具有電接觸的襯底及其制造方法

專利名稱：具有電接觸的襯底及其制造方法
技術領域：
本發明涉及一種具有第一表面的襯底，所述第一表面包括通過其間的絕緣區來分離的第一金屬接觸焊盤，將所述第一接觸焊盤和第二襯底的第二表面上的第二接觸焊盤焊接在一起，其中所述襯底上的所述第一接觸焊盤和第二襯底上相應的第二接觸焊盤彼此面對。
此外，本發明涉及一種包括襯底和第二襯底的電子器件，所述襯底具有包括第一金屬接觸焊盤的第一表面，所述第二襯底具有包括第二金屬接觸焊盤的第二表面，其中將第一接觸焊盤和第二接觸焊盤焊接到一起，并且第一襯底上的第一接觸焊盤和第二襯底上相應的第二接觸焊盤彼此面對。
最后，本發明涉及一種制造該襯底的方法。
背景技術：
所述襯底廣泛地用于現有的技術水平。例如，管芯承載和電子電路還包括接觸焊盤，采用公知的“倒裝芯片技術”將管芯與“支撐”襯底相連。
術語“倒裝芯片”指可以按照“面朝下”方式直接安裝到襯底、板、或載體上的電子部件或半導體器件。通過在芯片表面上建立的導電凸塊實現電連接，這就是為什么該安裝工藝本質上是“面朝下”。在安裝期間，利用精確定位于它們的目標位置上的凸塊，將芯片倒裝到襯底、板或載體上，(因此得名“倒裝芯片”)。因為倒裝芯片不要求引線鍵合，它們占據比它們的傳統引線鍵合的對應物更少的空間。
倒裝芯片與傳統半導體封裝結構上不同，因此要求與傳統半導體裝配不同的裝配工藝。倒裝芯片組件包括三個主要步驟1)芯片的凸塊形成；2)將形成有凸塊的芯片朝下附加到襯底或板上；以及3)下方填充，就是采用不導電的機械保護材料填充芯片和襯底或板之間的空隙的工藝。在凸塊形成、附加和下方填充步驟中使用許多不同的材料和技術，從而倒裝芯片存在許多組變量。
用于倒裝芯片凸塊形成的許多公知工藝之一包括通過濺射、鍍覆、印刷或類似的工藝將所謂的“凸塊下方金屬化”(簡稱為UBM)用于鍵合焊盤上。當然，其組合也是可能的。優選地，UBM包括具有良好焊接潤濕性的無電鍍(electroless)NiAu，但是其他材料組合也是可用的。用于相當高溫度的一種替代物是無電鍍的NiPdAu。UBM工藝去除了鍵合焊盤上的鈍化氧化物層，并且限定了焊料潤濕區。然后，可以通過合適的方法將焊料沉積到UBM上，例如蒸發、電鍍、絲網印刷或配制(dispensing)。
針對低成本的晶片凸塊形成，已經實現了焊料膏的絲網印刷，并且倒裝芯片焊接對此很感興趣。除了成本效率，可以獲得包括無鉛合金的不同焊料膏。然而，由于可用的焊料膏和絲網幾何圖形，目前該工藝的間距對于大量生產最低限于200μm，對于測試限于150μm。
另外的一種方法是所謂的“浸沒焊料凸塊形成”(簡稱為ISB)，可以用作低成本替代的電鍍。可以將ISB用于焊盤，通常具有100μm的尺寸，最低40μm的非常精細的間距。利用ISB，將晶片浸沒到液體焊料中，使UBS變濕，并且在UBM的頂部上形成較小的焊料帽。該焊料帽的高度強烈地依賴于焊盤尺寸。液體焊料表面上的有機液體防止焊料的氧化，并且提高潤濕性。在焊接之后，可以容易地去除殘留物。工藝本身沒有關于晶片尺寸的限制。甚至可以處理單獨的管芯。還修改該工藝以適合無鉛焊料的要求。不同的焊接材料是可用的，例如PbSn63、SnBi42、SnAg3.5、SnCu0.7。
焊料凸塊形成的整個工藝通常在芯片級別執行。隨后將已形成焊料凸塊的晶片鋸成單獨的倒裝芯片，通過使組件受到足夠高以熔化焊料的溫度來將所述倒裝芯片晶片安裝到板或襯底上，從而形成互連。為此目的，使用熱電極鍵合機，即拾取和放置工具。熱電極鍵合機的放置頭可以用于向倒裝芯片器件提供能量，為了提供足夠的熱能以完成回流工藝。低熔點軟焊料的浸沒焊料凸塊形成與快速熱電極鍵合的結合，可以替代智能標簽粘結技術。
