CN103794583A - 一种增强焊球与ubm粘附性的方法及封装结构 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种增强焊球与UBM粘附性的方法，其主要步骤为：首先对焊盘表面进行处理并溅射粘附层和种子层，之后电镀金属铜，电镀完成之后在铜UBM上制作凹坑，可通过腐蚀或激光打孔的方法来实现；最后制作焊球并回流。通过以上步骤，可使焊球与UBM之间的结合面积更大，粘附能力更强，提高了封装可靠性。本发明不需要添加制作额外的粘附材料，只需要在UBM上制作多个凹坑，增加焊球与UBM的接触面积，以提高其粘附性能。

Description

一种增强焊球与UBM粘附性的方法及封装结构
技术领域
本发明涉及一种增强焊球与UBM粘附性的方法及封装结构，尤其涉及圆片级封装中增强焊球与UBM的粘附性，属于电子封装领域。
背景技术
随着半导体技术的迅猛发展，集成度不断提高，电子产品的互连密度也越来越高。
球栅阵列封装（Ball Grid Array，BGA）技术的出现使得芯片的I/O端口以圆形或圆柱形焊点以面阵列的形式分布在封装体下面，增大了互连密度，减小了寄生参数和信号传输延迟，增强了可靠性。在圆片级封装中，焊球可以直接在圆片上进行制作，然后划片即可直接与PCB板相连。现在随着圆片级封装的迅速发展，焊球的直径越来越小，而其与UBM（Under Bump Metallization，凸点下金属）的接触面积也不断减小，使得焊球与UBM的粘附能力下降，从而影响整个封装结构的可靠性。
现有的封装结构如图1所示，芯片101′表面制作有焊盘103′，并覆有钝化层102′。在该焊盘103′上溅射粘附层/种子层104′，并电镀金属铜105′，然后进行焊球106′的制作，通过回流过程金属铜层105′与焊球106′之间形成IMC（Intermetallic Compound，金属间化合物）粘结在一起。随着焊球直径减小，金属铜层105′与焊球106′之间的接触面积也在减小，使得粘附性下降，影响可靠性。
为此，本发明拟提出一种增强焊球与UBM粘附性的方法，使焊球与UBM的粘附面积增大，进而提高整体的可靠性。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种增强焊球与UBM粘附性的封装结构及其方法，用于解决现有技术中金属铜层与焊球之间的接触面积小，粘附性差，可靠性不高的问题。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种增强焊球与UBM粘附性的封装结构，该封装结构包括芯片、设置在该芯片上表面的焊盘、位于该焊盘上的粘附/种子层、位于该粘附/种子层上的金属层以及位于金属层上的焊球；所述金属层上表面凹设有若干凹坑，所述焊球底部形成若干与所述凹坑接触配合的凸起；或者所述金属层上表面凸设有若干凸起，所述焊球底部形成若干与所述凸起接触配合的凹坑。
优选地，所述芯片上表面的焊盘周围敷设有钝化层。
优选地，所述焊盘与与所述粘附/种子层之间设有再布线金属层。
本发明还提供一种增强焊球与UBM粘附性的方法，该方法包括以下步骤：
1）提供一设有焊盘的芯片；
2）在该焊盘上溅射形成粘附/种子层；
3）在该粘附/种子层上电镀金属层；
4）然后在该金属层上表面制作若干凹坑或凸起；
5）进行焊球制作。
优选地，所述步骤2）中的粘附/种子层为Ti/Cu或TiW/Cu层；其中，Ti或TiW层的厚度为500-1500
Figure BDA0000233170871
；Cu层厚度为2000-5000
Figure BDA0000233170872
。
优选地，所述步骤3）中的金属层的材质为Cu，其厚度在5-30um。
优选地，所述步骤4）中的凹坑采用化学腐蚀、干法刻蚀、激光打孔任意一种方法进行制作。
优选地，所述步骤4）中的凹坑的深度为1-25um，宽度为1-50um。
优选地，所述步骤4）中的凸起采用电镀方法进行制作。所述凸起的高度为1-25um，宽度为1-50um。
优选地，所述步骤5）中采用电镀、丝网印刷、激光植球等任意一种方法进行焊球制作。
