晶圆级封装方法
【专利摘要】本发明提供一种晶圆级封装方法，包括：提供衬底，所述衬底表面具有导电金属垫；在所述导电金属垫上形成凸出于衬底表面的金属核；在所述金属核顶面和侧面包覆球下金属层；在所述球下金属层表面形成凸点结构。本发明的有益效果在于：增加了凸点结构与球下金属层之间的结合强度，凸点结构与球下金属层的结构更加稳定，不易发生脱落，进而提升了封装结构的机械稳定程度，并增强了封装结构的热传导性和电传导性。
【专利说明】晶圆级封装方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及半导体封装领域，具体涉及一种晶圆级封装方法。
【背景技术】
[0002]传统技术上，IC芯片与外部电路的连接是通过金属引线键合(Wire Bonding)的方式实现的。
[0003]随着IC芯片特征尺寸的缩小和集成电路规模的扩大，引线键合技术不再适用。晶圆级芯片尺寸封装(Wafer Level Chip Scale Packaging，WLCSP)技术是对整片晶圆进行封装测试后再切割得到单个成品芯片的技术，封装后的芯片尺寸与裸片完全一致。晶圆级芯片尺寸封装技术彻底颠覆了传统封装如陶瓷无引线芯片载具(Ceramic Leadless ChipCarrier)、有机无引线芯片载具(Organic Leadless Chip Carrier)的模式，顺应了市场对微电子产品日益轻、小、短、薄化和低价化要求。经晶圆级芯片尺寸封装技术封装后的芯片尺寸达到了高度微型化，芯片成本随着芯片尺寸的减小和晶圆尺寸的增大而显著降低。晶圆级芯片尺寸封装技术是可以将IC设计、晶圆制造、封装测试、整合为一体的技术，是当前封装领域的热点和未来发展的趋势。
[0004]参考图1为现有技术中的晶圆级芯片尺寸的封装结构的结构示意图，包括:半导体衬底I;位于所述半导体衬底I表面的导电金属垫垫11，位于所述导电金属垫垫11上的球下金属层3，位于所述球下金属层3上的凸点结构2。
[0005]但是，这种凸点结构2与球下金属层3的接触面积小，这使整个封装结构的结合强度较低，容易导致封装结构的机械稳定性降低。例如，有时会发生凸点结构2与球下金属层3部分脱离甚至脱落的情况，同时整个封装结构的电传导性能和热传导性能也会受到影响。
[0006]因此，如何进一步提高凸点凸点结构与球下金属层之间的结合强度，成为本领域技术人员亟待解决的技术问题。
【发明内容】
[0007]本发明解决的问题是提供一种晶圆级封装方法，以尽量提高凸点结构与球下金属层之间的结合强度。
[0008]为解决上述问题，本发明提供一种晶圆级封装方法，包括:
[0009]提供衬底，所述衬底表面具有导电金属垫；
[0010]在所述导电金属垫上形成凸出于衬底表面的金属核；
[0011]在所述金属核的顶面和侧面包覆球下金属层；
[0012]在所述球下金属层表面形成凸点结构。
[0013]可选的，提供衬底的步骤还包括:
[0014]在所述衬底表面形成钝化层，并使所述导电金属垫从所述钝化层中露出。
[0015]可选的，提供衬底的步骤还包括:
[0016]在所述钝化层上形成保护层，并使所述导电金属垫从所述保护层中露出；所述导电金属垫与所述钝化层以及保护层共同形成开口。
[0017]可选的，形成金属核的步骤包括:使所述金属核形成于所述开口底部。
[0018]可选的，所述保护层的材料为聚酰亚胺。
[0019]可选的，形成金属核的步骤包括:
[0020]在所述衬底上形成电镀籽晶层；
[0021]在所述电镀籽晶层上形成光刻胶层；
[0022]去除部分光刻胶以露出对应于导电金属垫位置的电镀籽晶层；
[0023]通过电镀在所述对应于导电金属垫位置的电镀籽晶层上形成所述金属核；
[0024]去除光刻胶层。
[0025]可选的，在所述金属核的顶面和侧面包覆球下金属层的步骤包括:采用电镀的方式形成所述球下金属层。
[0026]可选的，形成凸点结构的步骤包括:采用植球、回流工艺形成所述凸点结构。
[0027]可选的，所述金属核的材料与凸点结构的材料不相同。
