集成电路封装压力释放装置和方法

摘要

一种释放存在于封装内的压力的装置和方法，所述封装包括：一衬底，一管芯连附到该衬底上，从而该衬底在管芯和封装的外部之间提供电连接；一封盖；和以具有至少一个缺口的图形安置在衬底和封盖之间的密封剂。

权利要求

1.一种封装，包括：

一衬底，其具有连附有管芯的内表面，通过该衬底在管芯和封装的外部之间形成电连接；

一封盖，其内表面与衬底的内表面相对；

设于所述管芯和所述封盖的内表面之间的热连接件；

设于所述衬底和封盖之间以将封盖结合到衬底上的密封剂，其中以具有至少一个断口的图形布置密封剂，且所述图形中的所述至少一个断口在衬底和封盖组装到一起后继续存在。

2.如权利要求1所述的封装，其中所述封装是一球栅阵列封装。

3.如权利要求1所述的封装，其中所述封装是一针栅阵列封装。

4.如权利要求1所述的封装，其中穿过封盖形成一通气孔。

5.如权利要求1所述的封装，其中所述密封剂基本上按矩形图形安置在封盖和衬底之间，该矩形有至少一个断口。

6.如权利要求5所述的封装，其中所述基本矩形的图形有四个断口，该基本矩形的图形每条边各有一个断口。

7.如权利要求6所述的封装，其中所述四个断口至少占基本无断口情况下的基本矩形的图形总长度的10％。

8.如权利要求5所述的封装，其中所述矩形图形有四个断口，该基本矩形图形的每个角有一个断口。

9.如权利要求8所述的封装，其上所述四个断口至少占无断口情况下基本矩形的图形总长度的10％。

10.如权利要求1所述的封装，其中所述衬底容易吸收湿气，由于湿气被衬底释放在封装内并转变为水蒸气，在衬底和封盖之间存在压力。

11.如权利要求10所述的封装，其中所述衬底由有机材料制成。

12.如权利要求1所述的封装，其中所述管芯利用一可控折叠式芯片连接与衬底相连。

13.一种释放封装内存在的压力的方法，包括：将管芯与衬底的内表面相连，以在管芯和衬底之间形成电接触；

将密封剂按一定图形布置在衬底内表面四周，该图形在原本围绕管芯形成连续线的图形中至少具有一个断口；

采用在衬底内表面四周布置的密封剂将封盖粘合到衬底上，使封盖和衬底连起来，并且封盖内表面对着衬底的内表面，其中，所述方法还包括将过去用于以形成连续线的图形布置密封剂的装置改变为，以原本形成连续线的图形中具有至少一个断口的图形安置密封剂。

