专利名称：表面装配的芯片的制作方法
技术领域：
本发明涉及微电子电路的表面装配技术(SMT)，尤其是涉及采用诸如焊球的受控伸缩型电气互连件和管脚过孔导体的结合的包括芯片和模块的封装集成电路器件。
二十多年来，已经广泛地采用和实施了焊接电触点，尤其是用于集成电路和超大规模集成电路(VLSI)技术。广泛地利用了称之为焊球连接(SBC)技术的工艺，由于它一直以来都是最佳的。已经开发了许多种技术，例如IBM公司内的受控芯片伸缩型连接(collapse connection)即C-4技术，本行业中常常称之为倒扣片(flip-chip)技术。之所以采用术语倒扣片，是因为采用了封装芯片，例如它们的电气连接部分朝下，这与以前广泛采用的例如借助金属丝焊接技术与朝上的封装(例如芯片)管脚形成电连接的技术相反，在以前采用的技术中可以称为反封装。
广泛的研究已经证明焊球连接(SBC)阵列虽然高度可靠，但是有某些尺寸和距离的限制，这些限制就是焊球位于离开芯片无裂开或应力断裂威胁的区域阵列上通常称之为中性点或零应力点的部位的最大距离的因素，这些芯片通常具有一种包括在基本上矩形、最好是对称正方形型式或布局中的均匀间隔的焊球的阵列的焊盘(footprint)。
用于使模块与系统元件电连接的任何连接系统，大多数一般都有例如芯片、模块和/或电路板之间的材料失配，这种失配在电连接点处产生机械应力。例如电路芯片的硅材料、例如用于模块衬底的陶瓷材料，以及通过利用焊球装配微型组件的环氧树脂/玻璃电路板之间的热膨胀系数的差异是颇显著的。人们已经广泛地研究了那些包括仅仅由于器件跌落可能发生的震动所产生的那些应力在内的应力，一般认为对于可以包含的使所形成的电连接有令人满意的可靠和持久的连续性的焊球的最大数量，作为与它们的间距相配合的尺寸的因子，是有限制的。
影响所包含的焊球数量和结构的其它因素涉及用于形成焊球的材料以及芯片即模块上与焊球配合或连接的材料。
另一种增加中性点距离可靠性的应用技术是把芯片或模块用环氧树脂粘结(to epoxy)到电路板上。当芯片或模块由于热膨胀而处于应力状态时，应力就通过环氧树脂或粘结胶传递或耗散到电路板或电路卡上。这是一种前景广阔的技术，如果有元件故障，这种技术不提供电路卡的再加工。
本发明的贡献在于提供了这样一种技术，可以增加芯片封装、其输入/输出(I/O)端的位置及数量、以及相应器件的焊盘。这种技术保证把焊球连接技术推广到高密度输入/输出焊盘上，这种焊盘图获得了较高的输入/输出计数，同时利用了焊球连接封装的固有低电感的优点。
这种优点是这样获得的通过把导电管脚添加到从焊球连接件更加向外伸展的输入/输出位置而增加器件封装上的输入/输出计数。导电管脚具有类似于金属丝的良好机械和电气特性，但其电感比焊球大一个数量级。这些管脚从器件的计算出的零应力点比焊球更加向外、通常超出标识为离开不大可能发生焊球的应力断裂的零应力点的距离的尺寸上安置，电连接管脚、特别是已被焊接的用于过孔连接的管脚的强度和挠性能更容易地抵抗由于热膨胀所经受到的过度应力，而且在离开零应力点的较远距离处，也具有这种特性。
本发明的技术保证了效率和最大限度利用所有可能的电连接，以及不需要提供那些功能是不能用电操作的所谓的牺牲(sacrificial)焊球或其它应力载体。应完全理解的是，例如10×10的连接方格阵列的可靠性不如包含额外两行是管脚的12×12的方块中的10×10的方格区域。用本发明，额外两行具有电气功能，而且从应力断裂的观点看也是高度可靠的。
图1是没有利用本发明的原理、采用焊球连接技术的电子元件模块的剖视图;
