CN101870450B - 微机电系统芯片穿透硅通孔封装技术制作流程 - Google Patents

微机电系统芯片穿透硅通孔封装技术制作流程 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种微机电系统芯片穿透硅通孔封装技术制作流程，用铜金属取代铝金属来制作线路和球栅阵列(BGA)焊垫的图形，可取得更佳的抗氧化性及导电性，采用电镀和化学镀工艺，利用无氰化合物材料在金属线路和BGA焊垫的镍金属层上涂覆锡金属层来取代用氰化合物材料而涂覆的金层，并作为保护层和可焊层，由于镍金属层的隔离保护，可以有效减少锡晶须的发生，线路及BGA焊垫表面为锡层，具有优良的可焊性，既节约成本，又利于环保。

Description

微机电系统芯片穿透硅通孔封装技术制作流程
技术领域
本发明涉及晶圆级微机电系统芯片穿透硅通孔封装技术领域。
背景技术
在晶圆级微机电系统(英文简称：MEMS)芯片穿透硅通孔(英文简称：TSV)封装技术中，在金属线路表面及侧壁，球栅阵列(英文简称：BGA)焊垫侧壁和BGA焊垫上表面涂覆镍层和金层.是通过电化学方法采用氰化合物材料在镍金属层上涂覆金金属层，其中涂覆的镍层及金层，用作金属线路的保护层和BGA焊垫的保护层和可焊层。该保护层和可焊层中的金在后续流程的回流焊时，由于金层很薄，在高温接触的一瞬间，金迅速与锡形成“界面合金共化物”(如AuSn、AuSn2、AuSn3等)而熔入锡中。故所形成的焊点，实际上是着落在镍表面上，并形成良好的Ni-Sn合金共化物Ni3Sn4，而表现固着强度BGA焊接是发生在镍面上，金层只是为了保护镍面，防止其钝化(氧化)。若金层太厚，会使进入焊锡的金量增多，一旦超过3％，焊点将变脆性反而降低其粘接强度；
在所述封装技术中，线路及BGA焊垫的浸金过程是一种置换反应，反应持续进行直到金完全覆盖化学镀镍层为止。金层阻止镍层被氧化，保证镍层良好的可焊性。在浸金过程中，镀金层表面状态：如孔隙率、表面缺陷等均对镀层可焊性影响较大。由于传统置换镀金层孔隙率较高，与镍基体附着力差，因而镀层的焊接性能差。此外，镍基体在置换镀金过程中的过度腐蚀，是导致可焊性差的重要原因之一，有可能导致后续元件的焊接失效，即通常称为“黑盘”、“黑垫”问题，给生产厂、供应商等带来较大的损失。
金是一种昂贵的金属，成本高，所用的氰化物溶液剧毒，对人体损害大，环境污染严重，不易处理，氰化合物对环境及人体造成危害是公认的事实。
发明内容
为了克服上述缺陷，本发明提供一种微机电系统芯片穿透硅通孔封装技术制作流程，可提高芯片的可焊性，有效降低制备成本，且利于环保。
本发明为了解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种微机电系统芯片穿透硅通孔封装技术制作流程，以晶圆的集成电路(英文简称：IC)面为晶圆正面，按下述工艺步骤进行：
①.前制程：在玻璃一面形成与晶圆正面的IC相匹配的高分子树脂类光刻胶面，通过键合机将所述玻璃的光刻胶面与晶圆正面键合在一起；
②.晶圆减薄：对晶圆从背面研磨减薄至设定尺寸厚度，再对晶圆背面进行等离子蚀刻以去除研磨时产生的内应力；
③.曝光显影：在晶圆背面涂覆光刻胶后烘烤，按设计对晶圆背面的光刻胶曝光后显影，将晶圆背面需要蚀刻的地方上涂覆的光刻胶显影掉；
④.晶圆蚀刻：将晶圆放入等离子蚀刻机，将晶圆背面需要蚀刻的地方蚀刻掉而形成沟槽，不需要蚀刻的地方由于表面涂覆有光刻胶保护而不会被蚀刻掉；
⑤.按设定次数重复步骤③和步骤④，将晶圆正面部分的导电块暴露出来，多次刻蚀的优点是减少一次性刻蚀造成的刻蚀倾角过大，引起过蚀刻及相邻线路的短路等不良；
⑥.涂覆绝缘层：采用电泳的方式在晶圆背面涂覆高分子聚合材料，形成绝缘层后进行烘烤；
