專利名稱:用于陶瓷mcm c4保護的新穎的可再加工的底部填充的制作方法
技術領域:
本發(fā)明涉及包含電子器件的芯片,并且特別地涉及多芯片陶瓷模塊 (MCM),所述MCM包含通過焊料凸起電連接到基底的多個芯片,使 用可再加工的組合物來底部填充芯片,該可再加工的組合物允許從模塊去 除或替換一個或多個芯片。
背景技術:
例如多芯片陶瓷模塊(MCM)的電子部件是用于許多高端計算機服 務器和主框架的關鍵部件。MCM特別重要,因為它們包含在基底上的許 多芯片。然而,如果芯片之一由于電問題而有缺陷,則必須替換它。在沒 有能力替換芯片的情況下,通常稱為芯片的在加工,MCM的成本變得可 以抑制??煽靥酒B接是國際商業(yè)機器公司(IBM)所開發(fā)的作為布線接 合的替代物的互連技術。該技術通常稱為C4技術或倒裝芯片封裝。廣泛 而言,將一個或多個集成電路芯片安裝在單或多層基底之上,并且每個芯 片上的襯墊通過例如焊料凸起的多個電連接而電連接到基底上對應的襯 墊??梢酝ㄟ^焊料凸起陣列例如10x10陣列將集成電路芯片裝配在基底上。 然后,典型地通過插頭(phi)連接器將芯片凸起的基底電連接到另一電子 裝置例如電路板,在電子裝置例如計算機中使用整個封裝。在美國專利No.5,191,404中描述了倒裝芯片封裝,通過引用將其結合 于此。 一般地,倒裝芯片接合是許多應用所需要的,因為將芯片接合到基 底所需要的足印(footprint)或面積等于芯片自身的面積。倒裝芯片接合 還開發(fā)了相對小的焊料凸起,其典型地測量約lmil至1.5mil的高度和約2至4mil寬度以將芯片上的襯墊接合到基底上對應的襯墊。通過在升高的溫 度下回流以同時形成電和機械互連。C4接合方法是自對準的,因為焊料的 濕潤作用將芯片的凸起圖形對準對應的基底襯墊。該作用補償了在芯片設 置期間可以發(fā)生的達到幾個mil的芯片到襯底的未對準。在接合的倒裝芯片封裝中,由每個表面上的襯墊的厚度和村墊之間的 焊料凸起連接而產(chǎn)生的在集成電路芯片的包含襯墊的表面與接合的基底的 包含襯墊的表面之間的開口或空間是必須的。該開口空間不能被容忍,因 為對焊料凸起連接的任何干擾都將不利地影響封裝的性能。例如,來自于 腐蝕性環(huán)境或來自用于增加從芯片的熱傳導的熱糊的注入的濕氣、移動離 子、酸或堿種(species)、以及歸因于焊料凸起電連接的可能的損壞的芯 片的機械完整性都是嚴重的問題。為了解決這些問題,典型地使用各種類 型的材料例如液體完全封裝接合的集成電路芯片和基底的焊料凸起,并且 圍繞芯片邊緣使用這樣的密封劑以密封接合的開口 。倒裝芯片接合在電子制造中提供了許多優(yōu)點,最重要的一個是能夠去 除或替換芯片而不毀壞基底和相鄰的芯片。通過加熱和從基底提升芯片來 去除芯片并且典型地使用新芯片來替換被稱為再加工,并且可以進行多次 上述過程而不會劣化再加工的電子組件的質(zhì)量或可靠性。然而,倒裝芯片封裝的密封存在再加工和其他問題。倒裝芯片封裝必 須是可靠的,并且必須最小化密封劑、芯片、基底和/或焊料凸起之間的熱 機械失配以避免封裝特別是焊接互連的應力和損壞。密封還必須能夠#> 熱并被軟化,或者優(yōu)選地在用于剝離(再加工)工序的例如二甲苯的溶劑 中是可溶解的。密封接合到基底表面的單芯片之間的空間的常規(guī)底部填充方法典型地 將底部填充材料施加到將被底部填充的芯片的周邊。毛細作用將底部填充填充空間。歷史上,存在兩種MCM密封來保護芯片不受損害,即,氣密 (hermetic )密封和非氣密密封以防止?jié)駳鉂B入和移動離子進入到芯片連接。