一种提高产品可靠性的铜柱凸块结构的制作方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种提高产品可靠性的铜柱凸块结构，属于半导体封装【技术领域】。其包括表面设置有芯片电极（110）的硅基体（101），硅基体（101）的上表面附着有芯片表面钝化层（120）并形成芯片表面钝化层开口（121），芯片表面钝化层开口（121）的内壁以及裸露的芯片电极（110）的表面设置金属溅射层（211），所述金属溅射层（211）的表面固定连接金属凸块（300），金属凸块（300）包括金属铜柱（220）、金属锡帽（230）、金属层（240）和惰性金属层（301），惰性金属层（301）设置于金属铜柱（220）的外侧壁，所述金属层（240）设置于金属铜柱（220）的顶端表面，所述金属层（240）的表面设置金属锡帽（230）。本实用新型有效地提升了产品的可靠性和成形效率。
【专利说明】一种提高产品可靠性的铜柱凸块结构
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及一种提高产品可靠性的铜柱凸块结构，属于半导体封装【技术领域】。
【背景技术】
[0002]随着电子技术的发展，电子产品的系统功能愈加复杂，而对于内部芯片而言，具有更好的可靠性与更短的信号延时成为一个必然的发展趋势。与此同时，由于迎合了这一发展趋势，半导体封装行业凸块技术得以迅速的发展，随着前端半导体集成度的不断提高，凸块结构也由传统的焊锡凸块发展成为更小节距的铜柱凸块。铜柱凸块包括了用以维持倒装后站立高度的铜柱和进行焊接互联的焊锡帽，其通常是通过电镀的方式来制备。但是，这种铜柱凸块结构在制备和使用中还存在如下的一些问题:
[0003]1、铜柱表面由于与空气接触后较容易被空气氧化生成金属氧化物，这种疏松的氧化物会导致铜柱与底填材料或塑封料分层，从而降低产品的可靠性；
[0004]2、焊锡在铜表面具有很好的润湿性，当芯片表面形成的凸块结构在倒装回流焊的时候，由于铜柱较好的润湿性，锡帽部分的锡会沿着铜块侧壁向上攀附，形成蘑菇状的焊锡团，由于焊锡往上攀附，导致下方锡帽的高度降低，当倒装在基板上时，锡帽因没有足够的焊锡量与基板上的引脚形成回路，从而出现虚焊现象。对于复杂的芯片结构，由于凸块结构数较多，出现虚焊的可能性就更高，产品的可靠性将急剧降低；
[0005]3、铜柱与焊锡帽的连接界面通常会生成一铜锡化合物层，该化合物层质地较脆。在器件服役过程中受到冲击时，易使该化合物层断裂，而导致产品失效，影响产品的可靠性。
【发明内容】
[0006]本实用新型的目的在于克服上述不足，提供一种带有惰性金属层和多层金属焊锡帽、防止焊锡往上攀附、也防止锡帽掉落的铜柱凸块结构。
[0007]本实用新型是这样实现的:
[0008]本实用新型一种提高产品可靠性的铜柱凸块结构，其包括表面设置有芯片电极110的硅基体101，所述硅基体101的上表面附着有芯片表面钝化层120，并在芯片电极110的上方设置有芯片表面钝化层开口 121，所述芯片表面钝化层开口 121露出芯片电极110的表面，所述芯片表面钝化层开口 121的内壁以及裸露的芯片电极110的表面设置金属溅射层 211。
[0009]本实用新型所述金属溅射层211的表面固定连接金属凸块300，所述金属凸块300包括金属铜柱220、金属锡帽230、金属层240和惰性金属层301，所述金属铜柱220与金属溅射层211的表面固连，所述惰性金属层301设置于金属铜柱220的外侧壁，所述金属层240设置于金属铜柱220的顶端表面，所述金属层240的表面设置金属锡帽230。
[0010]进一步地，所述惰性金属层301的厚度为2μπι±0.Ιμπι。[0011]进一步地，所述金属层240与惰性金属层301的材质相同。
[0012]进一步地，所述金属层240与惰性金属层301的材质为N1、Ni/Au或Ni/Pd/Au。
[0013]进一步地，所述金属层240的厚度为2 μ m± 0.Ιμπι。
[0014]本实用新型所述金属层240与惰性金属层301的材质不相同。
[0015]进一步地，所述金属层240的材质为Sn/N1、Sn/Ni/Au合金或Sn/Ni/Pd/Au。
