專利名稱：倒裝封裝中用于提高可靠性的蓋式設計的制作方法
技術領域：
本發明涉及集成電路封裝領域，更具體地，涉及一種倒裝封裝中用于提高可靠性的封裝結構。
背景技術：
在集成電路的封裝中，尤其是倒裝封裝中，翹曲和應力是由不同材料和不同封裝部件之間不匹配的熱膨脹系數(CTEs)產生的。在封裝結構可靠性的改進過程中，翹曲和應力是主要考慮的因素。目前解決翹曲的方法是在封裝部件(如，封裝基板)上接合加強環。金屬蓋也接合至加強環。盡管加強環能夠減少封裝基板的翹曲，但會導致封裝被加強環所限制，并造成封裝部件(如，焊料凸塊和管芯)的表面間應力較高。在可靠性測試中，封裝結構經受多個周期的冷卻和加熱工藝，應力可能導致凸塊開裂，這表明在封裝結構中存在可靠性問題。
發明內容
為了解決現有技術中所存在的問題，根據本發明的一個方面，提供了一種封裝結構包括第一封裝部件；加強環，位于第一封裝部件上方且與其頂面接合；第二封裝部件，位于第一封裝部件上方且與其頂面接合，其中，所述第二封裝部件被所述加強環所圍繞；以及金屬蓋，位于所述加強環上方且與其接合，其中所述金屬蓋包括貫通開口。在該封裝結構中，所述貫通開口位于被所述加強環所圍繞的至少一部分區域的上方且與其垂直重疊，以及所述封裝結構還包括熱界面材料，其中，所述第二封裝部件通過熱界面材料與所述金屬蓋接合，且沒有所述貫通開口位于所述第二封裝部件上方并與其垂直重疊。在該封裝結構中，所述第一封裝部件和所述第二封裝部件選自主要由器件管芯、印刷電路板(PCB)、插入件、封裝基板及其組合組成的組；或者金屬蓋具有平坦的頂面；或者金屬蓋包括多個貫通開口 ；或者在俯視所述封裝結構的情況下，所述金屬蓋的任何點與所述金屬蓋的中性應力中心之間的距離均不大于所述金屬蓋的寬度的一半。在該封裝結構中，所述金屬蓋具有通過去除金屬蓋的角而形成的至少一個貫通開口，且所述至少一個貫通開口與所述加強環的一部分垂直重疊，所述至少一個貫通開口的部分基本上均不延伸至加強環所圍繞的空間的正上方。該封裝結構還包括散熱片，位于所述金屬蓋的上方，其中，所述散熱片包括與所述金屬蓋內的所述貫通開口垂直重疊的貫通開口 ；以及熱界面材料，位于所述散熱片和所述金屬蓋之間且將二者粘接。根據本發明的另一方面，提供了一種封裝結構，包括封裝基板；加強環，位于所述封裝基板上方且與其頂面接合；器件管芯，位于所述封裝基板上方且通過倒裝焊接與其頂面接合，其中，所述器件管芯被所述加強環所圍繞；金屬蓋，具有平坦的頂面，位于所述加強環上方且與其接合，其中，所述金屬蓋由均質材料制成，所述金屬蓋具有多個貫通開口，且基本上沒有所述貫通開口位于器件管芯的上方且與其垂直重疊；以及第一熱界面材料，位于所述器件管芯和所述金屬蓋之間且將二者接合。在該封裝結構中，所述多個貫通開口的中心排列成圍繞所述金屬蓋的一部分的矩形，其中，所述金屬蓋的一部分位于器件管芯的上方且與其垂直重疊；或者在俯視所述封裝結構的情況下，所述金屬蓋的任何點與所述金屬蓋的中性應力中心之間的距中性點距離均不大于所述金屬蓋的寬度的一半；或者所述多個貫通開口中的一個形成在金屬蓋的一角且與所述加強環的一部分垂直重疊，所述多個貫通開口中的一個的部分基本上均不延伸至加強環所圍繞的空間的正上方。該封裝結構還包括散熱片，位于所述金屬蓋上方，其中，所述散熱片包括與所述金屬蓋內的所述多個貫通開口垂直重疊的多個貫通開口 ；以及第二熱界面材料，位于所述散熱片和所述金屬蓋之間且將二者粘接。根據本發明的又一方面，提供了一種方法，包括將器件管芯接合在封裝基板的上方；將加強環接合在所述封裝基板的上方且圍繞所述器件管芯；以及將金屬蓋與所述器件管芯和所述加強環接合，其中，所述金屬蓋具有基本上平坦的頂面，且所述金屬蓋具有貫通開口，由所述加強環所圍繞的空間通過貫通開口露出。
