專利名稱：防裂互聯(lián)模塊的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于集成電路芯片的互聯(lián)模塊。
背景在半導(dǎo)體行業(yè)多層互聯(lián)模塊被廣泛用于機(jī)械地支撐集成電路芯片和電氣地連接此芯片到印刷線路板?；ヂ?lián)模塊可配置成支撐單個(gè)芯片或多個(gè)芯片，且一般用名稱SCM(單芯片模塊)或MCM(多芯片模塊)來標(biāo)識(shí)。
互聯(lián)模塊提供用于把集成電路芯片電氣地耦合到信號(hào)線、電源線和印刷線路板承載的其他組件的互聯(lián)。尤其是，互聯(lián)模塊提供把芯片的密實(shí)封裝的輸入和輸出(I/Os)重新分配到對(duì)應(yīng)印刷線路板上I/Os的互聯(lián)。除了電氣地互聯(lián)外，互聯(lián)模塊一般適用于把芯片機(jī)械地耦合到印刷線路板，且可以執(zhí)行諸如熱消散和環(huán)境保護(hù)的其他功能。
把低熱膨脹系數(shù)(CTE)(對(duì)硅來說～2.6ppm/℃)的集成電路(IC)與相對(duì)薄(＜0.75mm＝、因而柔韌的、在氣溫升高時(shí)具有相對(duì)高的CTE(＞15ppm/℃)的封裝襯底接合在一起之后，當(dāng)襯底冷卻到較低溫度時(shí)，在封裝中顯現(xiàn)顯著的固有拉張應(yīng)力和應(yīng)變。這些中的某些可能直接起因于二個(gè)組件的接合。在這樣的封裝中，特殊區(qū)域中的應(yīng)力和應(yīng)變可能上升至導(dǎo)致襯底介質(zhì)和/或?qū)w材料中的裂紋的程度。這可能發(fā)生通過裂紋單次低溫曝光之后，或反復(fù)經(jīng)受通路疲勞之后。
為了改善這種狀況，根據(jù)本發(fā)明的互聯(lián)模塊包括疊層在一起形成單元結(jié)構(gòu)的多個(gè)交互的介質(zhì)和金屬層。疊層的互聯(lián)結(jié)構(gòu)可包括多個(gè)提供芯片、印刷線路板和互聯(lián)模塊中各種層之間導(dǎo)互聯(lián)路徑的通孔和電加圖案信號(hào)層。互聯(lián)模塊包括限定用于通過焊球分別連接到芯片和電路板上相應(yīng)焊盤的接觸焊盤的芯片連接和電路板連接表面。選擇各種層來顯示促進(jìn)與芯片和PWB可靠互聯(lián)的熱膨脹系數(shù)(CTE)。
概述本發(fā)明提供一種具有降低或不存在產(chǎn)生裂紋趨勢的倒裝片集成電路(IC)封裝。本發(fā)明的倒裝片封裝包括至少一個(gè)在包圍此集成芯片(IC，也稱為“小芯片”或“小芯片陰影”)的4個(gè)角中至少一個(gè)角周圍區(qū)域的封裝襯底的球形網(wǎng)格陣列(BGA)面上的固體平面。平面所覆蓋的區(qū)域的大小和形狀，基于封裝的其他設(shè)計(jì)特點(diǎn)而變化。通過使用阻焊掩模來限定平面上的BGA焊盤，這些平面可用作電源連接或接地。本發(fā)明的一個(gè)重要方面是，它提供一個(gè)在芯片角附近區(qū)域中BGA側(cè)面沒有幾何不連續(xù)性的區(qū)域。
在本發(fā)明的至少一個(gè)實(shí)施例中，疊層的倒裝片互聯(lián)封裝包括一個(gè)襯底，該襯底具有限定用于連接到芯片和電路板上相應(yīng)焊盤的接觸焊盤的芯片連接表面和電路板連接表面的襯底，其特征在于，此襯底電路板表面包括至少一個(gè)復(fù)蓋在芯片角附近芯片連接表面區(qū)域的固體平面。此固體平面包括任選地覆蓋著阻焊掩?；蛲繌?fù)層材料的介質(zhì)材料。
在本發(fā)明的至少一個(gè)實(shí)施例中，倒裝片封裝包括至少一個(gè)固體平面，其特征在于，芯片角附近區(qū)域由隨機(jī)地覆蓋著阻焊掩模或涂復(fù)層材料的金屬固體平面組成。
在本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例中，固體平面包括覆蓋著阻焊掩模材料的金屬固體平面，所述阻焊掩模具有限定BGA焊盤的開口。
本發(fā)明倒裝片IC封裝的其他特點(diǎn)可能變化，然而理想的是此封裝保持相對(duì)的薄和柔韌。
下面的術(shù)語在此使用具有這些意義1.術(shù)語“傳導(dǎo)性”在此使用意味著電傳導(dǎo)性。
