專利名稱：基于卷曲型銅布線的芯片級三維柔性封裝結(jié)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及芯片封裝結(jié)構(gòu)，尤其是一種基于卷曲型銅布線的芯片級三維柔性封裝結(jié)構(gòu)。
背景技術(shù)：
目前消費(fèi)類電子產(chǎn)品持續(xù)向著輕、薄、短、小與多功能集成的方向飛速發(fā)展，同時(shí)面對電子產(chǎn)品低成本要求，一方面，芯片級封裝(WLP)得到了高速發(fā)展；另一方面，系統(tǒng)級封裝(SiP)成為了發(fā)展的必然趨勢。同時(shí)，倒裝芯片(FC)技術(shù)以其高密度、高速度等優(yōu)越性作為一級互連技術(shù)在各類先進(jìn)封裝中得到了廣泛應(yīng)用，如前述的芯片級封裝和系統(tǒng)級封裝。傳統(tǒng)的芯片級的倒裝芯片結(jié)構(gòu)是在硅芯片上淀積Si3N4鈍化層，然后通過再分布銅布線實(shí)現(xiàn)把沿芯片上分布的焊接區(qū)域轉(zhuǎn)換為在芯片表面上按平面陣列形式分布的焊料凸點(diǎn)焊區(qū)域，最后由焊料凸點(diǎn)實(shí)現(xiàn)與板級電路互連，整個(gè)芯片封裝結(jié)構(gòu)不能柔性變形。故其不足之處在于當(dāng)電子元器件與基板焊接互連后，基板、焊料凸點(diǎn)和芯片的不同材料之間的熱膨脹系數(shù)(CTE)不同會(huì)導(dǎo)致熱不匹配現(xiàn)象的產(chǎn)生。這樣，熱循環(huán)過程中的熱失配就會(huì)給芯片上的焊料凸點(diǎn)帶來較大機(jī)械應(yīng)力(主要是平面剪應(yīng)力)，進(jìn)而造成基板的變形或焊料凸點(diǎn)與基板間的微裂紋，從而引發(fā)可靠性問題，對大尺寸的封裝尤為嚴(yán)重。在當(dāng)前的實(shí)際應(yīng)用中，為了解決該問題，通常采用底部填充技術(shù)，即在封裝體底部的焊料凸點(diǎn)間空隙填充上特定的材料，以補(bǔ)償由于機(jī)械震動(dòng)沖擊、電源或溫度周期變化所引起的焊料凸點(diǎn)與基板間的熱失配應(yīng)力，常用的填充材料為環(huán)氧樹脂。盡管底部填充技術(shù)可以在一定程度上解決上述可靠性問題。但由于底部填充技術(shù)與表面組裝技術(shù)(SMT )工藝不兼容，當(dāng)FC和WLP與印制電路板(PCB)上其它元器件一并組裝并經(jīng)再流焊后，必須在線進(jìn)行底部填充、固化后才能完成后續(xù)工藝。這無疑在增加工藝制作成本的同時(shí)大大延長了生產(chǎn)周期。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，而提供一種可靠性高、生產(chǎn)成本低、生產(chǎn)周期短的基于卷曲型銅布線的芯片級三維柔性封裝結(jié)構(gòu)。本發(fā)明的目的通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)
一種基于卷曲型銅布線的芯片級三維柔性封裝結(jié)構(gòu)，包括設(shè)有鈍化層的硅芯片、銅接線柱、再分布銅布線、凸點(diǎn)下金屬層(UBM)、焊料凸點(diǎn)和阻焊層，硅芯片焊盤區(qū)域與銅接線柱連接，所述凸點(diǎn)下金屬層設(shè)置在再分布銅布線上并通過再分布銅布線與銅接線柱相連接， 焊料凸點(diǎn)設(shè)置在凸點(diǎn)下金屬層上，與現(xiàn)有技術(shù)不同的是所述鈍化層上設(shè)有柔性層，再分布銅布線設(shè)置在柔性層的表面上，再分布銅布線與凸點(diǎn)下金屬層連接的一端設(shè)置為具有微彈簧效果的卷曲形狀，凸點(diǎn)下金屬層旁邊的柔性層上設(shè)有通孔，焊料凸點(diǎn)正下方的鈍化層中設(shè)有空氣隙。所述的通孔為兩個(gè)，形狀呈扇面形，兩個(gè)通孔以凸點(diǎn)下金屬層為圓心對稱排列。
