具有凸塊的晶片結構及其製造方法
2023-06-16 19:47:16
專利名稱：具有凸塊的晶片結構及其製造方法
技術領域：
本發明涉及一種具有凸塊的晶片結構及其製造方法，特別是一種可提升錫球與電路板的散熱效率，從而降低晶片與電路板損壞率的具有凸塊的晶片結構及其製造方法。
背景技術：
超晶片級包裝(Ultra-Chip-Scale Package，UCSP)通過錫球(solder ball)使得晶片和電路板(PCB)連接，直接利用錫球和電路板直接接合，中間並沒有底膠(under fill)填充，其主要優點在於可使得晶片和電路板之間的感抗降到最低；然而，由於電路板與晶片的熱膨脹係數不同，它們的熱膨脹係數差異所產生的熱應力，都由錫球所吸收，因此當溫度升高時，熱應力也隨著增大，從而使得錫球與晶片或電路板接合處產生應力而被破壞；這樣，對超晶片級包裝而言，更加需要良好的散熱效率使熱應力降低。
請參考圖1，如圖所示為現有的晶片布設錫球的結構，晶片10a、布設在晶片10a上的焊墊12a、成形於晶片10a上且未覆蓋焊墊12a的保護層14a、設置在焊墊12a上的凸塊底層金屬層(Under Bump Metallurgy，UBM)16a、以及設置在凸塊底層金屬層16a上的錫球18a。請參考圖1A，所示為上述現有晶片的實施方式，晶片10a通過錫球18a直接和電路板20a接合。由圖示可知，距離晶片10a邊緣較近的錫球18a」由於熱對流容易而散熱效率較佳，而距離晶片10a邊緣較遠的錫球18a』熱量則不易傳出；要知道熱生成的因素除焊接工藝之外，主要是由於晶片運作時所產生的功率消耗，散熱效率無法提高，將使得產生的熱量回傳到晶片，影響晶片溫度或損壞晶片、或造成錫球18a內部由於晶片10a與電路板20a的熱膨脹係數不同而殘存的熱應力造成可靠度降低。
因此，本案發明人有感於上述的問題與需要，潛心研究、設計，終於提出一種設計方案以解決這些問題和需要。
發明內容
本發明要欲解決的技術問題在於提供一種具有凸塊的晶片結構，以提高錫球與電路板的散熱效率，有效降低電路板與設置於其上的晶片溫度，從而避免晶片損壞並且可降低錫球內部因其焊接材料的熱膨脹係數不同所引起的熱應力，從而提升產品的可靠度。此外本發明另一個要解決的技術問題在於提供一種具有凸塊的晶片結構之製造方法、增設散熱凸塊的一種具有凸塊的晶片結構之製造方法以及增設散熱凸塊及輔助球下金屬層的一種具有凸塊的晶片結構之製造方法。
為解決上述本發明提供的一種具有凸塊的晶片結構，該晶片結構包括一晶片、布設於該晶片的一表面的複數個焊墊、成形於該晶片的該表面且暴露出該焊墊的一保護層、設置於該保護層上的一第一感光絕緣層、分別布設於每一焊墊上的複數個球下金屬層、設置於該球下金屬層與該第一感光絕緣層上的一第二感光絕緣層、以及導電凸塊。其中該第一感光絕緣層具有複數個第一開口，這些第一開口暴露出焊墊。其中每一球下金屬層朝向該晶片的周圍區域延伸有一散熱墊。其中該第二感光絕緣層形成有複數個第二開口及複數個第三開口；這些第二開口對應所述焊墊並暴露出該球下金屬層，且該導電凸塊通過該第二開口與該球下金屬層接合，該第三開口布設於該晶片的周圍區域並暴露出散熱墊。
