一种适用于微米级金属凸点阵列键合测试结构及制备方法

1.本发明涉及半导体封装领域，具体涉及一种适用于微米级金属凸点阵列键合测试结构及制备方法。


背景技术：

2.倒装芯片键合（flip-chip bonding，fc）技术是指在芯片有源区一侧制备金属凸点结构，然后面朝下通过金属凸点与基板实现稳定可靠的机械、电气连接。作为一种先进的封装工艺，fc技术实现封装尺寸更小、集成度更高、性能更强的芯片封装技术，在micro-led微显示、3d集成封装等领域具有重要的研究价值。然而，现有技术中对倒装芯片键合良率以及可靠性测试方案比较复杂，主要检测手段包括x射线技术、光学检测以及扫描超声显微镜等。这些检测手段不仅设备昂贵，而且效率不高。


技术实现要素：

3.有鉴于此，本发明的目的在于提供适用于微米级金属凸点阵列键合良率及可靠性测试结构及其制备方法，可以快速判断出微米级金属凸点的键合良率以及进行可靠性测试。
4.为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种适用于微米级金属凸点阵列键合测试结构，包括顶层模块和底层模块；所述顶层模块包括第一绝缘基板、第一图案化打底金属层、具有镂空孔阵列的第一透明介质层和第一微米级金属凸点；所述底层模块包括第二绝缘基板、第二图案化打底金属层、金属电极、具有镂空孔阵列的第二透明介质层和第二微米级金属凸点。
5.进一步的，所述第一图案化打底金属层设置于第一绝缘基板表面；所述具有镂空孔阵列的第一透明介质层设置于第一绝缘基板与第一图案化打底金属层表面，第一透明介质层的镂空孔阵列位于第一图案化打底金属层表面；所述第一微米级金属凸点垂直设置于第一透明介质层的镂空孔阵列和第一图案化打底金属层表面，与图案化打底金属层紧密连接。
6.进一步的，所述第二图案化打底金属层设置于第二绝缘基板表面；所述金属电极由第二图案化打底金属层引出，设置于第二绝缘基板表面；所述具有镂空孔阵列的第二透明介质层设置于第二绝缘基板与第二图案化打底金属层表面，第二透明介质层的镂空孔阵列位于图案化打底金属层表面；所述第二述微米级金属凸点垂直设置于第二透明介质层的镂空孔阵列和第二图案化打底金属层表面，与第二图案化打底金属层紧密连接。
7.进一步的，所述第一绝缘基板面积小于第二绝缘基板面积。
8.进一步的，所述第一图案化打底金属层包括若干打底金属层，所述第一微米级金属凸点包括若干对金属凸点；所述顶层模块是以打底金属层连接一对金属凸点为单元的重复性阵列化结构；所述打底金属层宽度大于等于金属凸点直径，长度大于两颗金属凸点直径之和。
9.进一步的，所述第二图案化打底金属层包括若干打底金属层，所述第二微米级金属凸点包括若干对金属凸点；所述底层模块由以打底金属层连接一对金属凸点为单元的重复性阵列化结构、始端点金属凸点结构、末端点金属凸点结构和测试电极组合而成；所述始端点金属凸点结构由打底金属层、金属凸点、电压输入电极和电流输入电极组成；所述末端点金属凸点结构由打底金属层、金属凸点、电压输出电极和电流输出电极组成；所述测试电极分布于所述底层模块每一列金属凸点的末端点位置，由打底金属层引出电压输出电极和电流输出电极。
10.进一步的，所述具有镂空孔阵列的第一透明介质和第二透明介质层长度和宽度与顶层模块的绝缘基板尺寸一致；所述镂空孔阵列由若干尺寸一致的圆形开孔组成，直径小于打底金属层宽度，大于或等于金属凸点的直径。
11.进一步的，所述绝缘基板包括石英玻璃基板和蓝宝石衬底；所述图案化打底金属层和金属电极包括cr、al、ti、pt、au、ag中的一种或者两者以上的组合；所述透明介质层包括sio2、aln、al2o3、si3n4、bn、tio2中的一种或者两种以上的组合；所述微米级金属凸点包括in、cu、sn、ni、ag中的一种或者两种以上的组合。
12.进一步的，所述第一和第二打底金属层的厚度均为500nm-2μm；所述第一和第二透明介质层的厚度均为300nm-1μm；所述第一和第二微米级金属凸点直径均为3um-300um；所述第一和第二微米级金属凸点高度均为2um-500um。
13.一种适用于微米级金属凸点阵列键合测试结构的制备方法，包括以下步骤：s1、对第一和第二绝缘基板进行划片，清洗，烘干；s2、利用磁控溅射或热蒸镀工艺在顶层模块的第一绝缘基板上制备第一图案化打底金属层，在底层模块制备的第二绝缘基板上第二图案化打底金属层和金属电极；s3、利用等离子体增强化学气相沉积法或原子层沉积法分别在顶层模块和底层模块的透明介质层制备具有镂空孔阵列的透明介质层；s4、利用化学镀、电镀或热蒸镀工艺分别在顶层模块和底层模块制备微米级金属凸点；s5、通过四探针测试法测试第一列、前两列、前三列
…
第n列的电阻值是否成等比例增加，来判断键合良率；测试样品经过长期施加电流激励后，再次测试电阻值与最初测试结果比对，判断键合可靠性。
