專利名稱：焊球上應(yīng)力減小的晶圓級芯片規(guī)模封裝件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種半導(dǎo)體器件，具體地說，涉及一種晶圓級芯片規(guī)模封裝件。
背景技術(shù)：
在晶圓級芯片規(guī)模封裝件(WLCSP)的形成中，首先在晶圓中的半導(dǎo)體襯底的表面形成集成電路器件諸如晶體管。然后在集成電路器件上方形成互連結(jié)構(gòu)。在互連結(jié)構(gòu)上方形成金屬焊盤，并將其電連接至互連結(jié)構(gòu)。在金屬焊盤上形成鈍化層和第一聚酰亞胺層，并通過鈍化層和第一聚酰亞胺層中的開ロ使金屬焊盤暴露出來。然后形成鈍化后互連件(PPI)，接著在PPI上方形成第二聚酰亞胺層。形成底部凸塊金屬層(UBM)，延伸至第二聚酰亞胺層中的開口內(nèi)，其中將UBM電連接至PPL。然后將焊球放在UBM上方，并回流焊球。 可以直接將WLCSP接合至印刷電路板(PCB)。按照常規(guī)，直接接合至PCB的WLCSP管芯都是小管芯。因此，對將管芯接合至各自的PCB的焊球施加的應(yīng)カ也相對較小。近年來，需要將日益增大的管芯接合至PCB。對焊球產(chǎn)生的應(yīng)カ因此變得越來越大，從而需要減少應(yīng)カ的方法。然而，在WLCSP中避免使用用于保護焊球的底部填充。原因是如果應(yīng)用了底部填充，則管芯和PCB之間的接合是不可修復(fù)的，并且如果管芯是有缺陷的，則管芯不能再從各自的PCB移除。因此，如果應(yīng)用了底部填充，一旦接合了，缺陷管芯就不能替換為好的管芯，從而導(dǎo)致整個封裝件不合格。

發(fā)明內(nèi)容
為了解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，根據(jù)本發(fā)明的ー個方面，提供了一種結(jié)構(gòu)，包括半導(dǎo)體襯底；金屬焊盤，位于所述半導(dǎo)體襯底的上方；鈍化層，位于所述半導(dǎo)體襯底的上方，并包含位于所述金屬焊盤上方的部分；第一聚酰亞胺層，位于所述鈍化層上方，其中所述第一聚酰亞胺層具有第一厚度和第一楊氏模量；鈍化后互連件(PPI)，包括位于所述第一聚酰亞胺層上方的第一部分和延伸至所述第一聚酰亞胺層內(nèi)并且被電連接至所述金屬焊盤的第二部分；和第二聚酰亞胺層，位于所述PPI上方，其中所述第二聚酰亞胺層具有第二厚度和第二楊氏模量，并且其中厚度比和楊氏模量比中的至少ー種大于1.0，所述厚度比等于所述第一厚度與所述第二厚度的比值，而所述楊氏模量比等于所述第二楊氏模量與所述第一楊氏模量的比值。在該結(jié)構(gòu)中，其中所述厚度比大于約I. 5。在該結(jié)構(gòu)中，其中所述第二楊氏模量大于所述第一楊氏模量，二者差值大于約O. 5GPa。在該結(jié)構(gòu)中，其中所述第一聚酰亞胺層由光刻膠材料形成，所述光刻膠材料包含由娃氧燒基團表不的樹脂。在該結(jié)構(gòu)中，其中所述第一聚酰亞胺層由光刻膠材料形成，所述光刻膠材料包含由硅氧烷基團表示的樹脂，且其中所述第二聚酰亞胺層由所述光刻膠材料形成，所述光刻膠材料包含由所述硅氧烷基團表示的所述樹脂。