2.術(shù)語“幾何不連續(xù)性”意味著諸如中斷材料的連續(xù)區(qū)域的接觸焊盤或開口的特點(diǎn)。
3.術(shù)語“互聯(lián)襯底”在此使用等價(jià)于術(shù)語“封裝襯底”、“柔韌封裝襯底”、“剛性封裝襯底”和類似的。
4.術(shù)語“固體平面”意味著沒有幾何不連續(xù)性的單個(gè)材料的區(qū)域。
附圖簡述

圖1是典型已裝配互聯(lián)模塊的橫截面示意圖。
圖2a和2b是互聯(lián)模塊上裂紋組成區(qū)域的示意圖；2b是圖2a所示區(qū)域的展開圖。
圖3是7層金屬層互聯(lián)襯底的橫截面表示的示意圖。
圖4是7層金屬層互聯(lián)襯底的橫截面表示的示意圖。
圖5a和5b是說明在冷卻時(shí)互聯(lián)模塊的變形狀態(tài)的橫截面示意圖。
圖6是顯示MICROLAM介質(zhì)材料的斷裂韌度作為溫度函數(shù)的圖形。
圖7是顯示用于互聯(lián)襯底的MICROLAM介質(zhì)材料的疲勞狀態(tài)的圖形。
圖8是互聯(lián)襯底的詳細(xì)有限元素模型輪廓。
圖9是圍繞連接焊盤的互聯(lián)襯底的BGA側(cè)介質(zhì)層中最大主要應(yīng)變的詳細(xì)有限元素模型輪廓。
圖10是顯示圍繞BGA連接焊盤的應(yīng)力集中分布圖的圖形。
圖11a到11c是在固體小芯片角平面的相對(duì)理想的尺寸和形狀上小芯片加強(qiáng)板間隔的大小效果的有限元素模型。
圖12說明用于確定相對(duì)于芯片的角，固體小芯片角平面的理想大小和位置的小芯片角平面設(shè)計(jì)規(guī)則。
圖13a和13b說明在芯片角以芯片連接表面的未加圖案區(qū)域的形式的固體平面。
詳細(xì)描述如圖1所示，互聯(lián)模塊100可包括疊層在一起以形成單元互聯(lián)襯底110(描述為單個(gè)材料)的一系列交互介質(zhì)和金屬層。疊層的互聯(lián)襯底110可包括許多在芯片120、印刷線路板130和互聯(lián)模塊內(nèi)的各層之間提供傳導(dǎo)互聯(lián)路徑的通孔和加圖案信號(hào)層(未顯示)。圖3和圖4是疊層互聯(lián)襯底的詳細(xì)示意圖。互聯(lián)模塊包括芯片連接表面125和電路板連接表面135，限定了用于分別通過焊球128、138連接到在芯片和電路板上相應(yīng)焊盤的接觸焊盤，以在芯片和互聯(lián)襯底以及互聯(lián)襯底和印刷線路板(PWB)之間提供電氣和機(jī)械連接。選擇各種層使其具有促進(jìn)芯片和PWB之間的可靠互聯(lián)的低熱膨脹系數(shù)(CTE)?；ヂ?lián)模塊還可包括在芯片連接表面125上用接合劑接合到互聯(lián)襯底110的加強(qiáng)分層140，以使芯片位于加強(qiáng)分層中間。底層填料接合劑170可放置于互聯(lián)襯底110的芯片連接表面125和芯片底面之間，因此包裹著芯片連接焊球128。最后，蓋狀組件150可通過附加接合層155接合到加強(qiáng)分層的頂面。熱導(dǎo)接合劑或彈性體160材料將可插在芯片120的頂面和蓋狀組件150之間，來幫助耗散芯片運(yùn)作時(shí)產(chǎn)生的熱量。
把低熱膨脹系數(shù)(CTE)(對(duì)硅來說～2.6ppm/℃)的集成電路(IC)與相對(duì)薄(＜0.75mm＝，因而柔韌的、在氣溫升高時(shí)具有相對(duì)高的CTE(＞15ppm/℃)的封裝襯底接合在一起之后，當(dāng)襯底冷卻到較低溫度時(shí)，在封裝中顯現(xiàn)顯著的固有拉張應(yīng)力和應(yīng)變。這些中的某些可能直接起因于二個(gè)組件的接合。其他可能起因于抑制或部分抑制封裝襯底響應(yīng)這些直接固有應(yīng)力和應(yīng)變的撓曲。這樣的抑制可在封裝中使用如環(huán)或蓋狀組件150這樣的加強(qiáng)分層140的時(shí)候發(fā)生。
在這樣的封裝襯底中，特殊區(qū)域中的應(yīng)力或應(yīng)變可能上升至導(dǎo)致制作襯底的介質(zhì)和/或傳導(dǎo)材料中裂紋的水平。這可能發(fā)生在通過裂紋單個(gè)低溫曝光之后，或反復(fù)經(jīng)受通路疲勞之后。
