一种倒装芯片的封装结构的制作方法

1.本实用新型涉及半导体器件封装领域，具体涉及一种倒装芯片的封装结构。


背景技术：

2.随着更轻、更薄、小尺寸、可靠性更高的低成本电子设备的需求继续增长，以及倒装芯片(fc，flip chip)本身固有的低信号自感应和较快的传输速度，使得fc封装技术在芯片封装中被大量采用。fc封装可达到相对于传统表面贴装元件包装，能获得更大的成本效益。
3.凸点下金属层(under bump metallization，ubm)是实现晶片和外界电气和机械连接的关键结构，一般依次由粘附层、阻挡层、润湿层(浸润层)等金属或合金构成。由于其尺寸相对较小、结构复杂、容易引起应力集中、具有较大的内应力、内部容易形成脆性金属间化合物(imc)等原因，ubm对封装器件的可靠性具有重大影响，一直是研究的重点。
4.目前，一般采用溅射、蒸发、化学镀、电镀等方法来形成ubm，ubm层的制作是凸点制作的关键工艺之一，其好坏将直接影响凸点的质量，以及倒装焊接的成品率和封装后凸点的可靠性。
5.一方面，在制作ubm时，导电焊盘上介电层与ubm层之间的粘附力将影响凸点质量；如何采用尽量低成本的方式来达到最佳的粘附力是业界一直关注的问题；
6.另一方面，现有技术中在铜柱上放置焊料凸块涂层，然而，一般铜会与焊料凸块涂层中的化学元素产生反应。而现有技术中焊料凸块涂层一般为包括锡元素的合金材料，其在回流过程中会和铜生成cu6sn5、cu3sn等金属间化合物lmc，这将可能会严重影响焊接性能。
7.如何解决上述技术问题成为亟待解决的问题。


技术实现要素：

8.本实用新型的目的在于克服现有技术的不足，提供一种倒装芯片的封装结构。相较于传统的倒装芯片，本实用新型的倒装芯片钝化层与凸点下金属层之间粘附力更强，且节省了耗材，降低成本；通过在浸润层和焊料之间添加镍层，可以阻挡焊料与浸润层金属接触而发生反应生成金属间化合物imc，影响焊接性能；此外，在镍层和焊料之间增加金层，可增加该凸点下金属层结构的可浸润性和可接合性；焊料采用带有高熔点的金属球体，可以避免芯片与其它元器件焊接时倾斜，同时保证其它元器件与芯片的最小距离，避免芯片损坏。
9.本实用新型提供了一种倒装芯片的封装结构，其包括：晶片、导电焊盘、钝化层、凸点下金属层和焊料凸块；
10.其中，所述导电焊盘位于所述晶片上；
11.所述钝化层位于所述晶片和所述导电焊盘上，且所述钝化层具有第一开口以部分暴露所述导电焊盘；
12.所述凸点下金属层从下到上依次包括粘附层、阻挡层和浸润层；
13.所述粘附层覆盖所述钝化层，并在所述钝化层的第一开口处具有第二开口以暴露所述导电焊盘；
14.所述阻挡层通过所述第一开口和第二开口与所述导电焊盘直接接触；
15.所述浸润层上包括焊料凸块。
16.特殊的开口设计，可以在不减少钝化层与凸点下金属层之间的粘附力的前提下尽可能地节约生产成本；同时，阻挡层的金属与导电焊盘直接接触，导电能力提升。
17.可选地，所述导电焊盘为铜或者铝。
18.可选地，所述第一开口和第二开口为同台轴的倒圆台，且所述第二开口的倒圆台底面半径小于所述第一开口的倒圆台底面半径。
19.可选地，所述粘附层为铬或者钛。增加钝化层和凸点下金属层的粘附力，从而加大芯片可靠性。
20.可选地，所述阻挡层为铜，可阻挡上层元素与焊盘接触，影响芯片性能。
21.可选地，所述浸润层为铜，增加该凸点下金属层结构的可浸润性。
22.可选地，所述焊料凸块包括下焊料块和上焊料块。其中，下焊料块接触下面的接触层，例如ubm，所述下焊料块熔点高于所述上焊料块，可以提高互连可靠性。
23.可选地，所述焊料凸块包括焊料和熔点高于所述焊料熔点的金属球。
24.可选地，所述浸润层和所述焊料凸块之间还包括镍层。
25.可选地，所述镍层和所述焊料凸块之间还包括金层。
26.采用上述技术方案本实用新型的优势在于：
27.(1)加入了高熔点金属球体的特殊的焊料，可以避免芯片与其它元器件焊接时倾斜，同时保证其它元器件与芯片的最小距离，避免芯片损坏；
