单级和双级晶片衬垫的制作方法
【专利摘要】本发明公开了单级和双级晶片衬垫的改进，其中所述晶片衬垫可将作为单个第一级衬垫的边缘铰链和第二跨距中点铰链用于双级晶片衬垫。与其中力与施加至晶片衬垫的外表面的压缩量成线性关系的单级设计相比，这种双级设计赋予两个完全不同的缓冲力。所述环的外边缘提供最大膨胀使得仅所述环的所述外边缘与晶片的外边缘进行接触。所述晶片衬垫是挠曲的且在震动被转移至晶片堆叠之前吸收震动的材料。所述材料使嵌入所述晶片衬垫的碎屑或污染物最小化并且也防止材料从所述晶片衬垫上脱落。
【专利说明】单级和双级晶片衬垫
【技术领域】
[0001]本发明涉及用于在晶片运输集装箱内缓冲半导体晶片堆叠的缓冲装置。更具体地，本缓冲装置是具有复合弯曲和表面的成形或折叠环，其在复合弯曲和表面接合时提供可变的缓冲量。
【背景技术】
[0002]当半导体晶片被放置在运输集装箱内时，晶片堆叠会松散或抵着外壳受压。在任意情况下，半导体晶片的运输可能导致对一些或所有堆叠晶片的磨损。已申请使用分隔片、垫或泡沫环以在半导体晶片运输时缓冲外半导体晶片并且吸收震动和移动的一些专利。
[0003]限制径向移动变成在运送时防止可能含有或可能不含电路的主晶片表面的磨损的重要问题。可能堆叠在间隔环上或可能未堆叠在间隔环上的带凸块晶片也是这种情况，其中环必须仅碰触晶片的周边且不得径向移位至含有锡焊凸块的区域中。晶片缓冲环保护半导体晶片的能力在使用减小径向晶片移位的晶片集装箱时得到提闻。
[0004]如果使用刚性间隔件，那么间隔件可能对晶片造成危害且可能无法在晶片上提供足够的握持力以防止移动。若使用泡沫间隔件，那么泡沫间隔件易受损坏和老化影响。已申请公开这些部件的数项产品和专利。本文公开涵盖这些产品的专利的示例性实例。
[0005]1968年7月16日颁发给S.F.Flynn的美国专利第3，392，824号和1994年10月22日颁发给Chih-Ching Lin等人的美国专利第5，366，079号两者公开了用于缓冲电路晶片的封装系统，其中缓冲系统是Bellville型浅盘或具有从浅盘中心延伸的挠曲支腿的浅盘。虽然这些专利公开了晶片的缓冲系统，但是当间隔件在运输外壳内被挤压时，衬垫在晶片的外表面上径向滑动。这可能对晶片造成损坏。
[0006]2005年8月9日颁发给Gonzlo Amador等人的美国专利第6，926，150号和2009年5月12日颁发给Toshitsugu Yajima等人的美国专利第7，530，462号两者公开了使用刚性盘间隔件的晶片衬垫。这些专利更涉及半导体晶片之间并未提供缓冲和间隙填充的间隔件。在许多情况下，这些间隔件被补充定位为跨晶片的整个表面或仅定位在晶片的外边缘上的泡沫垫。
[0007]2008年9月16日颁发给James R.Thomas等人的美国专利第7，425，362号和2009年11月3日颁发给Masahiko Fuyumuro的美国专利第7，611，766号公开了一种波状垫,其中垫的高部分和低部分填充晶片和运输外壳之间的空间。这些垫由从塑料到纸的多种材料制成且制作为不同轮廓以适应晶片与运输外壳之间的空间。
[0008]2005年8月9日颁发给Gonzalo Amador等人的美国专利第6，926，150号、2008年I月8日颁发给Pe1-Liang Chiu的美国专利第7，316，312号和2002年10月10日颁布的Ray G.Brooks等人的美国专利申请第2002 / 0144927号公开了缓冲封装内的晶片的泡沫垫或环。泡沫垫施加的力的量可随泡沫老化而显著可变。当泡沫孔结构分解时，泡沫也可能是污染的原因。泡沫粒子还可能是干扰半导体晶片掺杂的污染物。在一些情况下，泡沫与晶片的整个表面进行接触并且可能导致晶片的变形。[0009]需要的是一种具有可变缓冲量以适应半导体晶片堆叠顶部和底部上的微小变化的缓冲环。申请中的设计为这种解决方案提供单级和双级晶片衬垫。