為了更好地了解實施例及其優點，以下描述將結合附圖作為參考，其中圖1是包括具有貫通開口(through-opening)的金屬蓋的封裝結構的橫截面圖；圖2和3是包括其中形成有貫通開口的金屬蓋的封裝結構的俯視圖，其中圖2和3的貫通開口具有不同設計。
具體實施例方式下面，詳細討論本發明各實施例的制造和使用。然而，應該理解，本發明提供了許多可以在各種具體環境中實現的可應用的概念。所討論的具體實施例僅僅示出了制造和使用本發明的具體方式，而不用于限制本發明的范圍。根據實施例提供了一種新型封裝結構。描述了制造各個不同實施例的中間階段。討論了實施例的變型例和操作。貫穿不同附圖以及所描述的實施例，相同的參考標號用于表示相同的元件。圖1示出了根據實施例的封裝結構100的橫截面圖。封裝結構100包括封裝部件10及位于其上方的封裝部件12，封裝部件12接合至封裝部件10的頂面。在實施例中，封裝部件10是封裝基板(由此在下文中另稱為封裝基板10)。金屬連接線/通孔14在封裝部件10中，且將封裝基板10 —側的金屬凸塊16與封裝基板10相對側的金屬凸塊18電連接。金屬凸塊18也可以是球柵陣列(BGA)球狀物，例如，可用于將封裝基板10接合至印刷電路板(PCB，未顯示)。封裝部件10可不具有形成在其中的有源器件(例如，晶體管)，并且其中可能具有，也可能不具有無源器件(未顯示)。在可選實施例中，封裝部件10可能是印刷電路板(PCB)、插入件、器件管芯等。封裝部件12可以是包括有形成在其中的有源器件(未顯示)的器件管芯。可選地，封裝部件12可能是插入件，該插入件包括從插入件的一側到相對側的金屬連接件(未顯示)。在封裝部件12是插入件的實施例中，封裝部件12可不具有其中形成的有源器件(例如，晶體管)，并且其中可能具有，也可能不具有無源器件(未顯示)。此外，當封裝部件12是插入件時，一個或多個器件管芯(未顯示)可能接合至封裝部件12的頂面。在以下討論的示例性實施例中，封裝部件12也可以被稱為器件管芯12。在實施例中，加強環20位于封裝部件10之上，且通過粘合劑22接合至封裝部件10的頂面。加強環20可能由金屬材料構成，但也可能由具有高楊氏模量(Young's module)的材料(例如陶瓷)構成。此外，蓋M位于封裝部件12和/或加強環20上方，且接合至封裝部件12和/或加強環20。蓋M可具有平坦的頂面。蓋M可能整體由均質材料構成，即蓋M的所有部分都由相同材料構成。在實施例中，蓋M是金屬蓋(因此在下文中稱為金屬蓋M)，比如包含銅，但也可以使用其它金屬或合金(例如鋁或鋁合金)。粘合劑沈可以用于將加強環20粘合至金屬蓋M，且熱界面材料(TIM)觀用于將蓋M粘合至封裝部件12。ΤΠΕ8具有高導熱性。因此，器件管芯12中產生的熱量可以散發至金屬蓋M，再向外部環境消散。可有一個或多個器件與封裝部件10接合且被加強環20所圍繞。