晶圓級封裝模塊的製作方法與流程

2024-03-28 23:47:05

本發明有關於一種模塊封裝的製作方法，特別是一種將焊接球設置於基底的一側的晶圓級封裝模塊的製作方法。

背景技術：

為提高半導體模塊上光電組件的效能，矽光子領域的技術不斷地進步。矽光子學的領域包含在光子系統中利用矽質組件作為光學媒介的研究和應用。矽質組件能夠以次微米等級的精確度設置於矽光子組件當中。矽質組件一般會設置在矽質基底的頂層。

現今，矽光子組件的製程仍存在有成本和精確度的問題。若在焊接球的植球製程(bumping process)之前，先將組件附接於基底，則植球製程中產生的熱能會讓溫度過高，而使原先附接在基底上的組件與基底分離。此外，對於植球製程所使用的機臺來說，組件、包護組件的罩蓋以及基底的總厚度也可能過厚，導致製程無法順利進行。若為了使機臺能夠容納組件、保護組件的罩蓋以及基底的總厚度而調整機臺架構，則將使製程成本大幅提高。若在完成植球製程之後，才將組件附接於基底，則在使組件附接於基底的過程中，也可能導致焊接球脫落或受損，因此如何找到在組件附接的過程中，不會受到影響的焊接球材質也是一大難題。因此，如何找到可行又能符合成本效益的晶圓級封裝模塊的製作方法即為現今所需。

技術實現要素：

本發明的一實施例提供一種晶圓級封裝模塊的製作方法，製作方法包含 提供基底，於基底的第一側設置至少一組件，以及在模塊封裝完畢後，於基底的第二側設置多個焊接球。

附圖說明

圖1為本發明一實施例的晶圓級封裝模塊的製作方法的各步驟對應的架構示意圖。

圖2為圖1的晶圓級封裝模塊的製作方法的步驟流程圖。

圖3為圖2的晶圓級封裝模塊的製作方法中提供基底的步驟流程圖。

圖4為圖2的晶圓級封裝模塊的製作方法中於基底的第一側設置模塊的步驟流程圖。

圖5為本發明一實施例的圖1的晶圓級封裝模塊的俯視圖。

圖6為本發明一實施例的晶圓基底上的多個模塊的示意圖。

附圖標記為：

101 基底

102 層間導孔

103 導電材料

104、107 線路布局

105 接合物質

106 載體

107a 焊墊

108 組件

109 環圈

110 罩蓋

111 焊接球

112 接合材料

113 附接物

114 導線

UBM 凸塊(焊接球)底部金屬化層

201至203、301至306、401至405 步驟

601 模塊

具體實施方式

圖1為本發明一實施例的晶圓級封裝模塊的製作方法的各步驟對應的架構示意圖。圖2為圖1的晶圓級封裝模塊的製作方法的步驟流程圖。其製作方法可包含但不限於以下的步驟：

步驟201：提供基底101；

步驟202：於基底101的第一側設置該模塊的至少一組件；

步驟203：於基底101的第二側設置多個焊接球。

步驟201可提供在晶圓級封裝模塊的製作方法中所需的基底101。基底101可為玻璃晶圓或矽晶圓。圖3為圖2的晶圓級封裝模塊的製作方法中提供基底101的步驟流程圖。圖1包含執行圖2的步驟201時，模塊的結構變化。晶圓級封裝模塊的製作方法可包含但不限於以下的步驟：

步驟301：蝕刻基底101以產生多個空的層間導孔(via)，或間層開口(holes)，102；

步驟302：利用導電材料103填滿每一層間導孔102；

步驟303：於基底101的第二側形成線路布局104；

步驟304：將載體106與基底101的第二側接合；

步驟305：研磨基底101的第一側以減少基底101的厚度；及

步驟306：於基底101的第一側形成線路布局107。

本發明的晶圓級封裝模塊的製作方法並不限於具備前述的所有步驟。在部分實施例中，步驟201未必包含圖3中的所有步驟。在本發明的部分實施例中，至少對應於層間導孔102的步驟303及306可以省略。