14.如权利要求13所述的方法，还包括将热连接件布置在管芯和封盖内表面之间，以利用封盖把热量从管芯传导走。

15.如权利要求13所述的方法，还包括将用于测试的封装安装成使穿过封盖形成的通气孔堵塞，从而防止封装中存在的压力通过通气孔释放。

16.如权利要求15所述的方法，其中所述测试包括通过将封装暴露于高压蒸气而对封装外部加热。

17.如权利要求13所述的方法，其中所述衬底容易吸收湿气，由于湿气被衬底释放到封装内且转变为蒸气，在衬底和封盖间存在压力。

18.如权利要求13所述的方法，还包括将用于正常使用的封装安装成，使穿过封盖形成的通气孔被堵塞，从而防止封装内存在的压力通过通气孔释放。

19.如权利要求13所述的方法，其中所述管芯利用一可控折叠式芯片连接与衬底相连。

20.一种电子器件，包括：

一具有内表面的衬底；

一封盖，其内表面对着衬底的内表面；

一其上设有电子电路的管芯，其被包围在衬底和封盖之间且与衬底的内表面相连，该衬底提供管芯和封装外部之间的电连接；

设于所述管芯和所述封盖的内表面之间的热连接件；

设于所述衬底和封盖之间以将封盖结合到衬底上的密封剂，其中以具有至少一个断口的图形设置密封剂，且所述图形中的至少一个断口在衬底和封盖被组装在一起后继续存在。

21.如权利要求20所述的电子器件，其中所述密封剂基本上按矩形图形安置在封盖和衬底之间，该矩形有至少一个断口。

22.如权利要求21所述的电子器件，其中所述矩形的图形具有四个断口，大致矩形的图形的每一边有一个断口。

23.如权利要求20所述的电子器件，其中所述管芯是利用一可控折叠式芯片连接与衬底相连的。

说明书

技术领域

本发明涉及一种用来增加封在倒装片封装内的电子器件的可靠性和性能的装置和方法。

背景技术

现有的普通电子器件是以薄片半导体材料或管芯的形式存在的，电子电路通过各种光刻方法设置于其上。为防止电路受损，常常把管芯封在一封装里面，该封装被设计成易于使电子器件与印刷电路板相连接。
为改善电信号特性及增加功耗和管芯尺寸的灵活性，可采用“倒装片”或“可控折叠式芯片连接(C4)”封装，它一般结合有由铝或其它导热材料制成的用作散热器(也称作“热散发器”)的封盖，和一个由有机材料制成的衬底，衬底含有导电材料，用来提供管芯和与封装相连的电路板之间的电连接。
图1是现有技术的球栅阵列型封装的剖面图。封装100的外部由封盖110(也称作集成热散发器，或IHS)、衬底112及处于封盖110和衬底112之间的密封剂114组成。热连接件116提供管芯130和封盖110间的导热连接，用来在安装于管芯130上的电路正常工作期间帮助冷却管芯130，使从管芯130传来的热通过热连接件116散发到围绕封盖110外部的周围空气中。底填料120和焊料球122(也叫做C4凸块)将管芯130与衬底112相连，其中焊料球122提供管芯130和衬底112之间的电连接。衬底112是一块带导线的印刷电路板，由导线构成焊料球122与焊料球124之间的电连接。当封装100与电路板140相连时，焊料球124构成衬底112和电路板140间的电连接，因而也就构成管芯130和电路板140间的电连接。
图2是与图1所示相同的一个现有技术封装的顶视图，其中以数字2xx标示的封装200的元件与图1中封装100的用数字1xx标示的元件相应。分别与图1中封盖110和热连接件116相应杆子和热连接件已从图2所示的封装中去掉，以便看见封盖下面其它元件的相对位置。如图2所示，封装200的外部由衬底212和密封剂214构成。管芯230基本上相对于衬底212对中，且通过底填料220与衬底212相连，底填料从下面凸出且刚好在管芯230的边缘之外。密封剂214对应于封盖(未示出)与衬底212相接的位置设置，以将封盖连接到衬底212上。如图所示，密封剂214以一条围绕管芯230的连续线的型式设置。
将密封剂214布置成一条连续线的缺点是在封盖和衬底之间形成一个完全密封，这使封装200内部和环绕封装200外部的周围空气之间的压力差不相等。这一点在衬底212是用有机或其它材料制成时特别重要，因为这些材料很容易从环绕封装200的周围空气吸收湿气，然后向封装200的内部释放。在热测试或正常使用中，当管芯230温度升高时，封装200内部的湿气变成水蒸气，使得封装200内的压力增加，从而容易将封盖和衬底212推开。从图1可以清楚地看出，将封盖110和衬底112互相推开会使单独的封盖110与管芯130分离，从而降低通常由封盖110施加的将热连接件116挤靠到管芯130上的压力，因而降低了热连接件116从管芯130传导热量的效率。这种压力的增加还能引起衬底112向外弯曲，使衬底112变成弯曲形状，从而在管芯130的四角施加应力，这样可能造成薄膜碎裂和/或脱层，结果导致安装在管芯表面上的电路的电气故障和/或使用寿命缩短。
由于湿气在压力下转变为水蒸气还可能产生另一个缺点，就是水蒸气可能被迫进入热连接件116和管芯130之间或者热连接件110和封盖110之间。这使得热连接件116与封盖110或管芯130间的接触面减小，因而也降低了热连接件116从管芯130传导走热量和将热量传导到封盖110的效率。另外，根据热连接件116的组成不同，水蒸气还可能穿透热连接件材料本身而在热连接件116内形成一些间隙，这将妨碍热量从管芯130通过热连接件116传导。
除了由于压力增高和存在湿气而产生的不希望有的结果之外，采用连续线密封剂还由于封盖、衬底和管芯之间的膨胀和收缩率不同而产生一些缺陷。再次参看图1，随着温度升高，封盖110和衬底112两者的膨胀都比管芯130要快，而且彼此的膨胀速率也不相同，要取决于用来制造封盖110和衬底112的具体材料。密封剂为连续线对封盖110和衬底112相对运动的限制，比密封剂为断裂线型式时要多，结果无论是封盖110或衬底112都可能向外弯曲。如前所述，这种向外弯曲的作用可能降低热连接件116从管芯130传走热量的效率，或者引起管芯130碎裂和/或脱层。

