双层底充胶填充的铜凸点封装互连结构及方法
【专利摘要】本发明涉及一种双层底充胶填充的铜凸点封装互连结构及方法，其特征在于结构上由双层底充胶填充，第一层在芯片端，在圆片上采用旋涂工艺制作；第二层在基板端，在倒装焊完成以后通过毛细效应进行填充；第一层底充胶的玻璃化温度和杨氏模量较低第二层底充胶的玻璃化温度和杨氏模量；(2)芯片与基板的连接是由铜凸点和含锡焊料凸点两部分构成，实现高密度连接；(3)铜凸点分两次制作，以保证第一层底充胶的完全填充和确保凸点与含锡焊料的足够接触。提供的整个工艺过程与现有IC工艺兼容，有较高的垂直互连密度、较好的电气连接特性、较高的机械稳定性。通过加速热循环等测试可以得出，具有此种封装结构的芯片，寿命得到了较大提高。
【专利说明】双层底充胶填充的铜凸点封装互连结构及方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种双层底充胶填充的铜凸点封装互连结构及方法，属于先进电子封装领域。
【背景技术】
[0002]在倒装焊中需要有凸点连接芯片和基板，由于材料之间的热膨胀系数相差较大，会产生很大的热应力，为了保证凸点的完整性，需要填充底充胶使集中应力得到分散。对于传统的含锡焊料与有机基板，要求底充胶具有较高的玻璃化温度、较大杨氏模量和热膨胀系数。
[0003]随着IC工艺向更小尺寸更高密度方向发展，互连线之间的延迟效应愈来愈受到人们关注，已成为限制芯片性能进一步提高的瓶颈，这就要求采用新的互连材料和互连介质层(ILD, Interlayer Dielectric)。以铜合金作为互连线材料,低介电常数(1w-K)材料作为互连介质层可以很好的提高器件速度，降低功耗。但是和传统的介质层相比，低介电常数材料一般都较脆，有着较高的热膨胀系数和较小的弹性模量，采用低介电常数材料作介质层后，会在芯片和介质层间产生较大的热应力。因此底充胶的作用不仅是保护焊球的完整性，也要保护芯片和介质层。研究表明低玻璃化温度、低弹性模量有利于增强芯片和介质层的可靠性，而较高的玻璃化温度、较高的弹性模量有利于增强焊球和基板的可靠性。
[0004]此外，随着摩尔定律的不断前进，现在硅工艺的特征尺寸已经突破28nm，这也要求封装结构具有更小的凸点尺寸和凸点节距。而采用焊球与芯片、基板直接连接具有很大的局限性，尺寸进一步缩小面临较大的难度。而采用铜凸点连接不仅具有较好的电连接特性，而且在达到更高的密度的同时保持芯片与基板之间的距离，具有较好的应用前景。目前，铜凸点技术已开始逐步推广使用，但由于铜具有较大的杨氏模量，会在芯片端引入较大的应力。目前，业界仍采用传统的方法进行底充胶的填充，并不能使芯片端的应力得以有效地减小，致使铜凸点的可靠性并不是很理想。因此，本发明提出一种双层底充胶填充的结构，可以有效进行应力重分布，提高铜柱凸点的可靠性。
【发明内容】
[0005]本发明的目的在于提供一种双层底充胶填充的铜凸点封装互连结构及方法。为了减小封装互连结构中的热应力，兼顾芯片、互连介质层和基板、焊料对底充胶的不同要求，本发明提出一种双层底充胶填充方法，其中第一层底充胶在芯片端，具有较低的玻璃化温度(低于110°C )，较低的杨氏模量(小于7 X 19Pa)，采用旋涂工艺进行填充，中间电镀有铜凸点；第二层底充胶在基板端，具有较高的玻璃化温度(高于110°C )，较高的杨氏模量(大于7X 19Pa),在芯片、基板、含锡焊料键合完以后，通过毛细效应填充。这种双层底充胶填充的封装结构，更好的实现了热应力的重分布，提高了整体结构的可靠性；同时该结构采用铜凸点与含锡焊料凸点作为机械和电气连接，可实现较高的互连密度，有较好的电气性能。
