用于均匀地底部填充由焊球组装的电子装置的开槽衬底的制作方法

专利名称：用于均匀地底部填充由焊球组装的电子装置的开槽衬底的制作方法
技术领域：
本发明大体而言涉及电子系统及半导体装置领域，且更具体而言涉及对倒装芯片 电子组合件的空隙进行无空洞底部填充的结构和方法。
背景技术：
人们己经熟知在所谓的倒装芯片技术中如何通过焊料凸块互连线来将集成电路 芯片安装至印刷电路衬底上。在组装过程结束后，使集成电路芯片与印刷电路衬底隔 开一空隙。焊料凸块互连线跨越所述空隙，并将集成电路芯片上的接触垫连接至印刷 电路衬底上的端子垫，以附连所述芯片并然后向芯片及从芯片传导电信号、功率及地 电位以用于处理。同样，在通过焊料凸块连接将球栅阵列族的经封装的半导体装置组 装至主板上后，所述凸块在经封装装置与所述主板之间界定一空隙。
用于芯片的半导体材料的热膨胀系数(CTE)与通常用于衬底的材料的热膨胀系 数之间存在明显的差异。例如，在用硅作为半导体材料并用塑料FR-4作为衬底材料时， CTE之差为大约一个数量级。
由于存在CTE差异，所以当组合件在使用或试验期间经受热循环时会产生机械 应力。这些应力往往使焊料凸块互连线疲劳，从而导致组合件裂开并从而导致最终失 效。为了对焊接接头进行加强而不影响电气连接，通常用聚合物材料(包括无机填料) 来填充空隙，该聚合物材料囊封所述凸块并填充半导体芯片与衬底之间空隙中的任何 空间。例如，在由国际商用机器公司开发的众所熟知的"C-4"工艺中，使用粘性聚合 物前驱体来填充硅芯片与陶瓷衬底之间空隙中的空间(也参见IBMJ.Res.&Dev.,第 13巻，第226-296页，1969年)。
通常在使焊料凸块回流以将半导体装置结合至衬底上之后应用聚合物前驱体(有 时称为"底层填料")。将底层填料施布于靠近芯片的衬底上，并通过毛细管力吸入空 隙中。然后，对前驱体进行加热、聚合并"凝固"形成囊封剂。随着凸块互连线的数 量的增加、以及凸块大小和凸块中心距的縮小，这些方法变得越来越不充分。随着这 些趋势的出现，底层填料中的空洞数量及前驱体中的填料簇集的风险急剧增加。

发明内容
因而需要一种能提供不仅无应力、而且无空洞的底层填料的组装方法、材料制备 以及制造技术。该方法是基于仔细控制用于确定毛细管现象的参数。本发明的一个实施例是一种半导体组合件，其包括具有多个金属接触垫及一由侧 面界定的轮廓的半导体装置。由可回流金属制成的金属凸块附连至这些接触垫中的每 一者上。 一电绝缘衬底具有一表面，所述表面具有多个金属端子垫，其位置与装置 接触垫的位置相匹配；以及多个凹槽及隆起块，其分布于端子垫位置之间，以补充端 子垫的分布。每一凸块又进一步分别附连至其对应的端子垫上；所述装置于是与衬底 互连并相隔一空隙。用包含无机填充物的粘附性聚合物材料基本上无空洞地填充所述 空隙。
在某些实施例中，凹槽和隆起块形成与装置侧面近似平行的行；某些实施例还将 凹槽和隆起块分布于装置轮廓的周围，以使聚合物材料在轮廓周围形成基本均匀的弯 月面。
本发明的另一实施例是一种用于制造半导体组合件的方法，其中使多个凹槽及隆 起块形成于电绝缘衬底的表面中，以使其分布在多个端子垫位置之间。通过回流凸块 将具有与那些端子垫相匹配的接触垫、且由侧面界定轮廓的半导体装置连接至衬底上，