图2是沿着图1中的平面A-A′所截取的剖视图，表示没有利用本发明的原理、具有焊球矩阵的区域阵列芯片;
图3是图1的X视图内单个焊球的典型示图;
图4是一般焊球模块的局部剖视图，例示了没有利用本发明的原理、用于在通孔中与电路板相连接的焊球连接技术;
图5是图3和图4中的焊球的典型展示图，例示了焊球连接的断裂情况;
图6是根据本发明的原理的具有焊球和电管脚的封装的电气元件的剖视图;
图7是沿着图6中的平面B-B′所截取的剖视图，例示了根据本发明原理的电气管脚和焊球的焊盘图形;以及图8是图6的Y视图内的典型示图，例示了根据本发明的原理与典型的电路板电接触的电气管脚及焊球。
下文参照表示本发明例示性的实施例的附图，对本发明作更详细的描述。需要理解的是在下面的描述之外，相关领域的技术人员可以对其中所述的发明进行修改，而仍然能获得本发明的优良效果。因此，下面的描述应理解为针对相关领域技术人员是广泛的、教导性的公开内容，而不应理解为是对本发明的限制。
图1中例示的模块10具有衬底座12和罩盖14。例示性的典型芯片16和18就夹在罩盖14和衬底座12之间。模块10与环氧玻璃电路板卡20相连接。电路板20与芯片16和18之间的导电性是利用典型的例示为焊球22的导电材料予以保持的。硬导线线路或印刷电路板的电路图形一般表示及例示为线24和26。
图1中的实例是用剖视图表示的，模块罩盖14一般是包括可焊接罩盖即镀黄铜的陶瓷的材料。也可以采用团滴顶(glob-top)。此外可以考虑导热模块(TCM)罩盖，虽然比较昂贵。基座或衬底12一般为陶瓷材料，可以由例如基埃色拉(keyathera)材料或称为“92-11”的材料所组成。如前所述，电路板20是环氧树脂/玻璃或诸如铜-殷钢-铜(Cu-inv-Cu)这些其它的合适材料的合成物。
图2是沿着图1剖切线A-A所截取的视图，表示导电材料22的一个典型阵列的焊盘。这个阵列是均匀间隔的(例如50密耳或100密耳的方格)、一字排列电触点或站和行的布置。在不破坏阵列完整性的前提下这个实例是可以加以改变的。由于温度变化引起的龟裂或应力，没有利用本发明的那些阵列总体尺寸受到限制，大约为50毫米。与衬底12的下表面紧密邻接的各焊球的焊盘通常是以方形结构例示的。这种方形结构是近以的，当观看图3时就会更容易理解，图3是图1中位于最左方的焊球22的X视图的展示图。
焊球是由通常为圆形球28的中心部分所组成，可以由称为90/10的焊料所构成，其中材料的90%是铅(PB)，材料的10%是锡(Sn)。焊球22的上脚30在圆球28和配置在衬底12的底面上的电连接端子之间形成接触，而下脚32在焊球22的圆球28、环氧玻璃电路板20以及其上配置的电气端子之间形成电连接，以便提供连续的导电性。上脚30和下脚32可以用例如37/63 PB/Sn的材料所构成。主要是由于有关工艺性当然还有导电性的原因而选取铅-锡合成物的选择物。在开始制造或其后的再加工过程中，焊球不熔化，但是上脚和下脚可以在原位熔融或通过熔化将之去掉，而且可以由于不同的铅-锡含量形成焊球。例示于图1、2和3的这种结构对于本技术领域现有状况下简易使用的器件来说是相当典型的，而且不包括本发明的特征。
图4中例示了本技术领域的装置的这种典型情况，图4中用局部剖视图表示配置在局部例示的罩盖36内的典型芯片34，这个罩盖以常用的方式固定到衬底38上。为芯片34的适当端子和焊球40之间的连接提供了电路，而焊球又提供了衬底38和电路卡42之间的电路，而且形成了与典型例示的电路板42内的通路44的电接触。这些通路的直径比例如图8中所示的管脚连接件的有电镀过孔(PTH)的直径小。这些通路便于快速再加工。
