疊層芯片的晶圓級凸塊圓片級封裝方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種疊層芯片的晶圓級凸塊圓片級封裝方法，包括選擇作業(yè)芯片；在每個(gè)表層焊墊上用引線鍵合技術(shù)進(jìn)行金屬線鍵合，在金屬線鍵合過程中，在金屬線一端進(jìn)行燒球形成金屬球結(jié)構(gòu)，將金屬球結(jié)構(gòu)共晶在表層焊墊上，實(shí)現(xiàn)結(jié)合；對金屬線的線弧進(jìn)行設(shè)置，使得金屬線的線弧與所述表層焊墊相互垂直，線弧達(dá)到設(shè)定高度后直接將金屬線熔斷形成不規(guī)則的金屬端部；在作業(yè)芯片上涂覆環(huán)氧樹脂膠，使得環(huán)氧樹脂膠完全覆蓋金屬端部，并對環(huán)氧樹脂膠進(jìn)行烘烤固化；對烘烤固化后的環(huán)氧樹脂膠進(jìn)行研磨，將不規(guī)則的金屬端部去除，形成圓形的金屬截面；在金屬截面上進(jìn)行植球工藝。本發(fā)明彌補(bǔ)凸塊結(jié)構(gòu)的性能不足，并且解決了投資巨大、生產(chǎn)成本較高的問題。
【專利說明】疊層芯片的晶圓級凸塊圓片級封裝方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及半導(dǎo)體封裝【技術(shù)領(lǐng)域】中的晶圓級封裝技術(shù)，特別是涉及一種疊層芯片的晶圓級凸塊圓片級封裝方法。
【背景技術(shù)】
[0002]目前的晶圓級銅凸塊技術(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，最后用電鍍生長凸塊。在作業(yè)的過程中運(yùn)用了大量的化學(xué)藥劑來進(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，對環(huán)境帶來一定的潛在污染，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，在電鍍過程中將產(chǎn)生金屬內(nèi)空洞，或者金屬致密性不均等問題。
[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)由原來的4寸、6寸、8寸到現(xiàn)在的12寸，甚至國際半導(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，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。
【發(fā)明內(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題，并且解決生產(chǎn)成本較高，且對環(huán)境存在潛在風(fēng)險(xiǎn)的缺點(diǎn)，本發(fā)明提供了疊層芯片的晶圓級凸塊圓片級封裝方法。
[0005]本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是:提供一種疊層芯片的晶圓級凸塊圓片級封裝方法，包括以下步驟:
[0006](I)選擇作業(yè)芯片，所述作業(yè)芯片表面有多個(gè)表層焊墊；
[0007](2)在每個(gè)表層焊墊上用引線鍵合技術(shù)進(jìn)行金屬線鍵合，在金屬線鍵合過程中，在金屬線一端進(jìn)行燒球形成金屬球結(jié)構(gòu)，將金屬球結(jié)構(gòu)共晶在表層焊墊上，實(shí)現(xiàn)結(jié)合；對金屬線的線弧進(jìn)行設(shè)置，使得金屬線的線弧與所述表層焊墊相互垂直，線弧達(dá)到設(shè)定高度后直接將金屬線熔斷形成不規(guī)則的金屬端部；
[0008](3)在作業(yè)芯片上涂覆環(huán)氧樹脂膠，使得環(huán)氧樹脂膠完全覆蓋金屬端部，并對環(huán)氧樹脂膠進(jìn)行烘烤固化；
[0009](4)對烘烤固化后的環(huán)氧樹脂膠進(jìn)行研磨，將不規(guī)則的金屬端部去除，形成圓形的金屬截面；
[0010](5)在金屬截面上進(jìn)行植球工藝，生成標(biāo)準(zhǔn)的金屬球陣列作為對外電性或者信號的連接層。
[0011 ] 所述步驟(I)中還包括對所述作業(yè)芯片進(jìn)行電漿清洗用以去除作業(yè)芯片表層有機(jī)污染和表層焊墊上的金屬氧化層的步驟。
[0012]所述步驟(4)和步驟(5)之間還包括通過去膠液去除環(huán)氧樹脂膠的步驟。
[0013]所述通過去膠液去除環(huán)氧樹脂膠的步驟后還包括對露出的金屬線的表面進(jìn)行化鍍處理和/或鍍覆擴(kuò)散阻擋層的步驟。
[0014]所述金屬線采用金、銅或合金材料制成。
[0015]所述金屬球陣列為錫球陣列。
[0016]有益效果
