专利名称：新凸块结构的制作方法
技术领域：
本发明大体上涉及半导体领域，更具体地来说，涉及一种凸块结构。
背景技术：
凸块导线直连(Bump-on-Trace, Β0Τ)结构已经用于倒装芯片封装件中，其中，金属凸块直接接合到封装基板中的较窄金属迹线上，而不是接合到金属焊盘上，金属凸块会比相应连接的金属迹线具有更大的宽度。BOT结构需要更小的芯片面积，并且BOT结构的制造成本相对较低。然而，存在与BOT结构相关的技术挑战。
发明内容
为了解决现有技术中所存在的缺陷，根据本发明的一方面，提供了一种伸长的凸块结构，包括铜层，以及焊料层；其中，所述伸长的凸块结构具有凹进区域，在所述焊料层回流之后，所述焊料层填充所述凹进区域。在该伸长的凸块结构中，所述伸长的凸块结构进一步包括凸块底部金属(UBM)层。在该伸长的凸块结构中，所述伸长的凸块结构具有两个端部和连接两个端部的中间部，其中，所述凹进区域位于所述中间部。在该伸长的凸块结构中，所述伸长的凸块结构具有位于由中间部连接的所述两个端部处的两个半球的截面，其中，所述凹进区域位于所述中间部。在该伸长的凸块结构中，所述中间部的第一宽度与所述两个端部的每个的第二宽度的比率在从约O. 02至约O. 5的范围内。在该伸长的凸块结构中，所述伸长的凸块结构具有另一凹进区域，并且其中所述凹进区域与所述伸长的凸块结构的截面的面积比率等于或大于约0.01。在该伸长的凸块结构中，所述凹进区域与所述伸长的凸块结构的截面的面积比率等于或小于约O. I。在该伸长的凸块结构中，所述凹进区域的两个相邻壁具有等于或大于90°的夹角。在该伸长的凸块结构中，所述凹进区域的表面是曲面。在该伸长的凸块结构中，所述铜层是铜柱。该伸长的凸块结构进一步包括保护层，位于所述铜层和所述焊料层之间。
在该伸长的凸块结构中，所述伸长的凸块结构的最大长度与最大宽度的比率等于或大于约I. 2。在该伸长的凸块结构中，伸长的凸块和邻近的金属迹线之间的最小距离等于或大于约O. I μ m。根据本发明的另一方面，提供了一种凸块导线直连(BOT)结构，包括第一工件，具有位于所述第一工件的表面上方的金属迹线；第二工件，具有伸长的金属凸块，其中，所述伸长的金属凸块具有凹进区域；以及焊料凸块，其中，所述焊料凸块与所述第一工件的所述金属迹线和所述第二工件的所述伸长的金属凸块接触，以形成所述BOT结构，其中，所述焊料凸块的焊料至少部分地填充所述凹进区域。在该BOT结构中，所述伸长的金属凸块包括铜柱和UBM层。在该BOT结构中，所述伸长的金属凸块具有两个端部和连接所述两个端部的中间部，其中，所述凹进区域位于所述中间部中。 在该BOT结构中，所述凹进区域与所述伸长的凸块结构的截面的面积比率等于或小于约O. I。在该BOT结构中，所述凹进区域的两个相邻壁具有等于或大于90°的夹角。在该BOT结构中，所述凹进区域的表面是曲面。根据本发明的又一方面，提供了一种具有凸块导线直连(BOT)结构的封装基板，包括第一工件，具有位于所述第一工件的表面上方的金属迹线；第二工件，具有伸长的金属凸块，其中，所述伸长的金属凸块具有凹进区域，其中，所述伸长的金属凸块包括铜柱；以及焊料凸块，其中，所述焊料凸块与所述第一工件的所述金属迹线和所述第二工件的所述伸长的金属凸块接触，以形成所述BOT结构，其中，所述焊料凸块的焊料至少部分地填充所述金属凸块的所述凹进区域。
为了更完整地理解实施例及其优点，现在将结合附图所进行的以下描述作为参考，其中图IA和图IB示出了根据实施例的封装结构的截面图。图2A和图2B示出了根据一些实施例的凸块导线直连(BOT)区域的俯视图和截面图。图3A示出了根据一些实施例的与邻近的金属迹线短路的突出焊料。图3B和图3C示出了根据一些实施例的金属凸块的俯视图和截面图。图4A至图4E示出了根据一些实施例的为减少焊料突出而有凹进区域的金属凸块的各个实施例。