本發明提供的一種具有凸塊的晶片結構的製造方法，該製造方法包括置備一晶圓；依序在該晶圓的一表面成長複數個焊墊、保護層、以及第一感光絕緣層，且該保護層與該第一感光絕緣層均暴露出焊墊；按一預定圖樣在該焊墊與該第一感光絕緣層之上布設一球下金屬層，並於該第一感光絕緣層上朝向該晶片的周圍區域延伸；在所得結構之上塗覆第二感光絕緣層，且該第二感光絕緣層形成至少兩開口暴露該球下金屬層，其中一開口對應該焊墊，另一開口則位於該晶片的周圍區域；以及分別設置複數個導電凸塊對應於該焊墊且接合至該球下金屬層。
本發明提供的增設散熱凸塊的一種具有凸塊的晶片結構的製造方法，其包括置備一晶圓；在該晶圓的一表面依序成長複數個焊墊、保護層、以及第一感光絕緣層，且該保護層與該第一感光絕緣層均暴露出焊墊；按一預定圖樣在該焊墊與該第一感光絕緣層之上布設一球下金屬層，並於該第一感光絕緣層上朝向該晶片的周圍區域延伸；在所得結構之上塗覆第二感光絕緣層，且該第二感光絕緣層系形成至少兩開口暴露該球下金屬層，其中一開口對應該焊墊，另一開口位於該晶片的周圍區域；設置導電凸塊對應於該焊墊且接合至該球下金屬層；以及在該晶片的周圍區域印刷散熱凸塊、並接合至該球下金屬層。
本發明提供的增設散熱凸塊及輔助球下金屬層的一種具凸塊的晶片結構的製造方法，其包括置備一晶圓；在該晶圓的一表面依序成長複數個焊墊、保護層、以及第一感光絕緣層，且該保護層與該第一感光絕緣層均暴露出該等焊墊；按一預定圖樣在該焊墊與該第一感光絕緣層之上布設一球下金屬層，並於該第一感光絕緣層上朝向該晶片的周圍區域延伸；在所得結構之上塗覆第二感光絕緣層，且該第二感光絕緣層形成至少兩開口暴露該球下金屬層，其中一開口對應該焊墊，另一開口位於該晶片的周圍區域；設置導電凸塊對應於該焊墊且接合至該球下金屬層；在該晶片的周圍區域設置輔助球下金屬層、並接合至該球下金屬層；以及在該輔助球下金屬層上印刷散熱凸塊。
由上文可知，採用本發明之具有凸塊的晶片結構及其製造方法具有以下之優點首先，本發明提供散熱單元與錫球導通，使蓄積於錫球的熱量藉由散熱單元傳遞至該晶片的周圍區域，從而讓熱量更容易與空氣接合達到散熱效果。其次，本發明通過散熱單元可呈凸塊狀來改變熱場型態，從而使錫球的熱量由熱場變換的氣流帶出，以提高散熱效率。再者，本發明提高錫球與電路板的散熱效率，有效降低電路板與設置在其上的晶片溫度，進而避免晶片損壞。又，本發明可降低錫球內部因其焊接材料的熱膨脹係數不同而所引起的熱應力，進而提升產品的可靠度。又，本發明通過擾流單元可呈凸塊狀來改變熱場型態，更進一步改變熱場，以提高散熱效率。
圖1為現有晶片布設錫球結構之側視示意圖；圖1A為現有晶片布設錫球結構應用於電路板之側視示意圖；圖2為本發明具有凸塊的晶片結構之俯視示意圖；圖3A為圖2的A部分之放大側視示意圖；圖3B為圖2的B部分之放大側視示意圖；
圖4為本發明之具有凸塊的晶片結構之A部分的第一實施例之側視示意圖；圖4A為本發明之具有凸塊的晶片結構之A部分的第二實施例之側視示意圖；圖4B為本發明之具有凸塊的晶片結構之A部分的第三實施例之側視示意圖；圖5為本發明之具有凸塊的晶片結構之B部分的第一實施例之側視示意圖；圖5A為本發明之具有凸塊的晶片結構之B部分的第二實施例之側視示意圖；以及圖6A至圖6K為本發明之具有凸塊的晶片結構之製造方法之實施流程示意圖。