从而形成一空隙，以使装置与衬底相间隔。在芯片的一个侧面上沉积一些粘附性的、 粘性聚合物，以通过毛细管作用将聚合物吸入空隙中。这种毛细管作用是通过所述多 个凹槽和隆起块来控制，以使聚合物的毛细管流动以基本成线性的前端前进经过所述 空隙。在毛细管流动期间，对时间和温度进行控制，以保持所述近似为线性的前进前 端，直到空隙中基本上无空洞地填满聚合物为止。
本发明的技术优点是组装过程简单且成本低廉，适用于大型芯片半导体产品， 凸块数量多且体积小，及凸块间距微小。同时，该方法灵活，且能够应用于范围很广 的材料及工艺变化形式，从而产生改良的半导体装置可靠性。
结合附图及随附权利要求中所阐述的新颖特点来考虑下文对本发明较佳实施例 的说明，将容易得知本发明所带来的技术进步及其各个方面。


图1A (现有技术)是半导体装置附连至衬底上的示意性X射线俯视图，其中按 照已知技术在装置的一个侧面上施布一定量的底层填料。
图1B (现有技术)是半导体装置附连至衬底上的示意性X射线俯视图，其图解 说明使用已知技术以液体材料来填充装置与衬底之间的空隙的进程。
图2是通过焊料凸块附连至衬底上的芯片的示意性剖面图，其图解说明用液体材 料填充空隙的毛细作用。
图3是本发明一实施例的示意性剖面图，其显示半导体装置通过焊料凸块附连至 衬底上、所述空隙充满填充材料，其中根据本发明的衬底表面具有多个沟槽和隆起块。
图4是本发明另一实施例的示意性剖面图，其显示半导体装置通过焊料凸块附连 至衬底上、所述空隙充满填充材料，其中根据本发明的衬底表面具有多个沟槽和隆起块。
图5是本发明一实施例的示意性X射线俯视图，其图解说明衬底中的多个凹槽及 隆起块的细节。
图6是本发明另一实施例的示意性X射线俯视图，其图解说明衬底中的另外多个 凹槽和隆起块。
图7A是本发明一实施例的示意性X射线俯视图，其显示半导体装置附连至衬底
上，在装置的一个侧面上施布有一定量的底层填料材料，所述衬底具有多个凹槽与隆 起块。
图7B是半导体装置附连至具有凹槽与隆起块的衬底上的示意性X射线俯视图， 其图解说明聚合物材料在填充装置与根据本发明的衬底之间的空隙时的进程。 图8是根据本发明另一实施例的具有凹槽与隆起块的衬底的示意性俯视图。 图9是根据本发明又一实施例的具有凹槽和隆起块的衬底的示意性俯视图，所述 衬底进一步具有用于附连芯片电容器的金属垫。
具体实施例方式
通过重点说明已知技术的缺陷，可最容易地了解本发明的效果。作为已知技术的 一典型实例，图1A和1B所示的示意性俯视解说明将在芯片周边周围具有多排焊 接连接线102的半导体芯片101组装至衬底103上。图1A以X射线形式显示倒装芯 片101附连至衬底103上；芯片101与衬底103之间的焊接连接线102形成空隙。沿 芯片侧面101a沉积一定量的液态、粘性聚合物材料104以填充此空隙；毛细管现象将 聚合物吸入空隙中并提供用于填充的机制。
毛细管现象是毛细管作用，通过毛细管作用，接触固体的液体表面会由于液体分 子相互之间及液体分子对固体分子之间的相对吸引而上升或下降。毛细管吸引力是在 毛细管现象中在固体与液体之间存在的粘着力。
当在毛细管或空隙的可润湿固体表面与管或空隙内的润湿液体之间存在正的粘 着力时，毛细管作用变得有效。在近似水平的管或空隙中，牵引力使液体沿管或空隙 移动。
