一种高可靠性的铜柱凸块封装结构的制作方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种高可靠性的铜柱凸块封装结构，属于半导体封装【技术领域】。其包括带有芯片电极（120）、表面覆盖钝化层（110）的芯片基体（100），所述钝化层（110）和芯片电极（120）的表面设置介电层（200），所述介电层（200）上设置铜柱凸块（300），所述介电层（200）上开设贯穿介电层（200）的介电层通孔（210），每一所述芯片电极（120）对应若干个介电层通孔（210），所述铜柱凸块（300）的底部向下延伸并通过介电层通孔（210）与芯片电极（120）固连，实现电气连通。本实用新型提供了一种降低局部应力、分散电流分布、提高可靠性的铜柱凸块封装结构。
【专利说明】一种高可靠性的铜柱凸块封装结构【技术领域】
[0001]本实用新型涉及一种高可靠性的铜柱凸块封装结构，属于半导体封装【技术领域】。【背景技术】
[0002]随着无线手持设备、掌上电脑以及其他移动电子设备的增加，微电子封装技术面临着电子产品“高性价比、高可靠性、多功能、小型化及低成本”发展趋势带来的挑战和机遇。
[0003]铜柱凸块技术，为新一代倒装芯片互联技术，其得益于铜材料的优越的导热性能和导电性能,在逐渐取代了锡铅凸块(solder bump),成为IC封装主流技术。
[0004]在实际使用过程中，铜柱凸块技术仍存在如下问题:
[0005]1、铜柱凸块30由铜柱和焊料帽组成，通过焊料帽与基板互联，如图1所示，铜柱凸块30的直径在30~50um，在电流的加载下，由于焦耳热效应，铜柱凸块30连接处的金属原子同时承受电场和热场的影响，在高密度电流作用下，由于铜柱底部区域电流集中，造成铜柱凸块30最大电流过高和局部温度过热，互联界面的电迁移和热迁移会因异常活跃而使铜柱凸块30的寿命显著降低，造成潜在的失效隐患，并且随着封装尺寸的不断减小，焊料点中的原子迁移失效问题越来越突出，成为亟待解决的可靠性物理难题。
[0006]2、现有的铜柱凸块结构采用了大量硬度较高的铜，会引入较大的应力，如果芯片表面尤其是芯片电极12表面完全覆盖应力缓冲层，如图1所示，作用在芯片表面的应力将无法释放，降低了封装结构的力学性能，进而降低了芯片在使用中的可靠性。
实用新型内容
[0007]本实用新型的目的在于克服当前铜柱凸块封装结构的不足，提供一种降低局部应力、分散电流分布、提高可靠性的铜柱凸块封装结构。
[0008]本实用新型的目的是这样实现的: [0009]本实用新型一种高可靠性的铜柱凸块封装结构，包括带有芯片电极、表面覆盖钝化层的芯片基体，所述芯片电极复合于钝化层内、且其表面露出钝化层，所述钝化层和芯片电极的表面设置介电层，所述介电层上设置铜柱凸块，
[0010]所述介电层上开设贯穿介电层的介电层通孔，每一所述芯片电极对应若干个介电层通孔，所述铜柱凸块的底部向下延伸并通过介电层通孔与芯片电极固连，实现电气连通。
[0011]本实用新型所述介电层通孔的横截面尺寸远小于铜柱凸块的横截面尺寸。
[0012]本实用新型所述介电层通孔的横截面尺寸范围为3~10um。
[0013]本实用新型所述介电层通孔的横截面呈圆形、矩形或多边形。
[0014]本实用新型在铜柱凸块区域内，所述介电层通孔呈有序分布。
[0015]本实用新型所述介电层通孔呈环形分布或阵列分布。
[0016]本实用新型在铜柱凸块区域内，所述介电层通孔呈无序分布。
[0017]本实用新型所述铜柱凸块的顶端设置锡焊料帽。[0018]因介电层通孔的存在，尤其是分布于芯片电极表面的介电层通孔，使在铜柱凸块下方及边缘的介电层还起到应力缓冲层的作用，分散了芯片电极表面的应力分布，从而降低了整个芯片应力；
[0019]所述铜柱凸块不是底部整体与芯片电极形成电气连通，而是嵌在介电层中，通过介电层通孔与芯片电极形成电气连通，一方面增加了铜柱凸块的连接强度，另一方面使铜柱凸块底部电流分散开，降低了金属凸块带来的电迁移和热迁移风险。
[0020]本实用新型的有益效果是:
[0021]1、本实用新型在介电层上设置介电层通孔，尤其是分布于芯片电极表面的多个介电层通孔，使该部分的介电层还起到应力缓冲层的作用，分散了芯片电极表面的应力分布，从而降低了整个芯片应力；
[0022]2、由于铜柱凸块下部与芯片电极接触的大面积金属面被分成若干个小面积金属面与芯片电极形成电气连通，使电流通过芯片时，流经铜柱的电流能够分散开，不会造成铜柱凸块的局部区域最大电流过高和局部温度过热产生的电迁移和热迁移现象，有利于芯片散热，并且提高了铜柱凸块的寿命，从而提高了铜柱凸块封装的可靠性；
[0023]3、由于铜柱凸块底部不是整体与芯片电极形成连通，而是嵌在介电层中，部分与芯片电极形成连通，增加了铜柱凸块的连接强度，提高了可靠性；
[0024]4、本实用新型的高可靠性的铜柱凸块封装结构适用于高端芯片封装，是收发器、嵌入式处理器、电源管理、基带芯片、专用集成电路(ASIC)以及一些符合细间距、高I/O数、绿色要求、低成本和良好电性能的产品很好的互连方式选择，也为进一步实现IC封装的微型化和多功能化提供了空间。
【专利附图】
【附图说明】
[0025]图1为现有的铜柱凸块封装结构；
