專利名稱：芯片封裝結構的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及半導體技術領域，尤其涉及一種芯片封裝結構。
背景技術：
傳統技術上，IC芯片與外部電路的連接是通過金屬引線鍵合(WireBonding)的方式實現。隨著IC芯片特征尺寸的縮小和集成電路規模的擴大，引線鍵合技術不再適用。晶圓級芯片尺寸封裝(Wafer Level Chip ScalePackaging, WLCSP)技術是對整片晶圓進行封裝測試后再切割得到單個成品芯片的技術，封裝后的芯片尺寸與裸片完全一致。晶圓級芯片尺寸封裝技術徹底顛覆了傳統封裝如陶瓷無引線芯片載具(Ceramic Leadless ChipCarrier)、有機無引線芯片載具(Organic Leadless Chip Carrier)的模式,順應了市場對微電子產品日益輕、小、短、薄化和低價化要求。經晶圓級芯片尺寸封裝技術封裝后的芯片尺寸達到了高度微型化，芯片成本隨著芯片尺寸的減小和晶圓尺寸的增大而顯著降低。晶圓級芯片尺寸封裝技術是可以將IC設計、晶圓制造、封裝測試、整合為一體的技術，是當前封裝領域的熱點和未來發展的趨勢。現有技術公開了一種晶圓級芯片尺寸封裝技術，請參考圖1，圖1為現有技術晶圓級芯片尺寸封裝結構的剖面示意圖，包括:半導體襯底101;位于所述半導體襯底101內部的金屬焊盤103 ;位于所述半導體襯底101表面的絕緣層102，所述絕緣層102具有暴露出所述金屬焊盤103的開口 ；位于所述開口內且覆蓋部分所述金屬焊盤103的球下金屬電極104 ;位于所述球下金屬電極104上的焊球105,所述焊球105覆蓋球下金屬電極104的上表面。現有技術中焊球105與球下金屬電極104的接觸面積小，焊球105與球下金屬電極104之間的附著力差。同時球下金屬電極104的側面完全裸漏，容易氧化失去與絕緣層102的可靠接合。另外，現有技術中焊球105直接位于球下金屬電極104之上，球下金屬電極104的材料通常為銅，焊球105的材料通常為錫，錫原子會擴散進入銅電極中去，而銅原子也同時會擴散進入錫球中，形成介面合金共化物(IMC Jntermetallic Compound)和空洞，介面合金共化物具有脆性，將會影響焊點的機械強度和壽命。現有技術的芯片封裝結構可靠性差。其他有關芯片的分裝方法還可以參考公開號為CN101211791的中國發明專利申請，其公開了一種晶圓級芯片封裝制程與芯片封裝結構。
實用新型內容本實用新型解決的問題是現有技術焊球和球下金屬電極之間附著力差，可靠性差。為解決上述問題，本實用新型提供了一種芯片封裝結構，包括:半導體襯底；位于所述半導體襯底內的金屬焊盤；位于所述半導體襯底上的絕緣層，所述絕緣層具有暴露所述金屬焊盤的開口 ；位于所述金屬焊盤上的球下金屬電極，所述球下金屬電極具有電極體部和電極尾部，所述電極體部位于所述球下金屬電極底部且與所述金屬焊盤相接，所述電極尾部位于所述球下金屬電極頂部；位于所述球下金屬電極表面的焊球。可選的，所述金屬焊盤為再分布式焊盤。可選的，所述金屬焊盤表面具有過渡金屬層。可選的，所述電極尾部高度為所述電極體部高度的0.005^1.5倍。可選的，還包括位于所述球下金屬電極表面的覆蓋層，所述覆蓋層還覆蓋所述球下金屬電極底部周圍的金屬焊盤。可選的，所述覆蓋層為防擴散層和浸潤層的堆疊結構，所述防擴散層位于所述球下金屬電極表面，所述浸潤層位于所述防擴散層表面。