用于超大规模集成电路芯片的柱状焊球重分布封装结构制造技术

本实用新型专利技术涉及一种用于超大规模集成电路芯片的柱状焊球重分布封装结构，包括塑封材料、裸片、介质层、RDL焊盘、焊球、PCB焊盘和PCB基板，其特征在于，所述的焊球为柱状焊球，焊球整体呈圆柱形。本实用新型专利技术的柱状几何结构焊球的重分布封装在热机械可靠性方面得到了提高。

【技术实现步骤摘要】

本技术属于半导体封装领域，主要应用于超大规模集成电路芯片的封装，特别涉及一种柱状几何结构焊球的重分布封装结构。
技术介绍
芯片封装技术正朝着小型化和高集成度的方向发展。经过不断研究，飞思卡尔公司推出了先进的重分布封装技术(redistributedchippackaging,RCP)，它利用重分布层代替了以往的基板、丝焊和倒装焊球技术。与传统的球栅阵列封装技术(BallGridArrayPackage,BGA)相比，集成度大大提高。随着封装小型化和高集成度，芯片封装的热机械失效问题越来越严重，封装技术的热机械可靠问题制约着封装技术的进步。在大部分封装中，热机械失效最常发生在连接封装体和PCB板的焊球上，所以焊球的热机械可靠性直接决定着封装的可靠性。而主流的封装都在使用截球形的焊球，如图2所示，这使得焊球的几何结构对封装热机械可靠性的影响问题在产品的设计和研发阶段被严重忽略，导致封装技术的发展受到阻碍。因此，需要考虑封装技术中焊球的几何结构，以改善封装热机械可靠性的问题。
技术实现思路
本技术提供一种重分布封装结构，以解决重分布封装技术主要使用球形焊球而导致封装热可靠性难以提高的问题。本技术通过焊球的几何结构设计，来减小在使用过程中因器件通电产热和各部分材料的热膨胀系数不同而导致的在焊球上产生的热机械应力、热机械应变和非弹性应变能量密度，从而提高RCP封装的热机械可靠性，增加芯片的使用寿命。技术方案如下：一种用于超大规模集成电路芯片的柱状焊球重分布封装结构，包括塑封材料、裸片、介质层、RDL焊盘、焊球、PCB焊盘和PCB基板，其特征在于，所述的焊球为柱状焊球，焊球整体呈圆柱形。本技术的柱状几何机构焊球的重分布封装克服了常规球状焊球的重分布封装在可靠性方面的的局限，大大提高了重分布封装的热机械可靠性。主要体现在：具有柱状几何机构焊球的重分布封装减小了在使用中由于封装各部件热膨胀系数不匹配导致的热机械应力和热机械应变，还减小了非弹性应变能量在连接封装体和连接PCB焊球表层薄层中的积累，这可以大大延长焊球的疲劳寿命，提高封装的可靠性；由于柱状几何结构的焊球适应应力产生形变的性能比同材料的球状焊球好，所以柱状焊球可以更好的缓解芯片在高温焊接过程中产生的翘曲现象的影响，从而提高芯片的板级可靠性；还由于柱状微结构的焊球相对于同等大小开口的截球形焊球，体积要小的多，所以所需焊料也要少的多，这间接的减小了封装的成本。附图说明图1柱状几何结构焊球的RCP封装结构图2球状焊球的几何结构图3柱状焊球的几何结构图4柱状焊球RCP封装的纵向结构图5所构建的四分之一模型的俯视图图6柱状焊球RCP封装中非弹性应变能量密度在焊球上的总体分布图图7柱状焊球RCP封装中非弹性应变能量密度在焊球上分布的俯视图图8柱状焊球RCP封装中非弹性应变能量密度在焊球上分布的仰视图附图标记说明：1是塑封材料；2是裸片(硅片)；3是介质层；4是RDL焊盘；5是焊球；6是PCB焊盘；7是PCB基板；R是焊球开口的半径；H是焊球的高度。具体实施方式下面结合附图和实施例对本技术进行说明。常规重分布封装技术流程为：首先，把裸片有源面向下放置于基板上，并用环氧树脂封装；然后去除掉基板材料；重分布过程，即重新排布信号线、电源线和地线；之后植入球形焊球；最后切割开程单独的芯片。为了与常规重分布封装流程相契合，需要根据原有的球形焊球的相关尺寸参数来设计和制造相应尺寸的柱状焊球。