CN103094135A

CN103094135A - 倒装芯片的封装方法

Info

Publication number: CN103094135A
Application number: CN2011103400375A
Authority: CN
Inventors: 柯全; 王振兴; 杨杰
Original assignee: 柯全
Priority date: 2011-11-01
Filing date: 2011-11-01
Publication date: 2013-05-08

Abstract

本发明公开了一种倒装芯片的封装方法，倒装芯片的封装方法包括以下步骤：衬底基板与半导体芯片相对设置并一同放入焊接工作区，通过电磁脉冲的方式使衬底基板的第一电极端子和半导体芯片的第二电极端子电连接，具体是利用线圈通电形成的电磁脉冲磁场力挤压衬底基板和半导体芯片，迫使衬底基板上的第一电极端子和半导体芯片的第二电极端子发生相互接触，当压力等于或大于连接端子的塑性变形时，第一电极端子和第二电极端子之间将进行原子级连接或焊接，实现第一电极端子和第二电极端子的电连接。本发明过程简单，焊接工艺中采用的温升很小，对衬底基板和半导体芯片起着保护作用。

Description

倒装芯片的封装方法

技术领域

本发明涉及一种封装方法，特别是涉及一种倒装芯片的封装方法。

背景技术

芯片封装是微传感器、微执行器、微光学系统等电子器件制造的后半工序，其工艺水平直接决定各类电子器件的性能。当前的主要芯片封装方式包括引线键合和倒装焊接方式，而倒装焊接又分为热超声焊接、再流焊接(C4)、热压焊接、环氧树脂导电胶焊接等方式。引线键合工艺简单，然而存在焊接凸点单一，电性能和机械性能不太好等弊端。再流焊接可靠性比较高，而且凸点数量多，但它采用的是Sn/Pb焊料，对环境及人体的保护极为不利。环氧树脂导电胶连接工艺简单，且在低温下焊接，但存在可靠性不好，而且寄生电阻太大等不足。热压连接工艺没有污染问题，效率高，但存在可靠性不好，且焊接条件要求苛刻等缺点。由IBM公司引入的热超声连接工艺是在引线键合的基础上发展而来，它能够解决当前其它各类封装工艺存在的某些缺陷。热超声连接工艺的主要特性是工艺简单，连接效率高，可靠性好，并且是一种无铅的绿色焊接，是当前芯片封装领域中极其具有发展潜力的一种新型工艺。但是焊接过程中压力施加的不均匀性，横向振动焊接时的芯片与基板的平行性、芯片夹持的牢靠性以及焊接的稳定性等因素不可靠，这些因素都制约目前热超声倒装芯片的I/O数量不高，并且没有得到大规模的生产。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种倒装芯片的封装方法，其过程简单，焊接工艺中采用的温升很小，对衬底基板和半导体芯片起着保护作用。

本发明是通过下述技术方案来解决上述技术问题的：一种倒装芯片的封装方法，其特征在于，倒装芯片的封装方法包括以下步骤：衬底基板与半导体芯片相对设置并一同放入焊接工作区，通过电磁脉冲的方式使衬底基板的第一电极端子和半导体芯片的第二电极端子电连接，具体是利用线圈通电形成的电磁脉冲磁场力挤压衬底基板和半导体芯片，迫使衬底基板上的第一电极端子和半导体芯片的第二电极端子发生相互接触和挤压，当压力等于或大于连接端子的塑性变形时，且克服了连接端子的弹性变形的影响时，第一电极端子和第二电极端子之间将进行原子级连接或焊接，实现第一电极端子和第二电极端子的电连接。

优选地，所述倒装芯片的封装方法具体包括以下步骤：半导体芯片背部贴底座放置于底座之中，半导体芯片的第二电极端子朝外，然后将衬底基板的第一电极端子朝向半导体芯片且和半导体芯片的第二电极的相对放置，衬底基板背部放置驱动板，驱动板的外侧放置线圈；线圈瞬时通电，置于线圈空间里的驱动板内产生了强感应电流；这个强感应电流与线圈的强磁场互相作用，产生磁压力；这个瞬间的磁压力通过驱动板传递给衬底基板，足以使衬底基板上的第一电极端子的金属塑性流动，从而使第一电极端子和第二电极端子发生形变并焊接在一起。

优选地，所述倒装芯片的封装方法具体包括以下步骤：衬底基板背部贴底座放置于底座之中，衬底基板的第一电极端子朝外，然后将半导体芯片的第二电极端子朝向衬底基板，并和衬底基板的第一电极的相对放置，半导体芯片背部放置驱动板，驱动板的外侧放置线圈；线圈瞬时通电，置于线圈空间里的驱动板内产生了强感应电流；这个强感应电流与线圈的强磁场互相作用，产生磁压力；这个瞬间的磁压力通过驱动板传递给半导体芯片，足以使半导体芯片上的第二电极端子的金属塑性流动，从而使第一电极端子和第二电极端子发生形变并焊接在一起。

