专利名称：内部具有高效率热传输结构的芯片封装的制作方法
技术领域：
本发明的领域是半导体集成电路芯片封装，具体地说是从芯片到封装外壳具有直接热传输通路的半导体芯片封装。
随着半导体芯片的密度和功率指标的提高，对能够散去芯片产生的热量以及能够将产生的热量传输到芯片封装外面的需要增大了。在目前的技术水平下，芯片产生的功率约为50瓦，而将来的要求预计约为200瓦。随着不断的进展，现有封装技术传输所产生的热量同时使局部区域热点尽可能小的能力正受到挑战。
在芯片封装过程中，一个目的将是通过最简单的封装结构来提供最大的热传输。所谓简单是在结构和装配二个方面。
在目前的技术水平下，半导体芯片封装技术涉及到相当多的用于散热的附加结构，这增加了装配过程的复杂性。
一些例子包括使用将热量从集成电路芯片传导到半导体封装外壳的导热液体。导热液体被容纳在芯片与外壳之间的间隙中，并需要附加的结构来容纳液体和保护芯片。美国专利4323914示出了这种技术的一个例子。
使用芯片与外壳之间的机械热连接，通过装配过程中热连接元件的压力而具有永久物理形变。压力对结构特别是对芯片的有害作用以及机械形变结点的热阻，是这种技术要考虑的问题。美国专利5786635示出了一个例子。
使用位于芯片与在装配之后保持在适当位置的外壳之间、定位并支持焊料之类的可熔化的柱的聚合物膜型结构元件。在装配之后保留在外壳下面的结构元件的存在，是这种技术中要考虑的问题。1991年12月的Research Disclosure,No.332示出了一个例子。
使用提供热通路压缩和空气冷却能力的组合成形的金属外壳。1991年1月的Research Disclosure,No.321示出了一个例子。
在本技术中需要无压力的芯片封装技术，它在将热量从芯片传输到外壳和周围环境的过程中具有低的热阻。
本发明提供了一种芯片封装结构原理，其中构成了从芯片表面到外壳的熔化固定的直接热通路。用熔融元件在芯片表面上提供了热通路位置。其上以低热阻连接的形式已经固定了外壳上的热通路位置，此外壳接触到具有长度的高热导率通路元件的末端，使当外壳位于芯片上方时，接触到高热导率元件的芯片与芯片表面上的芯片接触熔融元件相接触。然后执行小的温度偏移和停止，以便熔化熔融元件和高热导率元件的芯片接触末端，从而提供从芯片背面到外壳的低热阻通路。可以淀积所需数量的热通路熔融元件。高热导率元件可以是柱或球之类的合适的形状并选择合适的热导率。选择在低温下具有良好键合性质的熔融元件的材料。借助于热通路的定位以及利用芯片与外壳之间的应力平衡元件，来减轻芯片中发热造成的应力。
图1是芯片表面与外壳之间具有热通路的本发明的一部分半导体芯片封装的剖面图。
图2是芯片表面与外壳之间具有热通路的本发明的一部分半导体芯片封装的透视图。
图3是在对应于芯片中发热位置的结构中，淀积在半导体芯片表面上的熔融元件焊点的示例性结构。
图4是使用一层热通路金属球的半导体封装的剖面图。
图5是图4封装的球到芯片的界面的放大剖面图。
图6是图4封装的热通路到芯片界面的放大剖面图。
图7是本发明的封装的实施例，其中的热通路加入到金属丝键合阵列区内的芯片。
图8是具有作为热通路元件与封装外壳成一整体的金属柱的半导体封装的实施例。
图9是本发明的半导体封装的剖面图，其中具有插入层的二层金属球被用来降低机械应力。
图10是采用被插入层分隔的二层金属球的图9的热传输界面的放大图。
在芯片中的电路密度不断提高的集成电路芯片的封装过程中，即使单个器件的尺寸和功耗很小，总的功耗也达到大致瓦的程度，且芯片的不同区域产生的热量不同。在本发明中，提供了一种芯片封装结构原理，其中构成了从芯片背面到芯片上方的外壳的直接热通路，以便能够得到可以对热点处的额外的热通路的应力进行控制的高的热传输。
结合图1、2和3来总体上描述本发明，其中在图1和2中分别提供了本发明提供的被覆盖的一部分倒装芯片的剖面图和透视图，而在图3中示出了芯片背面上的热传输通路位置布局的例子。
