具有凸塊保護結構的倒裝晶片的製作方法
2024-03-03 12:27:15
本實用新型涉及半導體封裝技術領域，特別是涉及一種具有凸塊保護結構的倒裝晶片。
背景技術：
倒裝晶片(Flip Chip)封裝技術是當今半導體封裝技術的發展方向。在MPU、FPGA、應用處理器、高速內存和無線設備等先進半導體中，倒裝晶片是應用最廣泛的封裝技術。由於其具有性能優越、形狀因子小和成本合理等特點，自2000年初以來，倒裝晶片封裝技術便開始迅猛發展，而且未來還將應用於更多的設備之中。以往的一級封裝技術都是將晶片的有源區面朝上，背對基板粘貼後鍵合(引線鍵合和載帶自動鍵合TAB)，而倒裝晶片封裝技術則是將晶片有源區面對基板進行鍵合。倒裝晶片封裝技術的特點是在晶片和基板上分別製備焊盤，然後面對面鍵合。倒裝晶片封裝技術可以利用晶片上所有面積來獲得I/O端，晶圓片利用效率得到極大提高，它能提供最高的封裝密度、最高的I/O數和最小的封裝外形。利用倒裝晶片封裝技術，引線可以做到最短，電抗最小，可以獲得最高的工作頻率和最小的噪聲。
實現倒裝晶片封裝技術，凸塊的形成是其工藝過程的關鍵。凸塊的作用是充當晶片與基板之間的機械互連和電互連，有時還起到熱互連的作用。凸塊製作技術的種類很多，如蒸發沉積法、印刷法、釘頭凸塊法、釺料傳送法、電鍍法等。電鍍法由於成本較低目前已是凸塊製作的常用工藝。對現有技術電鍍凸塊工藝而言，金屬種子層材料要濺射在整個晶圓片的表面上，然後澱積光刻膠，並用光刻的方法在晶片鍵合點上形成開口。然後將凸塊材料電鍍到晶圓片上並包含在光刻膠的開口中，再使其回流。其後將光刻膠剝離，並對曝光的金屬種子層材料進行刻蝕，得到最終的凸塊。不難發現，由於凸塊具有優良的電性能和熱特性、較低的電阻和電容率、較低的熱阻以及良好的抗電遷移性，並且不受焊盤尺寸的限制，適於批量生產，並可大大減小封裝尺寸和重量，因此凸塊常應用於細間距的連接。然而，在實現倒裝晶片封裝技術時，由於材料具有熱脹冷縮特性，在溫度作用下會發生體積變化，產生應變，當封裝結構的應變受到各組成部分之間熱膨脹係數差異的影響不能自由發展時，就會產生應力，若凸塊的強度不足，應力較大時往往會造成凸塊裂縫等問題而引起凸塊失效。
此外，在製備倒裝晶片的後段製程中，對於形成凸塊後的晶圓片，需要先在晶圓片的正面(即有源區面)粘貼保護膜，然後根據實際需要的晶片厚度對晶圓片的背面進行研磨和雷射打標。隨後去除保護膜，對晶圓片進行切割分片，形成若干個具有凸塊的晶片，用於倒裝晶片封裝。不難發現，該段製程的工藝較複雜，並且成本較高。
因此，如何提供更強的凸塊強度，以避免應力較大時造成凸塊失效，同時簡化製備倒裝晶片的後段製程，是亟待解決的問題。
技術實現要素：
鑑於以上所述現有技術的缺點，本實用新型的目的在於提供一種具有凸塊保護結構的倒裝晶片，用於解決現有技術中由於凸塊的強度不足，應力較大時易造成凸塊失效的問題，以及製備導致晶片的後段製程工藝較複雜，成本較高的問題。
為實現上述目的及其他相關目的，本實用新型提供一種具有凸塊保護結構的倒裝晶片，其中，所述具有凸塊保護結構的倒裝晶片至少包括：
晶片；
形成於所述晶片上表面的連接層；
形成於所述連接層上的凸塊，且所述凸塊通過所述連接層實現與所述晶片的電性連接；以及
形成於所述連接層上表面且包圍部分凸塊的鈍化層，從而形成凸塊保護結構。
優選地，所述連接層至少包括：
形成於所述晶片上表面的多個焊盤；
覆蓋於所述晶片上表面以及每個焊盤兩端的介質層；以及
形成於所述介質層上表面的絕緣層。
優選地，所述凸塊形成於每個焊盤的上表面並覆蓋部分絕緣層，且所述凸塊通過所述焊盤實現與所述晶片的電性連接。
