用于優良的溫度循環、跌落測試和高電流應用的增強的wlp的制作方法

專利名稱：用于優良的溫度循環、跌落測試和高電流應用的增強的wlp的制作方法
技術領域：
本申請涉及晶圓級封裝(WLP)和其設計，使得在WLP封裝件中可以實現改善的溫度循環、跌落測試性能和高電流應用。更具體地，本發明的實施例提供一種WLP，該WLP在銅柱式電連接的頂表面上具有提供三維焊料球界面的帶凸緣的球下金屬(UBM)構造。
背景技術：
圖1描繪WLP銅柱-焊料球構造100的現有技術構造。這個現有技術WLP構造100 包括硅層102，該硅層被示出為在集成電路的制成中使用的硅晶圓的一部分。銅柱104連接或電結合到RDL層(未具體示出)，該RDL層存在于硅晶圓102的電路和銅柱104之間。 銅柱用來將現有技術WLP構造100上的電路連接到焊料球108。焊料球108用來將WLP或晶圓級封裝電力地且冶金地連接到例如電路板(未示出)。在現有技術WLP構造100的制造期間，蝕刻工藝用在銅柱104上，這導致銅柱的表面110在包圍銅柱的環氧樹脂或密封劑106的表面下方嵌入或插入5到20微米。當焊料球108回流且因此冶金附接到銅柱104的表面110時，形成焊料球108、環氧樹脂106和銅柱104之間的界面，該界面被示出為球/柱/環氧樹脂機械界面112。由于球/柱/環氧樹脂機械界面112的布局(其中密封劑的尖銳的角部總是與焊料球108接觸)，現有技術WLP 部件的跌落測試和溫度循環測試導致WLP部件失效，該失效傾向于發生在球/柱/環氧樹脂機械界面112。該失效的其中一個原因可能由于密封劑和焊料球在跌落測試脈沖沖擊期間或在溫度測試的加熱/冷卻循環期間的膨脹和收縮。該失效的另一可能原因可能由球/ 柱/環氧樹脂機械界面112引起，其中在熱機械測試和/或現場使用期間，環氧樹脂傳遞熱到焊料球，因此在那附近產生壓縮和張應力。按照這樣，需要的是更穩固的銅柱到焊料球界面，該界面在金屬之間提供強的機械金屬結合并且提供穩定地通過溫度循環測試、跌落測試和高電流測試的一定水平的可靠性。

發明內容
本發明的實施例提供一種晶圓級封裝(WLP)焊料塊結構，該晶圓級封裝焊料塊結構包括銅支柱，該銅支柱離開制成的WLP硅表面垂直地延伸第一距離。銅支柱包括基本上呈圓柱形的支柱側面以及遠離制成的WLP硅表面的遠端部。遠端部包括銅表面。示例性 WLP焊料塊結構還包括第一密封劑，該第一密封劑在支柱側面周圍并且基本上覆蓋制成的 WLP硅表面。銅支柱的遠端部處的銅表面在第一密封劑的外表面下方凹入小的凹入距離使得凹入區域在銅表面上方。結合到銅表面的是球下金屬(UBM)。UBM包括在凹入區域內的第一部分和在凹入區域上方并且重疊凹入區域周圍的密封劑的外表面的第二部分。在本發明的一些實施例中，UBM包括鎳(Ni)。本發明的另一實施例是一種晶圓級封裝件(WLP)，該晶圓級封裝件包括具有用于有源側的電路的制成的硅層。在制成的硅層的圓形有源側上，可以發現電路連接部位。具有從其第一端部到第二端部的長度和第一寬度或直徑的銅支柱在其第一端部冶金結合到電路連接部位。晶圓級封裝還包括球下冶金(UBM)層。UBM層具有頸端部或窄端部，該頸端部或窄端部基本上具有與銅支柱相同的寬度或直徑。UBM還包括凸緣并且具有第二寬度或直徑以及邊緣厚度。頸端部與凸緣端部對中，并且頸端部還與銅支柱的第二端部對中且設置在銅支柱的第二端部上或冶金結合銅支柱的第二端部。銅支柱和頸端部的寬度或直徑小于凸緣端部的寬度或直徑。WLP還包括銅支柱周圍的且基本上覆蓋制成的硅層的電路側的密封劑層。密封劑具有從制成的硅層的電路側向著UBM的凸緣端部延伸的厚度。