[0017]由于采用了上述的技術(shù)方案，本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下的優(yōu)點(diǎn)和積極效果:本發(fā)明可以實(shí)現(xiàn)和通用做法完全一樣的凸塊分布；性能上本發(fā)明的結(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，對外連接方式更靈活；成本上，因?yàn)楸景l(fā)明的結(jié)構(gòu)運(yùn)用的凸塊實(shí)現(xiàn)方式為傳統(tǒng)的引線鍵合(簡稱“wirebond”)工藝，取消了晶圓級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)用本發(fā)明的結(jié)構(gòu)的芯片抗機(jī)械力沖擊能力更高，可靠性更為突出。本發(fā)明的制作過程中環(huán)氧樹脂膠由于經(jīng)過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】
【附圖說明】
[0018]圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0019]圖2是本發(fā)明中作業(yè)晶圓的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0020]圖3是本發(fā)明中金屬線鍵合后的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0021]圖4是本發(fā)明中金屬線鍵合環(huán)氧樹脂膠涂覆后的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0022]圖5是本發(fā)明中金屬線鍵合環(huán)氧樹脂膠涂覆后的剖面結(jié)構(gòu)示意圖；
[0023]圖6是本發(fā)明中減薄后的結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0024]下面結(jié)合具體實(shí)施例，進(jìn)一步闡述本發(fā)明。應(yīng)理解，這些實(shí)施例僅用于說明本發(fā)明而不用于限制本發(fā)明的范圍。此外應(yīng)理解，在閱讀了本發(fā)明講授的內(nèi)容之后，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以對本發(fā)明作各種改動(dòng)或修改，這些等價(jià)形式同樣落于本申請所附權(quán)利要求書所限定的范圍。
[0025]本發(fā)明制得的疊層芯片的晶圓級凸塊圓片級封裝架構(gòu)，如圖1所示，包括作業(yè)芯片I，所述作業(yè)芯片I包括表層焊墊11和表面鈍化層12 ;所述作業(yè)芯片I的每一顆表層焊墊11上生長有一根金屬線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植有作為對外電性或者信號連接層的金屬球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)氧樹脂膠4。
[0026]值得一提的是，環(huán)氧樹脂膠既可以保留，也可以經(jīng)去膠液去除，該環(huán)氧樹脂膠去除后，并不會影響底部金屬凸塊結(jié)構(gòu)對金屬球的有效支撐。
[0027]該結(jié)構(gòu)可采用傳統(tǒng)wirebond方式替代現(xiàn)有的晶圓級先進(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)方式更簡單、不會帶來污染、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)。
[0028]上述結(jié)構(gòu)采用傳統(tǒng)wirebond技術(shù)來進(jìn)行凸塊的鍵合，通過對wirebond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)氧樹脂膠需經(jīng)過烘烤固化。經(jīng)過固化后，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)過晶圓的研磨，切割，分選為單顆芯片，封裝完成。具體步驟如下:
[0029]選擇作業(yè)芯片，提供的作業(yè)芯片I為普通的晶圓芯片(見圖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)過程為晶圓級作業(yè)，包括下述的所有結(jié)構(gòu)生長的過程。
[0030]此作業(yè)芯片經(jīng)過正常的表面處理，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wirebond設(shè)備進(jìn)行金屬線鍵合，金屬線在鍵合過程中，首先通過wirebond設(shè)備的打火桿進(jìn)行燒球，燒球后通過超聲、劈刀及一定的臺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)作豎直向上，線弧需設(shè)置，和傳統(tǒng)打線不同，劈刀沒有左右移動(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)步驟會被研磨掉，通過研磨的高度控制，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。