最后，對倒裝芯片器件進行下方填充。這通常通過沿倒裝芯片邊緣的針分配(needle dispensation)來實現。然后，毛細作用將分配的下方填充物向內吸引，直到填充了間隙為止。然后執行熱固化以形成持久的鍵合。
已經注意到，這里使用的術語“襯底”不但涵蓋在倒裝芯片技術中具有的意思，而且涵蓋包括電子電路的管芯。芯片產品的“襯底”和“管芯”之間的區別不適用于本發明。每當需要術語“襯底”為其芯片相關意思時，代替地使用術語“支撐襯底”。此外，應該考慮的是，當使用相應的工藝時，通常稱作“凸塊下方金屬化”的工藝因為上位語言的原因在這里稱作“金屬接觸焊盤”。因為本發明不局限于倒裝芯片技術也不局限于UBM工藝或ISB工藝，所以使用該上位語言。
圖1a示出了現有技術的襯底40的剖面圖，圖1b示出了相應的頂視圖。襯底40可以是較大的電子電路的一部分，因此圖1a和圖1b僅示出了該電子電路的截取部分，所述電子電路通常包括大量這些部分。
所述襯底40包括第一表面上的第一金屬鍵合焊盤41。在襯底40上設置了第一絕緣層42，所述第一絕緣層42也覆蓋了第一金屬鍵合焊盤41的邊界區，因此形成第一鍵合焊盤41的上部側面上的柱形凹槽。在第一金屬鍵合焊盤41上設置了第一接觸焊盤43，所述第一接觸焊盤43本身從所述第一絕緣層42突出。由于柱形凹槽的原因，第一接觸焊盤43具有凸起的邊緣。最后，將焊料凸塊44設置在第一接觸焊盤43上。焊料凸塊44的高度Hpr取決于第一接觸焊盤43的直徑Dpr，并且典型地為所述直徑Dpr的0.3倍。如圖1a和圖1b所示的配置通常是半成品。針對該示例，假設所述配置是包括電子電路的管芯的一部分。
為了完成電子器件60，將該管芯倒裝芯片安裝到支撐襯底上。該現有技術支撐襯底的一部分如圖2所示。圖2示出了其中將圖1a的一部分和相同的鏡像反轉部分焊接到一起的配置。所述鏡像部分包括在第二表面上具有第二金屬鍵合焊盤51的第二襯底50。在第二襯底50下面設置了第二絕緣層52，所述第二絕緣層52還覆蓋了第二金屬鍵合焊盤51的邊界區域，因此，在第二鍵合焊盤51的下部側面上形成柱形凹槽。在第二金屬鍵合焊盤51以下設置了第二接觸焊盤53，所述第二接觸焊盤53本身從所述第二絕緣層52突出。由于柱形凹槽的原因，第二接觸焊盤53具有凸起的邊緣。因為在第一接觸焊盤43上已經存在焊料，省略了分離的焊料凸塊44。當將兩個部分焊接到一起時，通過焊料的表面張力將第一和第二接觸焊盤43和53吸到一起。圖2示出了兩個部分的連接導致所謂的遠離(stand off)Xpr，即接觸焊盤43和53之間的距離。遠離Xpr還取決于第一接觸焊盤43的直徑Dpr，并且典型地為所述直徑Dpr的0.15倍。在該實例中，針對第一和第二接觸焊盤43和53假設相同的直徑。不同直徑當然將導致不同的結果。
在具有使電子器件的尺寸最小化的一般趨勢的線路中，還努力使所述遠離Xpr最小化。但是，因為接觸焊盤必須具有確定的尺寸，所以該遠離也具有確定的尺寸。

發明內容
本發明的目的在于找到一種解決方案，提供0或接近0的遠離。