步驟301中，可對基底101蝕刻以產生多個層間導孔102。在蝕刻過程中形成空的層間導孔102可為高度約為100μm至300μm的通孔結構(hollow structure)或埋孔結構(buried hole)。在部分實施例中，蝕刻的過程可使用乾式蝕刻或準分子雷射。每一個空的層間導孔102的孔徑可根據所使用的製程科技或所設置的組件(例如光電組件或光子組件)的需求來設計。舉例來說，空的層間導孔102的孔徑可大於或等於10μm。

在步驟302中，導電材料103可將每一個層間導孔102填滿以形成具有實心結構的埋孔。導電材料103可為金屬，例如為銅或鋁。導電材料103可用來形成基底101的第二側的線路布局104與基底101的第一側的線路布局107之間的中介層，而這些中介層則可用來耦接形成於基底101的第一側的線路布局107上的焊墊以及形成於基底101的第二側的線路布局104上對應的焊墊(如圖1所示)。

在本發明的其他實施例中，基底101可僅具有垂直的層間導孔，而與組件相耦接的焊墊則可以直接設置於垂直的層間導孔的上方。此時，可以不形成線路布局104及107。

在步驟303中，線路布局104可形成於基底101的第二側。線路布局104可包含多個焊墊、多條走線、重新布線層(redistribution layer)及/或凸塊(焊接球)底部金屬化層(under bump metallization，UBM)。重新布線層可為模塊基底的第一側或第二側上額外的一層線路，並使基底101上的組件所需的訊號線路可根據模塊的需要重新布線。因此，模塊與模塊間的接合可以更加簡化。重新布線層可為銅層或鋁層。凸塊(焊接球)底部金屬化層可形成在重新布線層上方，並可作為擴散阻障且有利於沾錫。

在其他實施例中，當層間導孔的孔徑具有足夠的面積以作為光電組件的焊墊時，在第一側的層間導孔102可用來與組件的導線或端點接合，而在第二側的層間導孔102則可用來設置焊接球。在此情況下，步驟303及306即 可省略。

在步驟304中，載體106可與基底101的第二側相接合。載體106可為玻璃晶圓或矽晶圓。優選的載體106會具有與矽晶源相符的熱膨脹係數。載體106與基底101的第二側之間可利用接合物質105來接合。接合物質105可為聚合物、環氧樹脂材料或光阻材料。將載體106與基底101相接合時，可在載體106及基底101之間塗上接合物質105。接合物質105可在受熱或接受紫外光照射後，被軟化而降低或消除黏性。

在步驟305中，基底101的第一側可被研磨或蝕刻以減少基底101的厚度。基底101的第一側可被研磨使其接觸到層間導孔102或導電材料103的表面，將原先的埋孔變為通孔。基底101的厚度可能由原先的約700μm被減少至約100μm至300μm。

在步驟306中，線路布局107可形成於基底101的第一側。線路布局107可用以形成導電路徑(走線)、焊墊及其他使組件108得以耦接至基底101的結構。導電路徑可利用導電材質，例如銅或鋁，來形成。

在步驟202中，模塊可包含光電組件或光子組件(photonic element)，亦即可將至少一光電組件或光子組件，例如矽光子組件，設置於基底101的第一側。光電組件或光子組件，例如矽光子組件，能夠處理光學訊號。處理光學訊號的過程可能包含將電子訊號轉換為光學訊號以及對光學訊號進行調變、聚光、分光、導光、平行化、濾波及光耦合...等運作。用來發射光學訊號的組件可包含雷射二極體及發光二極體。這類型的組件可能是由表面發光或側邊發光。光傳感器，例如感光二極體，則能夠感測光學訊號。感光二極體可例如為PN二極體、PIN二極體或雪崩型光二極體(avalanche photo diode)。另外，也可使用金屬-半導體-金屬光偵測器(Metal-Semiconductor-Metal photo-detector，MSM photo-detector)或光導體(photoconductor)來感測光學訊號。光學訊號的調變、聚光、分光、導光、平行、濾波及光耦合...等運作則可利用光電集成電路、聚光透鏡、光學分光器、光波導組件、光學隔離器...等來完成。此外，可利用焊接技術將前述的光電組件設置於基底101。在晶圓級(wafer level)封裝製程中，多個模塊的多個組件可設置於同一塊基底101。模塊可包含環圈109、罩蓋110及電路。模塊 中的電路可為由組件108、主動組件及/或被動電子組件組合而成的覆晶(flip chip)、裸晶(bare die)、球柵數組(ball grid array，BGA)集成電路或雷射二極體...等。圖4為圖2的晶圓級封裝模塊的製作方法中於基底的第一側設置模塊的步驟流程圖。圖1包含執行圖2的步驟202時，模塊的結構變化。其製作方法可包含但不限於以下的步驟：