根據(jù)本發(fā)明的另一方面，還提供了一種結(jié)構(gòu)，包括半導(dǎo)體襯底；金屬焊盤，位于所述半導(dǎo)體襯底上方；鈍化層，位于所述半導(dǎo)體襯底上方并包含位于所述金屬焊盤上方的部分；第一聚酰亞胺層，位于所述鈍化層上方；鈍化后互連件(PPI)，包含位于所述第一聚酰亞胺層上方的第一部分和延伸至所述第一聚酰亞胺層內(nèi)并且被電連接至所述金屬焊盤的第二部分；第二聚酰亞胺層，位于所述PPI上方，其中所述第一聚酰亞胺層具有第一楊氏模量，所述第一楊氏模量小于所述第二聚酰亞胺層的第二楊氏模量；底部凸塊金屬層(UBM)，延伸至所述第二聚酰亞胺層內(nèi)，并被電連接至所述PPI ;和所述UBM上的凸塊。在該結(jié)構(gòu)中，其中所述第一聚酰亞胺層由光刻膠材料形成，所述光刻膠材料包含由娃氧燒基團表不的樹脂。在該結(jié)構(gòu)中，其中所述第一楊氏模量小于所述第二楊氏模量，二者差值大于約O.5GPa。 在該結(jié)構(gòu)中，其中所述第一聚酰亞胺層由楊氏模量低于約I. 5GPa的材料形成。在該結(jié)構(gòu)中，其中所述第一聚酰亞胺層由楊氏模量低于約I. 5GPa的材料形成，且其中所述第二聚酰亞胺層由聚苯并惡唑(PBO)形成。在該結(jié)構(gòu)中，其中所述第一聚酰亞胺層具有第一厚度，所述第一厚度大于所述第ニ聚酰亞胺層的第二厚度。在該結(jié)構(gòu)中，其中所述第一聚酰亞胺層具有第一厚度，所述第一厚度大于所述第ニ聚酰亞胺層的第二厚度，且其中所述第一厚度與所述第二厚度的比值大于約I. 5。根據(jù)本發(fā)明的又一方面，還提供一種結(jié)構(gòu)，包含半導(dǎo)體襯底；金屬焊盤，位于所述半導(dǎo)體襯底上方；鈍化層，位于所述半導(dǎo)體襯底上方并包含位于所述金屬焊盤上方的部分；第一聚酰亞胺層，位于所述鈍化層上方；鈍化后互連件(PPI)，包含位于所述第一聚酰亞胺層上方的第一部分和延伸至所述第一聚酰亞胺層內(nèi)并且被電連接至所述金屬焊盤的第二部分；第二聚酰亞胺層，位于所述PPI上方，其中所述第一聚酰亞胺層具有第一厚度，所述第一厚度大于所述第二聚酰亞胺層的第二厚度；底部凸塊金屬層(UBM)，延伸至所述第二聚酰亞胺層內(nèi)，并被電連接至所述PPI，和所述UBM上的凸塊。在該結(jié)構(gòu)中，其中所述第一厚度與所述第二厚度的比值大于約I. 5。在該結(jié)構(gòu)中，其中所述第一聚酰亞胺層具有第一楊氏模量，所述第一楊氏模量小于所述第二聚酰亞胺層的第二楊氏模量。在該結(jié)構(gòu)中，其中所述第一楊氏模量和所述第二楊氏模量之間的差值大于約O. 5GPa。在該結(jié)構(gòu)中，其中所述第一聚酰亞胺層由光刻膠材料形成，所述光刻膠材料包含由娃氧燒基團表不的樹脂。在該結(jié)構(gòu)中，其中所述第一聚酰亞胺層由光刻膠材料形成，所述光刻膠材料包含由硅氧烷基團表示的樹脂，且其中所述第二聚酰亞胺層由聚苯并惡唑(PBO)形成。在該結(jié)構(gòu)中，其中所述第一聚酰亞胺層由楊氏模量低于約I. 5GPa的材料形成。


為了更充分地理解實施例及其優(yōu)點，現(xiàn)在將結(jié)合附圖所進行的以下描述作為參考，其中圖I示出了根據(jù)實施例的晶圓級芯片規(guī)模封裝件(WLCSP)；圖2示出了表示W(wǎng)LCSP的剛度的模型，所述WLCSP的剛度受到WLCSP中各個區(qū)域的剛度值的影響；圖3示出了焊球中的作為厚度比T1/T2的函數(shù)的歸ー化的累積應(yīng)力；和圖4至圖6示出了在如圖I的WLCSP中所用的光刻膠材料的化學(xué)式。