【发明内容】
[0010]单级和双级晶片衬垫的目标是结合晶片载具运作，其中衬垫可放置在晶片载具的底部和放置在载具内的晶片的顶部上。衬垫膨胀且收缩以适应晶片厚度的变化和载具外壳的变化。虽然个别晶片上的晶片厚度变化可能是小的，但是当变化累积时，间隙可能比预期大。缓冲在晶片和外壳上提供最小力以使外壳易于打开并且进一步限制晶片在晶片载具内的移动。
[0011]单级和双级晶片衬垫的目标是制作成适于晶片载具的外壳内。衬垫的形状是折叠环，其中折叠在外直径上开放。环的外边缘提供最大膨胀使得仅环的外边缘与晶片的外边缘进行接触。这使与晶片的接触面积最小化且将任意轴向荷载放置在晶片的外边缘表面上，其中晶片通常被放置在分隔盘上以使对晶片内表面的损坏最小化及使晶片中心的挠曲最小化。
[0012]单级和双级晶片衬垫的另一个目标是由其可挠曲并且在震动被转移至晶片堆叠之前吸收任意震动的材料制成。材料可模制、热成形、铸造或硫化。
[0013]单级和双级晶片衬垫的另一个目标是制作有仅具有半个“V”的横截面形状，其中环将通过接合或夹至顶部和或底部而附接使得盖提供缺失的半个“V”的限制功能。这种设计将能够具有单级或双级版本。这种设计允许单个或多个臂或“V环”堆叠以占据箱内的多余空间。
[0014]单级和双级晶片衬垫的另一个目标是由非吸收性材料制成。此防止碎屑或污染物嵌入晶片衬垫并且也防止材料从晶片衬垫上脱落。
[0015]单级和双级晶片衬垫的又一目标是将作为单个第一级铰链的边缘铰链和第二跨距中点铰链用于双级晶片。与使用其中力与施加至晶片衬垫的外表面的压缩量成线性关系的单级设计相比，这种双级设计赋予两个完全不同的缓冲力。
[0016]将从下文对本发明的优选实施方案的详细描述连同其中相同数字代表相同组件的附图了解本发明的不同目标、特征、方面和优点。
【专利附图】
【附图说明】
[0017]图1示出单级和双级晶片衬垫的等角视图。
[0018]图2示出单级和双级晶片衬垫的等角截面图。
[0019]图3示出第二优选实施方案中的单级和双级晶片衬垫的等角截面图。
[0020]图4示出第三优选实施方案中的单级和双级晶片衬垫的等角截面图。
[0021]图5示出未安装晶片运送装置的顶部外壳的半导体晶片堆叠上的单级和双级晶片衬垫的等角视图。
[0022]图6示出安装晶片运送装置的顶部外壳的半导体晶片堆叠上的单级和双级晶片衬垫的等角视图。
[0023]图7示出晶片衬垫处于未受压状态中的单级和双级晶片衬垫的侧向截面图。
[0024]图8示出晶片衬垫初步受压的单级和双级晶片衬垫的侧向截面图。[0025]图9示出晶片衬垫部分受压的单级和双级晶片衬垫的侧向截面图。
[0026]图10示出晶片衬垫更全面受压的单级和双级晶片衬垫的侧向截面图。
[0027]图11示出第四优选实施方案中的单级和双级晶片衬垫的等角截面图。
[0028]图12示出在无晶片安装在晶片衬垫上的接合至底部外壳的来自第四优选实施方案的单级和双级晶片衬塾的等角视图。
【具体实施方式】
[0029]图1示出单级和双级晶片衬垫20的等角视图且图2示出单级和双级晶片衬垫的等角截面图。来自图1的单级和双级晶片衬垫20示出实质环形衬垫，其中晶片衬垫20的内侧开放。在优选实施方案中，如图2中所示，两个单级和双级晶片衬垫20被放置在半导体晶片40的堆叠上。本图中的半导体晶片堆叠包括被放置在每个半导体晶片40之间的间隔环50。间隔件50允许具有用于电连接至最终产品或外部电路的微小焊球的“带凸块”晶片衬底的堆叠。带凸块晶片堆叠通常结合晶片之间的坚固高度、非可调整间隔环50使用以防止焊球(凸块)因与邻近衬底40接触而被损坏。
