[发明专利]半导体封装及其倒装芯片接合法

说明书

本发明涉及如LSI芯片等的半导体芯片安装在由有机材料形成的载体基板结构的半导体封装。

迄今为止，作为通过倒装芯片接合技术将半导体芯片连接到基板的方法，使用焊料突点的方法已公知为C4技术。根据该方法，焊料突点通过阻挡金属形成在芯片一侧铝电极焊盘上，同时焊料润湿性优良的镀金层提供到基板一侧连接端子上，在无助熔剂(fluxless)的非氧化气氛中回流焊料，将芯片接合到基板。当使用的基板为陶瓷基板时，基板用做气密封接，而当为有机基板时，已调节热膨胀系数的树脂-硅化合物填充在芯片和树脂之间，以增强焊接部分的可靠性。

另一方面，作为不使用焊料的金突点/金焊盘倒装芯片接合法，现在已知有热压焊法和热声焊法。热压焊的常规条件包括350℃的加热温度、150到250克/突点的载荷、以及芯片上的突点数量少于50。类似地，热声焊的常规条件包括200℃的加热温度、300克的载荷、芯片上有六个左右的突点。在这两种情况中，使用由陶瓷材料制成的载体基板。在热压焊中，可通过升高加热温度降低载荷，但仍需要150克/突点的载荷。在热声焊中，加热温度减少到200℃，但仍需要高达300克/突点的载荷。通过对在空气中得到有效的金/金接合进行的各种研究的结果发现的这些条件。较低的温度和较低的载荷条件不适用实际的产品装配，是由于接合变得不稳定。在以上提到的两种压力接合法中，金突点的压力接合形状提供了具有厚度为15到25μm和直径为150μm以上为常规尺寸的大部分挤压形的接合部分。

作为常规金突点/金焊盘连接方法，现在已知一种使用导电树脂作为介于其间的粘合剂加热进行压力接合的方法。根据该方法，在芯片和基板之间填充并固化树脂，由此得到预定的长期可靠性。

随着超细布线技术的发展，近期的LSI芯片的集成度变得越来越高，随着芯片上管脚数量的增加或随着芯片的缩小，焊盘间距显著变窄。当将这种芯片安装到封装时，常规的周边焊盘接合技术产生两个问题。即，在TAB和引线键合中，可键合的焊盘间距遇到40μm级别的极限。由于从芯片端子到封装的外部端子的布线不能以最短的路径进行，因此布线电感增加，使信号传输延迟，并降低了处理速度。

根据为解决以上提到问题提出的一个方法，芯片的电极端子排列在芯片的整个表面上。已在常规的大尺寸计算机领域中使用的焊料突点接合法(C4)可以解决以上的两个问题，当应用到半导体封装时，就焊接温度而言存在问题。特别是，在大尺寸计算机中，由于随后分层焊接的需要，使用高熔点焊料(95铅-5锡焊料熔点为300℃)焊接芯片。通常合适的焊接温度约50℃，高于使用的焊料熔点，所以当基板材料不使用陶瓷而是有机材料时，由于基板将会受热老化，所以不可能使用这种高温焊料。如果使用了固相温度在200℃到240℃范围内的焊料，那么将存在以下问题，在将半导体封装安装到布线板的低共熔焊接工艺中封装内的焊接部分的局部再次熔化并由于金属线断裂造成失效。由此，在半导体封装的内部连接中，必须实现耐热不低于250℃的连接，同时在不高于250℃低温接合。

作为适合该要求的接合方法，现已公知使用金突点的倒装芯片接合法。根据所述接合方法，具有高熔点并且接合能力优良的金形成突点形，通过加热或使用超声波在固相进行压力接合，由此产生低接合温度下的耐热接合部分。然而在常规的金突点接合法中，需要每突点300克的大接合载荷，在具有100到2,000个突点的芯片的实际情况中，施加到芯片的载荷达到30到600千克。随后，由挤压工具作用于芯片的局部接合点引起的破片或芯片龟裂导致严重的问题。根据经验，施加到芯片的最大载荷假定在约20到40千克的范围内，所以常规接合方法的实际应用很困难，除非以每突点20克到80克的接合载荷进行高度可靠的接合。如果在常规的热压接合法中升高接合温度，那么可以在低载荷条件下进行可靠的接合。然而，由于基板由有机材料形成，从避免热损伤的观点来看，即使是耐热的聚酰亚胺，加热温度也不能升高到250℃以上，使用环氧树脂不能超过200℃。在能以低加热温度和较低载荷进行可靠接合的热声接合法中，需要高超声能，以得到可靠的接合部分，由此产生超声振荡损坏芯片的问题。此外，热压接合和超声压力接合都在接合后提供了相当大的压扁突点形，所以当由于芯片缩小焊盘间距窄到200μm左右时，产生由于突点变形与相邻焊盘短路的问题。同时，在高约20μm时相邻突点之间的间距变为50μm左右，所以当填充树脂时，易于产生空隙，底填树脂的填充变得很困难，由此产生为封装体后可靠性变差的问题。