一種提高產(chǎn)品可靠性的銅柱凸塊結(jié)構(gòu)的制作方法
【專利摘要】本實(shí)用新型公開了一種提高產(chǎn)品可靠性的銅柱凸塊結(jié)構(gòu)，屬于半導(dǎo)體封裝【技術(shù)領(lǐng)域】。其包括表面設(shè)置有芯片電極（110）的硅基體（101），硅基體（101）的上表面附著有芯片表面鈍化層（120）并形成芯片表面鈍化層開口（121），芯片表面鈍化層開口（121）的內(nèi)壁以及裸露的芯片電極（110）的表面設(shè)置金屬濺射層（211），所述金屬濺射層（211）的表面固定連接金屬凸塊（300），金屬凸塊（300）包括金屬銅柱（220）、金屬錫帽（230）、金屬層（240）和惰性金屬層（301），惰性金屬層（301）設(shè)置于金屬銅柱（220）的外側(cè)壁，所述金屬層（240）設(shè)置于金屬銅柱（220）的頂端表面，所述金屬層（240）的表面設(shè)置金屬錫帽（230）。本實(shí)用新型有效地提升了產(chǎn)品的可靠性和成形效率。
【專利說明】一種提高產(chǎn)品可靠性的銅柱凸塊結(jié)構(gòu)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型涉及一種提高產(chǎn)品可靠性的銅柱凸塊結(jié)構(gòu)，屬于半導(dǎo)體封裝【技術(shù)領(lǐng)域】。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著電子技術(shù)的發(fā)展，電子產(chǎn)品的系統(tǒng)功能愈加復(fù)雜，而對(duì)于內(nèi)部芯片而言，具有更好的可靠性與更短的信號(hào)延時(shí)成為一個(gè)必然的發(fā)展趨勢(shì)。與此同時(shí)，由于迎合了這一發(fā)展趨勢(shì)，半導(dǎo)體封裝行業(yè)凸塊技術(shù)得以迅速的發(fā)展，隨著前端半導(dǎo)體集成度的不斷提高，凸塊結(jié)構(gòu)也由傳統(tǒng)的焊錫凸塊發(fā)展成為更小節(jié)距的銅柱凸塊。銅柱凸塊包括了用以維持倒裝后站立高度的銅柱和進(jìn)行焊接互聯(lián)的焊錫帽，其通常是通過電鍍的方式來(lái)制備。但是，這種銅柱凸塊結(jié)構(gòu)在制備和使用中還存在如下的一些問題:
[0003]1、銅柱表面由于與空氣接觸后較容易被空氣氧化生成金屬氧化物，這種疏松的氧化物會(huì)導(dǎo)致銅柱與底填材料或塑封料分層，從而降低產(chǎn)品的可靠性；
[0004]2、焊錫在銅表面具有很好的潤(rùn)濕性，當(dāng)芯片表面形成的凸塊結(jié)構(gòu)在倒裝回流焊的時(shí)候，由于銅柱較好的潤(rùn)濕性，錫帽部分的錫會(huì)沿著銅塊側(cè)壁向上攀附，形成蘑菇狀的焊錫團(tuán)，由于焊錫往上攀附，導(dǎo)致下方錫帽的高度降低，當(dāng)?shù)寡b在基板上時(shí)，錫帽因沒有足夠的焊錫量與基板上的引腳形成回路，從而出現(xiàn)虛焊現(xiàn)象。對(duì)于復(fù)雜的芯片結(jié)構(gòu)，由于凸塊結(jié)構(gòu)數(shù)較多，出現(xiàn)虛焊的可能性就更高，產(chǎn)品的可靠性將急劇降低；
[0005]3、銅柱與焊錫帽的連接界面通常會(huì)生成一銅錫化合物層，該化合物層質(zhì)地較脆。在器件服役過程中受到?jīng)_擊時(shí)，易使該化合物層斷裂，而導(dǎo)致產(chǎn)品失效，影響產(chǎn)品的可靠性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本實(shí)用新型的目的在于克服上述不足，提供一種帶有惰性金屬層和多層金屬焊錫帽、防止焊錫往上攀附、也防止錫帽掉落的銅柱凸塊結(jié)構(gòu)。
[0007]本實(shí)用新型是這樣實(shí)現(xiàn)的:
[0008]本實(shí)用新型一種提高產(chǎn)品可靠性的銅柱凸塊結(jié)構(gòu)，其包括表面設(shè)置有芯片電極110的硅基體101，所述硅基體101的上表面附著有芯片表面鈍化層120，并在芯片電極110的上方設(shè)置有芯片表面鈍化層開口 121，所述芯片表面鈍化層開口 121露出芯片電極110的表面，所述芯片表面鈍化層開口 121的內(nèi)壁以及裸露的芯片電極110的表面設(shè)置金屬濺射層 211。
[0009]本實(shí)用新型所述金屬濺射層211的表面固定連接金屬凸塊300，所述金屬凸塊300包括金屬銅柱220、金屬錫帽230、金屬層240和惰性金屬層301，所述金屬銅柱220與金屬濺射層211的表面固連，所述惰性金屬層301設(shè)置于金屬銅柱220的外側(cè)壁，所述金屬層240設(shè)置于金屬銅柱220的頂端表面，所述金屬層240的表面設(shè)置金屬錫帽230。
[0010]進(jìn)一步地，所述惰性金屬層301的厚度為2μπι±0.Ιμπι。[0011]進(jìn)一步地，所述金屬層240與惰性金屬層301的材質(zhì)相同。
[0012]進(jìn)一步地，所述金屬層240與惰性金屬層301的材質(zhì)為N1、Ni/Au或Ni/Pd/Au。
[0013]進(jìn)一步地，所述金屬層240的厚度為2 μ m± 0.Ιμπι。
[0014]本實(shí)用新型所述金屬層240與惰性金屬層301的材質(zhì)不相同。
[0015]進(jìn)一步地，所述金屬層240的材質(zhì)為Sn/N1、Sn/Ni/Au合金或Sn/Ni/Pd/Au。
[0016]進(jìn)一步地，所述金屬層240的厚度為2 μ m?3 μ m。
[0017]本實(shí)用新型的有益效果是:
[0018]1、在金屬銅柱的外表面增加惰性金屬材質(zhì)的惰性金屬層，避免了裸露在空氣的金屬銅柱被空氣氧化，提高了產(chǎn)品的可靠性；
[0019]2、惰性金屬層的材質(zhì)為N1、Ni/Au或Ni/Pd/Au，其不具有潤(rùn)濕性，避免了在后續(xù)應(yīng)用過程中的爬錫問題，提高了產(chǎn)品的可靠性；
[0020]3、在金屬銅柱與金屬錫帽之間設(shè)置惰性金屬材質(zhì)的金屬層，有效地克服了銅錫化合物層的生成，提高了產(chǎn)品的可靠性。而通過電鍍工藝結(jié)合回流工藝實(shí)現(xiàn)的多元錫基合金的金屬層，其力學(xué)性能更好，能有效地降低金屬錫帽掉落問題，且工藝簡(jiǎn)單。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0021]圖1為本實(shí)用新型一種提高產(chǎn)品可靠性的銅柱凸塊結(jié)構(gòu)的示意圖。
[0022]圖2至圖9為圖1實(shí)施例的制備方法的工藝過程示意圖。
[0023]其中:
[0024]硅基體101
[0025]芯片電極110
[0026]芯片表面鈍化層120
[0027]芯片表面鈍化層開口 121
[0028]金屬濺射層211、212
[0029]金屬銅柱220
[0030]金屬錫帽230
[0031]金屬錫柱231
[0032]金屬層240
[0033]金屬凸塊300
[0034]惰性金屬層301、302
[0035]光刻膠I圖形開口 410
[0036]光刻膠II圖形開口 420。
【具體實(shí)施方式】
[0037]現(xiàn)在將在下文中參照附圖更加充分地描述本實(shí)用新型，在附圖中示出了本實(shí)用新型的示例性實(shí)施例，從而本公開將本實(shí)用新型的范圍充分地傳達(dá)給本領(lǐng)域的技術(shù)人員。然而，本實(shí)用新型可以以許多不同的形式實(shí)現(xiàn)，并且不應(yīng)被解釋為限制于這里闡述的實(shí)施例。
