晶片尺寸封裝方法及封裝結構的製作方法
2023-04-23 23:02:26
專利名稱：晶片尺寸封裝方法及封裝結構的製作方法
技術領域：
本發明涉及半導體器件的製造領域，尤其涉及晶片尺寸封裝方法及封裝結構。
背景技術：
隨著集成電路技術的不斷發展，電子產品越來越向小型化、智能化、高性能以及高可靠性方向發展。而集成電路封裝不僅直接影響著集成電路、電子模塊乃至整機的性能，而且還制約著整個電子系統的小型化、低成本和可靠性。在集成電路晶片尺寸逐步縮小，集成度不斷提高的情況下，電子工業對集成電路封裝技術提出了越來越高的要求。在集成電路晶片尺寸逐步縮小，集成度不斷提高的情況下，電子工業對集成電路封裝技術提出了越來越高的要求。因此，會使得集成電路製作微細化，造成晶片內包含的邏輯線路增加，而進一步使得晶片I/O (input/output)腳數增加，而為配合這些需求，產生了許多不同的封裝方式，例如，球柵陣列封裝(Ball grid array，BGA)、晶片尺寸封裝(Chip Scale Package，CSP)、多晶片模塊封裝(Multi Chip Module package, MCM package)、倒裝式封裝(Flip Chipl^ackage)、卷帶式封裝(Tape Carrier Package, TCP)及晶片級封裝 (Wafer LeveIPackage, WLP)等。不論以何種形式的封裝方法，大部分的封裝方法都是將晶圓分離成獨立的晶片後再完成封裝的程序，即晶片尺寸封裝(CSP)；晶片尺寸封裝通過在晶片表面形成的焊球，使晶片翻轉與底板形成連接，從而減小封裝尺寸，滿足電子產品的高性能(如高速、高頻、更小的引腳)、小外形的要求，使產品具有很好的電學性能和傳熱性能。凸點(bump)製作技術是晶片尺寸封裝中的一個關鍵技術，通常CSP的失效大都是由於和凸點失效所引起，因此凸點可靠性問題是發展CSP技術需解決的關鍵問題。現有技術中的凸點是焊料通過一定工藝沉積在晶片金屬墊層上，經過一定溫度回流形成的金屬焊球。申請號為200510025198. X的中國專利申請文件提供了一種凸點的形成方法。隨著半導體器件集成度越來越高，凸點與凸點之間的距離愈來愈小，在晶片的邊緣區域，由於離中心點距離遠，在周期性溫度變化的狀況下，所受應力遠比離中心點距離較小處的應力要大，因此邊緣處的凸點最容易脫落；而如果為了保持凸點的力學強度，則需要增大凸點的體積，而在有限的面積內，增加所有凸點的體積，會由於金屬互熔的物理性質， 凸點會變大橫向擴展，可能造成凸點間發生橋接現象，進而導致短路的發生，影響半導體器件的電性能。
發明內容
本發明解決的問題是提供一種晶片尺寸封裝方法及封裝結構，防止凸點脫落或凸點間發生橋接現象。為解決上述問題，本發明一種晶片尺寸封裝結構，包括半導體襯底，所述半導體襯底上設置有接觸焊盤，所述接觸焊盤與半導體器件電連接；分別附著於各接觸焊盤上的凸點；所述半導體襯底根據離中心點的不同距離分為若干區域，其中離中心點最近的區域內的接觸焊盤及凸點尺寸最小，離中心點最遠區域內的接觸焊盤及凸點尺寸最大。本發明還提供一種晶片尺寸封裝方法，包括下列步驟提供半導體襯底，所述半導體襯底上形成有半導體器件，所述半導體襯底根據離中心點的不同距離分為若干區域；在所述半導體襯底上形成與半導體器件電連接的接觸焊盤，所述接觸焊盤之間具有間隔，所述離中心點最近的區域內的接觸焊盤關鍵尺寸最小，離中心點最遠區域內的接觸焊盤關鍵尺寸最大；在接觸焊盤上形成凸點，離中心點最近的區域內的凸點尺寸最小，離中心點最遠區域內的凸點尺寸最大。與現有技術相比，本發明具有以下優點在半導體襯底上根據離中心點的距離不同，將晶片分為若干個區域，在離中心點最近的區域內形成接觸焊盤關鍵尺寸及凸點的直徑為最小，而隨著離中心點距離不斷的增大，接觸焊盤關鍵尺寸及凸點的直徑也相應增大。 在晶片的邊緣區域凸點的直徑最大，使凸點與邊緣接觸焊盤的粘附力增強，有效改善了邊緣凸點易脫落的情況。另外，半導體襯底的中心區域器件較為集中，而凸點直徑為最小，因此凸點間不會產生橋接而導致短路的現象；在邊緣區域，由於器件相對稀疏，凸點數量相應會減少，增加凸點的直徑，不會產生橋接現象。