[0026]图2为本实用新型一种高可靠性的铜柱凸块封装结构的剖面示意图；
[0027]图3至图7为铜柱凸块与介电层通孔的位置关系的实施例的示意图；
[0028]图中:
[0029]心片基体100
[0030]钝化层110
[0031]芯片电极120
[0032]介电层2OO
[0033]介电层通孔210
[0034]铜柱凸块300
[0035]锡焊料帽310。
【具体实施方式】
[0036]现在将在下文中参照附图更加充分地描述本实用新型，在附图中示出了本实用新型的示例性实施例，从而本公开将本实用新型的范围充分地传达给本领域的技术人员。然而，本实用新型可以以许多不同的形式实现，并且不应被解释为限制于这里阐述的实施例。
[0037]参见图2，图2为本实用新型一种高可靠性的铜柱凸块封装结构的剖面示意图，其芯片基体100带有芯片电极120、并且表面覆盖钝化层110，芯片电极120复合于钝化层110内、且其表面露出钝化层110。钝化层110和芯片电极120的表面设置介电层200，并开设贯穿介电层200的介电层通孔210,每一所述芯片电极120对应若干个介电层通孔210。介电层通孔210的横截面呈圆形、矩形或多边形，如图3至7所示，其横截面尺寸范围为3?10um。
[0038]在芯片电极120上方的介电层200上设置铜柱凸块300，铜柱凸块300的横截面尺寸远大于介电层通孔210的横截面尺寸，铜柱凸块300的区域内占据多个介电层通孔210。在铜柱凸块300区域内，介电层通孔210可以呈环形分布或阵列分布等有序分布，如图3至7所示；也可以呈无序分布。铜柱凸块300的顶端设置锡焊料帽310、其底部不是整体与芯片电极120形成连接，而是只通过若干个介电层通孔210与芯片电极120形成固连，实现电气连通。
[0039]介电层200为一种绝缘胶，能够绝缘以保护芯片，在铜柱凸块300下方及边缘的介电层200还起到应力缓冲作用，以利于铜柱凸块300的应力分散，使电流分散分布。
[0040]本实用新型的介电层通孔210可以通过干法刻蚀工艺实现的。在介电层200上方依次覆盖一层薄薄的金属层和光刻胶层，然后依次通过光刻工艺和湿法腐蚀工艺在光刻胶层和金属层形成尺寸较小的光刻胶层开口和金属层开口，去除剩余的光刻胶，再以金属层开口为模板通过干法刻蚀工艺形成介电层通孔210，最后去除剩余的金属层。
[0041]光刻胶开口和金属层开口与后续刻蚀形成的介电层通孔210尺寸相等，均远小于铜柱凸块的尺寸，大约为:TlOum。光刻胶层在工艺过程中起到第一模板的作用，通过光刻胶层开口的形状、数量和分布情况，基本确定了介电层通孔210的形状、数量和分布情况；金属层及其金属层开口起到第二模板的作用，并在干法刻蚀形成介电层通孔210过程中起到阻挡作用，保护不需要被刻蚀的介电层部分。
[0042]本实用新型一种高可靠性的铜柱凸块封装结构不限于上述优选实施例，因此任何本领域技术人员在不脱离本实用新型的精神和范围内，依据本实用新型的技术实质对以上实施例所作的任何修改、等同变化及修饰，均落入本实用新型权利要求所界定的保护范围内。
【权利要求】
1.一种高可靠性的铜柱凸块封装结构，包括带有芯片电极(120)、表面覆盖钝化层(110)的芯片基体(100)，所述芯片电极(120)复合于钝化层(110)内、且其表面露出钝化层(110)，所述钝化层(110 )和芯片电极(120 )的表面设置介电层(200 )，所述介电层(200 )上设置铜柱凸块(300)， 其特征在于:所述介电层(200)上开设贯穿介电层(200)的介电层通孔(210)，每一所述芯片电极(120)对应若干个介电层通孔(210)，所述铜柱凸块(300)的底部向下延伸并通过介电层通孔(210)与芯片电极(120)固连，实现电气连通。
2.根据权利要求1所述的高可靠性的铜柱凸块封装结构，其特征在于:所述介电层通孔(210)的横截面尺寸远小于铜柱凸块(300)的横截面尺寸。
3.根据权利要求2所述的高可靠性的铜柱凸块封装结构，其特征在于:所述介电层通孔(210)的横截面尺寸范围为3?10um。
4.根据权利要求1所述的高可靠性的铜柱凸块封装结构，其特征在于:所述介电层通孔(210)的横截面呈圆形、矩形或多边形。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的高可靠性的铜柱凸块封装结构，其特征在于:在铜柱凸块(300)区域内，所述介电层通孔(210)呈有序分布。
6.根据权利要求5所述的高可靠性的铜柱凸块封装结构，其特征在于:所述介电层通孔(210)呈环形分布或阵列分布。
7.根据权利要求1至4中任一项所述的高可靠性的铜柱凸块封装结构，其特征在于:在铜柱凸块(300)区域内，所述介电层通孔(210)呈无序分布。
8.根据权利要求6所述的高可靠性的铜柱凸块封装结构，其特征在于:所述铜柱凸块(300)的顶端设置锡焊料帽(310)。
9.根据权利要求7所述的高可靠性的铜柱凸块封装结构，其特征在于:所述铜柱凸块(300)的顶端设置锡焊料帽(310)。
【文档编号】H01L21/60GK203721711SQ201420075612
【公开日】2014年7月16日 申请日期:2014年2月21日 优先权日:2014年2月21日
【发明者】徐虹, 张黎, 陈栋 申请人:江阴长电先进封装有限公司