所述空氣隙為圓桶形狀。所述扇面形外緣的半徑與空氣隙的半徑相等。所述的柔性層為聚酰亞胺。所述阻焊層設(shè)置在柔性層和再分布銅布線的表面上。柔性層上再分布銅布線與凸點(diǎn)下金屬層連接的一端設(shè)置為具有微彈簧效果的卷曲形狀使得焊料凸點(diǎn)在X-Y平面內(nèi)具有柔性度；設(shè)置空氣隙使得焊料凸點(diǎn)在Z軸方向上具有柔性度。當(dāng)在熱循環(huán)過程中熱失配給焊料凸點(diǎn)帶來較大機(jī)械應(yīng)力時(shí)，X-Y平面內(nèi)的卷曲形銅布線結(jié)構(gòu)和Z軸方向的空氣隙可以使焊料凸點(diǎn)承受較大機(jī)械應(yīng)力而不產(chǎn)生可靠性問題。本發(fā)明提供了一種利用焊料凸點(diǎn)正下方空氣隙和具有微彈簧效果的X-Y平面內(nèi)再分布銅布線結(jié)構(gòu)，使得三維方向上都具有柔性度的芯片級柔性封裝結(jié)構(gòu)，解決了熱循環(huán)中基板、焊料凸點(diǎn)、芯片熱不匹配引起的熱應(yīng)力導(dǎo)致的基板變形，或焊料凸點(diǎn)與基板間的微裂紋可靠性問題，并且取消了當(dāng)前為解決熱不匹配而引入的底部填充工藝。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)有首先，制備空氣隙結(jié)構(gòu)，使得焊料凸點(diǎn)下方具有一定范圍與深度的空氣隙，從而使得焊料凸點(diǎn)結(jié)構(gòu)可以適應(yīng)一定程度的Z軸方向上的變形，即保證焊料凸點(diǎn)結(jié)構(gòu)在Z軸上具有一定的柔性度；其次，在X-Y平面方向上，采用卷曲形再分布銅布線結(jié)構(gòu)，使其效果如同平面范圍內(nèi)的微彈簧，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)X-Y平面上的柔性。最后，整個(gè)封裝結(jié)構(gòu)包括空氣隙的制作工藝與傳統(tǒng)芯片制造工藝兼容性強(qiáng)，采用淀積、光刻、刻蝕等工藝就可以完成，不必引入新的工藝技術(shù)而提高制造成本。故本發(fā)明三維柔性封裝結(jié)構(gòu)完全可以解決熱循環(huán)中基板、焊料凸點(diǎn)、芯片熱不匹配引起的熱應(yīng)力導(dǎo)致的基板變形，或焊料凸點(diǎn)與基板間的微裂紋的可靠性問題，并且取消了現(xiàn)有技術(shù)中為解決熱不匹配而引入的底部填充工藝，大大減少了工藝制造的成本和生產(chǎn)周期。


圖1為本發(fā)明實(shí)施例的截面示意圖； 圖2為本發(fā)明實(shí)施例去除阻焊層的俯視圖。圖中，1.硅芯片2.鈍化層3.柔性層4.再分布銅布線5.卷曲形狀6.凸點(diǎn)下金屬層7.焊料凸點(diǎn)8.阻焊層9.空氣隙10.銅接線柱11.硅芯片焊盤區(qū)域12.通孔。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明內(nèi)容作詳細(xì)說明，但不是對本發(fā)明的限定。實(shí)施例
