疊層芯片的晶圓級凸塊圓片級封裝架構(gòu)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種疊層芯片的晶圓級凸塊圓片級封裝架構(gòu)，包括作業(yè)芯片，所述作業(yè)芯片包括表層焊墊和表面鈍化層；所述作業(yè)芯片的每一顆表層焊墊上生長有一根金屬線；所述金屬線與表層焊墊的鍵合點呈金屬球結(jié)構(gòu)；所述金屬線的線弧與所述表層焊墊完全垂直；所述金屬線的端部植有作為對外電性或者信號連接層的金屬球。本發(fā)明彌補(bǔ)凸塊結(jié)構(gòu)的性能不足，并且解決了投資巨大、生產(chǎn)成本較高的問題。
【專利說明】疊層芯片的晶圓級凸塊圓片級封裝架構(gòu)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及半導(dǎo)體封裝【技術(shù)領(lǐng)域】中的晶圓級封裝技術(shù)，特別是涉及一種疊層芯片的晶圓級凸塊圓片級封裝架構(gòu)。
【背景技術(shù)】
[0002]目前的晶圓級銅凸塊技術(shù)大量運(yùn)用了晶圓廠前道工藝，在實現(xiàn)凸塊的過程中運(yùn)用金屬濺鍍沉積作為電鍍的種子層，運(yùn)用光刻工藝實現(xiàn)圖形的轉(zhuǎn)移，并且使用厚光刻膠作為凸塊的限位及幫扶層，最后用電鍍生長凸塊。在作業(yè)的過程中運(yùn)用了大量的化學(xué)藥劑來進(jìn)行顯影，金屬去除，光刻膠剝離，工藝步驟復(fù)雜，并且因為各種酸堿、有機(jī)溶液的使用，對環(huán)境帶來一定的潛在污染，或者是花大量的資金用于三廢的處理。在工藝控制上，因為進(jìn)行了多道工藝的作業(yè)，造成工藝控制非常困難，工藝窗口狹窄，一旦控制不嚴(yán)，將對產(chǎn)品良率造成影響。在凸塊結(jié)構(gòu)上，因為凸塊結(jié)構(gòu)由電鍍方式實現(xiàn)，不可避免的，在電鍍過程中將產(chǎn)生金屬內(nèi)空洞，或者金屬致密性不均等問題。
[0003]隨著微電子行業(yè)的飛速發(fā)展，晶圓尺寸也隨著逐步增大，已經(jīng)由原來的4寸、6寸、8寸到現(xiàn)在的12寸，甚至國際半導(dǎo)體巨頭已經(jīng)提出了 18寸的構(gòu)想，而且配套產(chǎn)業(yè)也在快速發(fā)展。相應(yīng)的，隨著晶圓尺寸的增大，整個晶圓封裝均一性的要求也在隨著提高，包括加工均一性及性能均一性。而利用目前的凸塊制造方法，晶圓尺寸增大，相應(yīng)的投資也將成倍增長，投資巨大，但凸塊結(jié)構(gòu)的整體均一性并不能隨著線性增長。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]為彌補(bǔ)以上凸塊結(jié)構(gòu)的性能不足及投資巨大的問題，并且解決生產(chǎn)成本較高，且對環(huán)境存在潛在風(fēng)險的缺點，本發(fā)明提供了疊層芯片的晶圓級凸塊圓片級封裝架構(gòu)。
[0005]本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是:提供一種疊層芯片的晶圓級凸塊圓片級封裝架構(gòu)，包括作業(yè)芯片，所述作業(yè)芯片包括表層焊墊和表面鈍化層；所述作業(yè)芯片的每一顆表層焊墊上生長有一根金屬線；所述金屬線與表層焊墊的鍵合點呈金屬球結(jié)構(gòu)；所述金屬線的線弧與所述表層焊墊完全垂直；所述金屬線的端部植有作為對外電性或者信號連接層的金屬球。
[0006]所述表面鈍化層上固化有用來作為所述金屬線的保護(hù)材料層及橫向力支撐層的環(huán)氧樹脂膠。
[0007]所述金屬線采用金、銅或合金材料制成。
[0008]所述金屬線表面鍍覆有擴(kuò)散阻擋層。
[0009]所述金屬球為錫球。
[0010]有益效果
[0011]由于采用了上述的技術(shù)方案，本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下的優(yōu)點和積極效果:本發(fā)明可以實現(xiàn)和通用做法完全一樣的凸塊分布；性能上本發(fā)明的結(jié)構(gòu)可以達(dá)成和現(xiàn)在的通用做法同樣的效果，并且凸塊高度均一性更好，對外連接方式更靈活；成本上，因為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)運(yùn)用的凸塊實現(xiàn)方式為傳統(tǒng)的引線鍵合(簡稱“wire bond”)工藝，取消了晶圓級封裝通用做法中的光刻、金屬薄膜沉積、電鍍等工藝，材料成本更低，設(shè)備投入更低，銅凸塊的尺寸涵蓋范圍更廣；并且因為引入了銅凸塊底部的金屬球結(jié)構(gòu)用于支撐，可以使運(yùn)用本發(fā)明的結(jié)構(gòu)的芯片抗機(jī)械力沖擊能力更高，可靠性更為突出。