图1B图解说明在已知技术中液态聚合物材料104的存在问题的表现。当一部分 104a被吸入芯片-衬底空隙中时，其他部分105及106沿芯片的邻近侧面流动，并从不 同的角度开始，以部分105a及106a的形式吸入空隙中。图1B中的箭头示意性地表示 这一复杂情况。结果，来自不同角度的前端的汇合使有效的前进前端减慢，且具有沿 前进路线陷获气穴的实质危险，此可朝出口侧造成俘获空洞及失效。当101表示图1A 和1B中所示的经封装的半导体装置时，会出现类似的困难。这些困难可通过本发明 的实施例得到解决。
对于设备的设计，本发明应用流体动力学及可变形介质的某些定律，并将这些定律扩展至半导体产品制造的复杂条件。
对于可变形介质流过在不同部位具有不同截面q的间隙的情况，连续性要求每单 位时间流过每一截面的可变形介质量与在该截面中的q及速度v成正比
qv=常数。
在空隙中，可变形介质在最小截面处流动得最快。
密度为p的流动介质的速度v与其压力p按照柏努利(Bernoulli)方程相关
流动介质的压力越小，其速度就越大。结果，较小截面处的压力小于较大截面处 的压力。
当将空隙中具有不同截面的各部分相隔空隙的不同长度1时，人们也必须考虑沿
空隙长度的压降；该压降本身又取决于流动的特性一层流还是湍流。
在半径为r且长度为I的空隙的一部分中以速度v(在所述空隙部分截面上的平均 值)流动的可变形介质会由于摩擦而出现压降Ap。在理想条件下，例如忽略流动介质 的惯性，哈根(Hagen)和泊肃叶(Poiseuille)已发现下列针对层流的公式
Ap = 8 n IW r2,
其中ri=动态粘滞度。
介质沿所述空隙部分长度的压降与平均速度的一次幂成正比，并与所述部分的半
径的二次幂成反比。
相反，对于湍流而言，其关系为-
厶p = p人1 v2 / r，
其中p =密度，且义=与从层流到湍流的过渡的雷诺(Reynold)标准相关的无 量纲数。
介质沿所述空隙部分长度的压降与平均速度的二次幂成正比，并与所述部分的半 径的一次幂成反比。
图2图解说明流出时间t，该流出时间t是芯片201与衬底203之间宽度为2r (由 焊接连接线202的高度2r确定)的空隙中毛细管状态的函数
t = (3Ti/ycosG0(lV2r),
其中丫=表面张力，且0=接触角。
流出时间与流动距离的平方成正比，并与毛细管宽度成反比(根据J. Wang， Microelectronics Reliability 42，第293-299页，2002年)。该方程式仅是近似成立，且 并未包括材料参数的时间相关性。图2还显示在芯片201的侧面边缘处的内圆角的弯 月面210;其也由接触角0表征。当图2所示的201是一经封装的半导体装置时，类 似的考虑也成立。
图3至6显示本发明的实施例的示意性剖面图，其中，对毛细管作用进行控制以 实现基本均匀且无空洞的底部填充工艺。图3是总体上表示为300的半导体组合件的示意性剖面图，该半导体组合件包括具有多个金属接触垫302的半导体装置301;该 装置具有由侧面303确定的轮廓。装置301可为半导体芯片或半导体封装。金属块304 附连至每一接触垫302;所述凸块较佳由可回流的金属(例如锡或锡合金焊料)制成。
组合件300进一步包括具有表面305a的电绝缘衬底305。在表面305a上是多个 金属端子垫306，其位于与装置接触垫302的位置相匹配的位置上。另外，在表面305a 上是分布在端子垫306之间的多个凹槽310及隆起块311。在图3中，端子垫306位 于隆起块311上，且凹槽310位于端子垫位置之间。