該目的通過前述種類的襯底來實現，其中所述第一接觸焊盤相對于所述第一表面的最大平面延伸不超過20μm。已經令人意外地發現，不但當第一接觸焊盤具有0尺寸(這當然沒什么意義)時，而且當它們不超過確定的尺寸(即，20μm)時，0遠離或接近0遠離是可實現的。圖5的曲線示出了所述效果。根據前述研究，該圖顯示焊料凸塊的高度Hpr(虛線)和遠離Xpr作為焊盤直徑D的函數。可以容易地看出，焊料凸塊高度Hpr強烈地依賴于焊盤直徑D，并且是焊盤直徑D的約0.3倍。前述研究預見了遠離Xpr也有類似的(線性)效果。遠離Xpr是焊盤直徑D的0.15倍(虛線)。但是，近來的研究示出了當第一接觸焊盤不超過20μm時(實線)，令人驚訝地可實現0遠離或接近0遠離Xin。針對20μm以下的較小焊盤直徑，將通過ISB工藝拾取的焊料設置在組合的接觸焊盤的外圍周圍，從而對于遠離的增加沒有貢獻。
有利地，可以將這些結果用于制造非常小的電子器件。具體地，這對于所謂的射頻識別標簽(簡稱為RFID)是有趣的，當前大量地需求射頻識別標簽。依靠本發明，可以使用相當容易并且因此便宜的生產工藝UBM和ISB，建立具有非常低的裝配高度的這些標簽。
應該注意的是，“0遠離”的具體值不但依賴于接觸焊盤的尺寸，而且依賴于它們的表面。因此，精細組織的表面導致比粗糙表面更小的值。另外，可以用較小的、或不用任何力量效果來執行焊接工藝，所述力量效果也影響所述值。
因為該發明術語中的“遠離”表示接觸之間的距離，在UBM的情況下存在第一和第二襯底之間的一些距離，UBM通常從所述襯底的表面突出。因此，襯底之間的距離受到UBM層厚度的影響，并且不小于連接構件的UBM層厚度的總和，實際上在微米的量級。因此，通過本發明的襯底實現的電子器件通常根據公知技術進行下方填充。
如果相對于所述第一表面，所述第一接觸焊盤的最小平面延伸不低于5μm是有利的。已經發現接觸焊盤應該具有確定的尺寸，至少使得它們易于制造。所述范圍介于5μm至20μm之間，具體地針對UBM和ISB工藝這是有利的。例如，已經在具有最小到7μm直徑的焊盤上執行了無電鍍的NiAu，這當然不理解成“物理”下限。在不遠的將來可以生產更小的NiAu接觸焊盤。然而，這些小尺度在用于這些工藝的電解液帶來新的要求。因此，焊盤直徑的“實際的”較低值考慮是5μm。
另外，當第一接觸焊盤具有凸起邊緣時是有利的。當將焊料放到接觸焊盤上時，在焊料與接觸焊盤的金屬接觸的地方形成金屬間化合物。因為將所包含的部分“吸到一起”(“sucking together”)的傾向不及所必需的那樣強，這些金屬間化合物妨礙了0遠離。在凸起邊緣的情況下，所述金屬間化合物主要在中心形成，即接觸焊盤的凹槽。因此，它們實質上不會妨礙兩個接觸焊盤的緊密接近。接觸焊盤，具體地具有從第一和第二襯底的表面突出的凸起邊緣的接觸焊盤導致附加的優勢，這在0遠離的情況下尤為如此。在這種情況下，代替整個表面的接觸，僅存在點接觸，這明顯地有助于實現接觸焊盤的0遠離。
根據本發明的另一個優選解決方案是襯底，其中將金屬鍵合焊盤設置在第一接觸焊盤和所述第一表面之間，金屬鍵合焊盤在邊界區域中部分地被絕緣層覆蓋，并且所述第一接觸焊盤從所述絕緣層突出。例如，該結構是UBM工藝的結果，相對易于處理。因此，制造前述襯底所需的技術和經濟努力相當低。這里應該提到的是，本發明不局限于UBM。
有利地，因為然后第一襯底準備焊接到還包括第二金屬接觸焊盤的第二襯底上，所以襯底包括第一接觸焊盤上的焊料凸塊。優選地，使用ISB工藝制造焊料凸塊，但是不局限于此。前述ISB的替代物是波動焊接，可以用于本發明相關工藝。另外可應用的技術是絲網印刷和鍍覆，與ISB相比這兩者都相對昂貴。這里還應該注意的是，焊接并不依賴于使用凸塊下方金屬化。還可以用任意接觸焊盤完成該焊接。
