覆晶接合結構與形成方法

2023-06-01 08:54:26 2

專利名稱：覆晶接合結構與形成方法
技術領域：
本發明關於一種覆晶接合結構與形成方法，特別是一種具有細間距高密集度焊墊的覆晶接合結構與形成方法。


圖1A至圖1G顯示一種傳統封裝製程的凸塊形成方法。參考圖1A所示，顯示一焊接凸塊形成前的組件封裝結構，此組件封裝結構包含一組件100、一焊墊102(Pad)、一保護層104(Passivation Layer)與一焊接凸塊下金屬層106(Under Bump Metal)。如圖1B所示，為了形成焊接凸塊於焊接凸塊下金屬層106上，必須形成一光阻層108於圖1A所示的結構上。接著如圖1C所示，以微影製程將光阻層108曝光顯影以暴露出焊接凸塊下金屬層106，使焊接凸塊能形成於焊接凸塊下金屬層106。接著如圖1D所示，以電鍍的製程將一焊接凸塊(Solder Bump)110形成於焊接凸塊下金屬層106上，而一般電鍍的過程繁複且耗時較長久製造成本較高。另一種形成焊接凸塊於焊接凸塊下金屬層106上的方法是利用鋼版(Stencil Mask)將焊錫膏利用印刷法填入鋼版上的開口，前提是鋼版上的圖案必須與焊接凸塊下金屬層106精確對準。還有一種形成焊接凸塊於焊接凸塊下金屬層106上的方法是利用一種光阻膜定義的印刷(Photo Film Defined Printing)方式，但是受限於光阻膜(Photo Film)的解析度而不適於形成高縱橫比(High Aspect Ratio)細間距(Fine Pitch)的焊接凸塊。
圖1E顯示形成焊接凸塊110後移除光阻層108的結果。而圖1F顯示蝕刻焊接凸塊下金屬層106以暴露出保護層104的結果。在正式進行焊接前，經回焊(Reflow)製程加熱後，焊接凸塊110形成如圖1G所示的型態。
上述傳統封裝製程的凸塊形成方法具有以下多項缺點。圖1A至圖1G所示的凸塊形成方法使用了耗時且高成本的電鍍製程，而使用鋼版形成焊接凸塊對準不易且鋼版成本高。另外光阻膜定義的印刷(Photo Film Defined Printing)的方式受限於光阻膜(Photo Film)的解析度而不適於形成高縱橫比(High Aspect Ratio)細間距的焊接凸塊。
本發明的一目的為提供一種低成本與製程精簡且製程所需時間較短的覆晶接合結構與形成方法。
本發明的另一目的為提供一種對準精確度高的高解析度覆晶接合結構與形成方法。
本發明的另一目的為提供一種可形成尺寸小的焊接凸塊與焊接凸塊間距的覆晶接合結構與形成方法。
為了達成上述的目的，本發明提供一種覆晶接合結構形成方法，該覆晶接合結構形成方法包含以下步驟。首先提供一基板與一晶圓，其中該基板上具有多個第一焊墊與第一介電層，而該晶圓上具有多個第二焊墊、一具有多個第一開口以暴露出該第二焊墊的保護層及多個位於該第二焊墊上的焊接凸塊下導體層。接著以一垂直方向開孔加工的方法轉移多個第一焊接凸塊的圖案進入該第一介電層以形成多個第二開口並暴露出該第一焊墊，並將焊料填入該第二開口。然後對該基板執行回焊製程以形成多個第一焊接凸塊。移除該第一介電層並對該第一焊接凸塊執行一壓平製程。形成一非感旋光性第二介電層覆蓋該晶圓，藉助一垂直方向開孔加工的方法轉移多個第二焊接凸塊的圖案進入該介電層以形成多個第三開口並暴露出該焊接凸塊下導體層。將焊料填入該第三開口，並對該晶圓執行一次回焊製程以形成多個第二焊接凸塊，其中第一介電層的厚度大於第二介電層的厚度，因此第二焊接凸塊為體積較小的微小凸塊(Mini-Bump)。於基板及晶圓切割成單位基板及晶片後，以該多個第二焊接凸塊對準該多個第一焊接凸塊以焊接結合該基板與該晶片，最後再構裝固定該基板與該晶片。
