专利名称：一种使对焊料凸点的电迁移损坏最小化的导电线设计的制作方法
技术领域：
本发明一般涉及用于集成电路的倒装式封装技术，尤其涉及一种用于使球栅阵列或倒装式封装中对焊料凸点的电迁移损坏最小化的方法和导电线设计。
背景技术：
电迁移是导体内材料的移动，它是由电流的流动引起的。电迁移可能引起导体内材料的完全耗尽，从而导致失去连续性。此现象在诸如连接倒装式管芯和衬底的焊料凸点这样的互连结点处更加明显，并且取决于电流密度(与电流密度较低时相比，电流密度较高时此现象更严重)、材料(某些材料比起其他材料更能抵抗电迁移现象)以及结构的几何形状。
电迁移是倒装式组件的高电流凸点中常见的问题，倒装式组件之所以被如此命名是因为在形成期间，管芯焊盘被形成在集成电路管芯的顶层，凸点被添加，然后管芯被“倒转”过来，并经由凸点直接连接到芯片衬底。更具体而言，参见图1和2，电路元件是利用标准制造技术形成在半导体晶片上的，并且局部互连层(由交替的金属和电介质层形成)位于离功能电路较近处，而全局互连层形成在这一系列层之上。管芯焊盘22被形成在最上方的金属层中。然后凸点被添加，并且晶片被切割成单独的集成电路管芯14，以便封装。然后单个管芯14被“倒转”过来，并通过凸点16直接附接到衬底12或板上，如图1所示。
凸点16是利用现有技术公知的工艺过程，通过包括焊料起凸(bumping)在内的几种不同工艺过程之一来形成的。图2示出了利用焊料凸点16的倒装式组件10的一部分。在焊料起凸工艺过程中，凸点下金属层(UBM)26通过溅射、镀膜或其他方式而被施加到芯片接合焊盘，以取代通常施加在顶部金属层上的绝缘钝化层24(其通常包括聚合物，例如苯并环丁烯或“BCB”)，并且规定和限制焊料浸润区域。焊料是通过蒸发、电镀、丝网印刷焊剂或浅淀积(needle-depositing)来淀积在UBM26上的。
图1示出倒装式组件10中的电流18的典型路径的示例，该倒装式组件10利用了导电凸点16，来将集成电路管芯14的焊盘(不可见)与芯片衬底12上的焊盘(不可见)互连。如图所示，典型电流路径18从衬底12上的电路(不可见)，经过凸点16a，经过管芯14上的电路(不可见)，并且最后从管芯14经过另一个凸点16b，流动到衬底12上的其他电路(不可见)中。凸点16是电流路径18中通常最易受电迁移损坏所影响的要素，这是因为其材料(通常是焊料)以及电流必须改变方向这一事实。
如图2中更详细所示，流经管芯14内的导电线20和焊盘22的电流必须改变方向，以便经过开口25，经过导电的衬底到凸点接口(以下称为UBM)26，经过凸点16自身，最后流进衬底焊盘28中。如图2中虚线箭头15所示，这一转弯使得电流“拥挤”在凸点16的上游侧，从而导致了拥挤位置处较高的电流密度J。电迁移条件下的平均无故障时间(MTTF)一般近似为MTTF∝AJn]]>其中A包含了温度和其他因素的影响，对于铅焊料，幂n处于1至2的范围中。与电流均匀分布在凸点16中时发生的故障相比，电流密度J的高局部值可能导致的故障从时间上来说过早。
改善凸点互连中的电迁移是许多研究的主题。一种现有技术方案包括对高电流凸点使用“总线”结构，以便限制用于总线的一个或多个金属层内的可布线区域。
凸点的截面积影响凸点中的电迁移速率。凸点截面积部分地是由凸点与凸点之间的间距所规定的，较高的间距通常允许较大的凸点截面积。但是，随着对于更小且更快的封装的竞争，趋势已经开始朝向缩小凸点与凸点之间的间距了。从而，未来的凸点可能具有更小的截面，导致了凸点中电流密度更高的问题。
对用于实现凸点的材料的选择也可成为凸点的电迁移属性中的重大因素。目前，凸点材料通常是由已知表现出某种电迁移抵抗性的90％Pb(铅)焊料或者对于电迁移损坏的抵抗性小得多的铅锡共晶焊料来制成的。未来的设计可能使用无铅材料，这种材料具有未知的电迁移问题。去除材料变化之时电迁移设计限制的能力可能是重要的设计资源。