示例性 WLP還可包括設置在凸緣端部和凸緣端部邊緣上以及凸緣端部和凸緣端部邊緣周圍的焊料球。在一些實施例中，WLP可在銅支柱的第二端部和UBM的頸端部之間包括金屬層。在又一另外實施例中，提供一種WLP，該WLP包括具有電路側的WLP裸片。銅柱在銅柱的第一端部附接到位于WLP裸片的電路側上的WLP電路連接。銅柱具有寬度或直徑和從第一柱端部延伸到第二柱端部的柱長度。第一金屬層包括加大的或帶凸緣的部分使得它具有窄端部和寬端部，該第一金屬層被包括在示例性WLP封裝中，使得窄端部被設置到銅柱的第二柱端部并且與銅柱的第二柱端部對準。第一密封劑層基本上覆蓋WLP裸片的電路側并且具有一定厚度使得第一密封劑層在銅柱和第一金屬層的窄端部的一部分周圍，使得寬的加大的或帶凸緣的端部在第一密封劑層上方延伸。焊料球附接到第一金屬層的寬的加大的帶凸緣的端部。在另外的實施例中，WLP還可包括第二密封劑層，該第二密封劑層在第一密封劑層的頂部上，并且在第一金屬層周圍，使得第一金屬層嵌在第二密封劑層中。第二密封劑層的頂表面基本上與已經存在的部件或第一金屬層的寬端部的頂表面共面。在這個實施例中， 焊料球附接到第一金屬層的寬端部的頂側。在一些實施例中，第一密封劑和第二密封劑是相同的化合物。此外，在其它實施例中，第一金屬層和焊料球都基本上由錫制成。


為了更徹底的理解，現在參考結合附圖的以下描述，其中圖1示出用來與現有技術WLP外部的電路通過界面連接的現有技術WLP銅柱-焊料球結構；圖2示出用來與示例性WLP外部的電路通過界面連接的示例性WLP銅柱-焊料球結構；圖3示出其中具有鎳層的示例性WLP銅柱-焊料球結構；圖4示出根據本發明的實施例的另一示例性WLP銅柱-焊料球結構；并且圖5示出根據本發明的實施例的具有嵌入的下方金屬/焊料球的另一示例性WLP 銅柱-焊料球結構。
具體實施例方式現在參考附圖，其中自始至終相同的附圖標記在這里用于指定相同的元件，示出且描述用于優良的溫度循環、跌落試驗和高電流應用的增強的WLP的各種視圖和實施例， 并且描述其它可能實施例。各個圖不一定按比例繪制，并且在一些情況下，僅僅為了說明性目的，附圖已經在適當的位置被夸大且/或簡化。本領域技術人員將理解基于可能實施例的以下例子的許多可能應用和變型。現在參考圖2，本發明的實施例被公開為具有電鍍球下冶金(UBM)銅柱構造200的 WLP0這種示例性UBM/銅柱構造200包括硅晶圓部分202，該硅晶圓部分在其上具有集成電路(未具體示出)。銅支柱或柱204附接到再分配層(RDL)(未具體示出)的預定部位。銅柱或支柱204在它從RDL層離開硅晶圓202延伸時可以從大約30到130微米長。環氧樹脂或密封劑材料206基本上覆蓋硅晶圓202(在集成電路和RDL上方)的表面并且包圍銅柱204的側面。環氧樹脂或密封劑206以及銅柱204可經受上表面212、214表面研磨工藝， 由此銅柱表面212和環氧樹脂表面214被研磨且拋光到基本上彼此齊平。可以進行蝕刻工藝，該蝕刻工藝蝕刻掉銅柱204的頂部212的氧化物(例如，氧化銅)，導致銅柱表面212凹入或插入在環氧樹脂表面214下方。球下金屬(UBM) 210可以通過電鍍或濺射連接到銅柱 204的銅表面212。UBM210可以主要由銀、錫、3或4種金屬合金焊料、金、鎳、鈀或鎢組成。 此外，UBM210將與銅柱表面212冶金結合，填充銅柱表面212上方的凹入或插入區域，并且使銅柱的橫截面直徑或寬度膨脹預定量，使得UBM層重疊環氧樹脂或密封劑表面214的一部分。UBM的重疊的(帶凸緣的)部分的橫截面直徑或寬度將比銅支柱204的橫截面直徑或寬度大10到50微米。