圖1是本發明形成晶片尺寸封裝結構的具體實施方式
流程圖；圖2是本發明於晶片上進行區域劃分的示意圖；圖3至圖4是本發明進行晶片尺寸封裝的第一實施例示意圖；圖5至圖6是本發明進行晶片尺寸封裝的第二實施例示意圖。
具體實施例方式晶片尺寸封裝技術作為集成電路封裝技術之一，使得半導體器件的集成度更高、 性能更好。CSP封裝技術是通過在半導體襯底表面形成的凸點焊球，使晶片與引線框架形成連接，從而減小封裝尺寸，滿足電子產品的高性能(如高速、高頻、更小的引腳)、小外形的要求，使產品具有很好的電學性能和傳熱性能。然而發明人發現隨著半導體器件集成度不斷提高，凸點與凸點之間的距離愈來愈小，在晶片的邊緣區域，由於離中心點距離遠，在周期性溫度變化的狀況下，所受應力遠比離中心點距離較小處的應力要大，因此邊緣處的凸點最容易脫落；而如果為了保持凸點的力學強度，則需要增大凸點的體積，而在有限的面積內，增加所有凸點的體積，會由於金屬互熔的物理性質，凸點會變大橫向擴展，可能造成凸點間發生橋接現象，進而導致短路的發生，影響半導體器件的電性能。發明人針對上述技術問題，發明人經過研究試驗，發現在半導體襯底上根據離中心點的距離不同，將晶片分為若干個區域，在離中心點最近的區域內形成的凸點直徑為最小，而隨著離中心點距離不斷的增大，凸點的直徑也相應增大。在晶片的邊緣區域凸點的直徑最大，使凸點與邊緣接觸焊盤的粘附力增強，有效改善了邊緣凸點易脫落的情況。另外， 晶片的中心區域器件較為集中，而凸點直徑為最小，因此凸點間不會產生橋接而導致短路的現象；在邊緣區域，由於器件相對稀疏，凸點數量相應會減少，增加凸點的直徑，不會產生橋接現象。
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本發明形成晶片尺寸封裝結構的方法如圖1所示，具體流程如下步驟S11，提供半導體襯底，所述半導體襯底上形成有半導體器件，所述半導體襯底根據離中心點的不同距離分為若干區域。本實施例中，半導體襯底的表面形成有半導體器件。本實施例中，根據離中心點的距離先劃分區域，作為第一實例，如圖2所示，當晶片的尺寸為8mm時，以中心點10為圓心，半徑為Omm 4mm的圓形作為第一區域100，所述第一區域100內器件密集度最高；繼續以中心點10為圓心，半徑在4mm 6mm的範圍內的圓環作為第二區域102，在所述第二區域102內半導體器件的密集度較第一區域100變稀疏；將第二區域102以外至基板邊緣的區域作為第三區域104，所述第三區域104離中心點的距離為6mm 8mm，作為邊緣區域半導體器件密集度最低。作為第二實例，當晶片的尺寸為16mm時，以中心點10為圓心，半徑為Omm 8mm的圓形作為第一區域100，所述第一區域100內器件密集度最高；繼續以中心點10為圓心，半徑在8mm 12mm的範圍內的圓環作為第二區域102，在所述第二區域102內半導體器件的密集度較第一區域100變稀疏；再以中心點10為圓心，半徑在12mm 16mm的範圍內的圓環作為第三區域104，在所述第三區域104內半導體器件的密集度較第二區域102變稀疏， 作為邊緣區域半導體器件密集度最低。除上述兩實例外，對晶片區域的劃分主要根據器件密集度及晶片的面積來決定。步驟S12，在所述半導體襯底上形成與半導體器件電連接的接觸焊盤，所述接觸焊盤之間具有間隔，所述離中心點最近的區域內的接觸焊盤關鍵尺寸最小，離中心點最遠區域內的接觸焊盤關鍵尺寸最大。