[0030]这个第一优选实施方案是被设计有双重弹簧刚度或可变弹簧刚度的环。双级版本20具有用于简易装载和闭合运送装置顶盖(未示出)的一个弹簧刚度，而第二级弹簧提供更硬的弹簧刚度以在运送装置掉落或误操作时吸收能量，因此保护晶片堆叠或衬底堆叠。
[0031]在衬垫构造为“V环”的情况下，横截面成型像“V”以为晶片提供弹簧或缓冲。这种设计适用于具有V形横截面的注射成型工艺、硫化或其它制造方法。V的顶端23提供至晶片和运送集装箱的点接触。也存在其中多个堆叠的“V环”可用于占据晶片运送集装箱内的多余空间的情况。“V”形的一个优点在于其允许环仅在周边附近接触晶片40上的小区域23和34。对于带凸块晶片，通常存在针对电路或锡焊凸块的3mm宽的排除区域，其从晶片的周边向内延伸。优选实施方案具有微凸区域，其在晶片接触点上具有半径，但其无需具有此特征。“V”尖端上的微凸区域允许针对“排除”区域附近的任意锡焊凸块的额外余隙。图2示出两个单独晶片衬垫，下衬垫被放置至晶片载具21中，在所有晶片40下方。下衬垫的外直径边缘23被定大小为适于晶片载具21内，下底部表面22支撑在晶片载具21支撑件的底部上。
[0032]晶片40和支撑环50的重量至少部分加载在下晶片衬垫上，由此使下衬垫至少部分受压使得晶片衬垫的第一级或内直径30铰链31使晶片衬垫至少部分受压。应从图2注意当第一级受压时，从中间表面32的内部和外部仍可见第二衬垫间隙。图2还示出当第一级已接触时，仅外直径边缘34与半导体晶片40的外边缘进行接触且晶片衬垫的其余内直径表面“浮于”半导体晶片上方而不与半导体晶片的表面进行接触。当晶片载具的顶部外壳(未示出)被安装时，顶部外壳使得上晶片衬垫的顶部表面35受压且加载下晶片衬垫，由此在顶部晶片衬垫与底部晶片衬垫之间提供平坦衬垫。
[0033]图3示出第二优选实施方案中的单级和双级晶片衬垫的等角截面图。在本实施方案中，晶片衬垫20具有为铰链65提供额外强度并且也提供握持表面以更简易移除晶片衬垫20的内唇部60。外直径64被充分定大小来使晶片衬垫在晶片载具内居中。晶片衬垫20的顶部表面61和底部表面62具有微小径向弯曲以仅维持与半导体晶片的外边缘顶部或底部表面的接触。还考量衬垫的一部分66可断裂、成锯齿形或成形以形成多个指状部，其独立从内直径铰链65挠曲。在所示的实施方案中，空隙区66穿透上唇部或上臂及下唇部或下臂而存在但也可成形为仅穿透衬垫的一个支腿而存在，由此使其它支腿连续。在第一级压缩下，晶片衬垫的内部外表面64接触内铰链区域65并且留下从内铰链区域65至外表面的气隙以提供第二级缓冲。
[0034]图4示出第三优选实施方案中的单级和双级晶片衬垫20的等角截面图。这个第三优选实施方案将在本图中简述并且在图5至图10中更详细描述。这个实施方案具有从内直径铰链区域70和75延伸的多个可挠臂。当晶片衬垫安装在晶片载具中时，最上表面和最下表面71与半导体晶片的外部上表面和下表面进行接触。最外直径73被充分定大小为适于晶片载具内并且在晶片载具内提供少量移动或不提供移动。晶片衬垫在晶片载具内示作图5和图6中的膨胀和第一级压缩阶段。
[0035]图5示出未安装晶片运送装置的顶部外壳的半导体晶片堆叠上的单级和双级晶片衬垫的等角视图，且图6示出安装晶片运送装置的顶部外壳的半导体晶片堆叠上的单级和双级晶片衬塾的等角视图。从图5和图6中，下衬塾受:压，下唇部22接触底部外壳21且上唇部23接触最下面的半导体晶片40。半导体晶片40堆叠各用放置在每个半导体晶片40之间的晶片分隔件50分隔。在图5中，上晶片衬垫被示作未受压，其中第一级或单级衬垫未受压且延伸臂的中部未在跨距中点76和77上接触。晶片衬垫的底部表面72接触顶部半导体晶片40的外顶部表面。晶片衬垫71的相切弓形顶部表面仅大致提供与半导体晶片40和顶部外壳25或底部外壳21的线性点接触。衬垫的外边缘74和78接近半导体晶片40的外直径。
