提高焊球疲勞壽命的矽島陣列結構及倒裝晶片封裝方法與流程

2023-05-06 01:17:06

本發明涉及半導體器件的製造領域，尤其涉及一種提高焊球疲勞壽命的矽島陣列結構及倒裝晶片封裝方法。
背景技術：
：1961年，ibm公司發明了應用於集成電路(integratedcircuit,ic)晶片封裝的倒裝晶片(flip-chip,fc)技術。fc技術是一種ic晶片有源面向下直接通過焊料與基板或印刷電路板(printedcircuitboard,pcb)互連的封裝形式。與引線鍵合技術和載帶自動鍵合技術等相比，fc技術可以將更多的晶片面積用於互連，而不是僅僅局限於ic晶片四周，極大地提高了i/o數。另外，得益於可控塌陷晶片連接(controlledcollapsechipconnection,c4)技術，fc技術在鍵合過程中具有良好的自對準性。然而，由於晶片材料熱膨脹係數(2.5×10-6/k)和基板材料熱膨脹係數(16～24×10-6/k)之間的差異，在封裝模塊經歷熱循環載荷時，焊球作為層間互連結構會受到交變載荷，容易在與晶片的互連界面或者與pcb的互連界面處發生疲勞失效。具體可以參考圖1至圖3，三圖繪示了採用現有技術的晶片倒裝封裝結構的示意圖，其包括晶片，基板，晶片焊墊，基板焊墊和焊球。其中，晶片焊墊位於晶片的上表面，以將晶片的電極性引出；焊球位於晶片焊墊和基板焊墊之間，通過這種連接關係，將晶片上的電極性通過基板引出。然而在實際應用中，由於晶片和基板的膨脹係數不同，因此，在溫度變化時，焊球很容易發生形變，形變的大小與焊球高度，晶片大小以及基板厚度等因素相關，焊球的形變將導致焊球的疲勞斷裂和電學上的開路或者短路，而造成系統的失效。針對上述問題，本領域技術人員嘗試作了一些努力進行改善，例如，中國發明專利(專利號：zl201210428121.7)公開了一種倒裝晶片封裝方法，包括在一晶片上設置一組焊墊；將一組第一連接結構和一組第二連接結構依次間隔排列設置於所述焊墊之上；將所述晶片倒置於一基板上，所述晶片通過所述第一連接結構和所述第二連接結構與所述基板連接。以通過硬度減小的第一連接結構來承擔由於晶片和基板的熱膨脹係數不同而導致焊球形變的熱應力。然而，這種雙焊球結構實際上會在一定程度上增加焊接結構的不穩定性，並且，第一連接結構與第二連接結構，即兩個焊球之間仍然容易出現應力的集中，在封裝結構經歷熱循環載荷過程中，由於熱膨脹系統不同仍會導致兩個焊球的連接部分應力集中，出現在該連接部分出現連接失效的可能。技術實現要素：針對上述現有技術存在的問題，本發明的目的在於提供一種提高焊球疲勞壽命的矽島陣列結構及倒裝晶片封裝方法。改變傳統技術思路，在不改變焊接連接結構的前提下也可有效避免封裝結構在經歷熱膨脹過程中出現的連接失效問題。從而提高連接結構的疲勞壽命，確保倒裝晶片封裝結構的穩定性。為達上述目的，本發明採取的具體技術方案是：一種提高焊球疲勞壽命的矽島陣列結構，形成於倒裝晶片封裝結構中的集成電路晶片的有源面，包括：若干陣列布置的柱狀或臺狀矽島。進一步地，所述集成電路晶片包括矽襯底，所述柱狀或臺狀矽島通過刻蝕的方式形成於的矽襯底的表面。進一步地，所述刻蝕過程中在所述柱狀或臺狀矽島的周圍形成間隔槽。進一步地，所述間隔槽為方形槽、梯形槽或燕尾槽。進一步地，所述間隔槽的寬度範圍為5μm至50μm，深度範圍為5μm至50μm。一種倒裝晶片封裝結構，包括：具有前述矽島陣列結構的倒置於一基板的集成電路晶片；連接前述基板及集成電路晶片的一組連接結構；各連接結構與所述矽島陣列結構形成對應的陣列分布。進一步地，單個所述連接結構包括設置於一矽島表面的一第一焊墊、設置於基板表面的一第二焊墊及連接第一焊墊與第二焊墊的一連接件。一種倒裝晶片封裝方法，包括以下步驟：1)將集成電路晶片的矽襯底劃分為多個陣列分布的區域；2)通過刻蝕在矽襯底表面各區域的邊緣形成間隔槽，由此在襯底表面形成多個陣列分布的長方體矽島；3)各矽島表面設置連接結構；4)將設置連接結構的矽襯底與基板互連。進一步地，步驟3)中所述連接結構包括：形成於矽島表面的金屬層及互連線；通過植球或表面印刷的方式轉移到矽島表面的焊球。進一步地，步驟4)中設置連接結構的矽襯底通過倒裝鍵合的方式與基板互聯。通過採取上述技術方案，本發明在集成電路晶片布置矽島陣列，以在集成電路晶片-焊球-基板或印刷電路板間因熱膨脹係數差異導致的變形過程中提供變形的空間。從而提高焊球在熱循環載荷條件下的熱機械可靠性，延長其疲勞壽命。附圖說明圖1為