在+125℃和-40℃或-55℃之間的熱周期變化上，在互聯(lián)模塊部件的兩個(gè)區(qū)域發(fā)現(xiàn)形成裂紋。圖2a和2b顯示裂紋在BGA互聯(lián)模塊200上形成的位置圖。圖2b是在圖2a中灰色圓形區(qū)域的展開圖。圖顯示了對(duì)所給的互聯(lián)模塊在襯底BGA側(cè)上的焊球焊盤240矩陣。第一個(gè)區(qū)域正好在小芯片角210的外面，其中芯片220的邊緣用黑線顯示，在某些極端情況下，會(huì)沿著小芯片邊緣跑下來。在接近小芯片角的焊球焊盤240處顯示裂紋230的存在。
實(shí)驗(yàn)證據(jù)表明裂紋由傳統(tǒng)疲勞過程形成。裂紋被發(fā)現(xiàn)從金屬部件，通常是鄰近金屬層(圖3中的350和圖4中金屬層440)在互聯(lián)模塊(圖3中的302和圖4中的402)的BGA表面上的BGA焊盤(圖3中的390和圖4中的490)的邊緣開始。他們能延伸入鄰近金屬和介質(zhì)層(圖3中的345、365、366和圖4中的435、463和464)。例如，如果發(fā)展著的介質(zhì)裂紋在平面層前面的金屬層遇到信號(hào)跡線，則跡線能依次開裂，形成電子開路。裂紋經(jīng)常延伸，直至他們到達(dá)如圖3中金屬電源平面(340)或圖4中金屬“核心”平面的固體平面。這些平面擔(dān)當(dāng)“裂紋終結(jié)處”，因?yàn)樗麄儧]有允許裂紋輕易延伸的幾何不連續(xù)性。介質(zhì)材料能被用于形成裂紋終結(jié)平面，但通常選擇如銅的金屬，因?yàn)榕c某些介質(zhì)材料相比，銅具有固有更高的堅(jiān)硬性。
圖3是在此描述的發(fā)明可能使用的一個(gè)可能的互聯(lián)襯底的一部分的示意圖。圖3顯示了一個(gè)7層互聯(lián)襯底300，由交互的一系列金屬層(320(焊盤和/或平面)、325(信號(hào))、330(電源或接地)、335(核心)、340(電源或接地)、345(信號(hào))和350(焊盤和/或平面))和介質(zhì)層(361、362、363、364、365和366)疊層而成。圖3所示的金屬和介質(zhì)層圍繞核心金屬層335對(duì)稱地設(shè)置。即形成每個(gè)在核心層335的一側(cè)的介質(zhì)或金屬層都有形成在核心層的對(duì)側(cè)的相同材料組成的對(duì)應(yīng)層。
如圖3中進(jìn)一步所示，第一個(gè)通孔380從金屬層320延伸穿過介質(zhì)層361，并終止在金屬層325。第二個(gè)通孔375起始于金屬層325并延伸穿過介質(zhì)層362、363、364和365，終止在金屬層345。第三個(gè)通孔370從金屬層345延伸穿過介質(zhì)層366，并終止在金屬層350。每個(gè)通孔370、375、380都使用微電子制造業(yè)中熟知的任何淀積技術(shù)用傳導(dǎo)材料涂復(fù)?？商鎿Q地，每個(gè)通孔370、375、380都填充了導(dǎo)電材料來限定傳導(dǎo)路徑。業(yè)內(nèi)的熟練技術(shù)人員將認(rèn)識(shí)到任何通孔的組合，包括盲孔、埋孔和穿透孔，能被用于在小芯片連接表面304的接合焊盤357和BGA連接表面302的接合焊盤390之間提供電連接。
阻焊掩模310、315能用于芯片連接表面304和BGA連接表面302。阻焊掩模典型地由填充環(huán)氧材料做成。每個(gè)阻焊掩模310、315露出一個(gè)與每個(gè)通孔370、375、380相鄰的接觸或接合焊盤。例如，阻焊掩模310露出接觸焊盤357，阻焊掩模315露出接觸焊盤390。與芯片有關(guān)的焊球355可以在接觸焊盤357上調(diào)準(zhǔn)，加熱并回流以與接觸焊盤形成電氣和機(jī)械接合。同樣，與電路板有關(guān)的焊球(未示出)也可以在接觸焊盤390上調(diào)準(zhǔn)，加熱并回流以在接觸焊盤和PWB之間形成電氣和機(jī)械接合。
介質(zhì)層361、362、363、364、365和366可由高溫有機(jī)介質(zhì)襯底材料的薄片，例如聚酰亞胺和聚酰亞胺薄片、環(huán)氧樹脂、液晶聚合物、有機(jī)材料或由至少部分聚四氟乙烯組成的介質(zhì)材料，配合或不配合填充劑而形成。在一個(gè)實(shí)施例中，介質(zhì)層361、362、363、364、365和366由有機(jī)材料組成，如聚四氟乙烯(PTFE)，尤其是浸漬了氰酸酯樹脂和環(huán)氧樹脂的膨脹聚四氟乙烯PTFE或“ePTFE”。尤其是，PTFE材料可能是包含了混合氰酸酯樹脂環(huán)氧接合劑和無機(jī)填充劑的膨脹聚四氟乙烯基體。