在其他实施例中，存在不同的凹槽与隆起块布置。例如，在图4的示意性剖面图 中所示的实施例中，衬底405具有多个凹槽410及隆起块411。衬底405的与装置接 触垫402的位置相匹配的端子垫406位于凹槽410中，且隆起块411位于端子垫位置 之间。
参考图3，回流凸块304也附连至各个匹配的端子垫306上。结果，装置301互 连至衬底305相隔空隙320。通过底部填充工艺步骤，对空隙320填充粘附性聚合物 前驱体330，粘附性聚合物前驱体330也包含无机填料颗粒，以在聚合后增强其机械 特性并降低经聚合的材料的热膨胀系数。前驱体330在经互连的装置的轮廓周围形成 基本上均匀的弯月面331。在用聚合物前驱体执行底部填充步骤期间，凹槽310起到 使毛细管作用稳定并均衡的作用，由此形成移动的前驱体的多少呈线性的前进前端。 近似线性的前进前端的结果是基本上无空隙地填充空隙320。
图3还显示处于装置301的侧面303外侧的衬底表面305a中的凹槽340。凹槽 340近似垂直于装置轮廓分布，并起到减缓聚合物沿装置侧面303流动的作用，并从 而增强空隙320中的毛细管作用的均匀性。
对于某些装置类型，将凹槽和隆起块以简单图案形式布置于衬底表面中较为有 利。例如，图5绘示一使X射线透过芯片501的俯视图，其中接至衬底503的焊料凸 块连接线502沿芯片周边对齐。对于焊接连接线的这种分布，在底部填充步骤期间的 毛细管作用可由近似平行于芯片侧面501a排成若干行的多个凹槽和隆起块504控制。
此外，该实例中的一优点是提供在约等于芯片长度的长度505上连续的凹槽和凸 块。另一优点是使凹槽和隆起块近似均匀地相间隔(图5中表示为506的间距)。
对于通过凸块附连至根据本发明具有凹槽和隆起块的衬底上的半导体封装而言， 也可在底部填充工艺中获得对毛细管作用的改良的控制；如上文所述的使凹槽和凸块 类似地分布在衬底表面上已证明是成功的。
在图6所示的X射线俯视图中，衬底中的另外多个610凹槽和隆起块分布在装置 轮廓周围。这些凹槽和隆起块数量众多且相对较短，其与装置轮廓大约成直角定向； 其用于减慢聚合物材料沿装置侧面的不希望的流动，并从而有助于实现约为线性的空 隙填充材料前进。
作为实例，图7A和7B的示意性X射线俯视解说明衬底凹槽和隆起块成功 地实现通过经组装的半导体芯片与衬底之间空隙的受控的、几乎成线性的聚合物前进。
8作为一实例，图7A显示一具有布置于周边周围的接触垫702的芯片701通过焊料凸 块组装至衬底703上。衬底具有第一多个704凹槽和隆起块，其大约平行于芯片侧面 且几乎在芯片整个长度上呈大约相等的间距。此外，衬底中与芯片轮廓成直角的第二 多个705凹槽和隆起块环绕芯片。已沿芯片的一侧施布一定量的聚合物前驱体706。
图7B图解说明衬底中的所述多种外形对毛细管作用的影响。聚合物前驱体706 通过空隙的前进近似一条直线710。芯片侧面711处的前驱体不会超前流动，而是参 与填充前端的直线前进。
当半导体封装(例如球栅阵列封装)组装至具有类似于图7A和7B所示分布的 凹槽和凸块的衬底上时，已在底部填充工艺中获得对毛细管作用的类似改良控制。
图8显示本发明的另一实施例，其图解说明电绝缘衬底801的示意性俯视图。布 置金属端子垫802以接纳用于附连一半导体装置(图8中未示出)的焊接连接线。类 似于图3的示意性剖视图，用于填充衬底801与装置之间的空隙的聚合物前驱体应较 佳在装置轮廓处形成界定良好的弯月面。图8中每一组合件角上的一对沟槽(或堰) 810设计成控制尤其是组合件角上的前驱体流动，以使前驱体弯月面将呈现所需宽度 和外形。由此防止弯月面的不规则延伸或轮廓，控制弯月面所需的面积，且改良成品 的外观美观性。
