专利名称：加强的焊料凸块结构以及形成加强的焊料凸块的方法
技术领域：
本申请通常涉及用于集成电路(IC)芯片和器件的焊料连接，并且更加特别地，涉及减少了IC芯片和器件的机械故障的加强焊料凸块结构，以及用于形成这种焊料凸块结构的典型方法。
背景技术：
由于集成电路(IC)朝着更高速和更大引线数的方向发展，使用丝焊工艺的一级互连技术已经接近甚至已经达到了它们的极限。用于得到微间距丝焊结构的新改进工艺不能满足增长的IC芯片处理速度和更高的IC芯片引线数的需要。由此，现有的趋势是使用其它的封装结构来替代丝焊结构，比如叩焊芯片封装和晶片级封装(WLP)。
叩焊芯片封装和WLP结构部分地以设置与IC芯片互连终端连接的焊料凸块为特征。(在这里，除非另有说明，术语焊料“凸块”被认为还包括焊料“球”)器件的可靠性因而极大程度地取决于每个焊料凸块的结构和材料以及它们作为电互连的效力。
将根据图1和2来描述一种现有的焊料凸块结构，其中相同的附图标记指代相似的元件。图1示出了在安装到印刷电路板(PCB)基板上之前叩焊芯片封装的状态，以及图2示出了安装在PCB基板上的叩焊芯片封装。
在图1和2中，集成电路(IC)芯片1装设有芯片垫片2，该芯片垫片2典型地由铝制成。在一个或多个钝化层3和4上限定出一个露出芯片垫片2表面的开口。插入焊料凸块5和芯片垫片2之间的是一个或多个凸块下金属层(UBM，under bump metallurgy)层6和7。
UBM层6和7的作用是保证凸块5与芯片垫片2的可靠连接并且防止水分被吸收入芯片垫片2和IC芯片1中。典型地，第一UBM层6的作用是作为附着层，并且通过溅射一层Cr、Ti或TiW沉积形成。同样典型地，第二UBM层7的作用是作为润湿层，并且通过在附着层上溅射一层Cu、Ni或NiV沉积形成。作为可选择的，还可以沉积形成一层由Au制成的第三氧化抑制层(未示出)。根据图2，焊料凸块5安装于PCB基板9的PCB垫片8上。
施加于焊料凸块上的机械应力是造成结构缺陷以及相关故障的原因，这些缺陷和故障会显著地削弱器件的可靠度。也就是，当芯片在使用中被加热温度上升时，芯片和PCB的尺寸都膨胀。相反地，当电路片在闲置状态冷却下来时，芯片和PCB基板的尺寸都收缩。然而，芯片和PCB基板具有失配的热膨胀系数，并且因而以不同的速率膨胀和收缩，由此会给插入其中的焊料凸块施加机械应力。图3示出了机械应力导致了一道基本水平的裂缝的形成并且开始沿着焊料凸块蔓延的例子。在该图中，附图标记2指代芯片垫片，附图标记5指代焊料凸块，附图标记8指代PCB垫片，以及附图标记10指代裂缝或裂沟。裂缝越大，就有越多的互连被递减或被削弱，并且器件故障，特别是软故障，甚至会在裂缝沿着焊料凸块结构完全蔓延开之前就开始发生。
发明内容
本发明的示例性实施例提供了用于制造改进的焊料凸块连接物的方法，其中加强突起从设置于半导体芯片上的接触垫片和设置于安装基板上的球垫片伸进并且嵌入焊料凸块之中。这些加强突起典型地通过形成光阻图案、然后在图案的开口中填充入一种或多种加强材料、以及再移除掉光阻图案的方法来制得。然后可涂敷第二光阻图案来形成露出突起和相关接触垫片邻近部分的第二开口，并往开口中填充入焊料组分。随后移除该第二光阻图案，留下从接触垫片延伸并嵌入焊料材料之中的突起。然后可以回流该焊料材料以制成初始的焊料凸块，并再次将形成于球垫片上的突起嵌入焊料凸块中，完成半导体器件和安装基板之间的焊料连接。
根据本发明另一示例性实施例，用于制造焊料凸块的方法可以包括在接触垫片上沉积中间层，在中间层的表面上形成光阻层，使光阻层形成图案以限定出至少一个部分露出中间层表面的开口，在光阻图案的开口中填充入一种或多种导电材料，优选地一种或多种金属，并且移除光阻层以露出从中间层表面向上延伸的由导电材料制成的一个或多个突起，然后再将突起嵌入形成于中间层之上的焊料材料中。
根据本发明的另一示例性实施例，用于制造焊料凸块的方法可以包括在安装基板上形成球垫片，在球垫片的表面上形成光阻层，使光阻层形成图案以限定出至少一个部分露出球垫片表面的开口，在光阻图案的开口中填充入一种或多种导电材料，优选地一种或多种金属，并且移除光阻层以露出从球垫片表面向上延伸的由导电材料制成的一个或多个突起，将球垫片上的突起放置成接近焊料材料以及相应接触垫片上的突起，然后再回流焊料材料以形成半导体器件和安装基板之间的焊料连接。
根据本发明的另一示例性实施例，用于制造焊料凸块的方法可以包括在接触垫片上沉积形成中间层，在中间层的表面上形成光阻层，使光阻层形成图案以限定出至少一个部分露出中间层表面的开口，在开口中填充金属材料到第一深度，在开口的剩余部分中填充入焊料材料到第二深度以形成中间结构，其中焊料材料堆叠于每个开口中的金属材料上，移除光阻层并且回流焊料材料以形成具有嵌入其中的加强突起的焊料凸块。
根据本发明的示例性实施例，提供了一种用于制造焊料凸块的方法，其中从接触垫片和球垫片延伸的加强突起被设置成互补的构造，以使得两种突起的上部在焊料凸块中重叠。重叠部分可以设置成各种构造并且可以关于一个或多个轴线对称，该轴线可基本上垂直或者平行于接触垫片和球垫片表面的平面。
根据本发明的示例性实施例，提供了一种焊料凸块结构，包括接触垫片，位于接触垫片之上的中间层，位于中间层之上的焊料凸块，以及从中间层的表面向上延伸并且嵌入焊料凸块之中的至少一个加强突起。根据本发明的另一个示例性实施例，提供了一种包括了这种加强焊料凸块连接物的半导体封装。
