一種帶有支撐保護(hù)結(jié)構(gòu)的封裝結(jié)構(gòu)的制作方法
【專利摘要】本實(shí)用新型涉及一種帶有支撐保護(hù)結(jié)構(gòu)的封裝結(jié)構(gòu)，封裝結(jié)構(gòu)至少包括兩層芯片，兩層芯片之間實(shí)現(xiàn)互連，并且在其中一層芯片上引出對(duì)外的接口，第二層芯片通過堆疊結(jié)構(gòu)堆疊在第一層芯片上，并在第一層芯片和第二層芯片之間形成密閉的空腔。本實(shí)用新型實(shí)現(xiàn)了多層芯片的晶圓級(jí)堆疊封裝，提升了封裝的信賴性及穩(wěn)定性，芯片間形成的密封的空腔增加了多種保護(hù)選擇，并且此種垂直連接縮短了連線距離，對(duì)功耗要求較低的功率芯片及電源管理芯片提供了解決方案，降低了信噪比，同時(shí)有助于減小多層芯片的外形尺寸，提供了更高的空間利用率及更高的電性互連密度。
【專利說明】一種帶有支撐保護(hù)結(jié)構(gòu)的封裝結(jié)構(gòu)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型屬于半導(dǎo)體封裝中的封裝【技術(shù)領(lǐng)域】，特別是涉及一種帶有支撐保護(hù)結(jié)構(gòu)的封裝結(jié)構(gòu)，即對(duì)應(yīng)圓片級(jí)封裝芯片堆疊的支撐及保護(hù)結(jié)構(gòu)，最少涉及兩片功能性芯片的堆疊，特別涉及金屬支撐及保護(hù)結(jié)構(gòu)，以及多層布線搭建的橋式導(dǎo)電結(jié)構(gòu)，并且運(yùn)用了Copper pillar及TSV的技術(shù)實(shí)現(xiàn)了對(duì)接及電性互連，從而得到集成度更高的封裝模塊，信賴性更高，堆疊成本更低。
【背景技術(shù)】
[0002]目前的封裝技術(shù)依然是傳統(tǒng)封裝為主流，雖然進(jìn)入21世紀(jì)以后，圓片級(jí)封裝在影像傳感器、閃存、邏輯器件及功率芯片等行業(yè)得到了大規(guī)模的應(yīng)用，封裝的市場(chǎng)份額也逐年保持高速增長(zhǎng)，但是封裝在技術(shù)上還存在許多不足，還有不少技術(shù)上的難題需要解決。
[0003]微電子行業(yè)以符合摩爾定律的速度在發(fā)展，決定了在單顆芯片上集成了更多的場(chǎng)效應(yīng)管、各種電阻、電容器件及邏輯關(guān)系，也造成了在更小的單顆芯片上會(huì)有更多地I/O點(diǎn)需要做對(duì)外連接，對(duì)應(yīng)這些要求，半導(dǎo)體封裝行業(yè)的發(fā)展方向也是朝著高集成度、高密度、更薄、更小的方向發(fā)展。封裝對(duì)應(yīng)傳統(tǒng)封裝的優(yōu)勢(shì):第一實(shí)現(xiàn)了更小，更薄，WLP (waferlevel package圓片級(jí)封裝)可以做到封裝尺寸和芯片設(shè)計(jì)尺寸1:1 ;第二，隨著copperPillaK銅凸塊)技術(shù)的發(fā)展，更小的I/O間距在大批量生產(chǎn)中成為了可能，所以在單位面積內(nèi)通過圓片級(jí)封裝可以實(shí)現(xiàn)更多地互連接口。第三，因?yàn)檗饤壛藗鹘y(tǒng)封裝的切割后單體封裝、打線、涂膠、塑封等步驟，封裝的大部分流程都是圓片級(jí)的工藝操作完成，材料浪費(fèi)少、自動(dòng)化水平高、減少了人員觸碰芯片機(jī)會(huì)，所以成本更低、良率更高，制造周期更短。