參照圖1圖2，一種基于卷曲型銅布線的芯片級三維柔性封裝結(jié)構(gòu)，包括設(shè)有鈍化層2 的硅芯片1、銅接線柱10、再分布銅布線4、凸點(diǎn)下金屬層6、焊料凸點(diǎn)7和阻焊層8，硅芯片焊盤區(qū)域11與銅接線柱10連接，凸點(diǎn)下金屬層6設(shè)置在再分布銅布線4上并通過再分布銅布線4與銅接線柱10相連接，焊料凸點(diǎn)7設(shè)置在凸點(diǎn)下金屬層6上，鈍化層2上設(shè)有柔性層3，再分布銅布線4設(shè)置在柔性層3的表面上，再分布銅布線4與凸點(diǎn)下金屬層6連接的一端設(shè)置為具有微彈簧效果的卷曲形狀5，凸點(diǎn)下金屬層6旁邊的柔性層3上設(shè)有通孔 12，焊料凸點(diǎn)7正下方的鈍化層2中設(shè)有空氣隙9。空氣隙9為圓桶形狀，空氣隙9采用微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)犧牲層技術(shù)制備，完全與傳統(tǒng)芯片制造工藝兼容，即首先在硅芯片1表面電鍍一定厚度的銅材料犧牲層，然后依次制備鈍化層2、柔性層3和通孔12、再分布銅布線4、凸點(diǎn)下金屬層6、焊料凸點(diǎn)7和阻焊層8， 接著用濕法刻蝕掉最先電鍍的銅材料犧牲層以形成空氣隙9，使得焊料凸點(diǎn)結(jié)構(gòu)具有Z軸方向的柔性度。通孔12為兩個(gè)，形狀呈扇面形，兩個(gè)通孔以凸點(diǎn)下金屬層6為圓心對稱排列，扇面形外緣的半徑與空氣隙9的半徑相等，通孔12設(shè)置呈扇面形以方便空氣隙9的制作，提供制作的窗口 ；使得空氣隙9正上方的柔性層3可以彎曲變形，焊料凸點(diǎn)7可以在Z軸方向變形。柔性層3為聚酰亞胺，該材料價(jià)格較便宜，是圓片級封裝使用的標(biāo)準(zhǔn)鈍化層材料； 聚酰亞胺材料在熱-機(jī)械應(yīng)力作用下承受的拉伸幅度很大，這對實(shí)現(xiàn)整個(gè)焊料凸點(diǎn)結(jié)構(gòu)的柔性來說很重要；聚酰亞胺材料上易產(chǎn)生的殘余拉應(yīng)力有利于硅圓片表面應(yīng)力松弛之后結(jié)構(gòu)的保持和控制。阻焊層8設(shè)置在柔性層3和再分布銅布線4的表面上。鈍化層2為聚酰亞胺，設(shè)置在硅芯片1有焊接區(qū)域的一面上，以利于后續(xù)工藝的進(jìn)行和空氣隙結(jié)構(gòu)的形成；再分布銅布線4與凸點(diǎn)下金屬層6連接的一端為卷曲形5設(shè)置為具有微彈簧效果的卷曲形狀使得焊料凸點(diǎn)7在X-Y平面內(nèi)具有柔性度，以順應(yīng)X-Y平面內(nèi)的變形；設(shè)置空氣隙9使得焊料凸點(diǎn)7在Z軸方向上具有柔性度，以順應(yīng)Z軸方向的變形； 硅芯片焊盤區(qū)域11通過銅接線柱10與再分布銅布線4連接實(shí)現(xiàn)電導(dǎo)通。該結(jié)構(gòu)使得三維方向上都形成具有柔性度的芯片級柔性封裝結(jié)構(gòu)，解決了熱循環(huán)中基板、焊料凸點(diǎn)7、硅芯片1熱不匹配引起的熱應(yīng)力導(dǎo)致的基板變形，或焊料凸點(diǎn)7與基板間的微裂紋的可靠性問題，并且取消了當(dāng)前為解決熱不匹配而引入的底部填充工藝，從而提高了可靠性，大大減少了工藝制造的成本和生產(chǎn)周期。
權(quán)利要求
