采用焊料上加金属帽的芯片在柔性电路载体上实现倒装片连接制造技术

一种将器件或封装直接连接到低成本且具有高可靠性的柔性有机电路载体上的结构和方法。用于连接的ＩＣ芯片上实现了一种新的焊料互连结构。该结构包含一层淀积在高熔点的铅－锡焊料球顶上的纯锡。这些方法、技术和冶金学结构使得能够将任意复杂度的电子器件直接连接到任意基片及任意封装层次结构上。而且，采用其它连接技述的器件或封装，如ＳＭＴ，ＢＧＡ，ＴＢＧＡ等都可以连接到柔性电路载体上。（*该技术在2017年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】
本专利申请与下列专利申请相关美国专利申请系列号No.08/476,475，标题为“METHOD FOR FORMING REFLOWED SOLDER BALL WITHLOW MELTING POINT METAL CAP”，1995年6月7日提出专利申请；美国专利申请系列号No.08/476,474，标题为“REFLOWED SOLDER BALL WITH LOWMELTING POINI METAL CAP”，1995年6月7日提出专利申请；美国专利申请系列号No.08/476,466，标题为“METHOD FOR MAKING DIRECT CHIPATTACH CIRCUIT CARD”，1995年6月7日提专利申请；以及美国专利申请系列号No.08/476,472，标题为“DIRECT CHIP ATTACH CIRCUITCARD”，1995年6月7日提出专利申请，现在，它们已转让给本申请的受让人并把它们所公开的内容作为参考引用至此。本专利技术一般涉及一种改进的节省成本的采用倒装片连接(FCA)技术在柔性电路载体上实现的直接芯片连接(DCA)。更为具体的是，本专利技术中包含一种结构，在该结构中至少一个集成电路芯片可以直接连接到一个柔性基片上。这种直接连接可以采用C4(控制重叠的芯片连接)技术，通过覆盖已回流的焊料球形成一个易熔的焊料混合体来实现的。同时也公开了这种将芯片直接连接到柔性卡上的方法。随着新技术的发展，半导体器件变得越来越小，密度也越来越高。但是，电路密度的提高对于改善芯片与芯片间的连接以保持竞争力也提出了相应的挑战。尽管通过减少工艺的不稳定性使得工艺技术得到了显著的提高，但仅仅改进工艺对于提高半导体产品的成品率和可靠性是不够的。此外，封装工艺一直都没能赶上IC(集成电路)芯片微型化的步伐以提高电路性能。电子产品通常由大量的元件组成。这些元件是按照一种层次结构来进行封装的，其中包含半导体微器件的集成电路(IC)芯片连接到载体上(第一层封装)，这些载体是利用包含一层或几层金属互连线的陶瓷或有机材料的叠层制成的。这些载体上也可能包含一些分立元件诸如电容，电阻等。这种有IC芯片及一些密封和冷却的方法的封装载体就叫做模块。这些模块又连接到由有机材料的叠层制成的，在板的两面都有印刷电路卡(第二层封装)上。然后，这些卡再连接到板上(第三层封装)。许多电子应用，例如，要求复杂功能的计算机CPU，都需要采用这种三级层次结构。要提高目前IC芯片的集成度就需要将第一层、第二层或这两层封装一起消除掉从而实现产品的微型化。例如，在直接访问的存储盘(DASD)中，由一个输入卡上的IC芯片构成的静态区，这个静态区实现的读/写功能通过一个柔性的印制电路板交叉连接到一个动态区，这个动态区由存储器盘组成。为了提高这样一个DASD设备的性能就要求静态区和动态区更紧密地邻接，这就要求将IC芯片直接连接到与盘驱动相连的柔性电路载体上。带式自动键合(TAB)是当前用来将芯片直接连接到柔性电路载体上的最常用的方法，因为它也是实现第一层封装最常用的方法，而且它适合于在柔性基片上进行装配。但是，TAB技术不能充分利用超大规模集成的优越性，超大规模集成不但要求I/O压焊块更紧凑而且要求采用一种阵列形式来安排大量的I/O压焊块。TAB本身是一种第一层封装，因此将芯片装配到柔性电路载体上的TAB方式将使TAB被排除在芯片直接连接技术之外。TAB的另一个缺点是它需要附加的空间来安排引线，这就限制了它将静态区和动态区安排得更加紧凑的能力。使用TAB的另一个限制因素是难以测试和/或老化这些已装配的芯片，这就限制了成品率从而导致产品昂贵。而且另一个缺点是对装配进行修改在经济上是不可行的。这些限制因素使得有必要采用一种类似于C4的技术来实现芯片到电路载体的连接。C4或控制重叠的芯片连接技术已成功地运用于芯片到陶瓷载体上的第一层封装中。