[0004]但是封裝仍然存在著信賴性的問題，最主要的問題來源是對(duì)芯片功能區(qū)的保護(hù)不夠。如現(xiàn)在的3D堆疊封裝中兩層芯片直接進(jìn)行的錫球焊點(diǎn)或者金屬共晶互連，在互連區(qū)域結(jié)構(gòu)直接懸空，造成功能區(qū)和外部環(huán)境直接接觸，逐漸老化或者接觸外部的一些侵蝕等傷害后就會(huì)出現(xiàn)功能型不良，造成信賴性和穩(wěn)定性的不足。
實(shí)用新型內(nèi)容
[0005]本實(shí)用新型所要解決的技術(shù)問題是提供一種可以實(shí)現(xiàn)封裝信賴性及穩(wěn)定性的帶有支撐保護(hù)結(jié)構(gòu)的封裝結(jié)構(gòu)。
[0006]本實(shí)用新型解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是:提供一種帶有支撐保護(hù)結(jié)構(gòu)的封裝結(jié)構(gòu)，至少包括兩層芯片，兩層芯片之間實(shí)現(xiàn)互連，并且在其中一層芯片上引出對(duì)外的接口，第二層芯片通過堆疊結(jié)構(gòu)堆疊在第一層芯片上，并在第一層芯片和第二層芯片之間形成密閉的空腔。
[0007]所述第一層芯片包括第一硅基板、芯片鈍化層、芯片焊墊、焊墊開口、第一鈍化層、第一金屬層；所述第一硅基板上有所述芯片鈍化層；所述芯片鈍化層和芯片焊墊上生長(zhǎng)有所述第一鈍化層；所述第一鈍化層在對(duì)應(yīng)所述芯片焊墊的位置形成焊墊開口 ；所述焊墊開口處生長(zhǎng)有第一金屬層；所述第一金屬層上形成線路；所述第一金屬層上生長(zhǎng)有第二鈍化層，所述第二鈍化層上有開口 ；所述開口處設(shè)有第二金屬層；所述第二金屬層作為銅凸點(diǎn)及支撐結(jié)構(gòu)的電鍍種子層；所述第二金屬層上設(shè)有銅凸點(diǎn)和支撐結(jié)構(gòu)；所述銅凸點(diǎn)頂部有錫帽；所述第二層芯片與第一層芯片呈鏡像結(jié)構(gòu)。
[0008]所述第一金屬層上形成橋式導(dǎo)通結(jié)構(gòu)以實(shí)現(xiàn)空腔體內(nèi)外的電性互連。
[0009]所述堆疊結(jié)構(gòu)包括金屬共晶鍵合支撐層；所述第一層芯片的銅凸點(diǎn)與支撐結(jié)構(gòu)和第二層芯片的銅凸點(diǎn)與支撐結(jié)構(gòu)相互壓合，使得兩層芯片的支撐結(jié)構(gòu)形成金屬共晶鍵合支撐層，所述金屬共晶鍵合支撐層、第一層芯片和第二層芯片之間形成密閉的空腔。
[0010]所述兩層芯片中任意一層芯片作為對(duì)外電性連接的承載結(jié)構(gòu)，在該層芯片的背面通過TSV加工形成對(duì)外的電性互連。
[0011]所述第一層芯片的焊墊和第二層芯片的焊墊通過線路、銅凸點(diǎn)和銅通孔互連實(shí)現(xiàn)外部的電性互連。
[0012]所述空腔內(nèi)為真空狀態(tài)或充有惰性氣體。
[0013]有益效果
[0014]由于采用了上述的技術(shù)方案，本實(shí)用新型與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下的優(yōu)點(diǎn)和積極效果:本實(shí)用新型實(shí)現(xiàn)了多層芯片的晶圓級(jí)堆疊封裝，同時(shí)此結(jié)構(gòu)所實(shí)用新型的支撐保護(hù)結(jié)構(gòu)提升了封裝的信賴性及穩(wěn)定性，并且此結(jié)構(gòu)在成本上相比其他封裝結(jié)構(gòu)沒有增加，芯片間形成的密封的空腔增加了多種保護(hù)選擇，如空腔內(nèi)可以是真空及其他特殊氣體。