專利名稱：在集成電路晶片上制造低成本焊料凸塊的制作方法
技術領域：
本標的物大體上涉及集成電路(IC)晶片處理。
背景技術：
晶片級封裝技術可包含在將晶片單體化為各個IC芯片之前封裝、測試和執(zhí)行燒進 (bum-in)操作。在單體化其間，切粒機沿著劃線鋸切晶片以分離各個IC芯片。'一旦IC 芯片經單體化，便可將所述IC芯片安裝在印刷電路板(PCB)上。
典型的IC芯片使用金屬結合墊而不是導線或引腳來進行安裝。結合墊可通常沿著 IC芯片的面或電路側上的封裝的邊緣而經蝕刻或印刷到晶片上。在一些實施方案中，輸 入/輸出(I/O)墊電連接到IC芯片的結合墊。再分配層(RDL)包含可將由結合墊提供 的信號重新定位到IC芯片內的所需位置的金屬線?？蓪⒑噶贤箟K附接到I/O墊以便于組 裝到PCB上。
常規(guī)的焊料凸塊制造技術涉及真空沉積、光刻以及濕式化學蝕刻工藝以形成凸塊下 金屬(UBM)層，可使用焊膏或焊料鍍敷工藝將焊料凸塊形成到所述層上。
真空沉積工藝和設備的購買、促進和維護較昂貴。而且，用薄膜UBM工藝進行晶 片凸塊制作成本可能較高。需要光罩裝置來界定UBM幾何形狀和位置，且一旦經設計 和加工便無法改變。類似地，無電鍍敷工藝中涉及的鍍敷設備、制造、維護和鍍液化學 品(bath chemistry)維護成本可能較高。另外，無電鍍敷工藝常常對金屬結合墊冶金(例 如，鋁)中的變化敏感，其可引起鍍敷沉積問題。因此，通常讓顧客付費對每一新產品 執(zhí)行蝕刻評估步驟。
與無電鍍敷UBM工藝相關的另一缺點是UBM金屬可鍍敷到晶片的背面上。因此， 晶片背面可能需要涂覆有抗鍍敷劑且隨后在UBM沉積后剝落。涂覆和剝落步驟增加了 成本和工藝交付時間。
薄膜UBM工藝和無電鍍敷UBM沉積工藝兩者通常均要求晶片厚度超過20密耳以 防止晶片在處理期間破裂。因此在許多情況下需要凸塊制作后晶片研磨步驟來將晶片深 度減小到最終硅厚度產品要求。在 一 些情況下，最終晶片厚度由于研磨工藝約束而受到 焊料凸塊制作工藝的限制(例如，大約7密耳)。 發(fā)明內容用于在IC晶片上形成焊料凸塊的低成本方法包含在IC晶片的結合墊上形成的柱凸 塊上直接沉積焊料。在一個實施方案中，通過在晶片的結合墊上執(zhí)行導線結合(例如， 球或楔結合)而在IC晶片上形成柱凸塊。將可光界定的焊料掩模材料施加于所述晶片 并固化。將所述可光界定的焊料掩模材料曝光以在所述金屬結合墊區(qū)域處形成敞開的焊 料掩模區(qū)域。將焊膏施加于所述敞開的焊料掩模區(qū)域內?；亓魉鼍系乃龊父嘈?成浸潤到所述柱凸塊的燥料凸塊。隨后從所述晶片剝落所述焊料掩模。
在另一實施方案中，通過在結合墊上執(zhí)行導線結合、在柱凸塊上施加焊膏以及回流 所述焊膏以形成浸潤到柱凸塊的焊料凸塊來在晶片上形成柱凸塊。任選地，可將聚合物 或其它保護性層施加于晶片以保護暴露的結合墊。
在另一實施方案中，通過在結合墊上執(zhí)行導線結合并使晶片通過波焊機以在柱凸塊 上形成焊料凸塊來在晶片上形成柱凸塊。
