CN104409429A

CN104409429A - 一种带应力牺牲结构的芯片封装结构及封装方法

Info

Publication number: CN104409429A
Application number: CN201410677097.XA
Authority: CN
Inventors: 秦飞; 武伟; 安彤; 肖智轶
Original assignee: Beijing University of Technology
Current assignee: Beijing University of Technology
Priority date: 2014-11-23
Filing date: 2014-11-23
Publication date: 2015-03-11

Abstract

本发明公开了一种带应力牺牲结构的芯片封装结构及封装方法，属于半导体芯片封装领域。该封装结构包括：1.玻璃；2.晶圆，其中在晶圆正面预制有IC和I/O；3.支撑墙，通过在玻璃正面制作支撑墙结构，将玻璃正面和晶圆正面键合在一起；4.在晶圆背面依次制作有钝化层、金属层、防焊层，通过上述结构组成的重分布线路层，将晶圆正面的I/O与晶圆背面的焊球实现导通。通过本发明实施的封装结构，首先，通过改变晶圆背面的重分布线路层同晶圆正面的I/O的连接方式，降低了金属层在拐角处的应力，这样改善了金属层在拐角处的裂纹断裂等失效；另外，通过选用干膜作为支撑墙的材料，改进了工艺步，同时避免了晶圆正面污染的问题。

Description

一种带应力牺牲结构的芯片封装结构及封装方法

技术领域

本发明涉及半导体芯片封装领域，尤其涉及一种带应力牺牲结构的芯片尺寸封装结构及封装方法。可以优选地用于影像传感器、惯性传感器、压力传感器或流量传感器等。

背景技术

芯片尺寸封装(CSP)是新一代的芯片封装技术，其技术性能较传统封装又有了新的提升。CSP可以让芯片面积与封装面积之比超过1:1.14，已经相当接近1:1的理想情况，约为普通球栅阵列结构封装(BGA)的1/3，仅仅相当于薄型小尺寸封装(TSOP)内存芯片面积的1/6。与BGA相比，同等空间下CSP可以将存储容量提高三倍。CSP的目的是在使用高密度芯片(芯片功能更多，性能更好，芯片更复杂)替代以前的芯片时，其封装体占用印刷板的面积保持不变或更小。正是由于CSP封装体小而薄，因此它在便携式移动电子设备中迅速获得了应用。CSP不仅明显地缩小了封装后的体积尺寸、降低了封装成本、提高了封装效率，而且更加符合高密度封装的要求；同时由于数据传输路径短、稳定性高，这种封装在降低能耗的同时还提升了数据传输的速度和稳定性。

在目前的芯片封装产品中，采用CSP的封装越来越多，但是在工艺步骤和产品良率上还有待提升，特别是还存在着许多影响产品可靠性的问题：

1.在对有气密空腔要求的封装结构中，现有封装结构，如图1(a)所示，通常是采用在晶圆4上覆盖一层玻璃1的方法。其中，在进行晶圆4键合时，目前的工艺在制作完支撑墙2后，还需要再涂布粘接胶3来完成键合，但是这种工艺往往存在着粘接胶3溢胶的问题，严重的话就会污染晶圆4表面，进而影响器件的性能。

2.由于在封装结构中存在着许多不同的材料，而每种材料的热膨胀系数又有差异，这就导致在器件服役过程中，由于热膨胀系数的不匹配而导致热应力的发生。特别是在I/O 6同金属层8的拐角处，经常容易发生金属层8本身的裂纹断裂以及I/O 6同金属层8之间的分层，从而导致信号中断，造成断路。

因此，为了克服以上问题，迫切需要一种新型的芯片尺寸封装结构和制造方法来解决以上问题。

发明内容

本发明的第一方面是：提供一种带应力牺牲结构的芯片封装结构。本发明通过改变晶圆背面102b的重分布线路层同晶圆正面102a的I/O 104的连接方式，将金属层107中的最大应力从原拐角处转移到钝化层105的开口106处，同时降低了金属层107在拐角处的应力，相比传统的结构，金属层107在拐角处的应力有40％的下降，这样改善了金属层107在拐角处的裂纹断裂等失效；另一方面，改善了I/O104同重分布线路层连接处的应力分布，提高了连接的可靠性。

为了实现以上目的，本发明采用以下技术方案：

本发明实施的带应力牺牲结构的芯片封装结构，所述结构包括：

玻璃100；晶圆102，其中在晶圆正面102a预制有IC 103和I/O104；支撑墙101，通过在玻璃正面100a制作支撑墙101结构，将玻璃正面100a和晶圆正面102a键合在一起；重分布线路层，在晶圆背面102b依次制作有钝化层105、金属层107、防焊层108，通过上述结构组成的重分布线路层，将晶圆正面102a的I/O 104与晶圆背面102b的焊球109实现导通。

在所述重分布线路层中，通过在钝化层105上制作开口106，将晶圆正面102a的I/O 104暴露出来，然后在制作金属层107，从而实现I/O 104同金属层107之间的导通。

