晶圓打線成形金屬凸塊封裝結構及其製作方法
2023-08-13 14:10:41
專利名稱：晶圓打線成形金屬凸塊封裝結構及其製作方法
技術領域：
本發明屬於封裝集成電路板的封裝結構及其製作方法，特別是一種晶圓打線成形金屬凸塊封裝結構及其製作方法。
近來可攜式產品盛行，繼從多的晶粒尺寸封裝(Chip Scale Packge；CSP)方法陸續提出將半導體後段技術帶入輕、薄、短、小的階段後，目前也愈來愈多集成電路(IC)封裝測試朝晶圓級封裝(Wafer Level Package；WLP)發展。所謂的晶圓級晶粒尺寸封裝繫於晶圓未進行切割前完成構裝的步驟及製程。
傳統的晶圓級晶粒尺寸封裝通常先在晶圓的護層上披覆一層高分子材料保護層，接著再利用濺鍍(Sputtering)微影(Photolithography)等技術進行凸塊下冶金層(UBM)或焊墊重新布線(I/O Redistribution)層的製作，再利用成長凸塊技術在凸塊下冶金層或焊墊上作出金屬柱(metal post)，並於金屬柱頂面作凸塊下冶金層(UBM)，然後於其上植錫球(solder ball)。
另外如
圖1、圖2、圖3、圖4、圖5所示，也有晶圓級晶粒尺寸封裝系將光感型聚醯亞胺層(PI)或其它合適的高分子材料層2』塗布於晶圓1』的護層11』上，再以微影成像技術或雷射穿孔等技術將該高分子材料層2』相對於金屬墊10』位置處打開開孔21』，接著於開孔21』作出金屬柱3』，並植上錫球4』。此種技術的缺點為先將高分子材料塗布並開孔的步驟會將高分子材料熟化反應(cured)，在與後續製作的金屬柱3』的黏合度將大受影響，從而無法達到緊密結合的特性。
本發明的目的是提供一種可緩和應力變化、節省材料、降低成本、提高緊密結合特性的晶圓打線成形金屬凸塊封裝結構及其製作方法。
本發明製作方法包括包括如下步驟步驟一黏焊金屬導線將合適的金屬導線黏焊於金屬墊上；以黏焊金屬導線打線成球形成金屬柱；步驟二成形金屬凸塊將金屬柱整平成形金屬凸塊；步驟三植錫球凸塊在金屬凸塊上植上錫球凸塊。
本發明封裝結構包括依序固定於晶圓金屬墊頂面的金屬凸塊及錫球凸塊；錫球凸塊底部固設有下冶金層。
其中步驟一金屬導線直接黏焊於晶圓表層金屬墊上。
步驟一金屬導線黏焊於再次布設於晶圓表面線層的金屬墊上。
黏焊金屬導線步驟與成形金屬凸塊步驟之間還設有包覆高分子材料層步驟，即於金屬柱及晶圓原覆設的護層上再次覆設一層未完全熟化的高分子材料層，待其均勻覆設於金屬柱及晶圓原覆設的護層表面後，再予以完全熟化。
高分子材料應為具有熱膨脹係數低、楊氏係數低、吸水性低、可滲透性低、黏著力高、低電介質常數、低電傳導性等特性的材料和epoxy compound、photo-imagable polyimide或silicone elastomers。
高分子材料包覆方法壓模、點膠、旋轉披覆、噴濺或印刷。
黏焊金屬導線步驟系以焊針往上移動扯斷或截斷金屬導線，以打線成球形成與金屬導線的種類、直徑以及打線參數相對應的金屬柱。
成形金屬凸塊步驟與植錫球凸塊步驟之間還設有以電鍍或化學鍍等金屬沉積方式在金屬凸塊頂面製作下冶金層。
一種晶圓打線成形金屬凸塊封裝結構，它包括依序固定於晶圓金屬墊頂面的金屬凸塊及錫球凸塊，並覆設有高分子材料層；錫球凸塊底部固設有下冶金層。
下冶金層與金屬凸塊之間設有由布設的線層形成的金屬墊。
由於本發明製作方法包括包括黏焊金屬導線打線成球形成金屬柱、成形金屬凸塊及植錫球凸塊；結構包括依序固定於晶圓金屬墊頂面的金屬凸塊及錫球凸塊；錫球凸塊底部固設有下治金層。即於晶圓金屬墊上直接打線成形金屬凸塊及錫球凸塊可緩和應力變化、節省材料、降低成本、提高緊密結合特性從而達到本發明的目的。