具體實施例方式在下面詳細(xì)地討論本公開的實施例的制造和應(yīng)用。然而，應(yīng)當(dāng)理解，本公開的實施例提供了許多可以在各種具體環(huán)境中實現(xiàn)的可應(yīng)用的發(fā)明概念。所討論的具體實施例僅僅 是示例性的，而不是用于限制本公開的范圍。根據(jù)實施例提供晶圓級芯片規(guī)模封裝件(WLCSP)。舉例說明了制造各個實施例的中間階段。討論了實施例的變化。在全文各個視圖和示例性實施例中，使用相同的附圖編號指定相同的元件。圖I示出了示例性管芯100，其是根據(jù)實施例的WLCSP。管芯100可以包括襯底20，該襯底20可以是半導(dǎo)體襯底，諸如硅襯底，但是其也可以包括其他半導(dǎo)體材料諸如硅鍺、碳化硅、神化鎵等等?？梢栽谝r底20的表面形成有源器件諸如晶體管(未顯示)。在襯底20上方形成互連結(jié)構(gòu)(未顯示)，其包括在其中形成的且電連接至半導(dǎo)體器件的金屬線和通孔(未顯示)。金屬線和通孔可以在低k介電層中形成，所述低k介電層可以是介電常數(shù)小于2. 5或者小于約2. O的極(或者非常)低k (ELK)介電層。在互連結(jié)構(gòu)上方形成金屬焊盤22。金屬焊盤22可以包含鋁、銅、銀、金、鎳、鎢、其合金、和/或其多層?？梢詫⒔饘俸副P22例如通過下面的互連結(jié)構(gòu)電連接至半導(dǎo)體器件?？梢孕纬赦g化層30和位于鈍化層30上方的第一聚酰亞胺層32以覆蓋金屬焊盤22的邊緣部分。在示例性實施例中，鈍化層30由介電材料諸如氧化硅、氮化硅或其多層形成。在鈍化層30和聚酰亞胺層32中形成開ロ以使金屬焊盤22暴露出來。形成鈍化后互連件(PPI) 38，其中PPI 38包括位于聚酰亞胺層32上方的第一部分，和延伸至鈍化層30和聚酰亞胺層32中的開口內(nèi)的第二部分。將PPI 38的第二部分電連接至金屬焊盤22，并可以接觸金屬焊盤22?？梢栽赑PI 38上方形成第二聚酰亞胺層40。形成底部凸塊金屬層(UBM)42從而延伸至聚酰亞胺層40的開口內(nèi)，其中將UBM 42電連接至PPI 38，并可以接觸PPI 38中的焊盤。在UBM 42上形成凸塊44。管芯100可以包括多個凸塊44。在一個實施例中，凸塊44是在UBM 42上方形成和/或放置并回流的焊球。焊球44包括位于UBM 42和聚酰亞胺層40中的部分44A和在UBM 42和聚酰亞胺層40上方的部分44B。在一些實施例中，凸塊44是在UBM 42上形成的金屬柱。圖2示出了示意性分析模型，其中示出了圖I中所示的材料和區(qū)域的剛度值。各個材料和區(qū)域的剛度可以表示為k = (A*E)/T [方程式 I]其中k是區(qū)域的剛度；A是該區(qū)域的面積，其中從該區(qū)域的頂視圖(圖I的)中測量所述面積；τ是從如圖I中所示的橫截面視圖中測量的區(qū)域的厚度。在圖2中，使用下標(biāo)指定具體區(qū)域。