具体实施例方式以下详细讨论了本发明的实施例的制造和使用。然而，应该理解，本实施例提供了许多可以在各种具体环境中实现的可应用的创造性概念。所讨论的具体实施例仅为说明性的，并且没有限定本发明的范围。图IA和图IB中提供了根据一些实施例包括凸块导线直连(BOT)结构的封装结构150的截面图。封装结构150包括工件100和工件200，其中，工件100接合至工件200。工件100可以是器件管芯，该器件管芯包括在其中的有源器件，例如晶体管(未示出)，但是工件100也可以是在其中不包括有源器件的中间板(interposer)。在实施例中，其中，工件100是器件管芯，衬底102可以是半导体衬底，例如硅衬底，但是该衬底可以包括其他半导体材料。互连结构104形成在衬底102上方，该互连结构包括形成在其中并连接到半导体器件的金属线和通孔106。金属线和通孔106可以由铜或铜合金形成，并且使用镶嵌工艺形成。互连结构104可以包括公知的层间介电层(ILD,未不出)和金属间介电层(IMD) 108。IMD 108可以包括低k介电材料，并且可以具有小于约3. O的介电常数(k值)。低k介电材料也可以是k值小于约2. 5的超低k介电材料。工件100可以进一步包括凸块底部金属(under-bump metallurgy,UBM)层110和在UBM层110上的铜柱(或导柱)112。在通篇描述中，铜柱112也被称作含铜凸块或金属凸块。虽然在这里和以下的描述中，铜柱112用作示例，但是例如焊料凸块的其他类型的金 属凸块也可以用来替代铜柱112。将UBM层110设置在金属焊盘105上方，该金属焊盘是互连结构104的一部分。在互连结构104和UBM层110之间未与金属焊盘105接触的位置处具有钝化层107。在一些实施例中，钝化层107由聚酰亚胺制成。例如，工件200可以是封装基板，但是该工件可以是其他封装元件如中间板。工件200可以包括金属线和通孔202，连接位于工件200相对两侧的金属部件。在实施例中，工件200的顶面上的金属迹线210通过金属线和通孔202电连接至工件200的底面上的球栅阵列(ball grid array, BGA)球212。金属线和通孔202可以形成于介电层214中，但是该金属线和通孔也可以形成在半导体层(例如硅层，未示出)和介电层中，该介电层形成在半导体层上方。金属迹线210形成在介电层214中的顶部介电层上方。金属迹线210可以由基本上纯的铜、铝铜或其他金属材料形成，如钨、镍、钯、金，和/或其合金。图IA示出了根据一些实施例铜柱(或金属凸块)112的长度为LI。工件100和工件200通过焊料层220相互接合，焊料层220可以由无铅焊料、共晶焊料等形成。焊料层220与金属迹线210的顶面和铜柱112接合并且接触。图IB示出了图IA中所示的封装结构150的截面图，其中，由图IA中的平面交线2-2截取该截面图。如图IB所示，在焊料回流之后，焊料层220还可以与金属迹线210的侧壁接触。回流焊料层220还可以沿着铜柱112的表面113移动并且覆盖部分或全部表面113 (未示出)。在一些实施例中，在铜柱112和焊料层220之间具有保护层。保护层可以用来防止形成铜和焊料的金属化合物。在一些实施例中，保护层包括镍(Ni)。在于2011年
4月 27 日提交的名称为“REDUCED-STRESS BUMP-ON-TRACE (BOT) STRUCTURES”的美国申请第13/095，185号中描述了形成工件100所使用的材料和工艺的示例性细节，其全部内容结合于此作为参考。根据一些实施例，工件100和工件200接合之后，可以将模塑底部填充物(MUF，mold underfill)(未示出)填充在工件100和工件200之间的空间。相应地，也可以将MUF填充在邻近的金属迹线210之间的空间中。可选地，没有填充MUF，而空气填充在工件100和200之间的空间中，并且填充在邻近的金属迹线210之间的空间中。图IB示出了根据一些实施例铜柱(或金属凸块)112的宽度为Wp图IB也示出了根据一些实施例金属迹线210的宽度为W2。在一些其他实施例中，L^W1的比率大于I。在一些实施例中，L1A1的比率等于或大于约I. 2。在一些实施例中，L1在从约ΙΟμπι至约ΙΟΟΟμπι的范围内。在一些实施例中，W1在从约10 μ m至约700 μ m的范围内。在一些实施例中，W2在从约10 μ m至约500 μ m的范围内。