专利名称：半导体倒装芯片封装及半导体倒装芯片封装的形成方法
技术领域：
本发明涉及一种倒装芯片封装，更特别涉及一种具有较佳的热及机械性质的倒装 芯片封装。
背景技术：
在半导体芯片封装工业中，带有集成电路的芯片一般安装于封装载体如基板、电 路板、或导线架上，使芯片电性连接至封装外部。此种封装法称为倒装芯片安装法，其中芯 片的主动面以反装的方式安装于基板上，且芯片与基板一般为热膨胀系数不匹配的不同材 料。如此一来当元件生热造成热应力时，芯片将会明显地产生尺寸变化，且芯片与基板之间 的电性连接也会明显翘曲。若不抵消热膨胀系数不匹配的问题，将会劣化芯片效能、损伤芯 片与基板之间的焊料连接、或造成封装失效。目前倒装芯片封装在市场上正面临越来越多的挑战。当芯片尺寸增加时，芯片与 基板之间的热膨胀系数不匹配所造成的效应也越明显。在堆叠裸片封装中，层状裸片与封 装之间的热膨胀系数不匹配会比单裸片封装更大。此外，高效裸片与环保需求的潮流，将使 改善封装可信度的方法越来越困难且具挑战性。微电子工业界已提供多个方法增加倒装芯片封装的可信度。一般常将封装材料或 底部填充材料填入芯片与基板之间的缝隙，可在热循环时降低施加于封装的应力。此外，一 般常用固定物围绕封装组合中的芯片。由于固定物为高刚性材料，封装组合较不会产生翘 曲。为了进一步增加倒装芯片封装的刚性，一般将散热器或散热片安装于封装顶。上述作 法可平衡芯片与基板之间因热膨胀系数不匹配所造成的力，并帮助散热。其他改善方法则 采用新颖基板材料如无机陶瓷，以改善倒装芯片封装的可信度。虽然公知技术可改善倒装芯片封装的热及机械性质，但在元件与系统等级的应用 上仍有限制。如此一来，公知技术将无法最佳化设计等级。此外，部分公知技术仅限于应用 在翘曲小于200微米的封装中。由于上述或其他理由，目前亟需改善倒装芯片封装的热及机械性质。
发明内容
本发明的目的在于改善倒装芯片封装的热及机械性质，并且最佳化设计等级。本发明提供一种半导体封装结构，包括第一基板，具有第一表面，以及位于第一表 面相反侧的第二表面；半导体芯片，以焊料凸块安装于第一基板的第一表面上；导热固定 物，安装于第一基板的第一表面上并围绕芯片，以定义空洞区于导热固定物与芯片之间；一 个或多个模塑复合材料，位于空洞区中；以及第二基板，以焊球安装于第一基板的第二表面 上。本发明也提供一种倒装芯片封装，包括第一基板，具有第一表面，以及位于第一表 面相反侧的第二表面；半导体芯片，以焊料凸块安装于第一基板的第一表面上；导热固定 物，安装于第一基板的第一表面上并围绕芯片，以定义空洞区于导热固定物与芯片之间；一个或多个模塑复合材料，位于空洞区中；以及第二基板，以焊球安装于第一基板的第二表面 上。本发明还提供一种半导体倒装芯片封装的形成方法，包括提供第一基板，第一基 板具有第一表面，以及位于第一表面相反侧的第二表面；以焊料凸块安装半导体芯片于第 一基板的第一表面上；安装导热固定物于第一基板的第一表面上并围绕芯片，以定义空洞 区于导热固定物与芯片之间；射出低粘度状态的模塑复合材料于空洞区中；固化模塑复合 材料以硬化模塑复合材料；以焊球安装第二基板于第一基板的第二表面上。本发明提供的倒装芯片封装具有较佳的热与机械性质，且此倒装芯片封装可应用 于元件与系统等级并最佳化设计等级。
图1是本发明一实施例中，半成品的倒装芯片封装的剖视图；以及图2是本发明另一实施例中，半成品的倒装芯片封装的剖视图。其中，附图标记说明如下5 底胶；7 顶胶；10 倒装芯片封装；20 第一基板；22 导热固定物；25 模塑复合材料；30 芯片；32 芯片30的后表面；34 芯片30的前表面；40 焊料凸块； 42 第一基板20的后表面；44 第一基板20的前表面；50 底部填充材料；52 热界面材料；60 焊球；70 第二基板；80 散热器； 110 空洞区。