以本發明的覆晶接合結構形成方法形成本發明一較佳實施例的覆晶接合構裝結構，該覆晶接合構裝結構包含一基板，該基板上具有多個第一焊墊，該多個第一焊墊上具有多個頂部平坦的第一焊接凸塊；一晶片，該晶片上具有多個第二焊墊、一具有多個開口以暴露出該第二焊墊的保護層及多個位於該第二焊墊上的焊接凸塊下導體層，一非感旋光性介電層覆蓋該保護層並暴露出該多個焊接凸塊下導體層，多個第二焊接凸塊位於該多個焊接凸塊下導體層上，其中該第一焊接凸塊的高度大於該第二焊接凸塊，並且該多個第一焊接凸塊與該多個第二焊接凸塊個別對準焊接電性結合，使該基板與該晶片結合；及一構裝填充物填滿該基板與該晶片的間，以構裝固定該基板與該晶片。
圖1F顯示蝕刻焊接凸塊下金屬層以暴露出保護層的結果；圖1G顯示焊接凸塊經回焊的結果；圖2A顯示一基板上具有多個覆晶接合凸塊焊墊與與一介電層；圖2B顯示蝕刻介電層以暴露出基板與覆晶接合凸塊焊墊的結果；圖2C顯示將焊料填入暴露出凸塊焊墊的開口內，並將溢出的焊料移除的結果；圖2D顯示將圖2C中所示的焊料經回焊製程形成焊接凸塊的結果；圖2E顯示將圖2D中所示的介電層移除，並對焊接凸塊進行壓平製程的結果；圖3A顯示本發明包含集成電路晶片的晶圓部份組件封裝結構；圖3B顯示蝕刻介電層以形成開口並暴露出焊接凸塊下金屬層的結果；圖3C顯示將焊料填入暴露出凸塊下金屬層的開口內，並將溢出的焊料移除的結果；圖4A顯示將圖2E所示的基板與圖3C所示的晶圓切割後進行覆晶焊接結合的結果；圖4B顯示將灌膠混合物或覆晶填充(Underfill)物填入圖4A所示結構的結果。
圖中符號說明100組件102焊墊104保護層106焊接凸塊下金屬層108光阻層焊接110凸塊200基板202覆晶接合凸塊焊墊
204介電層206焊料208焊接凸塊300晶片302焊墊304保護層306焊接凸塊下金屬層308介電層310焊接凸塊400灌膠混合物或覆晶填充物以下將根據本發明的附圖做詳細的說明，請注意圖標均為簡單的形式且未依照比例描繪，而尺寸均被誇大以利於了解本發明。
在本發明的較佳實施例中，覆晶接合結構與形成方法應用於覆晶封裝(Flip Chip Package)製程上。圖2A至圖2E以及圖3A至圖3C分別顯示本發明較佳實施例中的有關於基板(Substrate)部份及包含集成電路晶片的晶圓部份的製程，而圖4A至圖4B則顯示單位基板與晶片覆晶接合製程與結構。
參考圖2A所示，一基板200上具有多個覆晶接合凸塊焊墊(FlipChip Bump Pad)202與一介電層204，其中基板200上亦可具有防焊膜(Solder Mask)(圖中未示)。覆晶接合凸塊焊墊202可以傳統的材料與方法形成。此介電層204以一離形膜(Release Film)較佳。而離形膜為一般封裝製程所用的介電膜，用於防止基板在運送至後續製程的過程中遭受外部環境所汙染。本發明使用的離形膜則用於定義基板上焊接凸塊的形成位置並於製程完成後可剝離除去。
接著參考圖2B所示，顯示蝕刻介電層204以暴露出基板200與覆晶接合凸塊焊墊202的結果。介電層204為離形膜，蝕刻介電層204的方式為垂直方向開孔加工的方法，例如非等向性蝕刻法。特別是以雷射開孔(Laser)的方式或是電漿蝕刻(Plasma Etching)的製程移除離形膜位於凸塊焊墊202上的部分，以形成開口(Opening)。利用雷射開孔或是電漿蝕刻可以達成高解析度精確對準的開口，使焊接凸塊能準確形成於凸塊焊墊上，同時可進一步縮小焊接凸塊的間距(Pitch)，並成功地形成高縱橫比(high Aspect Ratio)細間距高密集度的焊接凸塊。
參考圖2C所示，顯示將焊料206以刮刀印刷(Squeegee Printing)的方式填入暴露出凸塊焊墊202的開口內，並將溢出的焊料移除。焊料206包含焊膏或微小焊球(Solder Paste/Solder Powder)，而焊膏或微小焊球焊膏由許多微小焊球(Solder Sphere)、溶劑與助焊(熔)劑(Flux)構成，焊球通常為共晶成分的錫鉛合金。接著參考圖2D所示，圖2C中所示的焊料206經固化(Curing)及/或回焊(Reflow)製程形成圖中的焊接凸塊208，而當使用微小焊球則須於印刷後回焊前再加入助焊劑，如此可將焊球氣泡縮減至最少。
