集成电路封装及制造方法

集成电路封装及制造方法
【专利摘要】本申请公开一种集成电路（IC）封装器件，其包含基板，该基板具有顶表面、多个平行的导体层、多个绝缘层和延伸穿过导体层和绝缘层的多个电镀穿孔（PTH），其中所述顶表面具有IC管芯安装区域和包围该安装区域的外周区域域。本申请公开了各种基板结构，其中某些PTH和/或导体层和/或绝缘层具有与其他元件不同的CTE。所述各种结构可以减少由于与基板和IC管芯之间的CTE不匹配相关的基板变形和/或焊料接头损伤所导致的电路失效。
【专利说明】集成电路封装及制造方法
【背景技术】
[0001]术语“倒装芯片”表示利用已被沉积在芯片焊盘上的焊料凸块将半导体器件(如集成电路(IC)芯片)与外部电路系统互连的方法。具有这种焊料凸块的IC管芯被称为“倒装芯片”。焊料凸块通常在最终晶片处理步骤期间被沉积在晶片顶侧上的芯片焊盘上。为了将芯片安装到外部电路系统上，它被“翻转/倒装”以使得其顶侧面朝下，并且被定位成使得其焊盘与外部电路上的匹配焊盘对准。然后，使焊料凸块中的焊料流动以完成互连。在完成焊料键合之后，应用被称为底部填料的材料来填充焊料凸块之间的开放空间。然后，力口热底部填料以将其键合到相邻结构。底部填料对凸块提供额外的支撑，并且帮助吸收否则可能引起焊料键合破裂的应力。
[0002]倒装芯片可以通过上述方式被直接附连到印刷电路板。在某些情况下，倒装芯片焊料凸块的大小和/或间距不同于其将附连到的印刷电路板上的焊盘的大小和/或间距。在这些情况下，可以通过将倒装芯片安装到芯片载体上并且然后将芯片载体直接附连到印刷电路板来将倒装芯片提供到集成电路(IC)封装件中。经常与倒装芯片一起使用的一种类型的芯片载体被称为球栅阵列(BGA)载体，因为它在其底表面上具有焊料球的栅格。具有可操作地安装到球栅阵列载体的顶表面上的倒装芯片的IC封装件被称为倒装芯片球栅阵列(FCBGA)封装件。在这样的封装件中，载体上的焊料球阵列在规模上通常显著地大于倒装芯片的焊料凸块栅格，但是二者均可能包含相同数目的触点。可以通过类似于倒装芯片附连的方式将FCBGA封装件附连到基板。FCBGA封装件的底部上的焊料球被布置成与基板的顶表面上的相应接触焊盘接触。然后，该组装件例如在回流炉中被加热以将焊料球键合到接触焊盘上。在焊料球之间应用焊料键合底部填充材料之后，再次加热该组装件以便将底部填料键合到封装件、基板和焊料球的相邻部分。
[0003]其他类型的倒装芯片封装包含倒装芯片/引脚栅格阵列封装、圆柱栅格阵列封装、焊区阵列封装和封装包装上的封装(package on package packages)。倒装芯片可以被连接到多种类型的电基板上(例如，印刷电路板、IC封装件中的管芯载体或其他电基板，所有这些被通称为“基板/衬底”)。
[0004]可以用不同的物质制造电基板，这取决于它们的预期用途。一些电基板是用有机材料/塑料材料制造的并且被称为有机基板或塑料基板。这样的基板通常在基板的顶表面上具有某种图案的铜焊盘，该图案与将被安装到该基板上的倒装芯片上的焊料球的图案匹配。倒装芯片被放置在基板上(如利用拾取和放置的机器)，其中倒装芯片上的焊料凸块与基板上的相应焊盘接触。然后，例如在回流炉中或通过红外加热器加热该组装件，使得焊料球液化或“流动”。之后，焊料冷却并凝固，从而在物理上和电学上将倒装芯片连接到基板。
[0005]与倒装芯片相关的一个缺点是，焊料凸块不能以较长的引线能够弯曲的方式进行弯曲，因为焊料凸块是紧凑的且不顺从的。在倒装芯片装配和热循环期间由有机基板和硅倒装芯片之间的热膨胀系数CTE的差异引起的弯曲可能导致有机基板变形。这样的弯曲也可能导致底部填料从基板脱层，这可能导致相邻的焊料键合破裂。【专利附图】

【附图说明】
[0006]图1是在其上具有管芯安装区域的基板的示意性顶部平面图。
[0007]图2是具有安装在管芯安装区域内的管芯的图1的基板的示意性顶部平面图。
[0008]图3是沿着图2中的线3-3截取的横截面正视图。
[0009]图4是沿着图3中的线4-4截取的电镀穿孔的横截面图。