参照图1和2，作为第一例子，示出了被用于倒装芯片型工艺的本发明，其中的芯片1在其正表面3上具有电连接球接触元件2，以球接触2将芯片1支持在衬底5的上表面4上方使之彼此分隔开，衬底5又电连接并支持着管脚6。未示出的导体被衬底5以及球2和管脚6之间的电互连支持。外壳7被置于芯片1和衬底5的装配件上方，并在与表面4相交处被密封。本发明涉及到借助于提供到背面9的熔融的热连接和重复控制芯片1中热点的8a和8b，从而提供从芯片1的表面，此时是背面9，到外壳7的直接低热阻通路8。低热阻通路8具有用作与其余的低热阻通路的熔融界面的背面9上的熔融焊点10。从外壳7的下侧沿通路8到熔融焊点10的距离，由代替图1和2中的8、8a和8b的高热导率元件11的长度构成。高热导率元件11具有以低热阻连接固定到外壳7的下侧的第一末端12。高热导率元件的长度使得当外壳7处于芯片1上方位置时，接触到高热导率元件11的末端13的芯片，与芯片背面9上的芯片接触熔融焊点10相接触。然后执行小的温度偏移并停止，以便将熔融焊点10熔化到高热导率元件11的芯片接触末端13和芯片的背面9，从而提供从芯片1的背面9直接到外壳7的低热阻。可以在芯片1的背面9上淀积所需数量的热通路熔融焊点。高热导率元件11可以是柱或球之类的合适的形状并选择合适的热导率。选择在芯片工作温度下具有良好的键合性质的熔融焊点的材料。借助于热通路的定位，来减轻芯片中发热造成的应力。显然，在或大或小的焊点10的布局中，利用芯片1的背面9上的图3所示的芯片背面上的焊点的不同的尺寸和密度，能够实现提供芯片上的热点到外壳从而到周围环境的热通路的原理。显然，焊点可以被淀积在芯片电子线路可望产生热点的任何数量的位置处。焊点10不必成网格图形，可以改变它们的尺寸以适应半导体芯片1的局部传热要求。它们可以由几层金属组成以增强浸润并阻止扩散。使用了三层熔化到半导体芯片1表面9的第一层可以是诸如钛或铬之类的粘合促进剂，第二层可以是诸如钯或镍之类的一般金属，而作为最外层的第三层可以是金。
在图4-6中，提供了第一例子倒装芯片技术的说明，其中高热导率元件是球和柱。在图中，热通路元件被示为实心，而电连接被示为阴影。
参照图4，用一层前述图的高热导率元件12的金属球示出了封装的剖面图。半导体芯片111被焊料球113倒装芯片键合在衬底112上。衬底112的外部连接是另一组焊料球118。封装的金属外壳115被焊接、铜焊或胶合在衬底112上。金属球121组成的层被焊接或铜焊在金属外壳115的内表面上，并焊接在相当于前述图中的熔融焊点13的位于半导体芯片111背面上的金属焊点131上。在外壳115待要用塑料制成的结构中，金属球121组成的阵列被埋置在塑料外壳之中，并如具有金属外壳那样被焊接到芯片111上的焊点131。
图5示出了图4的金属-球界面的详细结构。由金属或高熔点焊料合金制成的金属球121，首先用焊接或铜焊方法被键合到外壳115的内表面。然后将低熔点焊料合金层125置于金属球121上方。在半导体芯片111的背面上，金属焊点131被诸如铅/锡合金、锡/铟合金、铟之类的另一种低熔点焊料合金126覆盖。在装配操作过程中，带有芯片的封装被加热到层125和126的焊料的熔点。层125、126和131的熔化将使金属球121熔融到半导体芯片111，从而形成前述图的通路11。层125和126将补偿表面粗糙度和平整性引起的芯片表面与金属球之间的任何不规则的间隙。若金属球直接由低熔点焊料合金制成，则能够进一步补偿此间隙。在这种情况下，能够取消焊料层125或甚至层125和126二者。金属球121组成的层提供了半导体芯片111所需的由半导体芯片111与外壳115之间的热膨胀失配引起的应力的释放。