[0016]进一步地，所述金属层240的厚度为2 μ m?3 μ m。
[0017]本实用新型的有益效果是:
[0018]1、在金属铜柱的外表面增加惰性金属材质的惰性金属层，避免了裸露在空气的金属铜柱被空气氧化，提高了产品的可靠性；
[0019]2、惰性金属层的材质为N1、Ni/Au或Ni/Pd/Au，其不具有润湿性，避免了在后续应用过程中的爬锡问题，提高了产品的可靠性；
[0020]3、在金属铜柱与金属锡帽之间设置惰性金属材质的金属层，有效地克服了铜锡化合物层的生成，提高了产品的可靠性。而通过电镀工艺结合回流工艺实现的多元锡基合金的金属层，其力学性能更好，能有效地降低金属锡帽掉落问题，且工艺简单。
【专利附图】
【附图说明】
[0021]图1为本实用新型一种提高产品可靠性的铜柱凸块结构的示意图。
[0022]图2至图9为图1实施例的制备方法的工艺过程示意图。
[0023]其中:
[0024]硅基体101
[0025]芯片电极110
[0026]芯片表面钝化层120
[0027]芯片表面钝化层开口 121
[0028]金属溅射层211、212
[0029]金属铜柱220
[0030]金属锡帽230
[0031]金属锡柱231
[0032]金属层240
[0033]金属凸块300
[0034]惰性金属层301、302
[0035]光刻胶I图形开口 410
[0036]光刻胶II图形开口 420。
【具体实施方式】
[0037]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。
[0038]参见图1，本实用新型一种提高产品可靠性的铜柱凸块结构，其包括表面设置有芯片电极110的硅基体101，硅基体101的上表面附着有芯片表面钝化层120，并在芯片电极110的上方设置有芯片表面钝化层开口 121，芯片表面钝化层开口 121露出芯片电极110的表面。芯片表面钝化层开口 121的内壁以及裸露的芯片电极110的表面设置金属溅射层211,金属派射层211的表面固定连接金属凸块300。金属凸块300包括金属铜柱220、金属锡帽230、金属层240和惰性金属层301，其中金属铜柱220与金属溅射层211的表面固连，厚度为2 μπι±0.1ym的惰性金属层301设置于金属铜柱220的外侧壁，其材质为N1、Ni/Au或Ni/Pd/Au，可以防止金属铜柱220被氧化，起到保护金属铜柱220的作用。金属层240设置于金属铜柱220的顶端。金属层240的材质可以与惰性金属层301相同，为N1、Ni/Au或Ni/Pd/Au，厚度为2 μ m±0.1 μ m,以阻止金属铜柱220与金属锡帽230的连接界面处生成铜锡化合物层，提高产品的可靠性；金属层240的材质也可以与惰性金属层301不相同，其材质为Sn/N1、Sn/Ni/Au合金或Sn/Ni/Pd/Au，并且其厚度为2 μ m?3 μ m。金属层240的表面设置金属锡帽230。
[0039]本实用新型一种提高产品可靠性的铜柱凸块结构的实现过程如下:
[0040]如图2所不，提供表面设直有芯片电极110的娃基体101,娃基体101的上表面附着有芯片表面钝化层120，芯片电极110的上方设置的芯片表面钝化层开口 121露出芯片电极110的表面。
[0041]如图3所示，在芯片表面钝化层120的上表面和芯片表面钝化层开口 121的内壁、以及裸露的芯片电极110的表面通过溅射工艺覆盖金属溅射层211、212，金属溅射层211位于芯片电极110的正上方且不超出芯片电极110的垂直范围，金属溅射层212为金属溅射层211的水平延展部分。
[0042]如图4所示，在金属溅射层211、212的上表面涂覆一定高度的光刻胶I，该光刻胶I的高度与后续形成的金属铜柱220的高度相等；通过光刻工艺借助掩模去除芯片表面钝化层开口 121正上方的光刻胶I，形成光刻胶I图形开口 410，在光刻胶I图形开口 410中通过电镀工艺形成达到预设高度的金属铜柱220。
[0043]如图5所示，通过腐蚀去胶工艺，去除剩余的光刻胶和金属柱220周边无效的金属溅射层212。