金屬層320、325、330、335、340、345和350可由銅形成。其他適合的金屬也能使用，如鋁、金或銀。在本例中金屬層320、325、330、335、340、345和350每層厚度在大約5到14微米范圍內(nèi)。在一個(gè)例子中，每個(gè)金屬層320、325、330、335、340、345和350的厚度約為12微米。核心金屬層335的厚度在大約5到50微米范圍內(nèi)。介質(zhì)層361、362、363、364、365和366每層厚度在大約20到70微米范圍。在一個(gè)例子中，每層介質(zhì)層361、362、363、364、365和366的厚度約為36微米。
互聯(lián)襯底300的各層能用熱和應(yīng)力堆疊在一起并分層。例如，所有層能同時(shí)疊層為一個(gè)疊堆?？商鎿Q地，這些層能在同一時(shí)間構(gòu)建在金屬核心層335上，或在每個(gè)疊層步驟里添加一個(gè)或兩個(gè)附加層遞增地構(gòu)建。在疊層中，介質(zhì)層361、362、363、364、365和366溶化并流動(dòng)以提供單片電路大小的介質(zhì)材料360。
穿透孔能在互聯(lián)襯底300疊層之后形成。尤其是，例如在美國專利號(hào)6021564中所述，通孔能通過鉆孔或激光消融過程形成。疊層后、阻焊掩模310和315被加到互聯(lián)襯底300上。阻焊掩模310和315接著被分別加圖案來限定用來接收來自芯片355和PWB(未顯示)的焊球的接觸焊盤357、390。
圖4是結(jié)合可能使用在此描述的發(fā)明可能使用的一個(gè)可能的互聯(lián)襯底的一部分的示意圖表示。圖4顯示了一個(gè)5層互聯(lián)襯底400，由交互的一系列金屬層(420、425、430(核心)、435、440)和介質(zhì)層(461、462、463、464)疊層而成。圖4中顯示的金屬和介質(zhì)層圍繞核心金屬層430對(duì)稱地設(shè)置。即形成在核心層430的一側(cè)的每層介質(zhì)或金屬層都有形成在核心層的對(duì)側(cè)的相同材料組成的對(duì)應(yīng)層。
如圖4中進(jìn)一步所示，第一個(gè)通孔480從金屬層420延伸穿過介質(zhì)層461，并終止在金屬層425。第二個(gè)通孔475起始于金屬層425并延伸穿過介質(zhì)層462、463，終止在金屬層435。第三個(gè)通孔470從金屬層435延伸穿過介質(zhì)層464，并終止在金屬層440。每個(gè)通孔470、475、480都使用微電子制造業(yè)中熟知的任何淀積技術(shù)用傳導(dǎo)材料涂復(fù)。業(yè)內(nèi)的熟練技術(shù)人員將認(rèn)識(shí)到任何通孔的組合，包括盲孔、埋孔和穿透孔，能被用于在芯片連接表面404的接合焊盤457和BGA連接表面402的接合焊盤490之間提供電連接。
阻焊掩模410、415能用于小芯片連接表面404和BGA連接表面402。每個(gè)阻焊掩模410、415露出一個(gè)與每個(gè)通孔470、480相鄰的接觸或接合焊盤。例如，阻焊掩模410露出接觸焊盤457，阻焊掩模415露出接觸焊盤490。與芯片相關(guān)的焊球455可以在接觸焊盤457上調(diào)準(zhǔn)，加熱并回流以形成與接觸焊盤的電氣和機(jī)械接合。同樣，與芯片有關(guān)的焊球(未顯示)可以在接觸焊盤490上調(diào)準(zhǔn)，加熱并回流以在接觸焊盤和PWB之間形成電氣和機(jī)械接合。
介質(zhì)層461、462、463、464可由高溫有機(jī)介質(zhì)襯底材料的薄片，例如聚酰亞胺和聚酰亞胺薄片、環(huán)氧樹脂、液晶聚合物、有機(jī)材料或由至少部分聚四氟乙烯組成的介質(zhì)材料，配合或不配合填充劑而形成。在一個(gè)實(shí)施例中，介質(zhì)層461、462、463、464由有機(jī)材料組成，如聚四氟乙烯(PTFE)，尤其是，浸漬了氰酸酯樹脂和環(huán)氧樹脂的膨脹聚四氟乙烯PTFE或“ePTFE”。尤其是，PTFE材料可能是包含了混合氰酸酯樹脂環(huán)氧接合劑和無機(jī)填充劑的膨脹聚四氟乙烯基體。