[0028]可选的，球下金属层的材料与球下金属层的材料不相同。
[0029]与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下优点:
[0030]通过在所述导电金属垫上形成凸出于衬底表面的金属核；然后在所述金属核的顶面和侧面包覆球下金属层；在此之后，在所述球下金属层表面形成凸点结构。也就是说，包覆有球下金属层的金属核凸出于所述衬底的表面，这增加了凸点结构与球下金属层之间的接触面，因为金属核的顶面和侧面均包覆球下金属层，而现有技术中，球下金属层的上表面接触凸点结构。并且，包覆有球下金属层的金属核的一部分伸入凸点结构，这样增加了凸点结构与球下金属层之间的结合强度，凸点结构与球下金属层的结构更加稳定，不易发生脱落，进而提升了封装结构的机械稳定程度，并增强了封装结构的热传导性和电传导性。
【专利附图】
【附图说明】
[0031]图1是现有的晶圆级芯片尺寸的封装结构的结构示意图；
[0032]图2至图6本发明晶圆级封装方法一实施例中各个步骤的结构示意图。
【具体实施方式】
[0033]现有的晶圆级芯片尺寸的封装结构中凸点结构和球下金属层之间和结合强度不够，这会导致整个封装结构的机械稳定性降低，例如，导致凸点结构从球下金属层部分脱离甚至脱落。同时，封装结构的电传导性能和热传导性能也会受到影响。
[0034]因此，本发明提供一种晶圆级封装方法，包括:
[0035]提供衬底，所述衬底表面具有导电金属垫；在所述导电金属垫上形成凸出于衬底表面的金属核；在所述金属核的顶面和侧面包覆球下金属层；在所述球下金属层表面形成凸点结构。
[0036]为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。
[0037]参考图2至图6本发明的晶圆级封装方法一实施例中各个步骤的结构示意图。
[0038]首先参考图2，提供衬底101。所述衬底101在本实施例中为形成有晶体管等半导体器件的晶圆。
[0039]所述衬底101表面具有导电金属垫102，所述导电金属垫102用于将衬底101中的电路特性引出至衬底101表面，以便于后续封装。
[0040]在本实施例中，提供衬底的步骤还包括在所述衬底101表面还形成有钝化层103，所述钝化层103用于保护衬底101表面。
[0041]所述导电金属垫102从所述钝化层103中露出，这样可以尽量避免钝化层103影响导电金属垫102与后续封装的凸点结构电连接。
[0042]具体的，本实施例中的钝化层103的材料可以是氮化硅、硼硅玻璃、磷硅玻璃或硼磷硅玻璃材料。但是钝化层103的材料为现有技术，本发明对此不作任何限定。
[0043]在本实施例中，所述钝化层103的厚度在I?2微米的范围内。但是这仅是一个示例，本发明对所述钝化层103的厚度不作限定，而是应当根据实际情况而定。
[0044]结合参考图3，在本实施例中，提供衬底101的步骤还包括在所述钝化层103上形成保护层104。
[0045]所述保护层104可以进一步对衬底101以及衬底101上的钝化层103进行保护，因为通常情况下，钝化层103的质地比较脆(例如，本实施例中氮化硅、硼硅玻璃、磷硅玻璃或硼磷硅玻璃材料的钝化层103)，容易发生破损，所以在钝化层103上再形成一层保护层104有利于保护衬底101以及钝化层103。
[0046]此外，所述保护层104还可以起到平坦化钝化层103表面的作用。因为一般情况下，钝化层103的厚度较小，且衬底101的表面有时会具有较多的凹凸(例如，衬底101表面形成的一些半导体器件)，也就是说，覆盖钝化层103后，衬底101表面仍然可能凹凸不平，这不利于后续球下金属层和凸点结构的形成。因此，形成保护层104可以平坦化衬底101的表面，进而方便后续的球下金属层和凸点结构的形成。
[0047]在形成保护层104时使所述导电金属垫102从所述保护层104中露出，以尽量避免保护层104影响导电金属垫102与后续封装的凸点结构电连接。
