专利名称：焊球上应力减小的晶圆级芯片规模封装件的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种半导体器件，具体地说，涉及一种晶圆级芯片规模封装件。
背景技术：
在晶圆级芯片规模封装件(WLCSP)的形成中，首先在晶圆中的半导体衬底的表面形成集成电路器件诸如晶体管。然后在集成电路器件上方形成互连结构。在互连结构上方形成金属焊盘，并将其电连接至互连结构。在金属焊盘上形成钝化层和第一聚酰亚胺层，并通过钝化层和第一聚酰亚胺层中的开ロ使金属焊盘暴露出来。然后形成钝化后互连件(PPI)，接着在PPI上方形成第二聚酰亚胺层。形成底部凸块金属层(UBM)，延伸至第二聚酰亚胺层中的开口内，其中将UBM电连接至PPL。然后将焊球放在UBM上方，并回流焊球。 可以直接将WLCSP接合至印刷电路板(PCB)。按照常规，直接接合至PCB的WLCSP管芯都是小管芯。因此，对将管芯接合至各自的PCB的焊球施加的应カ也相对较小。近年来，需要将日益增大的管芯接合至PCB。对焊球产生的应カ因此变得越来越大，从而需要减少应カ的方法。然而，在WLCSP中避免使用用于保护焊球的底部填充。原因是如果应用了底部填充，则管芯和PCB之间的接合是不可修复的，并且如果管芯是有缺陷的，则管芯不能再从各自的PCB移除。因此，如果应用了底部填充，一旦接合了，缺陷管芯就不能替换为好的管芯，从而导致整个封装件不合格。
发明内容
为了解决现有技术中存在的问题，根据本发明的ー个方面，提供了一种结构，包括半导体衬底；金属焊盘，位于所述半导体衬底的上方；钝化层，位于所述半导体衬底的上方，并包含位于所述金属焊盘上方的部分；第一聚酰亚胺层，位于所述钝化层上方，其中所述第一聚酰亚胺层具有第一厚度和第一杨氏模量；钝化后互连件(PPI)，包括位于所述第一聚酰亚胺层上方的第一部分和延伸至所述第一聚酰亚胺层内并且被电连接至所述金属焊盘的第二部分；和第二聚酰亚胺层，位于所述PPI上方，其中所述第二聚酰亚胺层具有第二厚度和第二杨氏模量，并且其中厚度比和杨氏模量比中的至少ー种大于1.0，所述厚度比等于所述第一厚度与所述第二厚度的比值，而所述杨氏模量比等于所述第二杨氏模量与所述第一杨氏模量的比值。在该结构中，其中所述厚度比大于约I. 5。在该结构中，其中所述第二杨氏模量大于所述第一杨氏模量，二者差值大于约O. 5GPa。在该结构中，其中所述第一聚酰亚胺层由光刻胶材料形成，所述光刻胶材料包含由娃氧烧基团表不的树脂。在该结构中，其中所述第一聚酰亚胺层由光刻胶材料形成，所述光刻胶材料包含由硅氧烷基团表示的树脂，且其中所述第二聚酰亚胺层由所述光刻胶材料形成，所述光刻胶材料包含由所述硅氧烷基团表示的所述树脂。根据本发明的另一方面，还提供了一种结构，包括半导体衬底；金属焊盘，位于所述半导体衬底上方；钝化层，位于所述半导体衬底上方并包含位于所述金属焊盘上方的部分；第一聚酰亚胺层，位于所述钝化层上方；钝化后互连件(PPI)，包含位于所述第一聚酰亚胺层上方的第一部分和延伸至所述第一聚酰亚胺层内并且被电连接至所述金属焊盘的第二部分；第二聚酰亚胺层，位于所述PPI上方，其中所述第一聚酰亚胺层具有第一杨氏模量，所述第一杨氏模量小于所述第二聚酰亚胺层的第二杨氏模量；底部凸块金属层(UBM)，延伸至所述第二聚酰亚胺层内，并被电连接至所述PPI ;和所述UBM上的凸块。在该结构中，其中所述第一聚酰亚胺层由光刻胶材料形成，所述光刻胶材料包含由娃氧烧基团表不的树脂。