步驟401：將組件108(包含至少一光電組件或光子組件)附接於基底101的第一側；

步驟402：將環圈109附接於基底101的第一側；

步驟403：將罩蓋110附接於基底101的第一側；

步驟404：移除接合於基底的第二側的載體106；及

步驟405：將模塊與基底101上的其他模塊分離。

步驟405可以包含在步驟202當中，但也可輕易地改在步驟203之後再執行。於步驟202中包含步驟405的做法僅為例舉性質的實施例，而並非限定在步驟202中必須執行步驟405。

在步驟401中，組件108可附接於基底101的第一側。所述組件108可為矽光子封裝模塊或平臺中的電子組件，例如可包含但不限於電子集成電路(晶片)、光電集成電路、雷射二極體及雷射二極體透鏡。當矽光子封裝模塊或平臺中的電子組件附接於基底101時，可優先設置及附接電子集成電路、光電集成電路、雷射二極體，接著再設置雷射二極體透鏡，以確保雷射二極體透鏡能夠精準對齊。組件108可包含接腳焊墊，用以將組件108電性耦接至基底101的第一側的線路布局107的焊墊107a。組件108與基底101的第一側的線路布局107的焊墊107a之間的電性耦接可透過焊接或接合導線(金屬線的電性接合)來完成。用以耦接組件108及線路布局107的焊接材料可為導電合金材料，例如錫金(SnAu)合金、錫銀(SnAg)合金及錫銀銅(SnAgCu)合金等等。導電合金材料的熔點可介於280℃及340℃之間。導線接合的方式則可利用接合導線114來將組件108的接腳焊墊電性耦接至線路布局107的焊墊，接合導線114可由導電材料製成，例如銅、金及銀。

在步驟402中，環圈109可附接於基底101的第一側。環圈109可為半 透明或光學媒介的材料，例如以玻璃或矽製程的材料。光線能夠穿透環圈109，使得在基底101上，環圈109內的光學組件能夠接收或發射光學訊號。環圈109可以圍繞於模塊的至少一組件108或全部電路(或全部組件)的方式設置。環圈109的大小及形狀可根據模塊的電路的大小或所需保護的組件108的大小來製造。舉例來說，當環圈109用來保護組件108，例如為雷射二極體時，環圈109所圍繞的面積即會大於雷射二極體的面積。在部分其他實施例中，環圈109的形狀也可能不固定。環圈109的形狀可以配合基底101上的模塊中各組件108的擺設來設計。甚至在部分實施例中，環圈109可用以保護模塊中對溼度較為敏感的單一個組件，例如雷射二極體，並同時保護模塊中的全部電路(或組件)。圖5為本發明一實施例的圖1的晶圓級封裝模塊的俯視圖。環圈109可利用局部加熱的方式附接。環圈109亦可利用接合材料112來附接於基底101上，接合材料112可例如為導電合金材料(例如錫金(SnAu)合金、錫銀(SnAg)合金及錫銀銅(SnAgCu)合金等等)。接合物質105的熔點範圍會低於接合材料112的熔點範圍。在此實施例中，導電合金材料的熔點範圍可介於280℃及340℃之間。由於只有局部被加熱，因此用以附接載體106的接合物質105(例如為聚合物)不會融化。接合材料112並不限於導電合金材料，導電合金材料僅是將環圈109附接於基底101的一種示例性材料。