[0036]当顶部外壳25被放低至晶片衬垫上时，臂在从内半径70铰合时将移动为更紧靠在一起。当外壳21和25固定时，顶部外壳将推动顶部晶片衬垫的外边缘26且臂的中心部分77将接触并且形成第一级衬垫。
[0037]图7示出晶片衬垫处于未受压状态的单级和双级晶片衬垫的侧向截面图，图8示出晶片衬垫初步受压的单级和双级晶片衬垫的侧向截面图，图9示出晶片衬垫部分受压的单级和双级晶片衬垫的侧向截面图，且图10示出晶片衬垫更全面受压的单级和双级晶片衬垫的侧向截面图。从图7开始，晶片衬垫20处于自然未受压状态，无任何力100和101导致衬垫受压。铰链70和75形成弯曲以使臂保持开放“U”或“V”构造。晶片衬垫的顶部表面71和底部表面72为最大尺寸。外唇部74和78为实质相同尺寸，但考量其可也为以不同半径存在。臂的中心76和77或第二级(双级)打开且未接触。
[0038]在图8中，力100和101导致臂受压且内区域开始受压。如图9中所示，当力增大时，末端70、73和中段肘部、剖面或铰链76和77挠曲直至臂的内表面接触。力100和101形成第一荷载或弹簧常数分布。
[0039]在此阶段，因为杠杆臂的长度已缩短，所以提供衬垫的阻挡弹簧力改变。在所示实施方案中，壁区段之间的接触大致在跨距中点上，但考量中心接触可在臂的跨距中的任意点上发生以产生不同缓冲力分布。图9中所示的剖面表示外壳闭合且处于正常运送模式中的状态。图9和图10中所示的力之间的额外施加力100 / 101对102 / 103提供与如从图7至图9施加的荷载或弹簧常数不同的第二荷载或弹簧常数。弹簧常数基于铰链和或支腿区段的形状、角度和常数或可变厚度可为线性阶状或非线性。
[0040]图10示出当晶片载具掉落或被撞时可能发生的震动荷载状态。力102和103继续推动臂的最外端。臂的外长度沿着其长度被受压。应注意即使在此荷载下，气隙79仍提供一些进一步缓冲且衬垫上的内侧仍提供针对可能被放置在半导体晶片上的组件的余隙的空间。
[0041]图11示出第四优选实施方案中的单级和双级晶片衬垫29的等角截面图，且图12示出无晶片安装在晶片衬垫上的接合至底部外壳的来自第四优选实施方案的单级和双级晶片衬垫的等角视图。
[0042]"单面环"一上述缓冲环29的一个版本是带仅具有半个“V”的横截面形状的环，其中环将附接(接合或夹)至顶部或底部盖使得盖提供缺失的半个“V”的限制功能。这种设计将能够具有单级或双级版本。这种设计允许多个“V环”堆叠以占据箱内的多余空间。这个衬垫90的底部可接合至下外壳21 (或25)。虽然这种单面环仅具有一个臂，但是臂具有与内铰链区域91和92、跨距中点肘部93类似的构造以在第一级衬垫与第二级衬垫之间形成分割。外边缘95被定大小来提供外壳21壁的余隙以提供自由移动和挠曲。晶片衬垫96的顶部边缘被构造来仅与晶片分隔件或半导体晶片(未示出)的外边缘接触。当晶片堆叠使大部分晶片衬垫29变平时，下半径94提供额外震动缓冲。
[0043]在优选实施方案中，晶片衬垫由具有介于10与70之间的邵氏D硬度的顺应材料制成，但基于被缓冲的材料和被缓冲的堆叠高度/重量考量其它硬度。还考量用于晶片运送装置中的上晶片衬垫和下晶片衬垫基于重量或半导体晶片存在于晶片衬垫上方或下方的事实可具有不同性质和构造。从中心铰链至外接触点的剖面可弯曲或具有可变横截面或多个阶部、剖面、肘部或弯曲以实现非线性缓冲力或多级晶片衬垫。
[0044]因此，已公开单级和双级晶片衬垫的特定实施方案。但是，本领域技术人员应了解除所描述内容以外的更多修改可行而不脱离本文的发明概念。因此，除随附权利要求的精神外，发明标的不受限制。
【权利要求】
