專利名稱：一種高可靠圓片級柱狀凸點封裝結(jié)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及半導(dǎo)體器件封裝領(lǐng)域，尤其涉及圓片級芯片尺寸封裝(WaferLevel chip Scale Package, WLCSP)的封裝結(jié)構(gòu)。
背景技術(shù)：
近年來，由于芯片的微電路制作朝向高集成度發(fā)展，因此，其芯片封裝也需向高功率、高密度、輕薄與微小化的方向發(fā)展。芯片封裝就是芯片制造完成后，以塑膠或陶磁等材料，將芯片包在其中，以達保護芯片，使芯片不受外界水汽及機械性損害。芯片封裝主要的功能分別有電能傳送(Power Distribution)、信號傳送(Signal Distribution)、熱的散失(Heat Dissipation)與保護支持(Protection and Support)。由于現(xiàn)今電子產(chǎn)品的要求是輕薄短小及高集成度，因此會使得集成電路制作微細化，造成芯片內(nèi)包含的邏輯線路增加，而進一步使得芯片l/0(input/output)腳數(shù)增加，而為配合這些需求，產(chǎn)生了許多不同的封裝方式，例如，球柵陣列封裝(Ball grid array,BGA)、芯片尺寸封裝(Chip Scale Package, CSP)、多芯片模塊封裝(Multi Chip Modulepackage, MCM package)、倒裝式封裝(Flip Chip Package)、卷帶式封裝(Tape CarrierPackage, TCP)及圓片級封裝(Wafer Level Package, WLP)等。不論以何種形式的封裝方法，大部分的封裝方法都是將圓片分離成獨立的芯片后再完成封裝的程序。而圓片級封裝是半導(dǎo)體封裝方法中的一個趨勢，圓片級封裝以整片圓片為封裝對象，因而封裝與測試均需在尚未切割圓片的前完成，是一種高度整合的封裝技術(shù)，如此可省下填膠、組裝、黏晶與打線等制作，因此可大量降低人工成本與縮短制造時間?，F(xiàn)有形成圓片級芯片尺寸封裝的工藝如圖I至5所示。首先請參照圖1A，在圓片10上具有至少一個芯片100。如圖IB所示，在芯片100上配置有金屬墊層104以及用以保護芯片100表面并將金屬墊層104暴露的鈍化層102 ;在鈍化層102以及金屬墊層104上通過濺射或者蒸鍍工藝形成第一金屬層106，第一金屬層106的作用是在后續(xù)回流工藝中保護金屬墊層104，第一金屬層106可以是Al、Ni、Cu、Ti、Cr、Au、Pd中的一種或者它們的組合構(gòu)成。接著請參照圖1C，在第一金屬層106上形成光刻膠層107，通過現(xiàn)有光刻技術(shù)定義出金屬墊層104形狀，然后進行曝光、顯影工藝，在光刻膠層107中形成開口暴露出下層的金屬墊層104上的第一金屬層106 ;以光刻膠層107為掩模,在開口內(nèi)的第一金屬層106上形第二金屬層108，所述第二金屬層108的材料為Cu、Ni或其組合構(gòu)成，所述形成第二金屬層108的方法為電鍍法。參考圖1D，濕法去除光刻膠層107 ;刻蝕第一金屬層106至曝露出鈍化層102，使刻蝕后的第一金屬層106a與第二金屬層108構(gòu)成凸點下金屬層108a ;用鋼網(wǎng)印刷法在第二金屬層108上形成助焊劑109。如圖IE所示，在助焊劑109上放置預(yù)制好的焊料球，然后在回流爐內(nèi)保溫回流，形成凸點110。[0010]最后進行單體化切割步驟，以將圓片10上的各個芯片100單體化。在申請?zhí)枮?00510015208. I的中國專利申請中還公布了更多相關(guān)信息?，F(xiàn)有技術(shù)形成圓片級芯片尺寸封裝過程中，由于焊料凸點材料直接與金屬浸潤層接觸，金屬浸潤層的銅極易擴散到焊料凸點的錫中形成銅錫合金，影響焊接質(zhì)量。同時，在金屬浸潤層上形成焊料之前，裸露的浸潤層容易氧化而使后續(xù)形成的焊料凸點性能及可靠性降低。另一方面，在焊料凸點的形成過程中，焊料間容易滴落而影響產(chǎn)品的可靠性，尤其對于金屬墊密集的產(chǎn)品，更容易出現(xiàn)焊料凸點間短路的問題。

