基於鋸齒型銅布線的晶片級三維柔性封裝結構的製作方法
2023-10-27 12:28:07 2
專利名稱：基於鋸齒型銅布線的晶片級三維柔性封裝結構的製作方法
技術領域：
本發明涉及晶片封裝結構，尤其是一種基於鋸齒型銅布線的晶片級三維柔性封裝結構。
背景技術：
目前消費類電子產品持續向著輕、薄、短、小與多功能集成的方向飛速發展，同時面對電子產品低成本要求，一方面，晶片級封裝(WLP)得到了高速發展；另一方面，系統級封裝(SiP)成為了發展的必然趨勢。同時，倒裝晶片(FC)技術以其高密度、高速度等優越性作為一級互連技術在各類先進封裝中得到了廣泛應用，如前述的晶片級封裝和系統級封 裝。傳統的晶片級的倒裝晶片結構是在矽晶片上澱積Si3N4鈍化層，然後通過再分布銅布線 實現把沿晶片上分布的焊接區域轉換為在晶片表面上按平面陣列形式分布的焊料凸點焊區域，最後由焊料凸點實現與板級電路互連，整個晶片封裝結構不能柔性變形。故其不足之處在於當電子元器件與基板焊接互連後，基板、焊料凸點和晶片的不同材料之間的熱膨脹係數(CTE)不同會導致熱不匹配現象的產生。這樣，熱循環過程中的熱失配就會給晶片上的焊料凸點帶來較大機械應力(主要是平面剪應力)，進而造成基板的變形或焊料凸點與基板間的微裂紋，從而引發可靠性問題，對大尺寸的封裝尤為嚴重。在當前的實際應用中，為了解決該問題，通常採用底部填充技術，即在封裝體底部的焊料凸點間空隙填充上特定的材料，以補償由於機械震動衝擊、電源或溫度周期變化所引起的焊料凸點與基板間的熱失配應力，常用的填充材料為環氧樹脂。儘管底部填充技術可以在一定程度上解決上述可靠性問題。但由於底部填充技術與表面組裝技術(SMT )工藝不兼容，當FC和WLP與印製電路板(PCB)上其它元器件一併組裝並經再流焊後，必須在線進行底部填充、固化後才能完成後續工藝。這無疑在增加工藝製作成本的同時大大延長了生產周期。
發明內容本發明的目的是針對現有技術的不足，而提供一種可靠性高、生產成本低、生產周期短的基於鋸齒型銅布線的晶片級三維柔性封裝結構。本發明的目的通過以下技術方案來實現—種基於鋸齒型銅布線的晶片級三維柔性封裝結構，包括設有鈍化層的矽晶片、銅接線柱、再分布銅布線、凸點下金屬層(UBM)、焊料凸點和阻焊層，矽晶片焊盤區域與銅接線柱連接，所述凸點下金屬層設置在再分布銅布線上並通過再分布銅布線與銅接線柱相連接，焊料凸點設置在凸點下金屬層上，與現有技術不同的是所述鈍化層上設有柔性層，再分布銅布線設置在柔性層的表面上，再分布銅布線與凸點下金屬層連接的一端設置為具有微彈簧效果的鋸齒形狀，凸點下金屬層旁邊的柔性層上設有通孔，焊料凸點正下方的鈍化層中設有空氣隙。所述的通孔為兩個，形狀呈扇面形，兩個通孔以凸點下金屬層為圓心對稱排列。所述空氣隙為圓桶形狀。所述扇面形外緣的半徑與空氣隙的半徑相等。所述的柔性層為聚醯亞胺。所述阻焊層設置在柔性層和再分布銅布線的表面上。柔性層上再分布銅布線與凸點下金屬層連接的一端設置為具有微彈簧效果的鋸齒形狀使得焊料凸點在X-Y平面內具有柔性度；設置空氣隙使得焊料凸點在Z軸方向上具有柔性度。當在熱循環過程中熱失配給焊料凸點帶來較大機械應力時，X-Y平面內的鋸齒形銅布線結構和Z軸方向的空氣隙可以使焊料凸點承受較大機械應力而不產生可靠性問題。