專利名稱：一種封裝結(jié)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是有關(guān)于一種半導(dǎo)體芯片的封裝，且特別是有關(guān)于一種倒裝芯片
圭寸裝結(jié)構(gòu)(flip-chip packaging structure)。
背景技術(shù)：
倒裝芯片封裝包括利用導(dǎo)電凸塊而面朝下(意即"翻轉(zhuǎn)")設(shè)置在襯底上 的半導(dǎo)體芯片的直接電性連接，其中襯底例如為陶瓷襯底或電路板。倒裝芯 片技術(shù)很快地便取代了較舊的打線接合技術(shù)，其中打線接合技術(shù)是利用面朝 上的芯片，且利用導(dǎo)線來(lái)將芯片上的焊墊連接至襯底。
圖l示出了一種傳統(tǒng)倒裝芯片封裝的剖面圖，其中該倒裝芯片封裝包括 經(jīng)由焊錫凸塊14接合至封裝襯底12上的半導(dǎo)體芯片10 (在封裝技術(shù)中也稱 為裸片(die))。底部填充物15(Underfill)填充在焊錫凸塊14之間，以保護(hù)焊 錫凸塊14免于破裂。芯片10的背面與散熱片18熱耦合?？衫寐萁z或彈簧 夾鉗(未示出)而將散熱片18固定在印刷電路板(PCB)20上。
在圖1所示的封裝體形成后，但尚未使用前，施加在芯片io上的力僅包 括散熱片18的重量、以及由螺絲或彈簧夾鉗所施加的力。然而，在該封裝體 的應(yīng)用期間，芯片10的溫度會(huì)上升，而可能高達(dá)125°C。受到芯片10與封 裝襯底12的熱膨脹系數(shù)(CTE)間的不匹配的影響，而導(dǎo)致施加在芯片10上 的應(yīng)力增加。 一般而言，芯片10的熱膨脹系數(shù)約為3，而封裝襯底12的熱 膨脹系數(shù)則約為15至17。這么大的熱膨脹系數(shù)的不匹配造成施加在芯片10 的應(yīng)力的增加，而將導(dǎo)致焊錫凸塊14破裂。
應(yīng)力增加的問(wèn)題通?？赏ㄟ^(guò)使用較強(qiáng)的底部填充物15的方式來(lái)加以解 決。然而，在目前的集成制作技術(shù)時(shí)代中，越來(lái)越常使用低介電常數(shù)介電材 料，且所使用的低介電常數(shù)介電材料的介電值也越變?cè)降?。因此，低介電?數(shù)介電材料的強(qiáng)度也越來(lái)越弱。不幸的是，較強(qiáng)的底部填充物15會(huì)導(dǎo)致芯片 10中的低介電常數(shù)介電材料受到較大的應(yīng)力，而造成低介電常數(shù)介電材料層
5產(chǎn)生分層的狀況。
為保護(hù)低介電常數(shù)介電層，底部填充物15較佳是具有低玻璃轉(zhuǎn)換溫度 (Tg)。具有低玻璃轉(zhuǎn)換溫度的底部填充物在相對(duì)低的溫度下會(huì)變軟。當(dāng)芯片
IO的溫度上升，底部填充物15的模數(shù)(Modulus)減少，因此可將施加在低介
電常數(shù)介電材料上的應(yīng)力予以釋放。然而，具較低模數(shù)的低玻璃轉(zhuǎn)換溫度的
底部填充物15所能提供給焊錫凸塊14的保護(hù)將會(huì)降低，而致使焊錫凸塊14 容易破裂，進(jìn)而可能導(dǎo)致開路(OpenCircuit)。在焊錫凸塊14與低介電常數(shù)介 電材料之間互相矛盾的要求下，故需要一種新的封裝結(jié)構(gòu)及其制造方法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題在于提供一種封裝結(jié)構(gòu)，可以同時(shí)保護(hù)焊錫 凸塊與芯片中的低介電常數(shù)介電材料。
為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提出一種封裝結(jié)構(gòu)，包括一襯底； 一芯片， 翻轉(zhuǎn)而接合在襯底上； 一散熱片，位于芯片上；以及一或多個(gè)間隙壁，將散 熱片與襯底分開。