例如，附加器件(如，無源器件，包括電容器、平衡-不平衡變壓器、器件管芯等(如所示為器件32))可以與封裝部件10接合，也可以被加強環20所圍繞。金屬蓋M內包括一個或多個貫通開口 30。在實施例中，貫通開口 30位于不與器件管芯12垂直重疊的位置。因此，沒有貫通開口 30直接位于ΤΠΕ8之上。可選擇地，散熱片40通過TIM42與金屬蓋對接合。散熱片40內可以包括貫通開口 44。在實施例中，貫通開口 30和貫通開口 44垂直重疊，使得冷空氣可以在空間34和空間34之外的外部環境之間循環，其中空間；34是由封裝基板10、加強環20和金屬蓋M限定的空間。圖2示出了圖1所示的封裝結構的俯視圖，其中圖1所示的橫截面圖是通過圖2中的剖切平面1-1獲得的。在圖2所示的示例性實施例中，如果使用了散熱片40，其可與金屬蓋M重疊，且貫通開口 30和貫通開口 44可能彼此重疊，盡管可以彼此稍有錯位。虛線用來表示加強環20，粘合劑22和粘合劑沈，器件管芯12和ΤΠΕ8的位置。應該意識到，金屬蓋M具有下層材料(例如TIiCS和器件管芯1 不同的熱膨脹系數(CTE)。這種CTE的不匹配使得在封裝部件10，12等內產生的應力。金屬蓋M可以具有中性應力點，例如，在所示實施例中，可以是中心點48 (在俯視圖中)。在中性應力點，應力被各個方向的應力所抵消。因此，處于中性應力點48正下方的各個凸塊(例如圖1中的凸塊16)和其它材料都會受到小的應力，該小的應力可基本上是中性應力(零應力)。施加于封裝部件其它部分的應力與它們和中性應力點之間的距離(稱為距中性點距離(DNP))有關。一般來說，某一點的DNP越大，該點的應力越大。例如，如果金屬蓋M中沒有開口30，那么角點50A的DNPl比50B點的DNP2大，角點50B是金屬蓋24的邊緣點。因此，角點50A處的應力比邊緣點50B處的應力大。此外，如果金屬蓋M中沒有開口 30，那么邊緣點50B的DNP2比內部點50C的DNP3大。因此，邊緣點50B處的應力比內部點50C處的應力大。金屬蓋M的應力也會傳導至下層封裝部件。因此，減小金屬蓋M處的應力會導致下層封裝部件處的應力減小。在實施例中，通過形成貫通開口 30來減小金屬蓋M中的應力。有幾種在金屬蓋中形成貫通開口 30的方法，且貫通開口 30可以被形成在具有顯著降低DNP作用的位置上。例如，貫通開口 30的形成可以使所有從中性應力點48到角點50A的應力路徑都被切斷和縮小。此外，貫通開口 30的形成使得沒有應力路徑等于或大于L/2和W/2，L、W分別是金屬蓋M的長和寬，其中寬W等于或小于長L。通過減小DNP，封裝部件中所產生的應力值降低，部分原因是由于去掉了產生應力的(金屬蓋對的)材料。例如，去除用于貫通開口 30的金屬可以減小應力。圖2和圖3示出了兩個形成貫通開口 30的示例性方案。本領域技術人員可以認識到利用本發明的教導還可以有其它多種形成貫通開口 30的方法。在圖2和圖3中，貫通開口 30可切斷并縮短應力路徑60，應力路徑60沿著從中性應力點48到角點50A的方向延伸。此外，貫通開口30可以切斷并縮短應力路徑62，應力路徑62沿著從中性應力點48到垂直于金屬蓋M邊緣的方向。在圖2所示的示例性實施例中，貫通開口 30的中心(標示為30A)排列成矩形64。在圖3所示的可選實施例中，貫通開口 30的中心(標示為30B)正好處于角部，且可以與加強環20垂直重疊。