在第一實例圖2所示的晶片上，由於所述第一區域100內器件密集度高，相應焊盤的關鍵尺寸可以做到最小，為90 μ m 100 μ m，優選96 μ m ；在所述第二區域102內半導體器件的密集度較第一區域100變稀疏，因此第二區域102內的接觸焊盤關鍵尺寸相應增大， 為IlOym 115μπι，優選112 μ m;第三區域104作為邊緣區域，半導體器件密集度最低， 並且由於邊緣效應，凸點容易脫落，因此將所述第三區域104的接觸焊盤關鍵尺寸增大至足夠大且又能避免發生橋接，第三區域104的接觸焊盤關鍵尺寸為125 μ m 130 μ m,優選 128 μ m0在第二實例圖2所示的晶片上，當晶片的尺寸為16mm時，所述第一區域100內器件密集度高，相應接觸焊盤關鍵尺寸為140μπι 150μπι，優選144 μ m;而位於第一區域 100外圍的環形第二區域102半導體器件的密集度較第一區域100變稀疏，因此第二區域 102內的接觸焊盤關鍵尺寸相應增大，為160 μ m 170 μ m,優選168 μ m ；而在第二區域102 外圈的環形第三區域104，作為邊緣區域，半導體器件密集度最低，並且由於邊緣效應，凸點容易脫落，因此將所述第三區域104的接觸焊盤關鍵尺寸增大至足夠大且又能避免發生橋接，第三區域104內的接觸焊盤關鍵尺寸為190 μ m 195 μ m,優選192 μ m。步驟S13，在接觸焊盤上形成凸點，離中心點最近的區域內的凸點尺寸最小，離中心點最遠區域內的凸點尺寸最大。作為第一實例，如圖2所示，當晶片的尺寸為8mm時，按半導體器件密集度的不同，將晶片以中心點10為圓心，向邊緣遞進分成了第一區域100、第二區域102和第三區域 103 ；所述第一區域100、第二區域102和第三區域103內的接觸焊盤大小也相應變化，而形成與接觸焊盤上的凸點尺寸也會隨之變化。其中，所述各區域內凸點的高度均一致，為 92μπι 108μπι，優選為100 μ m;而凸點直徑則不同，第一區域100內於焊盤上形成的凸點直徑為120μπι 125 μ m，優選123 μ m ；第二區域102內的凸點直徑為 l!35ym， 優選131 μ m;第三區域104內的凸點直徑為138μπι 145 μ m，優選141 μ m。作為第二實例，如圖2所示，當晶片的尺寸為16mm時，按半導體器件密集度的不同，將晶片以中心點10為圓心，向邊緣遞進分成了第一區域100、第二區域102和第三區域103 ；所述第一區域100、第二區域102、第三區域103內的接觸焊盤大小也相應變化， 而形成與接觸焊盤上的凸點尺寸也會隨之變化。其中，所述各區域內凸點的高度均一致， 為HOym 160μπι，優選為150 μ m;而凸點直徑則不同，第一區域100內的凸點直徑為 180μπι 190 μ m，優選185 μ m;第二區域102內的凸點直徑為195 μ m 200 μ m，優選 197 μ m;第三區域104內凸點直徑為205 μ m 215 μ m，優選211 μ m。基於上述實施例形成的晶片尺寸封裝結構，包括半導體襯底，所述半導體襯底上設置有接觸焊盤，所述接觸焊盤與半導體器件電連接；分別附著於各接觸焊盤上的凸點； 所述半導體襯底根據離中心點的不同距離分為若干區域，其中離中心點最近的區域內的接觸焊盤及凸點尺寸最小，離中心點最遠區域內的接觸焊盤及凸點尺寸最大。下面結合附圖對本發明的具體實施方式