本发明的结构和优点将由以下根据附图地详细说明而变得易于理解，在这些附图中图1示出了在安装到印刷电路板基板上之前的现有叩焊晶片结构；
图2示出了安装在印刷电路板基板上之后的现有叩焊晶片结构。
图3示出了在安装到印刷电路板基板上并且经历了热循环之后，在现有叩焊晶片结构中形成的裂缝。
图4A-4B示出了根据美国专利申请10/339,456中详细说明的实施例的焊料凸块结构；图5A-5B示出了根据本发明示例性实施例的焊料凸块结构；图6A-6D示出了根据本发明另一示例性实施例的焊料凸块结构；图7A-7C示出了根据本发明另一示例性实施例的焊料凸块结构；图8A-8E示出了根据本发明另一示例性实施例的焊料凸块结构；图9A-9B示出了根据本发明另一示例性实施例的焊料凸块结构；图10A-10J是示出了制造工艺过程示例性实施例的横截面图，该工艺过程用于生产根据本发明示例性实施例的焊料凸块结构；图11A-11E是示出了制造工艺过程示例性实施例的横截面图，该工艺过程用于生产根据本发明示例性实施例的焊料凸块结构；图12A-12B是示出了示例性安装/回流工艺过程的横截面图，该工艺过程用于生产利用根据本发明示例性实施例的半导体器件；以及图13A-13F是示出了各种突起构造的平面图。
这些附图被用来为理解下面将要更加详述的本发明示例性实施例提供帮助，并且这些附图不应当被认为是不合理地限制本发明。特别地，附图中描绘的各种元件的相对间距、尺寸以及尺度并非是按照比例绘制，而且，可能为了更加清楚的目的已经对它们进行了放大、缩小或其它修改。那些本领域普通技术人员同样将会理解，为了使图面更为清楚以及减少附图的数量，那些会在半导体器件制造中普遍使用的特定层，包括例如光阻图案和多层金属化结构，已经被简化省略掉。
具体实施例方式
本发明至少部分特征是在焊料凸块材料中包括一个或多个加强突起来抑制在成形器件的运作过程中焊料凸块材料中的裂缝形成和/或蔓延，该裂缝的形成和蔓延至少部分地由热循环和因不同部件间失配的膨胀系数而导致的机械应力所引起。虽然加强的突起可以采取任意数量的各种形式，但下面本发明将根据几个示例性实施例来进行描述。
图4A是根据美国申请10/339,456中所公开的发明实施例的焊料凸块结构的横截面图，并且图4B是沿着图4A中I-I’线的横截面图。焊料凸块结构包括用于叩焊芯片封装或晶片级封装中的电子器件如半导体芯片1的接触垫片2。在一个或多个钝化层3、4中限定出开口以露出芯片垫片2的表面。插入于焊料凸块5和芯片垫片2之间的可以是一个或多个中间层或屏障层6、7。中间层6、7可以是凸块下金属层(UBM)层，其中例如下层6可以是包括Cr、Ni或TiW的UBM附着层，而上层7可以是包括Cu、Ni或NiV的润湿层。中间层同样还可以包括Au制成的氧化减少层(未示出)。
焊料凸块5可以依据所需的应用制成各种尺寸，典型的尺寸为大约100×100μm数量级，并且可以使用各种材料，包括Sn、Pb、Ni、Au、Ag、Cu、Bi以及其合金中一种或多种的组合。此外至少一个加强突出物或突起11从中间层7的表面向上延伸并且嵌入焊料凸块5之中。如图4A和4B所示，多个加强突起11从中间层7的表面向上延伸并且嵌入焊料凸块5中。优选地，因为制造过程中焊料材料的回流，焊料凸块5中焊料组分的熔化/回流温度点将低于加强突起11的熔点。与焊料凸块5一样，加强突起可以采取多种构造并且可以例如具有在大约5到70μm之间的宽度，还可以包括Ni、Cu、Pd、Pt及其合金中的一种或多种材料。
如图4B所示，多个突起11的横截面可以在与接触垫片402平行的平面排列成规则的图案。通常，如图3所示，形成于焊料凸块连接物105中的裂缝120趋于沿着凸块材料水平蔓延。相应地，图4A中示出的加强突起11的图案趋于抑制或者阻止裂缝在焊料凸块5中的蔓延，因此增加了抗裂能力并且加长了任意裂缝在沿着焊料凸块材料延伸时的蔓延路径，由此减少了器件发生故障的可能性。
加强突起11可以按各种不同的图案和构造来设置，规则的和不规则的，包括例如偏移的平行列、放射突出形状或多组同心的连续或中断图案。此外，单个突起11的横截面可以是从如图4B中示出的大体正方形横截面到更圆一些的或椭圆形的横截面、多边形横截面、以及它们的组合。然而，通常优选使用不具有尖点或尖角的构造以进一步有助于抑制裂缝的形成和蔓延。而且，单个相邻的突起可以排列成螺旋形或Z字形图案。最后，尽管是优选的，但本发明无需被限制为如图4A所示的具有基本竖直的侧壁并且沿着其长度的大部分具有恒定横截面积的柱状突起。例如，就像突起可以被设置成规则的或不对称的几何图形一样，也可以设置具有倾斜或开有凹口的侧壁的突起来作为替代。
第一示例性实施例在图5A-5B中示出了根据本发明的焊料凸块连接物的第一示例性实施例，其中图5A示出了穿过典型焊料凸块连接物的竖直横截面，图5B示出了沿通过I-I’线的平面穿过从安装基板延伸的加强突起的水平横截面。焊料凸块连接物结构包括用于叩焊芯片封装或晶片级封装中的电子器件如半导体芯片101的接触垫片102。在一个或多个钝化层103、104上限定出一露出芯片垫片102表面的开口。插入于焊料凸块连接物105和芯片垫片102之间的可以是一个或多个中间层或屏障层106、107。中间层106、107可以是凸块下金属层层(UBM)，其中例如下层106可以是包括Cr、Ni或TiW的UBM附着层，而上层107可以是包括Cu、Ni或NiV的润湿层。中间层同样还可以包括Au制成的氧化减少层(未示出)。