28.(2)粘附层选择合适的材料，增加了钝化层和凸点下金属层的粘附能力；
29.(3)粘附层开窗，以暴露焊盘，一方面节约成本，另一方面使得铜片与焊盘直接接触，导电性能强；
30.(4)通过在浸润层和焊料凸块之间添加镍层，可以阻挡焊料凸块与浸润层金属接触而发生反应生成金属间化合物imc，影响焊接性能；
31.(5)在镍层和焊料凸块之间增加金层，可增加该凸点下金属层结构的可浸润性和可接合性；
32.(6)凸点(焊料凸块)包括下焊料块、上焊料块，下焊料块熔点高于所述上焊料块，提高互连可靠性。
附图说明
33.为了更清楚地说明本实用新型的技术方案，下面将对实施例的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅涉及本实用新型的一些实施例，而非对本实用新型的限制。
34.图1是本实用新型的一个实施例提供的倒装芯片的封装结构的凸点下金属层各层边缘的俯视图；
35.图2是本实用新型的一个实施例提供的倒装芯片的封装结构回流焊前的剖视图；
36.图3是本实用新型的一个实施例提供的倒装芯片的封装结构回流焊后的剖视图；
37.图4是本实用新型的另一个实施例提供的倒装芯片的封装结构回流焊前的剖视图；
38.图5是本实用新型的另一个实施例提供的倒装芯片的封装结构回流焊后的剖视图；
39.图中：1-晶片；2-导电焊盘；3-钝化层；4-凸点下金属层；5-焊料凸块；6-聚酰亚胺涂层；41-粘附层；42-阻挡层；43-浸润层；51-上焊料块；52-下焊料块。
具体实施方式
40.为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例的附图，对本实用新型实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本实用新型的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本实用新型的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
41.如图1-3所示，本实用新型提供了一种倒装芯片的封装结构，其包括：晶片1、导电焊盘2、钝化层3、凸点下金属层4(under bump metallization，ubm)和焊料凸块5(即凸点)。
42.一种可能的方式中，晶片1在其半导体基底的表面形成集成电路(ic)元件(例如，晶体管)，该半导体基底可以选择为硅、锗基底等材料。即晶片1实际上是半导体基底，其上形成有集成电路(ic)元件。可以理解地，在半导体基底上表面形成集成电路(ic)元件，晶片1也可认为是芯片本体。
43.本实用新型中倒装芯片的封装结构也可认为是倒装芯片的凸点结构或凸点封装结构。一个可能的实施例中，本实用新型中倒装芯片的封装结构还包括塑封壳体。
44.导电焊盘2(conductive pad)位于所述晶片1上；本实用新型所述导电焊盘2，亦可称为导电垫或者电极，为金属材料，可选择为铜或者铝。导电焊盘2的形状选择为圆形，椭圆形，或者，方形、三角形、六边形等多边形，具体不做限制。导电焊盘2作为晶片1的电极，起到电连接晶片1和外部电路的作用。
45.钝化层3位于所述晶片1和所述导电焊盘2上，且所述钝化层3具有第一开口以部分暴露所述导电焊盘2。部分暴露指钝化层3并未完全覆盖导电焊盘2，而是通过设置开口，在开口处暴露导电焊盘2，以利于后续导电焊盘2直接与ubm的金属层接触。
46.钝化层3可选择为氮化硅、二氧化硅、氧化铝等材料。特别地，钝化层3可以为单层，也可以选择设置为多层。例如，一种实施方式中，钝化层3从下至上依次为氧化层、氮化硅层、氧化层，即ono(oxide/sin/oxide)膜层结构，其中，氧化层可以选择为二氧化硅或者氧化铝；当然地，钝化层3可以为单层结构，如选择为氮化硅、二氧化硅、氧化铝的其中一种。采用这种单层的钝化层，工艺流程简单，且，加工工艺过程中产生缺陷少。可以通过等离子增强化学气相沉积(pecvd)、光刻和刻蚀等方式来形成钝化层3。