其中，附圖標記說明如下10、10』晶片11、11』 表面12、12』周圍區域101、101』 焊墊102、102』 保護層 103、103』 第一感光絕緣層1031、1031』第一開口104、104』 球下金屬層1041、1041』散熱墊 1042、1042』 輔助散熱墊105、105』 第二感光絕緣層 1051、1051』 第二開口1052、1052』第三開口1053、1053』 第四開口106、106』 散熱凸塊107、107』 輔助球下金屬層108、108』 輔助散熱凸塊20、20』、20」 散熱單元30、30』、30」 導電凸塊40、40』 擾流單元50 電路板具體實施方式
請參考圖2、圖3A和圖3B，如圖所示，本發明揭露在晶片10上一貼附至電路板50的表面11之周圍區域12形成複數個散熱單元20，該散熱單元20的形狀與尺寸不拘；由熱對流公式可知熱對流速率
dQ/dt＝h*A*(TH-TL)；其中Q熱能，t時間，h平均熱對流係數，A截面積，TH-TL溫差；當該散熱單元20與導電凸塊30導通時，可使蓄積於該導電凸塊30的熱量藉由該散熱單元20傳遞至該晶片10的周圍區域12，從而讓熱量更容易與空氣接合達到散熱效果；該散熱單元20可以單純為一導電層或者進一步在該導電層上接合的導電凸塊30，藉呈凸塊狀來改變熱場型態，進而使該導電凸塊30的熱量由熱場變換的氣流帶出；或進一步在該周圍區域12內區別於該散熱單元20處布設擾流單元40，其未與該導電凸塊30導通，然而該擾流單元40亦呈凸塊狀來改變熱場型態，從而使該導電凸塊30的熱量由熱場變換的氣流帶出，以提高散熱效率；因此，此設計藉由增加其熱對流面積而提升熱對流效應來提高散熱效率。
請參考圖4、圖4A與圖4B，如圖所示，圖4、圖4A與圖4B分別為本發明所提供之具有凸塊的晶片結構之第一、第二與第三實施例。如圖4(也是圖2的A部分之放大側視示意圖)，該晶片結構包含該晶片10、布設在該晶片10的該表面11的複數個焊墊101、成形於該晶片10的該表面11且暴露出該焊墊101的保護層102、設置於該保護層102上的第一感光絕緣層103、分別布設於每一焊墊上的複數個球下金屬層104、設置於該球下金屬層104與該第一感光絕緣層103上的第二感光絕緣層105、以及與該球下金屬層104接合的複數個導電凸塊30。其中，該第一感光絕緣層103具有複數個第一開口1031，通過這些第一開口1031暴露出焊墊101，每一球下金屬層104朝向該晶片1的周圍區域12延伸有一散熱墊1041。該第二感光絕緣層105形成有複數個第二開口1051與複數個第三開口1052，這些第二開口1051與焊墊101對應，並暴露出該球下金屬層104，該第三開口1052位於該晶片10的周圍區域12中，並暴露出該散熱墊1041。這些導電凸塊30通過該第二開口1051與該球下金屬層104接合，導電凸塊30可為錫球。圖4所示的實施例，將這些第三開口1052布設在該晶片10的周圍區域12中，並直接暴露出這些散熱墊1041，藉以形成該散熱單元20，即可實現將該導電凸塊30的熱量傳遞至該晶片10的周圍區域12，以加速散熱效率。如圖4A所示，則在該晶片10處進一步通過該第三開口1052印刷散熱凸塊106，其可接合至該球下金屬層104的該散熱墊1041，進而作為該散熱單元20，這樣不僅與上述作用相同，可傳遞熱量至該周圍區域12，更可因凸起的該散熱凸塊106達到改變熱場型態，增加空氣流動帶出熱量的機會。請參閱圖4B，如圖所示，該晶片結構進一步包括複數個輔助球下金屬層107，其分別設置於散熱凸塊106與散熱墊1041之間，用作緊密接合散熱凸塊106和散熱墊1041。
