一种提高产品可靠性的凸块结构及其制备方法
【专利摘要】本发明公开了一种提高产品可靠性的凸块结构及其制备方法，属于半导体封装【技术领域】。本发明包括表面设置有芯片电极（110）的硅基体（101），所述硅基体（101）的上表面附着有芯片表面钝化层（120），并在芯片电极（110）的上方设置有芯片表面钝化层开口（121），所述芯片表面钝化层开口（121）露出芯片电极（110）的表面，所述芯片表面钝化层开口（121）的内壁以及裸露的芯片电极（110）的表面设置金属溅射层（211），所述金属溅射层（211）的表面固定由金属柱（220）、金属帽（230）与金属保护层（301）构成的金属凸块（300）。本发明有效地提高了产品的可靠性、产品的力学性能和产品的成形效率。
【专利说明】一种提高产品可靠性的凸块结构及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种提高产品可靠性的凸块结构及其制备方法，属于半导体封装【技术领域】。
【背景技术】
[0002]随着电子技术的发展，电子产品的系统功能愈加复杂，而对于内部芯片而言，具有更好的可靠性与更短的信号延时成为一个必然的发展趋势。与此同时，由于迎合了这一发展趋势，半导体封装行业凸块技术得以迅速的发展，随着前端半导体集成度的不断提高，凸块结构也由传统的焊锡凸块发展成为更小节距的铜柱凸块。铜柱凸块包括了用以维持倒装后站立高度的铜柱和进行焊接互联的焊锡帽，其通常是通过电镀的方式来制备。但是，这种铜柱凸块结构在制备和使用中还存在如下的一些问题:
1、铜柱表面由于与空气接触后较容易被空气氧化生成金属氧化物，这种疏松的氧化物会导致铜柱与底填材料或塑封料分层，从而降低产品的可靠性；
2、焊锡在铜表面具有很好的润湿性，当芯片表面形成的凸块结构在倒装回流焊的时候，由于铜柱较好的润湿性，锡帽部分的锡会沿着铜块侧壁向上攀附，形成蘑菇状的焊锡团，由于焊锡往上攀附，导致下方锡帽的高度降低，当倒装在基板上时，锡帽因没有足够的焊锡量与基板上的引脚形成回路，从而出现虚焊现象。对于复杂的芯片结构，由于凸块结构数较多，出现虚焊的可能性就更高，产品的可靠性将急剧降低；
3、传统的焊锡帽由纯锡或二元锡基合金材料通过电镀方式形成。其中，使用纯锡材料生成的焊锡帽，其熔点较高，一般232° C左右，具有不同的热膨胀系数的基板、凸块、芯片硅基等对象在温度越高的工艺条件下产生的应力会越大，由于热膨胀导致的凸块与基板尺寸的变化，使得倒装工艺的精度难以控制，另外，纯锡的力学性能并不好，影响产品的可靠性；而使用二元锡基合金生成的焊锡帽，其熔点稍低，力学性能更佳，但是其电镀工艺却较难控制，镀液成本较高，而产品成型效率较低。另外，力学性能更好的多元锡基合金更是难以通过电镀的方式生成。
【发明内容】
[0003]本发明的目的在于克服上述现有凸块结构的不足，提供一种提高产品可靠性的凸块结构及其制备方法，提高产品的成型效率和产品的力学性能。
[0004]本发明是这样实现的:
本发明一种提高产品可靠性的凸块结构，其包括表面设置有芯片电极的硅基体，所述硅基体的上表面附着有芯片表面钝化层，并在芯片电极的上方设置有芯片表面钝化层开口，所述芯片表面钝化层开口露出芯片电极的表面。
[0005]本发明所述芯片表面钝化层开口的内壁以及裸露的芯片电极的表面设置金属溅射层，所述金属溅射层的表面固定连接金属凸块，所述金属凸块包括金属柱、金属帽与金属保护层，所述金属柱与金属溅射层的表面固连，所述金属帽设置于金属柱的顶端，所述金属保护层设置于金属柱的外侧壁。
[0006]进一步地，所述金属保护层的材质为N1、Ni/Au或Ni/Pd/Au。
[0007]进一步地，所述金属保护层的厚度为2 μ m±0.1 μ m。