附图说明

本领域技术人员可以通过下面的详细描述了解本发明的目的、特性和优点，附图中：
图1是现有技术的球栅阵列封装的剖面图；
图2是将封装某些部分去掉后，现有技术的球栅阵列封装的顶视图；
图3是将封装某些部分去掉后，本发明一个实施例的顶视图；
图4是将封装某些部分去掉后，本发明另一种实施例的顶视图。
详细说明
在下面的描述中，为说明清楚起见，给出了许多细节，以求对本发明有一个全面的了解。但是本领域技术人员清楚，这些具体细节对于实施本发明并不是必需的。
本发明涉及用于采用有机材料衬底的集成电路的“倒装片”或“可控折叠式芯片连接(C4)”封装。这类封装也叫做“有机基板栅格阵列”或OLGA。具体地说，本发明涉及这类封装在支托特别大的管芯中的应用。但是，如本领域技术人员所知，本发明也可用于采用其它多孔衬底材料的场合，或者所用的管芯较小但上面安装的电路产生大量热的场合。本发明也可用于封装使用在高热环境中的场合。
图3是一个与图2类似的顶视图，但表示的是本发明的一个实施例。图3中封装300的各元件以标号3xx标识，它们对应于图2中封装200的标号2xx。和图2一样，分别与图1中封盖110和热连接件116相对应的封盖和热连接件已从图3所示的封装中去掉，以允许看到封盖下其它元件的相对位置。如图3所示，封装300的外部包括衬底312和密封剂段314a至314d。还可看出，管芯330相对衬底312基本处于中心，且通过底填料320与衬底312相连，底填料从下面伸出并且刚好位于管芯330的边缘之外。
象图2中的密封剂214一样，图3实施例所用的密封剂对应于封盖(未示出)将与衬底312相接的地方安置，以将封盖与衬底312粘合。但是，不象图2的密封剂214，在这个实施例中所用的密封剂不形成一个环绕管芯330的连续线，而是做成四个密封剂段314a-d，各段之间留有空隙，通过这些空隙，原来由于封装内温度增加使湿气变成水蒸气而引起封装内增高的压力得以释放。
从图1和图3可以看出，由于允许压力释放，将不会造成封盖(在图3中未示出，但与图1所示封盖110相应)相对衬底112/312被推开。这样，封盖施加在热连接件(在图3中未示出，但与图1所示热连接件116相应，它将热量从管芯130/330传导到封盖)上的压力不会减小，从而保持了封盖传导走这些热量的效率。
另外，由于压力可以释放，衬底112/312将不会向外弯曲，而这种弯曲将使衬底112/312变弯，并有可能使管芯130/330在四角附近碎裂。
此外，将密封剂314a-d做成断开形式还可以使它在封盖110和衬底112/312之间形成不太坚固的连接，因而可让封盖110和衬底112/312之间有一定程度的相对运动。允许有某些程度的相对运动，可让封盖110和衬底112/312随着温度变化具有彼此不相同的膨胀和收缩率，因而降低了封盖110和衬底112/312向外弯曲的趋势。而这将减少前面已讲过的热连接件116的效率损失和/或前面已讲过的管芯130/330的碎裂或脱层。
在一个实施例中，密封剂做成多段，因而有多个断口。在另一个实施例中，密封剂做成单段，但不形成一个围绕管芯330的完整的圈，因而只有一个断口。在一个实施例中，各断口至少构成一个整圈密封剂总长度的10％，而在另一个实施例中，断口所占长度小于所述总长度的10％。还有一个实施例把密封剂做成小块或点的形式，在各小块之间留下断口，而不是由密封剂段确定断口。
在一个实施例中，密封剂是用挠性较大的材料制成，因而允许衬底312和封盖(未示出)彼此间可以有较大的自由度运动。在另一个实施例中，密封剂用刚性较大的材料制成，这样就限制了衬底312和封盖的相对运动。