焊料凸块5可以依据所需的应用制成各种尺寸，典型的尺寸为大约100×100μm数量级，并且可以使用各种材料，包括Sn、Pb、Ni、Au、Ag、Cu、Bi以及其合金中一种或多种的组合。此外至少一个，并且优选地多个加强突出物或突起311从中间层107的表面向上延伸并且嵌入焊料凸块连接物105之中。如图5A和5B所示，多个加强突起311从中间层107的表面向上延伸并且嵌入焊料凸块连接物105中。优选地，由于在制造过程中焊料材料需要回流，因而焊料凸块连接物105中焊料组分的熔化/回流温度点将低于加强突起311的熔点。与焊料凸块连接物105一样，加强突起可以采取多种构造并且可以例如具有在大约5到70μm之间的宽度，还可以包括Ni、Cu、Pd、Pt及其合金中的一种或多种材料。
如图5A-5B所示，示例性的焊料凸块连接物同样包括安装基板比如印刷电路板109或其它基板的球垫片108，该球垫片108被设置成和构造成用来在如叩焊芯片封装或晶片级封装的应用中接受安装于其上的半导体芯片101并为之提供电连接。象接触垫片102一样，球垫片108可以包括一个或多个导电材料层以按需要提供屏障、附着、润湿和/或氧化抑制的性能。例如球垫片可以包括凸块下金属层(UBM)层，比如包括Cr、Ni或TiW的下UBM附着层和可作为润湿层的包括Cu、Ni或NiV的上层，并且该球垫片还可以包括作为顶层的由Au制成的氧化减少层(未示出)。
除了用于制成球垫片108的材料之外，安装基板同样还包括至少一个，并且优选地多个，从球垫片108表面向上延伸的嵌入焊料凸块连接物105之中的加强突出物或突起312。(作为在此处的应用，术语“向上”指的是那些从基板延伸的结构，而不考虑它们装配时的方向)如图5A和5B所示，多个加强突起312从球垫片108的表面向上延伸并且嵌入焊料凸块连接物105中。优选地，由于制造过程中焊料材料需要回流，因而焊料凸块连接物105中焊料组分的熔化/回流温度点将低于加强突起312的熔点。与焊料凸块连接物105一样，加强突起可以采取各种构造并且可以例如具有在大约5到70μm之间的宽度，还可以包括Ni、Cu、Pd、Pt及其合金中的一种或多种材料。
如图5B所示，多个突起312的横截面在与接触垫片102和球垫片108表面平行的平面可以设置成规则的图案。通常，如图3所示，形成于焊料凸块连接物105中的裂缝120趋于水平沿着凸块材料蔓延。相应地，如图5A中示出的加强突起311、312的图案将趋于抑制或阻止裂缝在焊料凸块105中的蔓延，因此增加了抗裂能力并且加长了任意裂缝在沿着焊料凸块材料延伸时的蔓延路径，由此减少了器件发生故障的可能性。
加强突起311、312可以设置成各种不同的图案和构造，规则和不规则的，包括例如偏移的平行列、放射突出形状或多组同心的连续或中断图案。此外，单个突起311、312的横截面可以是从如图5B所示的一般圆形横截面到更方一些的或者多边形的横截面或者线段、以及它们的组合。然而，通常优选使用不具有尖点或尖角的构造以进一步有助于抑制裂缝的形成和蔓延。而且，单个相邻的突起可以排列成螺旋形或Z字形图案。最后，尽管是优选的，但本发明无需被限制为如图5A所示的具有基本竖直的侧壁并且沿着其长度大部分具有恒定横截面积的柱状突起。例如，就像突起可以被设置成规则或不对称的几何图形一样，也可以设置具有倾斜或开有凹口的侧壁的突起来作为替代。
第二示例性实施例在图6A-6D中示出了根据本发明的焊料凸块连接物的第二示例性实施例，其中图6A示出了穿过典型焊料凸块连接物的竖直横截面，图6B-D示出了沿通过I-I’线的平面穿过从安装基板延伸的各种加强突起构造的水平横截面。如根据图5A所示出和所描述的一样，图6A的焊料凸块连接物结构包括用于叩焊芯片封装或晶片级封装中的电子器件如半导体芯片101的接触垫片102。在一个或多个钝化层103、104上限定出一露出芯片垫片102表面的开口。插入于焊料凸块连接物105和芯片垫片102之间的可以是一个或多个中间层或屏障层106、107。中间层106、107可以是凸块下金属层层(UBM)，其中例如下层106可以是包括Cr、Ni或TiW的UBM附着层，而上层107可以是包括Cu、Ni或NiV的润湿层。中间层同样还可以包括Au制成的氧化减少层(未示出)。
此外至少一个，并且优选地多个加强突出物或突起311从中间层107的表面向上延伸并且嵌入焊料凸块连接物105之中。如图6A所示，多个加强突起311从中间层107的表面向上延伸并且嵌入焊料凸块连接物105中。优选地，由于在制造过程中焊料材料需要回流，因而焊料凸块连接物105中焊料组分的熔化/回流温度点将低于加强突起311的熔点。与焊料凸块连接物105一样，加强突起可以采取多种构造并且可以例如具有在大约5到70μm之间的宽度，还可以包括Ni、Cu、Pd、Pt及其合金中的一种或多种材料。
如图6A所示，示例性焊料凸块连接物同样包括安装基板比如印刷电路板109或其它基板的球垫片108，该球垫片108被设置成和构造成在如叩焊芯片封装或晶片级封装的应用中接受安装于其上的半导体芯片101并为之提供电连接。象接触垫片102一样，球垫片108可以包括一个或多个导电材料层以按需要提供屏障、附着、润湿和/或氧化抑制的功能。例如球垫片可以包括凸块下金属层(UBM)层，比如包括Cr、Ni或TiW的下UBM附着层和可作为润湿层的包括Cu、Ni或NiV的上层，并且该球垫片还可以包括作为顶层的由Au制成的氧化减少层(未示出)。