本發(fā)明的制作過程中環(huán)氧樹脂膠由于經(jīng)過高溫固化后將具有一定硬度，可以作為金屬線的保護(hù)材料層及橫向力支撐層。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0012]圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0013]圖2是本發(fā)明中作業(yè)晶圓的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0014]圖3是本發(fā)明中金屬線鍵合后的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0015]圖4是本發(fā)明中金屬線鍵合環(huán)氧樹脂膠涂覆后的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0016]圖5是本發(fā)明中金屬線鍵合環(huán)氧樹脂膠涂覆后的剖面結(jié)構(gòu)示意圖；
[0017]圖6是本發(fā)明中減薄后的結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實施方式】
[0018]下面結(jié)合具體實施例，進(jìn)一步闡述本發(fā)明。應(yīng)理解，這些實施例僅用于說明本發(fā)明而不用于限制本發(fā)明的范圍。此外應(yīng)理解，在閱讀了本發(fā)明講授的內(nèi)容之后，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以對本發(fā)明作各種改動或修改，這些等價形式同樣落于本申請所附權(quán)利要求書所限定的范圍。
[0019]本發(fā)明的實施方式涉及一種疊層芯片的晶圓級凸塊圓片級封裝架構(gòu)，如圖1所示，包括作業(yè)芯片1，所述作業(yè)芯片I包括表層焊墊11和表面鈍化層12 ;所述作業(yè)芯片I的每一顆表層焊墊11上生長有一根金屬線2 ;所述金屬線2與表層焊墊11的鍵合點呈金屬球結(jié)構(gòu)21 ;所述金屬線2的線弧22與所述表層焊墊11完全垂直，形成金屬凸塊結(jié)構(gòu)；所述金屬線2的端部23植有作為對外電性或者信號連接層的金屬球3。其中，所述表面鈍化層12上還固化有用來作為所述金屬線2的保護(hù)材料層及橫向力支撐層的環(huán)氧樹脂膠4。
[0020]值得一提的是，環(huán)氧樹脂膠既可以保留，也可以經(jīng)去膠液去除，該環(huán)氧樹脂膠去除后，并不會影響底部金屬凸塊結(jié)構(gòu)對金屬球的有效支撐。
[0021]該結(jié)構(gòu)可采用傳統(tǒng)wire bond方式替代現(xiàn)有的晶圓級先進(jìn)封裝凸塊結(jié)構(gòu),應(yīng)用此結(jié)構(gòu)，成本更低、實現(xiàn)方式更簡單、不會帶來污染、生產(chǎn)效率高、進(jìn)入門檻低，并且整體共面性更好、尺寸控制更方便，為后續(xù)的倒裝提供了均一性更好的焊接點。
[0022]上述結(jié)構(gòu)采用傳統(tǒng)wire bond技術(shù)來進(jìn)行凸塊的鍵合,通過對wire bond線弧控制的更改及二次熔斷的控制實現(xiàn)了在芯片的焊墊上方鍵合線熔球第一點鍵合及第二點在熔球的正上方熔斷，并在整片晶圓的所有焊墊上方實現(xiàn)打線，形成金屬凸塊結(jié)構(gòu)，之后整片晶圓表面涂覆一層環(huán)氧樹脂膠，特別的，此層膠體的厚度要完全覆蓋之前所有的金屬凸塊結(jié)構(gòu)，環(huán)氧樹脂膠需經(jīng)過烘烤固化。經(jīng)過固化后，整片晶圓進(jìn)行正面機(jī)械研磨，研磨厚度控制在所有金屬凸塊的規(guī)則圖形漏出。已漏出的金屬圖形作為焊盤進(jìn)行錫球植球或者印刷錫膏，回流后錫球成型。之后再經(jīng)過晶圓的研磨，切割，分選為單顆芯片，封裝完成。具體步驟如下:[0023]選擇作業(yè)芯片，提供的作業(yè)芯片I為普通的晶圓芯片(見圖2)，表面有可供金屬線鍵合的表層焊墊11。此芯片為晶圓的一個特征芯片，實際作業(yè)過程為晶圓級作業(yè)，包括下述的所有結(jié)構(gòu)生長的過程。