在步驟403中，罩蓋110可附接於基底101的第一側及環圈109的上方。罩蓋110可經由環圈109附接於基底101的第一側。有許多製作方法都能夠將罩蓋110附接於環圈109。附接物113為罩蓋110及環圈109之間的中介層，其需以氣密封的方式接合兩者以避免外部環境幹擾或破壞模塊的運作。罩蓋110可利用直接接合的方式附接於環圈109，例如對環圈109或罩蓋110局部加熱接合。在使用直接接合的方式時，接合的過程無須額外的中介層。陽極接合(Anodic bonding)也可用來將罩蓋110附接於環圈109。陽極接合是用以將玻璃與金屬材料相接合，或將玻璃與矽材料相接合的晶圓接合過程，且無需使用額外的中介層。因此當環圈109及罩蓋110皆為矽材質時，陽極接合即可進行矽材質對矽材質的接合。共晶接合(Eutectic bonding)也可用來將罩蓋110附接至環圈109。共晶接合是利用共晶金屬層來接合罩蓋110及環圈109。共晶金屬是在特定金屬成分組合條件及溫度下，形成穩定的金屬 化合物。共晶金屬(導電合金金屬)可例如為錫金(SnAu)、銅錫(CuSn)金矽(AuSi)、鋁矽(A1Si)、及錫銀銅(SnAgCu)合金等等。黏性接合亦可用於將罩蓋110附接於環圈109。黏性接合會使用中介層來黏接罩蓋110及環圈109。中介層可例如為SU-8聚合物及苯並環丁烯(benzocyclobutene，BCB)等材質。玻璃介質(Glass frit)接合亦可用於將罩蓋110附接於環圈109。玻璃膠接合會使用中介玻璃層來進行接合。低黏性的特質使得中介玻璃層能夠適用於粗糙或不規則的表面，並確保罩蓋110及環圈109之間能夠氣密封合。再者，罩蓋110亦可利用導電金屬來附接於環圈109。用來附接罩蓋110及環圈109的導電金屬可例如為金或銀。罩蓋110可用來保護組件避免受到外在環境的影響，例如保護雷射二極體射避免受到外在溼度的影響。舉例來說，罩蓋110可如圖5所示，用來保護組件108，例如雷射二極體，及組件108的接合導線114。罩蓋110可由玻璃或矽製成。環圈109及罩蓋110的整體高度約在800μm及1000μm之間。此外，罩蓋110的外層還可塗布一層抗反射層。對於矽光子組件而言，抗反射層可以避免雷射二極體發出的訊號的能量散失。將罩蓋110附接的過程可在低壓且高氮的環境下完成。

再者，本發明的部分實施例中，環圈109及罩蓋110可以製造成一體。舉例來說，可將罩蓋110蝕刻出凹陷部，而凹陷部具有足夠的深度能夠容納至少一組件108或整個模塊的電路。在此情況下，及無需另將罩蓋110附接至環圈109。如此一來，氣密封合以保護模塊的效果即可大大地提升。步驟402及403可相結合以將環圈109及罩蓋110同時附接至基底101的第一側。

在步驟404中，可移除接合於基底101的第二側的載體106。載體106可利用雷射、紫外光(去除或降低接合物質105的黏性)、加熱或以機械方法來移除。並可具有清潔基底101的第二側的步驟，以利於晶圓級封裝模塊製程的下一步驟的進行。

在步驟405中，可將基底101上的每一個模塊彼此分離。此步驟亦可在圖2的步驟203完成後再進行。在半導體的製程中，單一晶圓，在此實施例中基底101可以是整片的晶圓，可包含多個模塊。在基底101上的所有模塊都建立完成後，可透過晶圓切割來將各個模塊(封裝模塊)彼此分離。單一晶圓上所能承載的模塊數量會與一片晶圓的大小、建立模塊及其環圈所需的面 積有關。

在基底101上設置焊接球111之前，模塊的厚度可能大於或等於800μm。現今技術中，沒有在厚度約1000μm的模塊上進行植球製程的製作方法及機具。為能克服上述的問題，在步驟203中，焊接球111可以設置在基底101的第二側。圖1包含執行圖2的步驟203時，模塊的結構變化。