[0031]引線鍵合是傳統(tǒng)封裝方法中用于芯片電性及信號連接，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，本結(jié)構(gòu)的制備過程總運(yùn)用了 wirebond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。
[0032]上述步驟完成后，此晶圓芯片將會進(jìn)行環(huán)氧樹脂膠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。
[0033]環(huán)氧樹脂膠完全固化后將進(jìn)行環(huán)氧樹脂膠面的研磨，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。
[0034]如果確定不保留環(huán)氧樹脂膠，可以在此時(shí)通過去膠液將環(huán)氧樹脂膠去除，去除環(huán)氧樹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)。
[0035]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對外電性或者信號的連接層。錫球植球或者印刷錫膏后將經(jīng)過回流焊進(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)。
[0036]需要說明的是，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。
【權(quán)利要求】
1.一種疊層芯片的晶圓級凸塊圓片級封裝方法，其特征在于，包括以下步驟: (1)選擇作業(yè)芯片，所述作業(yè)芯片表面有多個(gè)表層焊墊； (2)在每個(gè)表層焊墊上用引線鍵合技術(shù)進(jìn)行金屬線鍵合，在金屬線鍵合過程中，在金屬線一端進(jìn)行燒球形成金屬球結(jié)構(gòu)，將金屬球結(jié)構(gòu)共晶在表層焊墊上，實(shí)現(xiàn)結(jié)合；對金屬線的線弧進(jìn)行設(shè)置，使得金屬線的線弧與所述表層焊墊相互垂直，線弧達(dá)到設(shè)定高度后直接將金屬線熔斷形成不規(guī)則的金屬端部； (3)在作業(yè)芯片上涂覆環(huán)氧樹脂膠，使得環(huán)氧樹脂膠完全覆蓋金屬端部，并對環(huán)氧樹脂膠進(jìn)行烘烤固化； (4)對烘烤固化后的環(huán)氧樹脂膠進(jìn)行研磨，將不規(guī)則的金屬端部去除，形成圓形的金屬截面； (5)在金屬截面上進(jìn)行植球工藝，生成標(biāo)準(zhǔn)的金屬球陣列作為對外電性或者信號的連接層。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的疊層芯片的晶圓級凸塊圓片級封裝方法，其特征在于，所述步驟(I)中還包括對所述作業(yè)芯片進(jìn)行電漿清洗用以去除作業(yè)芯片表層有機(jī)污染和表層焊墊上的金屬氧化層的步驟。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的疊層芯片的晶圓級凸塊圓片級封裝方法，其特征在于，所述步驟(4)和步驟(5)之間還包括通過去膠液去除環(huán)氧樹脂膠的步驟。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的疊層芯片的晶圓級凸塊圓片級封裝方法，其特征在于，所述通過去膠液去除環(huán)氧樹脂膠的步驟后還包括對露出的金屬線的表面進(jìn)行化鍍處理和/或鍍覆擴(kuò)散阻擋層的步驟。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的疊層芯片的晶圓級凸塊圓片級封裝方法，其特征在于，所述金屬線采用金、銅或合金材料制成。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的疊層芯片的晶圓級凸塊圓片級封裝方法，其特征在于，所述金屬球陣列為錫球陣列。
【文檔編號】H01L21/60GK103943516SQ201410148461
【公開日】2014年7月23日 申請日期:2014年4月14日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月14日
【發(fā)明者】俞國慶, 邵長治, 施桑桑, 嚴(yán)怡媛, 吳偉峰, 羅立輝 申請人:寧波芯健半導(dǎo)體有限公司