目前的设计对于高电流电路采用多个凸点。更多的抗电迁移设计可以通过在更少的凸点中承载这些高电流以降低芯片尺寸和成本，或通过释放凸点以用于其他功能，从而增强目前的构造。未来的设计也可享受这些益处。这些优点也可为较低电流信号凸点所共享，在这种凸点中，例如，导电线可被做得更窄，从而使得布线增强。
由于以上问题，需要一种技术，用于重新分布经过诸如倒装式凸点这样的集成电路元件连接结点的电流，以便减小由拥挤在结点的一个区域中的电流所引起的电迁移损坏。
发明内容
本发明是这样一种技术该技术用于重新分布从集成电路的导电线流动到焊盘的电流，以便减小由拥挤在连接到焊盘的集成电路连接结点的一个区域中的电流所引起的对该结点的电迁移损坏，该结点例如是倒装式凸点。本发明是集成电路的焊盘和向焊盘输送电流的导电线之间的附加导电线布线的设计和实现。附加导电线布线包括连接到导电线的外导电线沟道，以及将外导电线沟道连接到焊盘的多个导电线引线。原始导电线仅通过介于中间的外导电线沟道和导电线引线而耦合到焊盘。从而，所有输送到焊盘的电流都流经多个导电线引线。将流到焊盘的电流从现有技术中的单个进入点(即通过电流输送导电线的直接连接)重新分布为根据本发明实现的经过多个导电线引线的多个进入点，这降低了连接到焊盘的结点中的电流拥挤。优选地，将外导电线沟道连接到焊盘的每个导电线引线的特征在于各自的阻抗，该阻抗使焊盘上的电流密度合理地均匀，从而也使得在通往连接结点(例如倒装式凸点)的接口处以及经过连接结点的电流密度合理地均匀。
在联系附图进行考虑的情况下参考以下详细描述，将会更充分地理解并且更完整地意识到本发明及其许多附带的优点，附图中类似的标号表示相同或类似的元件，其中图1是倒装式封装的集成电路的截面侧视图；图2是倒装式组件的一部分的截面侧视图，其示出了单个焊料凸点；图3A是图1的倒装式组件的单个凸点结点中包含的元件的截面侧视图；图3B是图3A的凸点结点的截面正视图；图3C是图3A的凸点结点的等距视图；图3D是图3A的凸点结点的俯视图；图3E是图3A-3D的导电线和焊盘的透视图；图4A是根据本发明实现的倒装式组件的单个凸点结点中包含的元件的等距视图；图4B是图4A的凸点结点的俯视图；图4C是图4A-4B的导电线和焊盘的透视图；图5是一对图解，示出了现有技术倒装式组件的与UBM的结点处的凸点内的电流密度，以及根据本发明实现时在相同位置处的电流密度；图6A至6D是本发明的焊盘和相关联的导电线路线的其他实施例的俯视图，这些实施例试图使得电流径向均匀地流入焊盘和附接到其上的结点；图7是根据本发明实现的一种方法的操作流程图，该方法用于确定将焊盘的外沟道连接到内焊盘的导电引线的导电线宽度；图8是本发明的示例性焊盘的俯视图，该焊盘被划分成具有关联尺寸的导电线片段，用于确定导电引线的导电线宽度。
具体实施例方式
以下详细描述一种用于集成电路I/O焊盘的新颖的导电线布线设计，它试图通过使电流采取以下路线，来引入由进入到集成电路焊盘的导电线所输送的电流，该路线为从向焊盘输送电流的导电线，经过多个导电线到达焊盘，或者通过中间导电线沟道和多个导电引线到达焊盘。因此电流是从多个不同路径而不是从由导电线和焊盘之间的直接连接而产生的单一路径引入到焊盘中的。通过选择将外沟道连接到焊盘的导电引线的数目、式样和相对阻抗，可在到凸点的焊盘开口(即焊盘和UBM之间的导电结点)处实现较均匀的电流分布，从而在凸点处实现较均匀的电流分布，使得连接到焊盘的结点(例如倒装式凸点)中的电流拥挤降低并且电迁移损坏降低。为了比较目的，倒装式组件中的传统现有技术焊料凸点的构造在图3A、3B、3C、3D和3E中示出。更具体而言，图3A是图1的倒装式组件10的单个凸点结点中包含的元件的截面侧视图，图3B是其截面正视图，图3C是等距视图，图3D是其俯视图。图3E是图3A-3D的导电线20和焊盘22的透视图。