如上所述，本发明不需要制作额外的粘附材料，通过在UBM表面制作凹坑，增加焊球与UBM的接触面积，增强了焊球与UBM之间的粘附性。
附图说明
图1显示为传统UBM及焊球结构示意图。
图2a-2f显示为本发明一种实施例的UBM及焊球结构工艺流程图，整个焊球结构制作在焊盘上。
图3显示为本发明另一实施例的UBM及焊球结构示意图；其中，整个焊球结构制作在再布线金属层上，其中301为再布线结构中的金属层，302为再布线结构中的介质层。
元件标号说明
Figure BDA0000233170873
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
请参阅图2f和图3所示本发明两种实施例的UBM及焊球结构示意图。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
实施例一
请参考附图2f所示的本实施例制作完成后的结构示意图，该结构为焊球106制作在焊盘103上。通过对该实施例的进一步详述来阐述本发明的实质特点和显著进步，但本发明的范围决非仅限于下面的实例。
一种增强焊球与UBM粘附性的封装结构，该封装结构包括芯片101、设置在该芯片101上表面的焊盘103、位于该焊盘上的粘附/种子层104、位于该粘附/种子层104上的金属层105以及位于金属层105上的焊球106；所述金属层105上表面凹设有若干凹坑1050，所述焊球106底部形成若干与所述凹坑1050接触配合的凸起，所述焊球106底部与该金属层105紧密接触。
本实施例中，该封装结构的制备方法如下：
首先，在设有焊盘103和沉积有钝化层102的芯片表面溅射粘附层/种子层104,即溅射Ti/Cu或TiW/Cu，并控制溅射的厚度，其作用为粘附层并作为电镀铜的种子层。粘附层Ti或TiW的厚度一般为500≤1500
Figure BDA0000233170874
，种子层Cu的厚度一般为2000≤5000
Figure BDA0000233170875
。在溅射形成粘附层/种子层104前可以对芯片表面进行预处理，即清洗、打底膜等常规工艺步骤，用于增强UBM与芯片的粘附能力。该部分属于本领域的常规技术，再此不再赘述。
接着，完成后在需要植球的位置进行金属铜的电镀。具体做法是在溅射形成的粘附层/种子层104的表面旋涂第一光刻胶层201，并光刻出需要的图形。电镀金属铜105，对UBM进行加厚，电镀完后去除光刻胶201以及不必要的种子层104。电镀的金属铜层的厚度范围为5-30um。
然后，进行UBM表面凹坑制作，凹坑制作可采用湿法腐蚀或干法刻蚀或激光打孔中的任意一种方法，本实施实例以湿法腐蚀为例进行说明，首先在UBM表面旋涂第二光刻胶层202，并按照掩模板进行光刻。
采用湿法腐蚀对金属Cu层105进行腐蚀，在UBM表面制作多个凹坑1050，控制腐蚀深度和宽度，即凹坑的深度可为1-25um，宽度大致为1-50um。腐蚀完后去除光刻胶。
最后，进行焊球制作，采用的方法可为电镀、丝网印刷、激光植球等中的任意一种，制作完成后进行焊球回流。该技术属于本领域的公知常识，在此不再赘述。
具体的，可以采用湿法腐蚀的方法制作凹坑，包括：
在电镀金属Cu层105之后的UBM表面旋涂光刻胶；
利用掩膜对光刻胶进行曝光、显影和后烘坚膜；
采用化学腐蚀液进行UBM的腐蚀，通过选取腐蚀液的类型、浓度以及腐蚀时间来控制腐蚀深度和宽度，例如可采用1%H2SO4/1%H2O2/98%H2O的腐蚀液，腐蚀时间7min。腐蚀完后去除光刻胶。
也可以采用干法刻蚀的方法制作凹坑，包括：
在电镀之后的UBM表面旋涂光刻胶；
利用掩膜对光刻胶进行曝光、显影和后烘坚膜；
采用干法刻进行UBM的刻蚀，通过离子束强度和刻蚀时间来控制刻蚀深度宽度，刻蚀完后去除光刻胶。
还可以采用激光打孔的方法来制作凹坑，通过控制激光的强度、照射时间或者激光光斑的面积来控制凹坑的深度和宽度。由于激光植球参数很多，根据实际情况，控制强度、时间、激光光斑大小来获得相应的深度宽度。
在本实施例中，金属层105上的凹坑1050可以替换为凸起；所述凸起采用电镀方法进行制作。所述凸起的高度为1-25um，宽度为1-50um。
