迹线上凸块封装结构及其形成方法
【专利摘要】一种器件包括第一封装部件、以及位于第一封装部件顶面上的第一金属迹线和第二金属迹线。该器件还包括覆盖第一封装部件的顶面、第一金属迹线和第二金属迹线的介电掩模层，其中在介电掩模层中具有暴露第一金属迹线的开口。该器件还包括第二封装部件和在第二封装部件上形成的互连件，该互连件具有金属凸块和在金属凸块上形成的焊料凸块，其中焊料凸块接触位于介电掩模层的开口中的第一金属迹线。本发明提供了迹线上凸块封装结构及其形成方法。
【专利说明】迹线上凸块封装结构及其形成方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及半导体封装，具体而言涉及迹线上凸块封装结构及其形成方法。
【背景技术】
[0002]迹线上凸块(BOT)结构用于倒装芯片封装件中，其中金属凸块直接接合到封装衬底中的金属迹线上，而不是如常规封装接合方案中接合到金属焊盘上。BOT结构容易实现更小的芯片区域，并且与常规封装接合方案相比降低了 BOT结构的制造成本。BOT结构实现与基于金属焊盘的常规接合结构基本相同的可靠性。
[0003]使用BOT结构时，通过回流工艺将金属凸块焊接到封装衬底上的金属迹线上。然而，金属凸块通常宽于金属迹线，因此将金属凸块接合到金属迹线的焊料可能偏移。金属凸块偏移可能产生若干问题。例如，焊料凸块可能碎裂，或者可能桥接到相邻的金属迹线，尤其是在最小凸块到迹线的位置，从而引起器件失效。而且，由于封装衬底和芯片之间的热膨胀系数(CTE)不匹配，焊料凸块可能偏移和桥接到相邻的金属迹线。
【发明内容】
[0004]为了解决上述技术问题，一方面，本发明提供了一种器件，包括:第一封装部件；第一金属迹线和第二金属迹线，位于所述第一封装部件的顶面上；介电掩模层，覆盖所述第一封装部件的顶面、所述第一金属迹线和所述第二金属迹线，其中，在所述介电掩模层中具有暴露所述第一金属迹线但不暴露所述第二金属迹线的开口 ；第二封装部件；以及互连件，形成在所述第二封装部件上，所述互连件具有金属凸块和形成在所述金属凸块上的焊料凸块，其中所述焊料凸块接触位于所述介电掩模层的开口中的所述第一金属迹线。
[0005]在所述的器件中，所述第一封装部件包括封装衬底，所述第二封装部件包括器件管芯。
[0006]在所述的器件中，所述第一金属迹线和所述第二金属迹线包含选自由铜、铜合金、铝、铝合金、钨、钨合金、镍、镍合金、钯、钯合金、金、以及它们的合金所组成的组中的材料。
[0007]在所述的器件中，所述第二金属迹线邻近所述第一金属迹线。
[0008]在所述的器件中，所述第二金属迹线邻近所述第一金属迹线，其中，所述第二金属迹线基本平行于所述第一金属迹线。
[0009]在所述的器件中，所述第二金属迹线邻近所述第一金属迹线，其中，所述第一金属迹线具有选自由直线、折线和曲线所组成的组中的形状。
[0010]在所述的器件中，所述介电掩模层包括焊接掩模层。
[0011 ] 在所述的器件中，所述介电掩模层包括焊接掩模层，其中，所述焊接掩模层包含选自由聚合物、环氧树脂、电介质和它们的组合所组成的组中的材料。
[0012]在所述的器件中，所述金属凸块包括铜柱凸块。