如图3A、3B、3C和3D所示，导电线20导电地连接到(图1的)集成电路14的最外导电线层上的焊盘22。焊盘22被覆盖上了钝化层24，该钝化层通常包括氮化物或聚合物。开口25被刻蚀到钝化层24中，UBM 26被镀在开口25以及钝化层24的一部分之上。在起凸工艺过程中，焊料附着到UBM 26上，以形成凸点16，该凸点在管芯被倒转并附接到衬底12上时，导电地连接UBM 26和衬底焊盘28。衬底焊盘28连接到衬底通孔30，以便经一定路线到达实现在衬底12上或者连接到衬底12的电路。金属层、通孔和UBM是用高导电性材料实现的，这种材料通常是铜、金或其他具有高导电率的元素或化合物。电介质层通常是用聚合物实现的，该聚合物例如是苯并环丁烯(BCB)。凸点16材料通常是铜或铅焊料化合物，例如PbSn、AuPb、PbAg等。
在传统构造中，如图3D所示，电流沿路径18从导电线20进入焊盘22，并且如图2所示，在最靠近导电线20的开口25附近表示为15的区域中，引起焊料凸点16中的最大电流密度。
在根据本发明实现的设计中，如图4A、4B和4C所示，导电线20不是直接连接到焊盘22，而是连接到外导电线沟道102，该外导电线沟道连接到多个导电线引线106，这些引线连接外导电线沟道102和焊盘104。多个导电引线106的阻抗可被分别定制，以实现焊盘22上看到的相对均匀的电流分布。各种导电引线的阻抗定制反映在导电线引线的各种宽度中。以下描述确定引线宽度的方法。
在本发明的构造中，由导电线20输送的电流流动到外导电线沟道102中，如图4B中的虚线箭头108所示，并且采取以下路线经过外导电线沟道102到多个导电线引线106，并经过多个导电线引线106进入焊盘104。如上所述，多个导电线引线106各自的电阻优选地是通过经过每个引线106分布相等的电流(在合理的误差裕度内)的设计来实现的，从而在焊盘104和连接到焊盘104的凸点16中产生了更均匀的电流密度。
图5给出了两幅图解，它们示出了以下两个凸点16的电流密度的比较一个凸点16是耦合到图3A-3E的传统集成电路焊盘22的，另一个凸点16是耦合到一个耦合到利用图4A-4C的本发明的导电线布线设计的电流输送导电线的焊盘的。如图所示，图4A-4C所示的本发明的导电线布线设计的实施例使得总体最大电流密度下降40％。图中还示出，在传统的导电线到焊盘的构造中，电流拥挤发生在凸点16的最靠近导电线20到焊盘22的连接处并且就在UBM在开25内的部分之下的区域中。然而，在本发明的构造中，在焊盘104和凸点16上的UBM 26之间的开口25的外周附近的区域周围，电流是几乎均等地分布的，这使得凸点上的最大电流密度较低，从而消除或大大降低了电流拥挤。虽然本发明的方法不针对解决由于转弯现象引起的电流增强，但是由于使用多个导电引线106来在多个位置处将电流引到凸点16，因而在凸点16中获得了较低的电流密度值。对于所示的示例，基于本发明的设计的电流密度是传统设计的40％。对于给定电流并在考虑指数n可具有1至2之间的值的情况下，基于本发明的设计的电迁移寿命预计将会是传统设计的2.5至6.25倍。
图6A至6D分别描述了根据本发明的原理实现的导电线布线设计的其他说明性实施例。图6A示出导电线布线设计110，其包括外沟道112，该外沟道使得电流采取绕内焊盘114周围的一半的路线，以通过焊盘相对侧的两个导电引线116a和116b来引入电流。图6B示出了导电线布线设计120，其包括外沟道122，该外沟道使电流采取在一个方向上绕焊盘124周围的5/8而在另一方向上绕焊盘124周围的1/8的路线；还包括四个导电引线126a、126b、126c、126d，用于将电流引入到焊盘124。图6C示出了导电线布线设计130，其包括外沟道132，该外沟道使电流采取在两个不同方向上绕焊盘134周围距离的1/4的路线；还包括三个导电引线136a、136b、136c，用于将电流引入到焊盘134。图6D示出导电线布线设计140，其包括外沟道142，该外沟道使电流采取在一个方向上绕焊盘144周围的5/8而在另一个方向上绕焊盘144周围的1/8的路线；还包括四个导电引线146a、146b、146c、146d，用于将电流引入到焊盘144。