1.一種基于卷曲型銅布線的芯片級三維柔性封裝結(jié)構(gòu)，包括設(shè)有鈍化層(2)的硅芯片 (1)、銅接線柱(10)、再分布銅布線(4)、凸點(diǎn)下金屬層(6)、焊料凸點(diǎn)(7)和阻焊層(8)，硅芯片焊盤區(qū)域(11)與銅接線柱(10)連接，所述凸點(diǎn)下金屬層(6)設(shè)置在再分布銅布線(4)上并通過再分布銅布線(4)與銅接線柱(10)相連接，焊料凸點(diǎn)(7)設(shè)置在凸點(diǎn)下金屬層(6) 上，其特征在于所述鈍化層(2 )上設(shè)有柔性層(3 )，再分布銅布線(4 )設(shè)置在柔性層(3 )的表面上，再分布銅布線(4)與凸點(diǎn)下金屬層(6)連接的一端設(shè)置為具有微彈簧效果的卷曲形狀(5)，凸點(diǎn)下金屬層(6)旁邊的柔性層(3)上設(shè)有通孔(12)，焊料凸點(diǎn)(7)正下方的鈍化層(2)中設(shè)有空氣隙(9)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于卷曲型銅布線的芯片級三維柔性封裝結(jié)構(gòu)，其特征在于所述的通孔(12)為兩個(gè)，形狀呈扇面形，兩個(gè)通孔以凸點(diǎn)下金屬層(6)為圓心對稱排列。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于卷曲型銅布線的芯片級三維柔性封裝結(jié)構(gòu)，其特征在于所述空氣隙(9)為圓桶形狀。
4.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的一種基于卷曲型銅布線的芯片級三維柔性封裝結(jié)構(gòu)，其特征在于所述扇面形外緣的半徑與空氣隙(9)的半徑相等。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于卷曲型銅布線的芯片級三維柔性封裝結(jié)構(gòu)，其特征在于所述的柔性層(3)為聚酰亞胺。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于卷曲型銅布線的芯片級三維柔性封裝結(jié)構(gòu)，其特征在于所述阻焊層(8)設(shè)置在柔性層(3)和再分布銅布線(4)的表面上。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于卷曲型銅布線的芯片級三維柔性封裝結(jié)構(gòu)，包括設(shè)有鈍化層的硅芯片、銅接線柱、再分布銅布線、凸點(diǎn)下金屬層和焊料凸點(diǎn)，硅芯片焊盤區(qū)域與銅接線柱連接，凸點(diǎn)下金屬層設(shè)置在再分布銅布線上并通過再分布銅布線與銅接線柱相連接，焊料凸點(diǎn)設(shè)置在凸點(diǎn)下金屬層上，其特征是鈍化層上設(shè)有柔性層，再分布銅布線設(shè)置在柔性層的表面上，再分布銅布線與凸點(diǎn)下金屬層連接的一端設(shè)置為具有微彈簧效果的卷曲形狀，凸點(diǎn)下金屬層旁邊的柔性層上設(shè)有通孔，焊料凸點(diǎn)正下方的鈍化層中設(shè)有空氣隙。本發(fā)明采用空氣隙和卷曲形再分布銅布線使得封裝結(jié)構(gòu)具有三維柔性，實(shí)現(xiàn)芯片和基板間的三維柔性連接，解決熱循環(huán)中熱不匹配引起的熱應(yīng)力導(dǎo)致的可靠性問題。
文檔編號H01L23/00GK102569231SQ20111045878
公開日2012年7月11日 申請日期2011年12月31日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月31日
發(fā)明者任國濤, 李鵬, 潘開林, 黃鵬 申請人:桂林電子科技大學(xué)