圖1、為習知覆設護層及金屬墊晶圓結構示意剖視圖。
圖2、為習知晶圓級晶粒尺寸封裝結構製作方法結構示意剖視圖(塗布高分子材料層)。
圖3、為習知晶圓級晶粒尺寸封裝結構製作結構示意剖視圖(於高分子材料層對應於金屬墊處開孔)。
圖4、為習知晶圓級晶粒尺寸封裝結構製作結構示意剖視圖(於開孔處作出金屬柱)。
圖5、為習知晶圓級晶粒尺寸封裝結構製作結構示意剖視圖(於金屬柱頂面植上錫球)。
圖6、為本發明製作方法實施例一步驟一結構示意剖視圖。
圖7、為本發明製作方法實施例一步驟二結構示意剖視圖。
圖8、為本發明封裝結構及製作方法實施例一步驟三結構示意剖視圖。
圖9、為本發明封裝結構及製作方法實施例一步驟三結構示意剖視圖(設有下冶金層)。
圖10、為本發明封裝結構及製作方法實施例二步驟三結構示意剖視圖。
圖11、為本發明製作方法實施例三步驟一結構示意剖視圖。
圖12、為本發明製作方法實施例三步驟二結構示意剖視圖。
圖13、為本發明製作方法實施例三步驟三結構示意剖視圖。
圖14、為本發明封裝結構及製作方法實施例三步驟四結構示意剖視圖。
圖15、為本發明封裝結構及製作方法實施例三步驟四結構示意剖視圖(設有下冶金層)。
圖16、為本發明封裝結構及製作方法實施例四步驟四結構示意剖視圖。
下面結合附圖對本發明進一步詳細闡述。
實施例一本發明封裝結構製作方法包括如下步驟步驟一黏焊金屬導線如圖6所示，在已覆設護層12及金屬墊11的晶圓1上，無須再次塗布保護層(Repassivation)及凸塊下冶金層的情況下，運用習用的超音波(ultrasonic)加振的打線(Wire Bonding)設備技術，在晶圓1的金屬墊11上將合適的金屬導線2(如Au、Ni、Al、Cu、Sn-Pb、Sn-Ag等合適的線材)先黏焊於晶圓1的金屬墊11上；接著將黏焊金屬導線2的焊針往上移動扯斷(pull off)或截斷金屬導線，以打線成球(如bell bump，pull off bump，Studbump等)形成金屬柱21。其高度可藉由金屬導線2的種類、直徑以及打線參數控制在100μ(micro meter)(0.1mm)以內。
步驟二成形金屬凸塊如圖7所示，將直接形成在晶圓1表層的金屬墊11上金屬柱21整平至適當高度成形金屬凸塊3(Metal boneing Bump)，以利後續步驟。
步驟三植錫球凸塊在金屬凸塊3上以植球或錫膏印刷等技術植上錫球凸塊4(Solder bump)，便製作成如圖8所示的本發明封裝結構。由於金屬凸塊3為以金(Au)、鎳(Ni)、鋁(Al)、銅(Cu)、錫鉛合金(Sn-Pb)、錫銀合金(Sn-Ag)等各種適當的材料的金屬導線2製作成形。因此，若金屬凸塊3與錫球凸塊4之間產生不良介金屬化合物時，可如圖9所示，先以金屬沉積的方式如電鍍(Electroplating)或化學鍍(Electroless plating)等，在金屬凸塊3頂面製作下冶金層5(UBM)之後，再予以植錫球凸塊4。便製作成如圖9所示的本發明封裝結構。
實施例二如圖10所示，本發明封裝結構製作方法主要系先在已覆設護層及金屬墊的晶圓上再次布設線層，並形成金屬墊，然後以與實施例一相同黏焊金屬導線、成形金屬凸塊及植錫球凸塊的步驟進行步驟一黏焊金屬導線在已覆設護層12及金屬墊11的晶圓1上再次布設線層7的金屬墊71上，運用習用的超音波(ultrasonic)加振的打線(Wire Bonding)設備技術將合適的金屬導線(如Au、Ni、Al、Cu、Sn-Pb、Sn-Ag等合適的線材)先黏焊於晶圓再次布設線層7的金屬墊71上；接著將黏焊金屬導線的焊針往上移動扯斷(pull off)或截斷金屬導線，以打線成球(如bell bump，pull off bump，Studbump等)形成金屬柱。其高度可藉由金屬導線的種類、直徑以及打線參數控制在100μ(micro meter)(0.1mm)以內。