為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明還提出一種封裝結(jié)構(gòu)，包括一封裝襯底，具 有第一側(cè)與第二惻； 一芯片，具有前側(cè)與背側(cè)，其中芯片的前側(cè)翻轉(zhuǎn)而接合 在封裝襯底的第一側(cè)上； 一散熱片，設(shè)置在芯片的背側(cè)上；以及多個(gè)間隙壁， 其中這些間隙壁彼此分開，且每個(gè)間隙壁具有第一端與散熱片接觸、以及第 二端與襯底的第一側(cè)接觸。
為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明又提出一種封裝結(jié)構(gòu)，包括一封裝襯底，具 有第一側(cè)與第二側(cè)； 一芯片，具有前側(cè)與背側(cè)，其中芯片的前側(cè)翻轉(zhuǎn)而接合 在封裝襯底的第一側(cè)上； 一散熱片，設(shè)置在芯片的背側(cè)上； 一熱界面材料 (TIM)，介于且毗鄰在芯片與散熱片之間；以及多個(gè)間隙壁，環(huán)繞芯片，且這 些間隙壁彼此分開，其中每個(gè)間隙壁具有第一端與封裝襯底的第一側(cè)接觸、 以及第二端與散熱片接觸，芯片的每一邊鄰近于這些間隙壁的至少一個(gè)。
通過(guò)利用間隙壁來(lái)分開芯片與散熱片，芯片中產(chǎn)生的熱所造成的應(yīng)力可 為間隙壁所吸收，因此芯片中的低介電常數(shù)介電材料與焊錫凸塊均可同時(shí)獲 得保護(hù)。


為了更完全了解本發(fā)明及其優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)結(jié)合所附附圖而參照以下的描述， 其中
圖1是一種傳統(tǒng)倒裝芯片封裝結(jié)構(gòu)的剖面圖，該倒裝芯片封裝結(jié)構(gòu)包括 封裝襯底、芯片與散熱片；
圖2是本發(fā)明的一實(shí)施例的剖面圖，其中數(shù)個(gè)間隙壁設(shè)置在散熱片與封 裝襯底之間；
圖3A是圖2所示的結(jié)構(gòu)的上視圖，其中數(shù)個(gè)間隙壁散布在散熱片與封 裝襯底之間；
圖3B與圖4是本發(fā)明的替代實(shí)施例的上視圖； 圖5A與圖5B是包括間隙壁環(huán)狀結(jié)構(gòu)的封裝結(jié)構(gòu)； 圖6是包括襯環(huán)與間隙壁的封裝結(jié)構(gòu)。
主要組件符號(hào)說(shuō)明
10:心片12:封裝襯底
14:焊錫凸塊15:底部填充物
18:散熱片20:印刷電路板
30:心片32:封裝襯底
34:焊錫凸塊36:底部填充物
38:散熱片40:熱界面材料層
44:球柵陣列的球46:印刷電路板
48:螺絲50:間隙壁
51:鄰 順53:第二端
54:襯環(huán)m:高度
H2:咼度H3:咼度
Ll:長(zhǎng)度L2:長(zhǎng)度
T:相加厚度△H:高度差
具體實(shí)施例方式
較佳實(shí)施例的制造與應(yīng)用將詳細(xì)討論如下。然而，應(yīng)該了解的一點(diǎn)是，本發(fā)明提供許多可應(yīng)用的創(chuàng)新概念，這些創(chuàng)新概念可在各種特定背景中加以 體現(xiàn)。所討論的特定實(shí)施例僅用以舉例說(shuō)明制造與應(yīng)用本發(fā)明的特定方式， 并非用以限制本發(fā)明的范圍。
本發(fā)明提供一種新的封裝結(jié)構(gòu)及其制造方法。下列將討論較佳實(shí)施例的 各種變化。本發(fā)明內(nèi)所有的各種視圖與示范實(shí)施例中，相同參照號(hào)碼用以標(biāo) 示相同組件。
