一種銅柱凸點結構的封裝工藝的製作方法
2023-04-30 05:44:01 1
一種銅柱凸點結構的封裝工藝的製作方法
【專利摘要】本發明所述一種銅柱凸點結構的封裝工藝，包括以下步驟：在半導體襯底上設置金屬焊盤，所述金屬焊盤的四周設有鈍化層，所述鈍化層覆蓋於襯底上；利用磁控濺射設備在金屬焊盤上沉積凸點下金屬化層；採用光刻法和電鍍工藝在凸點下金屬化層上沉積銅柱；再通過超聲焊接的方式將晶片倒裝焊接在銅柱上，所述晶片上設置金屬焊盤。本發明採用已有倒裝焊設備的超聲焊工藝實現銅柱與晶片之間的連接，銅柱上無需設置焊料凸點，避免因金屬間化合物的形成而導致結構失效，從而提高了銅柱凸點結構的可靠性和耐用性。同時，還降低了凸點製作成本，減少封裝流程，提高封裝工藝的效率。
【專利說明】一種銅柱凸點結構的封裝工藝
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種銅柱凸點結構的封裝工藝，屬於半導體封裝【技術領域】。
【背景技術】
[0002]隨著IC尺寸進一步微型化和載荷嚴酷化，原有的球型焊點已不能滿足性能的需求。目前，可以通過使用銅柱結構來改善現有的BGA封裝結構。現有技術公開的一種銅柱凸點結構，多採用銅柱與焊料凸點結合的方式，通過焊料凸點來實現銅柱與晶片之間的連接。
[0003]然而，在對上述銅柱凸點結構進行測試時發現，由於焊料凸點中含有大量的錫，而銅和錫極易發生反應形成金屬間化合物，從而使得整體封裝結構失效。所以，這種現有結構的可靠性差，耐用性不高。
[0004]因此，鑑於以上問題，有必要提出一種新型的封裝方法，以阻止銅柱與焊料凸點之間的界面反應，繼而提高銅柱凸點結構的可靠性和耐用性。
【發明內容】
[0005]本發明的目的是克服現有技術中存在的不足，提供一種銅柱凸點結構的封裝工藝，其焊接方式採用超聲焊，銅柱上無需設置焊料凸點，避免因金屬間化合物的形成而導致結構失效，從而提高了銅柱凸點結構的可靠性和耐用性。同時，還降低了凸點製作成本，減少封裝流程，提高封裝工藝的效率。
[0006]一種銅柱凸點結構的封裝工藝，其過程包括如下步驟:
[0007]a.提供帶有金屬焊盤及鈍化層的半導體襯底，所述鈍化層覆蓋於襯底上，並有選擇性地刻蝕所述鈍化層，使其形成窗口以露出金屬焊盤；
[0008]b.利用磁控濺射在上述半導體襯底上沉積凸點下金屬化層，所述凸點下金屬化層覆蓋於鈍化層及金屬焊盤上；
[0009]c.利用勻膠機在上述凸點下金屬化層的表面塗布初級光刻膠層，並利用光刻工藝使初級光刻膠層圖形化，以形成銅柱窗口圖形；
[0010]d.利用電鍍工藝在上述窗口圖形內沉積銅柱；
[0011]e.利用去膠工藝去除光刻膠層，以露出凸點下金屬化層的表面；
[0012]f.利用刻蝕工藝去除銅柱四周多餘的凸點下金屬化層；
[0013]g.利用已有倒裝焊設備的超聲焊工藝實現銅柱與晶片之間的連接。
[0014]進一步的，所述晶片上的金屬焊盤的直徑大於銅柱凸點的直徑。
[0015]進一步的，所述晶片上的金屬焊盤的高度等於半導體襯底上金屬焊盤的高度。
[0016]進一步的,所述超聲焊工藝的振幅採用5—35 μ m。
[0017]進一步的，所述超聲焊工藝的振動頻率採用16 — 30kHZ。
[0018]與現有技術相比，本發明的技術方案具有的優點:採用超聲焊工藝來實現銅柱與晶片之間的連接，消除銅柱和凸點之間的界面反應，避免因金屬間化合物的形成而導致結構失效，提高了銅柱凸點封裝結構的可靠性和耐用性。同時，由於無需再在銅柱上設置焊料凸點，從而提高封裝效率，有助於銅柱凸點封裝結構朝著尺寸更小、密度更高的方向發展。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0019]圖1?圖7為本發明一種銅柱凸點結構的封裝工藝的示意圖。