步驟二成形金屬凸塊將形成在再次布設線層7的金屬墊71上金屬柱整平至適當高度成形金屬凸塊3(Metal boneing Bump)，以利後續步驟。
步驟三植錫球凸塊在金屬凸塊3上以植球或錫膏印刷等技術植上錫球凸塊4(Solder bump)，便製作成如圖10所示的本發明的封裝結構。由於金屬凸塊為以金(Au)、鎳(Ni)、鋁(Al)、銅(Cu)、錫鉛合金(Sn-Pb)、錫銀合金(Sn-Ag)等各種適當的材料的金屬導線製作成形。因此，若金屬凸塊3與錫球凸塊4之間產生不良介金屬化合物時，可先以金屬沉積的方式如電鍍(Electroplating)或化學鍍(Electroless plating)等，在金屬凸塊頂面製作下冶金層(UBM)之後，再予以植錫球凸塊。
實施例三本發明封裝結構製作方法包括如下步驟步驟一黏焊金屬導線如圖11所示，在已覆設護層12及金屬墊11的晶圓1上，無須再次塗布保護層(Repassivation)及凸塊下冶金層的情況下，運用習用的超音波(ultrasonic)加振的打線(Wire Bonding)設備技術，在晶圓1的金屬墊11上將合適的金屬導線6(如Au、Ni、Al、Cu、Sn-Pb、Sn-Ag等合適的線材)先黏焊於晶圓1的金屬墊11上；接著將黏焊金屬導線6的焊針往上移動扯斷(pull off)或截斷金屬導線6，以打線成球(如bell bump，pull off bump，Studbump等)形成金屬柱61。其高度可藉由金屬導線的種類、直徑以及打線參數控制在250μ(micro meter)(0.25mm)以內。
步驟二包覆高分子材料層如圖12所示，於金屬柱61及晶圓1原覆設的護層12上再次覆設一層未完全熟化的高分子材料層8，待其均勻覆設於金屬柱61及晶圓1原覆設的護層12表面後，再予以完全熟化。
該高分子材料應具有如下特性的材料1)熱膨脹係數(Temperature coeflicient of expansion；TCE)要低，儘可能與金屬柱的植相匹配，以減少其與金屬墊的介面上所產生的應力。
2)楊氏係數(Young’s modulus；Y)值低，以降低傳送到金屬柱上的應力。
3)吸水性(Water absorption)低，以確保其材料穩定性。
4)可滲透性(Moisture permeability)低，以保護晶圓。
5)黏著力(Adhesion)高，以增加附著度。
6)電氣特性(Electrical properties)，如低電介質常數(dielectricconstant)、低電傳導性等特性。具有上述特性的材料為epoxy compound、photo-imagable polyimide及silicone elastomers等高分子材料。
高分子材料層8包覆原護層12及金屬柱61的方法亦應依所用的高分子材料不同而有所不同，如可採用壓模(Molding)、點膠(dispensing)、旋轉披覆(spin coating)、噴濺(spray)、印刷(screen printing or vacuum printing)等方式。
步驟三成形金屬凸塊如圖13所示，將覆設的高分子材料層8及金屬柱61頂面以研磨(grinding)或化學機械研磨(Chemical-Mechanical Polishing；CMP)磨平至適當高度，使金屬柱61頂面露出成形金屬凸塊62(Metal boneing Bump)，以利後續步驟。