[0006]本发明所采取的技术方案是:首先利用电镀工艺在凸点下金属(UBM)上电镀铜凸点；接着旋涂第一层底充胶，固化；然后进行化学机械抛光露出铜凸点；接着进行第二次铜凸点电镀；然后划片成分立的芯片。在基板上制作含锡焊料凸点，将划好的芯片贴在基板上，焊接到一块，最后通过毛细效应涂覆第二层底充胶，固化。(详见实施例)。
[0007]本发明的具体工艺步骤如下:
[0008]A.电镀铜凸点
[0009](a)首先在重布线后的芯片表面涂较厚的光刻胶，光刻胶厚度10-30 μ m ；
[0010](b)用制作的好的光刻版进行光刻，通过溅射在侧壁沉积一层很薄的种子层。
[0011](c)电镀铜，去除光刻胶。
[0012]B.涂覆第一层底充胶
[0013](a)在用旋涂法，涂覆第一层底充胶，使底充胶完全覆盖铜凸点。
[0014](b)固化第一层底充胶。
[0015](C)在用化学机械抛光，对涂覆好的表面进行加工，使铜凸点暴露出来。
[0016]C.第二次电镀铜凸点
[0017](a)在步骤B完成的基础上，在露出的铜凸点表面第二次电镀铜，此次厚度较薄，在电镀之前对第一层铜凸点进行溅射清洗，使其完全暴露，其他工艺与A相同。
[0018](b)划片。
[0019]D.芯片与键合和填充第二层底充胶
[0020](a)在基板上制作含锡焊料凸点。可以通过激光植球或者丝网印刷回流工艺。[0021 ] (b)在制作了含锡焊料凸点的基板上涂覆助焊剂。
[0022](c)将步骤C完成的芯片与基板进行倒装焊键合连接。
[0023](d)键合完成后，通过毛细效应进行第二层底充胶的填充，对底充胶进行固化。
[0024]由此可见，本发明提供的工艺步骤特征是:
[0025]①步骤A所述的光刻胶厚度为10-30 μ m ；
[0026]②步骤A电镀铜凸点节距为120 μ m，最小可达50 μ m，甚至更小，UBM开口直径为60 μ m ；
[0027]③步骤A所述的芯片表面暴露出UBM的铜凸点直径20-60 μ m,高为10_30 μ m ；
[0028]④步骤B涂覆第一层底充胶完全覆盖铜凸点，采用的底充胶型号为Henkel HysolFF2300，它的玻璃化温度为81 °C，杨氏模量为2.6 X 19Pa ；
[0029]⑤步骤C第二次电镀铜凸点中电镀层厚度为5-10 μ m ；
[0030]⑥步骤D中所述的涂覆的第二层底充胶采用的底充胶型号为Henkel ABLEFILLUF8829，它的玻璃化温度为122°C，杨氏模量大于7.47 X 19Pa0
[0031]由上述制作工艺提供的双层底充胶填充的铜凸点封装互连结构的特征是:
[0032](I)双层底充胶填充，第一层与芯片接触，在圆片上采用旋涂工艺制作，其具有相对较低玻璃化温度(小于110°C)、较小的杨氏模量(小于7X 19Pa);第二层在倒装焊完成以后通过毛细效应进行填充，其具有较高玻璃化温度(大于110°C )、较大的杨氏模量(大于 7 X 19Pa)。
[0033]具体结构见附图8.其中芯片101与基板108的连接是由铜凸点105和含锡焊料凸点107两部分构成，可实现高密度连接；结构中底充胶分为两次，是由两次填充而成，第一层底充胶106在芯片端，在圆片上采用旋涂工艺制作，此第一层底充胶为玻璃化温度低于110°c的、杨氏模量小于7X 19Pa的底充胶；第二层底充胶109在基板端，在倒装焊完成以后通过毛细效应进行填充，此第二层底充胶为玻璃化高于110°C的、杨氏模量大于7X 19Pa的底充胶。相应的铜凸点105也分两次制作，既可以保证第一层底充胶的完全填充，也可以确保凸点与含锡焊料的足够充分接触。