在该结构中，其中所述第一杨氏模量小于所述第二杨氏模量，二者差值大于约O.5GPa。 在该结构中，其中所述第一聚酰亚胺层由杨氏模量低于约I. 5GPa的材料形成。在该结构中，其中所述第一聚酰亚胺层由杨氏模量低于约I. 5GPa的材料形成，且其中所述第二聚酰亚胺层由聚苯并恶唑(PBO)形成。在该结构中，其中所述第一聚酰亚胺层具有第一厚度，所述第一厚度大于所述第ニ聚酰亚胺层的第二厚度。在该结构中，其中所述第一聚酰亚胺层具有第一厚度，所述第一厚度大于所述第ニ聚酰亚胺层的第二厚度，且其中所述第一厚度与所述第二厚度的比值大于约I. 5。根据本发明的又一方面，还提供一种结构，包含半导体衬底；金属焊盘，位于所述半导体衬底上方；钝化层，位于所述半导体衬底上方并包含位于所述金属焊盘上方的部分；第一聚酰亚胺层，位于所述钝化层上方；钝化后互连件(PPI)，包含位于所述第一聚酰亚胺层上方的第一部分和延伸至所述第一聚酰亚胺层内并且被电连接至所述金属焊盘的第二部分；第二聚酰亚胺层，位于所述PPI上方，其中所述第一聚酰亚胺层具有第一厚度，所述第一厚度大于所述第二聚酰亚胺层的第二厚度；底部凸块金属层(UBM)，延伸至所述第二聚酰亚胺层内，并被电连接至所述PPI，和所述UBM上的凸块。在该结构中，其中所述第一厚度与所述第二厚度的比值大于约I. 5。在该结构中，其中所述第一聚酰亚胺层具有第一杨氏模量，所述第一杨氏模量小于所述第二聚酰亚胺层的第二杨氏模量。在该结构中，其中所述第一杨氏模量和所述第二杨氏模量之间的差值大于约O. 5GPa。在该结构中，其中所述第一聚酰亚胺层由光刻胶材料形成，所述光刻胶材料包含由娃氧烧基团表不的树脂。在该结构中，其中所述第一聚酰亚胺层由光刻胶材料形成，所述光刻胶材料包含由硅氧烷基团表示的树脂，且其中所述第二聚酰亚胺层由聚苯并恶唑(PBO)形成。在该结构中，其中所述第一聚酰亚胺层由杨氏模量低于约I. 5GPa的材料形成。
为了更充分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參考，其中图I示出了根据实施例的晶圆级芯片规模封装件(WLCSP)；图2示出了表示WLCSP的刚度的模型，所述WLCSP的刚度受到WLCSP中各个区域的刚度值的影响；图3示出了焊球中的作为厚度比T1/T2的函数的归ー化的累积应力；和图4至图6示出了在如图I的WLCSP中所用的光刻胶材料的化学式。
具体实施例方式在下面详细地讨论本公开的实施例的制造和应用。然而，应当理解，本公开的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发明概念。所讨论的具体实施例仅仅 是示例性的，而不是用于限制本公开的范围。根据实施例提供晶圆级芯片规模封装件(WLCSP)。举例说明了制造各个实施例的中间阶段。讨论了实施例的变化。在全文各个视图和示例性实施例中，使用相同的附图编号指定相同的元件。图I示出了示例性管芯100，其是根据实施例的WLCSP。管芯100可以包括衬底20，该衬底20可以是半导体衬底，诸如硅衬底，但是其也可以包括其他半导体材料诸如硅锗、碳化硅、神化镓等等。可以在衬底20的表面形成有源器件诸如晶体管(未显示)。在衬底20上方形成互连结构(未显示)，其包括在其中形成的且电连接至半导体器件的金属线和通孔(未显示)。金属线和通孔可以在低k介电层中形成，所述低k介电层可以是介电常数小于2. 5或者小于约2. O的极(或者非常)低k (ELK)介电层。