可選的，所述防擴散層的厚度為0.05 μ m至5 μ m。可選的，所述浸潤層的厚度為0.05 μ m至10 μ m。與現有技術相比，本實用新型具有以下優點:所述球下金屬電極具有電極體部和電極尾部，所述電極體部位于所述球下金屬電極底部且與所述金屬焊盤相接，所述電極尾部位于所述球下金屬電極頂部。所述電極尾部嵌入所述焊球體內，增大了球下金屬電極與焊球的接觸面積，因此球下金屬電極與焊球的附著力增強，使得焊球在受外力作用時，更不容易從球下金屬電極表面脫落。所述球下金屬電極表面具有覆蓋層，所述覆蓋層為防擴散層和浸潤層的堆疊結構，所述防擴散層位于所述球下金屬電極表面，所述浸潤層位于所述防擴散層表面。現有技術中，焊球直接位于球下金屬電極之上，球下金屬電極與焊球之間通過原子的擴散會形成介面合金共化物和空洞，介面合 金共化物具有脆性，將會影響焊點的機械強度和壽命。在本實用新型中，球下金屬電極表面具有防擴散層，所述防擴散層的材料為鎳，與球下金屬電極相比防擴散層與焊球形成介面合金共化物要慢很多，可以作為球下金屬電極和焊球之間的阻隔層，防止形成介面合金共化物和空洞。而由于防擴散層容易氧化，進一步的在防擴散層表面具有浸潤層以防止防擴散層的氧化，另外，浸潤層與焊球的材料浸潤，附著力更好，所述浸潤層的材料為錫、金、銀中的一種，或者所述浸潤層的材料為含錫、金、或銀的合金。與現有技術相比，在球下金屬電極表面具有覆蓋層改善了介面合金共化物問題，提升了芯片封裝的可靠性。
圖1是現有技術芯片封裝結構不意圖；圖2為本實用新型第一實施例芯片封裝結構示意圖；圖3為本實用新型第二實施例芯片封裝結構示意圖；圖4為本實用新型第三實施例芯片封裝結構示意圖。
具體實施方式
由背景技術可知，現有技術中，焊球直接位于球下金屬電極之上，球下金屬電極與焊球的接觸面積有限，附著力差；球下金屬電極的材料通常為銅，焊球的材料通常為以錫為主要成份的金屬，在銅電極表面形成焊球時，錫原子會擴散進入銅電極中去，而銅原子也同時會擴散進入錫球中，形成介面合金共化物和空洞，介面合金共化物具有脆性，將會影響焊點的機械強度和壽命。本實用新型的發明人經過創造性勞動，提出一種新的芯片封裝結構，包括:半導體襯底；位于所述半導體襯底內的金屬焊盤；位于所述半導體襯底上的絕緣層，所述絕緣層具有暴露所述金屬焊盤的開口 ；位于所述金屬焊盤上的球下金屬電極，所述球下金屬電極具有電極體部和電極尾部，所述電極體部位于所述球下金屬電極底部且與所述金屬焊盤相接，所述電極尾部位于所述球下金屬電極頂部；位于所述球下金屬電極表面的焊球。下面結合說明書附圖描述本實用新型提供的三個具體實施例，上述的目的和本實用新型的優點將更加清楚。需要說明的是，提供這些附圖的目的是有助于理解本實用新型的實施例，而不應解釋為對本實用新型的不當的限制。為了更清楚起見，圖中所示尺寸并未按比例繪制，可能會做放大、縮小或其他改變。下面的描述中闡述了很多具體細節以便充分理解本實用新型。但是本實用新型能夠以很多不同于在此描述的其他方式來實施，本領域技術人員可以在不違背本實用新型內涵的情況下做類似推廣，因此本實用新型不受下面公開的具體實施例的限制。