請參閱圖5，所示為本發明所提供之具有凸塊的晶片結構之擾流單元40設置之實施態樣(即第圖2的B部分之放大側視示意圖)，該晶片10進一步包括分布在該周邊區域12並且布設在該第一感光絕緣層103上的複數個輔助散熱墊1042，該輔助散熱墊1042與該球下金屬層104之間無法導通，該第二感光絕緣層105對應該輔助散熱墊1042開設有複數個第四開口1053，如同圖4所示之該實施例，這些第四開口1053布設在該晶片10的周圍區域12且可直接暴露出輔助散熱墊1042，作為擾流單元40；此外，如同圖4A之實施例所示，該晶片結構更進一步在這些輔助散熱墊1042之上設置有複數個輔助散熱凸塊108，其通過該第四開口1053與該輔助散熱墊1042接合，這樣，這些擾流單元40是由輔助散熱凸塊108所形成，由此改變熱場型態，增加空氣流動帶出熱量的機會。請參考圖5A，如圖所示，如同圖4B所示之實施例，為擾流單元40的另一實施態樣，該晶片結構進一步包括複數個輔助球下金屬層107，其分別設置在輔助散熱凸塊108與輔助散熱墊1042之間，用作緊密接合這些散輔助散熱凸塊108與輔助散熱墊1042。
請參考圖6A至圖6E，如圖所示，圖6A至圖6E為本發明之具有凸塊的晶片結構之製造方法之實施流程示意圖。該製造方法包括(a)置備一晶圓10』；(b)在該晶圓10』的一表面11』成長複數個焊墊101』；(c)在該晶圓10』的該表面11』成形保護層102』，且該保護層102暴露出焊墊101』，上述(a)至(c)步驟均可參見圖6A的圖解；(d)在該保護層102』之上塗覆第一感光絕緣層103』，並成形有複數個第一開口1031』以曝露出焊墊101』，如圖6B所示；(e)按一預定圖樣在每一焊墊101』與該第一感光絕緣層103』之上布設複數個球下金屬層104』，該球下金屬層104』通過濺鍍方式形成，且每一球下金屬層104』均向該晶圓10』之周圍區域12』方向延伸有散熱墊1041』；該球下金屬層104』呈非連續性布設，藉以形成各個對應到每一焊墊101』的散熱單元20』，請參閱圖6C；同樣在此步驟中，在濺鍍該球下金屬層104』的同時，更可在該第一感光絕緣層103』上位於該晶片10』之該周圍區域12』的區域形成區別於散熱墊1041』的複數個輔助散熱墊1042』，如圖6D所示，這些輔助散熱墊1042』主要用於直接曝露從而形成擾流單元40』；而導通於焊墊101』的這些散熱墊1041』作為散熱用；(f)在該球下金屬層104』上塗覆第二感光絕緣層105』，該第二感光絕緣層105』同時形成有複數個第二開口1051』及複數個第三開口1052』，第二開口1051』對應於焊墊101』且暴露出該球下金屬層104』，該第三開口1052』位於該晶圓10』的該周圍區域12』並暴露出該球下金屬層104』的散熱墊1041』，上述為散熱單元20』的第一種實施態樣，如圖6E所示；同樣在此步驟中，即在第二感光絕緣層105』開設這些開口的同時，亦可對應輔助散熱墊1041』開設有複數個第四開口1053』，使得第四開口1053』暴露出這些輔助散熱墊1041』；以及(g)植置複數個導電凸塊30』對應連接至球下金屬層104』，這些導電凸塊30』可為錫球，如圖6G所示；上述步驟(a)至(g)，為晶片結構之製造方法的第一實施例。