優選地，所述凸塊至少包括：
形成於每個焊盤上表面且覆蓋部分絕緣層的金屬柱；以及
形成於所述金屬柱上表面的金屬帽。
優選地，所述鈍化層包圍所述金屬柱。
優選地，所述金屬柱採用Cu或Ni金屬材料。
優選地，所述金屬帽採用錫、銅、鎳、銀錫銅合金或者錫基合金中的一種材料。
優選地，所述介質層採用低k介電材料。
如上所述，本實用新型的具有凸塊保護結構的倒裝晶片，具有以下有益效果：本實用新型通過在晶片表面增設圍住凸塊的鈍化層，從而形成凸塊保護結構，能夠有效保護和固定凸塊，增強凸塊的強度，防止應力較大時造成凸塊裂縫等問題而引起凸塊失效。同時，本實用新型由於採用鈍化層保護凸塊，在製備倒裝晶片的後段製程中，省略了粘貼和去除保護膜等步驟，工藝更簡單，並進一步節約了成本。
附圖說明
圖1顯示為本實用新型第一實施方式的具有凸塊保護結構的倒裝晶片示意圖。
圖2顯示為本實用新型第二實施方式的具有凸塊保護結構的倒裝晶片的製備方法的流程示意圖。
圖3-圖13顯示為本實用新型第二實施方式的具有凸塊保護結構的倒裝晶片的製備方法中各步驟所呈現的結構示意圖。
元件標號說明
10 晶圓片
100 晶片
200 連接層
201 焊盤
202 介質層
203 絕緣層
300 金屬種子層
400 光刻掩膜層
500 凸塊
501 金屬柱
502 金屬帽
600 鈍化層材料
601 鈍化層
S1～S7 步驟
具體實施方式
以下通過特定的具體實例說明本實用新型的實施方式，本領域技術人員可由本說明書所揭露的內容輕易地了解本實用新型的其他優點與功效。本實用新型還可以通過另外不同的具體實施方式加以實施或應用，本說明書中的各項細節也可以基於不同觀點與應用，在沒有背離本實用新型的精神下進行各種修飾或改變。
請參閱圖1，本實用新型第一實施方式涉及一種具有凸塊保護結構的倒裝晶片。需要說明的是，本實施例中所提供的圖示僅以示意方式說明本實用新型的基本構想，遂圖式中僅顯示與本實用新型中有關的組件而非按照實際實施時的組件數目、形狀及尺寸繪製，其實際實施時各組件的型態、數量及比例可為一種隨意的改變，且其組件布局型態也可能更為複雜。
如圖1所示，本實施方式的具有凸塊保護結構的倒裝晶片至少包括：
晶片100；
形成於晶片100上表面的連接層200；
形成於連接層200上的凸塊500，且凸塊500通過連接層200實現與晶片100的電性連接；以及
形成於連接層200上表面且包圍部分凸塊500的鈍化層601，從而形成凸塊保護結構。
在本實施方式中，連接層200至少包括：
形成於晶片100上表面的多個焊盤201；
覆蓋於晶片100上表面以及每個焊盤201兩端的介質層202；以及
形成於介質層202上表面的絕緣層203。
在本實施方式中，凸塊500形成於每個焊盤201的上表面並覆蓋部分絕緣層203，且凸塊500通過焊盤201實現與晶片100的電性連接。
在本實施方式中，凸塊500至少包括：
形成於每個焊盤201上表面且覆蓋部分絕緣層203的金屬柱501；以及
形成於金屬柱501上表面的金屬帽502。
在本實施方式中，鈍化層601適於通過包圍部分凸塊500形成相應的開孔，凸塊500的一部分暴露在開孔外，另一部分位於開孔內，且位於開孔周圍的部分鈍化層601與凸塊500緊密貼合，形成如圖1所呈現的結構。由於與凸塊500貼合處的部分鈍化層601緊密包圍凸塊500，因此鈍化層601能夠有效保護和固定凸塊500，增強凸塊500的強度，防止應力較大時造成凸塊500裂縫等問題而引起凸塊失效。作為一個優選的方案，鈍化層601包圍金屬柱501，即：位於開孔周圍的部分鈍化層601包圍凸塊500所包含的金屬柱501，並緊密貼合在金屬柱501的外壁上，這樣一來，一方面完全暴露金屬帽502，不會影響金屬帽502與外部基板鍵合，另一方面鈍化層601全面包圍金屬柱601，能夠為凸塊500提供更好的支撐力，從而提高凸塊500的強度，使凸塊500更穩固，防失效效果也更好。當然，在其他的實施方式中，鈍化層601也可以僅包圍部分金屬柱501。