【具体实施方式】
[0010]图1示意性地图示有机(塑料)电基板10，如印刷电路板或芯片载体，其可用于将半导体器件(例如，硅管芯集成电路器件)连接至外部电路系统。如本文所用，术语“基板”意味着印刷电路板或芯片载体或半导体器件可以直接连接到的其他电基板。参考图1，基板10可以包含上表面12和相对布置的下表面14 (图3)。继续参考图1,如图所示,可以在上表面12上形成管芯安装区域20。管芯安装区域20可以包含多个导电焊区(land) 30 (包含个体焊区32、34和36)，以便有利于基板10和将被安装在管芯安装区域20内的半导体器件(例如，硅管芯集成电路器件50，图2-3)之间的电连接。基板10的上表面12也可以包含围绕管芯安装区域20的外围区域40。在图1中用虚线22示意性地指示管芯安装区域20和外围区域40之间的边界。
[0011]图2和图3示出通过在基板10的管芯安装区域20内(图1)安装硅管芯集成电路器件50所形成的集成电路封装件100。具体地，参考图3，电路器件50可以是倒装芯片并且基板焊区(例如焊区32、34、36)可以通过焊料凸块(例如分别为焊料凸块52、54、56)电连接到管芯50上的相应互连焊盘(未图示)。也可以用常规方式在管芯50和基板上表面12之间提供底部填充材料58以提供稳定性。进一步参考图3，集成电路封装件100也可以包含多个互相连接的引脚或突出部(tab) 60，其如图所示包含个体互连突出部62、64和66。互连突出部60可以被提供以允许将集成电路封装件100连接到其他电子电路系统例如下衬基板。可以使用其他类型的互连结构来代替互连突出部60。例如，如图3中的假想线所示，互连结构可以是具有焊料球72、74、76等等和底部填料78的球栅阵列70。因此，集成电路封装件100用于通过基板10将管芯50电连接到外部电路系统。应该注意，尽管在图中没有示出，集成电路封装件10可以根据需要包含覆盖管芯50的盖子。使用盖子在本领域是常规的且已知的。
[0012]应该注意，管芯50被图示为通过焊料凸块互连技术安装到下衬基板10的倒装芯片类型的器件。然而，应该理解，该具体的配置仅为了示例目的而示出。本领域技术人员将认识到，本文描述的概念可容易地应用于其他类型的集成电路器件和安装方案。
[0013]如先前所讨论，集成电路封装件100中的不期望的弯曲或变形可能由基板(例如图1中的基板10)和所附连的半导体器件(例如图2中的硅管芯50)之间的热膨胀系数(CTE)的差异所导致。已经发现了，大多数这种变形发生在当以上述方式将管芯附连到基板(例如通过焊料回流工艺)时以及当将底部填充材料嵌入管芯和基板之间并固化时的加热步骤期间。由于硅管芯50和基板10具有不同的热膨胀系数，加热和冷却导致两个部分的不同膨胀和收缩量。因此，可能发生一个或两个部分的弯曲或变形，并且底部填料58可能变得与相邻结构脱层。
[0014]为了解决这一问题，本文描述了用于选择性地控制有机基板10 (特别是在基板10的管芯安装区域22处)的CTE的多种工艺。更具体地，可以按照将在本文更详细描述的方式改变基板10，以使其CTE更接近硅管芯50的CTE，并因此减少硅管芯50和基板10之间的CTE失配量。
[0015]现在将详细地描述用于选择性地控制有机基板的CTE的第一工艺。参考图3，如图所示，基板10可以包含核心200。第一多个电路层220可以位于核心200上方，并且第二多个电路层240可以位于核心200下方。可以按照常规方式用交替的导电材料层和绝缘材料层来构造电路层220、240，以便在基板10内形成期望的电路配置。例如，第一多个电路层220可以包含大致平行的导电层222、226和230以及交替的绝缘层224、228和232。以相似的方式，第二多个电路层240可以包含大致平行的导电层242、246和250以及交替的绝缘层244和248。如可从图3看出，形成绝缘层224、228、232、244和248的材料也可以在导电层内的部分导电材料之间延伸(例如，如图3所示，其中一部分绝缘材料254在导电层242内的导电材料部分256、258之间延伸)。至少某些导电层包括电迹线。