第一實施例請參考圖2，圖2為本實用新型第一實施例的芯片封裝結構示意圖，包括:半導體襯底201 ;位于所述半導體襯底201內的金屬焊盤203 ;位于所述半導體襯底201上的絕緣層202，所述絕緣層202具有暴露所述金屬焊盤203的開口 ；位于所述金屬焊盤203上的球下金屬電極204,所述球下金屬電極204具有電極體部204a和電極尾部204b,所述電極體部204a位于所述球下金屬電極204底部且與所述金屬焊盤203相接，所述電極尾部204b位于所述球下金屬電極204頂部；位于所述球下金屬電極204表面的覆蓋層；位于所述覆蓋層表面的焊球207。具體地，所述半導體襯底201可以為單晶硅、SOI (絕緣體上硅)、SiGe或II1-V族化合物晶圓，所述半導體襯底201包括位于其內部和表面的一層或若干層介質層，所述半導體襯底201還應當包括制作于其上的半導體器件、金屬互連以及其他半導體結構。所述金屬焊盤203位于所述半導體襯底201內，所述金屬焊盤203為所述半導體襯底201的頂層互連金屬電極，所述金屬焊盤203的材料可以為金，銅、鋁或者銀。所述金屬焊盤203在封裝結構中用于連接芯片內部電路和外部封裝部件。所述絕緣層202位于所述半導體襯底201上，所述絕緣層202具有暴露所述金屬焊盤203的開口。所述絕緣層202包括鈍化層和聚合物層(未示出)，所述鈍化層用于保護金屬焊盤203、電性隔離和形成暴露所述金屬焊盤203的開口，所述鈍化層的材料可以為氧化硅、氮化硅或者低K材料；所述聚合物層位于所述鈍化層上，所述聚合物層具有暴露所述金屬焊盤203的開口，所述聚合物的材料可以為聚酰亞胺(Polyimide)、環氧樹脂(Epoxy)、苯并環丁烯樹脂(Benzocyclobutene)或者其它類似功能聚合物。在一具體實施例中，所述半導體襯底201為單晶硅，所述半導體襯底201還包括了制作于其上的半導體器件、金屬互聯以及其他半導體結構。所述絕緣層202包括材料為氧化硅的鈍化層和材料為聚酰亞胺的聚合物層，所述絕緣層202具有暴露金屬焊盤203的開口，所述金屬焊盤203為所述半導體襯底201的頂層互聯金屬電極，所述金屬焊盤203的材料為Cu。所述球下金屬電極204位于所述金屬焊盤203上,所述球下金屬電極204具有電極體部204a和電極尾部204b，所述電極體部204a位于所述球下金屬電極204底部且與所述金屬焊盤203相接,所述電極尾部204b位于所述球下金屬電極204頂部。所述球下金屬電極204具有電極尾部204b，所述電極尾部204b嵌入焊球207內，增大了球下金屬電極204與焊球207的接觸面積，因此球下金屬電極與焊球的附著力增強，機械強度增強。所述球下金屬電極204的材料為以金、銅、鋁或者銀為主要成分的金屬。所述電極尾部204b的高度為所述電極體部204a高度的0.005 1.5倍，當電極尾部204b的高度低于電極體部204a高度的0.005倍時，電極尾部204b陷入后繼形成的焊球的長度有限，對球下金屬電極204和焊球的附著力增強有限；而當電極尾部204b的高度高于電極體部204a的高度的1.5倍時，由于電極尾部204b與電極體部204a相比直徑較細，且金屬質地較軟，制造過程中容易變形彎曲并影響焊球的形狀，成品率降低，且不利于倒芯片封裝。需要說明的是，所述球下金屬電極204可以通過引線鍵合(Wire Bonding)的工藝來形成，下面結合一具體實施例中所述球下金屬電極204的形成方法來進一步說明其特征。