作為示例，金屬柱501可以採用Cu或Ni金屬材料。其中，金屬柱501優選採用Cu柱。
作為示例，金屬帽502可以採用錫、銅、鎳、銀錫銅合金或者錫基合金中的一種材料，包括但不限於此。
在本實施方式中，介質層202採用低k介電材料。作為示例，介質層202可以採用環氧樹脂、矽膠、PI、PBO、BCB、氧化矽、磷矽玻璃及含氟玻璃中的一種材料。
作為示例，絕緣層203可以採用二氧化矽或者PET等材料。
另外，需要解釋的是，雖然圖1所示的結構示意圖中僅包括兩個焊盤201、兩個凸塊500，但圖1僅為為了具體解釋凸塊保護結構所繪製的簡易示意圖，實際上，本實施方式的具有凸塊保護結構的倒裝晶片可以包含多個焊盤201、多個凸塊500，並不以圖1所示的結構示意圖為限制。
本實施方式的具有凸塊保護結構的倒裝晶片，通過在晶片100表面增設圍住凸塊500的鈍化層601，從而形成凸塊保護結構，能夠有效保護和固定凸塊500，增強凸塊500的強度，防止應力較大時造成凸塊500裂縫等問題而引起凸塊500失效。
請參閱圖2-圖13，本實用新型的第二實施方式涉及一種具有凸塊保護結構的倒裝晶片的製備方法，用於製備本實用新型第一實施方式所涉及的具有凸塊保護結構的倒裝晶片。
如圖2所示，本實施方式的具有凸塊保護結構的倒裝晶片的製備方法至少包括如下步驟：
步驟S1，提供一晶圓片10，晶圓片10至少包括若干個晶片100。
步驟S2，於晶圓片10的上表面形成覆蓋所有晶片100上表面的連接層200，如圖3所示。
在本實施方式中，步驟S2的具體方法為：
步驟S201，於晶圓片10的上表面形成多個焊盤201，如圖3所示。
步驟S202，於晶圓片10的上表面形成覆蓋所有晶片100上表面以及每個焊盤201兩端的介質層202，如圖3所示。
步驟S203，於介質層202的上表面形成絕緣層203，從而得到連接層200，如圖3所示。
在本實施方式中，介質層202採用低k介電材料。作為示例，介質層202可以採用環氧樹脂、矽膠、PI、PBO、BCB、氧化矽、磷矽玻璃及含氟玻璃中的一種材料。
作為示例，絕緣層203可以採用二氧化矽或者PET等材料。
步驟S3，於連接層200上形成凸塊500，且凸塊500通過連接層200實現與晶片100的電性連接，如圖4-圖9所示。
在步驟S3中，凸塊500形成於每個焊盤201的上表面並覆蓋部分絕緣層203，且凸塊500通過焊盤201實現與晶片100的電性連接。其中，步驟S3的具體方法為：
步驟S301，於絕緣層203和焊盤201的上表面形成金屬種子層300，如圖4所示。
步驟S302，於金屬種子層300上形成具有開口的光刻掩膜層400，開口暴露焊盤201及部分絕緣層203上方的金屬種子層300，如圖5所示。
步驟S303，於開口內的金屬種子層300上形成金屬柱501，如圖6所示。
步驟S304，於金屬柱501的上表面形成金屬帽502，如圖7和圖8所示，首先在金屬柱501的上表面形成金屬帽材料，使其回流後形成金屬帽502。
步驟S305，去除光刻掩膜層400及其下方的金屬種子層300，以形成由金屬柱501和金屬帽502組成的凸塊，如圖9所示。
作為示例，在形成金屬柱501時，可以採用電鍍的方法在開口內的金屬種子層300上形成金屬柱501。