本發明提供了一種利用焊料凸點正下方空氣隙和具有微彈簧效果的X-Y平面內再分布銅布線結構，使得三維方向上都具有柔性度的晶片級柔性封裝結構，解決了熱循環中基板、焊料凸點、晶片熱不匹配引起的熱應力導致的基板變形，或焊料凸點與基板間的微裂紋可靠性問題，並且取消了當前為解決熱不匹配而引入的底部填充工藝。本發明的優點有首先，製備空氣隙結構，使得焊料凸點下方具有一定範圍與深度的空氣隙，從而使得焊料凸點結構可以適應一定程度的Z軸方向上的變形，即保證焊料凸點結構在Z軸上具有一定的柔性度；其次，在X-Y平面方向上，採用鋸齒形再分布銅布線結構，使其效果如同平面範圍內的微彈簧，進而實現X-Y平面上的柔性。最後，整個封裝結構包括空氣隙的製作工藝與傳統晶片製造工藝兼容性強，採用澱積、光刻、刻蝕等工藝就可以完成，不必引入新的工藝技術而提高製造成本。故本發明三維柔性封裝結構完全可以解決熱循環中基板、焊料凸點、晶片熱不匹配引起的熱應力導致的基板變形，或焊料凸點與基板間的微裂紋的可靠性問題，並且取消了現有技術中為解決熱不匹配而引入的底部填充工藝，大大減少了工藝製造的成本和生產周期。
圖I為本發明實施例的截面示意圖；圖2為本發明實施例去除阻焊層的俯視圖。圖中，I.矽晶片2.鈍化層3.柔性層4.再分布銅布線5.鋸齒形狀6.凸點下金屬層7.焊料凸點8.阻焊層9.空氣隙10.銅接線柱11.矽晶片焊盤區域12.通孔。
具體實施方式
以下結合附圖和實施例對本發明內容作詳細說明，但不是對本發明的限定。實施例參照圖I圖2，一種基於鋸齒型銅布線的晶片級三維柔性封裝結構，包括設有鈍化層2的矽晶片I、銅接線柱10、再分布銅布線4、凸點下金屬層6、焊料凸點7和阻焊層8，矽晶片焊盤區域11與銅接線柱10連接，凸點下金屬層6設置在再分布銅布線4上並通過再分布銅布線4與銅接線柱10相連接，焊料凸點7設置在凸點下金屬層6上，鈍化層2上設有柔性層3，再分布銅布線4設置在柔性層3的表面上，再分布銅布線4與凸點下金屬層6連接的一端設置為具有微彈簧效果的鋸齒形狀5，凸點下金屬層6旁邊的柔性層3上設有通孔12，焊料凸點7正下方的鈍化層2中設有空氣隙9。、[0022]空氣隙9為圓桶形狀，空氣隙9採用微機電系統(MEMS)犧牲層技術製備，完全與傳統晶片製造工藝兼容，即首先在矽晶片I表面電鍍一定厚度的銅材料犧牲層，然後依次製備鈍化層2、柔性層3和通孔12、再分布銅布線4、凸點下金屬層6、焊料凸點7和阻焊層8，接著用溼法刻蝕掉最先電鍍的銅材料犧牲層以形成空氣隙9，使得焊料凸點結構具有Z軸方向的柔性度。通孔12為兩個，形狀呈扇面形，兩個通孔以凸點下金屬層6為圓心對稱排列，扇面形外緣的半徑與空氣隙9的半徑相等，通孔12設置呈扇面形以方便空氣隙9的製作，提供製作的窗口 ；使得空氣隙9正上方的柔性層3可以彎曲變形，焊料凸點7可以在Z軸方向變形。柔性層3為聚醯亞胺，該材料價格較便宜，是圓片級封裝使用的標準鈍化層材料；聚醯亞胺材料在熱-機械應力作用下承受的拉伸幅度很大，這對實現整個焊料凸點結構的 柔性來說很重要；聚醯亞胺材料上易產生的殘餘拉應力有利於矽圓片表面應力鬆弛之後結構的保持和控制。阻焊層8設置在柔性層3和再分布銅布線4的表面上。