⑦.激光钻孔：通过激光击穿处于晶圆沟槽处的绝缘层和导电块，使击穿部位的导电块从绝缘层中暴露出来；
⑧.溅镀铜：将铜溅镀在整个晶圆背面形成一层导电铜层，使步骤⑤后露出的导电块与导电铜层相连通，从而晶圆内部IC的导电块通过溅镀铜的方式连通引导到晶圆背面；
⑨.化学镀铜前处理：将晶圆浸入前处理液中对导电铜层表面进行粗糙化处理，使导电铜层在后序的化学镀铜时有一个良好的结合表面；
⑩.化学镀铜：在导电铜层的表面均匀涂覆上一定厚度的薄铜，形成化学镀铜层，该化学镀铜层使后续电镀铜有良好的导电效果；
Figure GSB0000119110830000031
.电镀铜：在化学镀铜层表面电镀形成一层电镀铜层，由于电镀铜层结构致密，导电性好，与导电铜层和化学镀铜层是同一金属，不存在由于不同金属的电势电位差异导致结合异常的问题，铜金属的抗氧化性及导电性皆比铝金属佳；
Figure GSB0000119110830000032
.涂覆光刻胶及光刻胶曝光显影：通过电泳的方式在电镀铜层表面涂覆一层光刻胶，按设计对光刻胶曝光显影后形成需要的线路和BGA焊垫的图形，图形部分的电镀铜层表面的光刻胶被显影掉，从而露出图形部分的电镀铜层；
Figure GSB0000119110830000041
.酸性化学镀镍：在酸性环境下在图形部分的电镀铜层表面形成酸性镀镍层，化学镀镍具有良好的深镀均镀能力，镀层结构致密可以起到对电镀铜层保护的作用；
Figure GSB0000119110830000042
.电镀镍：在酸性镀镍层表面电镀形成一定厚度的电镀镍层，使镍金属层达到需要的厚度，同时镀层更加致密，结合力更好；
Figure GSB0000119110830000043
.电镀锡：在电镀镍层表面电镀形成一定厚度的纯锡层，起到保护镍金属层不被氧化和蚀刻的目的；
Figure GSB0000119110830000044
.去光刻胶：步骤
Figure GSB0000119110830000045
后图形部分的电镀铜层通过步骤后已被镍和纯锡金属层覆盖，通过甲酸将非图形部分的电镀铜层表面的光刻胶去除掉，露出非图形部分的电镀铜层；
Figure GSB0000119110830000047
.光刻胶层的铜蚀刻：通过碱性蚀刻的方法，非图形部分的电镀铜层被去除，露出图形部分的电镀铜层的侧面，锡与碱性溶液不发生反映，图形部分的各金属层被保留下来；
Figure GSB0000119110830000048
.防焊层涂布及曝光显影：通过旋转的方式在纯锡层的表面涂覆一层防焊油墨，并通过曝光显影方式将非线路部分的防焊油墨显影掉，从而将线路覆盖保护，将BGA焊垫暴露出来；
Figure GSB0000119110830000049
.等离子去除氧化层：将BGA焊垫部分的纯锡层通过等离子方法去除表面氧化物，以获得良好的锡球成型表面；
Figure GSB00001191108300000410
.球栅阵列成型：将无铅锡膏涂在钢网上，通过刮刀印刷的方式将钢网上的无铅锡膏印在球栅阵列焊垫处，用回流焊方式将锡膏熔融成锡球；
Figure GSB0000119110830000051
.后续切割测试包装：将晶圆按设计切割后测试并真空包装。
本发明的有益效果是：用铜金属取代铝金属来制作线路和BGA焊垫的图形，可取得更佳的抗氧化性及导电性，采用电镀和化学镀工艺，利用无氰化合物材料在金属线路和BGA焊垫的镍金属层上涂覆锡金属层来取代用氰化合物材料而涂覆的金层，并作为保护层和可焊层，由于镍金属层的隔离保护，可以有效减少锡晶须的发生，线路及BGA焊垫表面为锡层，具有优良的可焊性，既节约成本，又利于环保。
具体实施方式