14.本发明与现有技术相比具有以下有益效果：1、本发明测试结构制备工艺简单，测试方法简便，可以结合现有的测试手段进行键合良率及可靠性测试，极大节约了测试时间和成本；2、本发明采用四探针测试方法测试电阻值可以有效降低测试探针电阻值带来的误差影响，提高测试精度。
附图说明
15.图1是本发明结构示意图；图2是本发明一实施例中制备过程示意图；图3是本发明制备方法流程图；图中，100-顶层模块、101-顶层模块的绝缘基板、102-顶层模块的具有镂空阵列的
透明介质层、103-顶层模块的打底金属层、104-顶层模块的微米级金属凸点、200-底层模块、201-底层模块的绝缘基本、202-底层模块的具有镂空阵列的透明介质层、203-底层模块的打底金属层、204-底层模块的微米级金属凸点、205-底层模块的金属电极。
具体实施方式
16.下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。
17.请参照图1，本发明提供一种适用于微米级金属凸点阵列键合测试结构，包括顶层模块100、顶层模块的绝缘基板101、顶层模块的打底金属层102、顶层模块的具有镂空阵列的透明介质层103、顶层模块的微米级金属凸点104、底层模块200、底层模块的绝缘基本201、底层模块的打底金属层202、底层模块的具有镂空阵列的透明介质层203、底层模块的微米级金属凸点204、底层模块的金属电极205。
18.参照图2，在本实施例中，还提供一种适用于微米级金属凸点阵列键合良率及可靠性测试结构的制备方法，包括以下步骤：s1、提供顶层模块的绝缘基板101和底层模块的绝缘基板102，对其划片，清洗，烘干；本实施例中选用蓝宝石衬底作为绝缘基板，采用rca标准清洗法对样品进行清洗，清洗工艺为：第一步，使用spm溶液（h2so4与h2o2体积比为1：3）在100~130℃的温度下对绝缘基板清洗15min；第二步，将绝缘基板置于apm溶液（h2so4：h2o2：h2o体积比为1：2：7），在温度为65~80℃的条件下清洗10min后取出；第三步，取出的绝缘基板放入（hf：h2o体积比为1：10）的溶液中在20~25℃的温度条件下清洗10min取出冲水备用；最后，使用hpm试剂（hcl：h2o2：h2o体积比为1：2：8）在温度65~80℃的条件下清洗15min，最后用去离子水淋洗20min。
19.s2、利用磁控溅射或热蒸镀工艺在顶层模块制备图案化打底金属层102，在底层模块制备打底金属层202和金属电极205；本实施例中优选用磁控溅射制备打底金属层结构，首先利用光刻工艺在顶层模块的绝缘基板和底层模块的绝缘基板形成图案化光刻掩膜层，然后放到磁控溅射设备的溅射腔内溅射厚度为150nm的ti打底金属层，待金属沉积完成后使用丙酮溶液剥离光刻胶，在顶层模块的绝缘基板上形成图案化打底金属层，在底层模块的绝缘基板形成图案化打底金属层和金属电极。
20.s3、利用等离子体化学气相沉积法或原子层沉积法在顶层模块形成具有镂空阵列的透明介质层103，在底层膜块形成具有镂空空阵列的透明介质层203；本实施例中优选等离子体化学气相沉积法制备具有镂空孔阵列的透明介质层，将两绝缘基板放入通有sih4和n2o气体的机台内生长1μm厚的sio2透明介质层，然后利用光刻工艺在介质层表面形成图案化光刻掩膜层，再将完成光刻工艺的绝缘基板放入icp刻蚀设备的腔室内进行刻蚀，最终在顶层模块的介质层上形成镂空孔阵列，在底层模块的介质层上形成镂空孔阵列并将金属电极暴露出来。
21.s4、利用化学镀、电镀或热蒸镀工艺分别在顶层模块制备微米级金属凸点104和在底层模块制备微米级金属凸点204；本实施例优选采用热蒸镀工艺在顶层模块和底层模块上制备直径和高度为10um的铟球，首先利用光刻工艺在顶层模块的绝缘基板和底层模块的绝缘基板形成图案化光刻
掩膜层，然后放入蒸镀腔内进行铟凸点蒸镀，待蒸镀完成，用丙酮溶液剥离二者光刻胶，并将其放入通有甲酸的真空腔内进行高温回流成球。
22.请参照图3，是本发明测试原理图。具体测试原理如下：（1）如图3中3-1，测试模块的两对金属凸点键合后采用四探针测试法进行测试，引脚a和d分别作为电流输入输出端口，引脚b和c分别接电压表正负极。电流从引脚a流入金属凸点通过顶层模块的打底金属层流回另一金属凸点，再由引脚d流出，这过程所测得的电压值比去流入的电流值即键合后凸点的电阻值。
23.（2）如图3中3-2所述，制作成金属凸点阵列并键合后，工作原理与测试模块相似，只需将初始位置0的两只电极一端接电压表正极和另一端作为电流输入端口，将需要所测的某列电阻的末端一引脚接电压表负极和另一引脚作为电流输出口，电流便可流过这几类全部的金属凸点，然后算出这几列的电阻值之和，与第一列或与测试模块相比，便能反馈出键合良率。测试模块经过长期施加电流激励后，金属凸点会产生空洞等一系列现象，然后再次测量电阻值，与原始数据相比，根据电阻值的变化来判断金属凸点的可靠性。
24.以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。