47.如图2所示，凸点下金属层4从下到上依次包括粘附层41、阻挡层42和浸润层43。可以理解地，粘附层41用于固定、连接凸点下金属层4和钝化层3。
48.需要说明的是，可以采用诸如溅射、蒸发、电镀以及化学镀的方式来形成凸点下金属层(ubm)。举例来说，可以在钝化层3上敷设10微米的聚酰亚胺涂层6，经聚酰亚胺曝光后，
分别溅射粘附层41和阻挡层42；再使用90微米的光涂层以及曝光显影后，通过电镀的方式设置浸润层43。当然地，还可以不使用聚酰亚胺涂层6，而使用其它方式，图2-5只是本实用新型的实施例，并不作为本实用新型的限制。
49.本实用新型的粘附层41位于钝化层3之上，覆盖所述钝化层3，并在所述钝化层3的第一开口处具有第二开口以暴露所述导电焊盘2。粘附层41还可以覆盖第一开口的侧面并接触到导电焊盘2的上表面，即在第一开口处或附近，粘附层41将钝化层3封闭在粘附层41和导电焊盘2之间。
50.粘附层41材料可选择为铬(chromium，化学符号cr)或者钛(ti)，通过溅射的方式来设置。
51.举例来说，可以采用溅射的方式在钝化层3上覆盖钛，其中，钛层厚度可以为1ka。粘附层41位于钝化层3和阻挡层42之间，作为凸点下金属层4接触钝化层3的第一层金属，起到固定凸点下金属层4和钝化层的作用，增加钝化层和凸点下金属层的粘附力，从而加大芯片可靠性。当然地，粘附层41还可以选择为铜、铬的其中一种。
52.阻挡层42通过所述第一开口和第二开口与所述导电焊盘2直接接触；其中，所述第一开口、所述第二开口为倒圆台。
53.由于铜具有良好的导电特性和成本优势。作为一种实施例，阻挡层42可以选择为铜。同样地，采用溅射的方式在粘附层41上、导电焊盘2暴露处覆盖4ka的铜层。铜层作为阻挡层，隔离了上部金属和其下部金属，可以防止上部焊料凸块材料向下渗透，从而与导电焊盘2直接接触，以防止不利的、降低键合强度甚至导致键合失效的金属间化合物产生。
54.举例来说，焊料凸点材料通常包含sn，当焊料向下扩散与导电焊盘2接触后，可能污染导电焊盘2，生成不利的、降低键合强度甚至导致键合失效的金属间化合物。因此，可以通过设置阻挡层42，避免上部材料扩散而接触导电焊盘2。
55.需要说明的是，圆台指以直角梯形垂直于底边的腰所在直线为旋转轴，其余各边旋转而形成的曲面所围成的几何体。其中，旋转轴叫做圆台的轴，简称台轴；直角梯形上、下底旋转所成的圆面称为圆台的上、下底面，另一腰旋转所成的曲面称为圆台的侧面。其中，梯形的上底短于梯形的下底。本实用新型的倒圆台是将上述圆台倒置而形成的上底面大于下底面的空间结构。
56.可以理解地，粘附层41特殊的开口设计，可以在不减少钝化层3与凸点下金属层4之间的粘附力的前提下尽可能地节约生产成本；同时，阻挡层42的金属铜与导电焊盘2的金属(例如，铜)直接接触，导电能力提升。
57.特别地，如图2所示，阻挡层42通过同台轴的所述第一开口和第二开口与所述导电焊盘2直接接触。作为一种实施例，阻挡层42为一薄层，在第二开口底部、侧部(即粘附层41覆盖钝化层3形成的第一开口的侧部后，形成的侧部)以及粘附层41上敷设阻挡层42后，阻挡层42在第二开口处存在一凹部，此凹部底面通过第二开口与导电焊盘2直接接触；同样地，在阻挡层42上部覆盖浸润层43后，在同样的位置仍旧存在一凹部。因此，当放置焊料凸块5材料时，部分材料填入上述凹部中，部分材料延申至浸润层43其它部分(例如，上表面)。
58.当然地，如图4-5所示，也可以在阻挡层42上部覆盖浸润层43，使得浸润层43完全填充前述的在阻挡层42上部覆盖粘附层41后，在第二开口处存在的凹部，以此形成较厚的浸润层43。
59.可选地，浸润层43上包括焊料凸块5；焊料凸块5设置在浸润层43之上，一端通过凸点下金属层4与导电焊盘2电连接，另一端可以与如pcb焊盘之类的器件电连接，以实现芯片与外部的电连接。