做詳細的說明。圖3至圖4是本發明進行晶片尺寸封裝的第一實施例示意圖。如圖3所示，提供晶片，所述晶片的半導體襯底300為帶有半導體器件的半導體襯底，為了簡化示圖，此處僅以空白半導體襯底示意。根據半導體襯底300的大小及器件密集度的不同，以半導體襯底 300中心點為圓心，向半導體襯底300邊緣依次劃分為第一區域I、第二區域II和第三區域III。在半導體襯底300上形成接觸焊盤306a、306b、306c和鈍化層302，所述接觸焊盤 306a,306b,306c之間由鈍化層302間隔。具體形成接觸焊盤306a、306b、306c和鈍化層302的工藝如下首先在半導體襯底 300上形成金屬層，所述金屬層的材料為銅或錫或鉛或銅合金或鉛錫合金等，所述金屬層的厚度範圍為18μπι 35μπι，所述金屬層為採用物理氣相沉積(PVD)方法製備，然後採用現有光刻技術圖形化金屬層，採用蝕刻技術刻蝕金屬層，形成接觸焊盤306a、306b、306c。其中，第一區域I內的接觸焊盤306a的關鍵尺寸最小，第二區域II內的接觸焊盤306b的關鍵尺寸比第一區域I內的接觸焊盤306a的尺寸大，第三區域III內的接觸焊盤306c的關鍵尺寸最大。接著在半導體襯底300和接觸焊盤306a、306b、306c上形成鈍化層302，所述鈍化層302可以為氧化矽、氮化矽或苯並環丁烯(BCB)、聚四氟乙烯、聚醯亞胺等高分子聚合物； 然後採用化學機械研磨工藝平坦化所述鈍化層302至露出接觸焊盤306a、306b、306c表面， 所述接觸焊盤306a的面積最小，接觸焊盤306b的面積大於接觸焊盤306a，接觸焊盤306c 的面積最大。參考圖4，在接觸焊盤306a、306b、306c分別形成凸點308a、308b、308c。其中，第一區域I內的凸點308a的直徑最小，第二區域II內的凸點308b直徑比第一區域I內的凸點308a大，第三區域III內的凸點308c最大。本實施例中，所述凸點308a、308b、308c的材料為共溶錫鉛合金、高鉛錫鉛合金， 錫銀合金或錫銀銅合金。
形成凸點308a、308b、308c的方法可以是金屬線焊接法(wire bonding)或印刷板方法。如果採用金屬線焊接法的話，為了形成不同大小的凸點，在第一區域I的接觸焊盤 306a上打上一個含錫金屬導線，而於第二區域II的接觸焊盤306b上打上兩個含錫金屬導線，於第三區域III的接觸焊盤306c上打上三個含錫金屬導線，具體數量根據含錫金屬導線的厚度、後續形成的凸點的大小及凸點間的間距決定。以直徑為30微米的含錫金屬導線為例，金屬線焊接法形成含錫金屬導線的直徑約為60 μ m 75 μ m，高度為50 μ m 60 μ m。 兩個含錫金屬導線的體積則增加一倍。三個含錫金屬導線疊加，體積則變成三倍。在含錫金屬導線上塗布助焊劑；然後，將半導體襯底300放入回流爐內，對半導體襯底300上的含錫金屬導線進行保溫回流，形成高度一致，直徑不同的凸點308a、308b、 308c，其中凸點308a的直徑最小，凸點308b的直徑比308a大，而凸點308c的直徑最大。基於上述實施例形成的晶片尺寸封裝結構，包括半導體襯底300，所述半導體襯底300上形成有半導體器件，所述半導體襯底300根據大小及器件密集度的不同，以半導體襯底300中心點為圓心，向半導體襯底300邊緣依次劃分為第一區域I、第二區域II和第三區域III。鈍化層302，位於半導體襯底300上。接觸焊盤306a、306b、306c，位於半導體襯底300上，以鈍化層302作為間隔，且與鈍化層302表面齊平；接觸焊盤306a、306b、306c 與所與半導體器件電連接；其中接觸焊盤306a位於第一區域I，面積最小；接觸焊盤306b 位於第二區域II，面積比第一區域I內的接觸焊盤306a大；接觸焊盤306c位於第三區域 III，面積最大。凸點308a、308b、308c，分別附著於接觸焊盤306a、306b、306c上，所述接觸焊盤306a上的凸點308a直徑最小，接觸焊盤306c上的凸點308c直徑最大，所述接觸焊盤 306b上的凸點308直徑居中。