在基底101的第二側設置焊接球的製作方法可稱為植球(ball placement)。植球可利用局部加熱的方式將每一個焊接球附接至基底101。植球的過程還可利用雷射或紫外光使焊接球111在原地硬化。本發明並不限於一次將所有的焊接球全部設置到基底的第二側，即一次完成全部焊接球111的植球。亦可由多次方式來完成所有焊接球111的放置，一次可以將一個或多個焊接球對齊至基底的第二側上對應的坐標，並局部加熱，達成部分植球的作業。此外，亦可在坐標上設置光罩來將多個焊接球附接於基底。

在植球過程中，一個焊接球111可能會被設置於基底101的一個特定坐標上。在部分實施例中，焊接球111可能會被設置在基底101的凸塊(焊接球)底部金屬化層(UBM)上方。在焊接球與基底101的特定坐標對齊後，可在特定坐標上進行局部加熱。接著，焊接球111即可附接上基底101。前述的過程可以不斷重複，直到將所有的焊接球111都附接至基底101的凸塊(焊接球)底部金屬化層(UBM)。

根據焊接球的大小和規格，植球過程可利用網版印刷(screen printing)的方式產生焊接球。執行網版印刷時，需施加壓力至模塊端。當將圖1所示的第二至最後等過程中的模塊結構翻面以使基底101的第二側面向上時，模塊即會由環圈109所支撐。

在此實施例中，由於植球過程會利用局部加熱來設置每一個焊接球，因此模塊接收到的壓力會比較小。如此一來，焊接球搖晃的現象會實質上地減少，且焊接球111與基底101的對應坐標間也能夠更精準地對齊。焊接球111可由導電合金形成，例如錫銀(SnAg)合金、錫銀銅(SnAgCu)合金、銀或錫。焊接球的設置可在包含多個模塊的整塊晶圓上執行，亦可在將各個模塊與整塊晶圓分離後，於各個模塊上進行。焊接球111的大小(例如面積及高度)可根據製程科技的凸塊(焊接球)底部金屬化層(UBM)的大小做適當的選 擇。在部分實施例中，焊接球111自基底101凸出的高度可大於或等於50μm。

圖6為本發明一實施例的晶圓基底上的多個模塊的示意圖。如圖6所示，單一晶圓基底上建立了多個模塊601。多個模塊可彼此相同。晶圓基底可為圖1的基底101。基底101可為矽晶圓或玻璃晶圓。晶圓基底的直徑從25.4mm(1英寸)至300mm(11.8英寸)都有。當晶圓基底的直徑越大時，同一晶圓基底上所能製造的模塊601的數量也會隨著增加。為能降低每個模塊的製造成本，可將單一晶圓基底上所能製造的模塊的數量最大化。由於晶圓切割的限制，模塊的形狀可以是正方形或長方形。晶圓切割是將多個模塊601彼此分離的程序。在提供包含模塊中電路所需的焊墊及導電路徑的基底101後，可利用焊接方法或導線接合的方法，將模塊中建立電路所需的組件設置於基底101。在多個模塊601的電路形成完畢後，可形成每一個模塊601的環圈109。接著將罩蓋110設置於多個環圈109上。罩蓋110可為單一晶圓，例如與基底101相同的單一晶圓。罩蓋110與基底101可具有相同的大小。罩蓋110、環圈109及基底101可使用相同的材料或相異的材料製成。形成罩蓋110、環圈109及基底101的材料可為矽或玻璃。

上述模塊的晶圓級封裝並不限於適用在矽光子模塊。模塊的晶圓級封裝也可用在無線模塊、系統邏輯模塊及感測模塊...等等。用以形成前述導電路徑、重新布線層、凸塊(焊接球)底部金屬化層及填滿層間導孔的金屬的導電材料不限於銅或鋁。其他熔點高於焊接球的導電材料也可用於前述的導電路徑、重新布線層、凸塊(焊接球)底部金屬化層及填滿層間導孔的金屬。由於本發明提供的晶圓級封裝模塊的製作方法所需的機械裝置都已成熟，因此使用晶圓級封裝模塊的製作方法來製造矽光子組件模塊的成本即可大大地降低。

以上所述僅為本發明的優選實施例，凡依本發明申請專利範圍所做的均等變化與修飾，皆應屬於本發明的保護範圍。