参照图6，示出了用于前述图的通路11的柱。使用柱的主要好处是提供了额外的应力释放，其中能够剪裁柱的高度以降低芯片的机械应力。在图6中，由诸如铜或熔点比较高的焊料合金之类的导热材料制成的金属柱221，通过低熔点焊料合金层225，被焊接到封装215的金属外壳的内表面。半导体芯片211的背面具有被低熔点焊料合金层226覆盖的金属焊点231组成的阵列。在装配过程中，封装被加热到焊料合金226的熔点，这将与柱221熔融，以提供从芯片211到封装外壳215的更有效的热传输通路。作为一种结构性变化，柱221可以与外壳215组合成一片铜或铜钨合金，或者柱221可以由外壳215的突出物阵列构成。
除了用作结合图1-6的第一例子的“倒装芯片”型工艺之外，本发明还可以用于诸如结合图7所示的金属丝键合和图8所示的通过外壳的金属柱之类的其他的工艺。
参照图7，示出了球栅阵列封装外壳的剖面图，其中半导体芯片310被置于衬底312的中心腔311之中，并用本技术众所周知的金属丝键合方法连接到衬底312表面上的未示出的布线。从衬底312到外部的连接是通过焊料球318组成的阵列。金属外壳315被焊接、铜焊或胶合到衬底。金属球321组成的阵列被焊接到外壳315的内表面和半导体芯片311的有源侧333上的金属焊点331。电绝缘但导热的薄膜层332被置于金属焊点331与芯片有源侧333之间，以防止短路。
参照图8，示出了采用与延伸通过并与外壳成一整体的金属柱组成的阵列集成的金属外壳的球栅阵列封装的剖面图。用焊料球413将半导体芯片411倒装芯片键合到衬底412，而外部连接由衬底412另一侧上的焊料球418提供。金属外壳415被焊接、铜焊或胶合在衬底412上，以保护半导体芯片411。金属柱421组成的阵列被冲压通过金属外壳415，借助于冲压通过金属外壳415过程中的形变而各保持夹紧，致使各个金属柱的一端突出到外壳415的外面。柱的位置通常与用于半导体芯片411背面上的前述图中的类型的金属焊点对准。低熔点焊料合金层426覆盖着与金属柱接触的焊点。在封装装配过程中，封装被加热到焊料合金的熔点，并向下压外壳415，直至金属柱421被插入到熔化的焊料合金426中。金属柱421可以通过焊料426与芯片411热接触而不对芯片施加不必要的机械应力。利用模压或烧结方法，可以将金属柱制造成金属外壳的一部分，成为一个整体。金属柱也可以由不同于外壳的材料制成，例如柱由铜制成，而外壳由铜/钨合金制成。
在所讨论的所有封装工艺中，借助于改变热通路材料的直径、长度和材料选取，能够进一步降低对芯片的机械应力。
利用中间有插入层的二层球，能够获得芯片上机械应力的进一步降低。图9示出了这种结构，图10示出了插入层的放大的细节。
参照图9，示出了本技术众所周知的不属于本发明的一种典型的管脚栅阵列封装。此处将其用作例子来说明封装的芯片与外壳之间的二个金属球层的结构。此处所述的想法能够被用于具有一个或多个芯片的任何其它的半导体芯片封装。用工业界普遍采用的焊料球513组成的阵列，将半导体芯片511倒装芯片键合到衬底512。衬底512的外表面具有连接管脚514组成的阵列。金属外壳515被焊接、铜焊或胶合在衬底512上。二层金属球层516和517被键合到插入层518。
图10示出了界面的详细结构。参照图10，插入层518由二个表面层叠有材料层520和521的核心材料层519组成。有将外层520和521连接到一起的导热材料填充的通孔522。通孔522与金属球516和517对准。层520和521以及通孔522的最佳材料是铜。通孔522通过其中延伸的核心层523的材料是殷钢、钼、或热膨胀系数在半导体芯片与封装外壳515之间的其它材料。金属球516和517可以是与半导体芯片511和封装外壳515的材料兼容的任何种类的导热材料。例如可以是铜、铅/锡合金、锡/铟合金、或铟。若采用铜，则要加入另一个低熔点焊料合金层，以便将球熔融到外壳515的内表面和半导体芯片511的上表面525上的金属焊点524。若低熔点焊料合金被用于球，则能够直接将球焊接到外壳515的内表面和半导体芯片511上的金属焊点。金属层520和521上的可选的掩模层527和528，分别可用来各自分隔与结合图3讨论的图形相似的图形中的球516和517。