60.焊料可选为铅锡合金、无铅锡膏等。其中，锡膏是由焊锡粉、助焊剂以及其它的表面活性剂、触变剂等加以混合，形成的膏状混合物。无铅焊锡膏是一种比较环保的焊料，其采用铜和银来代替铅。使用无铅焊锡膏一方面可以保证焊接人员的健康，一方面可以减轻环保压力和回收处理压力，是保证无公害的电子产业的一个重要手段。本实用新型的焊料凸块优选为无铅焊锡膏。
61.作为一种实施例，浸润层43可以选择为铜，可以使用电镀的方式在阻挡层42之上覆盖铜层，从而增加该凸点下金属层结构的可浸润性。
62.可选地，所述第一开口和第二开口为同台轴的倒圆台，且所述第二开口的倒圆台底面半径小于所述第一开口的倒圆台底面半径。
63.需要说明的是，直角梯形沿着旋转轴旋转形成圆台，其中，旋转轴叫做圆台的轴，也为倒圆台的轴，即台轴。
64.图1是本实用新型的一个实施例提供的倒装芯片的封装结构的凸点下金属层各层边缘的俯视图。可见，浸润层43、阻挡层42底面边缘，粘附层41、钝化层3与导电焊盘2接触的边缘，为同心的圆，且，上述各个边缘半径依次增加。
65.如图1-3所示，此时，粘附层41覆盖所述钝化层3，并在第一开口处形成第二开口，以暴露导电焊盘2。具体地，粘附层41覆盖了钝化层3上表面以及钝化层3形成的第一开口的侧面(即作为第一开口的倒圆台的侧面)并结束在导电焊盘2之上，粘附层41与导电焊盘2接触处的边缘围成的圆即第二开口的圆台的底面。
66.当前焊料凸点材料通常包含sn，当铜与其接触后，可能生成不利的、降低键合强度甚至导致键合失效的金属间化合物。作为一种可选的实施例，本实用新型在浸润层43和焊料凸块5之间设置了一层镍(ni)，以抑制金属间化合物的产生。
67.作为一种可选的实施方式，本实用新型还在上述镍层之上覆盖一层金层，从而，凸点下金属层结构的浸润性可大大提高。
68.作为一种可选的实施方式，本实用新型的焊料凸块5包括上焊料块51和下焊料块52，其中，所述下焊料块52熔点高于所述上焊料块51，该种做法可以大大提高互连可靠性。可以通过选择焊料中金属材料的比例来达到下焊料块52熔点高于所述上焊料块51熔点的目的。例如，当焊料选择为无铅锡膏时，无铅锡膏主要由锡/银/铜三部分组成，可以提高下焊料块52中的无铅锡膏中熔点高的材料的含量，例如铜和/或银含量。
69.作为一种可选的实施方式，如图4-5所示，当选择浸润层43填充满凹部时，可以选择以下的焊料凸块5，即所述焊料凸块5包括焊料和熔点高于所述焊料的金属球。
70.倒装芯片通过焊料凸块5与如pcb焊盘之类的器件电连接，以实现芯片与外部的电连接。焊料的厚度将影响倒装芯片的安装质量，太薄的焊接层可能会导致芯片后期存在破坏的可能，太厚的焊接层可能导致芯片安装厚度过大。同时，还存在焊接层厚度不一致的问题，当焊接层厚度不一致时，芯片将出现倾斜的问题。
71.为此，在焊料中加入高熔点的金属小球。小球半径可根据需要的厚度控制要求来设置。可以理解地，通过在焊料中加入高于焊料熔点的金属小球作为支撑件，在回流后，由
于支撑件熔点高于锡膏的熔点，支撑件将不会融化，因此，冷却后，支撑件将均匀地分散在焊接层中，从而保证芯片和下面pcb板的焊盘的最小距离，另一方面还保证了芯片安装后不存在倾斜问题，保证安装质量。
72.对于本领域技术人员而言，显然本实用新型不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本实用新型的精神或基本特征的情况下，能够以其它的具体形式实现本实用新型。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本技术的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本技术内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。