圖5至圖6是本發明進行晶片尺寸封裝的第二實施例示意圖。如圖6所示，提供半導體襯底400，所述半導體襯底400上形成有半導體器件，根據半導體襯底400的大小及器件密集度的不同，以半導體襯底400中心點為圓心，向半導體襯底400邊緣依次劃分為第一區域I、第二區域II和第三區域III。在半導體襯底400上形成鈍化層402和接觸焊盤 406a、406b、406c，所述接觸焊盤406a、406b、406c鑲嵌於鈍化層402中，所述鈍化層402中形成有開口，接觸焊盤406a、406b、406c通過介電層402的開口暴露出來。所述形成鈍化層402和接觸焊盤406a、406b、406c工藝為本領域技術人員公知技術，作為本發明的一個實施方式，首先在半導體襯底400上形成金屬層，所述金屬層為銅或錫或鉛或銅合金或鉛錫合金等，所述金屬層為採用物理氣相沉積(PVD)方法製備，然後採用現有光刻和蝕刻技術圖形化金屬層，形成接觸焊盤406a、406b、406c。接著，在半導體襯底400和接觸焊盤406a、406b、406c上形成鈍化層402，所述鈍化層402可以為氧化矽、氮化矽或苯並環丁烯(BCB)、聚四氟乙烯、聚醯亞胺等高分子聚合物；然後採用現有的光刻和顯影技術，在鈍化層402上形成開口，所述開口暴露出接觸焊盤406a、406b、406c，所述接觸焊盤406a的面積最小，接觸焊盤406b的面積大於接觸焊盤 406a，接觸焊盤406c的面積最大。參考圖6，在接觸焊盤406a、406b、406c分別形成凸點408a、408b、408c。其中，第一區域I內的凸點408a的直徑最小，第二區域II內的凸點408b直徑比第一區域I內的凸點408a大，第三區域III內的凸點408c最大。所述形成凸點408a、408b、408c的方法同上述第一實施例，在此不再進行贅述。
本實施例中，所述凸點408a、408b、408c的材料為共溶錫鉛合金、高鉛錫鉛合金， 錫銀合金或錫銀銅合金。基於上述實施例形成的晶片尺寸封裝結構，包括半導體襯底400，所述半導體襯底400上形成有半導體器件，所述半導體襯底400根據大小及器件密集度的不同，以半導體襯底400中心點為圓心，向半導體襯底400邊緣依次劃分為第一區域I、第二區域II和第三區域III。鈍化層402，位於半導體襯底400的第二表面上。接觸焊盤406a、406b、406c， 鑲嵌於鈍化層402中，且通過鈍化層402上的開口暴露出接觸焊盤406a、406b、406c ；接觸焊盤406a、406b、406c與所述晶片通過半導體襯底400內的導電插塞電連接；其中接觸焊盤 406a位於第一區域I，面積最小；接觸焊盤406b位於第二區域II，面積比第一區域I內的接觸焊盤406a大；接觸焊盤406c位於第三區域III，面積最大。凸點408a、408b、408c，分別附著於接觸焊盤406a、406b、406c上，所述接觸焊盤406a上的凸點408a直徑最小，接觸焊盤406c上的凸點408c直徑最大，所述接觸焊盤406b上的凸點408直徑居中。雖然本發明已以較佳實施例披露如上，但本發明並非限定於此。任何本領域技術人員，在不脫離本發明的精神和範圍內，均可作各種更動與修改，因此本發明的保護範圍應當以權利要求所限定的範圍為準。
權利要求
1.一種晶片尺寸封裝結構，包括半導體襯底，所述半導體襯底上設置有接觸焊盤，所述接觸焊盤與半導體器件電連接； 分別附著於各接觸焊盤上的凸點；其特徵在於，所述半導體襯底根據離中心點的不同距離分為若干區域，其中離中心點最近的區域內的接觸焊盤及凸點尺寸最小，離中心點最遠區域內的接觸焊盤及凸點尺寸最大。