根據(jù)金屬等溫內(nèi)擴散機制形成大多數(shù)氣密密封例如c環(huán)密封。非氣密密封還被稱為無氣密性可靠性(RWOH),使用基于聚合物的復合材料以 形成非氣密密封帶。與氣密密封相比,非氣密密封對濕氣進入和移動離子 滲入提供了較少的保護。因此,非氣密密封的MCM在實際應用期間當暴 露到溫度和潮濕環(huán)境中時示出了各種水平的C4侵蝕。然而,在不考慮典型密封的情況下,必須底部填充芯片,并且理想的 可再加工的底部填充(RUF)應該具有幾個關鍵特性例如可再加工、低才莫 數(shù)、熱穩(wěn)定性,不干擾周圍材料例如熱糊、與用于密封MCM的密封帶或 C-環(huán)是兼容的,并是環(huán)境安全的。而且,RUF應該在中性溶液中是可再加 工的,以防止對C4互連的任何化學攻擊;具有引入熱機械應力的低深熱 循環(huán);在125X:下1000小時是熱和化學穩(wěn)定的;以及提供足夠的保護來防止?jié)駳?、C02侵入和羧酸滲入。發(fā)明內(nèi)容牢記現(xiàn)有技術的問題和缺陷,因而,本發(fā)明的目的是提供一種可再加 工的底部填充和/或壩(dam )(周邊密封)組合物用于保護MCM C4/焊 料互連不被侵蝕并用于制造包含例如MCM的部件的芯片。本發(fā)明的另 一 目的是提供一種用于使用可再加工的底部填充和/或壩 組合物來底部填充芯片和/或在例如MCM的電子部件上形成壩(周圍密 封)的方法。通過說明,本發(fā)明的又一目的和優(yōu)點將部分地明顯或顯而易見。在本發(fā)明中可以實現(xiàn)將對本領域的技術人員顯而易見的上述和其他目的,本發(fā)明涉及用于例如陶瓷MCM的C4連接保護的可再加工的底部填充和/或壩組合物,其包括包含非反應基團的非交聯(lián)性或低交聯(lián)性基礎樹脂,例如聚二甲基硅氧坑;直鏈交聯(lián)性成分優(yōu)選具有反應端基團的直鏈或支鏈的反應硅氧烷,例如乙烯基封端的聚二曱基硅氧烷和/或氫封端的聚二甲基硅氧烷;用于例如乙烯基封端的聚二甲M氧烷和/或氫封端的聚二甲基硅氧烷的反應硅氧烷的催化劑,所述催化劑優(yōu)選環(huán)乙烯基硅氧烷中的Pt;以及可選的填充物,例如硅烷處理的填充物優(yōu)選硅石。上述硅樹脂系統(tǒng)是優(yōu)選的可施加的材料系統(tǒng)。下面進一 步描述其他系 統(tǒng),但是為了便利和其論證的有效性,下面的描述將涉及硅樹脂系統(tǒng)。本發(fā)明的另 一方面提供了 一種底部填充和/或形成用于陶瓷MCM和其 具有C4焊料連接的電子部件的壩的方法,包括以下步驟提供例如具有C4焊料連接的陶瓷MCM的基底;使用可再加工的底部填充組合物來底部填充所述接合的芯片和/或在 所述芯片周圍形成壩,所述可再加工的底部填充組合物包括包含非反應基團的非交聯(lián)性或低交聯(lián)性基礎樹脂,例如聚二甲基硅氧烷;直鏈交聯(lián)性成分優(yōu)選具有反應端基團的直鏈或支鏈的反應硅氧 烷,例如乙烯基封端的聚二甲^氧烷和/或氫封端的聚二曱M氧烷;用于例如乙烯基封端的聚二甲基硅氧烷和/或氫封端的聚二曱基 硅氧烷的反應硅氧烷的催化劑,所述催化劑優(yōu)選環(huán)乙烯基珪氧烷中的Pt;以 及可選的填充物,例如硅烷處理的填充物優(yōu)選珪石; 固化所述底部填充和/或筑壩的MCM;以及如果需要,這樣再加工所迷底部填充的電子部件去除所述底部填充 組合物和/或壩組合物,將所迷芯片從MCM分離,并通過將芯片結合到所芯片。