许多作者已详细地描述了C4技术，例如，可参阅Rao R.Tummala与Eugene J.Rymaszewski编撰的Microelectronics Packaging handbook366-391页(1989)，这里将通过参考将其公开内容合并至此作为参考。C4互连由两个主要部分组成一个称为(焊料)球限制的金属化(BallLimiting Metallurgy，BLM)的焊料可湿润的压焊块以及一个焊料球。BLM包含一个附着层如铬或钛钨，以及一个焊料可回流层如铜或镍。通过合理地选择BLM材料以及其厚度，可以为互连结构提供良好而可靠的电学、力学和热学的稳定性。C4所采用的焊料最好是一个低百分比(大约百分之二到百分之十)的锡与铅进行熔合。这样的组合用于(i)防止在下一层次的封装互连中已回流的焊料球或C4熔化，(ii)减少BLM中铜与锡之间的反应，因为过度的铜-锡金属间化合所产生的高的应力将传送到下面的钝化层形成一个高的应力集中点，而且，(iii)可以通过低的锡百分比实现更好的热疲劳特性。现在，存在两个问题限制了将目前的C4技术运用到第二层或更高层次的封装，或运用到卡上的芯片直接连接。首先它限制了到针通孔(PTH)技术的互连而且无法采用节省空间的表面封装技术(SMT)，因为它需要采用一个比SMT焊料的熔点更高的连接温度。其次，在这种相对较高的连接温度下(处于约340℃到约380℃之间)将无法采用有机卡材料。有两种方法可以降低DCA的连接温度。一种方法是在卡的金属化部分之上放置一种易熔(或低熔点)的焊料。与该方法相关的一种方法在Legg和Schrottke提出的美国专利No.4,967,950中有所描述，该专利目前已转让给本专利技术的受让人。Legg和Schrottlke描述了利用C4将IC芯片连接到柔性衬底(叠层片)的一种全面的方案。在衬底的接触区用易熔材料的合金给衬底“镀锡”，而焊料球则放在芯片的基面上。预覆盖卡或有机载体的方法是由Fallon等人提出的，相关的专利申请是美国专利申请系列号08/387,686，标题为“Processfor SelectiveApplication of Solder to Circuit Packages，1995年2月13日提交，这里将其公开内容合并至此以作参考。在这个方法中，易熔焊料将被精密电镀到印制版的铜导体上，芯片的C4凸起可以与之接触。另一种在卡或有机载体上预覆盖的方法是由Nishimura提出的，相关的专利申请是美国专利号5,238,176，标题为“Method and apparatus forforming bump”，该专利已转让给本申请的受让人，这里将其公开内容合并至此以作参考。在这个方法中，精确数量的液态易熔焊料通过一个注入头注入到层叠结构的电路卡中铜导体的相应位置上，其中注入头开孔的数目适合于卡上的元件数目。上述方法的应用仅限于刚性衬底。Milkovich等人提出了一种针对柔性衬底的方法，与Legg和Schrot tke提出的在衬底上用易熔合金“镀锡”的方案相吻合。有关的描述见于美国专利申请系列号08/071,630，标题为“Manufacturing Flexible CircuitBoard Assemblies with Common Heat本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种直接将电子器件连接到柔性电路载体的方法，所述方法包含以下步骤：（ａ）在所述的电子器件上放置至少一个回流焊料球，其中所述的回流焊料球上有一层包含至少一种低熔点金属的覆盖以形成一个金属帽，（ｂ）采用至少一种热熔塑胶粘合剂在柔性板的至少一个表面上粘贴上至少一层的至少一种刚性片，（ｃ）在所述的柔性板的至少一个表面上形成至少一层导电金属线，（ｄ）在所述的柔性载体的至少一个部分覆盖至少一种绝缘物质，去掉所述绝缘物质的选定部分并暴露出所述金属线的选定部分，从而形成一个柔性电路载体，（ｅ）涂布易熔焊料膏来覆盖所述柔性电路载体的选定位置，（ｆ）将所述柔性电路载体放置到封装夹具上从而固定该柔性电路载体，（ｇ）在所述柔性电路载体的选定位置涂布至少一种助焊剂，（ｈ）将所述电子器件对准并放置到所述柔性电路载体上，从而使带有金属帽的回流焊料球与所述助焊剂接触，然后通过加热在所述电子器件与所述柔性电路载体之间形成电学连接。

【技术特征摘要】
...

【专利技术属性】
技术研发人员：霍马兹德亚尔M达拉尔，肯尼斯M法龙，格内J高登兹，辛西亚苏姗米尔科维奇，
申请(专利权)人：国际商业机器公司，
类型：发明
国别省市：US[]