已经描述的是一种半导体集成芯片封装原理，其中提供了直接从芯片表面位置到外壳从而到周围环境的低热阻通路。
权利要求
1．半导体芯片封装，其中半导体芯片被电连接在外壳下方并邻近外壳的位置中，对所述芯片处所产生的热的传输所做的改善包含至少一个从所述芯片表面到所述外壳的熔融固定的直接热通路。
2．权利要求1的改善，其中所述热通路包括其第一部分固定到所述外壳且其第二部分与熔融元件熔化在所述芯片表面上的高热导率通路元件。
3．权利要求2的改善，其中所述热通路包括至少一种选自球和柱的元件。
4．权利要求3的改善，其中所述选自球和柱的元件由铜制成。
5．权利要求3的改善，其中所述热通路到所述外壳的固定包括至少将所述球和柱之间的低熔点金属淀积并熔融到所述外壳。
6．权利要求3的改善，其中所述热通路到所述外壳的固定包括至少将柱形元件的一端贯穿通过所述外壳。
7．权利要求6的改善，其中所述柱由铜制成，而所述外壳由铜与钨的合金制成。
8．权利要求3的改善，其中所述熔融元件是位于所述芯片表面上的至少一层低熔点金属焊点。
9．权利要求8的改善，其中所述熔融元件是分别从所述芯片的所述表面顺序排列的选自钛和铬的第一层、选自钯和镍的第二层以及金组成的第三层构成的低熔点金属焊点。
10．电子装置中的集成电路芯片封装，其中，绝缘衬底区支持具有热辐射表面的至少一个集成电路芯片并支持外表面暴露于外部环境的外壳元件，该外壳元件的内表面邻近所述集成电路芯片的所述热辐射表面并与之分隔开，热传输改善包含所述集成电路芯片的所述表面上的发热位置与所述外壳元件的所述内表面之间的至少一个高热导率通路。
11．权利要求10的热传输改善，其中所述高热导率通路包括所述集成电路芯片的所述表面上的低熔点金属熔融元件。
12．权利要求11的热传输改善，其中所述高热导率通路包括选自球和柱的元件。
13．权利要求11的热传输改善，其中所述选自球和柱的高热导率通路由铜制成。
14．权利要求11的热传输改善，其中所述集成电路芯片的所述表面上的所述低熔点金属熔融元件是分别从所述芯片的所述表面顺序排列的选自钛和铬的第一层、选自钯和镍的第二层以及金组成的第三层构成的低熔点金属焊点。
15．权利要求14的热传输改善，其中选自球和柱的所述高热导率通路元件到所述外壳的固定包括至少所述通路元件和所述外壳之间的低熔点金属的淀积和熔融。
16．权利要求12的热传输改善，其中所述柱形高热导率通路元件到所述外壳的固定包括至少将所述柱形元件的一端贯穿通过所述外壳。
17．权利要求16的热传输改善，其中所述柱由铜制成，而所述外壳由铜与钨的合金制成。
18．权利要求12的热传输改善，其中所述柱形高热导率通路元件到所述外壳的固定包括所述外壳由模塑的塑料制成，且所述柱形高热导率通路元件被埋置在其中。
19．权利要求16的热传输改善，其中所述柱由高熔点焊料合金制成。
20．权利要求12的热传输改善，其中所述高热导率通路元件由被插入层分隔的二层金属球制成。
全文摘要
一种芯片封装结构原理,用熔融元件在芯片表面上提供了热通路位置。外壳接触高热导率通路元件的末端,熔化熔融元件和高热导率元件的芯片接触末端,从而提供从芯片背面到外壳的直接低热阻通路。可以淀积所需数量的热通路熔融元件。高热导率元件可以是柱或球之类的合适形状并选择合适的热导率。选择在低温下具有良好的键合性质的熔融元件材料。借助于热通路的定位以及利用芯片与外壳之间的应力平衡元件,来减轻发热造成的应力。
文档编号H01L23/36GK1313637SQ01104899
公开日2001年9月19日 申请日期2001年2月28日 优先权日2000年3月13日
发明者劳伦斯·S·莫克 申请人:国际商业机器公司