在热应力状态下，在焊球受到由于例如包括模块罩盖14、模块衬底12及电路卡20的各种元件的热膨胀系数及材料差异的过分影响，可能产生诸如图5的示图中所显示那样的应力断裂。热状态会造成因热循环(例如反复接通及关断成品组件(end assembly))引起的疲劳破坏，这种破坏能导致断裂，例如在区域46和48以剖视图示出的断裂。这种应力是由模块的热膨胀所引起的，微型组件例如可能处于室温下，当时处于工作状态，结果不久之后就达到了较高温度，例如80-100℃。这些应力断裂通常是剪应力断裂，而且是如发生于典型例示的焊球40的上脚50和下脚52那样的加以举例说明的。
图6、7和8是采用了本发明原理的特征的模块的实例。图6中以常用方式例示了衬底44，衬底44提供了通过其中的导电性，将之传递到典型例示的焊球46和从模块的中心部分向外配置且位于焊球46外部的导电管脚48。管脚58可以用包括诸如镀金钢同心棒(cobar)的不同材料所构成。可以采用其它的共晶材料。这些类型的管脚提供了较高程度的可靠性，但如果与焊球比较也较昂贵。焊球56和管脚58为衬底54的模块通往电路板60提供导电通路。
焊球56和管脚58的典型阵列清楚地例示于图7中。图7是沿图6的B-B′线截取的剖示图。总的说来，这种阵列的尺寸易于接近64mm。这些尺寸参数取决于例如管脚与之连接的插座的类型的那些因素。在图7的实例中，在0.50英寸的中心的方格时，总的输入/输出端从329增加到625。在图7中，包括焊球56和电气管脚58的各电连接件的轨迹通常用作为正方形的几何结构表示。作为轮廓线例示的、中心开口的且总地以标号56标出的那些正方形是焊球。涂黑的块或正方形且一般用58标识的那些正方形是管脚。通常要指出的是，焊球不再从标出的中性点的离中性点最大可允许尺寸或距离的范围之外延展开去。在这个典型的实例中，所例示的距离“D”是焊球从中性点60延伸以防止应力断裂的最大距离。显然甚至一个位于焊球阵列之外的连接管脚也会提供消除焊球中应力断裂的优点，但是实际上最好有例如围绕焊球阵列的单行的更多的插脚。
在某些情况下，这个“D”尺寸大约为13.5毫米。在图7例示的几何对称布局的阵列中，点60位于这个实施例中由焊球组成的圆的中心，这个圆的半径为“D”，圆心位于点60。要完全理解的是，在每一种情况下，布置都不必是绕正中心点对称配置的。然而，最佳情况及为了这种特定讨论方便起见，显示了对称实例。在图7中，标识为区域C的中心区域一般是由均匀间隔配置的焊球所组成的。这些焊球是如同作为焊球56例示于图6的那类焊球。超出从中心或中性点60量起的最大理想距离D伸展的导电材料例示为电气管脚58。一般地说，区域C内的任何电气触点或导电材料是如插脚58所例示的那类电气管脚。
对于上述模块尺寸的研究已经取得的令人满意的结果其中输入/输出端位于0.050英寸的中心。
25毫米的模块-输入/输出计数从329增加至361;
32毫米的模块-输入/输出计数从329增加至625;以及
44毫米的模块-输入/输出计数从329增加至1，089。
本发明的组合至少具有下列优点在同一平台(例如大MLC衬底)上包含管脚和焊球作为输入/输出端就增加了输入/输出端的密度;管脚位置可以处于50或100密耳方格上;用于低电感端口的管脚不需要镀金;由于管脚会使衬底导入(自对准)下一层组件，就能大大减低对于使焊球与下一层组件对准的关注;如果只有焊球，那么自对准特性就可将所需的光学调准的处理步骤及附加设备的开支减至最少;焊球起着本体支座(stand off)的作用，因而不需要专门形成管脚或附加的支柱;以及在组装前的处理过程中，管脚“保护”SBC焊球。