[0016]在常规基板结构中，导电电路层例如可以由导电铜箔材料形成。常规绝缘层可以由有机介电材料如环氧树脂形成。
[0017]继续参考图3，包含个体电镀穿孔262、264、266和268的多个电镀穿孔(PTH)(工业上有时被称为“通孔(via)”)260可以在基板10内相对于电路层220、240横贯地延伸。常规基板可包含盲孔(blind via)(即只在基板的一边暴露的孔)和埋孔(buried via)(即用于连接内部层而不在基板的任何表面上暴露的孔)。基板有时也可以包含散热通孔(thermalvia)，其携带热量远离功率设备，并且通常用于大约一打的阵列中。应该注意，为了说明清楚的目的，在图3中只示出了盲孔。然而，应该理解，基板10可以包含其他类型的通孔以及图3中具体图示的那些通孔。
[0018]进一步参考图3，可以按照常规方式提供电镀穿孔260，以便在基板10内的多个导电层(例如导电层222、226、230、242、246、250)之间建立导电路径。图4是沿着图3中的线4-4截取的PTH262的横截面图。现在参考图4，电镀穿孔262可以包含由穿过核心200并穿过基板10的多个电路层形成的孔限定的大致圆形的外周界270。如图所示，导电层272可以形成在外周界270内并且可以延伸所述穿孔的整个长度。应该注意，为了说明性的目的，在图4中夸大了导电层272的相对厚度。事实上，导电层272可以是通过例如电镀工艺施加的非常薄的材料层。可替换地，可以通过用导电材料形成的管或铆钉来衬垫孔270，从而形成导电层272。封堵材料274可以位于由导电层272的内表面273限定的细长孔276内，并且也可以延伸该穿孔的整个长度。封堵材料274可以用于向导电层272提供结构支撑。为了使电镀穿孔262在基板10内建立期望的导电通路，可以按照常规方式构造所选择的导电层以便与导电层272具有连续性。可以按照与关于电镀穿孔262的上述方式类似的方式形成基板10中的其他电镀穿孔(例如电镀穿孔264、266、268)。
[0019]在常规基板构造中，电镀穿孔导电层可以通过电解镀覆来形成并且可以具有大约12 μ m的厚度。例如，可以通过利用硅土填充的有机基础的环氧树脂的丝网印刷来形成常规的电镀穿孔封堵材料。
[0020]管芯50和基板10之间的CTE失配本身表现为在加热或冷却期间管芯安装区域22中的基板10的膨胀或收缩与附连到其上的管芯50的膨胀或收缩不匹配。结果，通过倒装芯片焊料凸块(或用于其他类型的管芯连接的其他连接结构)的回流在基板和管芯之间形成的焊料接头被置于应力作用下，并且基板10可能变形。在焊料凸块52、54、56的回流加热期间管芯50与基板10的耦合以及在底部填料固化期间管芯50与基板10的耦合是倒装芯片管芯封装件100中引起大多数的问题的两个加热/冷却循环。在倒装芯片球栅阵列封装中，与焊料球连接相关的加热和冷却循环进一步向组装件添加加热和冷却循环。下面描述的修改结构致使管芯安装区域22处的基板10的CTE更接近硅管芯50的CTE。这使得在加热和冷却循环期间基板10和管芯50的膨胀或收缩量的差异更小，导致基板10的较小变形并因而导致更平坦的基板10。也降低了底部填料脱层和焊料接头破裂的可能性。
[0021]所公开的结构使得基板10的管芯附连区域22处的基板10的CTE更接近地匹配管芯50的CTE，导致较小的变形并因此导致更平坦的基板。实现这种结果的一种方法是通过利用低CTE材料(S卩比大多数当前基板中所用的有机封堵树脂低的CTE)填充基板10的管芯安装区域22内的电镀穿孔(PTH) 264、266。这种较低CTE材料的示例包含钥(通常用于基板制造工艺)、Cu糊剂(即商品名ALIVH)、碳纤维、其他低CTE合金(Invar)、金属复合物和/或陶瓷填料或者可由前述材料形成以实现管芯安装区域20处的相对低基板CTE的材料组合。因为管芯安装区域20是最需要控制CTE的基板区域，所以不需要利用与用于填充PTH264、266相同的低CTE材料来填充管芯安装区域20以外的电镀穿孔262、268。因此，可以提供在管芯安装区域20中具有PTH264、266的基板10，其中利用与用于填充位于管芯安装区域22外面的PTH262、268的材料相比的低CTE材料来填充PTH264、266，以便减少基板变形等。这样的结构也可以降低焊料接头破裂的危险。