背景技術：
中現有技術的fcob封裝結構的剖面結構示意圖。圖2為
背景技術：
中現有技術的fcob封裝結構的立體結構示意圖。圖3為
背景技術：
中現有技術的fcob封裝結構中晶片有源面俯面立體結構示意圖。圖4為本發明一實施例中倒裝晶片封裝結構的剖面結構示意圖。圖5為本發明一實施例中倒裝晶片封裝結構的立體結構示意圖。圖6為本發明一實施例中倒裝晶片封裝結構中晶片有源面俯面立體結構示意圖。圖7a至圖7i為本發明一實施例中倒裝晶片封裝結構的封裝工藝流程圖。圖8為本發明一實施例中疲勞壽命驗證時間中的熱循環載荷曲線。圖9為本發明一實施例中疲勞壽命驗證時間中的無矽島陣列結構的fcob封裝形式的有限元網格。圖10為本發明一對比例中疲勞壽命驗證時間中的有矽島陣列結構的fcob封裝形式的有限元網格。圖11為本發明一實施例中疲勞壽命驗證時間中的焊球/pcb界面處用於計算非彈性能量密度的層單元.圖12為本發明一實施例中疲勞壽命驗證時間中的平均等效蠕變應變隨時間變化曲線圖。圖13為本發明一實施例中疲勞壽命驗證時間中的平均等效塑性應變隨時間變化曲線圖。具體實施方式下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整的描述。本申請針對矽晶片-焊球-pcb的板上倒裝晶片封裝形式(flip-chiponboard,fcob)，如圖4、圖5和圖6所示，提供了一種位於矽晶片有源面的矽島陣列結構。形成於倒裝晶片封裝結構中的集成電路晶片，包括：若干陣列布置的柱狀或臺狀矽島。矽島形狀柱狀或臺狀，包括但不限於方形柱、圓柱、類圓柱、多邊形柱，圓錐臺、倒錐臺、方錐臺等，考慮加工複雜程度，本實施例優選矽島為方形柱，下文對於實施例的具體描述也參考方形柱的矽島。而採用其他形狀矽島，其形成過程僅存在些許工藝差別。該矽島陣列結構在矽晶片-焊球-pcb間因熱膨脹係數差異導致的變形過程中提供變形的空間，能夠提高焊球在熱循環載荷條件下的熱機械可靠性，從而提高其疲勞壽命。應用倒裝晶片封裝結構，包括：具有前述矽島陣列結構的倒置於一基板的集成電路晶片；連接前述基板及集成電路晶片的一組連接結構；各連接結構與所述矽島陣列結構形成對應的陣列分布。結合附圖，單個連接結構包括設置於一矽島表面的一第一焊墊、設置於基板表面的一第二焊墊及連接第一焊墊與第二焊墊的一連接件。獲得上述封裝結構的倒裝晶片封裝方法，主要包括以下步驟：首先，將集成電路晶片的矽襯底劃分為多個陣列分布的區域；然後，通過刻蝕在矽襯底表面各區域的邊緣形成間隔槽，由此在襯底表面形成多個陣列分布的長方體矽島；再然後，在各矽島表面設置連接結構；最後，將設置連接結構的矽襯底與基板互連。結合圖7a～圖7i，實現封裝的具體工藝流程如下：a)準備矽片或矽襯底，包括劃片分離後的小片、4英寸晶圓、8英寸晶圓或者12英寸晶圓。b)～d)在矽襯底表面進行刻蝕，刻蝕過程中在柱狀或臺狀矽島的周圍形成間隔槽。刻蝕區域，即形成間隔槽的區域深度為5μm～50μm、寬度為5μm～50μm；刻蝕後，矽襯底表面呈長方體陣列狀，這種襯底表面的長方體陣列狀以下統稱為矽島陣列；所形成矽島的具體尺寸、橫向間距和縱向間距的數據變化範圍較大，需根據具體的晶片尺寸和焊球尺寸進行選取。結合附圖，本實施例中，間隔槽為方形槽，在其他實施例中，也可以選用梯形槽或燕尾槽形狀的間隔槽。e)～g)在刻蝕矽島陣列後的矽襯底表面布線，包括焊球對應區域的金屬層及互連線。h)通過植球或者表面印刷等工藝將焊球轉移到矽島區域。i)將帶有焊球的矽襯底通過倒裝鍵合工藝與pcb互連；至此，一種帶有矽島陣列的fcob封裝形式完成。為了驗證矽島陣列結構對焊球疲勞壽命的影響，本申請通過有限元仿真技術，對比有無矽島陣列結構情況下的焊球疲勞壽命，驗證了矽島陣列結構提高焊球疲勞壽命的可行性。有無矽島陣列的fcob封裝形式的有限元模型如圖2和圖5所示。採用六面體網格劃分技術，保證模型之間網格尺寸和網格劃分種子密度等的一致性。