晶圓級(jí)含硅通孔的半導(dǎo)體封裝方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種晶圓級(jí)含硅通孔的半導(dǎo)體封裝方法，屬于半導(dǎo)體封裝領(lǐng)域。封裝方法主要包含以下步驟：1，在蓋板正面上制作有空腔結(jié)構(gòu)；2，將蓋板正面通過鍵合機(jī)同晶圓正面進(jìn)行鍵合；3，通過研磨機(jī)對(duì)晶圓背面進(jìn)行研磨，并進(jìn)行去應(yīng)力等離子刻蝕；4，從晶圓背面開始，將屬于切割道區(qū)域的硅全部去除；5，對(duì)晶圓背面進(jìn)行刻蝕以形成硅通孔孔洞，并將焊盤暴露出來；6，依次在晶圓背面、硅通孔孔內(nèi)制作鈍化層、金屬層和防焊層以構(gòu)成重分布線路層，從而將焊盤導(dǎo)通到晶圓背面預(yù)設(shè)的焊球位置；7，制作焊球并沿切割道進(jìn)行切割。通過本發(fā)明專利的實(shí)施：提升了晶圓切割工藝的良率，降低了封裝結(jié)構(gòu)中的應(yīng)力水平，減小了封裝結(jié)構(gòu)的外形尺寸。
【專利說明】晶圓級(jí)含硅通孔的半導(dǎo)體封裝方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及半導(dǎo)體封裝領(lǐng)域，尤其涉及一種晶圓級(jí)含硅通孔的半導(dǎo)體封裝方法。所述的方法可以優(yōu)選地用于圖像傳感器、MEMS器件或集成芯片等。

【背景技術(shù)】
[0002]隨著電子技術(shù)的飛速發(fā)展，個(gè)人消費(fèi)電子產(chǎn)品如手機(jī)、筆記本電腦等也朝著更輕、更薄、更快、更便攜的方向發(fā)展。半導(dǎo)體芯片的封裝形式也經(jīng)歷了由金屬圓形封裝(T0)、小外形封裝(SOP)、四邊扁平封裝(QFP)、焊球陣列封裝(BGA)到多芯片和系統(tǒng)級(jí)三維封裝。芯片面積與封裝面積之比越來越接近甚至超越1，引腳數(shù)越來越多、可靠性越來越好。
[0003]晶圓級(jí)封裝(WLP)是以BGA技術(shù)為基礎(chǔ)，是一種經(jīng)過改性和提高的芯片尺寸封裝(CSP)。晶圓級(jí)封裝的特征是利用再布線技術(shù)對(duì)分布在芯片周邊的焊盤進(jìn)行重新排布并在之后完成凸點(diǎn)(或者焊球)成型。它將半導(dǎo)體封裝技術(shù)與高密度封裝技術(shù)有機(jī)結(jié)合在一起，在晶圓狀態(tài)下進(jìn)行加工，最后切割形成單個(gè)器件，可以省略集成電路制造中的后工序，使得生產(chǎn)成本大幅度下降。
[0004]娃通孔(Through-Silicon Via)技術(shù)是通過在芯片之間、晶圓之間制作垂直通孔，實(shí)現(xiàn)垂直方向互連的新技術(shù)。與以往的封裝技術(shù)相比，硅通孔技術(shù)可以使封裝的密度最大，外形尺寸最小。此外，還能大大提高芯片傳輸速度，并且具備低功耗的優(yōu)點(diǎn)。
[0005]然而目前的半導(dǎo)體封裝產(chǎn)品中，特別是對(duì)于晶圓級(jí)圖像傳感器、MEMS器件以及集成芯片等封裝類型，還存在著許多影響產(chǎn)品可靠性的問題:
[0006]1.根據(jù)不同的芯片類型，有時(shí)為了保護(hù)位于晶圓正面103a的芯片區(qū)，需要在蓋板101和晶圓103之間形成密閉的空腔結(jié)構(gòu)101c?，F(xiàn)有工藝通常采用在晶圓正面103a覆蓋一層蓋板101的方法，通過在二者之間制作帶有粘接作用、并且具有一定厚度的支撐墻來實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。而選用的支撐墻材料一般多為高分子聚合物材料，由于蓋板101、晶圓103、支撐墻這三種材料的熱膨脹系數(shù)相差較大，而熱膨脹系數(shù)的不匹配會(huì)導(dǎo)致熱應(yīng)力的發(fā)生，造成封裝結(jié)構(gòu)在后續(xù)可靠性實(shí)驗(yàn)和服役中，容易發(fā)生支撐墻與蓋板101和晶圓103之間的分層、裂紋，從而導(dǎo)致器件功能下降甚至失效；此外，由于支撐墻都具有一定的高度，從而增加了封裝結(jié)構(gòu)總體的厚度，影響了產(chǎn)品最終的外形尺寸，特別是在厚度方向產(chǎn)生劣勢(shì)。