實用新型內(nèi)容本實用新型解決的問題是提供一種高可靠圓片級柱狀凸點封裝結(jié)構(gòu)，防止芯片電性能及可靠性降低。為解決上述問題，本實用新型提供一種高可靠圓片級柱狀凸點封裝結(jié)構(gòu)，包括芯片、柱體、保護膠和焊料凸點；所述芯片的上表面設(shè)有焊盤和鈍化層，所述鈍化層覆于芯片焊盤開口以外的上表面；所述焊盤上設(shè)有柱體，所述柱體由底部往上依次包括耐熱金屬層、金屬浸潤層、附著層和阻擋層；所述保護膠覆于焊盤所在的芯片表面并填充于柱體間，保護膠的上表面與柱體的頂部齊平；所述柱體的頂部即阻擋層的上表面設(shè)有焊料凸點?？蛇x地，所述耐熱金屬層的材料是鈦、鉻、鉭或它們的組合?？蛇x地，所述金屬浸潤層的材料是銅、鋁、鎳或它們的組合?？蛇x地，所述附著層的材質(zhì)是銅?？蛇x地，所述銅附著層的厚度是50 100 μ m。可選地，所述阻擋層的材質(zhì)是鎳?？蛇x地，所述鎳阻擋層的厚度是I. 5 3 μ m?？蛇x地，所述保護膠的材質(zhì)為環(huán)氧樹脂?？蛇x地，所述焊料凸點的材質(zhì)是純錫或錫合金?？蛇x地，所述焊料凸點的厚度是10 70 μ m。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實用新型形成的封裝結(jié)構(gòu)中附著層(Cu)在空間上提供了一個足夠的物質(zhì)空間，使焊料凸點能夠牢固地置于附著層上而不會偏離；也正因為附著層等金屬層構(gòu)成的柱狀結(jié)構(gòu)使得焊料凸點的尺寸得以縮小，在保證最終產(chǎn)品焊接過程中物理連接可靠度的前提下，提升了單位空間內(nèi)的功能輸出端口數(shù)，更能滿足芯片焊盤密間距、功能輸出多的封裝需求。厚度適宜的阻擋層(Ni) —方面能夠避免自身因擴散效應(yīng)而消失，進而有效地阻止焊料和附著層之間因金屬間化合物的形成而產(chǎn)生的孔隙；同時又不至于因鎳阻擋層過厚而導(dǎo)致電阻率上升而影響產(chǎn)品的電熱性能。保護膠將本封裝結(jié)構(gòu)中附著層等金屬層構(gòu)成的柱體部分澆筑起來，不但增強了柱體的物理結(jié)構(gòu)，更主要的是避免后續(xù)形成焊料凸點過程中焊料的滴落而造成柱體間的短路。

圖IA至圖IE是現(xiàn)有圓片級封裝方法的過程示意圖；[0029]圖2是本實用新型高可靠圓片級柱狀凸點封裝結(jié)構(gòu)的示意圖；圖3是本實用新型形成高可靠圓片級柱狀凸點封裝結(jié)構(gòu)的具體實施方式
流程圖；圖4A至圖4H是本實用新型形成高可靠圓片級柱狀凸點封裝機構(gòu)的實施例的工藝示意圖。
具體實施方式
以下結(jié)合附圖對本實用新型的具體實施方式
做詳細的說明。圖2是本實用新型高可靠圓片級柱狀凸點封裝結(jié)構(gòu)的示意圖，所述封裝結(jié)構(gòu)包括芯片300、柱體、保護膠307和焊料凸點308 ;所述芯片300的上表面設(shè)有焊盤301和鈍化層302，所述鈍化層302覆于芯片300焊盤301開口以外的上表面；所述焊盤301上設(shè)有 柱體，所述柱體由底部往上依次包括耐熱金屬層303、金屬浸潤層304、附著層306a和阻擋層306b，其中耐熱金屬層303的材料是鈦、鉻、鉭或它們的組合，金屬浸潤層304的材料是銅、鋁、鎳或它們的組合，附著層306a是厚度為50 100 μ m的銅層，阻擋層306b是厚度為
I.5 μ m 3 μ m的鎳層；所述保護膠307覆于焊盤301所在的芯片300表面并填充于柱體間，保護膠307的上表面與柱體的頂部齊平，保護膠307的材質(zhì)為環(huán)氧樹脂；所述柱體的頂部即阻擋層306b的上表面設(shè)有焊料凸點308，所述焊料凸點308是厚度為10 70 μ m，對應(yīng)的材質(zhì)為純錫或錫合金，如錫銀合金、錫銅合金、錫銀銅合金等。上述封裝結(jié)構(gòu)中，柱體在空間上提供了一個足夠的物質(zhì)空間，使焊料凸點能夠牢固地置于柱體上而不會偏離；也正因為由連接層等金屬層構(gòu)成的柱狀結(jié)構(gòu)使得焊料凸點的尺寸得以縮小，在保證最終產(chǎn)品焊接過程中物理連接可靠度的前提下，提升了單位空間內(nèi)的功能輸出端口數(shù)，更能滿足芯片焊盤密間距、功能輸出多的封裝需求。柱體中厚度適宜的鎳阻擋層則能夠避免自身因擴散效應(yīng)而消失，進而有效地阻止焊料和附著層之間因金屬間化合物的形成而產(chǎn)生的孔隙；同時又不至于因鎳阻擋層過厚而導(dǎo)致電阻率上升而影響產(chǎn)品的電熱性能。保護膠將柱體澆筑起來填充于柱體間，不但增強了柱體的物理結(jié)構(gòu)，更主要的是避免后續(xù)形成焊料凸點過程中焊料的滴落而造成柱體間的電性短路。為進一步說明本實用新型封裝結(jié)構(gòu)之優(yōu)點，以下結(jié)合一個具體的封裝方法實施例對本實用新型封裝結(jié)構(gòu)作進一步介紹。圖3是本實用新型形成高可靠圓片級柱狀凸點封裝的具體實施方式