具体实施例方式可以理解的是，下述内容提供多种实施例以说明本发明的多种特征。为了简化说 明，将采用特定的实施例、单元、及组合方式说明。然而这些特例并非用以限制本发明。为 了简化说明，本发明在不同附图中采用相同符号标示不同实施例的类似元件，但上述重复 的符号并不代表不同实施例中的元件具有相同的对应关系。此外，形成某一元件于另一元 件上包含了两元件为直接接触，或者两者间隔有其他元件这两种情况。图1显示本发明一实施例中半成品的倒装芯片封装10的剖视图。倒装芯片封装 10包含半导体元件如集成电路芯片(以下简称芯片30)。芯片30具有后表面32，与位于后 表面32相反侧的前表面34。焊料凸块40连接至芯片30的前表面34上的接触垫(未图 示)。焊料凸块40将芯片30固定至芯片30下的第一基板20。第一基板20可为无机基板 如氧化铝，或有机基板如FR-4或增层基板。焊料凸块40接触第一基板20的后表面42的 接触垫(未图示)。虽然此例采用焊料凸块40将芯片30耦合至第一基板20，但本领域普 通技术人员应理解其他可将芯片30耦合至第一基板20的方法也适用于本发明。为了改善倒装芯片封装组合中电性连接的可信度，可将封装材料或底部填充材料 50填入芯片30与第一基板20之间的缝隙中。底部填充材料50具有高拉伸系数，可固定倒 装芯片封装10以保护芯片不受弯曲外力损害，以增加倒装芯片封装10的疲劳寿命。底部 填充材料50可包含市售环氧树脂高分子。焊球60可固定于第一基板20的前表面44上的接触垫(未图示)，使其连接至第 二基板70。第二基板70可为印刷线路板(有时称作印刷电路板)或本领域普通技术人员所知的多层组件。为了进一步增加倒装芯片封装10的刚性，本发明一实施例将一个或多个导热固 定物(stiffener) 22安装在第一基板20的后表面42上，且导热固定物22围绕芯片30以 定义空洞区110于两者之间。导热固定物22可由底胶5固定至第一基板。底胶5包含粘 胶或粘液材料如热脂、银胶、或焊料。底胶5可为机械层状散布法形成的薄层。此外，底胶5 的形成方法可采用毛细作用。在一实施例中，导热固定物22包含铜、碳化铜、铜钨合金、铝 硅碳化物、铝、不锈钢、镍、或镀镍铜。为了符合特殊应用的特定设计，导热固定物22也可为 本领域普通技术人员所知的其他具有高热膨胀系数的材料。如图1所示，本发明一实施例可将一个或多个模塑复合材料(moldingcompound material) 25部分或实质上填充于空洞区110中。模塑复合材料25可固定倒装芯片封装 10。模塑复合材料25与第一基板20的接触表面越大越好，可增强倒装芯片封装10的结构 以避免其扭曲或翘曲。在本发明另一实施例中，模塑复合材料25具有好的热性质，使芯片 30的热能有效分散至环境、散热器、或散热片。在本发明又一实施例中，模塑复合材料25与 第一基板20的热膨胀系数(CTE)实质上相同。在本发明另一实施例中，模塑复合材料25、 芯片30、与第一基板20的CTE实质上相同。由于模塑复合材料25、芯片30、和/或第一基 板20的CTE实质上相同，倒装芯片封装10在热产生时，倒装芯片封装的形变与封装内电性 连接的热应力均明显降低。在一实施例中，可将较低粘度的模塑复合材料25施加至空洞区110中，接着再 以后续的固化步骤硬化模塑复合材料25。将模塑复合材料25施加或射至空洞区110中 的方法可为注射器或泵浦。可采用任何形态的注射器将模塑复合材料25施加至空洞区 110中。在本发明一实施例中，未固化的粘态模塑复合材料25可为介电材料如具有高 强度、好的热性质、和抗芯片工艺高温的环氧树脂材料。未固化的液态环氧树脂可具有 较低粘度，以利射出成型工艺。在一实施例中，模塑复合材料25为市售环氧树脂如购自 MasterbondCorporation 的 Masterbond Supereme IOAOHT0在本发明某些实施例中，模塑复合材料25也可包含聚酯材料、热塑性材料、介电 材料、金属、陶瓷、或含硅材料。模塑复合材料25可包含其他具有高强度、好的热性质、抗高 温、和可由射出成型法或其他方法施加至空洞区等性质的其他材料。在某些实施例中，模塑复合材料25的厚度介于约0. 5mm至约5mm之间。模塑复合 材料25的形状可为方形、矩形、菱形、椭圆形、或多边形。本领域技术人员可以理解的是，模 塑复合材料25的形状取决于第一基板20的尺寸和形状。模塑复合材料25的尺寸也可取 决于芯片30的尺寸和形状。当芯片越大时，需采用越大尺寸的模塑复合材料以适当地增加 倒装芯片封装10的刚性和/或散热性。为了符合特殊应用的设计标准，也可采用其他形状 或组态的模塑复合材料25。在本发明另一实施例中，倒装芯片封装10也包含散热器80，如图2所示。散热器 80可避免倒装芯片封装10过度翘曲，并可帮助散热。散热器80安装于导热固定物22上以 封装其中的芯片30，并平衡芯片30与第一基板20之间因热膨胀系数不匹配所造成的力。 散热器80与导热固定物22可为一体成型或分开的单元，且实质上包含具有较高热膨胀系 数的材料。