[0038]參見圖1，本實(shí)用新型一種提高產(chǎn)品可靠性的銅柱凸塊結(jié)構(gòu)，其包括表面設(shè)置有芯片電極110的硅基體101，硅基體101的上表面附著有芯片表面鈍化層120，并在芯片電極110的上方設(shè)置有芯片表面鈍化層開口 121，芯片表面鈍化層開口 121露出芯片電極110的表面。芯片表面鈍化層開口 121的內(nèi)壁以及裸露的芯片電極110的表面設(shè)置金屬濺射層211,金屬派射層211的表面固定連接金屬凸塊300。金屬凸塊300包括金屬銅柱220、金屬錫帽230、金屬層240和惰性金屬層301，其中金屬銅柱220與金屬濺射層211的表面固連，厚度為2 μπι±0.1ym的惰性金屬層301設(shè)置于金屬銅柱220的外側(cè)壁，其材質(zhì)為N1、Ni/Au或Ni/Pd/Au，可以防止金屬銅柱220被氧化，起到保護(hù)金屬銅柱220的作用。金屬層240設(shè)置于金屬銅柱220的頂端。金屬層240的材質(zhì)可以與惰性金屬層301相同，為N1、Ni/Au或Ni/Pd/Au，厚度為2 μ m±0.1 μ m,以阻止金屬銅柱220與金屬錫帽230的連接界面處生成銅錫化合物層，提高產(chǎn)品的可靠性；金屬層240的材質(zhì)也可以與惰性金屬層301不相同，其材質(zhì)為Sn/N1、Sn/Ni/Au合金或Sn/Ni/Pd/Au，并且其厚度為2 μ m?3 μ m。金屬層240的表面設(shè)置金屬錫帽230。
[0039]本實(shí)用新型一種提高產(chǎn)品可靠性的銅柱凸塊結(jié)構(gòu)的實(shí)現(xiàn)過程如下:
[0040]如圖2所不，提供表面設(shè)直有芯片電極110的娃基體101,娃基體101的上表面附著有芯片表面鈍化層120，芯片電極110的上方設(shè)置的芯片表面鈍化層開口 121露出芯片電極110的表面。
[0041]如圖3所示，在芯片表面鈍化層120的上表面和芯片表面鈍化層開口 121的內(nèi)壁、以及裸露的芯片電極110的表面通過濺射工藝覆蓋金屬濺射層211、212，金屬濺射層211位于芯片電極110的正上方且不超出芯片電極110的垂直范圍，金屬濺射層212為金屬濺射層211的水平延展部分。
[0042]如圖4所示，在金屬濺射層211、212的上表面涂覆一定高度的光刻膠I，該光刻膠I的高度與后續(xù)形成的金屬銅柱220的高度相等；通過光刻工藝借助掩模去除芯片表面鈍化層開口 121正上方的光刻膠I，形成光刻膠I圖形開口 410，在光刻膠I圖形開口 410中通過電鍍工藝形成達(dá)到預(yù)設(shè)高度的金屬銅柱220。
[0043]如圖5所示，通過腐蝕去膠工藝，去除剩余的光刻膠和金屬柱220周邊無(wú)效的金屬濺射層212。
[0044]如圖6和圖7所示，通過化學(xué)鍍工藝，在金屬柱220的外表面形成厚度為2 μ m±0.1 μ m的惰性金屬層301、302，惰性金屬層301位于金屬柱220的外側(cè)壁，惰性金屬層302位于金屬柱220的頂端，惰性金屬層301、302的材質(zhì)為N1、Ni/Au或Ni/Pd/Au，再在惰性金屬層302的表面通過印刷或回流工藝形成金屬錫帽230。
[0045]金屬錫帽230的形成也可以通過如下工藝實(shí)現(xiàn):
[0046]如圖8所示，在芯片表面鈍化層120的上表面涂覆一定高度的光刻膠II，該光刻膠
II的高度高于惰性金屬層302，并滿足在惰性金屬層302上方的高度與后續(xù)形成的金屬錫柱231的高度相等；通過光刻工藝借助掩模去除惰性金屬層302正上方的光刻膠II，形成開口不大于光刻膠I圖形開口 410的光刻膠II圖形開口 420，在光刻膠II圖形開口 420中通過電鍍工藝形成達(dá)到預(yù)設(shè)高度的金屬錫柱231 ;如圖9所示，通過回流工藝，金屬錫柱231臨近惰性金屬層302的一部分與惰性金屬層302熔融形成合金成分為Sn/N1、Sn/Ni/Au或者Sn/Ni/Pd/Au的金屬層240，金屬錫柱231遠(yuǎn)離惰性金屬層302的另一部分形成金屬錫帽230，該金屬層240具有更好的力學(xué)性能，可以有效的減少金屬錫帽230掉落問題；再通過腐蝕去膠工藝去除剩余的光刻膠II。[0047]本實(shí)用新型一種提高產(chǎn)品可靠性的凸塊結(jié)構(gòu)及其制備方法不限于上述優(yōu)選實(shí)施例，可以應(yīng)用于除了金屬銅柱之外的其他材質(zhì)的柱狀金屬或凸塊金屬結(jié)構(gòu);金屬層240與金屬錫帽230也可以沒有邊界，熔為一體，形成金屬合金帽，其靠近金屬層240—端，N1、Ni/Au或Ni/Pd/Au所占比重較高，越往金屬錫帽230的方向，N1、Ni/Au或Ni/Pd/Au所占比重逐漸降低。