流程圖，包括步驟S101，在芯片的焊盤和鈍化層上依次形成耐熱金屬層和金屬浸潤層；S102，在金屬浸潤層上形成光刻膠，所述光刻膠設(shè)有開口曝露出芯片焊盤上方的金屬浸潤層；S103，在上述開口中的金屬浸潤層上形成連接層，所述連接層包括依次形成的附著層和阻擋層；S104，去除光刻膠；S105，蝕刻鈍化層上的耐熱金屬層和金屬浸潤層至鈍化層裸露；S106，在芯片上形成保護膠層，所述保護膠將連接層覆蓋；S107，研磨保護膠層，使連接層中的阻擋層裸露；[0046]S108，在阻擋層上形成焊料凸點并回流。首先執(zhí)行步驟S101，在芯片的焊盤和鈍化層上依次形成耐熱金屬層和金屬浸潤層，形成如圖4A所示的結(jié)構(gòu)。在這一步驟中，芯片300上設(shè)有焊盤301和鈍化層302，焊盤301是芯片300的功能輸出端子，并最終通過后續(xù)形成的焊料凸點308實現(xiàn)電性功能的傳導(dǎo)過渡；鈍化層302的材料包括氧化硅、氮化硅、氮氧化硅、聚酰亞胺、苯三聚丁烯等介電材料或它們的混合物，用于保護芯片300中的線路。需要說明的是，所述芯片的焊盤和鈍化層可以是芯片的初始焊盤和初始鈍化層，也可以是根據(jù)線路布圖設(shè)計需要而形成的過渡焊盤、鈍化層；形成過渡焊盤、鈍化層的方式主要是采用再布線工藝技術(shù)，通過一層或多層再布線將初始焊盤、鈍化層轉(zhuǎn)載到過渡焊盤、
鈍化層上。所述再布線工藝技術(shù)為現(xiàn)有成熟工藝，已為本領(lǐng)域技術(shù)人員所熟知，在此不再贅述。在本實施例中，所述耐熱金屬層303的材料可以是鈦Ti、鉻Cr、鉭Ta或它們的組合構(gòu)成，本實用新型優(yōu)選為Ti。所述金屬浸潤層304的材料可以是銅Cu、鋁Al、鎳Ni中的一種或它們的組合構(gòu)成，其中較優(yōu)的金屬浸潤層304為Cu。耐熱金屬層303與金屬浸潤層304 一起構(gòu)成最終結(jié)構(gòu)的種子層。所述耐熱金屬層303和金屬浸潤層304的方法同樣可以采用現(xiàn)有的蒸發(fā)或濺射或物理氣相沉積的方法，其中較優(yōu)的方法為濺射。當(dāng)然，根據(jù)本領(lǐng)域技術(shù)人員的公知常識，形成的方法不僅限于濺射方法，其他適用的方法均可應(yīng)用于本實用新型，并且形成的耐熱金屬層303和金屬浸潤層304的厚度也是根據(jù)實際的工藝需求而定。[0051 ] 然后實施步驟S102，在金屬浸潤層上形成光刻膠，所述光刻膠設(shè)有開口曝露出芯片焊盤上方的金屬浸潤層，形成如圖4B所示的結(jié)構(gòu)。在這一步驟中，形成光刻膠305的方法可以是旋轉(zhuǎn)涂布，這些方法的具體步驟已為本領(lǐng)域技術(shù)人員所熟知，在此不再贅述。形成光刻膠305后，具體可通過現(xiàn)有光刻顯影技術(shù)定義出焊盤301的形狀，使光刻膠305中形成開口以曝露出焊盤301上的金屬浸潤層304。然后實施步驟S103，在上述開口中的金屬浸潤層上形成連接層，所述連接層包括依次形成的附著層和阻擋層，形成如圖4C所示的結(jié)構(gòu)。在這一步驟中，以芯片300上剩余的光刻膠305為掩膜，在上步中形成的光刻膠305的開口內(nèi)、金屬浸潤層304的上方，依次形成附著層306a和阻擋層306b，所述附著層306a的材料為銅Cu，阻擋層306b的材料為鎳Ni，附著層306a和阻擋層306b構(gòu)成了連接層306。形成連接層306的具體工藝可以通過用電鍍的方式，當(dāng)然，根據(jù)本領(lǐng)域技術(shù)人員的公知常識，形成的方法不僅限于電鍍，其他適用的方法均可應(yīng)用于本實用新型。本實施例中，附著層306a銅的厚度為50 100 μ m,具體厚度為50 μ m、55 μ m、60 μ m、65 μ m、70 μ m、75 μ m、80 μ m、85 μ m、90 μ m、95 μ m 或 100 μ m 等。附著層 306a 為最終電性輸出端子即柱狀凸點的柱狀結(jié)構(gòu)主體。附著層306a在空間上提供了一個足夠的物質(zhì)空間，保證了后續(xù)的焊料凸點308能夠牢固地置于附著層306a上而不會偏離，同時也提高了與焊料凸點308間的結(jié)合力。本實施例中，阻擋層306b鎳的厚度為I. 5 μ m 3 μ m,具體厚度為I. 5 μ m、2 μ m、