換句話說，插入在環氧樹脂表面214下方的UBM部分的橫截面寬度或直徑比環氧樹脂表面214上方或重疊環氧樹脂表面214的UBM部分的橫截面寬度或直徑小10到50微米。 然后，焊料球或焊料塊208可回流且冶金連接到UBM210上，使得焊料球連接到UBM 的外表面并且也在UBM側面218的邊緣周圍。回流在UBM側面218附近的焊料球的重疊在圖2中在圓219內被示出。通過在凹入的銅柱表面212的頂部上提供UBM層210 (其中UBM 層在環氧樹脂/密封劑表面214上方延伸5到25微米)，焊料球設置有三維表面以便冶金結合、抓握和夾緊到其上。就是說，焊料球208不僅結合到UBM210的UBM上表面216，而且也結合到與環氧樹脂表面214重疊的側表面218。另外，由于UBM在密封劑表面214上方如凸緣那樣從銅柱的中心沿徑向向外延伸，因此在焊料球-UBM-銅柱金屬之間產生較強的金屬結合。由此得到的銅柱和焊料球結構以提供機械穩固性的方式利用環氧樹脂/密封劑 206，從而提高了示例性WLP部分的通過溫度循環測試和跌落測試的能力。因此，本發明的實施例超越現有技術裝置的溫度循環和跌落測試性能，現有技術裝置在銅柱和焊料球之間不包括示例性UBM層。在各種實施例中，UBM層可以被電鍍、濺射、化學鍍到銅柱上。此外，示例性銅柱 204可以為基本上圓柱形形狀，但也可以為基本上支柱形，在支柱形銅柱的側面周圍具有平坦表面、凹槽、螺旋狀表面、紋理或其它表面結構。已知富錫焊料和銅之間的金屬界面當被施加電流時易于電遷移。金屬間部位處的電遷移(EM)可限制或防止這種金屬間界面用于高電流應用。本申請人已經通過實驗確定， 在銅柱212的表面和焊料球208之間添加薄的鎳層減小金屬間化合物(IMC)成長速率，這增加金屬間界面的電阻。本申請人發現，通過減小IMC成長，銅和錫之間的EM也顯著減小金屬間界面的高電流故障率。因此，銅柱和焊料球之間的鎳層的添加已經顯示出改善金屬間化合物的載流能力，因此在高電流情況下使電互連更有用。因此，在一些實施例中，UBM210 基本上由鎳制成。圖3描繪在銅柱302和UBM層306之間包括薄的鎳層308的本發明的另一實施例。 銅柱302的端部被示出為被環氧樹脂或密封劑物質304包圍。在銅柱302和UBM層306之間是薄層的鎳308。薄層的鎳308可以已經被濺射、電鍍、化學鍍或化學地設置在銅支柱302 的表面上以及銅支柱302和UBM306之間。鎳層與銅支柱302 —樣從環氧樹脂310的外表面凹入或插入。然后，UBM層306被設置在鎳層308的頂部上。UBM層在第一部分307中填充銅支柱上方的凹入區域并且隨后形成在銅支柱的周邊周圍沿徑向向外且在環氧樹脂310 的表面上方的帶凸緣的部分317。如圖3中所示，焊料球312當回流到UBM306上時使焊料球能夠“夾緊”到突出的UBM306上以在UBM306的最外頂部320和側表面322周圍形成更加穩固的三維機械連接結構。例如，鎳層308可以已經通過化學鎳鍍工藝或浸沒AU(ENiG) 工藝(通過氧化還原反應被實現)被設置在銅支柱302的頂部上。用來連接焊料塊的這種示例性結構解決了稱為焊料疲勞的熱機械現象，該熱機械現象可能部分地是現有技術晶圓級封裝裝置的跌落測試情況中出現的突然沖擊破壞的原因。為UBM306添加鎳層308為由此得到的具有密封劑結構的示例性銅支柱提供較高的載流能力。在本發明的另外實施例中，鎳可以被添加到UBM金屬，因此產生金屬混合物或合金，并且因此消除在銅支柱302和UBM306之間設置或制造鎳層308的另外步驟。在一些實施例中，不使用鎳層308，而是UBM層306主要由鎳或鎳合金制成。