1.一种单级晶片衬垫，其包括: 衬垫，其具有实质环形； 所述环形具有“V”或“U”横截面，其中所述“U”或“V”的开口在所述环的外周边末端上开放； 所述环由顺应材料制成，在内直径上形成铰合部； 上接触表面和下接触表面，其位于所述开放外周边末端的顶部边缘和底部边缘上使得， 当力施加至所述上接触表面和所述下接触表面时，所述铰合部将挠曲以闭合所述开放外周边末端。
2.根据权利要求1所述的单级晶片衬垫，其中所述上接触表面被构造成静置在晶片载具的外壳上。
3.根据权利要求1所述的单级晶片衬垫，其中所述下接触表面被构造成静置在半导体晶片上。
4.根据权利要求1所述的单级晶片衬垫，其中当力施加至所述开放外周边末端的所述顶部边缘和底部边缘时，形成具有线性弹簧常数的衬垫。
5.根据权利要求1所述的单级晶片衬垫，其中当力施加至所述开放外周边末端的所述顶部边缘和底部边缘时，形成具有非线性弹簧常数的衬垫。
6.根据权利要求1所述的单级晶片衬垫，其中所述环的至少一个周边末端是锯齿状 的。
7.根据权利要求1所述的单级晶片衬垫，其中当所述上接触表面和所述下接触表面闭合时，形成大于所述内直径的厚度的外直径厚度。
8.—种单级和双级晶片衬塾，其包括: 顺应环，其具有内直径和外直径； 所述内直径具有铰合剖面，其具有从所述铰合剖面延伸至所述外直径的第一支腿且所述第一支腿具有内顶部表面和外顶部表面； 第二支腿，其从所述铰合剖面延伸至所述外直径且具有内底部表面和外底部表面以在所述外直径上形成所述第一支腿与所述第二支腿之间的开口，且所述第一支腿和所述第二支腿与所述内直径分隔。
9.根据权利要求8所述的单级和双级晶片衬垫，其中所述第一支腿和所述第二支腿还包括所述铰合剖面与所述外直径之间的肘部区段。
10.根据权利要求9所述的单级和双级晶片衬垫，其中所述肘部区段向内朝向彼此弯曲。
11.根据权利要求10所述的单级和双级晶片衬垫，其中当力施加至所述外顶部表面和所述外底部表面时，所述第一支腿和所述第二支腿将被带至一起，允许所述肘部区段进行接触，由此提供第一级衬垫。
12.根据权利要求11所述的单级和双级晶片衬垫，其中当额外力施加至所述外顶部表面和所述外底部表面时，所述晶片衬垫将提供第二双级衬垫，其中所述第一级的弹簧常数不同于来自所述第二级的弹簧常数。
13.根据权利要求8所述的单级和双级晶片衬垫，其中所述外底部表面被构造成静置在晶片载具的外壳上。
14.根据权利要求8所述的单级和双级晶片衬垫，其中所述外顶部表面被构造成静置在半导体晶片上。
15.一种单级和双级晶片衬垫，其包括: 顺应环，其具有内直径和外直径； 所述环具有第一底部表面和第一顶部表面； 所述底部表面在所述内直径上具有实质平坦表面； 至少一高度从所述内直径上的所述实质平坦表面改变至第二底部表面，由此 当荷载施加在所述第一底部表面与所述第一顶部表面之间时，所述至少一个高度变化提供具有第一弹簧常数的衬垫。
16.根据权利要求15所述的单级和双级晶片衬垫，其还包括位于所述实质平坦表面和所述内直径至第二底部表面之间的弯曲剖面。
17.根据权利要求16所述的单级和双级晶片衬垫，其中所述弯曲剖面在顺应环受压至所述弯曲剖面时提供第二弹 簧常数。
18.根据权利要求15所述的单级和双级晶片衬垫，其中所述第一底部表面被构造成静置在晶片载具的外壳上。
19.根据权利要求18所述的单级和双级晶片衬垫，其中所述第一底部表面接合至所述晶片载具的所述外壳。
20.根据权利要求15所述的单级和双级晶片衬垫，其中所述第一顶部表面被构造成静置在半导体晶片上。
【文档编号】H01L21/673GK103460370SQ201180069781
【公开日】2013年12月18日 申请日期:2011年4月22日 优先权日:2011年2月16日
【发明者】詹姆斯·D·帕兰特, 艾伦·L·沃伯, 克里斯托弗·R·马克, 大卫·A·米勒 申请人:德克斯化工高新产品私人股份有限公司