2.5 μ m或3 μ m等。阻擋層306b的作用為防止后續(xù)形成焊料凸點308的材料擴散至銅附著層306a中，當(dāng)Ni層厚度小于I. 5 μ m時，Ni最終會因相鄰金屬間的擴散效應(yīng)而消失，進而無法起到阻擋作用；當(dāng)Ni層厚度大于3μπι時，會因Ni金屬本身的電熱性能較差而導(dǎo)致電阻率上升，進而影響最終產(chǎn)品的電熱性能。然后實施步驟S104，去除光刻膠，形成如圖4D所示的結(jié)構(gòu)。在完成上述工序后，光刻膠305可以去除了，可以使用濕法或剝離的方式去除，這些方法的具體步驟已為本領(lǐng) 域技術(shù)人員所熟知，在此不再贅述。接著實施步驟S105，蝕刻鈍化層上的耐熱金屬層和金屬浸潤層至鈍化層裸露，形成如圖4Ε所示的結(jié)構(gòu)。在這一步驟中，具體可通過噴灑酸液或?qū)⒕萦谒嵋褐械姆椒▉砣コB接層306以外的芯片300表面的金屬浸潤層304和耐熱金屬層303。然后實施步驟S106，在芯片上形成保護膠層，所述保護膠將連接層覆蓋，形成如圖4F所示的結(jié)構(gòu)。在這一步驟中，形成保護膠307的方法可以是印刷、旋涂等方式，這些方法的具體步驟已為本領(lǐng)域技術(shù)人員所熟知，在此不再贅述。形成保護膠307后，可以通過烘烤的方式固化保護膠307層。本實施例中，芯片300表面及連接層306均被保護膠307覆蓋，既保護了鈍化層302，又穩(wěn)固了柱狀連接層306的物理結(jié)構(gòu)；同時，保護膠307的材質(zhì)為環(huán)氧樹脂，可以釋放芯片300及多層金屬層間因熱膨脹差異而導(dǎo)致的應(yīng)力殘留，進而提升了整個封裝結(jié)構(gòu)的可靠性；另外，各柱體結(jié)構(gòu)間被保護膠307填充，可以避免后續(xù)焊料凸點308形成過程中因焊料的滴落而造成柱體間的短路。然后實施步驟S107，研磨保護膠層，使連接層中的阻擋層裸露，形成如圖4G所示的結(jié)構(gòu)。在這一步驟中，為了使具有電性傳輸功能的連接層306端口裸露，研磨保護膠307層，使連接層306中的阻擋層306b表面得以裸露。在本實施例中，為了使阻擋層306b表面潔凈以利于后續(xù)與焊料凸點308間的焊接結(jié)合，在研磨保護膠307層后，對裸露的阻擋層306b表面進行微蝕刻處理或等離子清洗。最后，實施步驟S108，在阻擋層上形成焊料凸點并回流，形成如圖4H所示的結(jié)構(gòu)。在這一步驟中，在阻擋層306b上形成焊料凸點308的方法可以是印刷焊料膏或是將預(yù)制好的焊料球直接植入等方式，再經(jīng)過濕化回流工藝形成最終的焊料凸點308，這些方法的具體步驟已為本技術(shù)領(lǐng)域技術(shù)人員所熟知，在此不再贅述。在本實施例中，焊料凸點308的厚度是10 70μπι，具體厚度為ΙΟμπκΙδμπκ20 μ m>25 μ m、30 μ m>35 μ m、40 μ m>45 μ m>50 μ m>55 μ m、60 μ m>65 μ m $ 70 μ m 胃辛斗凸點308的材質(zhì)為純錫或錫合金，如錫銀合金、錫銅合金、錫銀銅合金等。由上述本封裝結(jié)構(gòu)中的柱狀結(jié)構(gòu)特性，形成的焊料凸點308尺寸較小，一方面節(jié)約了材料成本，更重要的是能滿足焊盤301密間距或相同空間內(nèi)更多功能輸出點的應(yīng)用需求。至此，也就是說，從焊盤301底部往上形成包括耐熱金屬層303、金屬浸潤層304、附著層306a、阻擋層306b和焊料凸點308 ;其中由耐熱金屬層303、金屬浸潤層304、附著層306a和阻擋層306b構(gòu)成的柱狀間被保護膠307填充以提高產(chǎn)品整體的可靠性能，最終實現(xiàn)了由焊盤301到焊料凸點308間電性傳輸?shù)姆庋b過渡。[0071]雖然本實用新型以較佳實施例披露如上，但本實用新型并非限定于此。任何本領(lǐng)域技術(shù)人員，在不脫離本實用新型的精神和 范圍內(nèi)，均可作各種更動與修改，因此本實用新型的保護范圍應(yīng)當(dāng)以權(quán)利要求所限定的范圍為準。