圖2示出了本發(fā)明的一實(shí)施例。芯片30翻轉(zhuǎn)且透過(guò)數(shù)個(gè)焊錫凸塊34而 接合在封裝襯底32上。芯片30具有集成電路(未示出)形成于其中。芯片30 的內(nèi)連線結(jié)構(gòu)(未示出)較佳是包括介電常數(shù)值低于約3，更佳是介于約2.0與 約3.0之間的低介電常數(shù)介電材料(未示出)。底部填充物36填入芯片30與封 裝襯底32之間的空間。底部填充物36的玻璃轉(zhuǎn)換溫度較佳是低于約120°C， 更佳是低于約8(TC。
散熱片38設(shè)置在芯片30上并與芯片30熱耦合。散熱片38較佳是由金 屬所組成，因而具有高導(dǎo)熱性。在一實(shí)施例中，散熱片38與芯片30是由熱 界面材料層40連接。熱界面材料層40較佳是具有高導(dǎo)熱性，以將芯片30 所產(chǎn)生的熱有效率地消散至散熱片38。熱界面材料層40的材料的示范例子 包括具有導(dǎo)熱填充料，例如氧化鋁及/或氮化硼，的硅樹脂橡膠；或者填充有 導(dǎo)熱材料，例如鋁粉末、鎳、氧化鋁、氧化鐵、氧化鈹及/或銀，的硅樹脂。 在一示范實(shí)施例中，熱界面材料層40的厚度介于約20 ii m與約200 u m之 間。
在一些替代實(shí)施例中，可不采用熱界面材料，而散熱片38是直接與芯片 30的背面接觸。
封裝襯底32包括數(shù)條金屬線(未示出)形成于其中，這些金屬線給定了從 封裝襯底32的一側(cè)至另一側(cè)的電性連接的路徑。焊錫凸塊34電性連接至球 柵陣列(BGA)的球44，而這些球柵陣列的球44進(jìn)一步將封裝襯底32與印刷 電路板46接合在一起。在一實(shí)施例中，散熱片38是透過(guò)螺絲48而固定在印 刷電路板46上。在其它實(shí)施例中，散熱片38是利用其它固定裝置，例如彈 簧夾鉗(未示出)，而固定在印刷電路板46上。
將數(shù)個(gè)間隙壁50設(shè)置在封裝襯底32與散熱片38之間，其中這些間隙壁 50較佳是由非彈性材料所組成。在一實(shí)施例中，間隙壁50是由金屬所組成。在其它實(shí)施例中，間隙壁50是由陶瓷所組成。在又一些其它實(shí)施例中，間隙
壁50是由塑料所組成，且這些塑料的玻璃轉(zhuǎn)換溫度較佳是大于芯片30的工 作溫度范圍，例如大于約125"C。因此，縱使在芯片30啟動(dòng)而溫度上升下， 間隙壁50仍維持堅(jiān)硬狀態(tài)。可利用悍料、粘著環(huán)氧樹脂、粘著膏等等來(lái)將間 隙壁50固定在封裝襯底32上。間隙壁50可替代性地固定在散熱片38上。 間隙壁50具有第一端51與第二端53。第一端51與第二端53中較佳是僅有 一端固定在封裝襯底32與散熱片38的對(duì)應(yīng)一個(gè)上，而另一端則接觸但并不 固定在封裝襯底32與散熱片38的另一個(gè)上。
間隙壁50的高度Hl較佳是大于芯片30與焊錫凸塊34的相加厚度T 一 個(gè)高度差A(yù)H，該高度差A(yù)H例如介于約25um與約125 "m之間。在沒有 設(shè)置熱界面材料層的情況下，高度Hl較佳是實(shí)質(zhì)等于相加厚度T。因此， 間隙壁50的頂端較佳是與散熱片38接觸，而間隙壁50的底端較佳是與封裝 襯底32接觸。
圖3A示出了圖2所示的結(jié)構(gòu)的上視圖，其中該上視圖是沿著水平剖面 線AA'所獲得。間隙壁50較佳是與芯片30及底部填充物36分開。在一實(shí) 施例中，如圖3A所示，間隙壁50包括多個(gè)彼此分隔開的獨(dú)立間隙壁。間隙 壁50較佳是實(shí)質(zhì)均勻地散布而環(huán)繞著芯片30。在圖3A中，間隙壁50分配 在鄰近于芯片30的邊的中央。圖3B示出了一替代實(shí)施例的上視圖，其中間 隙壁50分配在鄰近于芯片30的轉(zhuǎn)角。在替代實(shí)施例中，間隙壁50可具有不 同數(shù)量，例如3、 6、 8個(gè)等。
