在集成电路晶片上制造低成本焊料凸块.pdf

本发明涉及在集成电路晶片上制造低成本的焊料凸块。具体来说，一种在集成电路(IC)晶片上形成焊料凸块的低成本方法包含在所述IC晶片的结合垫上形成的柱凸块上直接沉积焊料。在一些实施方案中，通过在所述晶片的金属结合垫上执行导线球结合而在所述IC晶片上形成柱凸块。将可光界定的焊料掩模材料施加于所述晶片并固化。将所述可光界定的焊料掩模材料曝光以在所述金属结合垫区域处形成敞开的焊料掩模区域。将焊膏施加于所述敞开的焊料掩模区域内。回流所述晶片上的所述焊膏形成浸润到所述柱凸块的焊料凸块。随后从所述晶片上剥落所述焊料掩模。也可使用其它工艺(例如，波焊机、模版或丝网印刷工艺)将焊料浸润到柱凸块上以形成焊料凸块。

1.  一种在集成电路晶片上形成焊料凸块的方法，其包括：
通过在所述晶片的金属结合垫上执行导线结合而形成柱凸块；
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；
将所述可光界定的焊料掩模材料曝光以在所述金属结合垫区域处形成敞开的焊料掩模区域；
将焊膏施加到所述敞开的焊料掩模区域；
回流所述晶片上的焊膏以形成浸润到所述柱凸块的焊料凸块；以及
从所述晶片上剥落所述焊料掩模。

2.  根据权利要求1所述的方法，其中所述柱凸块是由铜或金导线制成的导线球结合。

3.  根据权利要求2所述的方法，其中形成柱凸块进一步包括：
设定电子火焰熄灭以在所述导线球结合正上方切割所述导线。

4.  根据权利要求1所述的方法，其中通过刮墨板印刷工艺将所述焊膏施加到所述敞开的焊料掩模区域中。

5.  根据权利要求1所述的方法，其中至少一个柱凸块具有大于大约5微米的厚度。

6.  根据权利要求1所述的方法，其进一步包括：
在形成所述柱凸块之前将所述晶片背面研磨成小于大约7密耳。

7.  根据权利要求1所述的方法，其进一步包括：
在形成所述柱凸块之前将所述晶片背面研磨成小于大约4密耳。

8.  根据权利要求1所述的方法，其进一步包括：
将所述晶片锯切为含有焊料凸块的集成电路芯片；
将所述芯片上的所述焊料凸块与衬底或其它集成电路芯片上的接触焊垫对准；以及
通过回流所述焊料凸块将所述芯片和所述衬底或其它集成电路芯片结合在一起。

9.  一种集成电路装置，其包括：
衬底；
集成电路芯片；以及
焊料凸块，其将所述衬底和集成电路芯片结合在一起，所述焊料凸块设置在形成于所述衬底和所述集成电路芯片上的金属结合垫之间，所述焊料凸块形成于导线结合上。

10.  根据权利要求9所述的装置，其中所述衬底包括另一集成电路芯片。

11.  根据权利要求9所述的装置，其中所述导线结合是由铜或金导线制成的导线球结合。

12.  一种在集成电路晶片上形成焊料凸块的方法，其包括：
通过在所述晶片的金属结合垫上执行导线结合而形成柱凸块；
在所述柱凸块上施加焊膏；以及
回流所述晶片上的所述焊膏以形成浸润到所述柱凸块的焊料凸块。

13.  根据权利要求12所述的方法，其进一步包括：
在回流所述焊膏之后在所述晶片上形成聚合物层。

14.  根据权利要求12所述的方法，其中所述柱凸块是由铜或金导线制成的导线球结合。

15.  根据权利要求14所述的方法，其中形成柱凸块进一步包括：
设定电子火焰熄灭以在所述导线球结合正上方切割所述导线。

16.  根据权利要求12所述的方法，其中通过模版或丝网印刷工艺将所述焊膏施加于所述柱凸块。

17.  根据权利要求12所述的方法，其中所述柱凸块具有大于大约5微米的厚度。

18.  根据权利要求12所述的方法，其进一步包括：
在形成所述柱凸块之前将所述晶片背面研磨成小于大约7密耳。

19.  根据权利要求12所述的方法，其进一步包括：
在形成所述柱凸块之前将所述晶片背面研磨成小于大约4密耳。

20.  根据权利要求12所述的方法，其进一步包括：
将所述晶片锯切为含有所述焊料凸块的集成电路芯片；
将所述芯片上的所述焊料凸块与衬底或其它集成电路芯片上的接触焊垫对准；以及
通过回流所述焊料凸块将所述芯片和所述衬底或其它集成电路芯片结合在一起。