在圖3所示的實施例中，通過去除金屬蓋M的角部而形成貫通開口 30B。在另一些實施例中，貫通開口 30B的全部或基本上全部與加強環20重疊，且貫通開口 30B的任何一部分均未延伸至由加強環20圍繞的空間34正上方(參見圖1)。由于金屬蓋M中的貫通開30與散熱片40中的貫通開口 44重疊，空氣可以通過貫通開口 30/44循環。因此，器件管芯12產生的熱量既可以通過傳導方式散發，也可以通過對流方式散發。再次參見圖1，對于傳導方式的散熱，器件12產生的熱量通過TIM28，金屬蓋M，TIM42散發至散熱片40。至于對流方式的散熱，空氣進入并離開空間34以帶走空間34內的熱量。這尤其有益于散發由器件32產生的熱量，該熱量并沒有有效的傳導方式散熱途徑。由圖2和圖3所示，可能具有多種設計和制作貫通開口 30的方法。可以在系統的層面考慮對于貫通開口 30的位置和大小的設計，以便選擇有效的方案，且將傳導方式和對流方式散熱的組合效用最大化。此外，貫通開口 30的設計也包含了降低DNP的效果，以便降低封裝部件的整體應力。另外，通過形成貫通開口 30，用于制作金屬蓋M的材料的量會減少。在某些實施例中，可節省材料36%。根據實施例，在封裝結構中，加強環位于第一封裝部件的上方且與其頂面接合。第二封裝部件位于第一封裝部件的上方且與其頂面接合，并由加強環所圍繞。金屬蓋位于加強環的上方并與其接合。該金屬蓋具有貫通開口。根據其它實施例，封裝結構包括封裝基板；加強環，位于封裝基板的上方且與其頂面接合。器件管芯位于封裝基板的上方且通過倒裝焊接與其頂面接合，其中器件管芯被加強環所圍繞。金屬蓋具有平坦的頂面，且處于加強環的上方并與其接合。該金屬蓋由均質材料制成且包括多個貫通開口，其中基本上沒有任何貫通開口位于器件管芯的上方并與其垂直重疊。熱界面材料位于器件管芯和金屬蓋之間并將它們接合。盡管已經詳細地描述了本發明及其優勢，但應該理解，可以在不背離所附權利要求限定的本發明主旨和范圍的情況下，做各種不同的改變，替換和更改。而且，本申請的范圍并不僅限于本說明書中描述的工藝、機器、制造、材料組分、裝置、方法和步驟的特定實施例。作為本領域普通技術人員應理解，通過本發明，現有的或今后開發的用于執行與根據本發明所采用的所述相應實施例基本相同的功能或獲得基本相同結果的工藝、機器、制造，材料組分、裝置、方法或步驟根據本發明可以被使用。因此，所附權利要求應該包括在這樣的工藝、機器、制造、材料組分、裝置、方法或步驟的范圍內。此外，每條權利要求構成單獨的實施例，并且多個權利要求和實施例的組合在本發明的范圍內。
權利要求
1.一種封裝結構包括第一封裝部件；加強環，位于第一封裝部件上方且與其頂面接合；第二封裝部件，位于第一封裝部件上方且與其頂面接合，其中，所述第二封裝部件被所述加強環所圍繞；以及金屬蓋，位于所述加強環上方且與其接合，其中所述金屬蓋包括貫通開口。
2.根據權利要求1所述的封裝結構，其中，所述貫通開口位于被所述加強環所圍繞的至少一部分區域的上方且與其垂直重疊，以及所述封裝結構還包括熱界面材料，其中，所述第二封裝部件通過熱界面材料與所述金屬蓋接合，且沒有所述貫通開口位于所述第二封裝部件上方并與其垂直重疊。