此外， UBM層306可以是其它材料，所述其它材料包括但不限于銀、錫、金、鈀和鎢或其組合。UBM總厚度314可從大約5微米變動到大約30微米。UBM306的厚度314將從銅柱(或鎳層308) 開始并且延伸離開銅柱，使得UBM的金屬表面在環氧樹脂的表面310的上方。銅柱的表面可以從環氧樹脂的表面310向下凹入從大約1到15微米的距離316。當焊料球或焊料塊312連接或回流到UBM306的暴露的頂部和側表面320、322上時，焊料球將不僅結合到基本上與環氧樹脂310的表面平行的UBM的表面320，而且也將與 UBM周圍的側表面322結合。因此，焊料球將具有與UBM的三維金屬結合(即，在環氧樹脂的表面310上方延伸的UBM的側表面322和UBM的大的平坦外表面320)。UBM的重疊部分或凸緣重疊324離開銅柱周邊的外圓周限定的周邊到環氧樹脂表面310的頂部上的UBM層的外邊緣沿徑向延伸從5到大約30微米的徑向距離。因此，凸緣重疊324可以為從大約5 到30微米。現在參考圖4，圖中描繪具有銅支柱和UBM結構400的示例性WLP封裝的另外實施例。具有銅支柱和UBM結構400的這個示例性WLP具有硅晶圓部分402，在制造過程中在該硅晶圓部分中蝕刻且產生電路。在晶圓的背面已經被磨光且/或拋光到預定厚度之后，背面涂層404可以設置在硅晶圓402的背面或底部上。在硅402的電路側或頂側上是鈍化層 406，該鈍化層覆蓋硅中的制成的電路。設置WLP焊盤部位405以允許硅上的制成的電路連接到示例性WLP外部的電路。聚酰亞胺、聚合物或絕緣層408設置在鈍化層的頂部上以絕緣和保護位于下面的制成的硅電路。在聚合物層408的頂部上，產生再分配層(RDL)跡線 410，使得到WLP外部的電路的電連接可以被分配到預定的有組織的位置中。再分配層410連接到焊盤部位405并且沿向著用于WLP400的最外電連接的部位的方向延伸。銅支柱412被結合且/或沉積在RDL410的頂部上的預定部位中。銅支柱或柱412 從RDL410離開硅402延伸的長度可以為從大約30到大約90微米。在銅柱412設置在WLP 封裝400上的它們的預定部位中之后，環氧樹脂或密封劑414設置在銅柱上或銅柱周圍并且硬化。然后，環氧樹脂414的頂表面415被研磨且拋光使得環氧樹脂415的頂表面和銅支柱412的頂部基本上處于相同平面。此時，可以進行蝕刻工藝以從銅支柱412的頂表面蝕刻氧化物層和/或另外的銅。蝕刻工藝可縮短銅支柱412的長度使得其最上或頂表面從環氧樹脂的外表面415凹入。銅支柱412的最上表面可以在環氧樹脂表面415下方凹入1 到大約20微米的距離。示例性球下冶金(UBM)層416沉積到銅支柱412的上表面上以填充凹入的區域， 并且在環氧樹脂頂表面415上方且使UBM結構在環氧樹脂的頂表面415上沿徑向向外延伸預定距離或者重疊環氧樹脂的頂表面415預定距離。UBM層可具有從數微米到大約30微米的厚度。在凹入區域內的UBM層416的下部將具有基本上類似于銅支柱直徑或寬度417的直徑或寬度。示例性UBM416將具有在凹入區域的外部的上部。該上部具有比銅支柱直徑 417大從5到大約60微米的直徑或寬度。因此，將存在UBM層的上部在環氧樹脂415的頂表面上方的重疊部418。重疊部418可以為從UBM的中心沿徑向測量的從大約2. 5微米到大約30微米。然后，焊料球或塊420可以回流或附接到金屬表面和UBM上部的上側，因此產生焊料球420到UBM上表面的三維金屬附接。UBM到焊料球的三維金屬附接提高了由此得到的具有銅支柱和UBM結構400的示例性WLP的結構強度，使得它在失效前比現有技術裝置經受住較大數量的跌落測試。