如图IA和图IB所示的结构被称为BOT结构，因为焊料层220直接形成在金属迹线210的顶面和侧壁上，而没有形成在金属焊盘上，焊料层220的宽度明显大于金属迹线210的宽度W2。在一些实施例中，W1ZiW2的比率在从约O. 25至约I的范围内。图2A示出了根据一些实施例的BOT区域200的俯视图。图2A示出了位于金属迹线211-218上方的多个金属凸块201-208。金属迹线提供互连功能并相互连接金属凸块。例如，根据一些实施例，金属迹线211连接金属凸块201和金属凸块202。金属凸块201-208包括上述的铜柱112、UBM层110和焊料层220。图2B示出了根据一些实施例沿A-A线截取的BOT区域200的截面图。图2B示出 了金属凸块201、203和205位于金属迹线211、213和215上方。图2B还示出了金属迹线212和214的截面图。金属凸块201、203和205的截面示出了 UBM层110、铜柱112和焊料层220。在回流之后，焊料层220包裹住金属迹线211、213和215的暴露面。图2B也示出了在金属凸块201的铜柱112和金属迹线211之间的焊料层220以距离I1 ”越过铜柱112的表面231突出。如上所述，焊料层220的回流焊料也可以沿着铜柱112的表面113移动并覆盖部分或全部表面113。由于工件100对于工件200施加的压力，焊料层220的表面221以最大距离“D/’越过铜柱的表面113延伸。较大的D1减小了表面113和邻近的金属迹线表面232之间的距离D2，增加了金属迹线211和212之间短路的风险。另外，D2可能由于未对准或对准误差而缩短。通过减小特征尺寸和间距，最小化Djt提高成品率很重要。在一些实施例中，为避免短路，将凸块和邻近的金属迹线之间的最小距离D2规定为等于或大于约O. Ιμπι。在一些实施例中，铜柱112的边缘与金属迹线212的最近边缘之间的距离，或D1+D2，在等于或大于约Ιμπι的范围内。在一些其他实施例中，该距离等于或大于约5 μ m。图3A示出了根据一些实施例在金属凸块201与金属迹线211连接之前以及在焊料回流之前金属凸块201的截面图。图3A示出了金属凸块201包括铜柱112和焊料层220。在铜柱112和焊料层220之间具有任选的保护层126。保护层126可以作为阻挡层，从而防止Cu柱112中的铜扩散到接合材料中，如焊料合金，该接合材料用于将衬底101接合到外部部件上。根据一些实施例，焊料层220和铜柱112可以通过电镀形成在UBM层110上方。在焊料回流之前，焊料层220和铜柱112共享相同表面113。根据一些实施例，图3B示出了在接合和回流之前图2A和图2B的金属凸块201的俯视图。图3B示出了铜柱112的轮廓310。轮廓310也是UBM层110的轮廓。图3B中示出的铜柱112是具有两个半球(M部分)和一个矩形(N部分)的跑道的形状，其中，两个半球连接至矩形。在图IB中还示出两个半球的直径W1与矩形的宽度相同。如图IA所示，金属凸块201的总长度是L1并且矩形的长度为LK。虽然图3B中的实例是跑道形状，但是诸如椭圆形等的其他伸长形状也适用。在回流之后以及在对金属迹线211进行按压所产生的压力下，焊料层220往往向最近的矩形(N部分)的中心区域突出。这可能是由于与边缘部分(M部分)相比较，中心区域(N部分)的侧壁上的表面张力较小。
如上所述，焊料层220的突出(具有最大突出距离D1)增加了短路的风险。根据一些实施例，图3C示出了 BOT结构的截面图。图3C示出了由于焊料挤出和一些对准误差所导致的金属凸块201*的焊料层220与邻近的金属迹线212*接触，预期由于工艺变化导致这种焊料挤出和一些对准误差。因此，期望减小突出距离D1，以降低金属凸块201、金属迹线211以及金属迹线212之间短路风险。图4A示出了根据一些实施例的金属凸块400的俯视图。该金属凸块与上述金属凸块201类似。图4A示出了 UBM层100的外边界的轮廓401，在回流之前，UBM层110的外边界轮廓401明显地也与铜柱112和焊料层220的外边界匹配。