晶圓級(jí)芯片的凸塊封裝架構(gòu)的制作方法
【專利摘要】本實(shí)用新型涉及一種晶圓級(jí)芯片的凸塊封裝架構(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(zhǎng)有一根金屬線；所述金屬線與表層焊墊的鍵合點(diǎn)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(duì)外電性或者信號(hào)連接層的金屬球。本實(shí)用新型彌補(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(wèn)題。
【專利說(shuō)明】
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本實(shí)用新型涉及半導(dǎo)體封裝【技術(shù)領(lǐng)域】中的晶圓級(jí)封裝技術(shù)，特別是涉及一種晶圓 級(jí)芯片的凸塊封裝架構(gòu)。 晶圓級(jí)芯片的凸塊封裝架構(gòu)

【背景技術(shù)】
[0002] 目前的晶圓級(jí)銅凸塊技術(shù)大量運(yùn)用了晶圓廠前道工藝，在實(shí)現(xiàn)凸塊的過(guò)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(shí)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(zhǎng)凸塊。在作業(yè)的過(guò)程中運(yùn)用了大量的化學(xué)藥劑來(lái)進(jìn) 行顯影，金屬去除，光刻膠剝離，工藝步驟復(fù)雜，并且因?yàn)楦鞣N酸堿、有機(jī)溶液的使用，對(duì)環(huán) 境帶來(lái)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?yàn)檫M(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(duì)產(chǎn)品良率造 成影響。在凸塊結(jié)構(gòu)上，因?yàn)橥箟K結(jié)構(gòu)由電鍍方式實(shí)現(xiàn)，不可避免的，在電鍍過(guò)程中將產(chǎn)生 金屬內(nèi)空洞，或者金屬致密性不均等問(wèn)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(lái)的4寸、6寸、 8寸到現(xiàn)在的12寸，甚至國(guó)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(gè)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(zhǎng)，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(zhǎng)。 實(shí)用新型內(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(wèn)題，并且解決生產(chǎn)成本較高，且 對(duì)環(huán)境存在潛在風(fēng)險(xiǎn)的缺點(diǎn)，本實(shí)用新型提供了晶圓級(jí)芯片的凸塊封裝架構(gòu)。
[0005] 本實(shí)用新型解決其技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案是：提供一種晶圓級(jí)芯片的凸塊封 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(zhǎng)有一根金屬線；所述金屬線與表層焊墊的鍵合點(diǎn)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(duì)外電性或者信號(hào)連接層 的金屬球。
[0006] 所述表面鈍化層上固化有用來(lái)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(shù)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?yàn)殄a球。
[0010] 有益效果
[0011] 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)用新型可以實(shí)現(xiàn)和通用做法完全一樣的凸塊分布；性能上本實(shí)用新型的結(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(duì)外連接方式更靈 活；成本上，因?yàn)楸緦?shí)用新型的結(jié)構(gòu)運(yùn)用的凸塊實(shí)現(xiàn)方式為傳統(tǒng)的引線鍵合（簡(jiǎn)稱"wire bond"）工藝，取消了晶圓級(jí)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?yàn)橐肓算~凸塊底部的金屬球結(jié) 構(gòu)用于支撐，可以使運(yùn)用本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)的芯片抗機(jī)械力沖擊能力更高，可靠性更為突 出。本實(shí)用新型的制作過(guò)程中環(huán)氧樹(shù)脂膠由于經(jīng)過(guò)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(shuō)明】
[0012] 圖1是本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0013] 圖2是本實(shí)用新型中作業(yè)晶圓的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0014] 圖3是本實(shí)用新型中金屬線鍵合后的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0015] 圖4是本實(shí)用新型中金屬線鍵合環(huán)氧樹(shù)脂膠涂覆后的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0016] 圖5是本實(shí)用新型中金屬線鍵合環(huán)氧樹(shù)脂膠涂覆后的剖面結(jié)構(gòu)示意圖；
[0017] 圖6是本實(shí)用新型中減薄后的結(jié)構(gòu)示意圖。

【具體實(shí)施方式】
[0018] 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(shuō)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(shū)所限定的范圍。
[0019] 本實(shí)用新型的實(shí)施方式涉及一種晶圓級(jí)凸塊芯片的封裝架構(gòu)，如圖1所示，包括 作業(yè)芯片1，所述作業(yè)芯片1包括表層焊墊11和表面鈍化層12 ;所述作業(yè)芯片1的每一顆 表層焊墊11上生長(zhǎng)有一根金屬線2 ;所述金屬線2與表層焊墊11的鍵合點(diǎn)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(duì)外電性或者信號(hào)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(lái)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(shù)脂膠4。