图9描述本发明的另一实施例，在该实施例中，对聚合物前驱体的毛细管流动的 控制能使电容器紧密接近半导体装置定位且由此有助于节约宝贵的组合件占用面积。 图9以示意性俯视图形式显示一具有用于端子的金属垫902和用于芯片电容器的金属 垫903的绝缘衬底901。 910为阻障，或流动沟道，其用于控制聚合物前驱体在所要组 装的装置附近的流动。这种控制的结果是，芯片电容器可比已知技术所允许的位置更 紧密地接近所组装中心装置定位，从而节省组装面积。
本发明的另一实施例是一种用于制造半导体组合件的方法。在所述方法中，提供 一种半导体装置，其具有多个金属接触垫并由侧面界定轮廓。所述装置可为半导体芯 片、或可为半导体封装。回流凸块(例如焊球)附连至每一接触垫上。此外，所述方 法提供电绝缘衬底，其具有一表面及处于与芯片接触垫位置相匹配的位置上的多个金 属端子垫。
在衬底表面中是多个凹槽和隆起块，以使其分布于各端子垫位置之间。用于形成 凹槽和隆起块的较佳方法是蚀刻、激光作用、或丝网印刷。凹槽和隆起块的分布用于 补充回流凸块的分布，以便当用聚合物前驱体填充所组装的装置的空隙时，在整个前 端上实现填充前端的大约相等的前进速率。根据回流凸块的位置而定，凹槽和隆起块 的补充包括取向和深度的变化。大体而言，凹槽和隆起块在沟槽与突丘(堰、阻障) 之间交替出现，与回流凸块的直径相比，其较佳较浅。在这一构造中，凹槽和隆起块 通过对流动施加一均衡的毛细管作用力来局部地影响毛细管流动，并因此提供一大约 线性的前进前端。
所述方法通过如下方式继续进行将所述装置附连至衬底上，以使附连至其中一个芯片接触垫上的每一回流凸块也附连至其相匹配的衬底端子垫上。由此形成将装置 与衬底间隔开的空隙。
然后，将一定量的粘附性、粘性聚合物沉积在其中一个芯片侧面上，以使聚合物 通过毛细管作用吸入空隙中。聚合物较佳包括无机填料颗粒(例如矾土或硅石)，该无 机填料颗粒经选择以在机械上加强经聚合的聚合物并减小其热膨胀系数。填料颗粒的 最大直径较佳小于空隙的约30%，从而放大凹槽和隆起块的调节效果。
通过所述多个凹槽和隆起块来控制毛细管作用，以使聚合物的毛细管流动以基本 成线性的前端前进经过空隙。此外，所述方法控制毛细管流动期间的时间和温度，以 保持大约成线性的前进前端，直到空隙基本无空洞地填满聚合物为止。通过控制毛细 管作用，所述方法也在装置侧面周围形成基本均匀的聚合物弯月面。最后，聚合物前 驱体准备聚合("固化")。
尽管文中参照例示性实施例对本发明进行说明，但并不打算将本说明理解为具有 限定意义。所属领域的技术人员在参照本说明后，将易知例示性实施例的各种修改和 组合以及本发明的其他实施例。例如，当在其中一个部件中已形成凹槽或隆起块来控 制毛细管作用时，所揭示的方法可应用于对通过间隔元件互连的任何衬底或其他外部 部件之间的空隙进行无空洞填充。当一个固体部件具有用于控制毛细管作用的表面外 形时，所述方法通常可应用于在固体部件之间制造无空洞填充。因此，希望使权利要 求书囊括任何此种修改或实施例。
权利要求