除了用于制成球垫片108的材料之外，安装基板同样还包括至少一个，并且优选地多个从球垫片108表面向上延伸的嵌入焊料凸块连接物105之中的加强突出物或突起312。如图6A所示，多个加强突起312从球垫片108的表面向上延伸并且嵌入焊料凸块连接物105中。优选地，由于制造过程中焊料材料需要回流，因而焊料凸块连接物105中焊料组分的熔化/回流温度点将低于加强突起312的熔点。与焊料凸块连接物105一样，加强突起可以采取各种构造并且可以例如具有在大约5到70μm之间的宽度，还可以包括Ni、Cu、Pd、Pt及其合金中的一种或多种材料。
然而，如图6A所示，至少一些突起311、312的长度或高度合起来大于中间层107和球垫片108之间的间距，从而使得至少一些突起的上部分重叠。如图6B-6D所示，突起311、312可以排列成互补的图形或阵列，这些阵列组合起来形成具有突起至突起间距a、b、c、d的图案，该图案可以是行、交替行、偏移行及其组合。
如图6B-D所示，多个突起312的横截面在与接触垫片102和球垫片108表面平行的平面可以排列成规则的图案。通常，如图3所示，形成于焊料凸块连接物105中的裂缝120趋于水平穿过凸块材料蔓延。相应地，如图6A-6D中示出的加强突起311、312的图案将趋于抑制或阻止裂缝在焊料凸块105中的蔓延，因此增加了抗裂能力并且加长了任意裂缝在穿过焊料凸块材料延伸时的蔓延路径，由此减少了器件发生故障的可能性。
加强突起311、312可以设置成各种不同的图案和构造，规则和不规则的，包括例如偏移的平行列、放射突出形状或多组同心的连续或中断图案。此外，单个突起311、312的横截面可以是从如图6B-D所示的一般圆形横截面到更方一些的或者多边形的横截面或者线段、以及它们的组合。然而，通常优选使用不具有尖点或尖角的构造以进一步有助于抑制裂缝的形成和蔓延。而且，单个相邻的突起可以排列成螺旋形或Z字形图案。最后，尽管是优选的，但本发明无需被限制为如图6A所示的具有基本竖直的侧壁并且沿着其长度大部分具有恒定横截面积的柱状突起。例如，就像突起可以被设置成规则或不对称的几何图形一样，也可以设置具有倾斜或开有凹口的侧壁的突起来作为替代。
第三示例性实施例在图7A-7C中示出了根据本发明的焊料凸块连接物的第三示例性实施例，其中图7A示出了穿过焊料凸块连接物的竖直横截面，图7B提供了分离的半导体芯片101和安装基板109的正交图，以及图7C示出了沿通过II-II’线的平面穿过从安装基板延伸的加强突起构造的水平横截面。如根据图6A所示出和所描述的一样，图7A的焊料凸块连接物结构包括用于叩焊芯片封装或晶片级封装中的电子器件如半导体芯片101的接触垫片102。在一个或多个钝化层103、104上限定出一露出芯片垫片102表面的开口。插入于焊料凸块连接物105和芯片垫片102之间的可以是一个或多个中间层或屏障层106、107。中间层106、107可以是凸块下金属层层(UBM)，其中例如下层106可以是包括Cr、Ni或TiW的UBM附着层，而上层107可以是包括Cu、Ni或NiV的润湿层。中间层同样还可以包括Au制成的氧化减少层(未示出)。
此外至少一个，并且优选地多个加强突出物或突起411从中间层107的表面向上延伸并且嵌入焊料凸块连接物105之中。如图7A所示，仅一个圆柱形加强突起411从中间层107的表面向上延伸并且嵌入焊料凸块连接物105中。优选地，由于在制造过程中焊料材料需要回流，因而焊料凸块连接物105中焊料组分的熔化/回流温度点将低于加强突起411的熔点。与焊料凸块连接物105一样，加强突起可以采取多种构造并且可以例如具有在大约5到70μm之间的宽度，还可以包括Ni、Cu、Pd、Pt及其合金中的一种或多种材料。
如图7A所示，示例性焊料凸块连接物同样包括安装基板比如印刷电路板109或其它基板的球垫片108，该球垫片108被设置成和构造成在如叩焊芯片封装或晶片级封装的应用中接受安装于其上的半导体芯片101并为之提供电连接。象接触垫片102一样，球垫片108可以包括一个或多个导电材料层以按需要提供屏障、附着、润湿和/或氧化抑制的功能。例如球垫片可以包括凸块下金属层(UBM)层，比如包括Cr、Ni或TiW的下UBM附着层和可作为润湿层的包括Cu、Ni或NiV的上层，并且该球垫片还可以包括作为顶层的由Au制成的氧化减少层(未示出)。
除了用于制成球垫片108的材料之外，安装基板同样还包括从球垫片108表面向上延伸的嵌入焊料凸块连接物105之中的加强突出物或突起412。优选地，由于制造过程中焊料材料需要回流，因而焊料凸块连接物105中焊料组分的熔化/回流温度点将低于加强突起412的熔点。与焊料凸块连接物105一样，加强突起可以采取各种构造并且可以例如具有在大约5到70μm之间的宽度，还可以包括Ni、Cu、Pd、Pt及其合金中的一种或多种材料。
然而，如图7A所示，突起411、412的长度或高度合起来大于中间层107和球垫片108之间的间距，从而使得突起的上部分重叠。如图7C所示，突起411(实线)、412(轮廓线)可以设置成互补的构造从而在这种情况下为411的一个突起围绕着或基本围绕着(未示出)在这种情况下为412的另一个突起。
如图8A-8E所示，突起411(实线)、412(轮廓线)可以采用各种构造而同样得到这种围绕定向。如图8A所示，突起411不是圆柱形突起，而是可以包括围绕着突起412a大体排列成圆形的多个突起411a。如图8B所示，突起412不是圆柱形突起，而是可以包括在大体由周围的突起411b围绕形成的区域内排列的多个突起412b。如图8C所示，突起411不是圆柱形突起，而是可以制成围绕突起412C的中空正方形411C或另外的开放式多边形(未示出)。如图8D所示，突起411不是圆柱形突起，而是可以包括围绕多个突起412d排列的多个突起411d，该多个突起412d在大体为圆形的区域内排列。以及，如图8E所示，突起412不是圆柱形突起，而是包括由大体为圆柱形的突起411e所围绕的正方形412e或其它的多边形形状(未示出)。
