专利名称：Cup焊垫区物理版图的设计方法及其结构的制作方法
技术领域：
本发明涉及集成电路芯片的物理版图设计方法及其结构，尤其是CUP(CIRCUITUNDER PAD，焊垫下电路器件)类型的输入输出端口的物理版图设计方法及其结构。
背景技术：
集成电路芯片封装时使用金属焊线连接焊垫(电路中的输入输出端口 )到外部系统，在一定的工艺条件下，输入输出端口的物理版图设计直接影响到封装的成品率和可靠性。由于CUP类型的输入输出端口的芯片在焊垫区下面有电路器件存在， 一些金属层次被用来连接器件，使得用作CUP焊垫区的金属比非CUP焊垫区的少几层金属，同时在连接焊线和探针这些用作CUP焊垫区的金属也起着保护下面电路的作用。因此，在CUP类型的设计
中，焊垫区的结构更加复杂，其设计既要满足普通焊垫的功能，又要保护使下面的电路不受损害，而且下面的电路又给焊垫区的可靠性和稳定性有一定的影响，其设计更加复杂。 在CUP焊垫区的窗口及周围区域，至少有顶层金属，顶层通孔和次一层的金属。顶层金属和次一层金属通过顶层通孔连接起来构成基本的完全连接的贯通焊垫区的金属结构。 常用的CUP焊垫区物理版图设计方法是将通孔均匀分布在顶层和次一层金属之间。图l为常用的CUP焊垫区的平面俯视图，其中，l.通孔，是金属之间连接的通道，金属填充在这些通孔中，形成电阻极低的通路。2.焊垫区的窗口 (钝化窗口)，通常芯片表面覆盖着一层类似玻璃的钝化物，保护芯片内部，芯片中需要连接出来的部分将会有对应窗口 ，窗口中金属裸露出来，连接时，焊线或探针和这片裸露的金属形成低阻的通路，满足封装或测试的机械和电学的要求。3.焊垫区金属，俯视图显示的是顶层的金属，下面至少还有一层金属通过通孔和顶层金属连接。 这种方法设计比较简单、原始，但是金属问的通孔不可避免地会对金属的完整性产生影响，同时CUP结构使得这种影响更加显著，其附近存在一些细微的缺陷，当在焊垫区的窗口加上压焊线(或探针)的力量时，这些微裂纹缺陷会被放大扩散造成两层金属的粘附性下降和较大的裂纹出现，从而导致焊线的拉力或承压不足，容易脱离或损坏焊垫区。
目前集成电路的封装形式中，每个芯片有几十至几百个焊垫区，并且焊垫区数量还有显著增多的趋势。某个焊垫区出现质量问题将导致整个芯片的失效，即封装失败。
为减少这种微裂纹缺陷在应力区的产生，业界有很多设计方法，比较典型的是分离焊线区和探针测试区，这样探针测试后，使得焊线区不会有探针的损伤，不对焊线封装产生影响。缺点是需要很大的面积去区分这两个区域，而且微裂纹缺陷依旧存在。还有方法就是减少通孔数量，因此这种微裂纹缺陷会减少，但是还是会存在较多的失效。
这里提到探针测试是因为在一些集成电路产品在封装前需要做一些晶圆级的操作，比如存储器内容的擦除写入操作和产品的封装前预检测等。 鉴于此，为了克服CUP焊垫区两层金属的粘附性和稳定性下降的问题，实有必要提出 一种新的设计方法以解决上述问题。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于提供一种CUP焊垫区物理版图的设计方法及其结
构，可以减少压焊过程中不良微缺陷的产生，保持焊垫区结构的稳定性，从而提高了芯片封装的成品率和可靠性。为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案 —种CUP焊垫区物理版图的设计方法，所述版图的结构包括顶层金属、次层金属、连接顶层金属和次层金属的通孔、以及位于顶层金属之上的钝化层，所述钝化层开有窗口 ，将顶层金属裸露出来，该方法包括以下步骤 (1)根据顶层金属和次层金属间的连接电阻和通过电流，确定所需通孔的数量； (2)根据工艺设计规则确定各通孔之间最小容许的间距； (3)将通孔以大于最小容许的间距分散放置于所述窗口之外的区域内； (4)当所述窗口以外的区域排列不下所需要数量的通孔时，把其余的通孔以大于