可选的，所述IC 103可以是影像传感器、惯性传感器、压力传感器或流量传感器。

可选的，所述钝化层105上的开口106为若干个小孔，其截面可以为圆形或者方形，位于I/O 104的中间处。

本发明的第二方面是提供了一种制造所述带应力牺牲结构的芯片封装方法，包括以下步骤：

步骤1，制作支撑墙101：在玻璃正面100a制作一层晶圆102键合所需的支撑墙101结构。

步骤2，晶圆102键合：通过键合机，将玻璃正面100a同晶圆正面102a键合在一起，从而在玻璃100和晶圆102之间形成一个密闭空腔。

步骤3，晶圆102减薄：减薄过程分两步进行：首先，通过研磨机，对晶圆背面102b进行研磨，将晶圆102减薄到设定厚度；然后，对减薄后的晶圆背面102b进行去应力等离子刻蚀。

步骤4，硅去除：将晶圆背面102b四周的硅进行去除，暴露出晶圆正面102a的I/O 104。

步骤5，重分布线路层，由钝化层105、金属层107和防焊层108组成，主要包含三步：首先，在晶圆背面102b沉积一层钝化层105，并通过制作开口106将晶圆正面的I/O 104暴露出来；其次，在钝化层105表面及其开口106内溅射金属层107，并将其图案化以形成线路；最后，在金属层107表面涂布一层防焊层108，并在预设焊球109的位置将金属层107暴露出来。

步骤6，制作焊球109：将焊球109形成于晶圆背面102b的重分布线路层上，然后对晶圆102的四周进行切割以形成单颗芯片的封装。

可选的，所述支撑墙101是一种干膜(Dry Film)，所述干膜是一种高分子聚合物光刻胶，由树脂、溶剂、感光化合物和添加剂等组成。

可选的，所述硅去除工艺步是采用等离子刻蚀的干法刻蚀工艺、包含硅刻蚀液的湿法刻蚀工艺以及V-cut刀直接切割这三种方式之一进行。

可选的，所述最外侧的防焊层108的厚度不超过钝化层105厚度的1.5倍，以降低不同材料界面之间的应力。

与现有技术相比，通过本发明专利的实施，有益效果是：

1.改变了晶圆背面102b的重分布线路层同晶圆正面102a的I/O104之间的连接方式，将传统封装结构中金属层107与I/O 104直接的面面连接，改变为在金属层107和I/O 104之间先制作钝化层105，通过在钝化层105上制作开口106来使得金属层107和I/O 104进行连接。这样，就将金属层107中的最大应力从原拐角处转移到钝化层105的开口106处，同时降低了金属层107在拐角处的应力。相比传统的结构，有限元计算结果显示，金属层107在拐角处的应力有40％的下降，这样改善了金属层107在拐角处的裂纹、断裂等失效。另一方面，这种结构还改善了I/O 104同重分布线路层连接处的应力分布，提高了连接的可靠性。

2.通过选用干膜作为支撑墙101的材料，省去了现有工艺中在制作完支撑墙101后，还需要涂布粘接胶3这一工艺步，同时避免了由于粘接胶3溢胶导致的晶圆正面101a污染问题。

本发明的下文特举例实施例，并配合附图对本发明的上述特征和优点做详细说明。

附图说明

图1(a)和(b)分别为现有的芯片封装结构示意图以及根据本发明绘制的一种带应力牺牲结构的芯片封装结构示意图。

图2(a)到(e)为根据本发明的实施例绘制的带应力牺牲结构的芯片封装结构的制造流程剖面示意图。

图中标号：1.玻璃，2.支撑墙，3.粘接胶，4.晶圆，5.IC，6.I/O，7.钝化层，8.金属层，9.防焊层，10.焊球，100.玻璃，100a.玻璃正面，100b.玻璃背面，101.支撑墙，102.晶圆，102a.晶圆正面，102b.晶圆背面，103.IC，104.I/O，105.钝化层，106.开口，107.金属层，108.防焊层，109.焊球。

具体实施方式

下面将参照附图对本发明进行更详细的描述：

以图1(b)所示，本发明实施方式的一种带应力牺牲结构的芯片封装结构包括：1.玻璃100；2.晶圆102，其中在晶圆正面102a预制有IC 103和I/O 104；3.支撑墙101，通过在玻璃正面100a制作支撑墙101结构，将玻璃正面100a和晶圆正面102a键合在一起；4.重分布线路层，在晶圆背面102b依次制作有钝化层105、金属层107、防焊层108，通过上述结构组成的重分布线路层，将晶圆正面102a的I/O 104与晶圆背面102b的焊球109实现导通。

下面将结合图2(a)到(e)来详细说明本实施例的一种带应力牺牲结构的芯片封装制造流程。图2(a)到(e)为根据本发明的实施例绘制的一种带应力牺牲结构的芯片封装制造流程剖面示意图。