通过把管脚限制在通常位于临界尺寸“D”外部的那些区域，就可以控制封装元件的相关成本。例如，焊球和管脚的组合为元件封装提供了较大的焊盘，但不会显著增加成本，也不会减低可靠性或性能。这种SBC和管脚插入孔(pin-in-hole)技术的配合已经非常成功。
图8是图6中Y视图的示图，它清楚地例示了典型的焊球56和典型的管脚58。在图8的示图中，在电路卡60上配置了电镀过孔(PTH)62或插座，管脚58就插入过孔62内。管脚58镶焊(brazed)在部位64处。这种布置也便于衬底54与电路卡60对准。PTH一般敷有铜包层，管脚然后用例如部位66上所示的37/63焊料焊接就位。很清楚管脚可以采用诸如焊柱(solder column)的其它接技术安装。此外，当管脚与象焊球那样的材料配合使用时，管脚不必变细，以防止过份插入。焊球起自然挡块的作用，选定的带有内部挡块的焊球不必特殊形成和设置，以形成元件封装及其连接的电路之间的支座。
尽管借助详细的描述，对本发明作了特别的表述和说明，但应当理解，本领域的技术人员可以在形式和细节方面对本发明作各种改变而不偏离本发明的精神和范围，而这些都应属于本发明的范围。
权利要求
1.一种用于执行逻辑功能的封装的电子硬件单元，其特征在于包括衬底；具有由所述衬底所承载的输入/输出端的电子逻辑电路；与一些所述输入/输出端相连接的受控伸缩型导电材料的各个触点；以及与其它不与所述触点相连接的所述输入/输出端子相连接的导电材料的各个管脚。
2.根据权利要求1的封装的电子硬件单元，其特征在于，所述受控伸缩型导电材料的各个触点是由焊料所组成的。
3.根据权利要求2的封装的电子硬件单元，其特征在于，所述受控伸缩型导电材料的各个触点是焊球。
4.根据权利要求3的封装的电子硬件单元，其特征在于，所述焊球配置在所述衬底的阵列中的，其中焊球不延伸到从位于该衬底上的阵列内中心的一点起大于“D”的距离之外，其中“D”是一段距离，超出这段距离焊球中就会出现应力，会使该焊球不导电。
5.根据权利要求4的封装的电子硬件单元，其特征在于，“D”大于13.5毫米。
6.根据权利要求1的封装的电子硬件单元，其特征在于，所述各个管脚只超出在限定所述衬底上的受控伸缩型导电材料的所述各个触点的阵列轮廓的周界配置。
7.根据权利要求6的封装的电子硬件单元，其特征在于，所述受控伸缩型导电材料的各个触点基本上是以球形形成的，且由焊料所组成的。
8.一种用以执行逻辑功能的封装的电子硬件单元，其特征在于包括衬底;具有由所述衬底承载的输入/输出端的电子逻辑电路;第一组单个导电触点，所述触点是由与所述一些输入/输出端子相连接的具有第一级电感的材料制成的;第二组单个导电触点，所述触点是由与不与所述第一组触点连接的其它所述输入/输出端相连接的，具有大于所述第一级电感的第二级电感的材料制成。
全文摘要
一种用于具有包括诸如焊球的受控伸缩型电气互连件和管脚过孔导体结合的封装器件的逻辑电路。其中该导体配置在焊球的内阵列的周界的外部，以便为电子器件提供增加了的阵列的焊盘，否则超出就只剩焊球的最大焊盘，当焊球受热及受到在离开阵列的中性点或零应力点的延伸距离处的机械应力时，这种焊盘会由于焊球中出现的故障而使尺寸受到限制。
文档编号H01L23/12GK1108813SQ9411847
公开日1995年9月20日 申请日期1994年12月19日 优先权日1993年12月22日
发明者G·J·高登齐, J·M·莫斯利, V·J·图佐罗, J·C·米利肯 申请人:国际商业机器公司