模型具體尺寸：基板尺寸：長4mm、寬4mm、高0.8mm；晶片尺寸：長1.705mm、寬1.18mm、高0.498mm；焊球尺寸：焊球半徑0.10mm、焊球高度0.16mm；焊球間距：沿晶片長度方向的間距為0.46mm，沿晶片寬度方向的間距為0.44mm；建模比例為1:1。熱循環載荷曲線(-55℃～125℃)如圖8所示，其中，在最低溫-55℃處保溫10分鐘，在最高溫125℃處保溫15分鐘，升溫過程時長1960秒，降溫過程時長1080秒。基於模型的對稱性，採用四分之一模型計算，網格劃分後的模型如圖9及圖10所示。根據基於應變的coffin-manson模型預測有無矽島陣列結構的fcob封裝形式中的焊球疲勞壽命，該模型如下式所示。其中，nf是預估疲勞壽命；δεp是平均非彈性應變，為平均等效蠕變應變和平均等效塑性應變之和；n是疲勞指數；c是材料係數。在仿真中，取n＝0.853，取c＝9.2，取焊球/pcb界面處的層單元的非彈性應變的平均值為δεp。以無矽島陣列結構的模型為例，闡述計算過程。取圖11中下方標識a所指示區域的層單元，計算其平均等效蠕變應變(ceeq)和平均等效塑性應變(peeq)，結果如表1和表2所示。表1平均等效蠕變應變表2平均等效塑性應變peeqtimepeeqtimepeeqtimepeeqtimepeeqtime000.006511855.630.006744855.630.01097855.630.014710855.60200.006512055.630.006775055.630.01098055.630.014711055.60400.006562255.630.008145255.630.01098255.630.014711255.66.50e-07600.006742455.630.009675455.630.01098455.630.014711455.62.54e-05900.006742655.630.01095655.630.01098655.630.014711655.60.0001921350.006742855.630.01095855.630.01098855.630.014711855.60.000484202.50.006743055.630.01096055.630.01099055.630.014712055.60.000951303.750.006743255.630.01096255.630.01099255.630.014712255.60.00180455.6250.006743455.630.01096455.630.01099455.630.014712455.60.00322655.6250.006743655.630.01096655.630.01099655.630.014712655.60.00477855.6250.006743855.630.01096855.630.01239855.630.014712855.60.006321055.630.006744055.630.01097055.630.013810055.60.014713055.60.006511255.630.006744255.630.01097255.630.014710255.60.014713255.60.006511455.630.006744455.630.01097455.630.014710455.60.014713455.60.006511655.630.006744655.630.01097655.630.014710655.60.014713620根據表1和表2，得到ceeq和peeq隨時間的變化曲線，如圖12及圖13所示。將最後一步循環的ceeq值和peeq值之和作為δεp代入公式(1)，求得疲勞壽命nf為1977次循環。同理，可以求得有矽島陣列結構的fcob封裝形式中焊球的疲勞壽命為2649次循環。綜合以上仿真結果可以得出，矽島陣列結構設計可以大大提高fcob封裝形式中焊球的疲勞壽命。顯然，所描述的實施例僅是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基於本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬於本發明保護的範圍。當前第1頁12