第四示例性实施例在图9A-9B中示出了根据本发明的焊料凸块连接物的第四示例性实施例，其中图9A示出了穿过焊料凸块连接物的竖直横截面，图9B示出了沿通过图9A中IV-IV’线的平面穿过从安装基板延伸的加强突起构造的水平横截面。如根据图7A所示出和所描述的，图9A的焊料凸块连接物结构包括用于叩焊芯片封装或晶片级封装中的电子器件如半导体芯片101的接触垫片102。在一个或多个钝化层103、104上限定出一露出芯片垫片102表面的开口。插入于焊料凸块连接物105和芯片垫片102之间的可以是一个或多个中间层或屏障层106、107。中间层106、107可以是凸块下金属层层(UBM)，其中例如下层106可以是包括Cr、Ni或TiW的UBM附着层，而上层107可以是包括Cu、Ni或NiV的润湿层。中间层同样还可以包括Au制成的氧化减少层(未示出)。
此外至少两个加强突出物或突起511a从中间层107的表面向上延伸并且嵌入焊料凸块连接物105之中。如图9A所示，圆柱形加强突起511a从中间层107的表面向上延伸嵌入焊料凸块连接物105中，并且围绕着内部加强突起511b。优选地，由于在制造过程中焊料材料需要回流，因而焊料凸块连接物105中焊料组分的熔化/回流温度点将低于加强突起511a、511b的熔点。与焊料凸块连接物105一样，加强突起可以采取多种构造并且可以例如具有在大约5到70μm之间的宽度，还可以包括Ni、Cu、Pd、Pt及其合金中的一种或多种材料。
如图9A所示，示例性焊料凸块连接物同样包括安装基板比如印刷电路板109或其它基板的球垫片108，该球垫片108被设置成和构造成在如叩焊芯片封装或晶片级封装的应用中接受安装于其上的半导体芯片101并为之提供电连接。象接触垫片102一样，球垫片108可以包括一个或多个导电材料层以按需要提供屏障、附着、润湿和/或氧化抑制的功能。例如球垫片可以包括凸块下金属层(UBM)层，比如包括Cr、Ni或TiW的下UBM附着层(未示出)，和可作为润湿层的包括Cu、Ni或NiV的上层(未示出)，并且该球垫片还可以包括作为顶层的由Au制成的氧化减少层(未示出)。
除了用于制成球垫片108的材料之外，安装基板同样还包括至少一个从球垫片108表面向上延伸并嵌入焊料凸块连接物105之中的加强突出物或突起512。优选地，由于制造过程中焊料材料需要回流，因而焊料凸块连接物105中焊料组分的熔化/回流温度点将低于加强突起512的熔点。与焊料凸块连接物105一样，加强突起可以采取各种构造并且可以例如具有在大约5到70μm之间的宽度，还可以包括Ni、Cu、Pd、Pt及其合金中的一种或多种材料。
然而如图9A所示，突起511a、511b、512的长度或高度合起来大于中间层107和球垫片108之间的间距。从而使得突起的上部重叠。如图9B所示，突起511a、511b和512可以设置成互补的构造，从而在这种情况下为512的一个突起不仅被511a所围绕，还基本围绕着在这种情况下为511b的另一个突起。
形成加强焊料凸块的示例性方法现在将根据图10A-10J说明制造根据本发明示例性实施例的焊料凸块结构的典型方法。如图10A所示，在一个或多个钝化层103和104中限定出一露出芯片垫片或接触垫片102表面的开口，该芯片垫片102设置于半导体芯片101上，并且典型地由铝制成。如图10B所示，至少一个中间层107’设置于钝化层103和104以及芯片垫片102的暴露表面之上。中间层107’可以是用溅射方法构建以形成凸块下金属层(UBM)层，该下凸块冶金层包括由Cr、Ni或TiW制成的附着层和/或由Cu、Ni或NiV制成的润湿层，并且还可以包括附加的由Au制成的氧化抑制层。
如图10C所示，光阻层120形成于中间层107’之上。然后使光阻层120曝光并显影以形成露出中间层107’的一个或多个表面部分的一个或多个开口。这些开口可以被设置成和构造成以上所述的示例性突起构造以及其它所需构造中的任意一种。如图10D所示，第一厚度的突起材料，优选地为导电材料，比如Ni、Cu、Pd、Pt、Au及其合金，可以通过电镀或者其它合适的技术沉积于开口之中。优选使用镍及其合金来避免与Cu有关的金属互化物(IMC)层越厚，润湿能力和Pd和Pt消费越有限，溶解能力和Au消费就越高。
如图10F所示，然后除掉光阻层120，剩下突起311。突起典型地具有相同的高度，但是中间层107’的构造和下面的结构可以会导致一些突起311，尤其是那些更加位于接触垫片102中心处的突起，相对于其它突起显得“凹进去”。如图10G所示，然后设置第二光阻图案121，并露出突起311和中间层107’的邻近表面部分。然后可以在突起311和中间层107’的暴露表面部分上沉积一层可选的金属覆盖层315。如果使用金属覆盖层的话，则该金属覆盖层可以使用如Ni、Cu或Au以及它们的合金的金属材料通过电镀、溅射或其它合适的沉积技术形成。如图10H所示，焊料组分105’，典型地以糊团的形式进行涂敷，于是被沉积以填充开口并围绕着突起311。