在一个实施例中，制造封装300时，首先把管芯330与衬底312相连，从而在管芯330和衬底312之间形成物理和电气连接。然后，把密封剂按四段314a-d安置在衬底312上，在这些段处将封盖(未示出)与衬底312相连。接下去把热连接件(未示出)安置在管芯330上，封盖(未示出)将在热连接件处与管芯330相连。然后封盖将与衬底312(通过密封剂314a-d)和管芯330(通过热连接件)相连。本领域技术人员清楚，在不脱离本发明构思的情况下可以将这些连接的顺序改变。
在一种实施例中，将原来设计成按连续线安置密封剂的封装组装设备改变为将密封剂布置为密封剂段314a-d。在另一个实施例中，则采用专门设计的以密封剂段314a-d布置密封剂的新封装组装设备。
在一个实施例中，衬底312由有机材料制成，且这种有机材料可能是多孔的，使得它容易从封装300外面的周围空气中吸收湿气。在另一个实施例中，衬底312用非有机材料制成，而是由也会受到吸收湿气的缺点影响的材料制成。在一个实施例中，通过将封装暴露在高压蒸气中对封装外部加热，对封装和/或封装内的管芯进行测试。
在一个实施例中，封盖(未示出)上具有一个或几个通气孔，它们也被用来使封装300内部的压力释放，但这些孔可能由于封装300在测试或正常运用中的安装方式而被堵塞。在另一个实施例中，封盖上没有通气孔，密封剂段314a-d之间的断口是使压力释放的唯一途径。
在一个实施例中，热连接件(未示出)是一种热脂，而在另一个实施例中，热连接件是一种热胶。
在一个实施例中，封盖(未示出)是用能从管芯330传导走热量的材料(如铜或铝)制成的。在一个实施例中，封盖从管芯330传导走的热量，散发到环绕封装300的周围中。在另一个实施例中，封盖将热量传导给与它相接触的其它导热装置，如散热器(热量散发器)、热管、或热电冷却器等。
在一个实施例中，封装300为一种球栅阵列封装，其中衬底312通过与图1中焊料球124大致相当的焊料球和电路板(未示出)相连。在另一个实施例中，封装300为一种针栅阵列封装，这时利用针间接通过电路板上的插槽或者直接通过钻在电路板上的孔将衬底312与电路板相连。
在一个实施例中，将包含微型计算机系统的芯逻辑电路(如随机存取存储器控制器，总线接口，输入/输出器件接口，或时钟)的电路板设在管芯330的一个表面上。在另一个实施例中，则将包含微型计算机系统的中央处理单元的电路板设置在管芯330的一个表面上。
图4是与图3类似的一个顶视图，也表示本发明的一个实施例。图4显示将密封剂安置在封盖(未示出)与衬底412相接的位置的另一种方式，从而使封盖与衬底412粘住。虽然图3和图4中的图案都基本上是矩形，但封装400中密封剂的断口处于基本为矩形的图形的四角，而不象封装300的情况下是处于四个边上。图4封装400中以4xx数字标识的元件对应于图3封装300中以3xx标识的元件。和图3一样，分别对应于图1中封盖110和热连接件116的封盖和热连接件已从示于图4所示的封装中去掉，以允许看到封盖下其它元件的相对位置。
已结合优选实施例对本发明进行了描述。但本领域技术人员清楚，上面的描述可以有许多替代方案、改进、变型和应用。本领域技术人员清楚，本发明可以做到能支持一个计算机系统中的其它功能组合。
本发明的各个实施例是针对球栅阵列和针栅阵列封装进行说明的，所述封装中装有一个管芯，管芯上设有电子电路。但本发明可用于各种类型的封装及电子、微电子和微机械器件。虽然是在封装与通常使用的刚性印刷电路板相连的情况下描述本发明的，但本发明也可应用于封装与柔性材料薄片或其它提供电连接的表面相连的情况。另外，是在封装的密封剂按基本为矩形的图形布置的情况下对本发明进行说明的，但本发明也可用于以其它图形布置的密封剂，不论布置密封剂的图形是否受到封盖和/或衬底形状的影响。实际上，可以按圆形或其它多边形来安置密封剂，或者以许多小块状而不是线段来安置密封剂。再有，虽然是在密封剂只包围一个其上设有电子电路的管芯的情况下描述本发明的，但本发明也可用于包围多个单独的管芯和/或包含由一些较小管芯构成的管芯的封装中。