图4A示出了为了减少焊料突出以减少诸如金属凸块201的金属凸块，和诸如金属迹线212的邻近的金属迹线之间的最短距离，金属凸块的矩形部分(N部分)的宽度SW1减至W4。矩形部分的每侧减少宽度W3。图4B示出了根据一些实施例的金属凸块400的侧视图。根据一些实施例，金属凸块400包括焊料层220、铜柱112和UBM层110。可选地，金属凸块400可能仅指铜柱112或具有UBM层110的铜柱112。焊料层220的高度是H1，铜柱112的高度是H2。UBM层110的高度是H3。在一些实施例中，H1在从约IOym至约50 μ m的范围内。在一些实施例中，H2在 从约10 μ m至约70 μ m的范围内。在一些实施例中，H3在从约3 μ m至约15 μ m的范围内。如上所述，焊料层220往往向中间部分(或者N部分)突出。通过减少中间部分的宽度，回流焊料将填充在由中间部分(或矩形部分N)的减小的宽度产生的凹进空间。因此，可以降低由于焊锡材料突出导致的短路风险并提高成品率。这种以减少短路和提高成品率为目的的减少对于后期封装很重要。在一些实施例中，凹进区域是在图4C中示出的区域R。图4A示出了金属凸块400的两个凹进区域R。根据一些实施例，如图4C所示的，凹进区域R包括焊料层220的凹进区域A、铜柱112的凹进区域B和UBM层110的凹进区域C。根据一些实施例，等式(I)示出了区域R的体积。Rvolime = W3XLeX (H1+H2+H3) (I)尽管减少W1可以降低短路风险，但是W1不能减少太多以防止焊料不能充分覆盖在下部的金属迹线上。另外，较小的W1将导致较小的UBM面积，这可能增加紧邻MD 108的界面118 (如图IA和图IB所示)的应力，并且可能导致界面分层。这种界面分层是关系到可靠性的问题并可能影响成品率。在一些实施例中，凹进区域的最大宽度W3在从约Ιμπι至约30 μ m的范围内。在一些实施例中，W3与W1的比率在从约O. 02至约O. 5的范围内。在一些实施例中，凹进区域R与金属凸块400的焊料层220的体积比大于或等于约O. 01，这意味着金属凸块400的凹进区域R等于或大于焊料层220的体积的约1%。在一些其他实施例中，凹进区域R与金属凸块400的焊料层220的体积比等于或小于约O. I。在一些实施例中，如图4A所看到的，凹进区域R的表面积(或截面的面积)与凸块400的表面积(或截面的面积)的比率大于或等于约O. 01。在一些其它实施例中，如图4A所看到的，凹进区域R的表面积(或截面的面积)与凸块400的表面积(或截面的面积)的比率等于或小于约O. I。凹进区域与金属凸块的各种轮廓结合的其他形状也可以用于减少金属焊料突出。图4D不出了根据一些实施例的金属凸块400’的俯视图。金属凸块400’与金属凸块400类似。图4A、图4B和图4C中的区域R的角部402是垂直的(或90° )。图4D的凹进区域R’的角部403具有角α。角α可以等于或大于90°。大于90°的角(α )的角部的可能具有比垂直角部更少的应力。然而，根据一些实施例，可以将角α设计成小于90°的角。在一些实施例中，金属凸块400的M部分(或端部)不需要是半球形状。其他形状也是可能的。此外，凹进区域不需要由直壁形成。图4Ε示出了根据一些实施例包括具有弯曲侧壁的凹进区域的金属凸块400*。凹进区域的侧壁的其他形状和曲率也是可能的。上述没有凹进区域的金属凸块具有跑道形状的截面。也可以使用具有其他形状截面的凸块。例如，截面的形状可以是椭圆形。金属凸块400的俯视图可以是任意伸长的形状，包括圆角的矩形。凹进区域可以形成在这种凸块中，从而在回流之后，允许焊料层填充在(完全地或部分地)凹进区域中以降低短路风险。