權(quán)利要求1.一種高可靠圓片級柱狀凸點封裝結(jié)構(gòu)，其特征在于包括芯片、柱體、保護膠和焊料凸點；所述芯片的上表面設(shè)有焊盤和鈍化層，所述鈍化層覆于芯片焊盤開口以外的上表面；所述焊盤上設(shè)有柱體，所述柱體由底部往上依次包括耐熱金屬層、金屬浸潤層、附著層和阻擋層；所述保護膠覆于焊盤所在的芯片表面并填充于柱體間，保護膠的上表面與柱體的頂部齊平；所述柱體的頂部即 阻擋層的上表面設(shè)有焊料凸點。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種高可靠圓片級柱狀凸點封裝結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述耐熱金屬的材料是鈦、鉻或鉭。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種高可靠圓片級柱狀凸點封裝結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述金屬浸潤層的材料是銅、鋁或鎳。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種高可靠圓片級柱狀凸點封裝結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述附著層的材質(zhì)是銅。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種高可靠圓片級柱狀凸點封裝結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述銅附著層的厚度是50-100 μ m。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種高可靠圓片級柱狀凸點封裝結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述阻擋層的材質(zhì)是鎳。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種高可靠圓片級柱狀凸點封裝結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述鎳阻擋層的厚度是I. 5-3 μ m。
8.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種高可靠圓片級柱狀凸點封裝結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述保護膠的材質(zhì)為環(huán)氧樹脂。
9.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種高可靠圓片級柱狀凸點封裝結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述焊料凸點的材質(zhì)是純錫或錫合金。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的一種高可靠圓片級柱狀凸點封裝結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述焊料凸點的厚度是10-70 μ m。
專利摘要一種高可靠圓片級柱狀凸點封裝結(jié)構(gòu)，包括芯片、柱體、保護膠和焊料凸點；所述芯片的上表面設(shè)有焊盤和鈍化層，所述鈍化層覆于芯片焊盤開口以外的上表面；所述焊盤上設(shè)有柱體，所述柱體由底部往上依次包括耐熱金屬層、金屬浸潤層、附著層和阻擋層；所述保護膠覆于焊盤所在的芯片表面并填充于柱體間，保護膠的上表面與柱體的頂部齊平；所述柱體的頂部即阻擋層的上表面設(shè)有焊料凸點。本實用新型提高了產(chǎn)品的電性能和可靠性，適用于焊盤密間距、輸出功能多的圓片級封裝。
文檔編號H01L23/00GK202749359SQ20112053582
公開日2013年2月20日 申請日期2011年12月19日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月19日
發(fā)明者陶玉娟, 石磊, 施建根 申請人:南通富士通微電子股份有限公司