[0048]所述导电金属垫102与所述钝化层103以及保护层104共同形成开口。
[0049]在本实施例中，形成聚酰亚胺材料的保护层104。这种材料具有较好的弹性，且质地较为坚硬，进一步有利于保护衬底101以及钝化层103。
[0050]在本实施例中，形成厚度为4?6微米的保护层104，在此厚度范围内有利于填平覆盖有钝化层103的衬底101表面，同时又不至于过厚而过度增加整个封装结构的体积。
[0051]在这之后，参考图4，在所述导电金属垫102上形成凸出于衬底101表面的金属核
105;所述金属核105用于增加后续形成的凸点结构与球下金属层之间的结合强度，因为所述金属核105凸出于衬底101表面，同时后续形成的球下金属层包覆在所述金属核105的顶面和侧面，因此球下金属层与凸点结构之间的接触面增加，且球下金属层伸入凸点结构内部，这样增加了凸点结构与球下金属层之间的结合强度，凸点结构与球下金属层的结构更加稳定，不易发生脱落，进而提升了封装结构的机械稳定程度，并增强了封装结构的热传导性和电传导性。
[0052]由于本实施例中，在所述衬底101表面形成有保护层104，且所述导电金属垫102与所述钝化层103以及保护层104共同形成开口，所以在本实施例中，应当使所述金属核105形成于所述开口底部。
[0053]在本实施例中，使所述金属核105的表面不低于所述保护层104的表面，这样后续形成的球下金属层表面的各个部分均不至于低于保护层104的表面或者与保护层104的表面齐平，而是可以凸出于保护层104的表面，进而达到上述的使球下金属层伸入凸点结构内部的目的。
[0054]具体的，在本实施例中，采用以下方式形成所述金属核105:
[0055]在所述衬底101上形成电镀籽晶层；具体的，可以采用溅射沉积的方式形成所述电镀籽晶层，但是本发明对此不作限定。
[0056]在所述电镀籽晶层上形成光刻胶层；所述光刻胶层用于对对应于不需要形成金属核105部分的镀籽晶层进行遮挡。
[0057]去除部分光刻胶以露出对应于导电金属垫102位置的电镀籽晶层；
[0058]对衬底101表面进行电镀，以在所述对应于导电金属垫102位置的电镀籽晶层上形成所述金属核105 ；
[0059]在这之后，去除光刻胶层。
[0060]在本实施例中，可以形成铜、金、银、锡、或者镍材料的金属核105。
[0061]参考图5，在形成所述金属核105之后，在所述金属核105的顶面和侧面包覆球下金属层106 ;所述球下金属层106用于定义后续形成的凸点结构的位置。
[0062]如前文所述，球下金属层106包覆在金属核105的顶面和侧面，也就是说，包覆有球下金属层106的金属核105也凸出于所述保护层104的表面，这样增加了后续形成的凸点结构与球下金属层106之间的接触面，且包覆有球下金属层106的金属核105的一部分伸入凸点结构，这样增加了凸点结构与球下金属层106之间的结合强度，凸点结构与球下金属层106的结构更加稳定，不易发生脱落，进而提升了封装结构的机械稳定程度，并增强了封装结构的热传导性和电传导性。
[0063]在本实施例中，所述球下金属层106可以通过电镀的方式形成。
[0064]在本实施例中，形成铜、金、银、锡、或者镍材料的球下金属层106。
[0065]进一步，在本实施例中，使形成的球下金属层106的材料与所述金属核105的材料不同，这样的好处在于，不同的金属材料相接触，两种金属材料的原子会相互扩散，进而在两种金属材料的接触面可形成介面合金共化物层(Intermetallic Compound, IMC)，进一步有利于增加两种金属之间的结合强度，也就是进一步增加球下金属层106与金属核105的结合强度。
[0066]参考图6，在形成球下金属层106之后，在所述球下金属层106表面形成凸点结构107。
[0067]在本实施例中，所述凸点结构107为球形凸点结构(也就是焊球)。但是本发明对此不作限定，所述凸点结构107还可以是其他结构，例如柱形结构。
[0068]在本实施例中，采用植球、回流工艺形成所述凸点结构107。