金屬層420、425、430、435、440可由銅形成。其他適合的金屬也能使用，如鋁、金或銀。在本例中金屬層420、425、430、435、440每層厚度在大約5到14微米范圍內(nèi)。在一個(gè)例子中，每層金屬層420、425、430、435、440的厚度約為12微米。核心金屬層430的厚度在大約5到50微米范圍內(nèi)。介質(zhì)層461、462、463、464每層厚度在大約20到70微米范圍。在一個(gè)例子中，每層介質(zhì)層461、462、463、464的厚度約為36微米。
互聯(lián)襯底400的各層能用熱和應(yīng)力堆疊在一起并分層。例如，所有層能同時(shí)疊層為一個(gè)疊堆?？商鎿Q地，這些層能在同一時(shí)間構(gòu)建在金屬核心層430上，或在每個(gè)疊層步驟里添加一個(gè)或兩個(gè)附加層遞增地構(gòu)建。在疊層中，介質(zhì)層461、462、463、464溶化并流動(dòng)以提供單片電路大小的介質(zhì)材料460。
穿透孔能在互聯(lián)襯底400的疊層之后形成。尤其是，例如在美國專利號(hào)6021564中所述，通孔能通過鉆孔或激光消融過程形成。疊層后、阻焊掩模410和415被加到互聯(lián)襯底400上。阻焊掩模410和415接著被分別加圖案來限定接收來自芯片455和PWB(未顯示)的焊球的接觸焊盤457、490。
互聯(lián)襯底300或400可以接受“倒裝片”集成電路。倒裝片安裝需要在芯片(即芯片)上放置焊球，把芯片倒裝過來，把芯片與如互聯(lián)襯底300或400的襯底上的接觸焊盤調(diào)準(zhǔn)，在反應(yīng)爐回流焊球以在芯片和襯底之間建立接合。用這種方式，接觸焊盤被分布在整個(gè)芯片表面之上，而不是如在線接合和卷帶式自動(dòng)接合技術(shù)中的那樣被限制在周邊。結(jié)果，可利用的I/O和電源/接地端的最大數(shù)量增加了，信號(hào)和電源/接地互聯(lián)能在芯片上更高效地選定。
業(yè)內(nèi)熟練的技術(shù)人員應(yīng)該認(rèn)識(shí)到的是上面實(shí)施例中反映的這類互聯(lián)襯底可能包含附加層，包括嵌入電容器層、金屬層、介質(zhì)層等?；谧罱K互聯(lián)模塊的需要，還可能使得互聯(lián)襯底具有較少的介質(zhì)和金屬層。
小芯片角裂紋主要由加強(qiáng)板環(huán)和/或蓋施加的機(jī)械疲勞所形成。如圖5a所示，在裝配過程中當(dāng)例如升高的溫度接近于用來使各種接合材料凝膠和固化的時(shí)候，已裝配的模塊500a處于幾乎無應(yīng)力狀態(tài)。然而，如圖5b所示，當(dāng)冷卻到較低的溫度，小芯片510b和已裝配模塊500b的其他組件之間，尤其是小芯片和互聯(lián)襯底520b之間CTE的不匹配，導(dǎo)致封裝試圖呈現(xiàn)下凹的形狀。然而，加強(qiáng)板環(huán)530防止了這個(gè)發(fā)生，而保持其覆蓋區(qū)域?yàn)槠秸男螤睢Ｐ酒旅鎱^(qū)域的下凹外形與加強(qiáng)板環(huán)下面大致平整的外形之間的過渡發(fā)生在圖5b中示意的芯片和加強(qiáng)板環(huán)之間的間隙里。這種在很短的距離中形狀的變化導(dǎo)致顯現(xiàn)在襯底BGA面540的拉張彎曲應(yīng)變。在接近小芯片角550的區(qū)域尤其是這樣，因?yàn)樵趚和y方向都同時(shí)存在彎曲。
形狀越是突然變化，在芯片角處和在芯片510與加強(qiáng)板環(huán)530之間的間隙里存在的應(yīng)變?cè)礁?。反之，如果形狀的變化能逐漸地發(fā)生，則應(yīng)變將減小。因此，減輕問題能采取的一個(gè)措施是在芯片和加強(qiáng)板環(huán)之間增加間距。芯片和加強(qiáng)板環(huán)之間的間距越大，臨界應(yīng)變?cè)叫?。較低的臨界應(yīng)變將允許更小固體平面區(qū)域的使用。
例如，在襯底使用可從來自德國耐瓦克W.L.Gore和Assoce.公司的商品名為MICROLAM下得到的膨脹聚四氟乙烯介質(zhì)材料的情況下，MICROLAM介質(zhì)的機(jī)械屬性必須在計(jì)算臨界應(yīng)變中要考慮到。首先，MICROLAM的彎曲斷裂應(yīng)，N變測量為是0.47％±0.15％。其次，MICROLAM的斷裂韌度已被測量，在圖6中作為溫度函數(shù)示出。最后，MICROLAM的疲勞屬性已被測量，并示于圖7中。