間隙壁50的長(zhǎng)度Ll較佳是小于芯片30的長(zhǎng)度L2的約50%，如此間隙 壁50不會(huì)對(duì)芯片30的通風(fēng)造成顯著的影響。因此，熱不僅可透過(guò)散熱片38 的上表面散逸，也可經(jīng)由芯片30的邊緣與散熱片38的下表面散逸。
圖4示出了一替代實(shí)施例的上視圖，其中間隙壁50形成一環(huán)狀結(jié)構(gòu)圍繞 住芯片30。在該實(shí)施例中，間隙壁50所形成的環(huán)狀結(jié)構(gòu)的每一邊可形成阻 隔墻，如圖5A所示。在該例子中，間隙壁50所形成的環(huán)狀結(jié)構(gòu)不僅是一間 隙壁環(huán)，也可作為襯環(huán)。替代性地，可對(duì)間隙壁50所形成的環(huán)狀結(jié)構(gòu)進(jìn)行圖 形化，如圖5B所示。在該例子中，間隙壁50所形成的環(huán)狀結(jié)構(gòu)的第一部分 具有高度Hl，其中高度Hl實(shí)質(zhì)等于封裝襯底32與散熱片38(請(qǐng)參照?qǐng)D3A) 之間的距離。間隙壁50所形成的環(huán)狀結(jié)構(gòu)的第二部分具有小于高度H1的高度H2。這樣的間隙壁50結(jié)構(gòu)有其優(yōu)勢(shì)，因?yàn)殚g隙壁50所形成的環(huán)狀結(jié)構(gòu)的 較低部分其本身是一高度H2的環(huán)，而具有防止封裝襯底32翹曲的功能。間 隙壁50所形成的環(huán)狀結(jié)構(gòu)中具高度H1的第一部分可作為防止過(guò)大的力施加 在芯片30與焊錫凸塊34上的間隙壁。此外，在由低導(dǎo)熱性的材料所組成的 間隙壁50環(huán)狀結(jié)構(gòu)的實(shí)施例中，熱仍可經(jīng)由間隙壁50的環(huán)狀結(jié)構(gòu)的第一部 分之間的空間散逸。
在圖6中，間隙壁50結(jié)合襯環(huán)54，其中襯環(huán)54較佳是設(shè)置在間隙壁50 與芯片30之間。為提供較佳的散熱能力，襯環(huán)54的高度H3可低于芯片30 與焊錫凸塊34的相加厚度T。因此，間隙壁50的高度H1大于高度H3。
在下列段落中，簡(jiǎn)短地討論制作本發(fā)明的封裝實(shí)施例的工藝步驟。應(yīng)該 注意的一點(diǎn)是，這些工藝歩驟僅為例子，且本發(fā)明的實(shí)施例的制作可利用不 同順序的工藝步驟。
請(qǐng)?jiān)俅螀⒄請(qǐng)D2，開始封裝工藝時(shí)，先將數(shù)個(gè)間隙壁50裝設(shè)在封裝襯底 32上。若間隙壁50是由一些金屬所組成，間隙壁50可焊接或利用粘著物而 粘附在封裝襯底32上。若間隙壁50是由陶瓷或塑料所組成時(shí)，可利用粘著 環(huán)氧樹脂或粘膠來(lái)粘設(shè)間隙壁50。替代性地，間隙壁50可預(yù)先設(shè)置在散熱 片38上。
接下來(lái)，將焊錫凸塊34設(shè)置在芯片30的接合墊(未示出)上。接著，進(jìn) 行回焊步驟，以將芯片30接合在封裝襯底32上。再將底部填充物36填入芯 片30與封裝襯底32之間的空間中。接著，進(jìn)行處理，以固化底部填充物36。
接下來(lái)，將球柵陣列的球44設(shè)置在封裝襯底32上，再透過(guò)回焊步驟而 將封裝襯底32接合至印刷電路板46上。接著，將熱界面材料層40涂覆在芯 片30的背面上。所涂覆的熱界面材料層40的上表面較佳是高于間隙壁50 的頂端。
接著，將散熱片38設(shè)置在熱界面材料層40上。在施加小小的力道下， 熱界面材料層40的上表面與間隙壁50的頂端等高。若熱界面材料層40是采 用熱塑性材料，則對(duì)熱界面材料層40進(jìn)行處理。因此，散熱片38透過(guò)熱界 面材料層40而與芯片30形成良好的熱接觸。接下來(lái)，設(shè)置螺絲48,以固定 散熱片38。也可替代性地使用彈簧夾鉗(未示出)來(lái)固定散熱片38。