在互连结构上方形成金属焊盘22。金属焊盘22可以包含铝、铜、银、金、镍、钨、其合金、和/或其多层。可以将金属焊盘22例如通过下面的互连结构电连接至半导体器件。可以形成钝化层30和位于钝化层30上方的第一聚酰亚胺层32以覆盖金属焊盘22的边缘部分。在示例性实施例中，钝化层30由介电材料诸如氧化硅、氮化硅或其多层形成。在钝化层30和聚酰亚胺层32中形成开ロ以使金属焊盘22暴露出来。形成钝化后互连件(PPI) 38，其中PPI 38包括位于聚酰亚胺层32上方的第一部分，和延伸至钝化层30和聚酰亚胺层32中的开口内的第二部分。将PPI 38的第二部分电连接至金属焊盘22，并可以接触金属焊盘22。可以在PPI 38上方形成第二聚酰亚胺层40。形成底部凸块金属层(UBM)42从而延伸至聚酰亚胺层40的开口内，其中将UBM 42电连接至PPI 38，并可以接触PPI 38中的焊盘。在UBM 42上形成凸块44。管芯100可以包括多个凸块44。在一个实施例中，凸块44是在UBM 42上方形成和/或放置并回流的焊球。焊球44包括位于UBM 42和聚酰亚胺层40中的部分44A和在UBM 42和聚酰亚胺层40上方的部分44B。在一些实施例中，凸块44是在UBM 42上形成的金属柱。图2示出了示意性分析模型，其中示出了图I中所示的材料和区域的刚度值。各个材料和区域的刚度可以表示为k = (A*E)/T [方程式 I]其中k是区域的刚度；A是该区域的面积，其中从该区域的顶视图(图I的)中测量所述面积；τ是从如图I中所示的横截面视图中测量的区域的厚度。在图2中，使用下标指定具体区域。
在图2中，将区域32、38、40、42、44A和44B (图I)的刚度值分别称为kPI1、kPPI、kPI2、k 、kSA和kSB。根据图I中所示的结构，可以推导出包括区域32、38、40、42、44A和44B的结构部分的总刚度(k,6)。刚度k,6可以表示为1/k总=l/kPI1+l/kPPI+l/keq+l/kSB [方程式 2]其中等效刚度keq进ー步表示为keq — kUBM+kSA+kPI2[方f王式 3]根据方程式1、2和3,发现总刚度1^、受到刚度值kPI1、kPPI、kPI2、kUBM、kSA和kSB的影响，并且减小每个刚度值kPI1、kPPI、kPI2、kUBM、kSA和kSB可以导致期望的总刚度的减小。此夕卜，总刚度k总小于刚度值kpn、、、!^和kSB中最小的ー个。如方程式3中所表示的，因为刚度kPI2与刚度值kUBM和kSA平行，减小刚度kPI2在对减小刚度的贡献上不如减小刚度kPI1有效。在一些实施例中，刚度、主要受刚度kUBM控制，刚度kmM在kmM、kSA和kPI2之间可能具有最大值。 刚度k,6与在如图I中的焊球44上施加的应カ有夫，并且刚度k,6越小，在焊球44上施加的应カ越小，则管芯100越可靠。因此，期望减小刚度kか在实施例中，通过采用具有小的杨氏模量的材料形成聚酰亚胺层32和40达到减小刚度kか例如，聚苯并恶唑(PBO)的杨氏模量是约2. OGPa，可以使用具有等于或小于约2. OGPa、低于约I. 5GPa或低于约I. OGPa的杨氏模量的材料。例如，被称为DFS的光刻胶材料，其是来自ShinEtsu MicroSi公司的干膜光刻胶材料，并具有产品名称SINR-3170。DFS包含其主要基团是硅氧烷基团的树脂，该树脂由图4中所示的化学式表示。DFS具有等于约