所揭示工藝的簡化提供許多優(yōu)點，包含與常規(guī)沉積和無電鍍敷的UBM工藝相比時 降低總體產品成本。成本節(jié)省的一些實例包含但不限于a)當與真空沉積設備、濕式 蝕刻線和鍍敷線相比時降低設備成本和制造成本；b)沒有鍍敷或蝕刻化學分析和處置 成本；c)沒有UBM掩模設計和掩模制造成本；d)沒有"重新成形"鈍化開口的重新 鈍化層成本；e)沒有無電鍍UBM工藝中必要的"蝕刻文字"成本；f)沒有無電鍍UBM 工藝中必要的"全盒"費用；以及g)沒有無電鍍UBM工藝屮必要的晶片背面保護層 成本。
所揭示的工藝還提供更靈活的改變。由于使用導線結合物來在IC晶片上形成柱凸 塊，因此任何改變(例如，凸塊圖案、刪除凸塊位置)均涉及相對容易且快速的導線結 合軟件的簡單改變。如果使用常規(guī)的真空沉積掩模，那么必須設計和制造新的掩模裝置， 其成本可能較高且往往與較長交付時間相關聯(lián)。
所揭示的工藝還提供較高可靠性。充當UBM的柱凸塊具有在大約50微米的范圍內 的厚度。真空沉積UBM具有在2微米范圍內的厚度且電鍍敷UBM厚度可高達大約5 微米范圍。理論上，柱凸塊UBM具有最長的UBM消耗壽命。
所揭示的工藝提供薄的帶凸塊晶片產品。目前，真空沉積或無電鍍敷UBM工藝兩 者均要求20密耳范圍內的晶片厚度以防止凸塊制作過程期間斷裂。如果最終產品要求 需要較薄的晶片厚度，那么可執(zhí)行凸塊制作后的晶片背面研磨步驟。由于晶片上存在焊 料凸塊，當前工業(yè)的帶凸塊晶片背面研磨能力為大約7密耳。導線結合工藝可在低厚度 的晶片上執(zhí)行結合。這允許將晶片背面研磨成低于大約7密耳(例如，大約4密耳)， 且隨后通過導線結合物處理以形成柱凸塊UBM?？芍圃斓陀诖蠹s4密耳的晶片厚度。


圖1說明可根據參看圖2到4描述的工藝制造的包含使用焊料凸塊結合到襯底或其 它IC芯片的IC芯片的實例IC封裝。
圖2A到2F說明用于在IC晶片上的金屬柱凸塊上形成焊料凸塊的第一實例晶片級 工藝。
圖3A到3D說明用于在IC晶片上的金屬柱凸塊上形成焊料凸塊的第二實例晶片級 工藝。
圖4A到4C說明用于在IC晶片上的金屬柱凸塊上形成焊料凸塊的第三實例晶片級工藝。
具體實施例方式
使用具有柱樁的焊料凸塊的實例IC封裝
圖1說明實例IC封裝100，其包含使用焊料凸塊110結合到襯底104的IC芯片102， 所述焊料凸塊110可根據參看圖2到4描述的工藝來制造。IC封裝100可使用互連的倒 裝芯片方法來形成，其中焊料凸塊110將IC芯片102電互連到襯底104或有時電互連 到另一IC芯片。
焊料凸塊IIO是小的焊料球體(焊料球)，其可結合到在晶片制造期間形成于IC芯 片102的面(電路側)上的接觸區(qū)域或金屬(例如，鋁)結合墊106，且隨后面向下與 襯底104結合。IC芯片102與襯底104之間的電連接的長度可通過以下方式最小化(a) 在結合墊106上形成焊料凸塊110; (b)將IC芯片102面向下倒裝；(c)將焊料凸塊110 與襯底104上的結合墊108對準；以及(d)在爐中回流焊料球110以在IC芯片102與 襯底104之間建立結合。此方法可提供具有微小的寄生電感和電容的電連接。IC封裝 IOO可用于多種技術中，例如3D-VLSI技術。