數(shù)據(jù)表示能量定律依賴于應(yīng)力強(qiáng)度Nf=0.5(KiKic)-24.46]]>其中，Nf是失效的循環(huán)時(shí)間，KI是應(yīng)力強(qiáng)度系數(shù)，KIC是臨界應(yīng)力強(qiáng)度或斷裂韌度。
對(duì)于電子工業(yè)一個(gè)保守的循環(huán)-失效要求是10000次循環(huán)。從圖7中這導(dǎo)致KI/KIC比率大約為0.7。了解到KI∝б1∝εi(對(duì)于一個(gè)各自同性的同質(zhì)材料)，局部應(yīng)變必須保持在破裂應(yīng)變的0.7以下或0.33％。
圖8顯示了7層金屬層封裝襯底的9mm×9mm截面的詳細(xì)有限元素模型。圖9示出了當(dāng)圖8的模型經(jīng)歷均勻的二軸應(yīng)變時(shí)，單個(gè)BGA焊盤周圍BGA側(cè)介質(zhì)中的應(yīng)力。在BGA焊盤1000的邊緣周圍立即存在高應(yīng)變區(qū)域，如白色環(huán)1010所示。圖10示出了這個(gè)高應(yīng)力區(qū)域的局部化程度。高應(yīng)力或應(yīng)變的區(qū)域僅僅約75μm寬和約25μm深。這個(gè)區(qū)域中高應(yīng)力或應(yīng)變的大小約二倍于標(biāo)稱應(yīng)力或應(yīng)變。
了解了芯片角區(qū)域中MICROLAM介質(zhì)材料中的裂紋，可以通過維持標(biāo)稱應(yīng)變低于0.17％來消除，就可以制定出小芯片角裂紋問題的可能解決方法。然而，假如BGA焊盤或其他幾何不連續(xù)導(dǎo)致的應(yīng)變集中不存在，則可以允許標(biāo)稱應(yīng)力高達(dá)0.34％，在熱循環(huán)期間不會(huì)形成裂紋。
根據(jù)本發(fā)明，在小芯片角附近區(qū)域的BGA連接表面上提供沒有幾何不連續(xù)的區(qū)域。這可以通過一個(gè)實(shí)施例來實(shí)現(xiàn)，其中一個(gè)或多個(gè)芯片角附近區(qū)域BGA連接表面由介質(zhì)材料固體平面組成，可選地覆蓋著阻焊掩模或涂復(fù)層材料的固體層。
在另外一個(gè)實(shí)施例中，一個(gè)或多個(gè)芯片角附近的區(qū)域可以由金屬固體平面組成，可選地覆蓋著阻焊掩?；蛲繌?fù)層材料的固體層。
而在另一個(gè)實(shí)施例中，一個(gè)或多個(gè)芯片角附近的區(qū)域可以由覆蓋著阻焊掩模材料的金屬固體平面組成，上述阻焊掩模具有形成所限定的BGA焊盤的開口。這個(gè)實(shí)施例在仍允許區(qū)域具有功能性的同時(shí)提供了小芯片角附近固體平面區(qū)域的優(yōu)點(diǎn)。與多數(shù)介質(zhì)材料相比，大多數(shù)金屬具有高強(qiáng)度和韌性，更理想的是使用金屬平面而非介質(zhì)平面。使用在覆蓋阻焊掩模中具有開口的金屬平面是理想的，因?yàn)槭紫龋试S使用焊盤位置中的某些來形成和PWB的機(jī)械互聯(lián)(為了更高的剛性和支撐)。其次，它允許那些與金屬平面結(jié)合的焊盤位置用于進(jìn)行到電源或地面的電連接，從而避免了寶貴的I/O連接的完全丟失。這又幫助避免了封裝面積的擴(kuò)展和造成制造商和用戶的費(fèi)用增長。
固體平面的橫向尺寸取決于如小芯片大小和厚度、襯底厚度、介質(zhì)材料屬性、加強(qiáng)板厚度和材料、小芯片加強(qiáng)板間隙、蓋厚度和材料和底層填料屬性(如模數(shù)、玻璃轉(zhuǎn)變溫度、凝膠溫度等)及類似的因素。
有限元素模型可用于確定固體平面的合適的大小。圖11示出了具有18.5mm芯片和1.0mm厚度蓋，采用幾個(gè)小芯片加強(qiáng)板間距(3mm(圖11a)、5mm(圖11b)、7mm(圖11c))的40mm方形封裝模型的結(jié)果。高應(yīng)變區(qū)域1210存在于接近小芯片角1200的地方，所述應(yīng)變比裂紋將要產(chǎn)生的臨界應(yīng)變更大。在此所揭示的本方面的一個(gè)方面，允許用方法來調(diào)整固體平面的區(qū)域和定位固體平面的位置，在該固體平面中裝配、測試或最終互聯(lián)模塊使用期間，幾何不連續(xù)性將導(dǎo)致裂紋產(chǎn)生。固體平面的邊緣最好延伸超過高應(yīng)變區(qū)域，因?yàn)楣腆w平面的邊緣本身是不連續(xù)的，如果超過臨界應(yīng)變則會(huì)產(chǎn)生裂紋。為了做這個(gè)特別分析，臨界應(yīng)變水平被設(shè)定在相當(dāng)于MICROLAM介質(zhì)材料實(shí)驗(yàn)破裂應(yīng)變上的95％可靠區(qū)間的1/3的數(shù)值或0.11％。