[0069]在本实施例中，形成铜、金、银、锡、或者镍材料的凸点结构107。
[0070]本实施例中使球下金属层106的材料与凸点结构107的材料不相同。与前文球下金属层106与金属核105材料不同的原因相同，球下金属层106的材料与凸点结构107的材料不同可以在两者的接触面形成介面合金共化物层，进而进一步增加两者之间的结合强度。
[0071]此外，本发明还提供一种封装结构，参考图6为本发明的封装结构一实施例的结构示意图。在本实施例中，所述封装结构包括以下结构:
[0072]衬底101，所述衬底101表面具有导电金属垫102 ;所述导电金属垫102用于将衬底101中的电路特性引出至衬底101表面以便于封装。
[0073]在本实施例中，所述衬底101表面具有钝化层103，所述钝化层103用于保护衬底101表面。
[0074]所述导电金属垫102从所述钝化层103中露出，这样可以尽量避免钝化层103影响导电金属垫102与后续封装的凸点结构107电连接。
[0075]具体的，本实施例中的钝化层103的材料可以是氮化硅、硼硅玻璃、磷硅玻璃或硼磷硅玻璃材料。但是钝化层103的材料为现有技术，本发明对此不作任何限定。
[0076]在本实施例中，所述钝化层103的厚度在I?2微米的范围内。但是这仅是一个示例，本发明对所述钝化层103的厚度不作限定，而是应当根据实际情况而定。
[0077]在本实施例中，所述钝化层103上还形成有保护层104，所述保护层104可以进一步对衬底101以及衬底101上的钝化层103进行保护，因为通常情况下，钝化层103的质地比较脆(例如，本实施例中氮化硅、硼硅玻璃、磷硅玻璃或硼磷硅玻璃材料的钝化层103)，容易发生破损，所以在钝化层103上再形成一层保护层104有利于保护衬底101以及钝化层 103。
[0078]此外，所述保护层104还可以起到平坦化钝化层103表面的作用。因为一般情况下，钝化层103的厚度较小，且衬底101的表面有时会具有较多的凹凸(例如，衬底101表面形成的一些半导体器件)，也就是说，覆盖钝化层103后，衬底101表面仍然可能凹凸不平，这不利于球下金属层106和凸点结构107的形成。因此，保护层104可以平坦化衬底101的表面，进而方便后续的球下金属层106和凸点结构107的形成。
[0079]本实施例中，所述导电金属垫102从所述保护层104中露出，以尽量避免保护层104影响导电金属垫102与后续封装的凸点结构107电连接。
[0080]在本实施例中，保护层104的材料为聚酰亚胺4。这种材料具有较好的弹性，且质地较为坚硬，进一步有利于保护衬底101以及钝化层103。
[0081]在本实施例中，保护层104的厚度在4?6微米的范围内，在此厚度范围内有利于填平覆盖有钝化层103的衬底101表面，同时又不至于过厚而过度增加整个封装结构的体积。
[0082]本发明的封装结构还包括位于衬底101上的金属核105，所述金属核105凸出于所述衬底101的表面；所述金属核105用于增加后续形成的凸点结构107与球下金属层106之间的结合强度，因为所述金属核105凸出于衬底101表面，同时后续形成的球下金属层106包覆在所述金属核105表面，因此球下金属层106与凸点结构107之间的接触面增加，且球下金属层106伸入凸点结构107内部，这样增加了凸点结构107与球下金属层106之间的结合强度，凸点结构107与球下金属层106的结构更加稳定，不易发生脱落，进而提升了封装结构的机械稳定程度，并增强了封装结构的热传导性和电传导性。
[0083]由于本实施例中所述衬底101表面形成有保护层104，故所述金属核105的表面不低于所述保护层104的表面，这样后续形成的球下金属层106表面的各个部分均不至于低于保护层104的表面或者与保护层104的表面齐平，而是可以凸出于保护层104的表面，进而达到上述的使球下金属层106伸入凸点结构107内部的目的。
[0084]在本实施例中，金属核105的材料可以是铜、金、银、锡、或者镍。
[0085]本发明的封装结构还包括包覆于所述金属核105的顶面和侧面的球下金属层