并且此種垂直連接縮短了連線距離，對(duì)功耗要求較低的功率芯片及電源管理芯片提供了解決方案，降低了信噪比。并且有助于減小多層芯片的外形尺寸，提供了更高的空間利用率及更高的電性互連密度。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0015]圖1是本實(shí)用新型提供第一層芯片做出第一層金屬并結(jié)構(gòu)化的剖面示意圖；
[0016]圖2是本實(shí)用新型提供第一層芯片做出第二層金屬并結(jié)構(gòu)化的剖面示意圖；
[0017]圖3是本實(shí)用新型提供第一層芯片銅凸點(diǎn)及支撐結(jié)構(gòu)生長(zhǎng)完成后的剖面示意圖；
[0018]圖4是本實(shí)用新型提供第一層芯片銅凸點(diǎn)及支撐結(jié)構(gòu)生長(zhǎng)完成后的結(jié)構(gòu)主視圖；
[0019]圖5是本實(shí)用新型提供第一層芯片及第二層芯片對(duì)位壓合后依靠支撐結(jié)構(gòu)形成腔體的剖面示意圖；
[0020]圖6是本實(shí)用新型提供的第二層芯片開始背面處理后的剖面示意圖；
[0021]圖7是本實(shí)用新型提供的第二層芯片背面布線完成后的剖面示意圖；
[0022]圖8是本實(shí)用新型提供的成品示意圖；
[0023]圖9是圖4的三維圖。
【具體實(shí)施方式】
[0024]下面結(jié)合具體實(shí)施例，進(jìn)一步闡述本實(shí)用新型。應(yīng)理解，這些實(shí)施例僅用于說明本實(shí)用新型而不用于限制本實(shí)用新型的范圍。此外應(yīng)理解，在閱讀了本實(shí)用新型講授的內(nèi)容之后，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以對(duì)本實(shí)用新型作各種改動(dòng)或修改，這些等價(jià)形式同樣落于本申請(qǐng)所附權(quán)利要求書所限定的范圍。
[0025]本實(shí)用新型涉及一種帶有支撐保護(hù)結(jié)構(gòu)的封裝結(jié)構(gòu)，包含第一層芯片、第二層芯片、第一層芯片及第二層芯片堆疊鍵合后的結(jié)構(gòu)及對(duì)外電性接口。該封裝結(jié)構(gòu)可廣泛應(yīng)用于功率芯片、電源管理芯片、邏輯芯片及閃存芯片等。
[0026]該帶有支撐保護(hù)結(jié)構(gòu)的封裝結(jié)構(gòu)，如圖8所示，至少包括兩層芯片，兩層芯片之間實(shí)現(xiàn)互連，并且在其中一層芯片上引出對(duì)外的接口，第二層芯片通過堆疊結(jié)構(gòu)堆疊在第一層芯片上，并在第一層芯片和第二層芯片之間形成密閉的空腔。其中，每層芯片基于圓片級(jí)封裝。所述空腔內(nèi)為真空狀態(tài)或充有惰性氣體。
[0027]所述第一層芯片的焊墊和第二層芯片的焊墊通過線路、銅凸點(diǎn)和銅通孔互連實(shí)現(xiàn)外部的電性互連，其中，所述第一金屬層上形成橋式導(dǎo)通結(jié)構(gòu)以實(shí)現(xiàn)空腔體內(nèi)外的電性互連。