此外，有利地，焊料凸塊由低熔點焊料組成。因此，襯底可以由諸如紙或塑料之類的溫度敏感材料組成。迄今為止的現有技術公開了在100℃以下熔化的焊料。關于這種物質，參考日期為2004年5月25日的US 6,740,544“Solder compositions for attaching a die to asubstrate”，具體地在表1的第6列。此外，該文件公開了通過所謂的“焊料劑”(solder agent)來提高焊料的熔點的可能性。通過引用將所述文件結合在本文中。當器件操作于較高的環境溫度條件時，前述方法尤為有利。
另外，如果更接近的第一金屬接觸焊盤形成電接觸是有利的。優選地，具有5μm和20μm之間的尺寸的一個單獨的接觸焊盤僅能夠驅動確定的電流。如果根據電子電路的確定設計必需的電流超過了所述限制，可能形成包括多個更接近的第一金屬接觸焊盤的電接觸。由此，電接觸可以驅動任意想要的電流而無需增加遠離。應該提到的是，這里接觸焊盤不必彼此鄰近。還可以想像的是，它們之間存在另一個電接觸的金屬接觸焊盤。
此外，本發明的目的通過包括襯底和第二襯底的電子器件來實現，所述襯底具有包括第一金屬接觸焊盤的第一表面，所述第二襯底具有包括第二金屬接觸焊盤的第二表面，其中將第一接觸焊盤和第二接觸焊盤焊接到一起，第一襯底上的第一接觸焊盤和第二襯底上相應的第二接觸焊盤彼此面對，并且所述第一和第二接觸焊盤相對于所述第一和第二表面的最大平面延伸不超過20μm。
本發明的目的還通過利用凸塊下方金屬化工藝(簡稱為UBM)，制造具有包括第一金屬接觸焊盤的第一表面的襯底的方法來實現，其中所述第一接觸焊盤相對于所述第一表面的最大平面延伸不超過20μm。
這里應該注意的是，當討論本發明的襯底時引用的優點和各種實施例，對于本發明的器件和本發明的方法也是有效的。因此，省略了針對本發明器件和本發明方法實施例和它們的優勢的具體引用。


參考這里其中描述的實施例，本發明的這些和其他方面將顯而易見，并且對其進行描述。現在將僅作為示例并且參考附圖描述本發明的實施例，其中圖1a是現有技術襯底的剖面圖；圖1b是圖1a的襯底的頂視圖；圖2是現有技術電子器件的剖面圖；圖3a是本發明襯底的剖面圖；圖3b是圖3a的襯底的頂視圖；圖4是本發明電子器件的剖面圖；圖5示出了焊盤直徑和凸塊高度之間以及焊盤直徑和遠離之間的關系；圖6示出了五邊形形式的接觸焊盤。
具體實施例方式
圖3a示出了本發明襯底10的剖面圖，圖3b示出了相應的頂視圖。襯底10可以是較大的電子電路的一部分，因此圖1a和圖1b僅示出了該電子設備的截取部分，所述電子電路通常包括大量這些部分。
所述襯底10包括第一表面上的第一金屬鍵合焊盤11(例如由Cu、Ni、Co、Nb等構成)。在襯底10上設置了第一絕緣層12，還覆蓋了第一金屬鍵合焊盤11的邊界區域。絕緣層12在第一鍵合焊盤11的上部側面上形成了四個柱形凹槽。在第一金屬鍵合焊盤11和凹槽中設置了四個第一接觸焊盤13a、...、13d，從所述第一絕緣層12突出。由于柱形凹槽的原因，第一接觸焊盤13a、...、13d具有凸起的邊緣。最后，將焊料凸塊14a、...、14d設置在第一接觸焊盤13a、...、13d上。焊料凸塊14a、...、14d的高度Hin取決于第一接觸焊盤13a、...、13d的直徑Din，并且是所述直徑Din的約0.3倍。如圖1a和圖1b所示的配置通常是半成品。針對該示例，假設所述配置是包括電子電路的管芯的一部分。