作為示例，金屬柱501可以採用Cu或Ni金屬材料。其中，金屬柱501優選採用Cu柱。
作為示例，金屬帽502可以採用錫、銅、鎳、銀錫銅合金或者錫基合金中的一種材料，包括但不限於此。
步驟S4，於連接層200的上表面形成包圍部分凸塊500的鈍化層601，如圖10-圖12所示。
在本實施方式中，步驟S4的具體方法為：
步驟S401，於連接層200的上表面形成包裹凸塊500的鈍化層材料600，如圖10所示。
步驟S402，根據實際需要的晶片100厚度對晶圓片10的下表面進行研磨，如圖11所示。
步驟S403，對鈍化層材料600的上表面進行研磨，直至暴露部分凸塊500，從而形成包圍部分凸塊500的鈍化層601，如圖12所示。
步驟S5，對形成鈍化層601後的晶圓片10進行切割分片，以形成若干個具有凸塊保護結構的倒裝晶片，如圖13所示。在本實施方式中，切割採用雷射切割工藝，火焰切割工藝或者等離子切割工藝，優選切割採用雷射切割工藝。
由上可見，本實施方式的具有凸塊保護結構的倒裝晶片的製備方法通過上述步驟S1～步驟S5實現了對具有凸塊保護結構的倒裝晶片的製備。其中，鈍化層601在包圍部分凸塊500時形成相應的開孔，凸塊500的一部分暴露在開孔外，另一部分位於開孔內，且位於開孔周圍的部分鈍化層601與凸塊500緊密貼合，形成如圖1所呈現的結構。由於與凸塊500貼合處的部分鈍化層601緊密包圍凸塊500，因此鈍化層601能夠有效保護和固定凸塊500，增強凸塊500的強度，防止應力較大時造成凸塊500裂縫等問題而引起凸塊失效。作為一個優選的方案，所述鈍化層601包圍所述金屬柱501，即：位於開孔周圍的部分鈍化層601包圍凸塊500所包含的金屬柱501，並緊密貼合在金屬柱501的外壁上，這樣一來，一方面完全暴露金屬帽502，不會影響金屬帽502與外部基板鍵合，另一方面鈍化層601全面包圍金屬柱601，能夠為凸塊500提供更好的支撐力，從而提高凸塊500的強度，使凸塊500更穩固，防失效效果也更好。當然，在其他的實施方式中，所述鈍化層601也可以僅包圍部分金屬柱501。
本實施方式的具有凸塊保護結構的倒裝晶片的製備方法，能夠同時製備若干個本實用新型第一實施方式所涉及的具有凸塊保護結構的倒裝晶片，工藝簡單，成本低；同時，由於採用鈍化層601保護凸塊，在製備倒裝晶片的後段製程中，省略了粘貼和去除保護膜等步驟，工藝更簡單，並進一步節約了成本。
上面各種方法的步驟劃分，只是為了描述清楚，實現時可以合併為一個步驟或者對某些步驟進行拆分，分解為多個步驟，只要包含相同的邏輯關係，都在本專利的保護範圍內；對算法中或者流程中添加無關緊要的修改或者引入無關緊要的設計，但不改變其算法和流程的核心設計都在該專利的保護範圍內。
綜上所述，本實用新型的具有凸塊保護結構的倒裝晶片，具有以下有益效果：本實用新型通過在晶片表面增設圍住凸塊的鈍化層，從而形成凸塊保護結構，能夠有效保護和固定凸塊，增強凸塊的強度，防止應力較大時造成凸塊裂縫等問題而引起凸塊失效。同時，本實用新型由於採用鈍化層保護凸塊，在製備倒裝晶片的後段製程中，省略了粘貼和去除保護膜等步驟，工藝更簡單，並進一步節約了成本。所以，本實用新型有效克服了現有技術中的種種缺點而具高度產業利用價值。
上述實施例僅例示性說明本實用新型的原理及其功效，而非用於限制本實用新型。任何熟悉此技術的人士皆可在不違背本實用新型的精神及範疇下，對上述實施例進行修飾或改變。因此，舉凡所屬技術領域中具有通常知識者在未脫離本實用新型所揭示的精神與技術思想下所完成的一切等效修飾或改變，仍應由本實用新型的權利要求所涵蓋。