參考圖2E所示，將圖2D中所示的離形膜介電層204移除，離形膜204移除後，對基板執行一乾式蝕刻製程清洗基板表面，並對焊接凸塊208進行一次壓平(Coining)製程使焊接凸塊208頂部平坦化並有較佳的共平面性以利與晶圓上的焊接凸塊接合。此外，在進行壓平製程使焊接凸塊208頂部平坦化之前，亦可再進行一次回焊製程。
圖3A至圖3C顯示本發明較佳實施例中有關於包含集成電路晶片的晶圓部份的製程。首先參考圖3A所示，顯示本發明包含集成電路晶片的晶圓部份組件封裝結構，此晶圓部份組件封裝結構包含晶片300、焊墊302(Metal Pad)、保護層304(Passivation Layer)、焊接凸塊下金屬層306(Under Bump Metal)以及一介電層308。焊墊302包含鋁焊墊，但其它材料焊墊亦不應被排除。焊墊302可以傳統的沉積、微影與蝕刻製程形成。保護層304可由傳統方法形成。保護層304以傳統的微影與蝕刻製程形成開口並暴露出焊墊302。焊接凸塊下金屬層306以傳統的沉積、微影與蝕刻製程形成於開口內及焊墊302上。介電層308包含非感光型介電材質且以一離形膜較佳，其厚度小於前述基板上介電層204的厚度。
接著參考圖3B所示，以垂直方向開孔加工的方式蝕刻介電層308以形成開口並暴露出焊接凸塊下金屬層306。此垂直方向開孔加工的方法包含雷射開孔或是電漿蝕刻法。利用電漿蝕刻的製程來形成開口必須於離形膜上應用蝕刻遮罩。利用雷射開孔或是電漿蝕刻可以達成高解析度精確對準的開口，使焊接凸塊能準確形成於凸塊下金屬層上，同時可進一步縮小焊接凸塊的間距，並成功地形成細間距高密集度的焊接凸塊。然後參考圖3C所示，將焊料以刮刀印刷(SqueegeePrinting)的方式填入暴露出凸塊下金屬層306的開口內，並將溢出的焊料移除。焊料包含焊膏或微小焊球(Solder Paste/Solder Powder)。焊膏由許多微小焊球(Solder Sphere)、溶劑與助焊(熔)劑(Flux)構成，而焊球通常為共晶成分的錫鉛合金。焊料經回焊(Reflow)製程形成圖中的微小焊接凸塊或迷你凸塊(Mini-Bump)310，因為介電層308的厚度相對於基板上製程中介電層204的厚度較小，故晶圓上所形成的焊接凸塊的體積相對較小。而當使用微小焊球則須於印刷後回焊前再加入助焊劑，如此可將焊球氣泡縮減至最少。接著可將介電層308移除也可不移除，並可使用乾式蝕刻或電漿清洗表面。
圖4A至圖4B顯示本發明較佳實施例中有關於基板部份與晶圓部份覆晶接合製程與結構。在將圖2E所示的基板先行切割以及將圖3C所示的晶圓切割成晶片(Chip)之後，參考圖4A所示，進行覆晶封裝製程，將單位基板的焊接凸塊208對準晶片的微小焊接凸塊310。圖4B則顯示將灌膠混合物(Molding Compound)或覆晶填充(Underfill)物400填入圖4A所示結構的結果，以完成覆晶接合結構。
一般而言，在覆晶焊接凸塊製程中難以避免空孔(Void)的產生，而空洞對於晶片端的影響較基板端大，為有效提升焊接接合的可靠度，在本發明中，由於晶圓上所應用的介電層308的厚度相對於基板上製程中所用的介電層204的厚度為小，故晶圓上所形成的焊接凸塊的體積相對較小，而形成體積迷你凸塊(Mini Bump)，並且製程中在晶圓上以刮刀印刷填入的焊料體積較小，因刮刀印刷所產生的空孔較容易逸出，因此可將焊接凸塊內接近焊接凸塊下金屬層接口的空孔(Void)數量減至最少且體積減至最小，如此可增加焊接接合的可靠度。