使用引線鍵合方法形成所述球下金屬電極204的具體工藝為:金屬引線通過鍵合頭到達金屬焊盤203頂部，利用氫氧焰或者電氣放電系統產生電火花以熔化金屬引線，在表面張力的作用下，熔融金屬凝固形成球形(球直徑一般是金屬引線直徑的1.5倍至4倍)，降下鍵合頭，在適當的壓力，溫度，動能和時間內將金屬球壓在金屬焊盤203上，在此過程中，通過鍵合頭向金屬球施加壓力，同時促進引線金屬和金屬焊盤203發生塑性形變和原子之間相互擴散，形成電極體部204a;然后，鍵合頭抬起，金屬引線起弧到特定高度(待形成電極尾部204b高度)，利用鍵合線夾切斷金屬引線，電極體部204a上金屬引線即電極尾部204b，形成球下金屬電極204。需要說明的是，引線鍵合常用于半導體封裝內部芯片和外部管腳以及芯片之間連接的工藝，而本實用新型的發明人通過改進引線鍵合工藝，將其應用于球下金屬電極204的形成工藝中，能夠在形成電極體部204a的同時采用鍵合頭抬起后金屬弓I線起弧形成電極尾部204b，工藝簡單，形成效率高。在一具體實施例中，所述球下金屬電極204的材料為銅，所述電極尾部204b的高度與所述電極體部204a的高度相同。所述球下金屬電極204表面還具有覆蓋層。所述覆蓋層為防擴散層205和浸潤層206的堆疊結構，所述防擴散層205位于所述球下金屬電極204表面，所述浸潤層206位于所述防擴散層205表面。所述防擴散層205的材料為鎳，與球下金屬電極204相比防擴散層205與焊球形成介面合金共化物要慢很多，可以作為球下金屬電極204和焊球之間的阻隔層，防止形成介面合金共化物和空洞。介面合金共化物和空洞會影響焊點的機械強度和壽命，所以形成防擴散層可以有效改善介面合金共化物問題，提升了芯片封裝的可靠性。所述防擴散層205的厚度為0.05 μ m至5 μ m，所述防擴散層205的厚度跟芯片封裝過程的工藝有關，當芯片封裝過程的工藝溫度越低時，所述防擴散層205的厚度可以減小。在一實施例中，所述防擴散層205的為鎳層，所述鎳層作為球下金屬電極204和焊球之間的阻隔層，所述鎳層的厚度為0.5 μ m至3 μ m。所述浸潤層206為位于所述防擴散層205表面。所述防擴散層205的材料為鎳，鎳容易氧化，造成界面電阻率增大，所以進一步的在防擴散層205表面形成浸潤層206以防止防擴散層的氧化，另外，浸潤層206與后續形成的焊球的材料浸潤，附著力更好。所述浸潤層206的材料為錫、金、銀中的一種,或者所述浸潤層206的材料為含錫、金、或銀的合金。所述浸潤層206在空氣中不容易氧化。所述浸潤層206的形成方法為化學鍍。所述浸潤層206的厚度為0.05 μ m至10 μ m，所述浸潤層206的厚度也與芯片封裝的工藝有關。在一實施例中，所述浸潤層206的材料為錫層，錫層在空氣中不容易被氧化，且與焊球材料浸潤，附著力更好，所述錫層的厚度為0.1 μ m至5 μ m。所述焊球207位于所述覆蓋層表面。所述焊球207用于與外部基板的連接，所述焊球207包裹具有覆蓋層的球下金屬電極204，所述焊球207的材料為錫或者錫合金。第二實施例請參考圖3，圖3為本實用新型第二實施例的芯片封裝結構示意圖，包括:半導體襯底301 ;位于所述半導體襯底301內的金屬電極308 ;位于所述半導體襯底301上的第一絕緣層309，所述第一絕緣層309覆蓋部分所述金屬電極308，所述第一絕緣層309具有暴露所述金屬電極308的第一開口 ；位于所述第一絕緣層309上的過渡金屬層310，所述過渡金屬層310覆蓋所述第一開口的側壁和底表面，所述過渡金屬層310沿所述第一開口表面形成第二開口 ；位于過渡金屬層310上的金屬焊盤303，所述金屬焊盤303填充滿所述第二開口 ；位于所述金屬焊盤303上的第二絕緣層302，所述第二絕緣層具有暴露所述金屬焊盤303的第三開口 ；位于所述金屬焊盤303上的球下金屬電極304,所述球下金屬電極304具有電極體部304a和電極尾部304b，所述電極體部304a位于所述球下金屬電極304底部且與所述金屬焊盤303相接，所述電極尾部304b位于所述球下金屬電極304頂部；位于所述球下金屬電極304表面的覆蓋層，所述覆蓋層為防擴散層305和浸潤層306的堆疊結構，所述防擴散層305位于所述球下金屬電極304表面,所述浸潤層306位于所述防擴散層305表面；位于所述覆蓋層表面的焊球307。本實施例與第一實施例相比，區別在于:所述金屬焊盤303為再分布式焊盤(RDL)。所述再分布式焊盤通過在芯片表面增加第一絕緣層309、過渡金屬層310和第二絕緣層302形成，所述再分布式焊盤的形成方法與結構為本領域技術人員所熟知，在此不再贅述。再分布式焊盤可以根據封裝工藝的設計規則將半導體襯底301內的金屬電極308的位置重新排布為再分布式焊盤的位置。再分布式焊盤可以大大縮小芯片封裝尺寸，達到高密度封裝的需求，且提升了數據傳輸的速度和穩定性。本實施例中所述半導體襯底301、所述球下金屬電極304、所述防擴散層305、所述浸潤層306、所述焊球307的材料和結構與第一實施例類似，詳細介紹請參考第一實施例，在此不再贅述。第三實施例請參考圖4，圖4為本實用新型第三實施例的芯片封裝結構示意圖，包括:半導體襯底401 ;位于所述半導體襯底401內的金屬焊盤403，所述金屬焊盤403可以為半導體襯底401的頂層互連金屬電極，也可以是再分布式焊盤；位于所述半導體襯底401上的絕緣層402，所述絕緣層402具有暴露所述金屬焊盤403的開口 ；位于所述金屬焊盤403表面的過渡金屬層408 ;位于所述過渡金屬層408上的球下金屬電極404，所述球下金屬電極404具有電極體部404a和電極尾部404b，所述電極體部404a位于所述球下金屬電極404底部且與所述過渡金屬層408相接，所述電極尾部404b位于所述球下金屬電極404頂部；位于所述球下金屬電極404表面的覆蓋層，所述覆蓋層為防擴散層405和浸潤層406的堆疊結構，所述防擴散層405位于所述球下金屬電極404表面,所述浸潤層406位于所述防擴散層405表面；位于所述覆蓋層表面的焊球407。本實施例與第一實施例相比，區別在于:所述金屬焊盤403表面具有過渡金屬層408。所述過渡金屬層起到防擴散、增加粘附力和保護金屬焊盤403的作用。形成所述過渡金屬層408的工藝可以為物理氣相沉積、化學氣相沉積、電化學沉積和電鍍工藝。所述過渡金屬層408可以為NiPdAu層，Ag層，Ti層、Ta層、TiN層、TaN層、Cu層或者Cu合金層中的一種或幾種的疊層。所述過渡金屬層408的厚度為0.1 μ m至3 μ m。本實施例中所述半導體襯底401、所述絕緣層402、所述球下金屬電極404、所述防擴散層405、所述浸潤層406、所述焊球407的材料和結構與第一實施例類似，詳細介紹請參考第一實施例，在此不再贅述。綜上所述，與現有技術相比，本實用新型具有以下優點:所述球下金屬電極具有電極體部和電極尾部，所述電極體部位于所述球下金屬電極底部且與所述金屬焊盤相接，所述電極尾部位于所述球下金屬電極頂部。所述電極尾部嵌入所述焊球內，增大了球下金屬電極與焊球的接觸面積，因此球下金屬電極與焊球的附著力增強，機械強度增強。