[0008]本发明一种提高产品可靠性的凸块结构的制备方法，包括以下工艺过程:
步骤一、提供表面设置有芯片电极的硅基体，所述硅基体的上表面附着有芯片表面钝
化层，所述芯片电极的上方设置的芯片表面钝化层开口露出芯片电极的表面；
步骤二、在芯片表面钝化层的上表面和芯片表面钝化层开口的内壁、以及裸露的芯片电极的表面通过溅射工艺覆盖金属溅射层，所述金属溅射层位于芯片电极的正上方且不超出芯片电极的垂直范围，所述金属溅射层为金属溅射层的水平延展部分；
步骤三、在金属溅射层的上表面涂覆达到预设高度的光刻胶，通过光刻工艺去除芯片表面钝化层开口正上方的光刻胶，形成光刻胶图形开口，在光刻胶图形开口中通过电镀工艺依次形成金属柱和金属柱顶端的金属锡柱；
步骤四、通过腐蚀去胶工艺，去除剩余的光刻胶和金属柱周边的金属溅射层；
步骤五、通过化学镀工艺，在金属柱和金属锡柱的外表面同时形成金属保护层，所述金属保护层位于金属柱的外表面，所述金属保护层位于金属锡柱的外表面；
步骤六、金属锡柱与金属锡柱表面的金属保护层通过回流工艺形成金属帽。
[0009]进一步地，所述金属保护层的厚度为2 μ m±0.1 μ m。
`[0010]进一步地,所述金属保护层的材质为N1、Ni/Au或Ni/Pd/Au。
[0011]进一步地，所述金属保护层占金属帽的比重为3%~5%。
[0012]进一步地，所述金属锡柱与金属保护层的比重为96%:4%。
[0013]本发明的有益效果是:
1、在金属柱的外表面增加惰性金属材质的金属保护层，避免了裸露在空气的金属柱，如铜柱，被空气氧化，提高了产品的可靠性；
2、金属保护层的材质为N1、Ni/Au或Ni/Pd/Au，其不具有润湿性，避免了在后续应用过程中的虚焊问题，提高了产品的可靠性；
3、金属帽是金属合金，其掺杂了部分金属保护层的成分，如N1、Pd、Au中的一种或几种组合，相比纯锡或传统的二元锡基合金材料而言，其降低了熔点，提升了工艺稳定性与产品倒装精度，且本结构具有更好的力学性能，因此有效地提高了产品的可靠性；另外通过电镀工艺结合回流工艺实现了使用力学性能更好的多元锡基合金生成金属帽的目的，工艺简单，提闻了广品的成形效率。
【专利附图】
【附图说明】
[0014]图1为本发明一种提高产品可靠性的凸块结构的制备方法的工艺流程示意图。
[0015]图2为本发明一种提高产品可靠性的凸块结构的实施例的示意图。
[0016]图3至图9为图2实施例的制备方法的工艺过程示意图。
[0017]其中:
硅基体101 芯片电极110
芯片表面钝化层120 芯片表面钝化层开口 121 金属溅射层211、212 金属凸块300 金属柱220 金属锡柱231 金属帽230 金属保护层301、302 光刻胶图形开口 400。
【具体实施方式】
[0018]参见图1，为本发明一种提高产品可靠性的凸块结构的制备方法的工艺流程示意图。
[0019]现在将在下文中参照附图更加充分地描述本发明，在附图中示出了本发明的示例性实施例，从而本公开将本发明的范围充分地传达给本领域的技术人员。然而，本发明可以以许多不同的形式实现，并且不应被解释为限制于这里阐述的实施例。
[0020]参见图2，本发明涉及一种提高产品可靠性的凸块结构，其包括表面设置有芯片电极110的硅基体101，硅基体101的上表面附着有芯片表面钝化层120，并在芯片电极110的上方设置有芯片表面钝化层开口 121，芯片表面钝化层开口 121露出芯片电极110的表面，芯片表面钝化层开口 121的内壁以及裸露的芯片电极110的表面设置金属溅射层211，金属溅射层211的表面固定连接金属凸块300。金属凸块300包括与金属溅射层211的表面固连的金属柱220、设置于金属柱220的顶端的金属帽230，以及设置于金属柱220的外侧壁的金属保护层301。金属保护层301的厚度为2μπι±0.1ym,材质为N1、Ni/Au或Ni/Pd/Au。通常金属柱220为具有优越的导电性能、导热性能和可靠性的铜柱。金属帽230为Sn/N1、Sn/Ni/Au合金或Sn/Ni/Pd/Au合金，其中Sn的比重不小于95%。使用时，本发明的金属凸块300倒装至基板上，金属帽230通过回流工艺与基板固连。