所附權利要求具體闡述了凈皮i人為新穎的本發(fā)明的特征和本發(fā)明的部件 特性。附圖僅僅用于示例的目的而未按比例繪制。然而,可以參考詳細的 描述并結合附圖來最好地理解關于組織和操作方法的本發(fā)明本身,其中圖1是MCM電子部件的平面圖;8圖2是圖1的MCM的局部視圖,其包括集成電路芯片,該集成芯片 包含襯墊和焊料凸起,該芯片將被電連接到互連基底上的對應襯墊;以及圖3是在將芯片接合到基底上之后沿著圖2的線3-3取得的截面視圖, 示出了使用底部填充和壩組合物密封芯片和基底電互連。
具體實施方式
在描述本發(fā)明的優(yōu)選實施例時,在此參考附圖的圖1-3,其中相似的 標號表示本發(fā)明的相似的特征。主題發(fā)明提供了可再加工的底部填充和壩組合物優(yōu)選基于珪樹脂的軟 的可再加工的底部填充組合物(S-RUF),其具有優(yōu)良的芯片保護特性和 再加工特征。底部填充組合物可以在室溫下的二甲苯中去除;模數(shù)與100cSt 一樣低;在180。C以上是熱穩(wěn)定的;與ATC礦物油沒有化學作用;以及環(huán) 境保護PbSnC4。更重要地,過簡單地將模塊浸泡在室溫二甲苯、IPA或 酮中,二甲苯是優(yōu)選的,或使用上述溶劑來旋噴,可以有效地從50-60微l 米的微米級C4間隙去除可再加工類型的底部填充。用作RUF的基礎樹脂的有機的或聚合材料是非反應性的(非交聯(lián)性 的)并包括但不局限于沒有或具有低的交聯(lián)性能的聚硅氧烷例如優(yōu)選的直 鏈聚二甲基硅氧烷、聚氨基甲酸酯、礦物油、聚丙烯酸鹽(polyacrylate)、 聚丙烯酸酯、CTBN(羧基封端的丁二烯-丙烯腈)改性的聚酯、聚苯乙烯、 異戊二烯、環(huán)氧改性的硅氧烷等?;A樹脂用于形成用于可固化聚合物的 基體(matrix),該可固化聚合物反應形成在基礎樹脂基體中嵌入的交聯(lián) 聚合物。非反應性意思為基礎樹脂在正常的交聯(lián)條件下是非交聯(lián)性的,例 如基礎樹脂不包含反應基團例如乙烯基、H、羥基、羧酸等,但卻包含非 反應基團例如甲基、乙荃、苯曱基、異丙基等。RUF組合物還包括至少一個并且優(yōu)選兩個直鏈交聯(lián)性的(可固化或反 應的)成分,例如乙烯基封端的直鏈或支鏈的硅氧烷和氫封端的直鏈或支 鏈的硅氧烷??晒袒钠渌木酆衔锖蛦误w成分包括酯封端的和碳環(huán)形酐 封端的、或乙烯基封端的直鏈或支鏈的烷烴;非環(huán)式或丙烯酸酯;酯、氰基、酐、酰胺、乙烯基、封端的CTBN、脂族(alphatic)或芳族的酐、聚 酰胺、聚酰亞胺、聚氨基甲酸酯等。
可固化的催化劑,優(yōu)選使用在環(huán)乙烯M氧烷中的Pt來固化交聯(lián)性的 聚合物。H2PtC16、 Pt(C6H5)2、 ZnO等,還優(yōu)選用于硅樹脂系統(tǒng)的無 才幾催化劑。過氧化物、胺和金屬螯合物例如Co (AcAc) 2還可以用作環(huán) 氧、丙烯酸、聚氨基甲酸酯和聚苯乙烯基礎樹脂系統(tǒng)中的催化劑。
物,使用該壩組合物用于圍繞底部填充的芯片(周邊),但是填充物還可 以用在底部填充組合物中。氮化硼、碳纖維、納米珪石、納米碳管、氧化
鋁等和非導電填充物同樣適用于該應用。
使用用于芯片接合的任何方法來制造MCM或任何其他的電子部件。 后芯片接合和測試,使用本發(fā)明的組合物來底部填充和/或筑壩芯片。