焊球制作完成后进行焊球回流，保证焊球底部与金属层紧密接触配合即可。
实施例二
请参考附图3所示的本实施例制作完成后的结构示意图，该结构为焊球制作在再布线金属层307上。通过对该实施例的进一步详述来阐述本发明的实质特点和显著进步，但本发明的范围决非仅限于下面的实例。
本实施例中，该封装结构包括芯片301、设置在该芯片301上表面的焊盘303、涂覆在该焊盘周围的钝化层302、位于该焊盘303和钝化层302上的再布线金属层307、位于该再布线金属层307上的再布线介质层308、位于该再布线介质层308上的粘附/种子层304、位于该粘附/种子层304上的金属层305以及位于金属层305上的焊球306；所述金属层305上表面凹设有若干凹坑3050，所述焊球306底部形成若干与所述凹坑3050接触配合的突起3060，所述焊球306底部与该金属层305紧密接触。所述粘附/种子层304与该再布线金属层307接触。
本实施例中，该封装结构的制备方法与实施例类似，区别在于本实施例焊球制作在再布线金属层上。工艺步骤中增加了再布线金属结构的制备过程，再布线金属结构包括再布线金属层307以及再布线介质层308。
本发明的技术方案为，对芯片表面进行预处理，并溅射粘附层和种子层，然后在需要制作焊球的位置电镀铜，对UBM进行加厚。电镀完成后可采用湿法腐蚀，或干法刻蚀，或激光打孔在UBM表面制作凹坑，然后去掉不必要的种子层，最后进行焊球制作。制作完成后的结构示意图如图2f和图3所示，两种结构分别为焊球制作在焊盘上和焊球制作在再布线金属层上。
本发明通过在UBM上面制作凹坑，增大了UBM与焊球的粘附面积，进而使可靠性得到提升。本发明的特征在于不需要制作额外的粘附材料，通过在UBM表面制作凹坑，增加焊球与UBM的接触面积，增强了焊球与UBM之间的粘附性。
综上所述，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (10)

1.一种增强焊球与UBM粘附性的封装结构，其特征在于，该封装结构包括
芯片、设置在该芯片上表面的焊盘、位于该焊盘上的粘附/种子层、位于该粘附/种子层上的金属层以及位于金属层上的焊球；所述金属层上表面凹设有若干凹坑，所述焊球底部形成若干与所述凹坑接触配合的凸起；或者所述金属层上表面设有若干凸起，所述焊球底部形成若干与所述凸起接触配合的凹坑。
2.根据权利要求1所述的增强焊球与UBM粘附性的封装结构，其特征在于，所述焊盘与所述粘附/种子层之间设有再布线结构。
3.一种增强焊球与UBM粘附性的方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：
1）提供一设有焊盘的芯片；
2）在该焊盘上溅射形成粘附/种子层；
3）在该粘附/种子层上电镀金属层；
4）然后在该金属层上表面制作若干凹坑或凸起；
5）进行焊球制作。
4.根据权利要求3所述的增强焊球与UBM粘附性的方法，其特征在于：所述步骤2）中的粘附/种子层为Ti/Cu或TiW/Cu层；其中，Ti或TiW层的厚度为500-1500；Cu层厚度为2000-5000。
5.根据权利要求3所述的增强焊球与UBM粘附性的方法，其特征在于：所述步骤3）中的金属层的材质为Cu，其厚度在5-30um。
6.根据权利要求3所述的增强焊球与UBM粘附性的方法，其特征在于：所述步骤4）中的凹坑采用化学腐蚀、干法刻蚀、激光打孔中的任意一种方法进行制作。
7.根据权利要求3所述的增强焊球与UBM粘附性的方法，其特征在于：所述步骤4）中的凸起采用电镀方法进行制作。
8.根据权利要求3所述的增强焊球与UBM粘附性的方法，其特征在于：所述步骤4）中的凹坑的深度或凸起的高度范围为1-25um，两者的宽度均为1-50um。
9.根据权利要求3所述的增强焊球与UBM粘附性的方法，其特征在于：所述步骤5）中采用电镀、丝网印刷、激光植球等任意一种方法进行焊球制作。
10.根据权利要求3所述的增强焊球与UBM粘附性的方法，其特征在于：所述步骤2）之前还包括预处理的步骤。 
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