從圖11a到圖11c中可以看到，當(dāng)芯片加強(qiáng)板間距增大時(shí)，該平面的面積會(huì)相當(dāng)大地縮小。在此描述的本發(fā)明的一個(gè)方面允許建立通用設(shè)計(jì)規(guī)則，它將通過減少對(duì)每個(gè)設(shè)計(jì)的完整詳細(xì)有限元素模型的需要來簡化這些IC封裝的設(shè)計(jì)。
在至少一個(gè)實(shí)施例中，金屬平面位于一個(gè)或多個(gè)小芯片角的BGA焊盤層上(例如圖3中的金屬層350或圖4中的金屬層440)。每個(gè)金屬平面包圍所有的BGA焊盤，其接觸一個(gè)橢圓區(qū)域，橢圓的大小和形狀通過下面的等式限定(xa)2+(yb)2=1]]>在此x和y是毫米。元素a和b是如圖12所示的度量尺寸。同樣如圖12所示，這個(gè)橢圓的中心位于沿著對(duì)角線從小芯片向外“d”距離，橢圓的短軸與平分芯片角1210并延伸到芯片加強(qiáng)板環(huán)1250的開始邊緣的線重合。芯片加強(qiáng)板可以由金屬或介質(zhì)構(gòu)成。根據(jù)固體平面材料是金屬還是介質(zhì)某些參數(shù)而不同。高應(yīng)變區(qū)域也可以根據(jù)構(gòu)成固體平面的材料而不同。圖12示出了一個(gè)小芯片角區(qū)域的橢圓區(qū)域。此橢圓的外面，封裝的BGA側(cè)上平均應(yīng)力等級(jí)沒有達(dá)到在正常熱循環(huán)變化條件下，足以引起或傳播裂紋的水平。
a，b和d值隨小芯片和加強(qiáng)板環(huán)(圖12中的S)之間間距而變化，如下面表格所示。

在實(shí)際應(yīng)用中，假如小芯片角與BGA焊盤位置重合，則固體平面應(yīng)延伸相等于超過芯片邊緣的至少二個(gè)BGA行和在芯片下面的一行的距離。
圖13a說明復(fù)蓋在芯片邊緣1320的交叉點(diǎn)形成的芯片角1310附近的BGA焊盤層區(qū)域的固體平面的一個(gè)實(shí)施例。在這個(gè)實(shí)施例中，通過在芯片角和其附近提供BGA焊盤層的未加圖案區(qū)域1330(即沒有焊球焊盤1340)來形成固體平面。
圖13b說明類似于圖13a所說明的實(shí)施例的另外一個(gè)實(shí)施例。然而，在圖13b中未加圖案區(qū)域1330物理上通過信道1335與BGA焊盤層的剩余部分隔離開來。信道1335可通過從BGA焊盤層移除材料，或通過當(dāng)?shù)矸e形成BGA焊盤層的材料時(shí)，掩蔽信道來形成信道1335。
固體平面還可以通過在一個(gè)或多個(gè)芯片角或其附近BGA焊盤層上增加未加圖案材料層來形成，與BGA層里是否加圖案無關(guān)。所增加的層可以延伸到小芯片下面或芯片角附近和芯片邊緣鄰近部分。這個(gè)層可以是金屬或介質(zhì)材料。
例子設(shè)計(jì)、制作和裝配二個(gè)封裝，一個(gè)包括上述金屬平面(封裝A)，一個(gè)沒有包括(封裝B)。除裂紋減少特點(diǎn)之外，他們是完全相同的。都使用10.6mm×12.0mm小芯片和7層金屬層襯底。二者的內(nèi)部電路是完全相同的，但封裝A的BGA側(cè)金屬層布局采用如上述設(shè)計(jì)的在小芯片角使用金屬平面，而封裝B沒有采用。此外，封裝A使用具有6.6mm×6.9mm的小芯片加強(qiáng)板間隙和0.5mm厚度蓋的較大開口的加強(qiáng)板。封裝B使用具有2.8mm×3.5mm的小芯片加強(qiáng)板間隙和1.0mm厚度蓋的開口的加強(qiáng)板。因此，封裝A使用這個(gè)發(fā)明的4個(gè)金屬平面，而封裝B不使用他們中的任何一個(gè)。