如图10I所示，然后可以移除第二光阻图案121并加热焊料组分105’到一温度，该温度足以使得焊料组分流动但是又低到足以保持突起311的结构完整。熔化的焊料组分105’的表面张力将趋于使得焊料呈现至少部分为球形的流向，在这之后，它将被冷却以形成内嵌有突起311的焊料球105。如图10J所示，然后中间层107’未由焊料球105保护的部分可以通过选择性蚀刻的方法从钝化层103的表面移除。中间层107’的部分同样可以在形成焊料球105之前通过移除那些未由焊料组分105’保护的部分来移除掉，从而可以避免需要将完工的焊料球105的表面暴露于蚀刻化学过程中。
安装基板109相应部分的制造如图11A-11E所示。如图11a所示，安装基板109如印刷电路板(PCB)设置有球垫片108。球垫片108可以由单种材料制成，比如Al或铝合金，但同样还可以制造成包括Cu、Ni和/或Au连续层的多层结构(未示出)构造。在这种情况下，铜球垫片108的部分可以通过使用光阻图案暴露出来，然后通过无电极电镀或其它合适的喷镀金属技术为其连续镀上Ni和Au层。
如图11B所示，然后第三光阻层320形成于安装基板109和球垫片108之上。如图11C所示，然后使用现有的光刻技术或其它技术比如激光钻孔对光阻层320形成图案，以在光阻层中形成露出球垫片108表面部分的开口。选择现有的光刻技术还是其它的“形成图案”技术将典型地取决于图案所需的清晰度以及所需的图案生产量。例如，虽然现有的光刻技术也许可以生产适合某些应用的图案，而激光钻孔能在一些更具挑战性的应用中提供将近双倍的清晰度并且能提高图案的性能。
如图11D所示，第一厚度的突起材料，优选地为导电材料比如Ni、Cu、Pd、Pt、Au及其合金，可以通过电镀或者其它合适的技术沉积于开口之中。优选使用镍及其合金来避免与Cu有关的金属互化物(IMC)层越厚，润湿能力和Pd和Pt消费越有限，溶解能力和Au消费就越高。如图11E所示，然后移除光阻图案320，剩下突起312。如同根据图10G所描述的突起一样，然后设置第二光阻图案(未示出)，并露出突起312和球垫片108的邻近表面部分。然后可以在突起312和球垫片108的暴露表面部分上沉积一层可选的金属覆盖层315(未示出)。如果使用金属覆盖层的话，则该金属覆盖层可以使用如Ni、Cu或Au以及它们的合金的金属材料通过电镀、溅射或其它合适的沉积技术形成。
示例性装配方法如图12A所示，将半导体芯片101和安装基板109接近到初始分离距离的程度，并且将焊料球105加热到一温度，该温度足以使焊料球105回流并且从突起411延伸以包含安装基板上的相应突起412。对于存在一些初始未对准的情况来说，通过趋于按水平箭头的方向移动半导体芯片，熔化的焊料球105的动作将趋于与半导体芯片101和安装基板109自对准。一旦半导体芯片101和安装基板109已经得到自对准，就可以减少半导体芯片和安装基板的间距以建立一个最后的间距，并且焊料球105得以冷却以完成如图12B所示的焊料连接。
另外的突起构造如图13A-13F所示，示出了第一突起或从第一表面延伸的突起组(实线)和第二突起或从第二表面延伸的突起组(虚线)之间重叠区域的组合。如图13A和13E所示，突起可以包括围绕着连续内部结构的连续外部结构，它们同样也可以是开口结构或实体结构(未示出)。如图13D所示，相似的突起结构可以被设置成多个中断的段。如图13B和13C所示，突起可以被构造成从纵轴放射状排列的多个交替的线段。如图13A和13F所示，突起可以被构造成这种形状突起中的一个或两者都具有凹的和凸的表面。如上面图示和讨论的各种构造所反映出的，突起构造可以包括较宽范围的各种结构。然而，所选择的特别构造应当较好地落入工艺过程中所用到的光刻处理的图案公差之内。
在附图和说明书中，已经公开了本发明典型的优选实施例，并且，尽管使用了一些特殊的术语，但是它们只是一般意义上和描述意义上的使用而并不是为了对发明进行限制，本发明的范围由下面的权利要求所确定。
权利要求
1.一种将半导体芯片连接到安装基板的焊料凸块的制造方法，包括形成从半导体芯片上的接触垫片向上延伸的第一突起；形成从安装基板上的球垫片向上延伸的第二突起；以及将第一和第二突起嵌入焊料材料之中。
2.根据权利要求1所述的焊料凸块的制造方法，其中至少第一和第二突起中的一个主要由金属或金属混合物制成。
3.根据权利要求1所述的焊料凸块的制造方法，其中第一和第二突起都主要由金属或金属混合物制成。
4.根据权利要求1所述的焊料凸块的制造方法，其中第一突起包括设置于接触垫片上的多个第一突起。
5.根据权利要求4所述的焊料凸块的制造方法，其中所述多个第一突起按基本上平行的方向设置。
6.根据权利要求5所述的焊料凸块的制造方法，其中所述多个第一突起基本上与由接触垫片上表面所限定的平面垂直。
7.根据权利要求6所述的焊料凸块的制造方法，其中所述多个第一突起包括至少一个相对于另一第一突起凹进去的第一突起。
8.根据权利要求6所述的焊料凸块的制造方法，其中所述第一突起具有基本上为椭圆形或者圆形的横截面。
9.根据权利要求6所述的焊料凸块的制造方法，其中至少一个第一突起的部分围绕第二突起的至少一部分。
10.根据权利要求9所述的焊料凸块的制造方法，其中围绕的第一突起基本上为圆筒形状。
11.根据权利要求1所述的焊料凸块的制造方法，其中第二导电突起包括多个设置于球垫片上的第二突起。
12.根据权利要求11所述的焊料凸块的制造方法，其中所述多个第二突起按基本上平行的方向设置。
13.根据权利要求12所述的焊料凸块的制造方法，其中所述多个第二突起基本上与由球垫片上表面所限定的平面垂直。