106;所述球下金属层106用于定义凸点结构107的位置。
[0086]如前文所述，球下金属层106包覆在金属核105的顶面和侧面，也就是说，包覆有球下金属层106的金属核105也凸出于所述保护层104的表面，这样增加了后续形成的凸点结构107与球下金属层106之间的接触面，且包覆有球下金属层106的金属核105的一部分伸入凸点结构107，这样增加了凸点结构107与球下金属层106之间的结合强度，凸点结构107与球下金属层106的结构更加稳定，不易发生脱落，进而提升了封装结构的机械稳定程度，并增强了封装结构的热传导性和电传导性。
[0087]在本实施例中，球下金属层106的材料可以是铜、金、银、锡、或者镍。
[0088]在本实施例中，所述球下金属层106的材料与所述金属核105的材料不同，这样的好处在于，不同的金属材料相接触，两种金属材料的原子会相互扩散，进而在两种金属材料的接触面可形成介面合金共化物层(Intermetallic Compound, IMC)，进一步有利于增加两种金属之间的结合强度，也就是进一步增加球下金属层106与金属核105的结合强度。
[0089]本发明的封装结构还包括形成于所述球下金属层106表面的凸点结构107。
[0090]在本实施例中，所述凸点结构107为球形凸点结构(也就是焊球)。但是本发明对此不作限定，所述凸点结构107还可以是其他结构，例如柱形结构。
[0091]在本实施例中，凸点结构107的材料为铜、金、银、锡、或者镍。
[0092]进一步，在本实施例中，所述球下金属层106的材料与凸点结构107的材料不相同。与前文球下金属层106与金属核105材料不同的原因相同，球下金属层106的材料与凸点结构107的材料不同可以在两者的接触面形成介面合金共化物层，进而进一步增加两者之间的结合强度。
[0093]虽然本发明披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。
【权利要求】
1.一种晶圆级封装方法，其特征在于，包括: 提供衬底，所述衬底表面具有导电金属垫； 在所述导电金属垫上形成凸出于衬底表面的金属核； 在所述金属核的顶面和侧面包覆球下金属层； 在所述球下金属层表面形成凸点结构。
2.如权利要求1所述的晶圆级封装方法，其特征在于，提供衬底的步骤还包括: 在所述衬底表面形成钝化层，并使所述导电金属垫从所述钝化层中露出。
3.如权利要求2所述的晶圆级封装方法，其特征在于，提供衬底的步骤还包括: 在所述钝化层上形成保护层，并使所述导电金属垫从所述保护层中露出； 所述导电金属垫与所述钝化层以及保护层共同形成开口。
4.如权利要求3所述的晶圆级封装方法，其特征在于，形成金属核的步骤包括:使所述金属核形成于所述开口底部。
5.如权利要求3所述的晶圆级封装方法，其特征在于，所述保护层的材料为聚酰亚胺。
6.如权利要求1所述的晶圆级封装方法，其特征在于，形成金属核的步骤包括: 在所述衬底上形成电镀籽晶层； 在所述电镀籽晶层上形成光刻胶层； 去除部分光刻胶以露出对应于导电金属垫位置的电镀籽晶层； 通过电镀在所述对应于导电金属垫位置的电镀籽晶层上形成所述金属核； 去除光刻胶层。
7.如权利要求1所述的晶圆级封装方法，其特征在于，在所述金属核的顶面和侧面包覆球下金属层的步骤包括:采用电镀的方式形成所述球下金属层。
8.如权利要求1所述的晶圆级封装方法，其特征在于，形成凸点结构的步骤包括:采用植球、回流工艺形成所述凸点结构。
9.如权利要求1所述的晶圆级封装方法，其特征在于，所述金属核的材料与凸点结构的材料不相同。
10.如权利要求1所述的晶圆级封装方法，其特征在于，所述球下金属层的材料与球下金属层的材料不相同。
【文档编号】H01L21/60GK104485295SQ201410784542
【公开日】2015年4月1日 申请日期:2014年12月16日 优先权日:2014年12月16日
【发明者】高国华 申请人:南通富士通微电子股份有限公司