O.48GPa的杨氏模量。而且，DFS在-55°C和200°C之间的温度范围内具有低的杨氏模量，所述温度范围大于管芯100可以工作的温度范围。因此，DFS适合形成聚酰亚胺层32和40。在实施例中，采用相同的材料诸如DFS形成聚酰亚胺层32和40。在可选实施例中，聚酰亚胺层32和40由不同的材料形成，其中聚酰亚胺层32的杨氏模量小于聚酰亚胺层40的杨氏模量。聚酰亚胺层40的杨氏模量和聚酰亚胺层32的杨氏模量之间的差值可以大于约O. 2GPa，大于约O. 5GPa，或者大于约I. OGPa0例如，聚酰亚胺层32可以由DFS形成，而聚酰亚胺层40由PBO形成。可选地，聚酰亚胺层32可以由DFS或者PBO形成，而聚酰亚胺层40可以由被称为JSR的光刻胶材料形成，所述JSR来自JSR公司，并具有产品编号WPRR-1201。JSR的基础树脂包含酚树脂，其具有在图5中所示的化学式。JSR的光酸产生剂包含三嗪化合物。JSR的交联剂包含三聚氰胺化合物，该化合物具有图6中所示的化学式。JSR的次交联剂包含低分子的环氧化合物。JSR的偶联剂包含低分子的Si化合物。JSR的溶剂包含乳酸こ酷、2-庚酮或者其组合。JSR具有等于约2. 3GPa的杨氏模量。通过增加聚酰亚胺层32的厚度Tl (图I)也可以实现总刚度k,e、的减小。在实施例中，在PPI 38正上方的位置測量厚度Tl。如由方程式I所示，増加厚度Tl和T2可以导致刚度k,6的进ー步减小。而且，为了保持总厚度(T1+T2)不过大，可以不增加或者不减小厚度T2。在一些实施例中，厚度比T1/T2大于1.0，大于约I. 2，以及可以大于约1.5。厚度Tl还可以大于约11 μ m、20 μ m、30 μ m、或40 μ m。在增加聚酰亚胺层32的厚度Tl的实施例中，也可以使用具有相对高的杨氏模量的材料，而不显著增加刚度kか在这些实施例中，每个聚酰亚胺层32和40的示例性材料包括JSR、PBO、DFS等。在又一些实施例中，还可以通过采用具有小的杨氏模量的材料，并同时増加聚酰亚胺层32的厚度Tl实现刚度k,e、的减小。图3示出了掲示比值T1/T2和在焊球44中归ー化的累积应力之间的关系的模拟結果。观察到随着厚度比T1/T2的増加，归ー化的球应变减小。当厚度比T1/T2増加至约
I.5时，归ー化的应カ与比值T1/T2等于I时的应力相比可以减少10%。表I示出了从具有如图I中所示的结构的样品管芯获得的模拟结果，其中聚酰亚胺层32和40具有用于形成样品管芯的材料和厚度的不同組合。在一个热循环之后得到样品管芯的焊球44中的归ー化的累积应力。表I
权利要求
1.一种结构，包括 半导体衬底； 金属焊盘，位于所述半导体衬底的上方； 钝化层，位于所述半导体衬底的上方，并包含位于所述金属焊盘上方的部分； 第一聚酰亚胺层，位于所述钝化层上方，其中所述第一聚酰亚胺层具有第一厚度和第一杨氏模量； 钝化后互连件(PPI)，包括位于所述第一聚酰亚胺层上方的第一部分和延伸至所述第一聚酰亚胺层内并且被电连接至所述金属焊盘的第二部分；和 第二聚酰亚胺层，位于所述PPI上方，其中所述第二聚酰亚胺层具有第二厚度和第二杨氏模量，并且其中厚度比和杨氏模量比中的至少一种大于I. O，所述厚度比等于所述第一厚度与所述第二厚度的比值，而所述杨氏模量比等于所述第二杨氏模量与所述第一杨氏模量的比值。
2.根据权利要求I所述的结构，其中所述厚度比大于约I.5;所述第二杨氏模量大于所述第一杨氏模量，二者差值大于约O. 5GPa。