2.根據權利要求1所述晶片尺寸封裝結構，其特徵在於，所述各區域的凸點的高度一致，直徑隨著區域離中心點越遠而越大。
3.根據權利要求2所述晶片尺寸封裝結構，其特徵在於，所述凸點的材料為共溶錫鉛合金、高鉛錫鉛合金，錫銀合金或錫銀銅合金。
4.根據權利要求1所述晶片尺寸封裝結構，其特徵在於，晶片的尺寸為8mm時，所述離中心點的距離範圍為Omm 4mm為第一區域，離中心點的距離為4mm 6mm為第二區域，離中心點的距離為6mm 8mm為第三區域。
5.根據權利要求1至4任一項所述晶片尺寸封裝結構，其特徵在於，所述凸點的高度為 92μπι 108 μ HIo
6.根據權利要求5所述晶片尺寸封裝結構，其特徵在於，所述第一區域的接觸焊盤關鍵尺寸為90 μ m 100 μ m，凸點直徑為120 μ m 125 μ m ；所述第二區域的接觸焊盤關鍵尺寸為IlOym 115μπι，凸點直徑為USym 135μπι;所述第三區域的接觸焊盤關鍵尺寸為125 μ m 130 μ m,凸點直徑為138 μ m 145 μ m。
7.根據權利要求1所述晶片尺寸封裝結構，其特徵在於，晶片的尺寸為16mm時，所述離中心點的距離範圍為Omm 8mm為第一區域，離中心點的距離為8mm 12mm為第二區域， 離中心點的距離為12mm 16mm為第三區域。
8.根據權利要求1或2所述晶片尺寸封裝結構，其特徵在於，所述凸點的高度為 140 μ m ~ 160 μ m。
9.根據權利要求8所述晶片尺寸封裝結構，其特徵在於，所述第一區域的接觸焊盤關鍵尺寸為140 μ m 150 μ m,凸點直徑為180 μ m 190 μ m ；所述第二區域的接觸焊盤關鍵尺寸為160 μ m 170 μ m,凸點直徑為195 μ m 200 μ m ；所述第三區域的接觸焊盤關鍵尺寸為190 μ m 195 μ m,凸點直徑為205 μ m 215 μ m。
10.根據權利要求1所述晶片尺寸封裝結構，其特徵在於，所述接觸焊盤之間由鈍化層隔1 °
11.根據權利要求10所述晶片尺寸封裝結構，其特徵在於，所述接觸焊盤材料為銅或錫或鉛或銅合金或鉛錫合金。
12.根據權利要求10所述晶片尺寸封裝結構，其特徵在於，所述鈍化層材料為氧化矽或氮化矽或氮氧化物或苯並環丁烯或聚四氟乙烯。
13.一種形成權利要求1所述晶片尺寸封裝結構的方法，其特徵在於，包括下列步驟提供半導體襯底，所述半導體襯底上形成有半導體器件，所述半導體襯底根據離中心點的不同距離分為若干區域；在所述半導體襯底上形成與半導體器件電連接的接觸焊盤，所述接觸焊盤之間具有間隔，所述離中心點最近的區域內的接觸焊盤關鍵尺寸最小，離中心點最遠區域內的接觸焊盤關鍵尺寸最大；在接觸焊盤上形成凸點，離中心點最近的區域內的凸點尺寸最小，離中心點最遠區域內的凸點尺寸最大。
14.根據權利要求13所述晶片尺寸封裝方法，其特徵在於，所述凸點的形成方法為金屬線焊接法或印刷板方法。
15.根據權利要求13所述晶片尺寸封裝方法，其特徵在於，所述接觸焊盤之間通過鈍化層間隔。
全文摘要
一種晶片尺寸封裝方法及封裝結構，其中晶片尺寸封裝結構，包括半導體襯底，所述半導體襯底上設置有接觸焊盤，所述接觸焊盤與半導體器件電連接；分別附著於各接觸焊盤上的凸點；所述半導體襯底根據離中心點的不同距離分為若干區域，其中離中心點最近的區域內的接觸焊盤及凸點尺寸最小，離中心點最遠區域內的接觸焊盤及凸點尺寸最大。本發明有效改善了晶片邊緣凸點易脫落的情況；另外，避免了凸點間產生橋接而導致短路的現象。
文檔編號H01L23/488GK102543920SQ20101059921
公開日2012年7月4日 申請日期2010年12月21日 優先權日2010年12月21日
發明者王津洲 申請人:中芯國際集成電路製造(北京)有限公司