為了完成電子器件30，將該管芯倒裝芯片安裝到支撐襯底上。一部分該支撐襯底如圖4所示。圖4示出了其中將圖3a的部分和相同的鏡像反轉部分焊接到一起的配置。所述鏡像部分包括第二表面上具有第二金屬鍵合焊盤21的第二襯底20。在第二襯底20下面設置了第二絕緣層22，所述第二絕緣層22還覆蓋了第二金屬鍵合焊盤21的邊界區域。再次在第二鍵合焊盤21的下部側面中形成柱形凹槽。在第二金屬鍵合焊盤21和凹槽中設置了第二接觸焊盤23a、...、23d(由于剖面視圖的原因沒有示出23c和23d)，所述第二接觸焊盤23a、...、23d從所述第二絕緣層22突出。由于柱形凹槽的原因，第二接觸焊盤23a、...、23d具有凸起的邊緣。省略了分離的焊料凸塊24a、...、24d，因為已經將它們焊接到第一接觸焊盤13a、...、13d上。當將兩個部分都焊接到一起時，通過焊料凸塊14a、...、14d的表面張力將第一和第二接觸焊盤13a、...、13d和23a、...、23d吸到一起。圖4示出了這兩個部分的連接導致遠離Xin，即接觸焊盤13a、...、13d和23a、...、23d之間的距離。與遠離Xin強烈線性地依賴于焊盤直徑Din的之前觀點相反，圖4(和圖5)顯示遠離Xin令人驚奇地為0或幾乎為0，盡管接觸焊盤13a、...、13d和23a、...、23d之間的直徑大于0。
焊料凸塊14a、...、14d；44的高度不但取決于接觸焊盤13a、...、13d；14a、...、14d；43；44的焊盤直徑Din，而且取決于其形狀。因此，圖6示出了第一接觸焊盤73的示例，所述第一接觸焊盤73是多邊形形狀的，具體地是五邊形。這里應該注意的是，第一接觸焊盤73僅用作示例。因此，針對第一接觸焊盤73，可以想像多種形式，例如三角形、矩形(尤其是方形)、六邊形和八邊形。此外，例如橢圓形、卵形或腰形也是可能的。現在圖6示出了具有最大平面延伸Din和最小平面延伸din的這種第一接觸焊盤73，優選地在20μm至5μm的范圍內。
應該注意的是，多個第一接觸焊盤13a、...、13d形成單獨的電接觸并不是強制的。事實上，本發明還可應用于一個單獨的第一接觸焊盤13a、...、13d形成電接觸的情況。此外，通過UBM工藝制造或象UBM這樣的工藝來制作第一接觸焊盤13a、...、13d并不是強制的。第一接觸焊盤13a、...、13d可以是第一襯底10的第一表面上的平面物體，或者嵌入其中。
還應該注意到上述實施例所示不是限制本發明，本領域的普通技術人員在不脫離所附權利要求所限的本發明范圍的情況下，將能夠設計許多替代實施例。在權利要求中，不應該將括號中放置的任意參考符號解釋為限制權利要求。術語“包括”不排除在任何權利要求或說明書中整體所列元件或步驟以外的元件或步驟的存在。單數的元件不排除多個該元件，反之亦然。在列舉了幾種手段的設備權利要求中，可以將這些裝置的幾個由一個或相同項目的硬件來具體實現。唯一的事實在于在多個彼此不同的從屬權利要求引用的某些措施不表示不能有利地使用這些措施的組合。
權利要求
1.一種具有第一表面的襯底(10)，所述第一表面包括通過其間的絕緣區來分離的第一金屬接觸焊盤(13a、…、13d)，將所述第一接觸焊盤(13a、…、13d)和第二襯底(20)的第二表面上的第二接觸焊盤(23a、…、23d)焊接在一起，其中所述襯底(10)上的所述第一接觸焊盤(13a、…、13d)和第二襯底(20)上相應的第二接觸焊盤(23a、…、23d)然后彼此面對，并且所述第一接觸焊盤(13a、…、13d)相對于所述第一表面的最大平面延伸(Din)不超過20μm。
