[发明专利]集成电路封装用的芯片级球形格栅阵列

说明书

                            发明背景

1．技术领域

本发明总的涉及集成电路的封装，更具体地涉及球形格栅阵列。具体地，本发明涉及采用具有非聚合物支承结构的柔性带的芯片级球形格栅设计。

2．背景技术描述

电子元件尺寸减小和复杂性增大的要求已经推动电子工业生产更小和更复杂的集成电路(IC)。这些相同的趋势已经迫使IC封装具有更小的复盖范围更多的引线数目和更好的电学和热性能。与此同时，还要求这些IC封装满足可以接受的可靠性标准。

随着器件尺寸的减小和电路复杂性的相应提高，要求集成电路封装具有更小的复盖范围更多的引线数目和更高的电学和热性能。

球形格栅阵列(BGA)封装是为满足具有更高引线数目和更小复盖范围的集成电路封装的需要而研制的。BGA封装通常是正方形封装，其终端通常具有从封装的底部突起的焊接球形阵列的形式。这些终端被设计为安装到位于印刷电路板(PCB)或其它合适基板上的多个焊接垫片上。

最近，利用带自动焊接(TAB)工艺方法和通常由薄聚酰亚胺基板上的铜轨迹组成的柔性电路(有时称为TAB带)已经制备出BGA封装。可以将导电引线叠合在TAB带的一侧和两侧。这种BGA设计常常称为带BGA(TBGA)。在TBGA设计中，带上的电路具有通过诸如引线焊接和热压焊接或倒装芯片的任何传统方法连接到半导体模片(die)上的引线。如果在带的两侧都存在这一电路，那么，导电通孔可以通过该带从一层电路延伸到另一层。

对于诸如便携电子元件(蜂窝式电话、磁盘驱动器、寻呼机等)的有些应用，即使BGA有时也太大。因此，有时将焊柱直接淀积在IC自身的表面上，用于附着到PCB上(通常称为倒装芯片的直接芯片连接)。然而，这种方法存在许多问题。首先，焊球的淀积需要许多成本高的工艺步骤。此外，通常必须在模片下方淀积一层聚合物底层填料，以使倒装芯片附着到PCB上的可靠性到达可以接受的程度。要求聚合物底层填料是为了降低由于模片的热膨胀较低而PCB的膨胀通常相对很高而引起的热应力(“热失配应力”)。淀积底层填料聚合物是一个代价高的工艺过程，它会消除使元件重新工作的能力。因此，如果发现任何缺陷，有价值的PCB就必须被抛弃。

为了解决与倒装小片工艺有关的问题，于是研制出另一类BGA封装。可以将这类BGA封装称为芯片级球形格栅阵列或者芯片级封装(CSP)。之所以称为芯片级封装是因为整个封装尺寸与IC自身尺寸相当或者大不了多少。在芯片级封装中，焊球终端通常淀积在半导体模片的下方，以减小封装尺寸。CSP的一个例子是由TESSERA研制的所谓“MICRO BGA”的产品。这一产品由在模片与电路之间有一层软的适应弹性体层(或者弹性体衬垫)的柔性电路组成。这个弹性元件由诸如硅酮的聚合物材料构成，厚度通常约为5-7密耳。弹性体的一个用途是通过使模片与PCB之间的热失配应力减至最小而获得合适的可靠性，不需要昂贵的底层填料的材料。

尽管当前的芯片级封装设计改善了电路板的空间利用和易于表面安装组件，但是，这些产品也存在许多缺点。首先，通常难以找到满足低吸湿、低排气和能够承受工业中常用的清洗溶剂等工业要求的合适的弹性体材料。例如，已知硅酮被一些常用的清洗溶剂断损，聚合物材料总是会吸湿和放潮气。如果吸湿太高，那么，在回流温度下这一湿气的快速排放将会引起在元件界面上形成空隙，甚至使封装破裂。例如，湿气可以从带中的聚合物材料中释放出来并陷入到模片附着粘合剂中。当这一陷入的湿气在电路板组件加热操作期间膨胀时则会形成空隙，通常会引起裂纹和封装失败。形成的这种空隙在PCB的回流固定期间可能会特别剧烈。

芯片级封装设计的另一个重要挑战是把弹性体固定到柔性带上的工艺方法。常用的一种方法是检取弹性体衬垫和将其放置在各个位置上，而另一种方法是丝网印刷流体聚合物，接着进行固化。在这两种情况中，都难以满足CSP应用所需的苛刻容限要求。再一种问题是封装的平整度。在典型的CSP设计中，封装平整度(共面性)应小于约1密耳，以保证在回流时所有的焊球与PCB接触，这是很关键的。平整度或共面性的这一水平用常用的软聚合物和弹性体材料是难以实现的。最后，如果模片未与封装的其它部件适当隔离，那么，由于被组装的模片与诸如电路板的基板之间产生的热应力可能会导致焊球接点的过早失效。