[0007]2.現(xiàn)有封裝工藝往往先是在晶圓背面103b整面上制作含金屬層108的重分布線路層，然后再對(duì)晶圓103進(jìn)行切割形成單顆的芯片。由于需要切割的區(qū)域包含重分布線路層、硅、聚合物、蓋板101等多種硬度不同的材料，這就對(duì)切割工藝提出了極大的挑戰(zhàn)，容易產(chǎn)生碎片、裂片等現(xiàn)象。另一方面，在封裝產(chǎn)品的后續(xù)服役過程中，由于金屬層108在封裝結(jié)構(gòu)的四周處是直接同外界接觸，一旦發(fā)生界面之間的分層，容易將外界環(huán)境中的濕氣引入封裝結(jié)構(gòu)內(nèi)部，造成器件的加速失效。
[0008]因此，為了克服以上問題，研發(fā)一種晶圓級(jí)含硅通孔的半導(dǎo)體封裝方法顯得十分必要。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]本發(fā)明提供了一種晶圓級(jí)含硅通孔的半導(dǎo)體封裝方法。通過本發(fā)明的實(shí)施:提升了晶圓103切割工藝的良率；通過使金屬層108不直接與外界進(jìn)行接觸，降低了封裝結(jié)構(gòu)中的應(yīng)力水平；通過在蓋板101上制作空腔結(jié)構(gòu)101c，減小了封裝結(jié)構(gòu)的外形尺寸，提高了器件的可靠性。
[0010]為了實(shí)現(xiàn)以上目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案:
[0011]本發(fā)明實(shí)施的晶圓級(jí)含硅通孔的半導(dǎo)體封裝結(jié)構(gòu)，所述結(jié)構(gòu)包括:蓋板101，并且在蓋板正面1la制作有空腔結(jié)構(gòu)1lc ;晶圓103 ;在晶圓正面103a預(yù)制有多個(gè)芯片區(qū)，每個(gè)芯片區(qū)包括位于中央的功能區(qū)104和四周的若干個(gè)焊盤105 ;鍵合膠102，通過在蓋板正面1la涂布一層鍵合膠102，將蓋板正面1la同晶圓正面103a鍵合到一起；硅通孔106，通過在晶圓背面103b制作硅通孔106將焊盤105暴露出來，用以和后續(xù)的重分布線路層相連接；重分布線路層，所述重分布線路層包括鈍化層107、金屬層108、防焊層109，通過在晶圓背面103b制作重分布線路層，將晶圓正面103a的焊盤105與晶圓背面103b的焊球110實(shí)現(xiàn)導(dǎo)通；焊球110，位于晶圓背面103b的重分布線路層上。
[0012]所述金屬層108在邊緣處被所述防焊層109所包裹而不與外界直接接觸。
[0013]可選的，所述半導(dǎo)體芯片可以為圖像傳感器芯片、MEMS IC或集成芯片等。
[0014]可選的，所述蓋板101可以是玻璃、石英、塑膠等透明材質(zhì)，也可以為硅、陶瓷、金屬等材料。
[0015]可選的，所述空腔結(jié)構(gòu)1lc位于功能區(qū)103的正上方；并且空腔結(jié)構(gòu)10c的截面為圓形或者方形。
[0016]本發(fā)明提供的一種制造所述晶圓級(jí)含硅通孔的半導(dǎo)體封裝的方法，包括以下步驟:
[0017]步驟I，制作蓋板101:所述蓋板正面1la上制作有若干個(gè)空腔結(jié)構(gòu)1lc ；
[0018]步驟2，晶圓103鍵合:通過鍵合機(jī)，先在蓋板正面1la涂布一層鍵合膠102，然后將蓋板正面1la同晶圓正面103a進(jìn)行鍵合；
[0019]步驟3,晶圓103減薄,減薄過程分兩步進(jìn)行:首先,通過研磨機(jī),對(duì)晶圓背面103b進(jìn)行研磨，將晶圓103減薄到設(shè)定厚度；然后，對(duì)減薄后的晶圓背面103b進(jìn)行去應(yīng)力等離子刻蝕；
[0020]步驟4，切割道100刻蝕，從晶圓背面103b開始，采用刻蝕工藝，將屬于切割道100區(qū)域的硅全部去除，直到暴露出鍵合膠102 ；