此外，至少部分地由鎳組成的UBM416提供增強的載流能力和最小化的電遷移(EM)。UBM的重疊418在結構上加強示例性WLP銅支柱和UBM結構，以在失效之前比現有技術WLP裝置經受住較大數量的溫度循環。照這樣，具有銅支柱和UBM結構 400的總體示例性WLP提供增強的WLP焊料球連接，該增強的WLP焊料球連接提供優良的溫度循環、跌落測試可靠性，并且支持較高電流應用。現在參考圖2和4，現在描述制造包括示例性銅支柱_帶凸緣的UBM-焊料球構造的示例性WLP的示例性方法。首先假定示例性硅晶圓已經被制造到已經形成再分配層 (RDL)(或種子金屬層)的程度，并且還假定已知且預定銅支柱的部位，然后，潛在的下一步驟將是將銅柱或支柱設置或分配在RDL的預定部位上。銅柱或支柱可以為從大約50到大約90微米長。每個銅柱長度延伸離開RDL或其下方的種子金屬層的頂部。在銅柱沉積在 RDL層(或種子金屬)上之后，分配環氧樹脂以覆蓋銅柱、RDL層(或種子金屬)和晶圓的相同側表面。環氧樹脂或密封劑固化且硬化。晶圓的密封劑/銅柱側被研磨且拋光直到環氧樹脂的上表面和銅柱的上表面形成基本上較平坦的表面。下一步驟是蝕刻銅柱的暴露的上表面以去除可能已經形成在其上的氧化物，并且因此產生用于與下一金屬層的電連通和金屬結合的良好的表面環境。蝕刻工藝將去除銅柱的上表面的一些，使得銅柱上表面將變得在環氧樹脂的上表面下方凹入3到大約15微米的距離。在下一步驟中，示例性UBM層將形成在銅支柱的上部凹入表面上。UBM層將填充銅支柱上方的凹入區域并且在環氧樹脂的外部拋光表面上方且在形成與環氧樹脂的上表面重疊的凸緣狀結構的凹入區域周圍延伸。UBM層可以通過電鍍、化學鍍、濺射或者甚至可能
8通過焊料回流工藝被沉積。UBM層的厚度可以是從大約5到大約20微米，而其在凹入區域內且鄰近銅支柱的下直徑將基本上與銅支柱的直徑相同，并且上UBM的直徑或重疊部分的寬度將大于銅支柱直徑或寬度，使得上重疊部分從銅支柱的延伸的周邊沿徑向延伸以與環氧樹脂表面重疊。在環氧樹脂表面上方的重疊部可以是從3到大約30微米。焊料球可以回流到每一個UBM的上表面上，使得焊料球與UBM層的上表面和側表面通過界面連接。然后，可從整體晶圓切割單個WLP裝置。現在參考圖5，圖中提供本發明的另外實施例。圖5描繪嵌入的焊料球，該嵌入的焊料球可用作UBM結構并且進一步提高WLP部分的溫度循環和跌落測試存活性和可靠性。 此外，在某些實施例中，當鎳被包括在示例性嵌入焊料球金屬物質中時，可以提高WLP電連接的載流潛力。具有銅支柱和嵌入焊料球500的示例性WLP包括銅柱502，該銅柱布置在 RDL的再分配焊盤或部位上或在與硅晶圓上的制成的集成電路相關聯的WLP焊盤的正上方。銅柱502具有從硅表面垂直延伸的長度。銅柱502被第一環氧樹脂或密封劑504包圍。 與前面討論的實施例的情況一樣，第一環氧樹脂或密封劑504和銅柱502被研磨且拋光使得它們的頂表面基本上與硅晶圓齊平且與硅晶圓平行。蝕刻工藝可應用于銅支柱502，因此從銅支柱502的上表面去除小量銅和氧化物，使得由此得到的銅支柱502的上表面在第一環氧樹脂層504的上表面505下方凹入從3到20微米的距離。第一焊料球506通過例如回流工藝連接到銅柱502的上表面。第一焊料球506可包括鎳作為其金屬元素的一種。第一焊料球506可以基本上是錫，但在其中包括鎳和其它金屬物質。在其它實施例中，薄的鎳層516可以在添加第一焊料球506之前沉積在銅柱502上。在第一焊料球冶金附接到銅柱502的上表面之后，第二環氧樹脂、密封劑或物質 508設置在焊料球506上方。