14.根据权利要求13所述的焊料凸块的制造方法，其中所述多个第二突起包括至少一个相对于另一第二突起凹进去的第二突起。
15.根据权利要求13所述的焊料凸块的制造方法，其中至少一个第二突起的部分围绕第一突起的至少一部分。
16.根据权利要求15所述的焊料凸块的制造方法，其中围绕的第二突起基本上为圆筒形状。
17.根据权利要求11所述的焊料凸块的制造方法，其中第二突起具有基本上为椭圆形或者圆形的横截面。
18.根据权利要求1所述的焊料凸块的制造方法，进一步包括在半导体基板上形成接触垫片；在接触垫片上形成凸块下金属层，该凸块下金属层包括直接形成于接触垫片上的金属附着层以及金属附着层上的金属润湿层；以及然后仅在金属润湿层上形成第一突起。
19.根据权利要求18所述的焊料凸块的制造方法，其中凸块下金属层还包括形成于金属润湿层之上的防金属氧化层。
20.根据权利要求2所述的焊料凸块的制造方法，其中金属或者金属混合物从Ni、Cu、Pd、Pt及其合金中选择。
21.根据权利要求1所述的焊料凸块的制造方法，其中焊料材料从Sn、Pb、Ni、Au、Ag、Cu、Bi及其合金中选择。
22.根据权利要求1所述的焊料凸块的制造方法，进一步包括在接触垫片上沉积形成中间层；在中间层的表面上形成光阻图案，该光阻图案包括露出中间层表面部分的开口；在开口中填充导电材料；移除光阻图案以形成从中间层的表面向上延伸的第一突起；以及将第一突起嵌入形成于中间层之上的焊料材料中。
23.根据权利要求22所述的焊料凸块的制造方法，其中将第一突起嵌入焊料材料中的步骤包括形成包括第二开口的第二光阻图案，该第二开口露出第一突起以及中间层上的焊料凸块区域的邻近表面部分；在第二开口中填充焊料材料；移除第二光阻图案；以及回流焊料材料以将第一突起嵌入焊料凸块中。
24.根据权利要求1所述的焊料凸块的制造方法，包括在接触垫片上沉积形成中间层；在中间层上形成光阻图案，该光阻图案限定出露出中间层表面部分的开口；在开口中填充第一导电材料到第一深度，从而形成浅开口；在浅开口中填充第二导电材料到第二深度，由此第一和第二导电材料一起使得开口基本填充完全；以及移除光阻图案。
25.根据权利要求24所述的焊料凸块的制造方法，其中第一导电材料是熔点超过300℃的金属化合物；第二导电材料是熔点低于300℃的焊料组分。
26.根据权利要求24所述的焊料凸块的制造方法，进一步包括回流第二导电材料，该第二导电材料具有足够的体积以包围第一导电材料，第一导电材料用作第一突起。
27.根据权利要求25所述的焊料凸块的制造方法，其中第一导电材料从Ni、Cu、Pd、Pt以及它们的混合物和合金中选择。
28.根据权利要求27所述的焊料凸块的制造方法，其中第二导电材料从Sn、Pb、Ni、Au、Ag、Cu、Bi以及它们的混合物和合金中选择。
29.一种在半导体芯片和安装基板之间提供电连接和机械连接的焊料凸块结构，包括设置于半导体芯片上的接触垫片；从接触垫片向上延伸的第一突起；设置于安装基板上的球垫片；从球垫片上向上延伸的第二突起；嵌入有第一和第二突起的一定体积量的焊料材料。
30.根据权利要求29所述的焊料凸块，进一步包括形成于接触垫片上的中间层；多个第一突起；以及多个第二突起，其中焊料材料的体积足以基本嵌入所有的第一和第二突起。
31.根据权利要求30所述的焊料凸块，其中第一突起的部分与第二突起的部分重叠。
32.根据权利要求30所述的焊料凸块，其中每个第一突起的部分与每个第二突起的部分重叠。
33.根据权利要求29所述的焊料凸块，其中第一突起的部分围绕第二突起的部分。
34.根据权利要求30所述的焊料凸块，其中所述多个第一突起的部分被设置成外围围绕每个第二突起的部分。
35.根据权利要求29所述的焊料凸块，其中第一突起的部分围绕第二突起的部分；第二突起的部分围绕另一第一突起的部分。
36.一种在半导体芯片和安装基板之间形成焊料凸块连接的方法，该焊料凸块连接的中心纵轴与半导体芯片和安装基板的主平面基本上垂直，该方法包括准备半导体芯片，该半导体芯片包括芯片垫片；在芯片垫片上形成第一导电突起；在芯片垫片上形成焊料球，该焊料球包含该导电突起；准备安装基板，该安装基板包括球垫片；在球垫片上形成第二导电突起；确定焊料球的位置使其接近第二导电突起；回流焊料球以形成焊料凸块连接，该焊料凸块连接包含第一导电突起和第二导电突起，其中第一和第二导电突起被设置成关于纵轴基本对称。
37.根据权利要求36所述的在半导体芯片和安装基板之间形成焊料凸块连接的方法，其中形成第一导电突起的步骤包括在半导体芯片和芯片垫片上形成第一光阻层；使第一光阻层形成具有开口的光阻图案，该开口位于芯片垫片的一部分之上；至少在开口的一部分中填充一种或多种导电材料；以及移除第一光阻层。
38.根据权利要求37所述的在半导体芯片和安装基板之间形成焊料凸块连接的方法，其中导电材料包括从Ni、Cu、Pd、Pt以及Au中选择的金属材料；以及通过在芯片垫片上电镀导电材料来填充开口。
39.根据权利要求38所述的在半导体芯片和安装基板之间形成焊料凸块连接的方法，其中形成第一导电突起的步骤进一步包括移除第一光阻层以后形成第二光阻层；使第二光阻层形成图案以露出第一导电突起和芯片垫片的一部分；在第一导电突起和芯片垫片的露出部分上沉积形成另一导电材料覆盖层。
40.根据权利要求36所述的在半导体芯片和安装基板之间形成焊料凸块连接的方法，其中形成第二导电突起的步骤包括在安装基板和球垫片上形成第一光阻层；使第一光阻层形成具有开口的光阻图案，该开口位于球垫片的一部分之上；至少在开口的一部分中填充导电材料；以及移除第一光阻层。