在一实施例中，散热器80包含铜钨合金、铝硅碳化物、铝、不锈钢、铜、镍、或镀镍 铜。为了符合特殊应用的特定设计，散热器80也可为本领域普通技术人员所知的其他具有高热膨胀系数的材料。此外，散热器80与导热固定物22可包含本领域普通技术人员所知的其他具有高 热膨胀系数的材料。然而在一实施例中，散热器80与导热固定物22采用实质上相同的材 料，因此具有实质上相同的热膨胀系数。散热器80以顶胶7耦合至导热固定物22。如图2所示，倒装芯片封装10可包含热界面材料(TIM) 52于芯片30与散热器80 之间。热界面材料52可将芯片30生成的热传送至散热器80，散热器80再将热散布至其 他单元如散热片或环境中。热界面材料52可为热脂型材料或刚性材料(如环氧树脂或焊 料)。在本发明上述实施例中，已提供具有较佳热与机械性质的倒装芯片封装10，且此 倒装芯片封装10可应用于元件与系统等级并最佳化设计等级。虽然图1和图2的模塑复 合材料25应用于倒装芯片封装结构，但本领域普通技术人员应理解可根据本发明将模塑 复合材料25应用于任何型态的半导体封装中。虽然本发明已以数个优选实施例公开如上，然其并非用以限定本发明，任何本领 域普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作任意的更动与润饰，因此本发明 的保护范围当视随附的权利要求所界定的保护范围为准。
权利要求
1.一种半导体倒装芯片封装，包括一第一基板，具有一第一表面，以及位于该第一表面相反侧的一第二表面； 一半导体芯片，以焊料凸块安装于该第一基板的第一表面上； 一导热固定物，安装于该第一基板的第一表面上并围绕该芯片，以定义一空洞区于该 导热固定物与该芯片之间；一个或多个模塑复合材料，位于该空洞区中；以及 一第二基板，以焊球安装于该第一基板的第二表面上。
2.如权利要求1所述的半导体倒装芯片封装，还包括一底部填充层填充并硬化于该半 导体芯片与该第一基板之间的缝隙。
3.如权利要求1所述的半导体倒装芯片封装，还包括一散热器安装于该导热固定物 上，以密封该导热固定物之中的半导体芯片。
4.如权利要求3所述的半导体倒装芯片封装，还包括一热界面材料位于该半导体芯片 与该散热器之间。
5.如权利要求1所述的半导体倒装芯片封装，其中该模塑复合材料包括环氧树脂材 料、聚酯材料、热塑性材料、介电材料、金属、陶瓷、或含硅材料，其中该模塑复合材料的厚度 介于约0. 5mm至约5mm之间。
6.如权利要求1所述的半导体倒装芯片封装，其中该模塑复合材料的热膨胀系数与该 第一基板的热膨胀系数实质上相同。
7.如权利要求1所述的半导体倒装芯片封装，其中该模塑复合材料的热膨胀系数、该 第一基板的热膨胀系数、与该第一基板的热膨胀系数实质上相同。
8.如权利要求1所述的半导体倒装芯片封装，其中该模塑复合材料于低粘度的状态 下，以射出成型的方式形成于该空洞区中。
9.一种半导体倒装芯片封装的形成方法，包括提供一第一基板，该第一基板具有一第一表面，以及位于该第一表面相反侧的一第二 表面；以焊料凸块安装一半导体芯片于该第一基板的第一表面上；安装一导热固定物于该第一基板的第一表面上并围绕该芯片，以定义一空洞区于该导 热固定物与该芯片之间；射出低粘度状态的一模塑复合材料于该空洞区中； 固化该模塑复合材料以硬化该模塑复合材料； 以焊球安装一第二基板于该第一基板的第二表面上。
10.如权利要求9所述的半导体倒装芯片封装的形成方法，还包括安装一散热器于该 导热固定物上以密封该导热固定物之中的半导体芯片。
全文摘要
本发明提供一种半导体倒装芯片封装以及半导体倒装芯片封装的形成方法。在一实施例中，半导体倒装芯片封装包含第一基板，其具有第一表面与位于第一表面相反侧的第二表面；半导体芯片以焊料凸块安装于第一基板的第一表面上；导热固定物安装于第一基板的第一表面上并围绕芯片，以定义空洞区于两者之间；一个或多个模塑复合材料位于空洞区中；以及第二基板，以焊球安装于第一基板的第二表面上。本发明提供的倒装芯片封装具有较佳的热与机械性质，且此倒装芯片封装可应用于元件与系统等级并最佳化设计等级。
文档编号H01L23/16GK102110660SQ20101019283
公开日2011年6月29日 申请日期2010年5月27日 优先权日2009年12月29日
发明者袁从棣 申请人:台湾积体电路制造股份有限公司