[发明专利]芯片帽及戴有芯片帽的倒装芯片封装

说明书

技术领域

本发明总体上涉及集成电路的半导体封装。本发明特别涉及用于减少倒装芯片半导体封装的翘曲和提高其可靠性的芯片帽及其应用。

背景技术

由于倒装芯片互连技术能够容纳非常高的单位面积引脚数，其被广泛用于半导体器件封装。倒装芯片封装是最常见的采用倒装芯片互连技术的半导体封装。倒装芯片封装基本上包括一个芯片和一个基板。其中的芯片通过安装在其一侧的导电焊球或铜柱焊球被焊接在基板的一侧。一种用来保护这些焊球的底部填充材料通常被通过毛细管力注入到倒装芯片和基板之间的间隙。根据基板底侧上不同的电触点，倒装芯片封装包括倒装芯片球栅阵列封装（FCBGA），倒装芯片栅格阵列封装（FCLGA）和倒装芯片引脚网格阵列封装（FCPGA）。翘曲是倒装芯片封装使用有机基板时的一个大问题，特别是对于大的基板尺寸和大的芯片尺寸的倒装芯片封装。为了控制倒装芯片封装的翘曲，各种金属加强环或金属盖子被安装在基板上以控制其变形。使用传统的金属加强环或金属盖子可以减少翘曲，但同时也增加了倒装芯片封装内的应力水平，从而导致了一些应力引起的失效问题。

对于使用有机材料基板的倒装芯片封装，基板的热膨胀系数大约是15ppm，而芯片的热膨胀系数大约是为3ppm。如此大的芯片和基板之间的热膨胀系数的不匹配是下列这些问题的根本原因：倒装芯片封装的过量翘曲，在倒装芯片封装的制造过程，可靠性试验或应用中的芯片介电层开裂，焊球桥连或焊球开裂等。

人们一直在尝试各种方法去减少倒装芯片封装的翘曲和提高其可靠性。例如，在现有的发明中，当注入和固化底部填充材料时，人们通过各种类型的夹子去夹紧基板或把倒装芯片和基板保持在一起来减少翘曲。此外，人们也设计了各种类型的加强环或盖子以减少倒装芯片封装基板的翘曲。

图1A和图1B显示了在现有的发明中用于控制倒装芯片封装翘曲的传统类型的盖子。图1A所示的盖子也被称作帽子类型的盖子，其由顶片10，侧壁12和脚边沿14组成。这种帽子类型的盖子可以廉价地通过冲压金属片制造。图1B所示的盖子由顶片20和宽侧壁22组成。图2A，2B和2C显示了使用传统类型盖子的倒装芯片封装。

图2A和图2B所示的倒装芯片封装的盖子的大小和基板相同，并粘附在基板的边缘上。图2C所示的倒装芯片封装的盖子小于基板，并附着在基板的内侧部分。这些传统的倒装芯片封装包括一个芯片32，一个基板36和一个盖子。芯片32和基板36通过焊点38和底部填充材料40获得在电性能和机械上的连接。盖子通过粘接材料34和热界面材料30被粘附在基板36和芯片32上。盖子的主要目的是限制基板36的热变形，以减少其翘曲。在这些传统的倒装芯片封装中，盖子不限制芯片的侧边，而是在芯片和盖子之间有一个空腔。

图3所示的是一个在现有的发明中用于倒装芯片封装的芯片夹，其中倒装芯片52通过焊点54和底部填充材料56连接在基板58上，并且在注入底部填充材料前，为了把芯片固定在基板上，一个芯片夹50被首先粘接在基板上。

图4显示了一个在现有的发明中用于倒装芯片封装的多片散热片70和76。在这个使用多片散热片的倒装芯片封装设计中，芯片72和基板80通过焊点74和底部填充材料78获得在电性能和机械上的连接，多片散热片70和76的其中一片76在注入底部填充材料前被粘附在基板80上，然后在注入底部填充材料后，另一片70再被粘附。

在倒装芯片封装中使用盖子的主要目的是减少基板的翘曲。然而，在现有的发明中，图1A和图1B所示的传统的盖子主要限制图2A，2B和2C所示的倒装芯片封装基板36的变形或翘曲。这种传统盖子的缺点之一是盖子和芯片之间有一个空腔，其结果是由于芯片的侧面32没有被有效地约束，这种用来减小倒装芯片封装翘曲的传统方法的效率不能令人满意。