[0020] 值得一提的是，環(huán)氧樹(shù)脂膠既可以保留，也可以經(jīng)去膠液去除，該環(huán)氧樹(shù)脂膠去除 后，并不會(huì)影響底部金屬凸塊結(jié)構(gòu)對(duì)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(jí)先進(jìn)封裝凸塊結(jié)構(gòu)，應(yīng)用此 結(jié)構(gòu)，成本更低、實(shí)現(xiàn)方式更簡(jiǎn)單、不會(huì)帶來(lái)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(diǎn)。
[0022] 上述結(jié)構(gòu)采用傳統(tǒng)wire bond技術(shù)來(lái)進(jìn)行凸塊的鍵合，通過(guò)對(duì)wire bond線弧控 制的更改及二次熔斷的控制實(shí)現(xiàn)了在芯片的焊墊上方鍵合線熔球第一點(diǎn)鍵合及第二點(diǎn)在 熔球的正上方熔斷，并在整片晶圓的所有焊墊上方實(shí)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(shù)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(shù)脂膠需經(jīng)過(guò)烘烤固化。經(jīng)過(guò)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(pán)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(guò)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1為普通的晶圓芯片（見(jiàn)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(gè)特征芯片，實(shí)際作業(yè)過(guò)程為晶圓級(jí)作業(yè)，包括下述 的所有結(jié)構(gòu)生長(zhǎng)的過(guò)程。
[0024] 此作業(yè)芯片經(jīng)過(guò)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(guò)程中，首先通過(guò)wire bond設(shè)備的打火桿進(jìn)行燒球，燒球后通過(guò)超聲、劈刀 及一定的臺(tái)面溫度將金屬球金屬共晶在表層焊墊表面上，實(shí)現(xiàn)結(jié)合，并實(shí)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(shí)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(pán)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(dòng)作堅(jiān)直向上，線弧需設(shè)置，和傳統(tǒng)打線不同，劈刀沒(méi)有左右移動(dòng)的動(dòng) 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?yàn)椴灰?guī)則金屬頂端23。此不規(guī)則金屬頂端在后續(xù)步驟會(huì) 被研磨掉，通過(guò)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(hào)連接，其中一端和芯片的焊墊連 接作為第一焊點(diǎn)，另一端連接引線框架或者基板作為第二焊點(diǎn)，較為常用的引線有金線，銅 線，鋁線及合金線。由此可見(jiàn)，本結(jié)構(gòu)的制備過(guò)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(diǎn)技術(shù)連接芯片焊墊，第二點(diǎn)不連接，直接拉起熔斷。
[0026] 上述步驟完成后，此晶圓芯片將會(huì)進(jìn)行環(huán)氧樹(shù)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(guò)烘烤固化，此膠層的主要目的是方便研磨，并且在研 磨的時(shí)候保護(hù)金屬線不變形。
[0027] 環(huán)氧樹(shù)脂膠完全固化后將進(jìn)行環(huán)氧樹(shù)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(jiàn)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(shù)脂膠，可以在此時(shí)通過(guò)去膠液將環(huán)氧樹(shù)脂膠去除，去除環(huán) 氧樹(shù)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(duì)外電性或者信號(hào)的連接層。錫球 植球或者印刷錫膏后將經(jīng)過(guò)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(shuō)明的是，本實(shí)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(pán)。
【權(quán)利要求】
1. 一種晶圓級(jí)芯片的凸塊封裝架構(gòu)，包括作業(yè)芯片（1)，其特征在于，所述作業(yè)芯片 (1) 包括表層焊墊（11)和表面鈍化層（12);所述作業(yè)芯片（1)的每一顆表層焊墊（11)上 生長(zhǎng)有一根金屬線（2);所述金屬線（2)與表層焊墊（11)的鍵合點(diǎn)呈金屬球結(jié)構(gòu)（21);所 述金屬線（2)的線?。?2)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(duì)外電性或者信號(hào)連接層的金屬球（3)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的晶圓級(jí)芯片的凸塊封裝架構(gòu)，其特征在于，所述表面鈍化層 (12)上固化有用來(lái)作為所述金屬線⑵的保護(hù)材料層及橫向力支撐層的環(huán)氧樹(shù)脂膠（4)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的晶圓級(jí)芯片的凸塊封裝架構(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所述的晶圓級(jí)芯片的凸塊封裝架構(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所述的晶圓級(jí)芯片的凸塊封裝架構(gòu)，其特征在于，所述金屬球（3)為 錫球。
【文檔編號(hào)】H01L23/488GK203910782SQ201420179669
【公開(kāi)日】2014年10月29日 申請(qǐng)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(guó)慶, 邵長(zhǎng)治, 廖周芳, 吳超, 徐天翔, 葉義軍, 詹亮, 陳建江 申請(qǐng)人:寧波芯健半導(dǎo)體有限公司