[0028]如圖2、圖3、圖4和圖9所示，所述第一層芯片包括第一硅基板、芯片鈍化層、芯片焊墊、焊墊開口、第一鈍化層、第一金屬層；所述第一硅基板上有所述芯片鈍化層；所述芯片鈍化層和芯片焊墊上生長(zhǎng)有所述第一鈍化層；所述第一鈍化層在對(duì)應(yīng)所述芯片焊墊的位置形成焊墊開口 ；所述焊墊開口處生長(zhǎng)有第一金屬層；所述第一金屬層上形成線路，引入支撐結(jié)構(gòu)的內(nèi)部；所述第一金屬層上生長(zhǎng)有第二鈍化層，所述第二鈍化層上有開口 ；所述開口處設(shè)有第二金屬層；所述第二金屬層作為銅凸點(diǎn)及支撐結(jié)構(gòu)的電鍍種子層；所述第二金屬層上設(shè)有銅凸點(diǎn)和支撐結(jié)構(gòu)；所述銅凸點(diǎn)頂部有錫帽；所述第二層芯片與第一層芯片呈鏡像結(jié)構(gòu)。
[0029]如圖5所示，所述堆疊結(jié)構(gòu)包括金屬共晶鍵合支撐層；所述第一層芯片的銅凸點(diǎn)與支撐結(jié)構(gòu)和第二層芯片的銅凸點(diǎn)與支撐結(jié)構(gòu)相互壓合，使得兩層芯片的支撐結(jié)構(gòu)形成金屬共晶鍵合支撐層，所述金屬共晶鍵合支撐層、第一層芯片和第二層芯片之間形成密閉的空腔。
[0030]所述兩層芯片中任意一層芯片作為對(duì)外電性連接的承載結(jié)構(gòu)，在該層芯片的背面通過TSV加工形成對(duì)外的電性互連。本實(shí)施方式中采用第二層芯片進(jìn)行對(duì)外電性互聯(lián)，見圖6和圖7所示。
[0031]需要說明的是，所述支撐層的材料可以是鈦、銅、錫的組合。所述支撐連接層的材料可以是錫及錫合金或者是金、鉻。所述錫球錫帽的材料可以是錫、錫銀合金及錫銀銅合金。所述支撐層及銅凸點(diǎn)的高度從10um-100um。
[0032]本實(shí)用新型的封裝過程如圖1-圖8所示。
[0033]第一層芯片未經(jīng)加工之前包含第一娃基板11、芯片鈍化層12、芯片焊墊13、焊墊開口 14，經(jīng)過第一鈍化層15的沉積，并且光刻圖形轉(zhuǎn)移后，第一鈍化層15在對(duì)應(yīng)芯片焊墊13的位置形成焊墊開口 16。在此基礎(chǔ)上，濺鍍第一金屬層16，第一金屬層經(jīng)過光刻后形成重布線線路，此線路將作為橋式導(dǎo)通結(jié)構(gòu)?？蛇x的，第一金屬層的材質(zhì)為鈦銅，厚度為0.2-lum ;可選的，第一鈍化層為一種負(fù)性光刻膠，有較佳的絕緣性及熱膨脹系數(shù)，厚度2-lOum。
[0034]在金屬層上涂布第二鈍化層23，經(jīng)過光刻形成開口 24，然后進(jìn)行第二金屬層22的生長(zhǎng)和電鍍，第二金屬層22將作為銅凸點(diǎn)及支撐結(jié)構(gòu)的電鍍種子層，同時(shí)此層金屬層也可以在表面做線路排布，但此層金屬無法通過支撐結(jié)構(gòu)42形成腔體內(nèi)外的連接。通過第二鈍化層23，支撐結(jié)構(gòu)42的銅和第一金屬層16形成了絕緣?？蛇x的，第二金屬層22材質(zhì)為鈦銅，經(jīng)過電鍍后厚度0.5-1.5um，并作為種子層。[0035]在第二金屬層22及芯片表面涂布厚光刻膠33，此光刻膠經(jīng)過光刻圖形轉(zhuǎn)移后在對(duì)應(yīng)生長(zhǎng)銅凸點(diǎn)的位置暴漏出有一定直徑及高度的深孔，并且完全漏出深孔底部的銅種子層，此時(shí)銅種子層依然保持整面性，以方便電鍍過程中的均一通電。在此深孔配合種子層的結(jié)構(gòu)上做銅電鍍，以生長(zhǎng)后續(xù)制程所需要高度的銅凸點(diǎn)31，此時(shí)銅凸點(diǎn)31的高度要比光刻膠的深孔低，銅凸點(diǎn)31的高度通過電鍍時(shí)間掌控。銅凸點(diǎn)31生長(zhǎng)完成后，可以有兩種方式來生長(zhǎng)銅凸點(diǎn)頂部的錫帽32，其中一種為和電鍍銅凸點(diǎn)同樣的方式進(jìn)行電鍍錫，之后錫球回流，去除厚光刻膠；另一種方式為厚光刻膠去除，正面涂覆助焊劑，然后在銅凸點(diǎn)及助焊劑的基礎(chǔ)上通過植球的方式在每一個(gè)銅凸點(diǎn)上對(duì)應(yīng)放置一顆錫球，之后錫球回流。至此芯片的銅凸點(diǎn)工藝完成。可選的，銅凸點(diǎn)的高度lO-lOOum，錫帽高度40-100um。同時(shí)在第二金屬層上形成支撐結(jié)構(gòu)。