最小容许的间距放置在窗口的边缘区域，或窗口内远离窗口中心的区域。 作为本发明的优选方案之一，步骤(1)中确定通孔的数量时，根据顶层金属和次层金属间的连接电阻和通过电流分别计算所需通孔的数量，取这两个计算结果中的最大值。这样就能保证使顶层金属和次层金属间的连接电阻足够小同时还能通过足够大的电流。 作为本发明的优选方案之一，所述步骤(3)或(4)中通孔的间距为所述最小容许的间距的2-3倍。 作为本发明的优选方案之一，所述通孔被均匀地分散放置。 —种由权利要求1所述设计方法得到的CUP焊垫区物理版图的结构，包括顶层金属、次层金属、连接顶层金属和次层金属的通孔，以及位于顶层金属之上的钝化层，所述钝化层开有窗口 ，将顶层金属裸露出来，其特征在于通孔均匀分散的位于远离窗口中心的区域。 作为本发明的优选方案之一，通孔均匀分散的位于所述窗口之外的区域。 作为本发明的优选方案之一，通孔均匀分散的位于所述窗口之外的区域以及窗口
的边缘区域。 作为本发明的优选方案之一，通孔均匀分散的位于所述窗口之外的区域、窗口的边缘区域以及窗口内远离窗口中心的区域。 作为本发明的优选方案之一，通孔以大于最小容许的间距被分散地放置。
相较于现有技术，本发明的有益效果在于 为了克服CUP焊垫区两层金属的粘附性和稳定性下降的问题，本发明研究了现有的工艺技术参数，找到产生问题的根本原因，对通孔和相关的金属版图设计方法进行了改进。 对工艺条件参数的研究发现，CUP焊垫区无通孔的两层金属之间的粘附性和稳定性比有通孔的区域要高，当应力发生时，两种区域有不同的应变反应，无通孔区域的稳定性更高。由于有通孔的两层金属的粘附性稳定性比没有通孔的要差，但是不放置通孔就不可能形成有效的焊垫区的设计，而且还需要足够的通孔数目形成低阻连接。
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如前所述，集成电路芯片封装时使用金属焊线连接焊垫(电路中的输入输出端 口 )到外部系统，焊线连接的区域是钝化窗口，即窗口中裸露的金属区域，也是探针和封装 操作区域。通孔是金属之间的连接通道，它的布局和结构影响相关区域的稳定性，与封装和 探针操作没有直接的物理接触。 本发明将设计中通常放置在焊垫区窗口 (即钝化窗口 )的应力区的通孔，放置在 焊垫区的非窗口区域，或远离焊垫区窗口中心的区域，避免影响焊线或探针操作处的金属 之间的粘附性，从而提高可靠性。 一般应力区位于焊垫区窗口内，因为应力是引线压焊在焊 垫区窗口或探针在焊垫区窗口测试时产生的。 本方法适用于不同的工艺类型和不同的焊线封装类型，可在不改变工艺条件的情 况下，通过调整通孔布局即可在保证电学性能的条件下提高封装和探针测试的成品率和可靠性。
图1是常用的CUP焊垫区的版图结构示意图； 图2为通孔集中于焊垫区窗口的CUP焊垫区的版图结构示意图； 图3为通孔分散于焊垫区窗口的CUP焊垫区的版图结构示意图； 图4a-4c本发明的CUP焊垫区的版图结构示意图。 图中标记说明 l-通孔；2-焊垫区的窗口 ；3-焊垫区的金属。
具体实施例方式
下面结合附图进一步说明本发明的具体实施步骤，为了示出的方便，附图并未按 照比例绘制。 为了更好的描述本发明的有益效果，首先设计了几种CUP焊垫区版图结构，这些 结构都包括顶层金属、次层金属、连接顶层金属和次层金属的通孔，以及位于顶层金属之上 的钝化层，所述钝化层开有窗口，钝化窗口将顶层金属裸露出来，如图2、3、4a-4c所示。其 中，图2为通孔集中于焊垫区窗口 (即钝化窗口)的版图结构；图3为通孔分散于焊垫区窗 口的版图结构；图4a-4c为采用本发明所述的方法设计的版图结构。 设计本发明所述的结构时首先，根据顶层金属和次层金属间的连接电阻和通过
