[发明专利]一种使用锥面焊盘进行热超声倒装焊的芯片封装方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种芯片互连封装方法，特别是涉及一种使用锥面焊盘进行热超声倒装焊的芯片封装方法。

背景技术

近年来，随着计算机、通讯等电子消费品更新换代的加速，高性能、便携化及低成本成为人们对电子产品的新需求，迫使相关的半导体封装技术朝着小型、轻便、高密度、高可靠性和低成本方向发展。这样，芯片键合难度进一步增大，键合技术成为业界关注的重点。开发高精度、高效率、高可靠性的键合技术成为封装设备制造业的当务之急。而引进国外先进技术、学习并掌握先进键合工艺则是广大科研工作者面临的首要任务。

超声波焊接，另称“键合”，是利用16～120kHz的超声频率的机械振动能量，连接同种或异种金属、半导体、塑料及陶瓷等的一种特殊的焊接方法。超声波焊接现已广泛地应用于集成电路、电容器、超高压变压器屏蔽构件、微电机、电子元器件及电池、塑料零件的封装等生产中。与传统的焊接技术相比，超声波焊接技术具有高速、高效和高自动化等优点，成为半导体封装内互连的基本技术。在批量生产中具有加工工艺重复性好、生产效率高的特点，是一种快速、清洁、应用范围广泛的焊接方法，焊接制品表观状况优良。

在应用超声波焊接的集成电路封装中，有三种方法可以实现芯片的电气互连：引线键合(wire bonding，简称WB)、载带自动键合(tapeautomated bonding，简称TAB)和倒装焊(flip chip technology，简称FC)。引线键合(丝焊)是发展最早和最为成熟的互连方法，引线键合工艺具有操作简单、工艺成熟、成本低、可靠性比较高等优点，但也存在着致命的弱点，就是无法保证用于封装的芯片都是合格的芯片。载带自动焊也是一种比较成熟的方法，载带自动焊是用金属载带代

替管壳，载带既可作为芯片的I/O引线，又可作为芯片的承载体，同样载带自动键合也有其不足之处：封装集成度不如裸芯片引线键合高，载带制作所需要的设备较为复杂、昂贵，因此成本较高。

倒装焊是与引线键合和载带自动键合相似的一种互连技术，是封装面积最小的一种方法，由于倒装焊是在芯片上做凸点，然后将芯片倒扣在基板上，倒装焊的封装面积只是芯片的面积，所以倒装焊是封装密度最大的互连方式。其次，通过在集成电路芯片的输入输出端(I/O)用平面工艺制成焊料凸点焊球将裸芯片面朝下直接贴装在基板(如FR4印刷电路板)上，利用再流焊工艺使芯片焊球和基板焊盘间形成焊点，实现芯片与基板的电热和机械连接。因为省略了芯片和基板间的引线和“器件封装”的这一中间环节，所以倒装焊的焊点路径是最短的，减少了电阻、电感的干扰，具有封装密度高，信号处理速度快，寄生电容电感小，高频性能好等优点，有利于提高信号的传输速度和完整性。此外，凸点倒装焊技术的应用还为集成电路的设计工作提供了方便，不必再将所有的压焊点引出到芯片的四周，而是可以随意放置，这样有利于提高芯片本身的集成度。虽然倒装焊在封装领域中有明显的优势，但其缺点和它的优点同样的明显。首先，在芯片上制作凸点所需的设备、材料的价格较为昂贵，工艺又很复杂，使封装的成本高。其次，倒装焊同丝焊一样存在着无法保证用于封装的芯片都是合格芯片的问题，如何能对做完凸点的芯片进行老化、筛选、考核，从而保证芯片的质量，是倒装焊应首先考虑的问题之一。

为了降低成本，需要研究采用廉价的有机FR4基板下的倒扣焊技术。而FR4的热膨胀系数为16～24ppm/℃，与芯片热膨胀系数相差较大，这样在服役(芯片工作发热，不工作冷却)过程中，芯片和基板间的热膨胀失配就显得十分严重，导致焊点内产生很大的周期性塑性应力及形变，裂缝萌生并扩展，使焊点很快疲劳失效。为了减小芯片和基板之间热膨胀失配，缓解封装体系在芯片服役时产生的热应力热形变，提高焊点的热疲劳寿命，一种底充胶(under fill)的方法已广泛应用于倒装焊技术中。但采用底充胶的方法也有填充困难，或填充不满导致可靠性差等不足之处。

因此，热超声倒装焊仍然存在着很多问题，阻碍了这一新技术的进一步发展。例如，由于在热超声倒装焊这种高效率的封装技术中，一个芯片上一般会利用引线键合机一次性制作十几个甚至几十个凸点，同时在基板上制作相应的焊盘。美国Colorado大学的Tang Qing和Zhang Wenge指出，以往的横向热超声焊接方式存在很大的缺陷，即很难保证同一芯片上所有凸点都焊接合格。由于存在横向，即平行于基板的超声波作用，而待焊凸点又都在同一芯片平面内，故在焊接新凸点的同时，也有可能破坏其他已焊好的凸点，因此焊接合格率不是很理想。

发明内容