在一些實施例中，第二物質508可以是第一環氧樹脂層504 中使用的相同環氧樹脂或密封劑。在其它實施例中，第二物質508可以是密封劑或環氧樹脂，該密封劑或環氧樹脂當硬化和變硬時具有大于或小于第一層環氧樹脂504的彈性或塑性的一定程度的彈性或塑性。第二物質508連同第一焊料球506 (嵌入的焊料球)的表面將被研磨且拋光到預定水平或厚度511。這將導致封裝在剩余物質或第二環氧樹脂508中的封裝的部分焊料球510，使得兩者都具有處于相同水平的上表面512。在制造工藝中的這一點，封裝的部分焊料球510被第二環氧樹脂或密封劑物質 508包圍且在結構上支撐。該封裝的部分焊料球510可以被看作UBM。然后，第二焊料球514可以回流且附接到封裝的部分焊料球510，因此在封裝的部分焊料球510和第二焊料球514之間產生很強的金屬結合。嵌入的部分焊料球510通過第二層密封劑物質508被保持在結構上合理的位置中，使得具有銅支柱和嵌入的焊料球510 的這個WLP的實施例可以在失效之前經受住更大數量的跌落測試和溫度循環序列。在一些實施例中，鎳被添加到第一焊料球506的金屬以幫助增加這個示例性WLP銅支柱柱構造500 的載流能力以及機械性能。又在一些實施例中，鎳層516可以在回流第一焊料球506到其上之前被電鍍到銅柱502的上表面。鎳層516將降低第一焊料球506 (封裝的部分焊料球球510)和銅柱502 之間的電連接的EM。EM的降低增加示例性構造500的載流能力。現在描述用來制造圖5的嵌入的焊料球銅支柱WLP實施例500的方法。制造晶圓，并且從晶圓的表面垂直延伸的銅柱附接在與WLP焊盤相關聯的種子金屬或RDL層的頂部上。銅柱或支柱分別可以是從大約30到90微米長，具有預定的圓形橫截面形狀，因此產生圓柱形支柱或柱。可任選的下一步驟可以是在每個銅柱的上表面上電鍍薄金屬層。金屬層可以為數微米至大約5到10微米厚，并且可包括多種金屬，該多種金屬包括鎳、錫、金、銀或多種相關合金。環氧樹脂或密封劑設置在銅柱和相鄰的RDL的頂部和周圍并且在相同側晶圓表面上方。環氧樹脂或密封劑完全覆蓋銅柱且在其上方產生層。在環氧樹脂或密封劑硬化且固化之后，在晶圓的環氧樹脂側上進行研磨和拋光工藝以將環氧樹脂或密封劑磨光以露出每個銅柱或支柱的表面。如果另外的金屬層設置在銅柱或支柱的頂部上，則另外的金屬層的頂表面將暴露。研磨工藝也可從銅柱或銅柱/金屬層組合的上表面去除一些金屬。在環氧樹脂表面被研磨和拋光之后，化學工藝可用于從金屬柱的上表面(銅柱的上表面或被鍍或濺射到銅柱的表面上的金屬層的上表面)蝕刻氧化物。蝕刻工藝可將金屬柱的表面從環氧樹脂層的表面凹下從1到大約15微米。接下來，第一焊料塊流到(助溶劑可用在流動工藝中以進一步去除氧化物)金屬柱的頂部上。每個第一焊料塊將基本上填充在第一環氧樹脂層的表面層下方的銅柱上方的凹入區域。每個第一焊料塊將在每個銅柱的頂部上產生基本上球狀的焊料球。下一步驟是用第二填充材料填充每一個第一焊料塊周圍的區域。第二填充材料可以是用于第一層中的相同的環氧樹脂或密封劑填料，或者它可以是不同的填料，該不同的填料將硬化成比第一層環氧樹脂或密封劑更硬或更加塑性或易彎曲。在第二層填料或密封劑硬化且變硬之后，第二研磨和拋光工藝用于將第一焊料塊和第二環氧樹脂層磨光到預定厚度的水平。希望的厚度可以從大約20變動到大約100微米厚。這時，由此得到的結構包括冶金附接到金屬柱或支柱502 (并且可能是516)的研磨嵌入的焊料塊部分510。此外，每一個研磨的焊料球就像冶金附接到金屬支柱或柱的頂部的球下金屬(UBM)那樣起作用。