[0036]第二層芯片的銅凸點(diǎn)31制作和第一片芯片基本相同，所有結(jié)構(gòu)以第一層芯片的標(biāo)記來表示，唯一不同的是，因第二層芯片需要和第一層芯片做對(duì)位鍵合，所以第二層芯片的所有凸點(diǎn)布局要和第一層芯片形成鏡像，此要求可以通過第一層芯片的第一層金屬16和第二層芯片的重布線來完成。需要重新布線的芯片焊墊在重新布線的過程中通過第一金屬層形成的線路44引入支撐結(jié)構(gòu)42的內(nèi)部。
[0037]兩層芯片皆完成芯片銅凸點(diǎn)31生長(zhǎng)后，第二層芯片需要翻轉(zhuǎn)180度，以實(shí)現(xiàn)第一層和第二層芯片的對(duì)位，銅凸點(diǎn)及支撐結(jié)構(gòu)需要完成對(duì)應(yīng)，通過鍵合機(jī)的夾具進(jìn)行預(yù)對(duì)位，此時(shí)兩層芯片之間還有一定空隙，以方便在鍵合過程中，鍵合機(jī)腔體中的真空或者特殊氣體可以傳導(dǎo)到芯片鍵合中的每一個(gè)腔體中。壓合后，支撐層及銅凸點(diǎn)以金屬共晶的方式實(shí)現(xiàn)了金屬共晶鍵合支撐層51，并且在芯片之間形成了空腔52，即金屬共晶鍵合支撐層、第一層芯片和第二層芯片之間形成密閉的空腔。可選的，此空腔52里可以是真空及特殊氣體。
[0038]第二層芯片視厚度進(jìn)行背面減薄作業(yè)，減薄后，在背面進(jìn)行光刻，以漏出第二層芯片的焊墊對(duì)應(yīng)的硅區(qū)域，之后通過干法刻蝕做出硅孔，并且漏出第二層芯片的焊墊61，經(jīng)過化學(xué)氣相沉積一層二氧化硅層62，經(jīng)過光刻后暴漏出焊墊61，此步驟完成后，再次濺射第三層金屬72，此金屬經(jīng)過圖形轉(zhuǎn)移后形成線路導(dǎo)通至背面，并成型成焊盤71。再經(jīng)過一層光刻膠73涂覆，在焊盤區(qū)域形成圖形，以方便生長(zhǎng)下一步的對(duì)外電性連接結(jié)構(gòu)81。
[0039]本實(shí)施例提供的光刻圖形化動(dòng)作都是經(jīng)過涂光刻膠、烘干、曝光、顯影、刻蝕來實(shí)現(xiàn)的。
【權(quán)利要求】
1.一種帶有支撐保護(hù)結(jié)構(gòu)的封裝結(jié)構(gòu)，至少包括兩層芯片，其特征在于，兩層芯片之間實(shí)現(xiàn)互連，并且在其中一層芯片上引出對(duì)外的接口，第二層芯片通過堆疊結(jié)構(gòu)堆疊在第一層芯片上，并在第一層芯片和第二層芯片之間形成密閉的空腔。