通過(guò)設(shè)置在封裝襯底32與散熱片38之間的間隙壁50，在芯片應(yīng)用所產(chǎn)
10生的熱循環(huán)中，有過(guò)大的應(yīng)力產(chǎn)生時(shí)，間隙壁50可吸收這些過(guò)大應(yīng)力，而使
這些過(guò)大應(yīng)力不會(huì)施加在芯片30與焊錫凸塊34上。如此一來(lái)，焊錫凸塊34 可獲得保護(hù)。因此，底部填充物36可具有低玻璃轉(zhuǎn)換溫度Tg，因而底部填 充物36可隨著溫度的上升而軟化，進(jìn)而吸收可能會(huì)施加在低介電常數(shù)介電材 料層上的應(yīng)力。
當(dāng)然，本發(fā)明還可有其它多種實(shí)施例，在不背離本發(fā)明精神及其實(shí)質(zhì)的 情況下，熟悉本領(lǐng)域的技術(shù)人員當(dāng)可根據(jù)本發(fā)明做出各種相應(yīng)的改變和變形， 但這些相應(yīng)的改變和變形都應(yīng)屬于本發(fā)明所附的權(quán)利要求的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1、一種封裝結(jié)構(gòu)，其特征在于，至少包括一襯底；一芯片，翻轉(zhuǎn)而接合在該襯底上；一散熱片，位于該芯片上；以及一間隙壁，將該散熱片與該襯底分開。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的封裝結(jié)構(gòu)，其特征在于，該間隙壁至少包括--第一端與該散熱片接觸、以及一第二端與該襯底接觸。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的封裝結(jié)構(gòu)，其特征在于，還至少包括多個(gè)額外 間隙壁，其中該間隙壁與所述多個(gè)額外間隙壁均勻地散布而環(huán)繞該芯片。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的封裝結(jié)構(gòu)，其特征在于，該間隙壁是由一非彈 性材料所組成。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的封裝結(jié)構(gòu)，其特征在于，該間隙壁與該芯片分開。
6、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的封裝結(jié)構(gòu)，其特征在于，還至少包括一襯環(huán)包 圍該芯片。
7、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的封裝結(jié)構(gòu)，其特征在于，還至少包括 一印刷電路板，其中該襯底設(shè)置在該印刷電路板上；以及 一固定裝置，將該散熱片固定在該印刷電路板上。
8、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的封裝結(jié)構(gòu)，其特征在于，該間隙壁形成一環(huán)圍 繞該芯片，且其中該間隙壁至少包括一第一端與一第二端，且該第一端與該 散熱片實(shí)體接觸及該第二端與該襯底實(shí)體接觸。
9、 根據(jù)權(quán)利要求8所述的封裝結(jié)構(gòu)，其特征在于，該環(huán)至少包括多個(gè)第 一水平部分以及多個(gè)第二水平部分，且所述多個(gè)第二水平部分以一交替式圖 形配置，其中所述多個(gè)第一水平部分與所述多個(gè)第二水平部分具有不同高度。