是底部填充和/或壩固化,模塊通過標準裝配和測試。如果需要再加工,則 分解模塊,去除密封劑和底部填充、替換缺陷芯片、重新底部填充新的芯 片并重新裝配模塊。
在其間沒有保護絕緣材料的情況下,在偏置的情況下,當將包含鉛或 無鉛的C4互連(焊料)暴露于濕氣、移動離子時,很可能會發(fā)生電化學 引起的化學腐蝕。如果存在外來的(alien)腐蝕化學種例如已二酸、硬脂 酸和在ATC糊熱退化期間形成的其他類型的有機酸和/或電化學腐蝕可以 極大地被加速。因而,為了保持濕氣、移動離子以及外來的羧酸低于引起 腐蝕的水平,需要保護性材料底部填充C4連接。
更重要地,作為工藝技術繼續(xù)收縮,引起單粒子翻轉(zhuǎn)(SEU)所要求 的臨界電荷比存儲單元中的電荷收集區(qū)域減小得快。因此,在使用較小的 幾何圖形例如90nm的情況下,更關注軟錯誤。
在工藝級,使用較純的封裝材料可以降低a發(fā)射。然而,需要極大的 努力來減少用于當前玻璃陶瓷(GC)原材料的放射性元素水平。GC制造 方法例如球磨機和內(nèi)部陶瓷漿配方,和頂表面冶金(TSM) C4鍍敷^艮可 能會引入a粒子。因此,需要高純度低a粒子底部填充以保護C4芯片不被Ct粒子輻射損壞。
為了滿足上述所有要求,可再加工的底部填充是高端MCM的最容易 且最低成本的解決方案。
參考圖1, MCM電子部件的平面圖被示為附圖標記IO。在基底15上 示出了芯片Ua-lli,并且通過C4連接將芯片電連接到基底。
現(xiàn)在參考圖2和圖3,示出電子部件10的集成電路芯片lib和互連基 底15。示出了集成電路芯片11b具有在焊料凸起13之上的導電襯墊12。 示出了在基底15上的對應的導電襯墊14。參考圖3,圖示了電子部件IO 的截面圖,其中集成電路芯片Ub被焊料連接到互連基底15。通過例如焊 料凸起的多個焊料連接13,使用C4或倒裝芯片封裝將芯片llb電連接到 基底15?;?5的下表面可以包含連接器例如插頭連接器23以便將基底 15連接到另一電子裝置例如電路板。
通過示出為填充在芯片llb的包含襯墊的表面17與基底15的包含襯 墊的表面18之間的空間19的本發(fā)明的組合物16來密封圖3所示的電子部 件10的焊料互連13。示出了密封劑16在芯片11周圍并在芯片之下完全 密封所有的焊料凸起13連接。示出了壩100圍繞底部填充16。壩優(yōu)選是 與底部填充組合物16相同的組合物,除了其優(yōu)選包含填充物例如硅烷處理 的硅石填充物成分之外。
本發(fā)明的可再加工的組合物包括直鏈熱塑性基礎聚合物優(yōu)選聚(二甲 基硅氧烷)(PDMS)、優(yōu)選包括具有反應性端基團的硅氧烷例如含乙烯 基封端的PDMS和/或含氫封端的PDMS的直鏈固化劑、固化催化劑以及 可選的填充物。
優(yōu)選的PDMS可以通過下面的公式和結構來表示
Me3SiO(Me2SiO)n—SiMe3
其中n是10到2760 ( MW 1250-204,000 )
<formula>formula see original document page 0</formula>乙彿基封端的PDMS可以通過以下7>式和結構來表示<formula>formula see original document page 12</formula>
其中n為2至5000。
氫封端的PDMS可以通過公式和結構表示
H—Me2SiO—(Me7SiO)r「SiMe2 H
其中n為2至5000。
當固化包含乙烯基封端的和氫封端的硅氧烷的組合物時,獲得例如下 列結構的結構-.