[0034](2)芯片与基板的连接是由铜凸点和含锡焊料凸点两部分构成，实现高密度过程。
[0035](3)铜凸点分两次制作，既可以保证第一层底充胶的完全填充，也可以确保凸点与含锡焊料的足够接触。
[0036]综上所述，本发明提出一种双层底充胶填充的圆片级封装结构和方法，本发明提出两种不同特性的底充胶填充在芯片和基板之间，在分散凸点集中应力的同时也可以保护互联介质层，并减小互连介质层与硅片之间的应力，增强了整体可靠性。其中芯片和基板通过铜凸点和含锡焊料凸点实现机械和电气连接。在圆片工艺的基础上实现第一层底充胶的涂覆，倒装焊之后进行第二层底充胶涂覆，由于两层底充胶具有不用的特性，分别满足不同接触面的要求，能够较好实现应力重分布，提高整个系统的可靠性与热稳定性。而且，在电镀完的铜凸点与含锡焊料凸点的接触面，可以先电镀一层很薄的铁、镍或铁镍合金层，减小接触电阻和可能产生的空洞，有利于改善电气连接特性和机械稳定性。整个工艺过程与现有IC工艺兼容，能实现较高的垂直互连密度，较高的电气连接特性和较高的机械稳定性。最小节距可达50μπι甚至更小，由于采用铜凸点，电阻较传统的锡基凸点降低40%~60%。此外，通过加速热循环测试表明，经历1500个热循环后(_40°C~125°C )，本发明所述的封装结构的芯片仍能良好工作，所以具有较高的可靠性，提高了使用寿命。相对于目前采用的低介电常数材料作为互连线介质层以及要求，杨氏模量较小的底充胶，充分显示出优越性。
【专利附图】
【附图说明】
[0037]图1是在芯片有源面，涂覆一层较厚的光刻胶。
[0038]图2是在凸点下金属(UBM)对应的位置曝光，显影后在相应位置暴露出UBM。
[0039]图3是在铜凸点位置电镀、去胶形成的铜凸点形状示意图。
[0040]图4是在镀完铜凸点后旋涂第一层底充胶，使其充分完全覆盖铜凸点，固化。
[0041]图5是进行化学机械抛光，使电镀的铜凸点暴露出来。
[0042]图6是电镀第二层铜凸点后的示意图。
[0043]图7是芯片与制作了含锡焊料凸点的基板进行倒装键合。
[0044]图8是利用毛细效应填充第二层底充胶，固化。
[0045]图例说明:
[0046]101:芯片；106:第一层底充胶；
[0047]102:凸点下金属(UBM) ;107:含锡焊料凸点；
[0048]103:纯化层；108:基板；
[0049]104:光刻胶；109:第二层底充胶；
[0050]105:铜。
【具体实施方式】
[0051] 为了能使本发明的优点和积极效果得到充分体现，下面结合附图和实施例对本发明实质性特点和显著的进步作进一步说明。
[0052]图1是在芯片的有源面，涂覆一层较厚的光刻胶104，其中凸点节距为120 μ m，UBM开口直径约为60 μ m，光刻胶厚度约为30 μ m。
[0053]图2是在UBM对应的位置曝光，显影后在相应位置暴露出UBM。
[0054]图3是在铜凸点位置溅射种子层，而后电镀、去胶形成的铜凸点形状示意图。铜凸点直径60 μ m,高30 μ m。
[0055]图4是在镀完铜凸点后旋涂第一层底充胶，使其充分完全覆盖铜凸点，固化。此层底充胶采用的是Henkel Hysol FF2300，具有相对较低的玻璃化温度(81°C)、较小的杨氏模量(2.6 X 19Pa)。
[0056]图5是进行化学机械抛光，使电镀的铜凸点暴露出来。
[0057]图6是电镀第二层铜凸点后的示意图，电镀厚度约为10 μ m。