同時利用雷射開孔的方式或是電漿蝕刻的製程來精確定位基板上的焊接凸塊與晶圓上的焊接凸塊的形成位置，可以於介電層內形成高解析度精確對準的開口，使焊接凸塊能準確形成於基板上的凸塊焊墊與晶圓上的焊接凸塊下金屬層上，同時可進一步縮小焊接凸塊的間距，並成功地形成細間距高密集度的焊接凸塊，同時可克服使用鋼版(Stencil Mask)形成焊接凸塊所造成的對準不易及鋼版(StencilMask)高成本的問題，以及解決傳統光阻膜定義的印刷(Photo FilmDefined Printing)方式受限於光阻膜(Photo Film)的解析度而難以形成細間距的焊接凸塊或焊墊的問題。此外，利用焊膏或微小焊球填入細間距高密集度以及高解析度精確對準的開口內以形成焊接凸塊可解決傳統以電鍍法形成焊接凸塊耗時且高成本的問題。
上述有關發明的詳細說明僅為範例並非限制。其它不脫離本發明的精神的等效改變或修飾均應包含在的本發明的權利要求書的範圍之內。
權利要求
1.一種覆晶(Flip-Chip)接合結構形成方法，其特徵在於，包含提供一基板與一晶圓，其中該基板上具有多個第一焊墊與一離形膜，而該晶圓上具有多個第二焊墊、一具有多個第一開口以暴露出該第二焊墊的保護層、及多個位於該第二焊墊上的焊接凸塊下導體層(UBM)；以一垂直方向開孔加工的方法轉移多個第一焊接凸塊的圖案進入該離形膜以形成多個第二開口並暴露出該第一焊墊；將焊料填入該第二開口；對該基板執行回焊製程以形成多個第一焊接凸塊；移除該離形膜；對該第一焊接凸塊執行一壓平製程；形成一非感旋光性介電層覆蓋該晶圓，其中該非感旋光性介電層的厚度小於該離型膜的厚度；藉助一垂直方向開孔加工的方法轉移多個第二焊接凸塊的圖案進入該介電層以形成多個第三開口並暴露出該焊接凸塊下導體層；將焊料填入該第三開口；對該晶圓執行一次回焊製程以形成多個第二焊接凸塊；切割該基板；切割該晶圓以形成多個晶片；以該晶片上多個第二焊接凸塊對準該單位基板上多個第一焊接凸塊以焊接結合該單位基板與該晶片；及構裝固定該單位基板與該晶片。
2.如權利要求1所述的覆晶接合結構形成方法，其特徵在於，上述的該垂直方向開孔加工的方法包含雷射開孔法。
3.如權利要求1所述的覆晶接合結構形成方法，其特徵在於，上述的該垂直方向開孔加工的方法包含電漿蝕刻法。
4.如權利要求1所述的覆晶接合結構形成方法，其特徵在於，上述的該焊料以刮刀印刷(Squeegee Printing)的方式填入。
5.如權利要求1所述的覆晶接合結構形成方法，其特徵在於，上述的該焊料包含焊膏。
6.如權利要求1所述的覆晶接合結構形成方法，其特徵在於，上述的該焊料包含微小焊球。
7.如權利要求1所述的覆晶接合結構形成方法，其特徵在於，當上述的該離形膜移除後，對該基板執行一乾式蝕刻製程清洗該基板表面。
8.如權利要求1所述的覆晶接合結構形成方法，其特徵在於，當上述的該離形膜移除後，更包括對該基板執行一次回焊製程
9.如權利要求1所述的覆晶接合結構形成方法，其特徵在於，上述的該單位基板與該晶片以灌膠混合物(Molding Compound)構裝固定。
10.如權利要求1所述的覆晶接合結構形成方法，其特徵在於，上述的該單位基板與該晶片以覆晶填充物(Underfill)構裝固定。
全文摘要
本發明涉及一種覆晶接合結構與形成方法，此方法利用在晶圓的焊接凸塊下金屬層上形成體積迷你凸塊(MiniBump)，可將焊接凸塊內接近焊接凸塊下金屬層接口的空孔(Void)數量減至最少且體積減至最小，以增加焊接接合的可靠度，此外，在晶圓上以刮刀印刷填入的焊料體積較小，因此所產生的空孔較容易逸出，同時利用雷射開孔的方式或是電漿蝕刻的製程來精確定位基板上的焊接凸塊與晶圓上的焊接凸塊的形成位置，使焊接凸塊能準確形成於基板上的凸塊焊墊與晶圓上的焊接凸塊下金屬層上，同時可縮小焊接凸塊的間距，形成細間距高密集度的焊接凸塊。
文檔編號H01L21/70GK1396641SQ0212859
公開日2003年2月12日 申請日期2002年8月13日 優先權日2002年8月13日
發明者何昆耀, 宮振越 申請人:威盛電子股份有限公司