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凸块和凸块导线直连(BOT)结构的实施例提供具有要填充回流焊料的凹进区域的凸块。凹进区域位于回流焊料最可能突出的凸块区域中。凹进区域降低了凸块与轨道短路的风险。因此，可能提闻成品率。根据一些实施例，提供伸长的凸块结构。伸长的凸块结构包括铜层和焊料层。伸长的凸块结构具有凹进区域，用于在焊料层回流之后，填充焊料层。根据另一些实施例，提供了凸块导线直连(BOT)结构。BOT结构包括第一工件，具有第一工件的表面上方的金属迹线；和第二工件，具有伸长的金属凸块。伸长的金属凸块具有凹进区域。BOT结构也包括焊料凸块。焊料凸块与第一工件的金属迹线和第二工件的伸长的金属凸块接触，以形成BOT结构。焊料凸块的焊料至少部分地填充凹进区域。根据又一些实施例，提供了凸块导线直连(BOT)结构的封装基板。封装结构包括第一工件，具有第一工件表面上方的金属迹线；和第二工件，具有伸长的金属凸块。伸长的金属凸块具有凹进区域，并且伸长的金属凸块包括铜柱。封装结构也包括焊料凸块。焊料凸块与第一工件的金属迹线和第二工件的伸长的金属凸块都有接触，以形成BOT结构。焊料凸块的焊料至少部分地填充金属凸块的凹进区域。尽管已经详细地描述了实施例及其优势，但应该理解，可以在不背离所附权利要求限定的本发明主旨和范围的情况下，做各种不同的改变、替换和更改。而且，本申请的范围并不仅限于本说明书中描述的工艺、机器、制造、材料组分、装置、方法和步骤的特定实施例。作为本领域普通技术人员应理解，用于执行与本文所述相应实施例基本相同的功能或获得基本相同结果的工艺、机器、制造、材料组分、装置、方法或步骤根据本发明可以被使用。因此，所附权利要求应该包括在这样的工艺、机器、制造、材料组分、装置、方法或步骤的范围内。此外，每条权利要求构成单独的实施例，并且多个权利要求和实施例的组合在本发明的范围内。
权利要求
1.一种伸长的凸块结构，包括 铜层，以及 焊料层；其中，所述伸长的凸块结构具有凹进区域，在所述焊料层回流之后，所述焊料层填充所述凹进区域。
2.根据权利要求I所述的伸长的凸块结构，其中，所述伸长的凸块结构进一步包括凸块底部金属(UBM)层。
3.根据权利要求I所述的伸长的凸块结构，其中，所述伸长的凸块结构具有两个端部和连接两个端部的中间部，其中，所述凹进区域位于所述中间部。
4.根据权利要求I所述的伸长的凸块结构，其中，所述伸长的凸块结构具有位于由中间部连接的所述两个端部处的两个半球的截面，其中，所述凹进区域位于所述中间部。
5.根据权利要求3所述的伸长的凸块结构，其中，所述中间部的第一宽度与所述两个端部的每个的第二宽度的比率在从约O. 02至约O. 5的范围内。
6.根据权利要求I所述的伸长的凸块结构，其中，所述伸长的凸块结构具有另一凹进区域，并且其中所述凹进区域与所述伸长的凸块结构的截面的面积比率等于或大于约.O. 01。
7.根据权利要求I所述的伸长的凸块结构，其中，所述凹进区域与所述伸长的凸块结构的截面的面积比率等于或小于约O. I。
8.根据权利要求3所述的伸长的凸块结构，其中，所述凹进区域的两个相邻壁具有等于或大于90°的夹角。
9.一种凸块导线直连(BOT)结构，包括 第一工件，具有位于所述第一工件的表面上方的金属迹线； 第二工件，具有伸长的金属凸块，其中，所述伸长的金属凸块具有凹进区域；以及 焊料凸块，其中，所述焊料凸块与所述第一工件的所述金属迹线和所述第二工件的所述伸长的金属凸块接触，以形成所述BOT结构，其中，所述焊料凸块的焊料至少部分地填充所述凹进区域。
10.一种具有凸块导线直连(BOT)结构的封装基板，包括 第一工件，具有位于所述第一工件的表面上方的金属迹线； 第二工件，具有伸长的金属凸块，其中，所述伸长的金属凸块具有凹进区域，其中，所述伸长的金属凸块包括铜柱；以及 焊料凸块，其中，所述焊料凸块与所述第一工件的所述金属迹线和所述第二工件的所述伸长的金属凸块接触，以形成所述BOT结构，其中，所述焊料凸块的焊料至少部分地填充所述金属凸块的所述凹进区域。
全文摘要
凸块和凸块导线直连(BOT)结构的实施例提供了凸块，该凸块具有用于填充回流焊料的凹进区域。凹进区域位于回流焊料最可能突出的凸块区域中。凹进区域降低凸块与迹线短路的风险。因此，可以提高成品率。本发明还提供了一种新凸块结构。
文档编号H01L23/488GK102903689SQ201210020460
公开日2013年1月30日 申请日期2012年1月29日 优先权日2011年7月27日
发明者张志鸿, 郭庭豪, 陈承先, 林彦良 申请人:台湾积体电路制造股份有限公司