CN102543924A - 基于s型铜布线的芯片级三维柔性封装结构 - Google Patents

基于s型铜布线的芯片级三维柔性封装结构 Download PDF

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潘开林
李鹏
黄鹏
任国涛
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    • H01L2224/10—Bump connectors; Manufacturing methods related thereto

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Abstract

本发明公开了一种基于S型铜布线的芯片级三维柔性封装结构，包括设有钝化层的硅芯片、铜接线柱、再分布铜布线、凸点下金属层和焊料凸点，硅芯片焊盘区域与铜接线柱连接，凸点下金属层设置在再分布铜布线上并通过再分布铜布线与铜接线柱相连接，焊料凸点设置在凸点下金属层上，其特征是：钝化层上设有柔性层，再分布铜布线设置在柔性层的表面上，再分布铜布线与凸点下金属层连接的一端设置为具有微弹簧效果的S形状，凸点下金属层旁边的柔性层上设有通孔，焊料凸点正下方的钝化层中设有空气隙。本发明采用空气隙和S形再分布铜布线使得封装结构具有三维柔性，实现芯片和基板间的三维柔性连接，解决热循环中热不匹配引起的热应力导致的可靠性问题。

Description

基于S型铜布线的芯片级三维柔性封装结构
技术领域
 本发明涉及芯片封装结构，尤其是一种基于S型铜布线的芯片级三维柔性封装结构。
背景技术
目前消费类电子产品持续向着轻、薄、短、小与多功能集成的方向飞速发展，同时面对电子产品低成本要求，一方面，芯片级封装 （WLP）得到了高速发展；另一方面，系统级封装（SiP）成为了发展的必然趋势。同时，倒装芯片（FC）技术以其高密度、高速度等优越性作为一级互连技术在各类先进封装中得到了广泛应用，如前述的芯片级封装和系统级封装。传统的芯片级的倒装芯片结构是在硅芯片上淀积Si3N4钝化层，然后通过再分布铜布线实现把沿芯片上分布的焊接区域转换为在芯片表面上按平面阵列形式分布的焊料凸点焊区域，最后由焊料凸点实现与板级电路互连，整个芯片封装结构不能柔性变形。
故其不足之处在于：当电子元器件与基板焊接互连后，基板、焊料凸点和芯片的不同材料之间的热膨胀系数（CTE）不同会导致热不匹配现象的产生。这样，热循环过程中的热失配就会给芯片上的焊料凸点带来较大机械应力（主要是平面剪应力），进而造成基板的变形或焊料凸点与基板间的微裂纹，从而引发可靠性问题，对大尺寸的封装尤为严重。
在当前的实际应用中，为了解决该问题，通常采用底部填充技术，即在封装体底部的焊料凸点间空隙填充上特定的材料，以补偿由于机械震动冲击、电源或温度周期变化所引起的焊料凸点与基板间的热失配应力，常用的填充材料为环氧树脂。尽管底部填充技术可以在一定程度上解决上述可靠性问题。但由于底部填充技术与表面组装技术（SMT）工艺不兼容，当FC和WLP与印制电路板（PCB）上其它元器件一并组装并经再流焊后，必须在线进行底部填充、固化后才能完成后续工艺。这无疑在增加工艺制作成本的同时大大延长了生产周期。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的不足，而提供一种可靠性高、生产成本低、生产周期短的基于S型铜布线的芯片级三维柔性封装结构。
本发明的目的通过以下技术方案来实现：
一种基于S型铜布线的芯片级三维柔性封装结构，包括设有钝化层的硅芯片、铜接线柱、再分布铜布线、凸点下金属层（UBM）、焊料凸点和阻焊层，硅芯片焊盘区域与铜接线柱连接，所述凸点下金属层设置在再分布铜布线上并通过再分布铜布线与铜接线柱相连接，焊料凸点设置在凸点下金属层上，与现有技术不同的是：所述钝化层上设有柔性层，再分布铜布线设置在柔性层的表面上，再分布铜布线与凸点下金属层连接的一端设置为具有微弹簧效果的S形状，凸点下金属层旁边的柔性层上设有通孔，焊料凸点正下方的钝化层中设有空气隙。
    所述的通孔为两个，形状呈扇面形，两个通孔以凸点下金属层为圆心对称排列。
所述空气隙为圆桶形状。
所述扇面形外缘的半径与空气隙的半径相等。
    所述的柔性层为聚酰亚胺。
所述阻焊层设置在柔性层和再分布铜布线的表面上。