[0044]如图6和图7所示，通过化学镀工艺，在金属柱220的外表面形成厚度为2 μ m±0.1 μ m的惰性金属层301、302，惰性金属层301位于金属柱220的外侧壁，惰性金属层302位于金属柱220的顶端，惰性金属层301、302的材质为N1、Ni/Au或Ni/Pd/Au，再在惰性金属层302的表面通过印刷或回流工艺形成金属锡帽230。
[0045]金属锡帽230的形成也可以通过如下工艺实现:
[0046]如图8所示，在芯片表面钝化层120的上表面涂覆一定高度的光刻胶II，该光刻胶
II的高度高于惰性金属层302，并满足在惰性金属层302上方的高度与后续形成的金属锡柱231的高度相等；通过光刻工艺借助掩模去除惰性金属层302正上方的光刻胶II，形成开口不大于光刻胶I图形开口 410的光刻胶II图形开口 420，在光刻胶II图形开口 420中通过电镀工艺形成达到预设高度的金属锡柱231 ;如图9所示，通过回流工艺，金属锡柱231临近惰性金属层302的一部分与惰性金属层302熔融形成合金成分为Sn/N1、Sn/Ni/Au或者Sn/Ni/Pd/Au的金属层240，金属锡柱231远离惰性金属层302的另一部分形成金属锡帽230，该金属层240具有更好的力学性能，可以有效的减少金属锡帽230掉落问题；再通过腐蚀去胶工艺去除剩余的光刻胶II。[0047]本实用新型一种提高产品可靠性的凸块结构及其制备方法不限于上述优选实施例，可以应用于除了金属铜柱之外的其他材质的柱状金属或凸块金属结构;金属层240与金属锡帽230也可以没有边界，熔为一体，形成金属合金帽，其靠近金属层240—端，N1、Ni/Au或Ni/Pd/Au所占比重较高，越往金属锡帽230的方向，N1、Ni/Au或Ni/Pd/Au所占比重逐渐降低。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】
1.一种提高产品可靠性的铜柱凸块结构，其包括表面设置有芯片电极(110)的硅基体(101 )，所述硅基体(101)的上表面附着有芯片表面钝化层(120)，并在芯片电极(110)的上方设置有芯片表面钝化层开口( 121 )，所述芯片表面钝化层开口( 121)露出芯片电极(110)的表面，所述芯片表面钝化层开口( 121)的内壁以及裸露的芯片电极(110)的表面设置金属溅射层(211)， 其特征在于:所述金属溅射层(211)的表面固定连接金属凸块(300)，所述金属凸块(300 )包括金属铜柱(220 )、金属锡帽(230 )、金属层(240 )和惰性金属层(301)，所述金属铜柱(220)与金属溅射层(211)的表面固连，所述惰性金属层(301)设置于金属铜柱(220)的外侧壁，所述金属层(240)设置于金属铜柱(220)的顶端表面，所述金属层(240)的表面设置金属锡帽(230)。
2.根据权利要求1所述的一种提高产品可靠性的铜柱凸块结构，其特征在于:所述惰性金属层(301)的厚度为2μπι±0.Ιμπι。
3.根据权利要求1或2所述的一种提高产品可靠性的铜柱凸块结构，其特征在于:所述金属层(240)与惰性金属层(301)的材质相同。
4.根据权利要求3所述的一种提高产品可靠性的铜柱凸块结构，其特征在于:所述金属层(240)与惰性金属层(301)的材质为N1、Ni/Au*Ni/Pd/Au。
5.根据权利要求4所述的一种提高产品可靠性的铜柱凸块结构，其特征在于:所述金属层(240)的厚度为2μL?±0.ΙμL?ο
6.根据权利要求1或2所述的一种提高产品可靠性的铜柱凸块结构，其特征在于:所述金属层(240)与惰性金属层(301)的材质不相同。
7.根据权利要求6所述的一种提高产品可靠性的铜柱凸块结构，其特征在于:所述金属层(240)的材质为 Sn/N1、Sn/Ni/Au 合金或 Sn/Ni/Pd/Au。
8.根据权利要求7所述的一种提高产品可靠性的铜柱凸块结构，其特征在于:所述金属层(240)的厚度为2 μ m~3 μ m。
【文档编号】H01L23/498GK203774307SQ201420145806
【公开日】2014年8月13日 申请日期:2014年3月28日 优先权日:2014年3月28日
【发明者】郭洪岩, 张爱兵, 张黎, 赖志明, 陈锦辉 申请人:江阴长电先进封装有限公司