21.  一种在集成电路晶片上形成焊料凸块的方法，其包括：
通过在所述晶片的结合垫上执行导线结合而形成柱凸块；以及
使用波焊机将焊料施加于所述柱凸块。

22.  根据权利要求21所述的方法，其中所述柱凸块是由铜或金导线制成的导线球结合。

23.  根据权利要求22所述的方法，其中形成柱凸块进一步包括：
设定电子火焰熄灭以在所述导线球结合正上方切割所述导线。

24.  根据权利要求21所述的方法，其中所述柱凸块具有大于大约5微米的厚度。

25.  根据权利要求21所述的方法，其进一步包括：
在形成所述柱凸块之前将所述晶片背面研磨成小于大约7密耳。

26.  根据权利要求21所述的方法，其进一步包括：
在形成所述柱凸块之前将所述晶片背面研磨成小于大约4密耳。

27.  根据权利要求21所述的方法，其进一步包括：
将所述晶片锯切为含有所述焊料凸块的集成电路芯片；
将所述芯片上的所述焊料凸块与衬底或其它集成电路芯片上的接触焊垫对准；以及
通过回流所述焊料凸块将所述芯片和所述衬底或其它集成电路芯片结合在一起。

在集成电路晶片上制造低成本焊料凸块
技术领域
本标的物大体上涉及集成电路(IC)晶片处理。
背景技术
晶片级封装技术可包含在将晶片单体化为各个IC芯片之前封装、测试和执行烧进(burn-in)操作。在单体化其间，切粒机沿着划线锯切晶片以分离各个IC芯片。一旦IC芯片经单体化，便可将所述IC芯片安装在印刷电路板(PCB)上。
典型的IC芯片使用金属结合垫而不是导线或引脚来进行安装。结合垫可通常沿着IC芯片的面或电路侧上的封装的边缘而经蚀刻或印刷到晶片上。在一些实施方案中，输入/输出(I/O)垫电连接到IC芯片的结合垫。再分配层(RDL)包含可将由结合垫提供的信号重新定位到IC芯片内的所需位置的金属线。可将焊料凸块附接到I/O垫以便于组装到PCB上。
常规的焊料凸块制造技术涉及真空沉积、光刻以及湿式化学蚀刻工艺以形成凸块下金属(UBM)层，可使用焊膏或焊料镀敷工艺将焊料凸块形成到所述层上。
真空沉积工艺和设备的购买、促进和维护较昂贵。而且，用薄膜UBM工艺进行晶片凸块制作成本可能较高。需要光罩装置来界定UBM几何形状和位置，且一旦经设计和加工便无法改变。类似地，无电镀敷工艺中涉及的镀敷设备、制造、维护和镀液化学品(bath chemistry)维护成本可能较高。另外，无电镀敷工艺常常对金属结合垫冶金(例如，铝)中的变化敏感，其可引起镀敷沉积问题。因此，通常让顾客付费对每一新产品执行蚀刻评估步骤。
与无电镀敷UBM工艺相关的另一缺点是UBM金属可镀敷到晶片的背面上。因此，晶片背面可能需要涂覆有抗镀敷剂且随后在UBM沉积后剥落。涂覆和剥落步骤增加了成本和工艺交付时间。
薄膜UBM工艺和无电镀敷UBM沉积工艺两者通常均要求晶片厚度超过20密耳以防止晶片在处理期间破裂。因此在许多情况下需要凸块制作后晶片研磨步骤来将晶片深度减小到最终硅厚度产品要求。在一些情况下，最终晶片厚度由于研磨工艺约束而受到焊料凸块制作工艺的限制(例如，大约7密耳)。
发明内容
用于在IC晶片上形成焊料凸块的低成本方法包含在IC晶片的结合垫上形成的柱凸块上直接沉积焊料。在一个实施方案中，通过在晶片的结合垫上执行导线结合(例如，球或楔结合)而在IC晶片上形成柱凸块。将可光界定的焊料掩模材料施加于所述晶片并固化。将所述可光界定的焊料掩模材料曝光以在所述金属结合垫区域处形成敞开的焊料掩模区域。将焊膏施加于所述敞开的焊料掩模区域内。回流所述晶片上的所述焊膏形成浸润到所述柱凸块的焊料凸块。随后从所述晶片剥落所述焊料掩模。