步驟四植錫球凸塊在金屬凸塊62上以植球或錫膏印刷等技術植上錫球凸塊4(Solderbump)，便製作成如圖14所示的本發明封裝結構。由於金屬凸塊4為以金(Au)、鎳(Ni)、鋁(Al)、銅(Cu)、錫鉛合金(Sn-Pb)、錫銀合金(Sn-Ag)等各種適當的材料金屬導線6製作成形。因此，若成形金屬凸塊62與錫球凸塊4之間產生不良介金屬化合物時，可如圖15所示，先以金屬沉積的方式如電鍍(Electroplating)或化學鍍(Electroless plating)等，在金屬凸塊頂面製作下冶金層5(UBM)之後，再予以植錫球凸塊4。便製作成如圖15所示的本發明封裝結構。
實施例四如圖16所示，本發明封裝結構製作方法主要系先在已覆設護層12及金屬墊11的晶圓1上再次布設線層7，並形成金屬墊71，然後以與實施例三相同黏焊金屬導線、包覆高分子材料層8、成形金屬凸塊62及植錫球凸塊4的步驟進行步驟一黏焊金屬導線在已覆設護層12及金屬墊11的晶圓1上再次布設線層7的金屬墊71上，運用習用的超音波(ultrasonic)加振的打線(Wire Bonding)設備技術，在線層7的金屬墊71上將合適的金屬導線(如Au、Ni、Al、Cu、Sn-Pb、Sn-Ag等合適的線材)先黏焊於線層的金屬墊71上；接著將黏焊金屬導線的焊針往上移動扯斷(pull off)或截斷金屬導線，以打線成球(如bell bump，pull offbump，Stud bump等)形成金屬柱。其高度可藉由金屬導線的種類、直徑以及打線參數控制在250μ(micro meter)(0.25mm)以內。
步驟二包覆高分子材料層於金屬柱及線層7上再次覆設一層未完全熟化的高分子材料層8，待其均勻覆設於金屬柱及線層7表面後，再予以完全熟化。
該高分子材料應具有如下特性的材料1)熱膨脹係數(Temperature coeflicient of expansion；TCE)要低，儘可能與金屬柱的植相匹配，以減少其與金屬墊的介面上所產生的應力。
2)楊氏係數(Young’s modulus；Y)值低，以降低傳送到金屬柱上的應力。
3)吸水性(Water absorption)低，以確保其材料穩定性。
4)可滲透性(Moisture permeability)低，以保護晶圓。
5)黏著力(Adhesion)高，以增加附著度。
6)電氣特性(Electrical properties)，如低電介質常數(dielectricconstant)、低電傳導性等特性。具有上述特性的材料為epoxy compound、photo-imagable polyimide及silicone elastomers等高分子材料。
高分子材料包覆金屬柱的方法亦應依所用的高分子材料不同而有所不同，如可採用壓模(Molding)、點膠(dispensing)、旋轉披覆(spin coating)、噴濺(spray)、印刷(screen printing or vacuum printing)等方式。
步驟三成形金屬凸塊將覆設的高分子材料層8及金屬柱頂面以研磨(grinding)或化學機械研磨(Chemical-Mechanical Polishing；CMP)磨平至適當高度，使金屬柱頂面露出成形金屬凸塊62(Metal boneing Bump)，以利後續步驟。