2.根據權利要求1所述的襯底(10)，其中，所述第一接觸焊盤(13a、…、13d)相對于所述第一表面的最小平面延伸(din)不低于5μm。
3.根據權利要求1所述的襯底(10)，其中，所述第一接觸焊盤(13a、…、13d)具有凸起邊緣。
4.根據權利要求1所述的襯底(10)，其中，將金屬鍵合焊盤(11)設置在第一接觸焊盤(13a、…、13d)和所述第一表面之間，金屬鍵合焊盤(11)由邊界區域中的絕緣層(12)部分地覆蓋，并且所述第一接觸焊盤(13a、…、13d)從所述絕緣層(12)突出。
5.根據權利要求1所述的襯底(10)，包括第一接觸焊盤(13a、…、13d)上的焊料凸塊(14a、…、14d)。
6.根據權利要求1所述的襯底(10)，其中，焊料凸塊(14a、…、14d)由低熔點焊料組成。
7.根據權利要求1至6任一項所述的襯底(10)，其中，多個更接近的第一金屬接觸焊盤(13a、…、13d)形成電接觸。
8.一種包括襯底(10)和第二襯底(20)的電子器件(30)，所述襯底(10)具有包括第一金屬接觸焊盤(13a、…、13d)的第一表面，所述第二襯底(20)具有包括第二金屬接觸焊盤(23a、…、23d)的第二表面，其中將第一接觸焊盤(13a、…、13d)和第二接觸焊盤(23a、…、23d)焊接到一起，第一襯底(10)上的第一接觸焊盤(13a、…、13d)和第二襯底(20)上相應的第二接觸焊盤(23a、…、23d)彼此面對，并且所述第一和第二接觸焊盤(13a、…、13d，23a、…、23d)相對于所述第一和第二表面的最大平面延伸(Din)不超過20μm。
9.一種制造具有包括第一金屬接觸焊盤(13a、…、13d)的第一表面的襯底(10)的方法，通過簡稱為UBM的凸塊下方金屬化工藝來實現，其中，所述第一接觸焊盤(13a、…、13d)相對于所述第一表面的最大平面延伸(Din)不超過20μm。
10.根據權利要求9所述的方法，其中，所述第一接觸焊盤(13a、…、13d)相對于所述第一表面的最小平面延伸(din)不低于5μm。
11.根據權利要求9所述的方法，其中，使用簡稱為ISB的浸沒焊料凸塊形成工藝來制造所述第一接觸焊盤(13a、…、13d)上的焊料凸塊(14a、…、14d)。
12.根據權利要求9所述的方法，其中，將低熔點焊料用于制造焊料凸塊(14a、…、14d)。
13.根據權利要求9至12任一項所述的方法，其中，多個更接近的第一金屬接觸焊盤(13a、…、13d)形成電接觸。
全文摘要
公開了一種具有第一金屬接觸焊盤(13a、…、13d)的襯底(10)，將所述第一接觸焊盤(13a、…、13d)和第二襯底(20)的第二接觸焊盤(23a、…、23d)焊接在一起。根據本發明，所述第一接觸焊盤(13a、…、13d)相對于所述第一表面的最大平面延伸(Din)不超過20μm。因此，當將第一襯底(10)和第二襯底(20)焊接到一起時，可以實現0或幾乎為0的遠離Xin。例如，該方法可應用于倒裝芯片技術，其中優選地，將簡稱為UBM的“凸塊下方金屬化”和簡稱為ISB的“浸沒焊料凸塊”用于制造所述襯底(10)。
文檔編號H01L21/60GK101044619SQ200580036128
公開日2007年9月26日 申請日期2005年10月18日 優先權日2004年10月20日
發明者尼古拉斯·范費恩 申請人:皇家飛利浦電子股份有限公司