电流，确定所需通孔的数量。确定通孔的数量时，要使顶层金属和次层金属间的连接电阻足
够小同时还要能通过足够大的电流。然后，确定各通孔之间最小容许的间距；将通孔以大于
最小容许的间距分散放置于所述窗口区域之外的区域内。当所述窗口区域以外的区域排列
不下所需要数量的通孔时，把其余的通孔放置在窗口的边缘区域，或窗口内远离钝化窗口
中心的区域。 实施例一 参看图4a，该结构的通孔以大于最小容许的间距均匀分散的仅位于窗口之外的区
域、窗口的边缘区域以及窗口内远离钝化窗口中心的区域。 本实施例的具体设计步骤为 步骤一，确定所需通孔的数量。例如单个通孔的电阻值R1为4欧姆，单个通孔的电流通过能力J为0. 28mA (不同工艺可能不同)，单个输入输出设计要求顶层金属和次层金 属间的通过电流I为40mA，所有通孔的总电阻值R在0. 02欧姆以下，则计算出最少的通孔 数为200个。这个结果是不同的设计考量的最小容许值中的最大值，如，根据电阻考量R1/ R = 4/0. 02 = 200，根据电流考量:I/J = 40/0. 28 = 143。所以我们取200。
优选地，考虑一些设计余量，我们可以放置250-300个左右的通孔，本实施例中， 总共要放置300个通孔。 步骤二，根据设计规则确定各通孔之间最小容许的间距。例如本设计所述结构的 制备工艺，其容许的最小间距为280nm("容许的最小间距"是指同一层次相邻图形之间的 最小距离)，则本设计中各通孔之间最小容许的间距为280nm。此步骤中确定通孔之间最小 容许的间距的方法为本技术领域公知的常规方法，故不再赘述。 步骤三，将通孔以大于最小容许的间距分散放置于所述窗口区域之外的区域内。 实际设计中间距可以取最小容许的间距的2-3倍，即560-840nm，具体的数值可以根据后 面的需要做小的调整。本实施例中我们在窗口以外区域放置了 250个通孔，通孔间距为 800nm。此处"间距"是指两个相邻通孔之间的最短距离。 步骤四，当窗口以外区域放不下所有的(300个)通孔时，把其余的通孔这里是50 个，可以考虑放置在窗口的边缘位置以及窗口内远离钝化窗口中心的区域，间距保持不变。 一般情况下CUP类型的金属的面积足够大，能够放置所需要的所有数量的通孔。
实施例二 参看图4b，其通孔以大于最小容许的间距(280nm)均匀分散的仅位于所述窗口之 外的区域以及窗口的边缘区域。 本实施例的设计方法与实施例一相同，不同之处在于总共放置270个通孔，在窗 口以外区域放置了 250个通孔，把其余的20个通孔放置在窗口的边缘位置，通孔的间距为 700nm。 实施例三 参看图4c，其通孔以大于最小容许的间距(280nm)均匀分散的仅位于所述窗口之 外的区域。 本实施例的设计方法与实施例一相同，不同之处在于总共放置260个通孔，其 中，260个通孔全部放置在窗口以外的区域，通孔的间距为600nm。 设计好各种版图结构后，分别对图2、3、4a-4c所示的版图结构进行测试。为了保 证设计和结果的有效性，我们采用了一种非常严格的工业测试筛选，包括拉力实验和缺陷 检验。在实验时采用了探针测试等较为严格和复杂的测试手段。 图2、3、4a-4c中的钝化窗口是用来焊线封装和进行探针测试的，这个区域的金属 裸露出来用来形成与探针和焊线的低阻连接。图2中通孔集中在钝化窗口，但钝化窗口以 外通孔相应减少；图3中通孔更多地放置在非钝化窗口区域，在钝化窗口则排列地较分散； 图4a-4c中绝大多数通孔分散在钝化窗口外，极少数通孔在钝化窗口的边缘，压焊或探针 测试时，这些极少数通孔不会在应力区，同时增加的通孔数目提高了电学性能。