鈍化層2為聚醯亞胺，設置在矽晶片I有焊接區域的一面上，以利於後續工藝的進行和空氣隙結構的形成；再分布銅布線4與凸點下金屬層6連接的一端為鋸齒形5設置為具有微彈簧效果的鋸齒形狀使得焊料凸點7在X-Y平面內具有柔性度，以順應X-Y平面內的變形；設置空氣隙9使得焊料凸點7在Z軸方向上具有柔性度，以順應Z軸方向的變形；矽晶片焊盤區域11通過銅接線柱10與再分布銅布線4連接實現電導通。該結構使得三維方向上都形成具有柔性度的晶片級柔性封裝結構，解決了熱循環中基板、焊料凸點7、矽晶片I熱不匹配引起的熱應力導致的基板變形，或焊料凸點7與基板間的微裂紋的可靠性問題，並且取消了當前為解決熱不匹配而引入的底部填充工藝，從而提高了可靠性，大大減少了工藝製造的成本和生產周期。
權利要求1.一種基於鋸齒型銅布線的晶片級三維柔性封裝結構，包括設有鈍化層(2)的矽晶片(I)、銅接線柱(10)、再分布銅布線(4)、凸點下金屬層(6)、焊料凸點(7)和阻焊層(8)，矽晶片焊盤區域(11)與銅接線柱(10)連接，所述凸點下金屬層(6)設置在再分布銅布線(4)上並通過再分布銅布線(4)與銅接線柱(10)相連接，焊料凸點(7)設置在凸點下金屬層(6)上，其特徵在於所述鈍化層(2 )上設有柔性層(3 )，再分布銅布線(4 )設置在柔性層(3 )的表面上，再分布銅布線(4)與凸點下金屬層(6)連接的一端設置為具有微彈簧效果的鋸齒形狀(5)，凸點下金屬層(6)旁邊的柔性層(3)上設有通孔(12)，焊料凸點(7)正下方的鈍化層(2)中設有空氣隙(9)。
2.根據權利要求I所述的一種基於鋸齒型銅布線的晶片級三維柔性封裝結構，其特徵在於所述的通孔(12)為兩個，形狀呈扇面形，兩個通孔以凸點下金屬層(6)為圓心對稱排列。
3.根據權利要求I所述的一種基於鋸齒型銅布線的晶片級三維柔性封裝結構，其特徵在於所述空氣隙(9)為圓桶形狀。
4 ·特徵在於所述扇面形外緣的半徑與空氣隙(9)的半徑相等。·
5.根據權利要求I所述的一種基於鋸齒型銅布線的晶片級三維柔性封裝結構，其特徵在於所述的柔性層(3)為聚醯亞胺。
6.根據權利要求I所述的一種基於鋸齒型銅布線的晶片級三維柔性封裝結構，其特徵在於所述阻焊層(8)設置在柔性層(3)和再分布銅布線(4)的表面上。
專利摘要本實用新型公開了一種基於鋸齒型銅布線的晶片級三維柔性封裝結構，包括設有鈍化層的矽晶片、銅接線柱、再分布銅布線、凸點下金屬層和焊料凸點，矽晶片焊盤區域與銅接線柱連接，凸點下金屬層設置在再分布銅布線上並通過再分布銅布線與銅接線柱相連接，焊料凸點設置在凸點下金屬層上，其特徵是鈍化層上設有柔性層，再分布銅布線設置在柔性層的表面上，再分布銅布線與凸點下金屬層連接的一端設置為具有微彈簧效果的鋸齒形狀，凸點下金屬層旁邊的柔性層上設有通孔，焊料凸點正下方的鈍化層中設有空氣隙。本實用新型採用空氣隙和鋸齒形再分布銅布線使得封裝結構具有三維柔性，實現晶片和基板間的三維柔性連接，解決熱循環中熱不匹配引起的熱應力導致的可靠性問題。
文檔編號H01L23/00GK202423261SQ20112057258
公開日2012年9月5日 申請日期2011年12月31日 優先權日2011年12月31日
發明者任國濤, 李鵬, 潘開林, 黃鵬 申請人:桂林電子科技大學