步驟四植錫球凸塊在金屬凸塊62上以植球或錫膏印刷等技術植上錫球凸塊4(Solderbump)，便製作成如圖16所示的本發明封裝結構。由於金屬凸塊62為以金(Au)、鎳(Ni)、鋁(Al)、銅(Cu)、錫鉛合金(Sn-Pb)、錫銀合金(Sn-Ag)等各種適當的材料金屬導線製作成形。因此，若成形金屬凸塊62與錫球凸塊4之間產生不良介金屬化合物時，先以金屬沉積的方式如電鍍(Electroplating)或化學鍍(Electroless plating)等，在金屬凸塊62頂面製作下冶金層(UBM)之後，再予以植錫球凸塊4。
權利要求
1.一種晶圓打線成形金屬凸塊封裝結構製作方法，其特徵在於它包括如下步驟步驟一黏焊金屬導線將合適的金屬導線黏焊於金屬墊上；以黏焊金屬導線打線成球形成金屬柱；步驟二成形金屬凸塊將金屬柱整平成形金屬凸塊；步驟三植錫球凸塊在金屬凸塊上植上錫球凸塊。
2.根據權利要求1所述的晶圓打線成形金屬凸塊封裝結構製作方法，其特徵在於所述的步驟一金屬導線直接黏焊於晶圓表層金屬墊上。
3.根據權利要求1所述的晶圓打線成形金屬凸塊封裝結構製作方法，其特徵在於所述的步驟一金屬導線黏焊於再次布設於晶圓表面線層的金屬墊上。
4.根據權利要求1所述的晶圓打線成形金屬凸塊封裝結構製作方法，其特徵在於所述的黏焊金屬導線步驟與成形金屬凸塊步驟之間還設有包覆高分子材料層步驟，即於金屬柱及晶圓原覆設的護層上再次覆設一層未完全熟化的高分子材料層，待其均勻覆設於金屬柱及晶圓原覆設的護層表面後，再予以完全熟化。
5.根據權利要求4所述的晶圓打線成形金屬凸塊封裝結構製作方法，其特徵在於所述的高分子材料應為具有熱膨脹係數低、楊氏係數低、吸水性低、可滲透性低、黏著力高、低電介質常數、低電傳導性等特性的材料和epoxycompound、photo-imagable polyimide或silicone elastomers。
6.根據權利要求4所述的晶圓打線成形金屬凸塊封裝結構製作方法，其特徵在於所述的高分子材料包覆方法壓模、點膠、旋轉披覆、噴濺或印刷。
7.根據權利要求1所述的晶圓打線成形金屬凸塊封裝結構製作方法，其特徵在於所述的黏焊金屬導線步驟系以焊針往上移動扯斷或截斷金屬導線，以打線成球形成與金屬導線的種類、直徑以及打線參數相對應的金屬柱。
8.根據權利要求1所述的晶圓打線成形金屬凸塊封裝結構製作方法，其特徵在於所述的成形金屬凸塊步驟與植錫球凸塊步驟之間還設有以電鍍或化學鍍等金屬沉積方式在金屬凸塊頂面製作下冶金層。
9.一種晶圓打線成形金屬凸塊封裝結構，它包括依序固定於晶圓金屬墊頂面的金屬凸塊及錫球凸塊；其特徵在於在所述的錫球凸塊底部固設有下冶金層。
10.根據權利要求9所述的晶圓打線成形金屬凸塊封裝結構，其特徵在於在所述的下冶金層與金屬凸塊之間設有由布設的線層形成的金屬墊。
11.一種晶圓打線成形金屬凸塊封裝結構，它包括依序固定於晶圓金屬墊頂面的金屬凸塊及錫球凸塊，並覆設有高分子材料層；其特徵在於在所述的錫球凸塊底部固設有下冶金層。
12.根據權利要求11所述的晶圓打線成形金屬凸塊封裝結構，其特徵在於在所述的下冶金層與金屬凸塊之間設有由布設的線層形成的金屬墊。
全文摘要
一種晶圓打線成形金屬凸塊封裝結構及其製作方法。為提供一種可緩和應力變化、節省材料、降低成本、提高緊密結合特性的封裝集成電路板的封裝結構及其製作方法,提出本發明,製作方法包括包括黏焊金屬導線打線成球形成金屬柱、成形金屬凸塊及植錫球凸塊;結構包括依序固定於晶圓金屬墊頂面的金屬凸塊及錫球凸塊;錫球凸塊底部固設有下治金層。
文檔編號H01L21/60GK1372312SQ0110422
公開日2002年10月2日 申請日期2001年2月26日 優先權日2001年2月26日
發明者謝文樂, 塗豐昌, 黃富裕, 莊永成, 蒲志淳 申請人:華泰電子股份有限公司