因此任何本領(lǐng)域技術(shù)人員在不脫離本實(shí)用新型的精神和范圍內(nèi)，依據(jù)本實(shí)用新型的技術(shù)實(shí)質(zhì)對(duì)以上實(shí)施例所作的任何修改、等同變化及修飾，均落入本實(shí)用新型權(quán)利要求所界定的保護(hù)范圍內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種提高產(chǎn)品可靠性的銅柱凸塊結(jié)構(gòu)，其包括表面設(shè)置有芯片電極(110)的硅基體(101 )，所述硅基體(101)的上表面附著有芯片表面鈍化層(120)，并在芯片電極(110)的上方設(shè)置有芯片表面鈍化層開口( 121 )，所述芯片表面鈍化層開口( 121)露出芯片電極(110)的表面，所述芯片表面鈍化層開口( 121)的內(nèi)壁以及裸露的芯片電極(110)的表面設(shè)置金屬濺射層(211)， 其特征在于:所述金屬濺射層(211)的表面固定連接金屬凸塊(300)，所述金屬凸塊(300 )包括金屬銅柱(220 )、金屬錫帽(230 )、金屬層(240 )和惰性金屬層(301)，所述金屬銅柱(220)與金屬濺射層(211)的表面固連，所述惰性金屬層(301)設(shè)置于金屬銅柱(220)的外側(cè)壁，所述金屬層(240)設(shè)置于金屬銅柱(220)的頂端表面，所述金屬層(240)的表面設(shè)置金屬錫帽(230)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種提高產(chǎn)品可靠性的銅柱凸塊結(jié)構(gòu)，其特征在于:所述惰性金屬層(301)的厚度為2μπι±0.Ιμπι。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種提高產(chǎn)品可靠性的銅柱凸塊結(jié)構(gòu)，其特征在于:所述金屬層(240)與惰性金屬層(301)的材質(zhì)相同。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種提高產(chǎn)品可靠性的銅柱凸塊結(jié)構(gòu)，其特征在于:所述金屬層(240)與惰性金屬層(301)的材質(zhì)為N1、Ni/Au*Ni/Pd/Au。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種提高產(chǎn)品可靠性的銅柱凸塊結(jié)構(gòu)，其特征在于:所述金屬層(240)的厚度為2μL?±0.ΙμL?ο
6.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種提高產(chǎn)品可靠性的銅柱凸塊結(jié)構(gòu)，其特征在于:所述金屬層(240)與惰性金屬層(301)的材質(zhì)不相同。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種提高產(chǎn)品可靠性的銅柱凸塊結(jié)構(gòu)，其特征在于:所述金屬層(240)的材質(zhì)為 Sn/N1、Sn/Ni/Au 合金或 Sn/Ni/Pd/Au。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的一種提高產(chǎn)品可靠性的銅柱凸塊結(jié)構(gòu)，其特征在于:所述金屬層(240)的厚度為2 μ m~3 μ m。
【文檔編號(hào)】H01L23/498GK203774307SQ201420145806
【公開日】2014年8月13日 申請(qǐng)日期:2014年3月28日 優(yōu)先權(quán)日:2014年3月28日
【發(fā)明者】郭洪巖, 張愛兵, 張黎, 賴志明, 陳錦輝 申請(qǐng)人:江陰長(zhǎng)電先進(jìn)封裝有限公司