[0013]所述的器件还包括:位于所述第一封装部件和所述第二封装部件之间的间隙中的底部填料。[0014]另一方面，本发明提供了一种迹线上凸块封装结构，包括:第一封装部件；第一金属迹线和第二金属迹线，形成在所述第一封装部件的顶面上；焊接掩模层，覆盖所述第一封装部件的顶面、所述第一金属迹线和所述第二金属迹线，其中，在所述焊接掩模层中具有暴露所述第一金属迹线的开口 ；以及第二封装部件，设置在所述第一封装部件的上方，其中，所述第二封装部件包括具有铜柱凸块和接合到所述铜柱凸块的焊料凸块的互连件，所述焊料凸块接触位于所述介电掩模层的开口中的所述第一金属迹线但不接触所述第二金属迹线。
[0015]在所述的迹线上凸块结构中，所述第一封装部件包括封装衬底，所述第二封装部件包括器件管芯。
[0016]在所述的迹线上凸块结构中，所述第一金属迹线和所述第二金属迹线包含选自由铜、铜合金、铝、铝合金、钨、钨合金、镍、镍合金、钯、钯合金、金、以及它们的组合所组成的组中的材料。
[0017]在所述的迹线上凸块结构中，所述第二金属迹线邻近所述第一金属迹线。
[0018]在所述的迹线上凸块结构中，所述第二金属迹线邻近所述第一金属迹线，其中，所述第二金属迹线基本平行于所述第一金属迹线，并且所述第一金属迹线具有选自由直线、折线和曲线所组成的组中的形状。
[0019]在所述的迹线上凸块结构中，所述焊接掩模层包含选自由聚合物、环氧树脂、电介质以及它们的组合所组成的组中的材料。
[0020]又一方面，本发明提供了一种制造器件的方法，包括:提供第一封装部件，所述第一封装部件具有在所述第一封装部件的表面上形成的第一金属迹线和第二金属迹线；形成焊接掩模层以覆盖所述第一封装部件的顶面、所述第一金属迹线和所述第二金属迹线；在所述焊接掩模层中形成暴露所述第一金属迹线的开口 ；提供设置在所述第一封装部件上方的第二封装部件，其中，所述第二封装部件包括具有金属凸块和接合到所述金属凸块的焊料凸块的互连件；以及使所述焊料凸块接触位于所述焊接掩模层的开口中的所述第一金属迹线。
[0021]在所述的方法中，通过激光钻孔所述焊接掩模层或光刻形成所述焊接掩模层中的开口。
[0022]在所述的方法中，通过在所述金属凸块的顶部上镀焊料层然后回流所述焊料层来形成所述焊料凸块与所述金属凸块的接合。
[0023]在所述的方法中，使所述焊料凸块接触所述第一金属迹线包括熔化所述焊料凸块以形成接触所述第一金属迹线的焊料，所述焊接掩模层将所述焊料限制在所述开口中，并且所述开口限定熔化的所述焊料在所述第一金属迹线处的轮廓。
【专利附图】
【附图说明】
[0024]当结合附图进行阅读时，根据下面详细的描述可以更好地理解本发明的实施例。应该强调的是，根据工业中的标准实践，对各种部件没有按比例绘制。实际上，为了清楚讨论起见，各种部件的尺寸可以被任意增大或缩小。
[0025]图1是根据本发明的各个实施例制造迹线上凸块结构的方法的流程图。
[0026]图2至图5是根据本发明的各个实施例在各个制造阶段的迹线上凸块结构的一部分的截面图。
【具体实施方式】
[0027]在以下的描述中，阐明具体细节以对本发明的实施例有更深入的理解。然而，本领域的普通技术人员将认识到，没有这些具体细节也可实施本发明的实施例。在一些情况下，没有详细地描述众所周知的结构和工艺从而避免对本发明的实施例造成不必要地模糊。
[0028]在整个本说明书中提及的“一个实施例”或“实施例”意味着结合该实施例描述的特定部件、结构或特征包括在本发明的至少一个实施例中。因此在本说明书的各个位置出现的短语“在一个实施例中”或“在实施例中”不一定全都是指同一个实施例。而且，在一个或多个实施例中可以以任何合适的方式组合这些特定部件、结构或特征。应该理解，以下附图没有按比例绘制；而这些附图只是为了举例说明的目的。