<formula>formula see original document page 12</formula>
將該結構嵌入到基礎樹脂基體中形成具有優(yōu)良的可再加工性能的底部 填充。
本領域的技術人員應該意識到,當固化時本發(fā)明的底部填充和壩組合 物在基礎樹脂基體中形成高交聯(lián)的領域,固化的組合物具有優(yōu)秀的可再加
工特性。具體而言,固化的組合物在二甲苯中是高度可溶的,并且如果需 要替換芯片,則可以容易地通過在二甲苯或其他適當?shù)娜軇┲薪菽K或 芯片來去除底部填充??梢栽谑覝叵碌亩醣街腥コ稍偌庸さ牡撞刻畛洌?并且一旦去除,可以通過加熱熔化焊料互連來從基底上去除芯片。然后,
可以修整和清潔基底以提供清潔的C4襯墊位置以便新的芯片可以重新接合到其上。
基礎聚合物形成了用于底部填充的基體并且摻雜(混合)有反應性的 硅氧烷。當固化時,反應性的硅氧烷反應并且交聯(lián)以在非反應性J^出聚合 物基體中形成高交聯(lián)域,所述高交聯(lián)域包括反應的和交聯(lián)的反應性硅氧烷。 交聯(lián)域具有上述的特性且在室溫下的二甲苯中可以容易地被去除。優(yōu)選的
硅氧烷基礎聚合物優(yōu)選具有約1250至204,000或更大的分子量。在組合物 中僅需要使用固化劑中的一種,但是優(yōu)選以1:10至約10:1的重量比率來 使用乙烯基封端的硅氧烷和氫封端的硅氧烷固化劑。以基礎樹脂與固化劑 的約20:1至約1:10,優(yōu)選10:1至1:5的重量比率來使用基礎樹脂。固化 催化劑以約0.001wt。/。至5wt。/?;蚋嗟牧看嬖谟诮M合物中。如果在SRUF 組合物中使用填充物,可以以約lwt。/。至10wt,。/?;蚋嗟牧縼硎褂?。硅 烷表面處理的硅石是優(yōu)選的。
發(fā)現(xiàn)使用本發(fā)明的底部填充和/或壩組合物可以通過在二甲苯中溶解 來提供優(yōu)良的可再加工特性,本發(fā)明的底部填充和/或壩組合物是非化學相 互反應的、非腐蝕性的并是商業(yè)上可接受的。連接到形成MCM的基底并 底部填充有本發(fā)明的組合物的芯片可以容易地被這樣的再加工在室溫下 的二曱苯中溶解,熔化焊料互連,修整和清潔Cu阻擋的殘余的焊料,和 重新附著芯片,以及使用本發(fā)明的組合物來底部填充。
通過將成分混合在一起并底部填充芯片來使用底部填充組合物。然后, 通過加熱模塊組件到80至150。C,優(yōu)選100至125°C , 30至120分鐘,優(yōu) 選45至75分鐘來反應組合物,由此固化底部填充的芯片
雖然已經(jīng)結合特定的優(yōu)選實施例具體描述了本發(fā)明,但是明顯地,根 據(jù)上述描述,許多替代、修改和變形將對本領域的技術人員顯而易見。因 此,旨在所附權利要求將包含落入本發(fā)明的真實范圍和精神內(nèi)的任何的這 樣的替代、修改和變形。
工業(yè)適用性
本發(fā)明發(fā)現(xiàn)了包含電子器件的芯片的效用。
權利要求
1.一種用于C4連接保護的可再加工的底部填充和壩組合物(16)包括包含非反應基團的非交聯(lián)性和低交聯(lián)性基礎樹脂中的至少一種;至少一種直鏈交聯(lián)性成分;用于所述交聯(lián)性成分的催化劑;以及可選的填充物。
2. 根據(jù)權利要求1所述的組合物,其中所述基礎樹脂是直鏈聚二曱基 硅氧烷。
3. 根據(jù)權利要求2所述的組合物,其中所述交聯(lián)性成分是乙烯基封端 的直鏈硅氧烷或氬封端的直鏈硅氧烷。
4. 根據(jù)權利要求3所述的組合物,其中所述交聯(lián)性成分是乙烯基封端 的直鏈硅氧烷和氫封端的直鏈硅氧烷。
5. 根據(jù)權利要求4所述的組合物,其中所述催化劑是環(huán)乙烯基硅氧烷 中的Pt。
6. 根據(jù)權利要求5所述的組合物,其中所述填充物是硅石。