[0024]此作業(yè)芯片經(jīng)過正常的表面處理，清洗，plasma (電漿清洗，用于去除表層有機(jī)污染及去除焊墊上的金屬氧化層，達(dá)到更好的導(dǎo)電效果)，用wire bond設(shè)備進(jìn)行金屬線鍵合，金屬線在鍵合過程中，首先通過wire bond設(shè)備的打火桿進(jìn)行燒球，燒球后通過超聲、劈刀及一定的臺面溫度將金屬球金屬共晶在表層焊墊表面上，實現(xiàn)結(jié)合，并實現(xiàn)了金屬線2的底部用于支撐的金屬球結(jié)構(gòu)21，其中超聲設(shè)置從140至200毫安，鍵合時間從20秒至50秒不等，鍵合壓力從40克至100克不等，底部熱盤溫度從170度至200度不等。此金屬球結(jié)構(gòu)21焊接后，劈刀動作豎直向上，線弧需設(shè)置，和傳統(tǒng)打線不同，劈刀沒有左右移動的動作，使得金屬線2的線弧22與表層焊墊11相互垂直。在升起一定高度后，打火桿直接將金屬絲熔斷。劈刀升高的高度和凸塊最后的高度有直接關(guān)系，升高高度從40微米至120微米不等。升高部分的金屬線頂部區(qū)域為不規(guī)則金屬頂端23。此不規(guī)則金屬頂端在后續(xù)步驟會被研磨掉，通過研磨的高度控制，最后只保留金屬線規(guī)則形狀高度部分。完成該步驟后的結(jié)構(gòu)如圖3所示。
[0025]引線鍵合是傳統(tǒng)封裝方法中用于芯片電性及信號連接，其中一端和芯片的焊墊連接作為第一焊點，另一端連接引線框架或者基板作為第二焊點，較為常用的引線有金線，銅線，鋁線及合金線。由此可見，本結(jié)構(gòu)的制備過程總運(yùn)用了 wire bond技術(shù)與現(xiàn)有技術(shù)并不相同，本結(jié)構(gòu)中的第一焊點技術(shù)連接芯片焊墊，第二點不連接，直接拉起熔斷。
[0026]上述步驟完成后，此晶圓芯片將會進(jìn)行環(huán)氧樹脂膠4的正面涂覆，如圖4和圖5所示，一般選用旋涂設(shè)備或者噴涂設(shè)備，此層膠厚要完全覆蓋金屬頂端，膠層厚度從50微米至130微米不等。此層膠涂覆后要經(jīng)過烘烤固化，此膠層的主要目的是方便研磨，并且在研磨的時候保護(hù)金屬線不變形。
[0027]環(huán)氧樹脂膠完全固化后將進(jìn)行環(huán)氧樹脂膠面的研磨，研磨厚度及控制的最終目標(biāo)是將不規(guī)則的金屬頂端去除，保證漏出的為規(guī)則的圓形金屬截面(見圖6)，此金屬截面將作為下一步驟作業(yè)錫球的底部焊墊。研磨厚度一般為10至30微米。
[0028]如果確定不保留環(huán)氧樹脂膠，可以在此時通過去膠液將環(huán)氧樹脂膠去除，去除環(huán)氧樹脂膠后漏出的金屬表面可以進(jìn)行化學(xué)處理(如化鍍等)，鍍覆擴(kuò)散阻擋層(如鎳)。
[0029]整片晶圓所有芯片上的金屬截面都漏出后，將視球尺寸大小運(yùn)用晶圓植球機(jī)或者鋼網(wǎng)印刷機(jī)進(jìn)行錫球的作業(yè)，此錫球?qū)⒆鳛樾酒淖罱K對外電性或者信號的連接層。錫球植球或者印刷錫膏后將經(jīng)過回流焊進(jìn)行錫球回流，回流后生成標(biāo)準(zhǔn)的錫球陣列3，最終形成如圖1所示的結(jié)構(gòu)。
[0030]需要說明的是，本實施方式中的金屬線的尺寸可以隨意變化，如需要尺寸更大的凸塊，可以選擇性的做輔助焊盤。
【權(quán)利要求】
1.一種疊層芯片的晶圓級凸塊圓片級封裝架構(gòu)，包括作業(yè)芯片(1)，其特征在于，所述作業(yè)芯片(I)包括表層焊墊(11)和表面鈍化層(12);所述作業(yè)芯片(I)的每一顆表層焊墊(11)上生長有一根金屬線(2 );所述金屬線(2 )與表層焊墊(11)的鍵合點呈金屬球結(jié)構(gòu)(21);所述金屬線(2)的線弧(22)與所述表層焊墊(11)完全垂直，形成金屬凸塊結(jié)構(gòu)；所述金屬線(2)的端部(23)植有作為對外電性或者信號連接層的金屬球(3)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的疊層芯片的晶圓級凸塊圓片級封裝架構(gòu)，其特征在于，所述表面鈍化層(12)上固化有用來作為所述金屬線(2)的保護(hù)材料層及橫向力支撐層的環(huán)氧樹脂膠(4)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的疊層芯片的晶圓級凸塊圓片級封裝架構(gòu)，其特征在于，所述金屬線(2 )采用金、銅或合金材料制成。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的疊層芯片的晶圓級凸塊圓片級封裝架構(gòu)，其特征在于，所述金屬線(2 )表面鍍覆有擴(kuò)散阻擋層。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的疊層芯片的晶圓級凸塊圓片級封裝架構(gòu)，其特征在于，所述金屬球(3)為錫球。
【文檔編號】H01L23/28GK103943583SQ201410148410
【公開日】2014年7月23日 申請日期:2014年4月14日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月14日
【發(fā)明者】俞國慶, 邵長治, 廖周芳, 吳超 申請人:寧波芯健半導(dǎo)體有限公司