現(xiàn)在將參看圖2A到2F描述在IC晶片上形成低成本焊料凸塊110的工藝，其中將 焊料直接沉積到形成于IC晶片上的金屬結合墊上的金屬柱凸塊上。
用于在柱凸塊上形成焊料凸塊的第一實例工藝
圖2A到2F說明用于在IC晶片的金屬柱凸塊(例如，銅、鋁)上形成焊料凸塊的 第一實例晶片級工藝。參看圖2A，在一些實施方案中，IC晶片200包含若干金屬柱凸 塊202。柱凸塊202可通過導線球結合到晶片200的金屬結合墊204上而形成?？墒褂?標準球結合工藝在金屬結合墊204上形成球結合導線(例如，銅或金)。
在金屬結合墊204上形成導線球結合之后，可在球結合正上方切割導線，從而留下金屬柱凸塊202。在一個實例中，可設定電子火焰熄滅(EFO)以在球結合正上方切割 導線而產生柱凸塊202。柱凸塊202的大小至少部分取決于所使用導線的規(guī)格。舉例來 說，柱凸塊202的厚度可在大約50微米的范圍內，其取決于導線的規(guī)格。作為比較， 典型的真空沉積UBM可具有高達大約2微米的厚度，且典型的無電鍍敷UBM可具有 高達大約5微米的厚度。理論上，與常規(guī)UBM技術相比，柱凸塊202提供供焊料球黏 著的較大表面，且具有較長的消耗壽命。
參看圖2B，在晶片200上的柱凸塊202上施加可光界定的焊料掩模材料206層。 在一些實施方案中，可使用絲網印刷、噴涂或層壓工藝將液態(tài)的可光成像焊料掩模 (LPSM)或干燥膜可光成像焊料掩模(DFSM)施加于晶片200。在施加之后，可熱固 化可光界定的焊料掩模材料206。
參看圖2C，可在結合墊204處顯影可光界定材料206，從而暴露晶片200上的柱凸 塊202?？晒饨缍ǖ暮噶涎谀２牧系膮^(qū)207保留在柱凸塊202之間。
參看圖2D，可用焊膏208 (例如，焊料材料與焊劑的混合物)填充可光界定的掩模 材料的區(qū)207之間的暴露區(qū)域。在一些實施方案中，可使用刮墨板印刷工藝來施加焊膏 208。
參看圖2E，可回流焊膏208以使得焊膏208浸潤到柱凸塊202,從而形成焊料凸塊 210。在焊料凸塊210形成之后，如圖2F所示，可從晶片200上剝落可光界定材料的區(qū) 207，從而留下焊料凸塊210。任選地，可將聚合物層施加于晶片200以保護結合墊204 的暴露部分。在此時，可從晶片200中單體化各個1C芯片。
如果所需的凸塊圖案在未來的時間改變(例如，刪除一個或一個以上凸塊、重新定 位凸塊)，那么可容易改變導線結合工藝以允許重新定位焊料凸塊210。因此與常規(guī)UBM 方法相比，使用導線球結合工藝形成柱凸塊202允許對半導體制造工藝進行快速且廉價 的改變。
用于在柱凸塊上形成焊料凸塊的第二實例工藝
圖3A到3D說明用于在IC晶片上的金屬柱凸塊上形成焊料凸塊的第二替代實例晶 片級工藝。參看圖3A，以圖2A所述的方式使用導線球結合在結合墊304上形成柱凸塊 302。 一旦柱凸塊302形成，如圖3B所示，就可使用模版或絲網印刷工藝將焊膏306施 加于柱凸塊302。隨后可回流焊膏306。回流將焊膏306浸潤于柱凸塊302,從而形成焊 料凸塊308，如圖3C所示。任選地，可將聚合物層310施加于晶片300，如圖3D所示。 可使用聚合物層310或其它保護性材料來保護結合墊304的暴露部分。
