[发明专利]用于半导体封装组件的柱形凸块结构

说明书

技术领域

一般而言，本发明涉及芯片封装，更具体而言，涉及用于诸如倒装芯片、晶圆级芯片规模封装件和堆叠封装件(package on package)组件的半导体封装组件的柱形凸块(stud bump)结构。

背景技术

倒装芯片组件包括使用芯片的导电凸块接合焊盘直接电连接到诸如陶瓷衬底或电路板的载具上的面向下的(即，“倒装的”)半导体芯片或管芯。倒装芯片组件通常通过以下步骤制造：在芯片的凸块接合焊盘上设置焊料凸块，将焊料凸块接合的芯片(solder bumped chip)接合至载具，以及在芯片和载具之间应用粘着性底部填充物。

倒装芯片组件的凸块发挥多种功能但由于应力导致易出现故障。在这些功能中，凸块提供从芯片到其上安装芯片的衬底的导电路径。凸块还提供芯片到衬底的部分机械安装。可惜的是，凸块易于碎裂，通常是由应力引起的，包括通过芯片和载具衬底之间的热膨胀不匹配引起的应力。当发生热变化时，热膨胀系数的显著差异将应力引入结构。大部分应力集中在芯片和/或倒装芯片组件的角部上，且芯片越大，集中在管芯和/或倒装芯片组件上的应力就越多。图2是示出将焊球或焊料凸块40安装到芯片20的接合焊盘30的倒装芯片组件的一部分。由于倒装芯片组件中的材料之间的热膨胀不匹配引起的应力，在焊料凸块40中出现裂缝50。这些裂缝在接合处在所经受的应力下可能更容易形成，并更容易沿着焊料凸块40的长度扩展。

在金属凸块中使用铜使得这个问题更加恶化。因为铜是刚性的，高应力可能施加在邻接铜凸块的焊料上，并因此使焊料更容易出现碎裂。

解决热膨胀系数差异引起的问题的一种方法是使用环氧树脂底部填充物填充芯片和衬底之间的间隙。底部填充物有助于扩散应力并保护焊料凸块或焊球。但有时底部填充物也具有高热膨胀系数，造成芯片和底部填充物之间的膨胀不匹配。这种不匹配将更多的应力引入封装件中，从而可能导致故障。

近些年来引入了晶圆级芯片规模封装件(WLCSP)，通常用于增大密度、增强性能和增加成本效益，同时在电子封装产业中减轻器件的重量并减小器件的尺寸并满足市场趋向于增强小型化和功能性的需求。当前的WLCSP技术的一个缺点是在焊球和电极接线柱(electrode post)之间形成裂缝。焊球或焊料凸块通常被直接设置在凸块电极或接线柱上，依赖用于结构完整性的焊接点。组成WLCSP器件的不同层通常具有不同的热膨胀系数。结果，在接线柱和凸块电极之间的接合处表现出由这种不同引起的相对大的应力，这种应力常常会导致在凸块电极/接线柱和焊球或焊料凸块之间的接合区域中形成裂缝。

发明内容

为解决上述技术问题，一方面，本发明提供了一种封装件结构，包括：衬底；管芯，接合到所述衬底；以及一个或多个柱形凸块结构，将所述管芯连接到所述衬底，其中，每个柱形凸块结构具有柱形凸块和封装所述柱形凸块的焊球，从而增强散热并降低所述封装件结构中的高应力集中。

在所述的封装件结构中，每个柱形凸块结构都连接到接合焊盘。

所述的封装件结构还包括将所述管芯连接到所述衬底的一个或多个柱形凸块。

所述的封装件结构还包括将所述管芯连接到所述衬底的一个或多个铜柱。

在所述的封装件结构中，所述柱形凸块包括选自由铝、铝合金、铜、铜合金、金、金合金所组成的组中的材料。

所述的封装件结构还包括设置在所述管芯、所述衬底和所述一个或多个柱形凸块结构之间的用于强化所述封装件结构的底部填充物。

在所述的封装件结构中，在靠近所述管芯的外围处，所述一个或多个柱形凸块结构将所述管芯连接到所述衬底。

在所述的封装件结构中，在靠近所述管芯的角部处，所述一个或多个柱形凸块结构将所述管芯连接到所述衬底。

另一方面，本发明还提供了一种堆叠封装件结构，包括：第一衬底；第一管芯，接合到所述第一衬底；第二衬底，设置在所述第一管芯上方并接合到所述第一衬底；第二管芯，接合到所述第二衬底；以及一个或多个第一柱形凸块结构，将所述第二衬底连接到所述第一衬底，其中每个第一柱形凸块结构都具有柱形凸块和封装所述柱形凸块的焊球，从而增强散热并降低所述堆叠封装件结构中的高应力集中。

在所述的堆叠封装件结构中，每个第一柱形凸块结构都连接到接合焊盘。

所述的堆叠封装件结构还包括将所述第一管芯连接到所述第一衬底的一个或多个焊料凸块。

所述的堆叠封装件结构还包括将所述第一管芯连接到所述第一衬底的一个或多个铜柱。