[0022]也可以通过改变导电层222、226、230、242、246和250中使用的材料来减少管芯50和基板10之间的CTE失配。在一个这样的实施例中，所有的导电层都用具有比常规层(如铜层)低的CTE的导电金属来形成。在另一个实施例中，不是所有的导体层都由相同的材料组成。例如，在一个实施例中，顶部导体层230和底部导体层250都由相对低CTE导体材料例如镍或钥-铜形成，而剩余的导体层222、226、242、246由较高CTE材料例如铜形成。在另一个实施例中，只有底部导体层250由相对低CTE材料形成，而剩余的层由较高CTE材料例如铜形成。出人意料地， 申请人:已经发现，只减小底部导体层250的CTE比只减小顶部导体层230的CTE对减少基板10的变形具有更大的作用。
[0023] 申请人:也已经发现，降低绝缘层224、228、232、244、248的CTE也可以减轻基板10和管芯50的CTE之间的CTE失配。这可以按照与关于导体层的上述方式类似的方式来完成。在一个实施例中，只有顶部和底部绝缘层232、248由绝缘材料形成，例如由日本的AJINOMOTO Fine Techno C0.，Inc.以商品名ABF GX-T31或GZ41出售的绝缘材料，其具有比例如由日本AJINOMOTOFine Techno C0.，Inc.以商品名GX-13或GX-3出售的常规绝缘材料相对低的CTE。同样出人意料地，当只有底部绝缘材料层248由相比其他绝缘层的较低CTE材料构造时，基板变形的减少量大于当只有顶部绝缘材料层232由相比其他绝缘层的同样较低CTE材料构造时的基板变形的减少量。
[0024]因此，上面已经公开了控制基板变形和/或焊料接头损伤的三种不同方法。一种方法通过在位于管芯安装区域22下面的PTH如264和266中利用具有一个CTE的PTH填充材料并且在位于区域22外面的基板10的外周区域40下面的PTH如262、268中利用具有不同CTE的另一种填充材料来减少基板10和管芯50的CTE之间的失配。第二种方法通过制造底部和顶部导电层例如具有第一 CTE的第一导体材料的层250和230以及利用具有不同于第一 CTE的第二 CTE的第二导体材料制造内层222、226、242和246来减少基板10和管芯50之间的CTE失配。在一个实施例中，只有底部导体层250用不同于其他导体层的材料制造。第三种方法通过利用具有第一 CTE的第一导体材料制造底部和顶部绝缘层例如层248和232并且利用具有不同于第一 CTE的第二 CTE的第二导电材料制造内层222、226、242和246来减少基板10和管芯50之间的CTE失配。在一个实施例中，只有底部绝缘层248用具有不同于其他绝缘层的CTE的材料制造。同样，上述方法中的任何一种可以与任何其他方法结合以控制CTE失配，并因此减少基板10变形和/或对管芯50和基板10之间的焊料键合的损伤。在具体描述的实施例中，管芯50的CTE低于基板10的CTE。然而，如果管芯的CTE大于该管芯安装到其上的基板的CTE，该相同的基本方法可以用于控制变形等。换句话说，可以通过利用上述方法和结构来减少任何两个附连的电基板的CTE失配。
[0025]为了说明和描述的目的已经展示了管芯和基板组装件的具体实施例的前述描述。所描述的具体实施例不意欲是详尽的或表明局限于所公开的精确形式，并且鉴于上述教导内容，很多修改和变化都是可能的。选择和描述图示的实施例是为了最好地解释原理和实际应用，以便使本领域技术人员能够最好地利用具有适于预期的具体用途的多种修改的多种实施例。希望随附的权利要求的语言被宽泛地解读为覆盖除了由现有技术限制的那些之外由本文明确公开的结构和方法的不同实施例。
【权利要求】