[0029]图1是根据本发明的各方面制造迹线上凸块结构的方法2的流程图。参照图1,方法2包括框4，其中提供第一封装部件。第一封装部件具有在第一封装部件表面上形成的第一金属迹线和第二金属迹线。方法2包括框6，其中在第一封装部件上方形成覆盖第一封装部件的顶面、第一金属迹线和第二金属迹线的焊接掩模层。方法2包括框8，其中在焊接掩模层中形成暴露第一金属迹线的开口。方法2包括框10，其中提供第二封装部件。在第一封装部件的上方设置第二封装部件，第二封装部件包括具有金属凸块和接合到金属凸块的焊料凸块的互连件。方法2包括框12，其中焊料凸块与位于焊接掩模层的开口中的第一金属迹线接触。
[0030]应该理解，可以在图1所示的框4至框12之前、期间或之后实施额外的工艺以便完成迹线上凸块结构的制造，但是为了简明起见，在此不再详细论述这些额外的工艺。
[0031]图2至图5是根据图1的方法2的各个实施例在各个制造阶段的迹线上凸块封装结构的一部分的截面图。本领域普通技术人员应该理解，为了更好地理解本发明的发明构思将图2至图5简化了。
[0032]图2是根据本发明的一个实施例的迹线上凸块封装结构的截面图。迹线上凸块封装结构包括第一封装部件20。第一封装部件20可以是封装衬底，并因此在下文中被可选地称为封装衬底20。可选地，第一封装部件20可以是诸如硅衬底的半导体衬底，但其可以包括其它半导体材料、晶圆、中介层或其它类型的封装部件。接合到封装衬底20的底面的多个球30可以形成用于连接到另一封装部件的球栅阵列(BGA)。
[0033]在封装衬底20的表面上形成金属迹线40。金属迹线40可以用于扩展管芯的印迹。迹线的宽度或直径可以约等于焊料球(或焊料凸块)的直径，或者可以比焊料球(或焊料凸块)的直径窄2至4倍。例如，金属迹线40可以具有介于约ΙΟμπι和40μπι之间的线宽以及介于约30 μ m和70 μ m的迹线间距P。金属迹线40可以是楔形的并且可以呈直线形、折线形或弯曲线形。金属迹线40的末端的形状可以与金属迹线的主体的形状不同。金属迹线的主体可以具有基本上不变的厚度。金属迹线40的长度可以大大地长于焊料球(或焊料凸块)的直径。图2还示出接近或邻近金属迹线40形成的相邻的金属迹线45。金属迹线40和相邻的金属迹线45之间的间距可以介于约10 μ m和约40 μ m之间。在封装衬底20上可以有多条金属迹线40和45。
[0034]金属迹线40和45可以包含诸如铜、铜合金、铝、铝合金的导电材料，或者诸如钨、镍、钯、金、金属硅化物和/或它们的合金的其它导电材料。
[0035]可以将焊剂(未示出)涂敷到金属迹线40和45。焊剂主要用于帮助焊料流动，从而使得后来形成的焊料凸块(或焊料球)与封装衬底上的金属迹线40形成足以在金属迹线和焊料凸块之间可靠地导电的电接触。可以以各种方法(包括刷涂或喷涂)中的任意一种来涂敷焊剂。