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的帶有支撐保護(hù)結(jié)構(gòu)的封裝結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述第一層芯片包括第一硅基板(11)、芯片鈍化層(12)、芯片焊墊(13)、焊墊開口(14)、第一鈍化層(15)、第一金屬層(16);所述第一硅基板(11)上有所述芯片鈍化層(12);所述芯片鈍化層(12)和芯片焊墊(13)上生長(zhǎng)有所述第一鈍化層(15);所述第一鈍化層(15)在對(duì)應(yīng)所述芯片焊墊(13)的位置形成焊墊開口( 14);所述焊墊開口( 14)處生長(zhǎng)有第一金屬層(16);所述第一金屬層(16)上形成線路(44);所述第一金屬層(16)上生長(zhǎng)有第二鈍化層(23)，所述第二鈍化層(23)上有開口(24);所述開口(24)處設(shè)有第二金屬層(22);所述第二金屬層(22)作為銅凸點(diǎn)(31)及支撐結(jié)構(gòu)(42)的電鍍種子層；所述第二金屬層(22)上設(shè)有銅凸點(diǎn)(31)和支撐結(jié)構(gòu)(42);所述銅凸點(diǎn)(31)頂部有錫帽(32);所述第二層芯片與第一層芯片呈鏡像結(jié)構(gòu)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的帶有支撐保護(hù)結(jié)構(gòu)的封裝結(jié)構(gòu)，所述第一金屬層(16)上形成橋式導(dǎo)通結(jié)構(gòu)以實(shí)現(xiàn)空腔體內(nèi)外的電性互連。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的帶有支撐保護(hù)結(jié)構(gòu)的封裝結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述堆疊結(jié)構(gòu)包括金屬共晶鍵合支撐層(51);所述第一層芯片的銅凸點(diǎn)與支撐結(jié)構(gòu)和第二層芯片的銅凸點(diǎn)與支撐結(jié)構(gòu)相互壓合，使得兩層芯片的支撐結(jié)構(gòu)形成金屬共晶鍵合支撐層(51)，所述金屬共晶鍵合支撐層(51)、第一層芯片和第二層芯片之間形成密閉的空腔(52)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的帶有支撐保護(hù)結(jié)構(gòu)的封裝結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述兩層芯片中任意一層芯片作為對(duì)外電性連接的承載結(jié)構(gòu)，在該層芯片的背面通過TSV加工形成對(duì)外的電性互連。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的帶有支撐保護(hù)結(jié)構(gòu)的封裝結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述第一層芯片的焊墊和第二層芯片的焊墊通過線路、銅凸點(diǎn)和銅通孔互連實(shí)現(xiàn)外部的電性互連。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的帶有支撐保護(hù)結(jié)構(gòu)的封裝結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述空腔(52)內(nèi)為真空狀態(tài)或充有惰性氣體。
【文檔編號(hào)】H01L23/528GK203589014SQ201320708064
【公開日】2014年5月7日 申請(qǐng)日期:2013年11月8日 優(yōu)先權(quán)日:2013年11月8日
【發(fā)明者】俞國慶, 邵長(zhǎng)治, 謝皆雷, 廖周芳, 吳超, 羅立輝, 吳偉峰, 嚴(yán)怡媛 申請(qǐng)人:寧波芯健半導(dǎo)體有限公司