此外，該晶片結構之製造方法可進一步包括(h)步驟，在該第三開口1052』內，在該球下金屬層104』的該散熱墊1041』上印刷錫膏，該錫膏經加熱後呈散熱凸塊106』狀態，其中，(g)、(h)步驟的順序不限制，上述為晶片結構之製造方法的第二實施態樣，該散熱凸塊106』及其導通於導電凸塊30』的散熱墊1041』可利用此步驟形成第二種實施態樣的散熱單元20』，如圖6H所示。同此印刷錫膏的步驟，可同時印刷錫膏於輔助散熱墊1042』上，該錫膏經加熱後呈輔助散熱凸塊108』狀態，形成擾流單元40』，如圖6I所示。
更進一步，在該(h)步驟之前，可進一步包括(i)步驟，分別設置複數個輔助球下金屬層107』連接到球下金屬層104』的散熱墊1041』與該散熱凸塊106』之間，這為晶片結構之製造方法的第三實施例；其先設置該輔助球下金屬層107』以連接該散熱墊1041』，再在該輔助球下金屬層107』上印刷錫膏，加熱呈散熱凸塊106』；該散熱凸塊106』、該輔助球下金屬層107』及其導通於該等導電凸塊30』的散熱墊1041』，可利用此形成第三種實施態樣的散熱單元20』，如圖6J所示。同樣在此設置複數個輔助球下金屬層107』的步驟中，可同時在輔助散熱凸塊108』之下設置輔助球下金屬層107』作為接合，形成擾流單元40』，如圖6K所示。
其中，該第一與第二感光絕緣層103』、105』可由聚醯亞胺(polyimide，PI)或苯環丁烯(BenzoCycloButene，BCB)材料所製成。
因此，由上文可知，本發明之具有凸塊的晶片結構及其製造方法具有以下之優點1.提供散熱單元與錫球導通，使蓄積於錫球的熱量藉由散熱單元傳遞至該晶片的周圍區域，從而讓熱量更容易與空氣接合達到散熱效果。
2.通過散熱單元可呈凸塊狀來改變熱場型態，從而使錫球的熱量由熱場變換的氣流帶出，以提高散熱效率。
3.提高錫球與電路板的散熱效率，有效降低電路板與設置在其上的晶片溫度，進而避免晶片損壞。
4.可降低錫球內部因其焊接材料的熱膨脹係數不同而所引起的熱應力，進而提升產品的可靠度。
5.通過擾流單元可呈凸塊狀來改變熱場型態，更進一步改變熱場，以提高散熱效率。
以上所述僅為本發明其中的較佳實施例而已，並非用來限定本發明的實施範圍；即凡依本發明權利要求所作的均等變化與修飾，皆為本發明專利範圍所涵蓋。
權利要求
1.一種具有凸塊的晶片結構，其特徵在於，該晶片結構包括一晶片；複數個焊墊，布設在該晶片的一表面；一保護層，成形於該晶片的該表面、且暴露出該焊墊；一第一感光絕緣層，設置在該保護層上；其中，該第一感光絕緣層具有複數個第一開口，所述第一開口暴露出所述焊墊；複數個球下金屬層，分別布設在每一焊墊上；其中，在每一球下金屬層朝向該晶片的該周圍區域延伸有一散熱墊；一第二感光絕緣層，設置在該球下金屬層與該第一感光絕緣層上，且該第二感光絕緣層形成有複數個第二開口及複數個第三開口，其中，所述第二開口對應所述焊墊並暴露出該球下金屬層，該第三開口布設在該晶片的周圍區域並暴露出所述散熱墊；以及導電凸塊，通過該第二開口與該球下金屬層接合。
2.如權利要求1所述的晶片結構，其特徵在於，該晶片結構進一步包括複數個散熱凸塊，其設置在該第三開口中且與該球下金屬層的該散熱墊接合。
3.如權利要求2所述的晶片結構，其特徵在於，該晶片結構進一步包括複數個輔助球下金屬層，其分別設置在所述散熱凸塊與所述散熱墊之間。