所述球下金屬電極表面具有覆蓋層，所述覆蓋層為防擴散層和浸潤層的堆疊結構。現有技術中，焊球直接位于球下金屬電極之上，球下金屬電極與焊球之間通過原子的擴散會形成介面合金共化物和空洞，介面合金共化物具有脆性，將會影響焊點的機械強度和壽命。在本實用新型中，球下金屬電極表面具有防擴散層，所述防擴散層的材料為鎳，與球下金屬電極相比防擴散層與焊球形成介面合金共化物要慢很多，可以作為球下金屬電極和焊球之間的阻隔層，防止形成介面合金共化物和空洞。而由于防擴散層容易氧化，進一步的在防擴散層表面具有浸潤層防止防擴散層的氧化，另外，浸潤層與后續形成的焊球的材料浸潤，附著力更好，所述浸潤層的材料為錫、金、銀中的一種，或者所述浸潤層的材料為含錫、金、或銀的合金。與現有技術相比，球下金屬電極表面具有覆蓋層改善了介面合金共化物問題，提升了芯片封裝的可靠性。本實用新型雖然已以較佳實施例公開如上，但其并不是用來限定本實用新型，任何本領域技術人員在不脫離本實用新型的精神和范圍內，都可以利用上述揭示的方法和技術對本實用新型技術方案做出可能的變動和修改，因此，凡是未脫離本實用新型技術方案的內容，依據本實用新型的技術實質對以上實施例所作的任何簡單修改、等同變化及修飾，均屬于本實用新型技術方案的保護范圍。
權利要求1.一種芯片封裝結構，其特征在于，包括: 半導體襯底； 位于所述半導體襯底內的金屬焊盤； 位于所述半導體襯底上的絕緣層，所述絕緣層具有暴露所述金屬焊盤的開口 ； 位于所述金屬焊盤上的球下金屬電極，所述球下金屬電極具有電極體部和電極尾部，所述電極體部位于所述球下金屬電極底部且與所述金屬焊盤相接，所述電極尾部位于所述球下金屬電極頂部； 位于所述球下金屬電極表面的焊球。
2.如權利要求1所述的芯片封裝結構，其特征在于，所述金屬焊盤為再分布式焊盤。
3.如權利要求1所述的芯片封裝結構，其特征在于，所述金屬焊盤表面具有過渡金屬層。
4.如權利要求1所述的芯片封裝結構，其特征在于，所述電極尾部高度為所述電極體部高度的0.005 1.5倍。
5.如權利要求1所述的芯片封裝結構，其特征在于，還包括位于所述球下金屬電極表面的覆蓋層，所述覆蓋層還覆蓋所述球下金屬電極底部周圍的金屬焊盤。
6.如權利要求5所述的芯片封裝結構，其特征在于，所述覆蓋層為防擴散層和浸潤層的堆疊結構，所述防擴散層位于所述球下金屬電極表面，所述浸潤層位于所述防擴散層表面。
7.如權利要求6所述的芯片封裝結構，其特征在于，所述防擴散層的厚度為0.05μπι至.5 μ m0
8.如權利要求6所述的芯片封裝結構，其特征在于，所述浸潤層的厚度為0.05 μ m至.10 μ m0
專利摘要一種芯片封裝結構，包括半導體襯底；位于所述半導體襯底內的金屬焊盤；位于所述半導體襯底上的絕緣層，所述絕緣層具有暴露所述金屬焊盤的開口；位于所述金屬焊盤上的球下金屬電極，所述球下金屬電極具有電極體部和電極尾部，所述電極體部位于所述球下金屬電極底部且與所述金屬焊盤相接，所述電極尾部位于所述球下金屬電極頂部；位于所述球下金屬電極表面的焊球。本實用新型的芯片封裝結構的球下金屬電極和焊球之間的附著力強，可靠性高。
文檔編號H01L23/488GK202917476SQ20122058693
公開日2013年5月1日 申請日期2012年11月8日 優先權日2012年11月8日
發明者林仲珉, 石磊, 吳曉純 申請人:南通富士通微電子股份有限公司