[0036]仍参照图2，迹线上凸块封装结构包括在封装衬底20的顶面、金属迹线40和相邻的金属迹线45上形成的介电掩模层50。介电掩模层50可以是焊接掩模层，并因此在下文中被可选地称为焊接掩模层50。焊接掩模层50可以执行多种功能，包括在位于衬底上的金属迹线之间提供电绝缘、耐受或防护化学品和腐蚀，机械支撑迹线上凸块结构，以及提高电介质可靠性。例如，如下面将要说明的，焊接掩模层50还阻止焊料凸块90(图4所示)桥接到相邻的金属迹线45，这种桥接是由金属凸块偏移或者封装衬底20和诸如器件管芯70(见图4)的另一封装部件之间的热膨胀系数(CTE)不匹配引起的。
[0037]可以通过将湿膜网印到封装衬底20的表面上然后通过烤箱烘焙来固化湿膜，一步形成焊接掩模层50。焊接掩模层50的厚度可以是约30至40微米(通常为35微米左右)。焊接掩模层50可以包含聚合物、环氧树脂和/或与焊料不发生反应的介电材料。
[0038]可以在焊接掩模层中形成开口以暴露用于与诸如焊料凸块90 (见图4)的互连件接合的选定金属迹线。根据图3所示的一个实施例，在焊接掩模层50中形成开口 60以暴露金属迹线40但不暴露相邻的金属迹线45。应该理解，可以在焊接掩模层中形成任何数量和/或组合的开口，通过这些开口暴露相应的金属迹线。在一个实施例中，焊接掩模层50由光可界定的材料(photodefinable material)构成，并且通过光刻胶图案化技术进行图案化以形成开口 60。在一些实施例中，通过激光钻孔焊接掩模层50形成开口 60。开口 60可以足够大从而使得诸如焊料凸块90的互连件可以直接在开口中所包含的金属迹线40上接合。例如，开口 60的尺寸基本等于焊料凸块90的直径。用于容纳焊料凸块90的较宽的开口可以增加焊料凸块和迹线之间的连接强度。开口的尺寸是灵活的并可以随着用于连接相应的金属迹线的焊料凸块的尺寸而变化。
[0039]现参照图4，迹线上凸块封装结构包括第二封装部件70，第一封装部件20通过焊料凸块90接合到第二封装部件70。第二封装部件70可以是其中包括有源器件的器件管芯，并因此在下文中被可选地称为器件管芯70。器件管芯70可以是存储管芯或任何其它功能管芯。可选地，第一封装部件20可以是衬底、晶圆、中介层或其它类型的封装部件。
[0040]翻转器件管芯70使其面对封装衬底20，从而通过多个互连件75将器件管芯70连接到封装衬底20。在至少一个实施例中，多个互连件75中的每一个互连件都包括金属凸块80和焊料凸块90。在其它实施例中，互连件75包括其它连接件。互连件75可以形成各种形状，诸如圆形、八边形、矩形、伸长的六边形(在该伸长的六边形的相对端部上具有两个梯形)、椭圆形、菱形等。
[0041]金属凸块80可以包括铜柱凸块。然而，柱形凸块材料不应仅限于铜。适用于金属凸块80的其它材料的实例包括铝、铝/硅/铜合金、钛、氮化钛、钨、多晶硅、金属硅化物(诸如硅化镍、硅化钴、硅化钨、硅化钽、硅化钛、硅化钼、硅化钯或它们的组合)、铜、铜合金、钛、氮化钛、钽、氮化钽、钨、多晶硅和它们的组合。
[0042]如图5所示，设置金属凸块80以上覆封装衬底20上的金属迹线40 (与相邻的金属迹线45的一侧具有最小的凸块到迹线距离95)，从而使得焊料凸块90接触开口 60中的金属迹线40以形成迹线上凸块连接。在至少一个实施例中，可以在金属凸块80上形成焊料凸块90，例如，通过在金属凸块80的顶部上镀焊料层，然后施加热以回流焊料层来形成焊料凸块90。在至少一个实施例中，可以施加热到约220°C的温度。焊料层可以包含铅或者不包含铅。焊接材料的实例包括锡、铜、银、铋、铟、锌、锑、Sn-Ag-CiuAg-Cu-Zn和Sn-Ag-Cu-Mn以及具有痕量其它金属的合金。在焊料凸块90是锡焊料凸块的至少一个实施例中，可以首先通过诸如蒸发、电镀、印刷、焊料转移或球置放的方法形成厚度为例如约15 μ m的锡层，然后实施回流以将材料塑造成期望的凸块形状来形成焊料凸块90。可以可选地利用任何合适的生产焊料凸块90的方法。
