半导体封装及其倒装芯片接合法制造技术

半导体芯片和有机基板在湿气含量减少的气氛中通过已进行清洁处理的金突点接合在一起。根据本发明专利技术，使用直径不大于３００μｍ、高度不小于５０μｍ和高度／直径比不低于１／５的金突点以足够高的强度将半导体芯片和有机基板接合在一起，由此减少了应变。（*该技术在2018年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及如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。另一方面，使用金突点和导电树脂的方法在低加热温度和低接合载荷的接合条件下进行压力接合，所以可以减小突点变形地接合；此外，由于在连接工艺中芯片和基板之间预填充树脂之后进行该方法中的压力接合，因此可以装配出无空隙的优良封装。然而，当为导电树脂时，由于吸收湿气引起的立体膨胀使它的导电颗粒的接触状态变差，随着时间的推移阻值增加产生可靠性问题。近来，作为减小封装成本的措施，提出了在晶片阶段进行组装成封装的芯片级封装。为了将封装安装到布线板，经常采用封装通过焊料球突点接合到布线板的封装结构。此时，为了减少封装的安装成本和确保可修理性，重要的是不需要用底填树脂加固焊接部分就可以确保可靠性。为此，需要采用在除焊接部分之外的其它部分中减轻热应变以防止热应变集中在焊接部分中的结构，其中由于硅芯片和布线板的热膨胀系数之间的差异产生热应变。由此，在BGA封装中，通常采用使用有机载体基板的结构。然而，由于载体基板和硅晶片之间的热膨胀差异，晶片状态接合到载体基板在晶片周围的接合区域中产生与晶片尺寸呈正比的大应变。引入的应变的数值正比于接合温度，反比于突点高度。在通过焊料进行的常规接合中，从将封装安装到布线板时耐焊接性的观点来看，封装组件中的焊接温度不可避免地变高，结果增加了应变的量值并降低了焊料强度。由于所述原因，当有关的工件接合后冷却到室温时，产生在晶片周围的焊接区域中引入大应变的问题。另一方面，在使用金突点的接合结构中，根据通过吸收分子的解吸附作用和界面扩散提高接合能力的观点，现有技术中可接合的加热温度为70℃以上。在不高于200℃的低温，金突点大的塑性变形对接合很必要。由此到目前为止，就高宽比(高度/直径比例)而言，压力接合后形状很难增加到1/5以上。特别是在不高于130℃的接合温度，高宽比为1/10以下，相当低。假设接合温度为70℃，可以使用附图说明图19中显示的结构模型如下粗略地计算接合产品的热应变。当晶片尺寸为8英寸时，在硅的热膨胀系数α=3×10-6/K和载带基板的热膨胀系数α=15×10-6/K之间差异的基础上，在晶片周围的突点接合区域中可以证实发生了0.060mm的偏移。所述偏移可以由突点的变形、基板的变形以及硅晶片的变形吸收。此时，可以由应力平衡粗略地计算硅晶片和载体基板占有的应变份额。这些部件的杨氏模量为硅190GPa，金突点88GPa，以及聚酰亚胺基板9GPa。由于截面比值由每个部件的厚度和金突点的空间体积比确定，如果突点的高度假设为H，金突点垂直切力方向中的偏移为Δ，那么在两维模式中，突点拉伸方向中的主要应变(ε)表示为ε=((H2+Δ2)1/2=H)/H，突点高度和主要应变之间的关系由图20中显示的曲线表示。另一方面，金突点的伸长取决于材料，当通本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种半导体封装，特征在于包括： 具有电极端子的半导体芯片； 有机基板，具有连接到所述电极端子的内部连接端子；以及 填充在所述半导体芯片和所述有机基板之间的树脂， 其中所述电极端子和所述内部连接端子通过金突点接合在一起，每个金突点的直径不大于３００μｍ、高度不小于５０μｍ和高度／直径比不低于１／５。

【技术特征摘要】
1．一种半导体封装，特征在于包括具有电极端子的半导体芯片；有机基板，具有连接到所述电极端子的内部连接端子；以及填充在所述半导体芯片和所述有机基板之间的树脂，其中所述电极端子和所述内部连接端子通过金突点接合在一起，每个金突点的直径不大于300μm、高度不小于50μm和高度/直径比不低于1/5。2．根据权利要求1的半导体封装，特征在于就每个突点的拉伸断裂强度而言，它的结合强度不低于30克。3．一种半导体封装，特征在于包括具有多个电极端子的半导体芯片；有机基板，具有多个内部连接端子和多个外部连接端子，所述内部连接端子以与所述电极端子相同的方式两维地排列，并通过金突点连接到电极端子；所述外部连接端子由液相温度不低于190℃的焊料突点构成；以及填充在所述半导体芯片和所述有机基板之间的树脂。4．一种半导体封装，特征在于包括半导体芯片；有机基板，具有多个内部连接端子和多个外部连接端子，它们通过间距不大于400μm的金突点倒装芯片接合到所述半导体芯片上，所述外部连接端子区和所述内部连接端子区通过狭缝彼此分开，所述内部连接端子和所述外部连接端子通过延伸穿过所述狭缝的金属丝相互连接；树脂，填充在所述半导体芯片和所述有机基板之间并覆盖所述布线。5．一种半导体封装，特征在于包括半导体芯片；有机基板，具有大面积排列并以面朝下的方式与所述半导体芯片接合的多个内部连接端子，和大面积排列的多个外部连接端子，所述内部连接端子的区域和所述外部连接端子的区域在突起的表面上相互重叠；填充在所述半导体芯片和所述有机基板之间的树脂。6．根据权利要求5的半导体封装，特征在于一对所述内部连接端子和所述外部连接端子形成在单个铜岛的背面和表面上。7．一种半导体封装，特征在于包括多个半导体芯片，具有电极端子并以不大于1毫米的间隔排列；有机基板，具有通过金突点连接到所述电极端子的多个内部连接端子和由不低于190℃液相温度的焊料突点构成的多个外部连接端子；以及填充在所述半导体芯片和所述有机基板之间的树脂。8．一种用于有机基板和半导体芯片的倒装芯片结合法，特征在于包括以下步骤在半导体芯片的电极端子上形成金突点；在有机载体基板或载带基板的内部连接端子的表面上形成镀金层，对基板一侧接合部分和芯片一侧接合部分的金结合表面进行清洁处理，以使金浓度不低于20at...

【专利技术属性】
技术研发人员：梶原良一，小泉正博，守田俊章，高桥和弥，西村朝雄，坪崎邦宏，
申请(专利权)人：株式会社日立制作所，
类型：发明
国别省市：JP[日本]