研磨的第一焊料球被嵌在產生用來將第二焊料球或焊料塊附接到其上的結構上的合理的UBM部分的第二層環氧樹脂或密封劑中。第二焊料塊通過焊料回流工藝附接到研磨的焊料球的上表面，其中研磨的焊料球和第二焊料球的金屬可以基本上混合，因此產生強的金屬和電互連。在完成時，總的晶圓可以被切成單個WLP裝置。這個嵌入的焊料球銅支柱WLP工藝的實施例將產生具有100微米到大約350微米的范圍中的避開(stand off)距離的部分，其中避開距離是銅柱表面和第二焊料球上的最遠的點之間的距離。高的避開距離已經顯示出增加部件的溫度循環測試可靠性。此外，由于第一焊料球被研磨且嵌在作為UBM層的第二層環氧樹脂中，當經受跌落測試時，由此得到的實施例的結構合理性更加可靠。最后，如果諸如鎳的另外的金屬在銅柱和第一焊料球 (研磨的嵌入焊料球)之間被鍍到銅柱的上表面上，則示例性銅支柱連接的載流能力將大于其中不包括鎳或屏障金屬層的現有技術WLP連接的載流能力。此外，鎳層最小化或基本上消除已知與錫焊料和銅界面干涉的電遷移問題，該電遷移問題隨著時間的過去而阻礙這種界面用于高電流應用。本發明的實施例提供冶金地附接到銅柱WLP構造并且部分地在包圍銅柱的每一個的環氧樹脂表面的頂部上方或上的UBM層。示例性UBM層導致增強的WLP，該增強的WLP 減少與圖1中示出的現有技術柱/焊料球/環氧樹脂界面112相關聯的應力點。在焊料球和銅柱之間包括鎳減小了金屬間化合物(IMC)成長速率。IMC成長速率的減小導致WLP焊料球-銅支柱連接中的改善的載流能力。此外，在3-DUBM(它在環氧樹脂層的表面外部延伸)周圍附接焊料球導致更加穩固的且加強的WLP金屬間電界面結構。而且，在另一 UBM 式結構中，嵌入的研磨焊料球提供用于示例性WLP的改善的結構上合理的電機械增強的銅支柱界面。通過密封劑結構(該密封劑結構包括較大的UBM、在環氧樹脂層的表面上方延伸的UBM、凸緣形的UBM結構、嵌入的焊料塊UBM結構)且/或通過添加鎳到UBM或焊料球或者UBM或焊料球附近，以賦予總體示例性WLP裝置較高的載流能力以及較好的熱電和機械性能，本發明的實施例強化了 WLP銅支柱電連接結構。 具有本公開內容的益處的本領域技術人員將理解，用于優良的溫度循環、跌落測試和高電流應用的這種增強的WLP提供一種WLP裝置，該WLP裝置具有銅柱-帶凸緣的 UBM-焊料塊結構或銅柱_嵌入的UBM-焊料塊結構，消除了不包括本發明的實施例的現有技術WLP裝置中出現的許多機械和結構問題。應當理解，這里的附圖和詳細描述被認為是以說明性而不是限制性的方式，并且不意圖限于公開的特別形式和例子。相反，包括的是對本領域技術人員來說顯然的任何另外的修改、改變、重新配置、替換、替代、設計選擇和實施例，而不偏離如以下權利要求限定的本發明的精神和范圍。因此，所意圖的是，以下權利要求被解釋成包括所有這種另外的修改、改變、重新配置、替換、替代、設計選擇和實施例。
權利要求
1.一種晶圓級封裝(WLP)塊結構，包括從制成的晶圓級封裝硅表面垂直地延伸第一距離的銅支柱，所述銅支柱包括支柱側面和遠離制成的晶圓級封裝硅表面的遠端部，所述遠端部包括銅表面；在所述支柱側面周圍并且基本上覆蓋所述制成的晶圓級封裝硅表面的第一密封劑，所述銅表面在第一密封劑表面下方凹入一凹入距離，使得在所述銅表面上方存在凹入區域；冶金結合到所述銅表面的球下金屬(UBM)，所述球下金屬包括第一部分和第二部分，所述第一部分在所述凹入區域內，所述第二部分在所述凹入區域上方并且與在所述凹入區域周圍的所述密封劑表面重疊。
2.權利要求1所述的晶圓級封裝塊結構，還包括冶金結合在所述銅表面和所述球下金屬之間的金屬層。