[0043]返回参照图4，金属凸块80和相邻的迹线45之间的间距95是足以提供短路保护的最小的凸块到迹线距离。然而，在最小凸块到迹线的位置经常发生焊料凸块桥接到相邻的金属迹线。焊接掩模层50将焊料凸块90限制在开口 60中，进行与金属迹线40的接触，并且阻止焊料凸块90接触相邻的金属迹线，诸如相邻的金属迹线45。开口 60还限定熔化焊料在金属迹线40处的轮廓并且焊料流动受到焊接掩模层50的限制，例如受到焊接掩模层50中开口 60的宽度的限制。
[0044]在器件管芯70接合到封装衬底20之后，可以将底部填料(例如热固性环氧树脂)或模塑底部填料(MUF)(未示出)分散在封装衬底20和器件管芯70之间的间隙中，并且可以接触金属迹线40和45。底部填料产生机械接合且电接合的半导体芯片组件。
[0045]图2至图5中所示的迹线上凸块封装结构仅作举例说明之用而不用于限制。可以想到其他实施例。
[0046]本发明的一个或多个实施例的优点可以包括以下的一点或多点:
[0047]在一个或多个实施例中，焊接掩模层阻止焊料凸块在最小凸块到迹线的位置桥接到相邻的金属迹线，这种桥接可能是由金属凸块偏移或者第一封装部件和第二封装部件之间的热膨胀系数(CTE)不匹配引起的。
[0048]在一个或多个实施例中，迹线上凸块结构降低了焊料桥接的风险。
[0049]在一个或多个实施例中，在迹线上凸块封装结构中能够实现细间距金属凸块。
[0050]在一个或多个实施例中，焊接掩模层在衬底上的金属迹线之间提供电绝缘，耐受或防护化学品和腐蚀，机械支撑迹线上凸块结构，以及提高电介质可靠性。
[0051]本发明描述了各种不例性实施例。根据一个实施例，一种器件包括第一封装部件。第一金属迹线和第二金属迹线形成在第一封装部件的表面上。介电掩模层覆盖第一封装部件的顶面、第一金属迹线和第二金属迹线，其中在介电掩模层中具有暴露第一金属迹线的开口。该器件还包括第二封装部件和在第二封装部件上形成的互连件。该互连件包括金属凸块和焊料凸块，焊料凸块形成在金属凸块上。焊料凸块接触位于介电掩模层的开口中的第一金属迹线。
[0052]根据另一实施例，迹线上凸块封装结构包括第一封装部件。第一金属迹线和第二金属迹线形成在第一封装部件的表面上。焊接掩模层覆盖第一封装部件的顶面、第一金属迹线和第二金属迹线，其中在焊接掩模层中具有暴露第一金属迹线的开口。迹线上凸块封装结构还包括设置在第一封装部件上方的第二封装部件。第二封装部件包括具有铜柱凸块和焊料凸块的互连件，焊料凸块接合到铜柱凸块。焊料凸块接触位于介电掩模层的开口中的第一金属迹线。
[0053]根据又一实施例，一种制造器件的方法包括:提供第一封装部件，该第一封装部件具有在第一封装部件的表面上形成的第一金属迹线和第二金属迹线。形成覆盖第一封装部件的顶面、第一金属迹线和第二金属迹线的焊接掩模层。在焊接掩模层中形成暴露第一金属迹线的开口。在第一封装部件上方设置第二封装部件，其中第二封装部件包括具有金属凸块和焊料凸块的互连件，焊料凸块接合到金属凸块。使焊料凸块接触位于焊接掩模层的开口中的第一金属迹线。