柱状焊球的焊球开口大小，即焊球开口的半径R和焊球的高度H与要与常规流程中原球状焊球的焊球开口大小和高度保持一致，焊球整体程柱状，这样柱状焊球才能与原重分布封装流程契合。在植球过程中把柱状焊球焊球植入到焊盘上，最后实际应用时再采用合适的焊接技术把芯片焊接到PCB板上。本技术的结构如图1、图3和图4所示，图1为总体效果图，图3为焊球的几何结构，图4为整体纵向结构。本结构从上到下包括塑封材料1、裸片(硅片)2、由介质层3和RDL焊盘4构成的重分布层、SAC焊球5、PCB焊盘6和PCB基板7。其中，塑封材料把裸片包裹在其中，对硅片有保护作用；塑封材料尽可能的薄，可以增加其导热能力，减小其热阻；塑封面积比裸片面积大，额外的面积下方，有介质层和信号线构成的扇出区域，完成电源和限号线的重分布功能；焊球通过RDL焊盘与重分布层连接，通过PCB焊盘与PCB基板连接。焊球选用SAC305柱状焊球，这是无铅焊锡球，对环境危害小；柱状的焊球形状相对于球状焊球，具有较小的焊球体积，大大节省焊球的成本。在植球和焊接过程中，要选用合适的焊膏和温度，并采用合适的焊接技术，严格保证焊球的柱状形状不改变，才能发挥本技术的优势。为验证柱状焊球的RCP封装结构相对于球状焊球具有更佳的热机械可靠性，对图1的结构分析，考虑到封装的对称性，分别建立柱状焊球和球状焊球RCP封装的四分之一有限元模型，如图4和图5所示，图4显示了封装纵向结构，图5的俯视图显示了封装各部件的相对大小，硅片为2×2×0.3mm3，位于内层16个焊球的上方，外层的焊球上方是扇出区域，图2中球状焊球的焊球开口半径R、焊球高度H和图3中柱状焊球的开口半径R、焊球高度H保持相同,开口半径R为0.13mm，焊球高度为0.24mm，焊球节距为0.5mm。仿真其在三次-40℃-125℃热循环的条件下焊球关键点处表面薄层中非弹性应变能量密度的大小，来表征封装的可靠性。非弹性应变能量密度越小其热机械可靠性就越好。柱状焊球RCP封装的仿真结果如图6、图7和图8所示，图6为柱状焊球上非弹性应变能量密度总体分布；图7是俯视图，可知对于焊球与封装体连接的上表面来说，硅片下方的角部焊球的上表面薄层中的非弹性应变能量密度值最大；图8是仰视图，可以知对于焊球与PCB板连接的下表面来说，封装整体角部焊球的下表面薄层中的非弹性应变能量密度值最大。球状焊球的RCP封装四分之一模型与柱状焊球RCP封装四分之一模型仿真结果一致。故硅片下方角部焊球和封装整体角部焊球是重分布封装的两个关键点焊球，而硅片下方角部焊球上表面薄层中非弹性应变能量密度值和封装整体角部焊球的下表面薄层中的非弹性应变能量密度值是表征RCP封装的两个关键参数。两种结构模型仿真所得两个关键点焊球表面薄层中的非弹性能量密度值如表1所示，柱状焊球RCP结构在硅片下方焊球上表面薄层中非弹性能量密度较之球状焊球RCP封装结构减小了约28.3％，封装整体角部焊球下表面薄层中非弹性能量密度较之球状焊球RCP封装结构减小了约33.3％。这表明，焊球的几何结构从常规的球状改变为柱状，RCP封装的热机械可靠性得到了提高，芯片寿命相应的增加。表1常规球状焊球和柱状焊球的RCP封装关键点焊球上表面薄层处平均非弹性应变能量密度值。本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于超大规模集成电路芯片的柱状焊球重分布封装结构，包括塑封材料、裸片、介质层、RDL焊盘、焊球、PCB焊盘和PCB基板，其特征在于，所述的焊球为柱状焊球，焊球整体呈圆柱形。

【技术特征摘要】
1.一种用于超大规模集成电路芯片的柱状焊球重分布封装结构，包括塑封材料、裸片、介质层、RD...

【专利技术属性】
技术研发人员：肖夏，曹一凡，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：新型
国别省市：天津;12