3.根據權利要求1所述的封裝結構，其中，所述第一封裝部件和所述第二封裝部件選自主要由器件管芯、印刷電路板(PCB)、插入件、封裝基板及其組合組成的組；或者金屬蓋具有平坦的頂面；或者金屬蓋包括多個貫通開口 ；或者在俯視所述封裝結構的情況下，所述金屬蓋的任何點與所述金屬蓋的中性應力中心之間的距離均不大于所述金屬蓋的寬度的一半。
4.根據權利要求1所述的封裝結構，其中，所述金屬蓋具有通過去除金屬蓋的角而形成的至少一個貫通開口，且所述至少一個貫通開口與所述加強環的一部分垂直重疊，所述至少一個貫通開口的部分基本上均不延伸至加強環所圍繞的空間的正上方。
5.根據權利要求1所述的封裝結構，還包括散熱片，位于所述金屬蓋的上方，其中，所述散熱片包括與所述金屬蓋內的所述貫通開口垂直重疊的貫通開口 ；以及熱界面材料，位于所述散熱片和所述金屬蓋之間且將二者粘接。
6.一種封裝結構，包括封裝基板；加強環，位于所述封裝基板上方且與其頂面接合；器件管芯，位于所述封裝基板上方且通過倒裝焊接與其頂面接合，其中，所述器件管芯被所述加強環所圍繞；金屬蓋，具有平坦的頂面，位于所述加強環上方且與其接合，其中，所述金屬蓋由均質材料制成，所述金屬蓋具有多個貫通開口，且基本上沒有所述貫通開口位于器件管芯的上方且與其垂直重疊；以及第一熱界面材料，位于所述器件管芯和所述金屬蓋之間且將二者接合。
7.根據權利要求6所述封裝結構，其中，所述多個貫通開口的中心排列成圍繞所述金屬蓋的一部分的矩形，其中，所述金屬蓋的一部分位于器件管芯的上方且與其垂直重疊；或者在俯視所述封裝結構的情況下，所述金屬蓋的任何點與所述金屬蓋的中性應力中心之間的距中性點距離均不大于所述金屬蓋的寬度的一半；或者所述多個貫通開口中的一個形成在金屬蓋的一角且與所述加強環的一部分垂直重疊，所述多個貫通開口中的一個的部分基本上均不延伸至加強環所圍繞的空間的正上方。
8.根據權利要求6所述的封裝結構，還包括散熱片，位于所述金屬蓋上方，其中，所述散熱片包括與所述金屬蓋內的所述多個貫通開口垂直重疊的多個貫通開口 ；以及第二熱界面材料，位于所述散熱片和所述金屬蓋之間且將二者粘接。
9.一種方法，包括將器件管芯接合在封裝基板的上方；將加強環接合在所述封裝基板的上方且圍繞所述器件管芯；以及將金屬蓋與所述器件管芯和所述加強環接合，其中，所述金屬蓋具有基本上平坦的頂面，且所述金屬蓋具有貫通開口，由所述加強環所圍繞的空間通過貫通開口露出。
10.根據權利要求9所述的方法，還包括通過熱界面材料將散熱片與所述金屬蓋接合，其中，所述散熱片包括與所述金屬蓋內的所述貫通開口垂直重疊的貫通開口 ；或者沒有所述金屬蓋中的貫通開口位于所述器件管芯且與其垂直重疊；或者所述金屬蓋通過熱界面材料與所述器件管芯接合，且所述金屬蓋通過粘合劑與所述加強環接合。
全文摘要
在封裝結構中，加強環位于第一封裝部件的上方且與其頂面接合。第二封裝部件位于第一封裝部件的上方且與其頂面接合，且第二封裝部件被加強環所圍繞。金屬蓋位于加強環的上方且與其接合。金屬蓋具有貫通開口。本發明公開了一種倒裝封裝中用于提高可靠性的蓋式設計。
文檔編號H01L23/02GK102593072SQ20111024926
公開日2012年7月18日 申請日期2011年8月26日 優先權日2011年1月14日
發明者張國欽, 林宗澍, 林文益, 林柏堯, 王守怡 申請人:臺灣積體電路制造股份有限公司