用于在柱凸塊上形成焊料凸塊的第三實例工藝圖4A到4C說明用于在IC晶片400上的金屬柱凸塊上形成焊料凸塊的第三實例晶 片級工藝。請注意在圖4A中，晶片400是倒置的(與晶片200和300相比)以便于通 過波焊機。參看圖4A，以圖2A所述的方式使用導線球結合在結合墊404上形成柱凸塊 402。 一旦柱凸塊402形成，如圖4B所示，便可通過使晶片400通過波焊機408在柱凸 塊402上形成焊料凸塊406。圖2C說明具有形成于柱凸塊402上的焊料凸塊406的晶 片400。任選地，可將聚合物層施加于晶片400 (例如，如圖3D所示)以保護結合墊 404的暴露部分。
已描述若千實施方案。然而將了解，可進行各種修改。舉例來說，可組合、刪除、 修改或補充一個或一個以上工藝的步驟以形成其它工藝。作為又一實例，圖中描繪的工 藝步驟不要求所展示的特定次序來實現(xiàn)合意的結果。另外，可提供其它步驟，或從所描 述的工藝中消除步驟，且可對所描述的工藝添加其它材料或從中去除其它材料。因此， 其它實施方案在所附權利要求書的范圍內。
權利要求
1.一種在集成電路晶片上形成焊料凸塊的方法，其包括通過在所述晶片的金屬結合墊上執(zhí)行導線結合而形成柱凸塊；在所述晶片上施加可光界定的焊料掩模材料；固化所述晶片；將所述可光界定的焊料掩模材料曝光以在所述金屬結合墊區(qū)域處形成敞開的焊料掩模區(qū)域；將焊膏施加到所述敞開的焊料掩模區(qū)域；回流所述晶片上的焊膏以形成浸潤到所述柱凸塊的焊料凸塊；以及從所述晶片上剝落所述焊料掩模。
2. 根據權利要求l所述的方法，其中所述柱凸塊是由銅或金導線制成的導線球結合。
3. 根據權利要求2所述的方法，其中形成柱凸塊進一步包括設定電子火焰熄滅以在所述導線球結合正上方切割所述導線。
4. 根據權利要求1所述的方法，其中通過刮墨板印刷工藝將所述焊膏施加到所述敞開 的焊料掩模區(qū)域中。
5. 根據權利要求1所述的方法，其中至少一個柱凸塊具有大于大約5微米的厚度。
6. 根據權利要求1所述的方法，其進一步包括在形成所述柱凸塊之前將所述晶片背面研磨成小于大約7密耳。
7. 根據權利要求1所述的方法，其進一步包括在形成所述柱凸塊之前將所述晶片背面研磨成小于大約4密耳。
8. 根據權利要求1所述的方法，其進一步包括將所述晶片鋸切為含有焊料凸塊的集成電路芯片；將所述芯片上的所述焊料凸塊與襯底或其它集成電路芯片上的接觸焊墊對準；以及通過回流所述焊料凸塊將所述芯片和所述襯底或其它集成電路芯片結合在一起。
9. 一種集成電路裝置，其包括襯底；集成電路芯片；以及焊料凸塊，其將所述襯底和集成電路芯片結合在一起，所述焊料凸塊設置在形成 于所述襯底和所述集成電路芯片上的金屬結合墊之間，所述焊料凸塊形成于導線結合上。
10. 根據權利要求9所述的裝置，其中所述襯底包括另一集成電路芯片。
11. 根據權利要求9所述的裝置，其中所述導線結合是由銅或金導線制成的導線球結合。
12. —種在集成電路晶片上形成焊料凸塊的方法，其包括通過在所述晶片的金屬結合墊上執(zhí)行導線結合而形成柱凸塊； 在所述柱凸塊上施加焊膏；以及回流所述晶片上的所述焊膏以形成浸潤到所述柱凸塊的焊料凸塊。