[0020]其中，圖1為本發明在半導體襯底上設置金屬焊盤和鈍化層後的剖視圖。
[0021]圖2為本發明沉積凸點下金屬化層的剖視圖。
[0022]圖3為本發明塗布初級光刻膠並圖形化後的剖視圖。
[0023]圖4為本發明電鍍沉積銅柱後的剖視圖。
[0024]圖5為本發明去除光刻膠層後的剖視圖。
[0025]圖6為本發明去除多餘凸點下金屬化層後的剖視圖。
[0026]圖7為本發明進行超聲焊後的示意圖。
[0027]附圖標記:半導體襯底一100、襯底上金屬焊盤一110、純化層一200、純化層窗口一210、凸點下金屬化層一 300、粘附層一 310、阻擋層一 320、抗氧化層一 330、銅柱凸點一 400、光刻膠層一500、銅柱窗口圖形一510、晶片一600、晶片上金屬焊盤一610。
【具體實施方式】
[0028]經研究發現，現有技術中銅柱凸點結構可靠性差、易發生失效的主要原因如下:
[0029]現有銅柱凸點結構中，焊料凸點含有大量的錫，與銅柱相接觸的界面極易發生銅錫反應而產生金屬間化合物。反應初期產生的金屬間化合物是Cu6Sn5，但隨著時間的延長，金屬間化合物逐漸演變為劣化相Cu3Sn,由於體積的減小而產生孔洞，進而嚴重影響銅柱凸點結構的可靠性和耐用性。
[0030]經過進一步研究發現，可採用新型銅柱凸點結構，即銅柱表面無需單獨設置焊料凸點，僅通過超聲焊工藝方法實現銅柱與晶片的連接，從而消除銅柱和焊料凸點之間的界面反應，避免因金屬間化合物的形成而導致結構的失效。
[0031]下面結合具體附圖和實施例對本發明作進一步說明。
[0032]參見圖6，本發明一種銅柱凸點結構的封裝工藝，其實施例的結構如下:
[0033]所述銅柱凸點結構(400)，包括半導體襯底(100)和位於所述襯底(100)上的金屬焊盤(110);所述金屬焊盤(110)的四周設有鈍化層(200)，所述鈍化層(200)覆蓋於襯底(1000上；凸點下金屬化層(300)位於金屬焊盤(110)及金屬焊盤(110)四周邊緣部分的鈍化層(200)上，所述凸點下金屬化層(300)包括位於金屬焊盤(110)上的粘附層(310)，位於粘附層(310)上的阻擋層(320)，位於阻擋層(320)上的抗氧化層(330);銅柱(400)位於凸點下金屬化層(300)的正上方；晶片(600)位於銅柱(400)的正上方，通過晶片上金屬焊盤￠10)實現連接。
[0034]參見圖7，本發明一種銅柱凸點結構的封裝工藝，其實施例的超聲焊接系統如下:
[0035]所述超聲焊接系統，包括工作檯(I)和吸頭(2)，所述吸頭用來吸住需要焊接的晶片(600)，所述晶片(600)上設置金屬焊盤￠10);變幅杆(4)和換能器(5)，所述變幅杆(4)可以改變換能器(5)的振幅，所述換能器(5)可以減小諧振阻抗、提高電聲轉換效率，從而提高使用壽命；電源(6)提供220V的電流。
[0036]參見圖1至圖6，本發明一種銅柱凸點結構的封裝工藝，其工藝過程包括如下步驟:
[0037]如圖1所示，提供帶有金屬焊盤(110)及鈍化層(200)的半導體襯底(100)，所述鈍化層(200)覆蓋於襯底(100)上，並有選擇性地刻蝕所述鈍化層(200)，使其形成窗口(210)以露出金屬焊盤(110)。同時，提供帶有金屬焊盤(610)的晶片(600)。
[0038]本實施例中，半導體襯底(100)的材料可以為矽、矽鍺以及絕緣體上矽等。襯底上金屬焊盤(110)可以採用鋁。鈍化層(200)的材料可以為氧化矽、聚醯亞胺(PI)、環氧樹脂(Epoxy)等，其作用為保護半導體襯底(100)，將半導體襯底(100)與外界隔絕，緩衝應力作用。晶片上金屬焊盤(610)可以採用銅，以方便與銅柱相連接。