7. 根據(jù)權利要求6所迷的組合物,其中所述填充物是硅烷表面處理的 M。
8. 根據(jù)權利要求l所述的組合物,其中所述基礎樹脂選自聚氨基甲酸 酯、礦物油、聚丙烯酸鹽、聚丙烯酸酯、CTBN改性的酯、聚苯乙烯、異 戊二烯、環(huán)氧改性的硅氧烷、及其混合物。
9. 根據(jù)權利要求8所述的組合物,其中所述交聯(lián)性成分選自酯封端的、 碳環(huán)形酐封端的、乙烯基封端的直鏈或支鏈的烷烴;非環(huán)式或丙烯酸酯; 聚酰胺;聚酰亞胺和聚氨基甲酸酯。
10. —種用于具有C4連接的電子部件(10 )的用于底部填充和形成壩 的方法,包括以下步驟提供包含了電子部件(10)與C4焊料連接(13)的芯片(11b);^使用可再加工的底部填充組合物(16)底部填充所述接合的芯片和在 所述芯片周圍形成壩(100),所述可再加工的底部填充組合物(16)包括 包括非反應基團的非交聯(lián)性或低交聯(lián)性^出樹脂; 至少 一種直鏈交聯(lián)性成分; 用于所述交聯(lián)性成分的催化劑;以及 可選的填充物;固化底部填充的電子部件和筑壩的電子部件中的至少一個;以及 如果需要,這樣再加工所述底部填充的電子部件去除所述底部填充 組合物和壩組合物中的至少一種,將芯片從MCM分離,并通過將芯片結 合到所述電子部件并底部填充和筑壩接合的芯片來替換所述芯片。
11. 根據(jù)權利要求10所述的方法,其中所述基礎樹脂是直鏈聚二甲基 硅氧烷。
12. 根據(jù)權利要求ll所述的方法,其中所述交聯(lián)性成分是乙烯基封端 的直鏈硅氧烷或氫封端的直鏈硅氧烷。
13. 根據(jù)權利要求12所述的方法,其中所述交聯(lián)性成分是乙烯基封端 的硅氧烷和氫封端的硅氧烷。
14. 根據(jù)權利要求13所述的方法,其中所述催化劑是環(huán)乙烯基硅氧烷 中的Pt。
15. 根據(jù)權利要求14所述的方法,其中所述填充物是硅石。
16. 根據(jù)權利要求15所述的方法,其中所迷填充物是硅烷表面處理的 硅石。
17. 根據(jù)權利要求10所述的方法,其中所述基礎樹脂選自聚氨基甲酸 酯礦物油、聚丙烯酸鹽、聚丙烯酸酯、CTBN改性的酯、聚苯乙烯/異戊二 烯、環(huán)氧改性的硅氧烷、及其混合物。
18. 根據(jù)權利要求17所示的方法,其中所述交聯(lián)性成分選自酯封端的、 碳環(huán)形酐封端的、乙烯基封端的直鏈或支鏈的烷炫;非環(huán)式或丙烯酸酯; 聚酰胺;聚酰亞胺和聚氨基甲酸酯。
19. 根據(jù)權利要求10所述的方法,其中所述電子部件是多芯片陶瓷模塊。
全文摘要
本發(fā)明提供了包含電子器件的芯片,例如多芯片陶瓷模塊(MCM)(10),所述多芯片陶瓷模塊(10)包括在基底15上的多個芯片(1 Ia-I Ii),使用可再加工的組合物(16)來底部填充芯片,所述可再加工的組合物(16)允許從裝置去除或替換一個或多個芯片。所述可再加工的組合物包含基礎樹脂與直鏈可固化成分或優(yōu)選的直鏈可固化成分的組合,所述基礎樹脂是非交聯(lián)性的并形成基體,所述可固化成分是交聯(lián)性的并在固化時在所述基礎樹脂基體中形成交聯(lián)的域。使用適宜的交聯(lián)催化劑例如Pt,和可選的填充物優(yōu)選硅烷表面處理的硅。優(yōu)選的基礎樹脂是直鏈聚二甲基硅氧烷并且優(yōu)選的可固化成分是乙烯基封端的直鏈聚二甲基硅氧烷和氫封端的直鏈聚二甲基硅氧烷。
文檔編號H01L21/00GK101405834SQ200780009519
公開日2009年4月8日 申請日期2007年6月20日 優(yōu)先權日2006年6月20日
發(fā)明者F·L·蓬佩奧, J·T·科芬, S·P·奧斯特蘭德, 吳佳俐 申請人:國際商業(yè)機器公司