10、 一種封裝結(jié)構(gòu)，其特征在于，至少包括 一封裝襯底，具有一第一側(cè)與一第二側(cè)；一芯片，具有一前側(cè)與一背側(cè)，其中該芯片的該前側(cè)翻轉(zhuǎn)而接合在該封 裝襯底的該第一側(cè)上；一散熱片，設(shè)置在該芯片的該背側(cè)上；以及多個(gè)間隙壁，其中所述多個(gè)間隙壁彼此分開，且每一所述間隙壁具有一 第-一端與該散熱片接觸、以及一第二端與該封裝襯底的該第一側(cè)接觸。
11、 根據(jù)權(quán)利要求10所述的封裝結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述多個(gè)間隙壁均 勻地散布而環(huán)繞該芯片。
12、 根據(jù)權(quán)利要求IO所述的封裝結(jié)構(gòu)，其特征在于，還至少包括一熱界 面材料介于且毗鄰在該芯片與該散熱片之間。
13、 根據(jù)權(quán)利要求IO所述的封裝結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述多個(gè)間隙壁是 由非彈性塑料所組成。
14、 根據(jù)權(quán)利要求10所述的封裝結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述多個(gè)間隙壁至 少包括金屬。
15、 根據(jù)權(quán)利要求10所述的封裝結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述多個(gè)間隙壁至 少包括陶瓷。
16、 根據(jù)權(quán)利要求10所述的封裝結(jié)構(gòu)，其特征在于，還至少包括一襯環(huán) 包圍該芯片，其中該襯環(huán)介于該芯片與所述多個(gè)間隙壁之間。
17、 根據(jù)權(quán)利要求10所述的封裝結(jié)構(gòu)，其特征在于，還至少包括 一印刷電路板，其中該封裝襯底的該第二側(cè)設(shè)置在該印刷電路板上；以及一固定裝置，將該散熱片固定在該印刷電路板上。
18、 一種封裝結(jié)構(gòu)，其特征在于，至少包括 一封裝襯底，具有一第一側(cè)與一第二側(cè)；一芯片，具有一前側(cè)與一背側(cè)，其中該芯片的該前側(cè)翻轉(zhuǎn)而接合在該封 裝襯底的該第一側(cè)上；一散熱片，設(shè)置在該芯片的該背側(cè)上；一熱界面材料，介于且毗鄰在該芯片與該散熱片之間；以及 多個(gè)間隙壁，環(huán)繞該芯片，且所述多個(gè)間隙壁彼此分開，其中每一所述 間隙壁具有一第一端與該散熱片接觸、以及一第二端與該封裝襯底的該第一 側(cè)接觸，其中該芯片的每一邊鄰近于所述多個(gè)間隙壁的至少一個(gè)。
19、 根據(jù)權(quán)利要其18所述的封裝結(jié)構(gòu)，其特征在于，每一所述間隙壁的 該第一端固定在該散熱片上，且其中每一所述間隙壁的該第二端與該封裝襯底實(shí)體接觸但并未固定在該封裝襯底上。
20、根據(jù)權(quán)利要求18所述的封裝結(jié)構(gòu)，其特征在于，每一所述間隙壁的 該第一端與該散熱片實(shí)體接觸但并未固定在該散熱片上，且其中每一所述間 隙壁的該第二端固定在該封裝襯底上。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種封裝結(jié)構(gòu)，包含一襯底；一芯片，翻轉(zhuǎn)而接合在襯底上；一散熱片，位于芯片之上；以及一或多個(gè)間隙壁，將散熱片與襯底分開。
文檔編號(hào)H01L23/34GK101425486SQ20081017056
公開日2009年5月6日 申請(qǐng)日期2008年10月21日 優(yōu)先權(quán)日2007年10月30日
發(fā)明者曹佩華, 林亮臣, 牛保剛 申請(qǐng)人:臺(tái)灣積體電路制造股份有限公司