优选地，所述驱动板和底座存在电连接。

优选地，所述述倒装芯片的封装方法具体包括以下步骤：底座设置有第一凸环，第一凸环内部用于放置电极端子相对放置的半导体芯片和衬底基板，驱动板内侧与底座第一凸环相应位置同样设置有相同形状的第二凸环，使第二凸环的内壁和第一凸环的外壁相接触，驱动板的外侧放置线圈；线圈瞬时通电，置于线圈空间里的驱动板内产生了强感应电流；这个强感应电流与线圈的强磁场互相作用，产生磁压力；这个瞬间的磁压力使第一电极端子和第二电极端子发生形变并焊接在一起。

本发明的积极进步效果在于：(1)由于采用芯片直接倒装连接，其端口连接面积增大，从而扩大了I/O数量与连接面积比值；(2)由于其连接介质采用微米级凸点，其寄生电阻和电感很小，增加信号的实时性，适合于各种高频环境；(3)本发明可以在芯片背面上散热，散热条件良好。除此之外，电磁脉冲连接还具有其它独特的优点；(4)焊接工艺过程简单，焊接工艺中采用的温升很小，这对衬底基板和半导体芯片起着保护作用；(5)焊凸点材料允许多种选择，可以选择金凸点，铜凸点或者铝凸点等；(6)对于工件的尺寸公差不敏感，非常适合同一芯片多凸点焊接，进一步提高I/O数量，以及多芯片同时焊接；(7)原子级连接，非常有助于大功率芯片的散热；(8)本发明的连接是一种干燥、清洁、无铅连接，对人体和环境无损害。

附图说明

图1为本发明倒装芯片的封装方法采用各个元件的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图给出本发明较佳实施例，以详细说明本发明的技术方案。

如图1所示，本发明倒装芯片的封装方法包括以下步骤：衬底基板与半导体芯片相对设置并一同放入焊接工作区，通过电磁脉冲的方式使衬底基板的第一电极端子和半导体芯片的第二电极端子电连接，具体是利用线圈通电形成的电磁脉冲磁场力挤压衬底基板和半导体芯片，迫使衬底基板上的第一电极端子和半导体芯片的第二电极端子发生相互接触，当压力等于或大于连接端子的塑性变形(plastic deformation energy)时，且克服了连接端子的弹性变形的影响时，第一电极端子和第二电极端子之间将进行原子级连接或焊接，实现第一电极端子和第二电极端子的电连接。

衬底基板除了一定的强度以外，需要有非常好的韧性；所以选择金属基板最合适，金属基板可以实现多一层的电磁屏蔽。且金属基板和绝缘层、电极端子之间的连接都要有相当好的强度。因此提出，使用铝合金加表面微弧氧化来作为衬底基板。好处在于，铝基底和绝缘层微弧氧化陶瓷是原子级连接，同时微弧氧化陶瓷有非常好的附着性，利于布置电路和电极端子；微弧氧化陶瓷薄于20微米时，导热性良好。

底座6的中心位置有第一凸环5，第一凸环5内部用于放置半导体芯片7，为了便于将来半导体芯片的取出，第一凸环内部设有托盘8，半导体芯片7背部贴底座放置于底座之中，即半导体芯片7朝下放置于托盘8之上，半导体芯片7的第二电极端子9朝外，然后将衬底基板4的第一电极端子13朝向半导体芯片且和半导体芯片7的第二电极9的相对放置，衬底基板4的背部盖上驱动板3，此驱动板中心位置同样设置有第二凸环12，第二凸环的内径和第一凸环的外径相等，使第二凸环的内壁和第一凸环的外壁相接触，且可相对移动。此时，驱动板、第二凸环、第一凸环和底座可以形成一个金属密闭空间，实现一定的电磁屏蔽以减小电磁脉冲对于空间内半导体芯片的损伤。驱动板3的外侧放置线圈2，线圈2的上面盖上紧固盖1，紧固盖和底座之间通过螺栓11和螺母10紧固。线圈瞬时通电，当瞬间(小于100微秒)的大电流(数千安培)通过特制的线圈时，线圈产生了强磁场。置于线圈空间里的驱动板内产生了强感应电流。这个强感应电流与线圈的强磁场互相作用，产生了强大的磁压力。这个瞬间的磁压力通过驱动板传递给衬底基板，足以使衬底基板上的第一电极端子的金属以几乎一个马赫(音速)的速度塑性流动，从而使第一电极端子和第二电极端子发生形变并焊接在一起。连接完成后，撤去紧固盖、线圈和驱动板，托盘顶起已经连接在一起的半导体芯片和衬底基板。

本发明还可以将衬底基板背部贴底座放置于底座之中，衬底基板的第一电极端子朝外，然后将半导体芯片的第二电极端子朝向衬底基板，并和衬底基板的第一电极的相对放置，半导体芯片背部放置驱动板，驱动板的外侧放置线圈；线圈瞬时通电，置于线圈空间里的驱动板内产生了强感应电流；这个强感应电流与线圈的强磁场互相作用，产生磁压力；这个瞬间的磁压力通过驱动板传递给半导体芯片，足以使半导体芯片上的第二电极端子的金属塑性流动，从而使第一电极端子和第二电极端子发生形变并焊接在一起。由于强电磁脉冲若直接作用于芯片会导致芯片的损坏或失效，因此本发明中对于芯片的电磁屏蔽是非常重要的一环，需要在芯片周围设置一个基本密封的金属装置，比如在半导体芯片背部和衬底基板背部设置良导体金属板，同时使两者围绕芯片的部分在不影响相对运动的前提下相互接触，形成一个围绕芯片的金属密闭空间，从而实现电磁屏蔽的目的。在具体的实施中，可以将驱动板(环)和底座作为半导体芯片背部和衬底基板背部的良导体金属板(层)使用，在不影响两者的相对运动的前提下，实现两者的接触，即驱动板和底座存在电连接，以实现电磁屏蔽的功能。