[0021]步驟5，硅通孔106刻蝕，對(duì)晶圓背面103b進(jìn)行刻蝕以形成硅通孔106孔洞，同時(shí)，將位于晶圓正面103a的焊盤105暴露出來；
[0022]步驟6，重分布線路層，依次在晶圓背面103b、硅通孔106孔內(nèi)制作鈍化層107、金屬層108和防焊層109以構(gòu)成重分布線路層，從而將焊盤105導(dǎo)通到晶圓背面103b預(yù)設(shè)的焊球110位置；
[0023]步驟7，焊球110和切割，將焊球110形成于晶圓背面103b的重分布線路層上，然后對(duì)晶圓103沿著切割道100進(jìn)行切割以形成單顆芯片的封裝。
[0024]在制作所述金屬層108時(shí)，將屬于切割道100及其附近區(qū)域的金屬層108進(jìn)行去除。首先，以便在進(jìn)行切割工藝步時(shí)不包含金屬層108 ;另外，使金屬層108在邊緣處被防焊層109所包裹而不與外界直接接觸。
[0025]可選的，所述蓋板101同晶圓正面103a利用鍵合膠102進(jìn)行鍵合，所述鍵合膠102為一種樹脂類粘接膠。
[0026]可選的，所述切割道100刻蝕和硅通孔106刻蝕均是采用等離子刻蝕的干法刻蝕工藝，包括深反應(yīng)離子刻蝕(DRIE)。
[0027]可選的，所述最外側(cè)防焊層109的厚度不超過鈍化層107厚度的1.5倍。
[0028]與現(xiàn)有技術(shù)相比，通過本發(fā)明專利的實(shí)施，有益效果是:
[0029]1.通過在蓋板101上制作空腔結(jié)構(gòu)101c，從而省去了傳統(tǒng)封裝結(jié)構(gòu)中，在蓋板101和晶圓103鍵合時(shí)所需的支撐墻結(jié)構(gòu)，降低了封裝結(jié)構(gòu)整體的厚度，實(shí)現(xiàn)了封裝結(jié)構(gòu)的小型化、超薄化。此外，還可以減小結(jié)構(gòu)中由于不同材料之間由于熱失配而產(chǎn)生的應(yīng)力，通過有線元計(jì)算結(jié)果顯示，相比傳統(tǒng)的支撐墻結(jié)構(gòu)，在蓋板101和晶圓103界面處的應(yīng)力有30%左右的降幅。從而可以改善界面分層、裂紋等失效，提高了封裝的可靠性。
[0030]2.通過將屬于切割道100區(qū)域的硅以及金屬層108進(jìn)行去除，從而降低了對(duì)切割工藝步的挑戰(zhàn)，由于在切割工藝中減少了對(duì)金屬層108的切割，減少了需要切割的材料種類，從而減少了由于切割造成的碎片、裂片現(xiàn)象，提高了切割工藝步的良率。
[0031]3.通過利用所述防焊層109將四周邊緣處的金屬層108進(jìn)行包裹，從而使金屬層108不直接與外界進(jìn)行接觸。由于金屬層108不與外界直接接觸，降低了邊界處不同界面之間的剝離應(yīng)力，也能夠防止?jié)駳庋刂饘賹?08進(jìn)入到封裝內(nèi)部，提高了產(chǎn)品在服役階段的可靠性。
[0032]本發(fā)明的下文特舉例實(shí)施例，并配合附圖對(duì)本發(fā)明的上述特征和優(yōu)點(diǎn)做詳細(xì)說明。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0033]圖1為根據(jù)本發(fā)明繪制的一種晶圓級(jí)含硅通孔的半導(dǎo)體封裝結(jié)構(gòu)示意圖。
[0034]圖2(a)到(f)為根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例繪制的晶圓級(jí)含硅通孔的半導(dǎo)體封裝流程剖面示意圖。
[0035]圖中標(biāo)號(hào):100.切割道，101.蓋板，1la.蓋板正面，1lb.蓋板背面，100c.空腔結(jié)構(gòu)，102.鍵合膠，103.晶圓，103a.晶圓正面，103b.晶圓背面，104.功能區(qū)，105.焊盤，106.硅通孔，107.鈍化層，108.金屬層，109.防焊層，110.焊球。

【具體實(shí)施方式】