正如这些实施例所示，导电线布线设计不取决于内焊盘的朝向、到外沟道的主要电流输送导电线连接的结点、将外沟道连接到内焊盘的导电引线的数目或者外沟道的路径。对于除所示的构造外的其他构造，可获得不同的改进。应该强调的是，对称性和导电引线的任何特定数目都不是本发明的必需属性。确切地说，本发明是用于从多个位置将电流引入到焊盘中，以便在凸点处实现合理地均匀的电流密度。在某些构造中，这就体现为使经过每个导电引线流到焊盘的电流均等。在其他构造中，需要设置电流使之可以成正比而不是相等比例的流动。通过计算，可设计和实现导电引线各自的阻抗(例如通过在假设恒定的导电线厚度的情况下调整导电线引线的宽度)，以实现焊盘上的所需电流密度，从而实现到凸点的接口处的所需电流密度。
还应该强调的是，同样的基于本发明的设计基本原理例如可应用于衬底中或除所示的倒装式实施例外的其他集成电路元件中的焊盘/通孔/导电线设计当中。
图7是示出一种方法的操作流程图，该方法用于确定将外沟道102连接到内焊盘104的导电引线的导电线宽度。为了图示简单，该方法的图示限于具有恒定宽度和厚度的非分支外沟道的应用(例如图6A的导电线布线设计)。如图所示，该方法包括以下步骤获得导电线厚度，对于每个要实现的导电引线，获得从焊盘100的导电线结点到导电引线的结点的外沟道的长度和宽度(步骤201)。选择或获得导电引线之一的宽度(步骤202)。对于每个剩余导电引线(在步骤203中确定)，选择剩余导电引线之一(步骤204)，并计算选中的剩余导电引线的宽度，以便选中的剩余导电引线的宽度与选中的剩余导电引线的长度(在步骤201中获得)之比基本上等于第一导电引线的已知宽度与第一导电引线的已知长度之比(步骤205)。对于分支导电线(例如图4A至4C和6B至6D的导电线布线设计)或者具有非恒定几何形状的导电线的计算遵循基本电路原理，其中每个路径的电阻被定制，以使得流进焊盘的电流对于所有分支都是相同的。此计算对于简单电阻电路理论领域的技术熟练者是显而易见的。例如，考虑图6A的双导电引线导电线设计110。其目标是构造从导电线20经过外沟道112和导电引线116a和116b中的每一个到焊盘114的相等电阻路径。按照定义，导体的电阻R定义为R＝ρ*L/w*t，其中ρ是电阻率，L是导电线长度，w是导电线宽度，t是导电线厚度。图8示出双导电引线导电线设计110，其中外沟道112被划分成导电线片段。假设沟道112的宽度w、厚度t和电阻率ρ都是恒定的。然后假设导电引线116b的宽度选择为10μm。从而计算可陈述为给定w116b＝10，求w116a。因此w116b/L116b＝w116a/L116a，或w116a＝L116a*(w116b/L112a+L112b+L112c+L116b)＝10*10/(60+130+65+10)＝0.377μm。
对确定焊盘和凸点内，尤其是与UBM 26的接口处的电流密度分布的传统和基于本发明的导电线布线设计的分析和比较表明，根据本发明的原理实现的设计比起传统设计来大大降低了关键的UBM位置处的电流密度。最大电流密度被视为每种构造中的凸点的电迁移寿命的衡量标准。
虽然这里给出的本发明的说明性实施例针对解决了管芯内的金属导电线，但是本发明也适用于其他电设计，例如衬底导电线，在这些设计中电流水平、电流方向的变化以及材料敏感性的组合导致了电迁移问题。
虽然已为说明性目的而公开了本发明的这一优选实施例，但是本领域的技术人员应该认识到，在不脱离所附权利要求书所公开的本发明的范围和精神的情况下，各种修改、添加和替换是可能的。目前公开的发明的其他益处和用途随着时间而显现出来也是可能的。
