片的内表面上的中间部分的一些中凸点，3）从芯片帽的顶片向外延伸的顶部边缘，4）从芯片帽的顶片的顶部边缘向下延伸的侧支撑壁或侧支撑柱。

【技术特征摘要】
2012.09.30 US 13/631,9911.一个戴有芯片帽的倒装芯片封装，其包括芯片，基板和芯片帽，其特征在于，所述的芯片和基板通过导电焊球和底部填充材料在电性能上和结构上连接在一起，所述的芯片帽包括至少一个顶片和四个侧壁，其中每个侧壁的底部带有脚边缘，所述的芯片帽和芯片通过粘接材料在它们的顶部和四边相互粘接在一起，使得所述芯片帽紧紧地包住芯片的顶部和侧边，并且芯片帽与芯片侧边之间被粘接材料填充的间隙的厚度为0.001毫米至2毫米，其中，所述芯片帽具有从芯片帽的顶片向外延伸的顶部边缘。2.权利要求1所述的戴有芯片帽的倒装芯片封装，其特征在于，粘接材料和底部填充材料在芯片帽的侧壁的底部相连接。3.权利要求1所述的戴有芯片帽的倒装芯片封装，其特征在于，用于粘接芯片帽和芯片的粘接材料与用于填充芯片和基板之间的间隙的底部填充材料相同。4.权利要求1所述的戴有芯片帽的倒装芯片封装，其特征在于，所述的芯片帽的每个侧壁是一整片材料或多片形成梳状结构的材料。5.权利要求1所述的戴有芯片帽的倒装芯片封装，其特征在于，所述的芯片帽具有这三个特定元素中的一个或多个：1)在芯片帽的顶片的内表面上并沿着顶片边缘的边缘凹口；2)在芯片帽的顶片的内表面上的中间部分的一些中凸点...

【专利技术属性】
技术研发人员：申宇慈，
申请(专利权)人：申宇慈，
类型：发明
国别省市：