3.根据权利要求I所述的结构，其中所述第一聚酰亚胺层由光刻胶材料形成，所述光刻胶材料包含由硅氧烷基团表示的树脂；所述第二聚酰亚胺层由所述光刻胶材料形成，所述光刻胶材料包含由所述硅氧烷基团表示的所述树脂。
4.一种结构，包括 半导体衬底； 金属焊盘，位于所述半导体衬底上方； 钝化层，位于所述半导体衬底上方并包含位于所述金属焊盘上方的部分； 第一聚酰亚胺层，位于所述钝化层上方； 钝化后互连件(PPI)，包含位于所述第一聚酰亚胺层上方的第一部分和延伸至所述第一聚酰亚胺层内并且被电连接至所述金属焊盘的第二部分； 第二聚酰亚胺层，位于所述PPI上方，其中所述第一聚酰亚胺层具有第一杨氏模量，所述第一杨氏模量小于所述第二聚酰亚胺层的第二杨氏模量； 底部凸块金属层(UBM)，延伸至所述第二聚酰亚胺层内，并被电连接至所述PPI ;和 所述UBM上的凸块。
5.根据权利要求4所述的结构，其中所述第一聚酰亚胺层由光刻胶材料形成，所述光刻胶材料包含由硅氧烷基团表示的树脂；或者所述第一聚酰亚胺层由杨氏模量低于约I.5GPa的材料形成，且所述第二聚酰亚胺层由聚苯并恶唑(PBO)形成。
6.根据权利要求4所述的结构,其中所述第一杨氏模量小于所述第二杨氏模量,二者差值大于约O. 5GPa ;所述第一聚酰亚胺层具有第一厚度，所述第一厚度大于所述第二聚酰亚胺层的第二厚度，且所述第一厚度与所述第二厚度的比值大于约I. 5。
7.一种结构，包含 半导体衬底； 金属焊盘，位于所述半导体衬底上方； 钝化层，位于所述半导体衬底上方并包含位于所述金属焊盘上方的部分； 第一聚酰亚胺层，位于所述钝化层上方；钝化后互连件(PPI)，包含位于所述第一聚酰亚胺层上方的第一部分和延伸至所述第一聚酰亚胺层内并且被电连接至所述金属焊盘的第二部分； 第二聚酰亚胺层，位于所述PPI上方，其中所述第一聚酰亚胺层具有第一厚度，所述第一厚度大于所述第二聚酰亚胺层的第二厚度； 底部凸块金属层(UBM)，延伸至所述第二聚酰亚胺层内，并被电连接至所述PPI，和 所述UBM上的凸块。
8.根据权利要求7所述的结构，其中所述第一厚度与所述第二厚度的比值大于约I.5 ；所述第一聚酰亚胺层具有第一杨氏模量，所述第一杨氏模量小于所述第二聚酰亚胺层的第二杨氏模量，且所述第一杨氏模量和所述第二杨氏模量之间的差值大于约O. 5GPa。
9.根据权利要求7所述的结构，其中所述第一聚酰亚胺层由光刻胶材料形成，所述光刻胶材料包含由硅氧烷基团表示的树脂，且所述第二聚酰亚胺层由聚苯并恶唑(PBO)形成。
10.根据权利要求7所述的结构，其中所述第一聚酰亚胺层由杨氏模量低于约I.5GPa的材料形成。
全文摘要
结构包含位于半导体衬底上方的金属焊盘、具有位于该金属焊盘上方的部分的钝化层和位于该钝化层上方的第一聚酰亚胺层，其中该第一聚酰亚胺层具有第一厚度和第一杨氏模量。钝化后互连件(PPI)包括位于第一聚酰亚胺层上方的第一部分和延伸至钝化层和第一聚酰亚胺层内的第二部分。将PPI电连接至金属焊盘。第二聚酰亚胺层位于PPI上方。该第二聚酰亚胺层具有第二厚度和第二杨氏模量。厚度比和杨氏模量比中的至少一种大于1.0，其中厚度比是第一厚度与第二厚度的比值，以及杨氏模量比是第二杨氏模量与第一杨氏模量的比值。本发明还提供一种焊球上应力减小的晶圆级芯片规模封装件。
文档编号H01L23/31GK102832187SQ201210047058
公开日2012年12月19日 申请日期2012年2月27日 优先权日2011年6月16日
发明者陈玉芬, 蔡侑伶, 普翰屏, 郭宏瑞, 黄毓毅 申请人:台湾积体电路制造股份有限公司