1.一种集成电路IC封装件，其包括: 基板，其具有:顶表面，所述顶表面具有IC管芯安装区域和包围所述安装区域的外周区域；多个大致平行的导体层；以及在垂直于所述导体层的方向上延伸穿过所述导体层的多个电镀穿孔PTH，所述多个PTH包括位于所述IC管芯安装区域之下并利用具有第一填料热膨胀系数CTE的填料材料填充的所述多个的第一部分以及位于所述外周区域之下并利用具有不同于所述第一填料CTE的第二填料CTE的材料填充的所述多个的第二部分，以及 附连到所述管芯安装区域的管芯。
2.根据权利要求1所述的IC封装件，其中至少一个所述导体层是用具有第一导体CTE的第一导体材料形成的，并且至少一个所述导体层是用具有不同于所述第一导体CTE的第二导体CTE的第二导体材料形成的。
3.根据权利要求2所述的IC封装件，其中所述基板进一步包括布置在所述多个平行的导体层之间的多个绝缘层，其中至少一个所述绝缘层是用具有第一绝缘体CTE的第一绝缘材料形成的，并且至少一个所述绝缘层是用具有不同于所述第一绝缘体CTE的第二绝缘体CTE的第二绝缘材料形成的。
4.根据权利要求1所述的IC封装件，其中所述基板进一步包括布置在所述多个大致平行的导体层之间的多个平行的绝缘层，其中至少一个所述绝缘层是用具有第一绝缘体CTE的第一绝缘材料形成的，并且至少一个所述绝缘层是用具有不同于所述第一绝缘体CTE的第二绝缘体CTE的第二绝缘材料形成的。
5.根据权利要求1所述的IC封装件，其中所述管芯是倒装芯片管芯。
6.根据权利要求5所述的IC封装件，其中所述基板在其一个表面上具有球栅阵列。
7.根据权利要求2所述的IC封装件，其中所述管芯是倒装芯片管芯。
8.根据权利要求7所述的IC封装件，其中所述基板在其一个表面上具有球栅阵列。
9.根据权利要求3所述的IC封装件，其中所述管芯是倒装芯片管芯。
10.根据权利要求9所述的IC封装件，其中所述基板在其一个面对表面上具有球栅阵列。
11.一种集成电路IC组装件，其包括: 基板，其具有:顶表面，其中所述顶表面具有在其上形成的集成电路IC管芯安装区域，外围区域包围所述安装区域；以及多个大致平行的导体层，其中至少一个所述导体层是用具有第一导体热膨胀系数CTE的第一导体材料形成的，并且至少一个所述导体层是用具有不同于所述第一导体CTE的第二导体CTE的第二导体材料形成的；以及 安装在所述IC管芯安装区域上的IC管芯。
12.根据权利要求11所述的IC封装件，其中所述管芯是倒装芯片管芯。
13.根据权利要求12所述的IC封装件，其中所述基板在其一个表面上具有球栅阵列。
14.根据权利要求11所述的IC封装件，其中所述基板进一步包括布置在所述多个平行的导体层之间的多个大致平行的绝缘层，其中至少一个所述绝缘层是用具有第一绝缘体CTE的第一绝缘材料 形成的，并且至少一个所述绝缘层是用具有不同于所述第一绝缘体CTE的第二绝缘体CTE的第二绝缘材料形成的。
15.根据权利要求14所述的IC封装件，其中所述管芯是倒装芯片管芯。
16.根据权利要求15所述的IC封装件，其中所述基板在其一个表面上具有球栅阵列。
17.一种集成电路IC组装件，其包括: 基板，其具有:顶表面，其中所述顶表面具有在其上形成的集成电路IC管芯安装区域，外围区域包围所述安装区域；以及多个绝缘层，其中至少一个所述绝缘层是用具有第一绝缘热膨胀系数CTE的第一绝缘材料形成的，并且至少一个所述绝缘层是用具有不同于所述第一绝缘CTE的第二绝缘CTE的第二绝缘材料形成的；以及安装在所述IC管芯安装区域上的IC管芯。
18.根据权利要求17所述的IC封装件，其中所述管芯是倒装芯片管芯。
19.根据权利要求17所述的IC封装件，其中所述基板在其一个表面上具有球栅阵列。
20.根据权利要求15所述的IC封装件，其中所述基板在其一个面对的表面上具有球栅阵列。
【文档编号】H01L23/14GK103839897SQ201310581594
【公开日】2014年6月4日 申请日期:2013年11月19日 优先权日:2012年11月20日
【发明者】J·M·威廉姆森, N·夏海迪, Y·庞 申请人:德克萨斯仪器股份有限公司