实施例：一种微机电系统芯片穿透硅通孔封装技术制作流程，以晶圆的集成电路(IC)面为晶圆正面，按下述工艺步骤进行：
①.前制程：在玻璃一面形成与晶圆正面的IC相匹配的高分子树脂类光刻胶面，通过键合机将所述玻璃的光刻胶面与晶圆正面键合在一起；
②.晶圆减薄：对晶圆从背面研磨减薄至设定尺寸厚度，再对晶圆背面进行等离子蚀刻以去除研磨时产生的内应力；
③.曝光显影：在晶圆背面涂覆光刻胶后烘烤，按设计对晶圆背面的光刻胶曝光后显影，将晶圆背面需要蚀刻的地方上涂覆的光刻胶显影掉；
④.晶圆蚀刻：将晶圆放入等离子蚀刻机，将晶圆背面需要蚀刻的地方蚀刻掉而形成沟槽，不需要蚀刻的地方由于表面涂覆有光刻胶保护而不会被蚀刻掉；
⑤.按设定次数重复步骤③和步骤④，将晶圆正面部分的导电块暴露出来，多次刻蚀的优点是减少一次性刻蚀造成的刻蚀倾角过大，引起过蚀刻及相邻线路的短路等不良；
⑥.涂覆绝缘层：采用电泳的方式在晶圆背面涂覆高分子聚合材料，形成绝缘层后进行烘烤；
⑦.激光钻孔：通过激光击穿处于晶圆沟槽处的绝缘层和导电块，使击穿部位的导电块从绝缘层中暴露出来；
⑧.溅镀铜：将铜溅镀在整个晶圆背面形成一层导电铜层，使步骤⑤后露出的导电块与导电铜层相连通，从而晶圆内部IC的导电块通过溅镀铜的方式连通引导到晶圆背面；
⑨.化学镀铜前处理：将晶圆浸入前处理液中对导电铜层表面进行粗糙化处理，使导电铜层在后序的化学镀铜时有一个良好的结合表面；
⑩.化学镀铜：在导电铜层的表面均匀涂覆上一定厚度的薄铜，形成化学镀铜层，该化学镀铜层使后续电镀铜有良好的导电效果；
.电镀铜：在化学镀铜层表面电镀形成一层电镀铜层，由于电镀铜层结构致密，导电性好，与导电铜层和化学镀铜层是同一金属，不存在由于不同金属的电势电位差异导致结合异常的问题，铜金属的抗氧化性及导电性皆比铝金属佳；
Figure GSB0000119110830000062
.涂覆光刻胶及光刻胶曝光显影：通过电泳的方式在电镀铜层表面涂覆一层光刻胶，按设计对光刻胶曝光显影后形成需要的线路和球栅阵列(BGA)焊垫的图形，图形部分的电镀铜层表面的光刻胶被显影掉，从而露出图形部分的电镀铜层；
.酸性化学镀镍：在酸性环境下在图形部分的电镀铜层表面形成酸性镀镍层，化学镀镍具有良好的深镀均镀能力，镀层结构致密可以起到对电镀铜层保护的作用；
.电镀镍：在酸性镀镍层表面电镀形成一定厚度的电镀镍层，使镍金属层达到需要的厚度，同时镀层更加致密，结合力更好；
.电镀锡：在电镀镍层表面电镀形成一定厚度的纯锡层，起到保护镍金属层不被氧化和蚀刻的目的；
Figure GSB0000119110830000074
.去光刻胶：步骤
Figure GSB0000119110830000075
后图形部分的电镀铜层通过步骤
Figure GSB0000119110830000076
后已被镍和纯锡金属层覆盖，通过甲酸将非图形部分的电镀铜层表面的光刻胶去除掉，露出非图形部分的电镀铜层；
Figure GSB0000119110830000077
.光刻胶层的铜蚀刻：通过碱性蚀刻的方法，非图形部分的电镀铜层被去除，露出图形部分的电镀铜层的侧面，锡与碱性溶液不发生反映，图形部分的各金属层被保留下来；
Figure GSB0000119110830000078
.防焊层涂布及曝光显影：通过旋转的方式在纯锡层的表面涂覆一层防焊油墨，并通过曝光显影方式将非线路部分的防焊油墨显影掉，从而将线路覆盖保护，将BGA焊垫暴露出来；
Figure GSB0000119110830000079
.等离子去除氧化层：将BGA焊垫部分的纯锡层通过等离子方法去除表面氧化物，以获得良好的锡球成型表面；
Figure GSB00001191108300000710
.球栅阵列成型：将无铅锡膏涂在钢网上，通过刮刀印刷的方式将钢网上的无铅锡膏印在球栅阵列焊垫处，用回流焊方式将锡膏熔融成锡球；