41.根据权利要求40所述的在半导体芯片和安装基板之间形成焊料凸块连接的方法，其中导电材料包括从Ni、Cu、Pd、Pt以及Au中选择的金属材料；以及通过在芯片垫片上电镀导电材料来填充开口。
42.根据权利要求41所述的在半导体芯片和安装基板之间形成焊料凸块连接的方法，其中形成第一导电突起的步骤进一步包括在移除第一光阻层以后形成第二光阻层；使第二光阻层形成图案以露出第一导电突起和芯片垫片的一部分；在第一导电突起和芯片垫片的露出部分上沉积形成第二导电材料覆盖层。
43.根据权利要求36所述的在半导体芯片和安装基板之间形成焊料凸块连接的方法，其中焊料连接具有最终高度Tf；第一导电突起具有高度Tp1；第二导电突起具有高度Tp2；并且其中满足关系式Tp1+Tp2＜Tf。
44.根据权利要求36所述的在半导体芯片和安装基板之间形成焊料凸块连接的方法，其中焊料连接具有最终高度Tf；第一导电突起具有高度Tp1；第二导电突起具有高度Tp2；并且其中满足关系式Tp1+Tp2≥Tf。
45.根据权利要求44所述的在半导体芯片和安装基板之间形成焊料凸块连接的方法，其中满足关系式Tp1+Tp2＞Tf；第一导电突的下部围绕第二导电突起的上部。
46.根据权利要求44所述的在半导体芯片和安装基板之间形成焊料凸块连接的方法，其中满足关系式Tp1+Tp2＞Tf；第一导电突起包括按基本上关于轴线对称的第一种图案来设置的多个基本相同的突起；第二导电突起包括按基本上关于轴线对称的第二种图案来设置的多个基本相同的突起。
47.根据权利要求46所述的在半导体芯片和安装基板之间形成焊料凸块连接的方法，其中按第一种图案设置的第一导电突起相对于第二种图案的相邻突起基本对称地间隔开。
48.根据权利要求46所述的在半导体芯片和安装基板之间形成焊料凸块连接的方法，其中回流焊料球的步骤进一步包括在半导体芯片和安装基板之间设立初始间距Si；将焊料球加热到一个足以允许焊料回流的温度；使半导体芯片和安装基板能够自对准；在半导体芯片和安装基板之间建立最终的间距Sf，该最终的间距Sf小于初始间距Si；以及冷却焊料以形成焊料连接。
49.根据权利要求48所述的在半导体芯片和安装基板之间形成焊料凸块连接的方法，其中第一导电突起具有高度Tp1；第二导电突起具有高度Tp2；并且其中满足关系式Tp1+Tp2＜Si并且Tp1+Tp2≥Sf。
50.一种包括通过焊料连接来互相连接的半导体芯片和安装基板的半导体器件，该焊料连接的中心纵轴基本与半导体芯片和安装基板的主表面垂直，该焊料连接包括焊料；第一加强结构，该第一加强结构从半导体芯片延伸入焊料之中，并且基本被包含于焊料之中；以及第二加强结构，该第二加强结构从安装基板延伸入焊料之中，并且基本被包含于焊料之中；其中第一和第二加强结构被设置成关于焊料连接的纵轴基本对称。
51.根据权利要求50所述的半导体器件，其中焊料连接具有高度Ts；第一加强结构具有高度Tr1；第二加强结构具有高度Tr2；并且其中(Tr1+Tr2)∶Ts的比值在1∶10和1∶1之间。
52.根据权利要求50所述的半导体器件，其中焊料连接物具有高度Ts；第一加强结构具有高度Tr1；第二加强结构具有高度Tr2；并且其中满足关系式Tr1+Tr2≥Ts。
53.根据权利要求52所述的半导体器件，其中满足关系式Tr1+Tr2＞Ts；并且第一加强结构的下部围绕第二加强结构的上部。
54.根据权利要求52所述的半导体器件，其中满足关系式Tr1+Tr2＞Ts；第一加强结构外部的下部围绕第二加强结构的上部；并且第二加强结构的上部围绕第一加强结构内部的下部。
55.根据权利要求52所述的半导体器件，其中第一加强结构沿着高度Tr1的大部分具有基本一致的横截面积。
56.根据权利要求52所述的半导体器件，其中第二加强结构沿着高度Tr2的大部分具有基本一致的横截面积。
57.根据权利要求52所述的半导体器件，其中第一加强结构的横截面积和第二加强结构的横截面积基本相等。
58.根据权利要求52所述的半导体器件，其中第一加强结构和第二加强结构由导电材料制成。
59.根据权利要求58所述的半导体器件，其中第一加强结构包括第一导电材料，该第一导电材料由金属覆盖层所包覆。
60.根据权利要求59所述的半导体器件，其中第一加强结构和第二加强结构包括从Ni、Cu、Pd、Pt和Au中选择的导电材料；以及金属覆盖层包括从Ni、Cu和Au中选择的导电材料。
全文摘要
一种加强的焊料凸块连接物结构形成于设置于半导体芯片上的接触垫片和设置于安装基板上的球垫片之间。半导体芯片包括至少一个从中间层的表面向上延伸的加强突起。安装基板包括至少一个从球垫片向上延伸的加强突起，从半导体芯片和安装基板上延伸的突起都嵌入焊料凸块连接物之中。在一些构造中，对从接触垫片和球垫片伸出的加强突起进行尺寸设计和排列使它们具有重叠的上部分。这些重叠部分可以采取各种各样的构造，这些构造可以使得突起重叠而不彼此接触，这些构造包括销排列以及围绕元件和被围绕元件的组合。在每一种构造中，加强突起都将趋于抑制裂缝的形成和/或裂缝的蔓延，从而提高了可靠性。
文档编号H05K3/34GK1601712SQ20041004909
公开日2005年3月30日 申请日期2004年6月15日 优先权日2003年9月23日
发明者郑世泳, 金南锡, 吴世容, 金淳范, 朴善英, 柳周铉, 李仁荣 申请人:三星电子株式会社