[0039]由於超聲焊的特有性質，晶片上金屬焊盤(610)的直徑大於襯底上金屬焊盤
(110)，範圍依據超聲焊的工藝參數而定。
[0040]如圖2所示，利用磁控濺射工藝在上述半導體襯底(100)上沉積凸點下金屬化層(300)。
[0041]本實施例中，所述凸點下金屬化層(300)材料為常見材料，其中，粘附層(310)和阻擋層(320)的材料可以為Cr、T1、W中的一種或組合，抗氧化層(330)的材料為Au。
[0042]如圖3所示，利用勻膠機在上述凸點下金屬化層(300)的表面塗布光刻膠(500)，再利用光刻工藝使光刻膠(500)圖形化，以形成銅柱窗口圖形(510)。所述窗口(510)的開口度大於鈍化層窗口(210)，多餘的光刻膠(500)位於金屬焊盤(110)四周邊緣的鈍化層(200)上。
[0043]如圖4所示，利用電鍍工藝在上述窗口圖形(510)內沉積銅柱(400)。
[0044]如圖5所示，利用去膠工藝去除光刻膠(500)，以露出凸點下金屬化層(300)的表面。
[0045]如圖6所示，利用刻蝕工藝去除銅柱(400)四周多餘的凸點下金屬化層(300)。
[0046]如圖7所示，利用超聲焊接系統將晶片倒裝於上述銅柱凸點(400)上，以得到本發明的銅柱凸點結構(400)。超聲焊工藝的振幅採用5 — 35 μ m，振動頻率採用16 — 30kHZ。
[0047]本發明採用超聲焊接工藝的方法直接完成銅柱與晶片之間的連接，消除了界面間的銅錫反應，避免因金屬間化合物的形成而導致結構失效，從而提高了銅柱凸點結構(400)的可靠性和耐用性。
[0048]對本發明公開的實施例的說明如上，所有本領域的專業技術人員能夠使用。同時，在不脫離本發明本質情況的範圍下，任何本領域的技術人員均可作適當的改動。因此，本發明的保護範圍應當以符合與本發明所公開的實施例的原理以及新穎特點相一致的範圍為準。
【權利要求】
1.一種銅柱凸點結構的封裝工藝，其過程包括如下步驟: a.提供帶有金屬焊盤及鈍化層的半導體襯底，所述鈍化層覆蓋於襯底上，並有選擇性地刻蝕所述鈍化層，使其形成窗口以露出金屬焊盤； b.利用磁控濺射在上述半導體襯底上沉積凸點下金屬化層，所述凸點下金屬化層覆蓋於鈍化層及金屬焊盤上； c.利用勻膠機在上述凸點下金屬化層的表面塗布初級光刻膠層，並利用光刻工藝使初級光刻膠層圖形化，以形成銅柱窗口圖形； d.利用電鍍工藝在上述窗口圖形內沉積銅柱； e.利用去膠工藝去除光刻膠層，以露出凸點下金屬化層的表面； f.利用刻蝕工藝去除銅柱四周多餘的凸點下金屬化層； g.利用已有倒裝焊設備的超聲焊工藝實現銅柱與晶片之間的連接。
2.根據權利要求1所述的一種銅柱凸點結構的封裝工藝，其特徵在於:所述晶片上的金屬焊盤的直徑大於銅柱凸點的直徑。
3.根據權利要求2所述的一種銅柱凸點結構的封裝工藝，其特徵在於:所述晶片上的金屬焊盤的高度等於半導體襯底上金屬焊盤的高度。
4.根據權利要求1所述的一種銅柱凸點結構的封裝工藝，其特徵在於:所述超聲焊工藝的振幅採用5 — 35 μ m。
5.根據權利要求1所述的一種銅柱凸點結構的封裝工藝，其特徵在於:所述超聲焊工藝的振動頻率採用16 — 30kHZ。
【文檔編號】H01L21/60GK104362105SQ201410505050
【公開日】2015年2月18日 申請日期:2014年9月26日 優先權日:2014年9月26日
【發明者】陳萍, 趙修臣, 劉穎, 李紅, 谷悅 申請人:北京理工大學