在圖2中，將區(qū)域32、38、40、42、44A和44B (圖I)的剛度值分別稱為kPI1、kPPI、kPI2、k 、kSA和kSB。根據(jù)圖I中所示的結(jié)構(gòu)，可以推導(dǎo)出包括區(qū)域32、38、40、42、44A和44B的結(jié)構(gòu)部分的總剛度(k,6)。剛度k,6可以表示為1/k總=l/kPI1+l/kPPI+l/keq+l/kSB [方程式 2]其中等效剛度keq進ー步表示為keq — kUBM+kSA+kPI2[方f王式 3]根據(jù)方程式1、2和3,發(fā)現(xiàn)總剛度1^、受到剛度值kPI1、kPPI、kPI2、kUBM、kSA和kSB的影響，并且減小每個剛度值kPI1、kPPI、kPI2、kUBM、kSA和kSB可以導(dǎo)致期望的總剛度的減小。此夕卜，總剛度k總小于剛度值kpn、、、!^和kSB中最小的ー個。如方程式3中所表示的，因為剛度kPI2與剛度值kUBM和kSA平行，減小剛度kPI2在對減小剛度的貢獻上不如減小剛度kPI1有效。在一些實施例中，剛度、主要受剛度kUBM控制，剛度kmM在kmM、kSA和kPI2之間可能具有最大值。 剛度k,6與在如圖I中的焊球44上施加的應(yīng)カ有夫，并且剛度k,6越小，在焊球44上施加的應(yīng)カ越小，則管芯100越可靠。因此，期望減小剛度kか在實施例中，通過采用具有小的楊氏模量的材料形成聚酰亞胺層32和40達到減小剛度kか例如，聚苯并惡唑(PBO)的楊氏模量是約2. OGPa，可以使用具有等于或小于約2. OGPa、低于約I. 5GPa或低于約I. OGPa的楊氏模量的材料。例如，被稱為DFS的光刻膠材料，其是來自ShinEtsu MicroSi公司的干膜光刻膠材料，并具有產(chǎn)品名稱SINR-3170。DFS包含其主要基團是硅氧烷基團的樹脂，該樹脂由圖4中所示的化學(xué)式表示。DFS具有等于約
O.48GPa的楊氏模量。而且，DFS在-55°C和200°C之間的溫度范圍內(nèi)具有低的楊氏模量，所述溫度范圍大于管芯100可以工作的溫度范圍。因此，DFS適合形成聚酰亞胺層32和40。在實施例中，采用相同的材料諸如DFS形成聚酰亞胺層32和40。在可選實施例中，聚酰亞胺層32和40由不同的材料形成，其中聚酰亞胺層32的楊氏模量小于聚酰亞胺層40的楊氏模量。聚酰亞胺層40的楊氏模量和聚酰亞胺層32的楊氏模量之間的差值可以大于約O. 2GPa，大于約O. 5GPa，或者大于約I. OGPa0例如，聚酰亞胺層32可以由DFS形成，而聚酰亞胺層40由PBO形成。可選地，聚酰亞胺層32可以由DFS或者PBO形成，而聚酰亞胺層40可以由被稱為JSR的光刻膠材料形成，所述JSR來自JSR公司，并具有產(chǎn)品編號WPRR-1201。JSR的基礎(chǔ)樹脂包含酚樹脂，其具有在圖5中所示的化學(xué)式。JSR的光酸產(chǎn)生劑包含三嗪化合物。JSR的交聯(lián)劑包含三聚氰胺化合物，該化合物具有圖6中所示的化學(xué)式。JSR的次交聯(lián)劑包含低分子的環(huán)氧化合物。JSR的偶聯(lián)劑包含低分子的Si化合物。JSR的溶劑包含乳酸こ酷、2-庚酮或者其組合。JSR具有等于約2. 3GPa的楊氏模量。通過增加聚酰亞胺層32的厚度Tl (圖I)也可以實現(xiàn)總剛度k,e、的減小。在實施例中，在PPI 38正上方的位置測量厚度Tl。如由方程式I所示，増加厚度Tl和T2可以導(dǎo)致剛度k,6的進ー步減小。而且，為了保持總厚度(T1+T2)不過大，可以不增加或者不減小厚度T2。