[0021]本发明一种提高产品可靠性的凸块结构的的制备方法的实现过程如下:
如图3所不，提供表面设置有芯片电极110的娃基体101,娃基体101的上表面附着有芯片表面钝化层120，芯片电极110的上方设置的芯片表面钝化层开口 121露出芯片电极110的表面。
[0022]如图4所示，在芯片表面钝化层120的上表面和芯片表面钝化层开口 121的内壁、以及裸露的芯片电极110的表面通过溅射工艺覆盖金属溅射层211、212，金属溅射层211位于芯片电极110的正上方且不超出芯片电极110的垂直范围，金属溅射层212为金属溅射层211的水平延展部分。
[0023]如图5和图6所示，在金属溅射层211、212的上表面涂覆达到预设高度的光刻胶，一般而言，光刻胶的高度高于后续形成的金属柱220和金属锡柱231之和。通过光刻工艺借助掩模去除芯片表面钝化层开口 121正上方的光刻胶，形成光刻胶图形开口 400，在光刻胶图形开口 400中通过电镀工艺形成达到预设高度的金属柱220，金属柱220的高度不超过光刻胶的高度，在金属柱220的顶端再通过电镀工艺形成金属锡柱231。该步骤的方案也可采用如下工艺:在金属溅射层211、212的上表面涂覆一定高度的光刻胶I，该光刻胶I的高度与后续形成的金属柱220的高度相等，如图5所示；通过光刻工艺借助掩模去除芯片表面钝化层开口 121正上方的光刻胶I，形成光刻胶图形开口 400’，在光刻胶图形开口 400’中通过电镀工艺形成达到预设高度的金属柱220 ;再在光刻胶I和金属柱220的上表面涂覆一定高度的光刻胶II，该光刻胶II的高度与后续形成的金属锡柱231的高度相等；通过光刻工艺借助掩模去除金属柱220的正上方的光刻胶II，形成光刻胶图形开口 400’’，在光刻胶图形开口 400’’中通过电镀工艺形成达到预设高度的金属锡柱231，如图6所示。
[0024]如图7所示，通过腐蚀去胶工艺，去除剩余的光刻胶和金属柱220周边无效的金属溅射层212。
[0025]如图8所示，通过化学镀工艺，在金属柱220和金属锡柱231的外表面同时形成一厚度为2 μ m±0.1 μ m的金属保护层301、302，其材质为N1、Ni/Au或Ni/Pd/Au，金属保护层301位于金属柱220的外表面,金属保护层302位于金属锡柱231的外表面。
[0026]如图9所示，金属锡柱231与金属锡柱231表面的金属保护层302通过回流工艺形成金属柱220顶端的金属帽230，因此金属帽230的材质为Sn/N1、Sn/Ni/Au合金或Sn/Ni/Pd/Au合金，其中金属保护层302占金属帽230的比重为3%~5%，特别地，金属锡柱231与金属保护层302的比重为96%:4%。金属保护层302中的N1、Pd、Au中的一种或任意几种与金属锡柱231的Sn组合形成的多元锡基合金增强了金属帽230的力学性能，同时有助于降低金属帽230的熔点，据测算，本发明的凸块结构中的金属帽230的熔点约215° C，有效地克服了热膨胀导致的凸块与基板尺寸的变化缺陷，提高了倒装工艺的精度，从而提高了产品的可靠性。
[0027]本发明一种提高产品可靠性的凸块结构及其制备方法不限于上述优选实施例，因此任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何修改、等同变化及修饰，均`落入本发明权利要求所界定的保护范围内。