3.權利要求1所述的晶圓級封裝塊結構，其中所述球下金屬是第一焊料球的一部分。
4.權利要求1所述的晶圓級封裝塊結構，還包括附接在所述第二部分周圍的焊料球。
5.權利要求1所述的晶圓級封裝，其中所述球下金屬包括鎳(Ni)。
6.一種晶圓級封裝件(WLP)，包括 具有電路側的制成的硅層；所述電路側上的電路連接部位；具有從第一端部到第二端部的長度以及第一寬度的銅支柱，所述第一端部冶金結合到所述電路連接部位；球下冶金(UBM)層，包括 具有頸長度和所述第一寬度的頸端部；和具有第二寬度和邊緣厚度的凸緣端部，所述頸端部與凸緣端部對中，所述頸端部與所述銅支柱的所述第二端部對中并且設置在所述銅支柱的所述第二端部上，所述第一寬度小于所述第二寬度；在所述銅支柱周圍的密封劑層，該密封劑層基本上覆蓋所述電路側并且具有從所述電路側延伸到所述凸緣端部的密封劑厚度；和設置在所述凸緣端部的邊緣上以及該邊緣周圍的焊料球。
7.權利要求6所述的晶圓級封裝件，其中所述球下冶金包括鎳(Ni)。
8.權利要求6所述的晶圓級封裝件，在所述銅支柱的所述第二端部和所述球下冶金的所述頸端部之間還包括金屬層。
9.權利要求8所述的晶圓級封裝件，其中所述金屬層包括鎳(Ni)。
10.權利要求6所述的晶圓級封裝件，其中所述凸緣端部是矩形的。
11.一種晶圓級封裝件，包括 包括電路側的晶圓級封裝裸片；銅柱，所述銅柱包括柱寬度并且具有從第一柱端部到第二柱端部的柱長度，所述銅柱在所述第一柱端部附接到在所述電路側上的晶圓級封裝電路連接部位；第一金屬層，所述第一金屬層包括具有窄端部和寬端部的加大部分，所述窄端部具有等于所述柱寬度的窄的寬度，所述窄端部被設置到所述第二柱端部并且與所述第二柱端部對準；第一密封劑層，所述第一密封劑層基本上覆蓋所述電路側并且在所述銅柱和所述第一金屬層的所述窄端部的一部分周圍，使得所述寬端部在所述第一密封劑層上方延伸；以及附接到所述第一金屬層的所述寬端部的焊料球。
12.權利要求11所述的晶圓級封裝件，其中所述第一金屬層的寬度對于第一長度部分等于所述窄的寬度，并且對于第二長度部分等于寬的寬度。
13.權利要求11所述的晶圓級封裝件，其中所述寬端部與所述第一密封劑層重疊。
14.權利要求13所述的晶圓級封裝件，其中所述焊料球被附接成使得該焊料球覆蓋所述寬端部的頂表面和所述寬端部的側面的一部分兩者。
15.權利要求11所述的晶圓級封裝件，在所述銅柱的所述第二端部和所述第一金屬層之間還包括鎳(Ni)層。
16.權利要求11所述的晶圓級封裝件，其中所述第一金屬層包括鎳(Ni)。
17.權利要求11所述的晶圓級封裝件，還包括在所述第一密封劑層上的第二密封劑層，所述第二密封劑層在所述第一金屬層周圍， 使得所述第一金屬層嵌在所述第二密封劑層中，所述第二密封劑層的頂表面基本上與所述寬端部的頂側共面；并且其中所述焊料球附接到所述寬端部的所述頂側。
18.權利要求17所述的晶圓級封裝件，其中所述第一密封劑和所述第二密封劑為相同化合物。
19.權利要求17所述的晶圓級封裝件，其中所述第一金屬層是第二焊料球的一部分。
20.權利要求17所述的晶圓級封裝件，在所述銅柱的所述第二端部和所述第一金屬層之間還包括鎳(Ni)層。
全文摘要
一種用于優良的溫度循環、跌落測試和高電流應用的增強的WLP裝置，在銅柱式電路連接的頂部上設置有凸緣形UBM或嵌入的部分焊料球UBM。
文檔編號H01L23/31GK102194783SQ201110061359
公開日2011年9月21日 申請日期2011年3月15日 優先權日2010年3月17日
發明者A·薩莫伊洛夫, R·阿爾瓦拉多, T·王 申請人:瑪克西姆綜合產品公司