Figure GSB0000119110830000081
.后续切割测试包装：将晶圆按设计切割后测试并真空包装。
用铜金属取代铝金属来制作线路和BGA焊垫的图形，可取得更佳的抗氧化性及导电性，采用电镀和化学镀工艺，利用无氰化合物材料在金属线路和BGA焊垫的镍金属层上涂覆锡金属层来取代用氰化合物材料而涂覆的金层，并作为保护层和可焊层，由于镍金属层的隔离保护，可以有效减少锡晶须的发生，线路及BGA焊垫表面为锡层，具有优良的可焊性，既节约成本，又利于环保。

Claims (1)

1.一种微机电系统芯片穿透硅通孔封装技术制作流程，其特征是：以晶圆的集成电路面为晶圆正面，按下述工艺步骤进行：
①.前制程：在玻璃一面形成与晶圆正面的集成电路相匹配的高分子树脂类光刻胶面，通过键合机将所述玻璃的光刻胶面与晶圆正面键合在一起；
②.晶圆减薄：对晶圆从背面研磨减薄至设定尺寸厚度，再对晶圆背面进行等离子蚀刻；
③.曝光显影：在晶圆背面涂覆光刻胶后烘烤，按设计对晶圆背面的光刻胶曝光后显影，将晶圆背面需要蚀刻的地方上涂覆的光刻胶显影掉；
④.晶圆蚀刻：将晶圆放入等离子蚀刻机，将晶圆背面需要蚀刻的地方蚀刻掉而形成沟槽；
⑤.按设定次数重复步骤③和步骤④，将晶圆正面部分的导电块暴露出来；
⑥.涂覆绝缘层：采用电泳的方式在晶圆背面涂覆高分子聚合材料，形成绝缘层后进行烘烤；
⑦.激光钻孔：通过激光击穿处于晶圆沟槽处的绝缘层和导电块，使击穿部位的导电块从绝缘层中暴露出来；
⑧.溅镀铜：将铜溅镀在整个晶圆背面形成一层导电铜层，使步骤⑤后露出的导电块与导电铜层相连通；
⑨.化学镀铜前处理：将晶圆浸入前处理液中对导电铜层表面进行粗糙化处理；
⑩.化学镀铜：在导电铜层的表面均匀涂覆上一定厚度的薄铜，形成化学镀铜层；
Figure FSB0000119110820000021
.电镀铜：在化学镀铜层表面电镀形成一层电镀铜层；
Figure FSB0000119110820000022
.涂覆光刻胶及光刻胶曝光显影：通过电泳的方式在电镀铜层表面涂覆一层光刻胶，按设计对光刻胶曝光显影后形成需要的线路和球栅阵列焊垫的图形，图形部分的电镀铜层表面的光刻胶被显影掉，从而露出图形部分的电镀铜层；
Figure FSB0000119110820000023
.酸性化学镀镍：在酸性环境下在图形部分的电镀铜层表面形成酸性镀镍层；
.电镀镍：在酸性镀镍层表面电镀形成一定厚度的电镀镍层；
Figure FSB0000119110820000025
.电镀锡：在电镀镍层表面电镀形成一定厚度的纯锡层；
Figure FSB0000119110820000026
.去光刻胶：通过甲酸将非图形部分的电镀铜层表面的光刻胶去除掉；
Figure FSB0000119110820000027
.光刻胶层的铜蚀刻：通过碱性蚀刻的方法，非图形部分的电镀铜层被去除，露出图形部分的电镀铜层的侧面；
Figure FSB0000119110820000028
.防焊层涂布及曝光显影：通过旋转的方式在纯锡层的表面涂覆一层防焊油墨，并通过曝光显影方式将非线路部分的防焊油墨显影掉；
.等离子去除氧化层：将球栅阵列焊垫部分的纯锡层通过等离子方法去除表面氧化物；
Figure FSB00001191108200000210
.球栅阵列成型：将无铅锡膏涂在钢网上，通过刮刀印刷的方式将钢网上的无铅锡膏印在球栅阵列焊垫处，用回流焊方式将锡膏熔融成锡球；
Figure FSB00001191108200000211
.后续切割测试包装：将晶圆按设计切割后测试并真空包装。
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