在一些實施例中，厚度比T1/T2大于1.0，大于約I. 2，以及可以大于約1.5。厚度Tl還可以大于約11 μ m、20 μ m、30 μ m、或40 μ m。在增加聚酰亞胺層32的厚度Tl的實施例中，也可以使用具有相對高的楊氏模量的材料，而不顯著增加剛度kか在這些實施例中，每個聚酰亞胺層32和40的示例性材料包括JSR、PBO、DFS等。在又一些實施例中，還可以通過采用具有小的楊氏模量的材料，并同時増加聚酰亞胺層32的厚度Tl實現(xiàn)剛度k,e、的減小。圖3示出了掲示比值T1/T2和在焊球44中歸ー化的累積應(yīng)力之間的關(guān)系的模擬結(jié)果。觀察到隨著厚度比T1/T2的増加，歸ー化的球應(yīng)變減小。當(dāng)厚度比T1/T2増加至約
I.5時，歸ー化的應(yīng)カ與比值T1/T2等于I時的應(yīng)力相比可以減少10%。表I示出了從具有如圖I中所示的結(jié)構(gòu)的樣品管芯獲得的模擬結(jié)果，其中聚酰亞胺層32和40具有用于形成樣品管芯的材料和厚度的不同組合。在一個熱循環(huán)之后得到樣品管芯的焊球44中的歸ー化的累積應(yīng)力。表I
權(quán)利要求
1.一種結(jié)構(gòu)，包括 半導(dǎo)體襯底； 金屬焊盤，位于所述半導(dǎo)體襯底的上方； 鈍化層，位于所述半導(dǎo)體襯底的上方，并包含位于所述金屬焊盤上方的部分； 第一聚酰亞胺層，位于所述鈍化層上方，其中所述第一聚酰亞胺層具有第一厚度和第一楊氏模量； 鈍化后互連件(PPI)，包括位于所述第一聚酰亞胺層上方的第一部分和延伸至所述第一聚酰亞胺層內(nèi)并且被電連接至所述金屬焊盤的第二部分；和 第二聚酰亞胺層，位于所述PPI上方，其中所述第二聚酰亞胺層具有第二厚度和第二楊氏模量，并且其中厚度比和楊氏模量比中的至少一種大于I. O，所述厚度比等于所述第一厚度與所述第二厚度的比值，而所述楊氏模量比等于所述第二楊氏模量與所述第一楊氏模量的比值。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的結(jié)構(gòu)，其中所述厚度比大于約I.5;所述第二楊氏模量大于所述第一楊氏模量，二者差值大于約O. 5GPa。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的結(jié)構(gòu)，其中所述第一聚酰亞胺層由光刻膠材料形成，所述光刻膠材料包含由硅氧烷基團表示的樹脂；所述第二聚酰亞胺層由所述光刻膠材料形成，所述光刻膠材料包含由所述硅氧烷基團表示的所述樹脂。
4.一種結(jié)構(gòu)，包括 半導(dǎo)體襯底； 金屬焊盤，位于所述半導(dǎo)體襯底上方； 鈍化層，位于所述半導(dǎo)體襯底上方并包含位于所述金屬焊盤上方的部分； 第一聚酰亞胺層，位于所述鈍化層上方； 鈍化后互連件(PPI)，包含位于所述第一聚酰亞胺層上方的第一部分和延伸至所述第一聚酰亞胺層內(nèi)并且被電連接至所述金屬焊盤的第二部分； 第二聚酰亞胺層，位于所述PPI上方，其中所述第一聚酰亞胺層具有第一楊氏模量，所述第一楊氏模量小于所述第二聚酰亞胺層的第二楊氏模量； 底部凸塊金屬層(UBM)，延伸至所述第二聚酰亞胺層內(nèi)，并被電連接至所述PPI ;和 所述UBM上的凸塊。