电磁脉冲焊接可以使用圆柱环形线圈和平面线圈，能源效率较高的线圈是圆柱环形线圈，可以将放置于圆柱环形线圈中心的底座制作成等边六边或者八边柱状体，每一个边上设置一个或者多个焊接工位，使用驱动环来实现第一电极端子和第二电极端子的焊接；而为了适应单芯片大尺寸封装，多芯片大规模封装，以及自动化封装，使用平面线圈来进行焊接较为适宜。与平面线圈相对应的是平面底座和驱动板。

电磁脉冲技术(EMPT)可以在不相互接触的情况下对金属进行连接、焊接、成形和切割。EMPT利用电磁感应圈，从一个脉冲发生器中产生出短暂而非常强的电流。感应圈产生出的电磁场，可以瞬间压缩或者膨胀而改变管材的直径。由于管材表面可以短暂带涡电流，因而此技术同样可以处理没有磁性的金属，如铝。电磁脉冲技术(EMPT)可以对金属进行连接、焊接、成形和切割，尤其适合于导电性强的金属管材，如铝、铜、钢等。同样可以压缩或者膨胀不对称的横截面，根据需要进行机械密封、固相焊接、或简单的形状改变。由于其速度非常快，因此产生出的固相焊接的微观结构可以接近于爆炸焊接或者爆炸包覆。

虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这些仅是举例说明，在不背离本发明的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式做出多种变更或修改。因此，本发明的保护范围由所附权利要求书限定。

Claims

1.一种倒装芯片的封装方法，其特征在于，倒装芯片的封装方法包括以下步骤：衬底基板与半导体芯片相对设置并一同放入焊接工作区，通过电磁脉冲的方式使衬底基板的第一电极端子和半导体芯片的第二电极端子电连接，具体是利用线圈通电形成的电磁脉冲磁场力挤压衬底基板和半导体芯片，迫使衬底基板上的第一电极端子和半导体芯片的第二电极端子发生相互接触和挤压，当压力等于或大于连接端子的塑性变形时，且克服了连接端子的弹性变形的影响时，第一电极端子和第二电极端子之间将进行原子级连接或焊接，实现第一电极端子和第二电极端子的电连接。

2.如权利要求1所述的倒装芯片的封装方法，其特征在于，所述倒装芯片的封装方法具体包括以下步骤：半导体芯片背部贴底座放置于底座之中，半导体芯片的第二电极端子朝外，然后将衬底基板的第一电极端子朝向半导体芯片且和半导体芯片的第二电极的相对放置，衬底基板背部放置驱动板，驱动板的外侧放置线圈；线圈瞬时通电，置于线圈空间里的驱动板内产生了强感应电流；这个强感应电流与线圈的强磁场互相作用，产生磁压力；这个瞬间的磁压力通过驱动板传递给衬底基板，足以使衬底基板上的第一电极端子的金属塑性流动，从而使第一电极端子和第二电极端子发生形变并焊接在一起。

3.如权利要求1所述的倒装芯片的封装方法，其特征在于，所述倒装芯片的封装方法具体包括以下步骤：衬底基板背部贴底座放置于底座之中，衬底基板的第一电极端子朝外，然后将半导体芯片的第二电极端子朝向衬底基板，并和衬底基板的第一电极的相对放置，半导体芯片背部放置驱动板，驱动板的外侧放置线圈；线圈瞬时通电，置于线圈空间里的驱动板内产生了强感应电流；这个强感应电流与线圈的强磁场互相作用，产生磁压力；这个瞬间的磁压力通过驱动板传递给半导体芯片，足以使半导体芯片上的第二电极端子的金属塑性流动，从而使第一电极端子和第二电极端子发生形变并焊接在一起。

4.如权利要求2或3所述的倒装芯片的封装方法，其特征在于，所述驱动板和底座存在电连接。

5.如权利要求1所述的倒装芯片的封装方法，其特征在于，所述述倒装芯片的封装方法具体包括以下步骤：底座设置有第一凸环，第一凸环内部用于放置电极端子相对放置的半导体芯片和衬底基板，驱动板内侧与底座第一凸环相应位置同样设置有相同形状的第二凸环，使第二凸环的内壁和第一凸环的外壁相接触，驱动板的外侧放置线圈；线圈瞬时通电，置于线圈空间里的驱动板内产生了强感应电流；这个强感应电流与线圈的强磁场互相作用，产生磁压力；这个瞬间的磁压力使第一电极端子和第二电极端子发生形变并焊接在一起。