[0054]在前述的详细说明中，描述了具体的示例性实施例。然而，对本领域的普通技术人员来说，在不背离本发明的较广泛的构思和范围的情况下做出各种修改、结构、处理和改变将是显而易见的。因此，说明书和附图被视为是示例性的而不是限制性的。应该理解，本发明的实施例能够使用各种其它组合和环境，并且能够在权利要求的范围内做出变化或修改。
【权利要求】
1.一种器件，包括: 第一封装部件； 第一金属迹线和第二金属迹线，位于所述第一封装部件的顶面上； 介电掩模层，覆盖所述第一封装部件的顶面、所述第一金属迹线和所述第二金属迹线，其中，在所述介电掩模层中具有暴露所述第一金属迹线但不暴露所述第二金属迹线的开Π ； 第二封装部件；以及 互连件，形成在所述第二封装部件上，所述互连件具有金属凸块和形成在所述金属凸块上的焊料凸块，其中所述焊料凸块接触位于所述介电掩模层的开口中的所述第一金属迹线。
2.根据权利要求1所述的器件，其中，所述第一封装部件包括封装衬底，所述第二封装部件包括器件管芯。
3.根据权利要求1所述的器件，其中，所述第一金属迹线和所述第二金属迹线包含选自由铜、铜合金、铝、铝合金、钨、钨合金、镍、镍合金、钯、钯合金、金、以及它们的合金所组成的组中的材料。
4.根据权利要求1所述的器件，其中，所述第二金属迹线邻近所述第一金属迹线和/或所述第二金属迹线基本平行于所述第一金属迹线。
5.根据权利要求1所述的器件，其中，所述介电掩模层包括焊接掩模层。
6.根据权利要求1所述的器件，其中，所述金属凸块包括铜柱凸块。
7.根据权利要求1所述的器件，还包括:位于所述第一封装部件和所述第二封装部件之间的间隙中的底部填料。
8.一种迹线上凸块封装结构，包括: 第一封装部件； 第一金属迹线和第二金属迹线，形成在所述第一封装部件的顶面上； 焊接掩模层，覆盖所述第一封装部件的顶面、所述第一金属迹线和所述第二金属迹线，其中，在所述焊接掩模层中具有暴露所述第一金属迹线的开口 ；以及 第二封装部件，设置在所述第一封装部件的上方，其中，所述第二封装部件包括具有铜柱凸块和接合到所述铜柱凸块的焊料凸块的互连件，所述焊料凸块接触位于所述介电掩模层的开口中的所述第一金属迹线但不接触所述第二金属迹线。
9.一种制造器件的方法，包括: 提供第一封装部件，所述第一封装部件具有在所述第一封装部件的表面上形成的第一金属迹线和第二金属迹线； 形成焊接掩模层以覆盖所述第一封装部件的顶面、所述第一金属迹线和所述第二金属迹线； 在所述焊接掩模层中形成暴露所述第一金属迹线的开口； 提供设置在所述第一封装部件上方的第二封装部件，其中，所述第二封装部件包括具有金属凸块和接合到所述金属凸块的焊料凸块的互连件；以及 使所述焊料凸块接触位于所述焊接掩模层的开口中的所述第一金属迹线。
10.根据权利要求9所述的方法，其中，使所述焊料凸块接触所述第一金属迹线包括熔化所述焊料凸块以形成接触所述第一金属迹线的焊料，所述焊接掩模层将所述焊料限制在所述开口中，并且所述 开口限定熔化的所述焊料在所述第一金属迹线处的轮廓。
【文档编号】H01L21/60GK103545278SQ201210377454
【公开日】2014年1月29日 申请日期:2012年10月8日 优先权日:2012年7月9日
【发明者】陈孟泽, 林威宏, 林志伟, 黄贵伟, 黄晖闵, 郑明达, 刘重希 申请人:台湾积体电路制造股份有限公司