都用小芯片使用相同的裝配方法來裝配二個(gè)封裝的樣品。裝配后樣品經(jīng)歷熱循環(huán)變化從125℃到-55℃的1500個(gè)循環(huán)后。熱循環(huán)之后，封裝A顯示在35個(gè)檢查樣品的BGA面介質(zhì)中沒有裂紋。另一方面封裝B顯示35個(gè)樣品中9個(gè)有可視芯片角裂紋。
雖然在此描述本發(fā)明的各種實(shí)施例，但這些和其他實(shí)施例是在下面權(quán)利要求書的范圍中。例如，在此描述的本發(fā)明的實(shí)施例可以結(jié)合在下面U.S.專利中描述的附加的結(jié)構(gòu)或處理中任一種加以使用U.S.專利號(hào)NO.5,888,630，U.S.專利號(hào)NO.6,018,196，U.S.專利號(hào)NO.5,983,974，U.S.專利號(hào)NO.5,836,063，U.S.專利號(hào)NO.5,731,047，U.S.專利號(hào)NO.5,841,075，U.S.專利號(hào)NO.5,868,950，U.S.專利號(hào)NO.5,888,631，U.S.專利號(hào)NO.5,900,312，U.S.專利號(hào)NO.6,011,697，U.S.專利號(hào)NO.6,021,564，U.S.專利號(hào)NO.6,103,992，專利號(hào)NO.6,127,250，U.S.專利號(hào)NO.6,143,401，U.S.專利號(hào)NO.6,183,592，專利號(hào)NO.6,203,891和U.S.專利號(hào)NO.6,248,959。
權(quán)利要求
1.一種疊層的倒裝片互聯(lián)封裝包括一個(gè)具有用于限定與此芯片和電路板上相應(yīng)焊盤相連接的接觸焊盤的芯片連接表面和電路板連接表面的襯底，其特征在于，此襯底板連接表面包括至少一個(gè)復(fù)蓋在至少一個(gè)芯片角附近的所述芯片連接表面區(qū)域的固體平面，所述固體平面包括一種介質(zhì)材料。
2.如權(quán)利要求1所述的疊層的倒裝片互聯(lián)封裝，其特征在于，上述介質(zhì)材料覆蓋著從阻焊掩模和涂復(fù)層材料中所選擇的一層材料。
3.如權(quán)利要求2所述的疊層的倒裝片互聯(lián)封裝，其特征在于，上述材料層是從由聚酰亞胺、聚四氟乙烯和浸漬氰酸酯和環(huán)氧樹脂的膨脹聚四氟乙烯組成的組中選擇的。
4.一種疊層的倒裝片互聯(lián)封裝包括一個(gè)具有用于限定與所述芯片和電路板上相應(yīng)焊盤相連接的接觸焊盤的芯片連接表面和電路板連接表面的襯底，其特征在于，所述襯底板表面包括至少一個(gè)復(fù)蓋在至少一個(gè)芯片角附近的所述芯片連接表面區(qū)域的固體平面，所述固體平面包括一種金屬。
5.如權(quán)利要求4所述的疊層的倒裝片互聯(lián)封裝，其特征在于，上述金屬是從由銅、銀、金和鋁組成的組中選擇的。
6.如權(quán)利要求4所述的疊層的倒裝片互聯(lián)封裝，其特征在于，上述材料覆蓋著從阻焊掩模和涂復(fù)層材料中所選擇的材料層。
7.如權(quán)利要求6所述的疊層的倒裝片互聯(lián)封裝，其特征在于，上述材料層是從由聚酰亞胺、聚四氟乙烯和浸漬氰酸酯和環(huán)氧樹脂的膨脹聚四氟乙烯組成的組中選擇的。
8.如權(quán)利要求4所述的疊層的倒裝片互聯(lián)封裝，其特征在于，上述阻焊掩模具有多個(gè)限定球形網(wǎng)格陣列焊盤的開口。
全文摘要
一種疊層的倒裝片互聯(lián)封裝包括一個(gè)襯底，該襯底具有限定用于與芯片和電路板上相應(yīng)焊盤連接的接觸焊盤的芯片連接表面和電路板連接表面，其特征在于，此襯底板表面包括至少一個(gè)覆蓋在至少一個(gè)芯片角附近的該芯片連接表面區(qū)域的固體平面。在一個(gè)實(shí)施例中，此固體平面包括一種任選地覆蓋著阻焊掩模或涂覆層材料的介質(zhì)材料。在一個(gè)替換實(shí)施例中，此固體平面包括一種可選地覆蓋著阻焊掩?；蛲扛矊硬牧系慕饘?。
文檔編號(hào)H01L23/498GK1685505SQ03822778
公開日2005年10月19日 申請(qǐng)日期2003年9月24日 優(yōu)先權(quán)日2002年9月27日
發(fā)明者R·E·戈雷爾, M·F·西爾維斯特, D·R·斑克斯, M·D·赫爾科比, W·V·巴拉德, K·希羅薩瓦, S·薩圖, T·基繆拉 申請(qǐng)人:3M創(chuàng)新有限公司