权利要求
1.一种集成电路，包括焊盘，用于连接到集成电路结点，以接收输入电信号和/或输出输出电信号；导电线，用于将电流输送到所述焊盘；外导电线沟道，其连接到所述导电线；以及多个导电线引线，其将所述外导电线沟道连接到所述焊盘。
2.如权利要求1所述的集成电路，其中所述多个导电线引线中的每一个的特征在于各自的阻抗，以使得所述焊盘上由所有流进所述焊盘的电流产生的电流密度合理地均匀。
3.如权利要求1所述的集成电路，其中所述多个导电线引线中的每一个的特征在于各自的阻抗，以使得经过所述多个导电线引线中的每一个的电流基本上相等。
4.如权利要求1所述的集成电路，其中所述外导电线沟道、所述焊盘和所述多个导电线引线是在单个导电线层中实现的。
5.如权利要求4所述的集成电路，其中所述导电线层的特征在于基本上恒定的厚度；并且所述多个导电线引线中的每一个的特征在于各自的阻抗，以使得所述焊盘上由所有流进所述焊盘的电流产生的电流密度合理地均匀，并且所述多个导电线引线中的每一个各自的阻抗的差异是通过各个导电线引线的导电线宽度的差异来实现的。
6.如权利要求4所述的集成电路，其中所述导电线层的特征在于基本上恒定的厚度；并且所述多个导电线引线中的每一个的特征在于各自的阻抗，以使得经过所述多个导电线引线中的每一个的电流基本上相等，并且所述多个导电线引线中的每一个各自的阻抗的差异是通过各个导电线引线的导电线宽度的差异来实现的。
7.一种用于实现集成电路的方法，所述集成电路包括焊盘，用于连接到集成电路结点，以接收输入电信号和/或输出输出电信号；以及导电线，用于将电流输送到所述焊盘，所述方法包括以下步骤将外导电线沟道连接到所述导电线；并且将多个导电线引线连接在所述外导电线沟道和所述焊盘之间。
8.如权利要求7所述的方法，还包括为所述多个导电线引线中的每一个实现各自的阻抗，以使得所述焊盘上由所有流进所述焊盘的电流产生的电流密度合理地均匀。
9.如权利要求7所述的方法，还包括为所述多个导电线引线中的每一个实现各自的阻抗，以使得经过所述多个导电线引线中的每一个的电流基本上相等。
10.如权利要求7所述的方法，还包括在所述集成电路的单个金属层中实现所述外导电线沟道、所述焊盘和所述多个导电线引线。
11.如权利要求10所述的方法，还包括将所述单个金属层实现为具有基本上恒定的厚度；并且为所述多个导电线引线中的每一个实现各自的阻抗，以使得所述焊盘上由所有流进所述焊盘的电流产生的电流密度合理地均匀，并且通过各个导电线引线的导电线宽度的变化来实现所述多个导电线引线中的每一个各自的阻抗的任何差异。
12.如权利要求10所述的方法，还包括将所述单个金属层实现为具有基本上恒定的厚度；并且为所述多个导电线引线中的每一个实现各自的阻抗，以使得经过所述多个导电线引线中的每一个的电流基本上相等，并且通过各个导电线引线的导电线宽度的变化来实现所述多个导电线引线中的每一个各自的阻抗的任何差异。
全文摘要
本发明提供了一种设计方法，该方法通过试图在集成电路焊盘和结点之间的接口处产生更均匀的电流分布，同时保持与标准集成电路设计一致的接口形式，从而降低了集成电路结点中的电迁移。该设计方法通过在电流输送导电线和焊盘之间引入中间导电线布线设计，来针对解决焊盘处的电流分布，该中间导电线布线设计对从导电线到焊盘上的多个进入点的电流流入进行分布。中间导电线布线设计包括连接到电流输送导电线的外导电线沟道。多个导电线引线将外导电线沟道连接到焊盘。优选地，多个导电线引线中的每一个的特征在于各自的导电线阻抗，以使得经过每个引线到焊盘的电流分布相等。
文档编号H01L23/485GK1815725SQ20051013226
公开日2006年8月9日 申请日期2005年12月22日 优先权日2005年2月1日
发明者沃尔特·约翰·道克沙尔, 韦恩·帕特里克·里克林, 威廉·S·格劳普 申请人:安捷伦科技有限公司