4.如權利要求1所述的晶片結構，其特徵在於，該晶片結構進一步包括複數個輔助散熱墊，所述輔助散熱墊布設在該第一感光絕緣層上且位於該晶片的該周圍區域，並通過該第二感光絕緣層上對應開設的複數個第四開口暴露而出。
5.如權利要求4所述的晶片結構，其特徵在於，該晶片結構進一步包括複數個輔助散熱凸塊，其分別通過所述第四開口接合至所述輔助散熱墊。
6.如權利要求5所述的晶片結構，其特徵在於，該晶片結構進一步包括複數個輔助球下金屬層，其分別設置在所述輔助散熱凸塊與所述輔助散熱墊之間。
7.一種具有凸塊的晶片結構之製造方法，其特徵在於，該製造方法包括下列步驟置備一晶圓；在該晶圓的一表面上依序成長複數個焊墊、保護層、以及第一感光絕緣層，且該保護層與該第一感光絕緣層均暴露出所述焊墊；按一預定圖樣在該焊墊與該第一感光絕緣層之上布設一球下金屬層，並在該第一感光絕緣層上朝向該晶片的該周圍區域延伸；在所得結構之上塗覆第二感光絕緣層，且該第二感光絕緣層形成至少兩開口暴露該球下金屬層，其中一開口與該焊墊對應，另一開口則位於該晶片的該周圍區域；以及設置導電凸塊與該焊墊對應且接合至該球下金屬層。
8.如權利要求7所述的製造方法，其特徵在於，該球下金屬層按該預定圖樣在該第二感光絕緣層上呈非連續性布設。
9.一種具有凸塊的晶片結構之製造方法，其特徵在於，該製造方法包括下列步驟置備一晶圓；在該晶圓的一表面依序成長複數個焊墊、保護層、以及第一感光絕緣層，且該保護層與該第一感光絕緣層均暴露出所述焊墊；按一預定圖樣在該焊墊與該第一感光絕緣層之上布設一球下金屬層，並在該第一感光絕緣層上朝向該晶片的該周圍區域延伸；在所得結構之上塗覆第二感光絕緣層，且該第二感光絕緣層形成至少兩開口暴露該球下金屬層，其中一開口與該焊墊對應，另一開口位於該晶片的該周圍區域；設置導電凸塊與該焊墊對應且接合至該球下金屬層；以及在該晶片的該周圍區域印刷散熱凸塊、並接合至該球下金屬層。
10.一種具有凸塊的晶片結構之製造方法，其特徵在於，該製造方法包括下列步驟置備一晶圓；在該晶圓的一表面依序成長複數個焊墊、保護層、以及第一感光絕緣層，且該保護層與該第一感光絕緣層均暴露出所述焊墊；按一預定圖樣在該焊墊與該第一感光絕緣層之上布設一球下金屬層，並在該第一感光絕緣層上朝向該晶片的該周圍區域延伸；在所得結構之上塗覆第二感光絕緣層，且該第二感光絕緣層形成至少兩開口暴露該球下金屬層，其中一開口與該焊墊對應，另一開口位於該晶片的該周圍區域；設置導電凸塊與該焊墊對應且接合至該球下金屬層；在該晶片的該周圍區域設置輔助球下金屬層、並接合至該球下金屬層；以及在該輔助球下金屬層上印刷散熱凸塊。
全文摘要
本發明公開了一種具有凸塊的晶片結構。該晶片結構包括一晶片、在該晶片的一表面布設的複數個焊墊、成形於晶片表面且曝露焊墊的保護層、設置在該保護層上且曝露出焊墊的第一感光絕緣層、分別布設在焊墊與第一感光絕緣層上的複數個球下金屬層、設置於該球下金屬層與第一感光絕緣層上的第二感光絕緣層、以及對應該焊墊並接合至之導電凸塊。每一球下金屬層朝向該晶片的周圍區域延伸有散熱墊，第二感光絕緣層暴露出該散熱墊；該散熱墊可直接暴露散熱、或再印刷散熱凸塊於其上以增加散熱效率。
文檔編號H01L21/28GK101090100SQ200610082828
公開日2007年12月19日 申請日期2006年6月13日 優先權日2006年6月13日
發明者羅健文, 傅紹文 申請人:日月光半導體製造股份有限公司