请参考图2(a)：首先，提供玻璃100，在玻璃正面100a覆盖一层干膜；然后，经过曝光显影工艺，在玻璃100的四周形成所述的支撑墙101。

在本实施例中，所述支撑墙101是一种干膜(Dry Film)，所述干膜是一种高分子聚合物光刻胶，由树脂、溶剂、感光化合物和添加剂等组成。

步骤2，晶圆102键合：

请参考图2(b)，通过键合机，将玻璃正面100a同晶圆正面102a键合在一起，从而在玻璃100和晶圆102之间形成一个密闭空腔。

步骤3，晶圆102减薄：

请参考图2(c)，减薄过程分两步进行：首先，通过研磨机，对晶圆背面102b进行研磨，将晶圆102减薄到设定厚度；然后，对减薄后的晶圆背面102b进行去应力等离子刻蚀。

在本实施例中，将晶圆102的厚度从最开始的600～700微米降至130微米左右；去应力等离子蚀刻是为了去除晶圆102中由于研磨产生的内应力，改善晶圆102的翘曲，便于后续工艺进行。

步骤4，硅去除：

请参考图2(c)，将晶圆背面102b四周的硅进行去除，以暴露出晶圆正面102a的I/O 104。

在本实施例中，所述的去除方法包括：a.等离子刻蚀的干法刻蚀工艺，如深反应离子刻蚀(DRIE)；b.包含硅刻蚀液的湿法刻蚀工艺；c.采用V-cut刀(V槽刀)的方式直接切割形成。

步骤5，重分布线路层，由钝化层105、金属层107和防焊层108组成，主要包含三步：

1.请参考图2(d)，在晶圆背面102b沉积一层钝化层105，并通过制作开口106将晶圆正面的I/O 104暴露出来；

2.请参考图2(e)，在钝化层105表面及其开口106内溅射一层金属层107，并将其图案化以形成线路；

3.请参考图2(e)，在金属层107表面覆盖一层防焊层108，并在预设焊球109的位置将金属层107暴露出来。

在本实施例中，所述钝化层105可以是氧化物(如二氧化硅)、氮化物(如氮化硅)或者绝缘的高分子聚合物。所述钝化层开口106为若干个小孔，其截面可以为圆形或者方形，位于I/O 104的中间处。

步骤6，制作焊球109：

请参考图2(e)，将焊球109形成于晶圆背面102b的重分布线路层上，然后对晶圆102的四周进行切割以形成单颗芯片的封装。

在本实施例中，所述焊球109可以采用植球或者钢网印刷的方式制作。

本发明所进行的实施例的描述是目的是有效的说明和描述本发明，但借助这仅借助实例且不应理解为限制由权利要求书界定的本发明的范围。任何本领域所属的技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以做出可能的变动和修改。因此本发明的保护覆盖权利要求所界定的发明的实质和范围内的修改。

Claims

1.一种带应力牺牲结构的芯片封装结构，其特征在于包括：

玻璃，在晶圆正面覆盖一层玻璃，通过在玻璃四周制作支撑墙结构，在盖板和晶圆之间形成一个密闭空腔；

提供晶圆，其中在晶圆正面中央预制有逻辑电路IC，在其四周分布有若干个信号导出I/O；

晶圆背面的重分布线路层，通过将晶圆背面四周的硅去除，将晶圆正面的I/O暴露出来后再制作所述重分布线路层；重分布线路层依次由钝化层、金属层和防焊层组成，通过制作重分布线路层，将晶圆正面的I/O导通到晶圆背面，并与晶圆背面的焊球相连接；

在所述重分布线路层中，通过在钝化层上制作开口，将晶圆正面的I/O暴露出来，然后在制作金属层，从而实现I/O同金属层之间的导通。

2.根据权利要求1所述的封装结构，其特征在于，其中所述IC是影像传感器、惯性传感器、压力传感器或流量传感器。

3.根据权利要求1所述的封装结构，其特征在于，其中所述钝化层开口为若干个小孔，其截面为圆形或者方形。

4.制备权利要求1所述的一种带应力牺牲结构的芯片封装结构的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，制作支撑墙：在玻璃正面制作一层晶圆键合所需的支撑墙结构；

步骤2，晶圆键合：利用晶圆键合机，将玻璃正面同晶圆正面键合在一起；

步骤3，晶圆减薄，减薄过程分两步进行：首先，通过研磨机，对晶圆背面进行研磨，将晶圆减薄到设定厚度；然后，对减薄后的晶圆背面进行去应力等离子刻蚀；

步骤4，硅去除：将晶圆背面四周的硅进行去除，暴露出晶圆正面的I/O；

步骤5，重分布线路层，包含三步：首先，在晶圆背面沉积一层钝化层，并通过制作开口将晶圆正面的I/O暴露出来；其次，在钝化层表面及其开口内溅射金属层，并将其图案化以形成线路；最后，在金属层表面覆盖一层防焊层，并在预设焊球的位置将金属层暴露出来；

步骤6，制作焊球：将焊球形成于晶圆背面的重分布线路层上，然后对晶圆的四周进行切割以形成单颗芯片的封装。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述硅去除工艺步是采用等离子刻蚀的干法刻蚀工艺、包含硅刻蚀液的湿法刻蚀工艺以及V-cut刀直接切割这三种方式之一进行。

6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，防焊层的厚度不超过钝化层厚度的1.5倍。