1、一种半导体组合件，其包含半导体装置，其具有多个金属接触垫及由侧面所界定的轮廓；金属凸块，其附连至所述接触垫中的每一者上，所述凸块由可回流的金属制成；电绝缘衬底，其具有一表面，所述表面具有处于与所述接触垫的位置相匹配的位置上的多个金属端子垫，及分布于所述端子垫位置之间的多个凹槽和隆起块；所述凸块中的每一者也分别附连至所述相匹配的端子垫上，借以使所述装置与所述衬底互连并相隔一空隙；及粘附性聚合物材料，其基本上无空洞地填充所述空隙。
2、 如权利要求1所述的组合件，其中所述凹槽和隆起块形成近似平行于所述装 置的所述侧面的行。
3、 如权利要求1或2所述的组合件，其中所述行布置成使所述衬底端子垫全部 位于所述凹槽中或全部位于所述隆起块上。
4、 如权利要求1-3中任一权利要求所述的组合件，其中所述衬底进一步具有分 布于所述装置轮廓周围的多个凹槽和隆起块。
5、 如权利要求4所述的组合件，其中所述聚合物材料在所述经互连的装置的所 述轮廓周围形成基本均匀的弯月面。
6、 一种用于制造半导体组合件的方法，其包括以下步骤 提供具有多个金属接触垫的半导体装置，所述装置由各侧面界定轮廓；将回流凸块附连至所述接触垫的每一者上；提供电绝缘衬底，所述电绝缘衬底具有一表面及处于与所述芯片接触垫的位置相匹配的位置上的多个金属端子垫；在所述衬底表面中形成多个分布于所述端子垫位置之间的凹槽和隆起块。 将所述装置附连至所述衬底上，以使附连至所述芯片接触垫中一者上的所述回流凸块的每一者也附连至其相匹配的衬底端子垫上，从而形成使所述装置与所述衬底相间隔的空隙；在所述芯片侧面的一者上沉积一定量的粘附性、粘性聚合物，以使所述聚合物通 过毛细管作用吸入所述空隙中；通过所述多个凹槽和隆起块来控制所述毛细管作用，以使所述聚合物的毛细管流 动以基本成线性的前端前进经过所述空隙；及控制所述毛细管流动期间的时间和温度，以保持所述大约线性的前进前端，直到 用聚合物基本无空洞地填满所述空隙为止。
7、 如权利要求6所述的方法，其中通过蚀刻、激光作用、或丝网印刷形成所述 凹槽和隆起块。
8、 如权利要求6或7所述的方法，其中所述凹槽和隆起块的分布补充所述回流凸块的分布，以在整个前端上实现填充前端的大约相等的前进速率。
9、 如权利要求6-8中任一权利要求所述的方法，其中所述聚合物包括无机填料 颗粒，其中所述填料颗粒的最大直径小于所述空隙的约30%。
10、 如权利要求6-9中任一权利要求所述的方法，其进一步包括如下步骤在所 述衬底表面中形成多个分布于所述装置侧面周围的凹槽和隆起块。
全文摘要
本发明揭示一种包括半导体装置(301)的半导体组合件(300)，所述半导体装置(301)具有多个金属接触垫(302)和由侧面(303)界定的轮廓。由可回流金属制成的金属凸块(304)附连至这些接触垫的每一者上。电绝缘衬底(305)具有一表面，所述表面具有处于与装置接触垫的位置相匹配的位置上的多个金属端子垫(306)、且进一步具有分布于所述端子垫位置之间的多个凹槽(310)和隆起块(311)，以补充端子垫的分布。每一凸块进一步分别附连至其相匹配的端子垫上；所述装置由此与衬底互连并相隔一空隙(320)。包含无机填料的粘附性聚合物材料(330)基本上无空洞地填充所述空隙。
文档编号H01L21/44GK101438396SQ200580036541
公开日2009年5月20日 申请日期2005年9月6日 优先权日2004年9月3日
发明者乔尔·T·梅迪安, 玛丽·C·米勒, 耶雷米亚斯·P·利布雷斯 申请人:德州仪器公司