柔性层上再分布铜布线与凸点下金属层连接的一端设置为具有微弹簧效果的S形状使得焊料凸点在X-Y平面内具有柔性度；设置空气隙使得焊料凸点在Z轴方向上具有柔性度。当在热循环过程中热失配给焊料凸点带来较大机械应力时，X-Y平面内的S形铜布线结构和Z轴方向的空气隙可以使焊料凸点承受较大机械应力而不产生可靠性问题。
本发明提供了一种利用焊料凸点正下方空气隙和具有微弹簧效果的X-Y平面内再分布铜布线结构，使得三维方向上都具有柔性度的芯片级柔性封装结构，解决了热循环中基板、焊料凸点、芯片热不匹配引起的热应力导致的基板变形，或焊料凸点与基板间的微裂纹可靠性问题，并且取消了当前为解决热不匹配而引入的底部填充工艺。
本发明的优点有：首先，制备空气隙结构，使得焊料凸点下方具有一定范围与深度的空气隙，从而使得焊料凸点结构可以适应一定程度的Z轴方向上的变形，即保证焊料凸点结构在Z轴上具有一定的柔性度；其次，在X-Y平面方向上，采用S形再分布铜布线结构，使其效果如同平面范围内的微弹簧，进而实现X-Y平面上的柔性。最后，整个封装结构包括空气隙的制作工艺与传统芯片制造工艺兼容性强，采用淀积、光刻、刻蚀等工艺就可以完成，不必引入新的工艺技术而提高制造成本。故本发明三维柔性封装结构完全可以解决热循环中基板、焊料凸点、芯片热不匹配引起的热应力导致的基板变形，或焊料凸点与基板间的微裂纹的可靠性问题，并且取消了现有技术中为解决热不匹配而引入的底部填充工艺，大大减少了工艺制造的成本和生产周期。
附图说明
图1为本发明实施例的截面示意图；
图2为本发明实施例去除阻焊层的俯视图。
图中，1.硅芯片 2.钝化层 3.柔性层 4.再分布铜布线 5.S形状 6.凸点下金属层 7.焊料凸点 8.阻焊层 9.空气隙 10.铜接线柱 11.硅芯片焊盘区域 12.通孔。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明内容作详细说明，但不是对本发明的限定。
实施例：
参照图1图2，一种基于S型铜布线的芯片级三维柔性封装结构，包括设有钝化层2的硅芯片1、铜接线柱10、再分布铜布线4、凸点下金属层6、焊料凸点7和阻焊层8，硅芯片焊盘区域11与铜接线柱10连接，凸点下金属层6设置在再分布铜布线4上并通过再分布铜布线4与铜接线柱10相连接，焊料凸点7设置在凸点下金属层6上，钝化层2上设有柔性层3，再分布铜布线4设置在柔性层3的表面上，再分布铜布线4与凸点下金属层6连接的一端设置为具有微弹簧效果的S形状5，凸点下金属层6旁边的柔性层3上设有通孔12，焊料凸点7正下方的钝化层2中设有空气隙9。
空气隙9为圆桶形状，空气隙9采用微机电系统（MEMS）牺牲层技术制备，完全与传统芯片制造工艺兼容，即首先在硅芯片1表面电镀一定厚度的铜材料牺牲层，然后依次制备钝化层2、柔性层3和通孔12、再分布铜布线4、凸点下金属层6、焊料凸点7和阻焊层8，接着用湿法刻蚀掉最先电镀的铜材料牺牲层以形成空气隙9，使得焊料凸点结构具有Z轴方向的柔性度。
通孔12为两个，形状呈扇面形，两个通孔以凸点下金属层6为圆心对称排列，扇面形外缘的半径与空气隙9的半径相等，通孔12设置呈扇面形以方便空气隙9的制作，提供制作的窗口；使得空气隙9正上方的柔性层3可以弯曲变形，焊料凸点7可以在Z轴方向变形。
柔性层3为聚酰亚胺，该材料价格较便宜，是圆片级封装使用的标准钝化层材料；聚酰亚胺材料在热-机械应力作用下承受的拉伸幅度很大，这对实现整个焊料凸点结构的柔性来说很重要；聚酰亚胺材料上易产生的残余拉应力有利于硅圆片表面应力松弛之后结构的保持和控制。
阻焊层8设置在柔性层3和再分布铜布线4的表面上。
钝化层2为聚酰亚胺，设置在硅芯片1有焊接区域的一面上，以利于后续工艺的进行和空气隙结构的形成；再分布铜布线4与凸点下金属层6连接的一端为S形5设置为具有微弹簧效果的S形状使得焊料凸点7在X-Y平面内具有柔性度，以顺应X-Y平面内的变形；设置空气隙9使得焊料凸点7在Z轴方向上具有柔性度，以顺应Z轴方向的变形；硅芯片焊盘区域11通过铜接线柱10与再分布铜布线4连接实现电导通。
该结构使得三维方向上都形成具有柔性度的芯片级柔性封装结构，解决了热循环中基板、焊料凸点7、硅芯片1热不匹配引起的热应力导致的基板变形，或焊料凸点7与基板间的微裂纹的可靠性问题，并且取消了当前为解决热不匹配而引入的底部填充工艺，从而提高了可靠性，大大减少了工艺制造的成本和生产周期。