实验结果表明在多次的探针接触、拉力测试(> 2.5克)、高低温循环老化等 实验后，采用本发明的器件最高可以达到92%的成品率，而其他结构的器件成品率在 11%-89%。普通商用标准的筛选不会有这么多的测试项目。按照普通商用标准，采用本发明结构的器件将有更高的成品率，预计会在95%以上。每一个百分点的提高在器件量产时 都将极大减少成本，提高效益。上述实验结果适用于不同的工艺类型和不同的焊线封装类 型。 本发明中涉及的其他技术为常规技术，属于本领域技术人员熟悉的范畴，在此不 再赘述。 上述实施例仅用以说明而非限制本发明的技术方案。任何不脱离本发明精神和范 围的技术方案均应涵盖在本发明的专利申请范围当中。
权利要求
一种CUP焊垫区物理版图的设计方法，所述版图的结构包括顶层金属、次层金属、连接顶层金属和次层金属的通孔、以及位于顶层金属之上的钝化层，所述钝化层开有窗口，将顶层金属裸露出来，其特征在于，该方法包括以下步骤(1)根据顶层金属和次层金属间的连接电阻和通过电流，确定所需通孔的数量；(2)根据工艺设计规则确定各通孔之间最小容许的间距；(3)将通孔以大于最小容许的间距分散放置于所述窗口之外的区域内；(4)当所述窗口以外的区域排列不下所需要数量的通孔时，把其余的通孔以大于最小容许的间距放置在窗口的边缘区域，或窗口内远离窗口中心的区域。
2. 根据权利要求1所述的CUP焊垫区物理版图的设计方法，其特征在于步骤(1)中确定通孔的数量时，根据顶层金属和次层金属间的连接电阻和通过电流分别计算所需通孔的数量，取这两个计算结果中的最大值。
3. 根据权利要求1所述的CUP焊垫区物理版图的设计方法，其特征在于所述步骤(3)或(4)中通孔的间距为所述最小容许的间距的2-3倍。
4. 根据权利要求1所述的CUP焊垫区物理版图的设计方法，其特征在于所述通孔被均匀地分散放置。
5. —种由权利要求1所述设计方法得到的CUP焊垫区物理版图的结构，包括顶层金属、次层金属、连接顶层金属和次层金属的通孔，以及位于顶层金属之上的钝化层，所述钝化层开有窗口 ，将顶层金属裸露出来，其特征在于通孔均匀分散的位于远离窗口中心的区域。
6. 根据权利要求5所述的CUP焊垫区物理版图的结构，其特征在于通孔均匀分散的位于所述窗口之外的区域。
7. 根据权利要求5所述的CUP焊垫区物理版图的结构，其特征在于通孔均匀分散的位于所述窗口之外的区域以及窗口的边缘区域。
8. 根据权利要求5所述的CUP焊垫区物理版图的结构，其特征在于通孔均匀分散的位于所述窗口之外的区域、窗口的边缘区域以及窗口内远离窗口中心的区域。
9. 根据权利要求5所述的CUP焊垫区物理版图的结构，其特征在于通孔以大于最小容许的间距被分散地放置。
全文摘要
本发明涉及一种CUP焊垫区物理版图的设计方法及其结构。该方法包括以下步骤确定所需通孔的数量；确定各通孔之间最小容许的间距；将通孔以大于最小容许的间距分散放置于钝化窗口之外的区域内；窗口以外的区域排列不下所需要数量的通孔时，把其余的通孔放置在窗口的边缘区域，或窗口内远离中心的区域。该CUP焊垫区物理版图的结构，其通孔均匀分散的位于远离钝化窗口中心的区域，可以减少压焊过程中不良微缺陷的产生，保持焊垫区结构的稳定性，从而提高了芯片封装的成品率和可靠性。
文档编号H01L23/482GK101789032SQ200910151189
公开日2010年7月28日 申请日期2009年7月23日 优先权日2009年7月23日
发明者宦正玉, 朱余龙, 费伟斌 申请人:芯原微电子(上海)有限公司;芯原股份有限公司