[0036]下面將參照附圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)行更詳細(xì)的描述:
[0037]以圖1所示，本發(fā)明實(shí)施方式的晶圓級(jí)含硅通孔的半導(dǎo)體封裝包括:1.蓋板101，并在所述蓋板正面1la制作有空腔結(jié)構(gòu)1lc ；2.晶圓103，其包含晶圓正面103a和晶圓背面103b ；3.功能區(qū)104和焊盤105，在晶圓正面103a預(yù)制有多個(gè)芯片區(qū)，每個(gè)芯片區(qū)包括位于中央的功能區(qū)104和四周的若干個(gè)焊盤105 ；4.鍵合膠102，通過在蓋板正面1la涂布一層鍵合膠102，將蓋板正面1la同晶圓正面103a鍵合到一起；5.硅通孔106，通過在晶圓背面103b制作硅通孔106將焊盤105暴露出來，用以和后續(xù)的重分布線路層相連接；
6.重分布線路層，所述重分布線路層包括鈍化層107、金屬層108、防焊層109，通過在晶圓背面103b制作重分布線路層，將晶圓正面103a的焊盤105與晶圓背面103b的焊球110實(shí)現(xiàn)導(dǎo)通；7.焊球110，位于晶圓背面102b的重分布線路層上。
[0038]下面將結(jié)合圖2(a)到(f)來詳細(xì)說明本實(shí)施例的晶圓級(jí)含硅通孔的半導(dǎo)體封裝制造流程。圖2(a)到(f)為根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例繪制的晶圓級(jí)含硅通孔的半導(dǎo)體封裝制造流程剖面示意圖。
[0039]步驟I，制作蓋板101:
[0040]請(qǐng)參考圖2(a)，首先提供蓋板101，通過均膠機(jī)，在蓋板正面1la上均勻涂布一層光刻膠，利用曝光顯影工藝將需要制作空腔結(jié)構(gòu)1lc的窗口打開，然后通過刻蝕工藝在蓋板正面1la形成空腔結(jié)構(gòu)101c，最后將涂布的光刻膠進(jìn)行去除。
[0041]在本實(shí)施例中，所述蓋板101可以是玻璃、石英、塑膠等透明材質(zhì)，也可以為硅、陶瓷、金屬等材料。所述空腔結(jié)構(gòu)1lc的截面可以為圓形或者方形。
[0042]步驟2，晶圓103鍵合:
[0043]請(qǐng)參考圖2(b)，首先在蓋板正面1la涂布一層鍵合膠102，然后利用鍵合機(jī)，將蓋板正面1la同晶圓正面103a進(jìn)行鍵合。
[0044]在本實(shí)施例中，鍵合膠102可以采用滾刷的方式進(jìn)行涂布，并且所述鍵合膠102為一種樹脂類粘接膠。
[0045]步驟3,晶圓103減薄:
[0046]請(qǐng)參考圖2(c)，首先，通過研磨機(jī)對(duì)晶圓背面103b進(jìn)行研磨，減薄到設(shè)定厚度；然后，在研磨后對(duì)晶圓第二表面103b進(jìn)行去應(yīng)力等離子刻蝕。
[0047]在本實(shí)施例中，將晶圓103的厚度從最開始的600?700微米降至130微米左右；去應(yīng)力等離子蝕刻是為了去除晶圓103中由于研磨產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力，改善晶圓103的翹曲，便于后續(xù)工藝進(jìn)行。
[0048]步驟4，切割道100刻蝕:
[0049]請(qǐng)參考圖2(c)，從晶圓背面103b開始，采用刻蝕工藝，將晶圓103上屬于切割道100附近區(qū)域的硅進(jìn)行去除，直至暴露出鍵合膠102。
[0050]在本實(shí)施例中，所述的切割道100刻蝕工藝包括:1.等離子刻蝕的干法刻蝕工藝，如深反應(yīng)離子刻蝕(DRIE) ；2.包含硅刻蝕液的濕法刻蝕工藝。
[0051]步驟5，硅通孔106刻蝕:
[0052]請(qǐng)參考圖2(d)，采用刻蝕工藝，對(duì)晶圓背面103b進(jìn)行刻蝕以形成硅通孔106孔洞，同時(shí)，將位于晶圓正面103a的焊盤105暴露出來。
[0053]在本實(shí)施例中，所述硅通孔106刻蝕是采用等離子刻蝕的干法刻蝕工藝，包括深反應(yīng)離子刻蝕(DRIE)。
[0054]步驟6，重分布線路層:
[0055]請(qǐng)參考圖2(e)，所述重分布線路層包括鈍化層107、金屬層108和防焊層109。重分布線路層的制作包含三步:
[0056]首先，在硅通孔106孔內(nèi)和晶圓背面103b涂布一層鈍化層107，同時(shí)將硅通孔106底部的鈍化層去除，以暴露出焊盤105 ；
[0057]其次，通過濺射或電鍍工藝，繼續(xù)在硅通孔106孔內(nèi)和晶圓背面103b制作一層金屬層108，并對(duì)其進(jìn)行圖形化以形成線路，在圖形化時(shí)，同時(shí)將位于切割道100及其附近區(qū)域的金屬層108進(jìn)行去除，使金屬層108四周邊緣處被防焊層109所包裹而不與外界直接接觸；
[0058]最后，在金屬層108表面再涂布一層防焊層109，并在預(yù)留焊球110的位置形成開□。
[0059]在本實(shí)施例中，在對(duì)硅通孔106底部的鈍化層107進(jìn)行去除時(shí)，可以采用刻蝕或者激光燒蝕的方式。
[0060]步驟7，焊球110和切割:
[0061]請(qǐng)參考圖2(f)，將焊球110形成于晶圓背面103b的重分布線路層上，然后對(duì)晶圓103沿著切割道100進(jìn)行切割以形成單顆芯片的封裝。
[0062]在本實(shí)施例中，所述焊球110可以采用植球或者鋼網(wǎng)印刷的方式制作。
[0063]本發(fā)明所進(jìn)行的實(shí)施例的描述是目的是有效的說明和描述本發(fā)明，但借助這僅借助實(shí)例且不應(yīng)理解為限制由權(quán)利要求書界定的本發(fā)明的范圍。任何本領(lǐng)域所屬的技術(shù)人員在不脫離本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，都可以做出可能的變動(dòng)和修改。因此本發(fā)明的保護(hù)覆蓋權(quán)利要求所界定的發(fā)明的實(shí)質(zhì)和范圍內(nèi)的修改。
【權(quán)利要求】
1.一種晶圓級(jí)含硅通孔的半導(dǎo)體封裝方法，其特征在于，包括以下步驟: 步驟1，蓋板制作，采用刻蝕工藝，在蓋板正面形成空腔結(jié)構(gòu)； 步驟2，晶圓鍵合，其中在晶圓正面包含多個(gè)芯片區(qū)，每個(gè)芯片區(qū)包括位于中央的功能區(qū)和四周的若干個(gè)焊盤；利用鍵合機(jī)，通過在蓋板正面涂布一層鍵合膠，將蓋板正面同晶圓正面鍵合在一起； 步驟3，晶圓減薄，減薄過程分兩步進(jìn)行:首先，通過研磨機(jī)，對(duì)晶圓背面進(jìn)行研磨，將晶圓減薄到設(shè)定厚度；然后，對(duì)減薄后的晶圓背面進(jìn)行去應(yīng)力等離子刻蝕； 步驟4，切割道刻蝕，從晶圓背面開始，采用刻蝕工藝，將屬于切割道區(qū)域的硅全部去除，直到暴露出鍵合膠； 步驟5，硅通孔刻蝕，對(duì)晶圓背面進(jìn)行刻蝕以形成硅通孔孔洞，同時(shí)，將位于晶圓正面的焊盤暴露出來； 步驟6，重分布線路層，依次在晶圓背面、硅通孔孔內(nèi)制作鈍化層、金屬層和防焊層以構(gòu)成重分布線路層，從而將焊盤導(dǎo)通到晶圓背面預(yù)設(shè)的焊球位置；同時(shí)，將屬于切割道及其附近區(qū)域的金屬層進(jìn)行去除，使金屬層在四周邊緣處被防焊層所包裹而不與外界直接接觸。 步驟7，焊球和切割，將焊球形成于晶圓背面的重分布線路層上，然后對(duì)晶圓沿著切割道進(jìn)行切割以形成單顆芯片的封裝。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，其中所述芯片是圖像傳感器芯片、MEMS1C或集成芯片。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，防焊層的厚度不超過鈍化層厚度的1.5倍。
【文檔編號(hào)】H01L21/768GK104392958SQ201410678133
【公開日】2015年3月4日 申請(qǐng)日期:2014年11月23日 優(yōu)先權(quán)日:2014年11月23日
【發(fā)明者】秦飛, 武偉, 安彤, 肖智軼 申請(qǐng)人:北京工業(yè)大學(xué)