Claims (6)

1.一种基于S型铜布线的芯片级三维柔性封装结构，包括设有钝化层（2）的硅芯片（1）、铜接线柱（10）、再分布铜布线（4）、凸点下金属层（6）、焊料凸点（7）和阻焊层（8），硅芯片焊盘区域（11）与铜接线柱（10）连接，所述凸点下金属层（6）设置在再分布铜布线（4）上并通过再分布铜布线（4）与铜接线柱（10）相连接，焊料凸点（7）设置在凸点下金属层（6）上，其特征在于：所述钝化层（2）上设有柔性层（3），再分布铜布线（4）设置在柔性层（3）的表面上，再分布铜布线（4）与凸点下金属层（6）连接的一端设置为具有微弹簧效果的S形状（5），凸点下金属层（6）旁边的柔性层（3）上设有通孔（12），焊料凸点（7）正下方的钝化层（2）中设有空气隙（9）。
2. 根据权利要求1所述的一种基于S型铜布线的芯片级三维柔性封装结构，其特征在于：所述的通孔（12）为两个，形状呈扇面形，两个通孔以凸点下金属层（6）为圆心对称排列。
3.根据权利要求1所述的一种基于S型铜布线的芯片级三维柔性封装结构，其特征在于：所述空气隙（9）为圆桶形状。
4. 根据权利要求2或3所述的一种基于S型铜布线的芯片级三维柔性封装结构，其特征在于：所述扇面形外缘的半径与空气隙（9）的半径相等。
5.根据权利要求1所述的一种基于S型铜布线的芯片级三维柔性封装结构，其特征在于：所述的柔性层（3）为聚酰亚胺。
6. 根据权利要求1所述的一种基于S型铜布线的芯片级三维柔性封装结构，其特征在于：所述阻焊层（8）设置在柔性层（3）和再分布铜布线（4）的表面上。
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