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的結(jié)構(gòu)，其中所述第一聚酰亞胺層由光刻膠材料形成，所述光刻膠材料包含由硅氧烷基團表示的樹脂；或者所述第一聚酰亞胺層由楊氏模量低于約I.5GPa的材料形成，且所述第二聚酰亞胺層由聚苯并惡唑(PBO)形成。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的結(jié)構(gòu),其中所述第一楊氏模量小于所述第二楊氏模量,二者差值大于約O. 5GPa ;所述第一聚酰亞胺層具有第一厚度，所述第一厚度大于所述第二聚酰亞胺層的第二厚度，且所述第一厚度與所述第二厚度的比值大于約I. 5。
7.一種結(jié)構(gòu)，包含 半導(dǎo)體襯底； 金屬焊盤，位于所述半導(dǎo)體襯底上方； 鈍化層，位于所述半導(dǎo)體襯底上方并包含位于所述金屬焊盤上方的部分； 第一聚酰亞胺層，位于所述鈍化層上方；鈍化后互連件(PPI)，包含位于所述第一聚酰亞胺層上方的第一部分和延伸至所述第一聚酰亞胺層內(nèi)并且被電連接至所述金屬焊盤的第二部分； 第二聚酰亞胺層，位于所述PPI上方，其中所述第一聚酰亞胺層具有第一厚度，所述第一厚度大于所述第二聚酰亞胺層的第二厚度； 底部凸塊金屬層(UBM)，延伸至所述第二聚酰亞胺層內(nèi)，并被電連接至所述PPI，和 所述UBM上的凸塊。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的結(jié)構(gòu)，其中所述第一厚度與所述第二厚度的比值大于約I.5 ；所述第一聚酰亞胺層具有第一楊氏模量，所述第一楊氏模量小于所述第二聚酰亞胺層的第二楊氏模量，且所述第一楊氏模量和所述第二楊氏模量之間的差值大于約O. 5GPa。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的結(jié)構(gòu)，其中所述第一聚酰亞胺層由光刻膠材料形成，所述光刻膠材料包含由硅氧烷基團表示的樹脂，且所述第二聚酰亞胺層由聚苯并惡唑(PBO)形成。
10.根據(jù)權(quán)利要求7所述的結(jié)構(gòu)，其中所述第一聚酰亞胺層由楊氏模量低于約I.5GPa的材料形成。
全文摘要
結(jié)構(gòu)包含位于半導(dǎo)體襯底上方的金屬焊盤、具有位于該金屬焊盤上方的部分的鈍化層和位于該鈍化層上方的第一聚酰亞胺層，其中該第一聚酰亞胺層具有第一厚度和第一楊氏模量。鈍化后互連件(PPI)包括位于第一聚酰亞胺層上方的第一部分和延伸至鈍化層和第一聚酰亞胺層內(nèi)的第二部分。將PPI電連接至金屬焊盤。第二聚酰亞胺層位于PPI上方。該第二聚酰亞胺層具有第二厚度和第二楊氏模量。厚度比和楊氏模量比中的至少一種大于1.0，其中厚度比是第一厚度與第二厚度的比值，以及楊氏模量比是第二楊氏模量與第一楊氏模量的比值。本發(fā)明還提供一種焊球上應(yīng)力減小的晶圓級芯片規(guī)模封裝件。
文檔編號H01L23/31GK102832187SQ201210047058
公開日2012年12月19日 申請日期2012年2月27日 優(yōu)先權(quán)日2011年6月16日
發(fā)明者陳玉芬, 蔡侑伶, 普翰屏, 郭宏瑞, 黃毓毅 申請人:臺灣積體電路制造股份有限公司