13. 根據權利要求12所述的方法，其進一步包括在回流所述焊膏之后在所述晶片上形成聚合物層。
14. 根據權利要求12所述的方法，其中所述柱凸塊是由銅或金導線制成的導線球結合。
15. 根據權利要求14所述的方法，其中形成柱凸塊進一步包括設定電子火焰熄滅以在所述導線球結合正上方切割所述導線。
16. 根據權利要求12所述的方法，其中通過模版或絲網印刷工藝將所述焊膏施加于所 述柱凸塊。
17. 根據權利要求12所述的方法，其屮所述柱凸塊具有大于大約5微米的厚度。
18. 根據權利要求12所述的方法，其進一步包括在形成所述柱凸塊之前將所述晶片背面研磨成小于大約7密耳。
19. 根據權利要求12所述的方法，其進一步包括在形成所述柱凸塊之前將所述晶片背面研磨成小于大約4密耳。
20. 根據權利要求12所述的方法，其進一步包括將所述晶片鋸切為含有所述焊料凸塊的集成電路芯片；將所述芯片上的所述焊料凸塊與襯底或其它集成電路芯片上的接觸焊墊對準；以及通過回流所述焊料凸塊將所述芯片和所述襯底或其它集成電路芯片結合在一起。
21. —種在集成電路晶片上形成焊料凸塊的方法，其包括通過在所述晶片的結合墊上執(zhí)行導線結合而形成柱凸塊；以及 使用波焊機將焊料施加于所述柱凸塊。
22. 根據權利要求21所述的方法，其中所述柱凸塊是由銅或金導線制成的導線球結合。
23. 根據權利要求22所述的方法，其中形成柱凸塊進一步包括設定電子火焰熄滅以在所述導線球結合正上方切割所述導線。
24. 根據權利要求21所述的方法，其中所述柱凸塊具有大T大約5微米的厚度。
25. 根據權利耍求21所述的方法，其進一步包括在形成所述柱凸塊之前將所述晶片背面研磨成小于大約7密耳。
26. 根據權利耍求21所述的方法，其進一步包括在形成所述柱凸塊之前將所述晶片背面研磨成小于大約4密耳。
27. 根據權利要求21所述的方法，其進一步包括將所述晶片鋸切為含有所述焊料凸塊的集成電路芯片；將所述芯片上的所述焊料凸塊與襯底或其它集成電路芯片上的接觸焊墊對準；以及通過回流所述焊料凸塊將所述芯片和所述襯底或其它集成電路芯片結合在一起。
全文摘要
本發(fā)明涉及在集成電路晶片上制造低成本的焊料凸塊。具體來說，一種在集成電路(IC)晶片上形成焊料凸塊的低成本方法包含在所述IC晶片的結合墊上形成的柱凸塊上直接沉積焊料。在一些實施方案中，通過在所述晶片的金屬結合墊上執(zhí)行導線球結合而在所述IC晶片上形成柱凸塊。將可光界定的焊料掩模材料施加于所述晶片并固化。將所述可光界定的焊料掩模材料曝光以在所述金屬結合墊區(qū)域處形成敞開的焊料掩模區(qū)域。將焊膏施加于所述敞開的焊料掩模區(qū)域內?；亓魉鼍系乃龊父嘈纬山櫟剿鲋箟K的焊料凸塊。隨后從所述晶片上剝落所述焊料掩模。也可使用其它工藝(例如，波焊機、模版或絲網印刷工藝)將焊料浸潤到柱凸塊上以形成焊料凸塊。
文檔編號H01L21/027GK101515557SQ20091000955
公開日2009年8月26日 申請日期2009年2月20日 優(yōu)先權日2008年2月20日
發(fā)明者肯·蘭姆 申請人:愛特梅爾公司