[0058]图7是芯片与制作了含锡焊料凸点的基板进行倒装键合。
[0059]图8是利用毛细效应填充第二层底充胶，固化。此层底充胶采用的是HenkelABLEFILL UF8829，具有较高的玻璃化温度(122°C )、较大的杨氏模量(大于7.47 X 19Pa)。
【权利要求】
1.一种双层底充胶填充的铜凸点封装互连结构，其特征在于: (1)由双层底充胶填充，第一层在芯片端，在圆片上采用旋涂工艺制作；第二层在基板端，在倒装焊完成以后通过毛细效应进行填充；第一层底充胶的玻璃化温度和杨氏模量较低第二层底充胶的玻璃化温度和杨氏模量； (2)芯片与基板的连接是由铜凸点和含锡焊料凸点两部分构成，实现高密度连接； (3)铜凸点分两次制作，以保证第一层底充胶的完全填充和确保凸点与含锡焊料的足够接触。
2.按权利要求1所述的结构，其特征在于: ①第一层底充胶型号为HenkelHysol FF2300，玻璃化温度为81 °C，杨氏模量为2.6 X 19Pa ； ②第二层底充胶型号为HenkelAB LEFILL UF8829，玻璃化温度为122°C，杨氏模量大于 7.47 X 19Pa0
3.双层底充胶填充的铜凸点封装互连结构的制作方法，其特征在于首先利用电镀工艺在凸点下金属UBM上电镀铜凸点；接着旋涂第一层底充胶，固化；然后进行化学机械抛光露出铜凸点；接着进行第二次铜凸点电镀；随后划片成分立的芯片。其次，在基板上涂覆含锡焊料制作凸点，将划好的芯片贴在基板上，焊接到一块，最后通过毛细效应涂覆第二层底充胶，固化。
4.按权利要求3所述的方法，其特征在于具体工艺步骤为: A.电镀铜凸点 (1)首先在芯片的表面涂较厚的光刻胶； (2)用制作的好的光刻版进行光刻，使芯片表面的UBM暴露，通过溅射在侧壁和底部沉积一层很薄的种子层； (3)电镀铜，去除光刻胶； B.涂覆第一层底充胶 (1)用旋涂法，涂覆第一层底充胶，使底充胶完全覆盖铜凸点； (2)固化第一层底充胶； (3)用化学机械抛光，对涂覆好的表面进行加工，使铜凸点暴露出来； C.第二次电镀铜凸点 (1)在步骤B完成的基础上，在露出的铜凸点表面第二次电镀铜，在电镀之前对第一层铜凸点进行溅射清洗，使其完全暴露，其他工艺与A相同； (2)划片； D.芯片与键合和填充第二层底充胶 (1)在基板上通过激光植球或者丝网印刷回流工艺制作含锡焊料凸点； (2)在制作了含锡焊料凸点的基板上涂覆助焊剂； (3)将步骤C制作的芯片与基板进行倒装焊键合连接，使铜凸点与含锡焊料进行键合； (4)键合完成后，清洗去除残余的助焊剂，最后通过毛细效应进行第二层底充胶的填充，固化。
5.按权利要求4所述的方法，其特征在于在电镀完的铜凸点与含锡焊料凸点的接触石，可先电镀一层薄的铁、镍或铁镍合金，以减少接触电阻。
6.按权利要求3或4所述的方法，其特征在于整个工艺过程与IC工艺兼容。
7.按权利要求4所述的方法，其特征在于:①步骤A所述的光刻胶厚度为10-30μ m ；②步骤A所述的铜凸点节距为50-120μ m, UBM开口直径为60 μ m ;③步骤A所述的铜凸点直径20-60μ m,高为10-30 μ m ；④步骤C所述的第二 次电镀铜凸点中电镀层厚度为5-10μ m。
【文档编号】H01L23/538GK104078431SQ201410300624
【公开日】2014年10月1日 申请日期:2014年6月27日 优先权日:2014年6月27日
【发明者】朱春生, 宁文果, 李桁, 徐高卫, 罗乐 申请人:中国科学院上海微系统与信息技术研究所