【权利要求】
1.一种提高产品可靠性的凸块结构，其包括表面设置有芯片电极(110)的娃基体(101)，所述硅基体(101)的上表面附着有芯片表面钝化层(120)，并在芯片电极(110)的上方设置有芯片表面钝化层开口( 121 )，所述芯片表面钝化层开口( 121)露出芯片电极(110)的表面， 其特征在于:所述芯片表面钝化层开口(121)的内壁以及裸露的芯片电极(110)的表面设置金属溅射层(211)，所述金属溅射层(211)的表面固定连接金属凸块(300)，所述金属凸块(300 )包括金属柱(220 )、金属帽(230 )与金属保护层(301)，所述金属柱(220 )与金属溅射层(211)的表面固连，所述金属帽(230)设置于金属柱(220)的顶端，所述金属保护层(301)设置于金属柱(220)的外侧壁。
2.根据权利要求1所述的一种提高产品可靠性的凸块结构，其特征在于:所述金属保护层(301)的材质为 N1、Ni/Au 或 Ni/Pd/Au。
3.根据权利要求1或2所述的一种提高产品可靠性的凸块结构，其特征在于:所述金属保护层(301)的厚度为2μπι±0.Ιμπι。
4.一种提高产品可靠性的凸块结构的制备方法，包括以下工艺过程: 步骤一、提供表面设置有芯片电极(110)的硅基体(101)，所述硅基体(101)的上表面附着有芯片表面钝化层(120)，所述芯片电极(110)的上方设置的芯片表面钝化层开口(121)露出芯片电极(110)的表面； 步骤二、在芯片表面钝化层(120)的上表面和芯片表面钝化层开口( 121)的内壁、以及裸露的芯片电极(110)的表面通过溅射工艺覆盖金属溅射层(211、212)，所述金属溅射层(211)位于芯片电极(110)的正上方且不超出芯片电极(110)的垂直范围，所述金属溅射层 (212)为金属溅射层(211)的水平延展部分； 步骤三、在金属溅射层(211、212)的上表面涂覆达到预设高度的光刻胶，通过光刻工艺去除芯片表面钝化层开口(121)正上方的光刻胶，形成光刻胶图形开口(400)，在光刻胶图形开口(400)中通过电镀工艺依次形成金属柱(220)和金属柱(220)顶端的金属锡柱(231)； 步骤四、通过腐蚀去胶工艺，去除剩余的光刻胶和金属柱(220)周边的金属溅射层(212)； 步骤五、通过化学镀工艺，在金属柱(220)和金属锡柱(231)的外表面同时形成金属保护层(301、302)，所述金属保护层(301)位于金属柱(220)的外表面，所述金属保护层(302)位于金属锡柱(231)的外表面； 步骤六、金属锡柱(231)与金属锡柱(231)外表面的金属保护层(302)通过回流工艺形成金属帽(230)。
5.根据权利要求4所述的一种提高产品可靠性的凸块结构的制备方法，其特征在于:所述金属保护层(301、302)的厚度为2 μ m±0.Ιμπι。
6.根据权利要求4或5所述的一种提高产品可靠性的凸块结构的制备方法，其特征在于:所述金属保护层(301、302)的材质为N1、Ni/Au或Ni/Pd/Au。
7.根据权利要求6所述的一 种提高产品可靠性的凸块结构的制备方法，其特征在于:所述金属保护层(302)占金属帽(230)的比重为3%~5%。
8.根据权利要求7所述的一种提高产品可靠性的凸块结构的制备方法，其特征在于:所述金属锡 柱(231)与金属保护层(302)的比重为96%:4%。
【文档编号】H01L21/60GK103872003SQ201410121532
【公开日】2014年6月18日 申请日期:2014年3月28日 优先权日:2014年3月28日
【发明者】郭洪岩, 张爱兵, 张黎, 赖志明, 陈锦辉 申请人:江阴长电先进封装有限公司