在另一实施方案中，通过在结合垫上执行导线结合、在柱凸块上施加焊膏以及回流所述焊膏以形成浸润到柱凸块的焊料凸块来在晶片上形成柱凸块。任选地，可将聚合物或其它保护性层施加于晶片以保护暴露的结合垫。
在另一实施方案中，通过在结合垫上执行导线结合并使晶片通过波焊机以在柱凸块上形成焊料凸块来在晶片上形成柱凸块。
所揭示工艺的简化提供许多优点，包含与常规沉积和无电镀敷的UBM工艺相比时降低总体产品成本。成本节省的一些实例包含但不限于：a)当与真空沉积设备、湿式蚀刻线和镀敷线相比时降低设备成本和制造成本；b)没有镀敷或蚀刻化学分析和处置成本；c)没有UBM掩模设计和掩模制造成本；d)没有“重新成形”钝化开口的重新钝化层成本；e)没有无电镀UBM工艺中必要的“蚀刻文字”成本；f)没有无电镀UBM工艺中必要的“全盒”费用；以及g)没有无电镀UBM工艺中必要的晶片背面保护层成本。
所揭示的工艺还提供更灵活的改变。由于使用导线结合物来在IC晶片上形成柱凸块，因此任何改变(例如，凸块图案、删除凸块位置)均涉及相对容易且快速的导线结合软件的简单改变。如果使用常规的真空沉积掩模，那么必须设计和制造新的掩模装置，其成本可能较高且往往与较长交付时间相关联。
所揭示的工艺还提供较高可靠性。充当UBM的柱凸块具有在大约50微米的范围内的厚度。真空沉积UBM具有在2微米范围内的厚度且电镀敷UBM厚度可高达大约5微米范围。理论上，柱凸块UBM具有最长的UBM消耗寿命。
所揭示的工艺提供薄的带凸块晶片产品。目前，真空沉积或无电镀敷UBM工艺两者均要求20密耳范围内的晶片厚度以防止凸块制作过程期间断裂。如果最终产品要求需要较薄的晶片厚度，那么可执行凸块制作后的晶片背面研磨步骤。由于晶片上存在焊料凸块，当前工业的带凸块晶片背面研磨能力为大约7密耳。导线结合工艺可在低厚度的晶片上执行结合。这允许将晶片背面研磨成低于大约7密耳(例如，大约4密耳)，且随后通过导线结合物处理以形成柱凸块UBM。可制造低于大约4密耳的晶片厚度。
附图说明
图1说明可根据参看图2到4描述的工艺制造的包含使用焊料凸块结合到衬底或其它IC芯片的IC芯片的实例IC封装。
图2A到2F说明用于在IC晶片上的金属柱凸块上形成焊料凸块的第一实例晶片级工艺。
图3A到3D说明用于在IC晶片上的金属柱凸块上形成焊料凸块的第二实例晶片级工艺。
图4A到4C说明用于在IC晶片上的金属柱凸块上形成焊料凸块的第三实例晶片级工艺。
具体实施方式
使用具有柱桩的焊料凸块的实例IC封装
图1说明实例IC封装100，其包含使用焊料凸块110结合到衬底104的IC芯片102，所述焊料凸块110可根据参看图2到4描述的工艺来制造。IC封装100可使用互连的倒装芯片方法来形成，其中焊料凸块110将IC芯片102电互连到衬底104或有时电互连到另一IC芯片。
焊料凸块110是小的焊料球体(焊料球)，其可结合到在晶片制造期间形成于IC芯片102的面(电路侧)上的接触区域或金属(例如，铝)结合垫106，且随后面向下与衬底104结合。IC芯片102与衬底104之间的电连接的长度可通过以下方式最小化：(a)在结合垫106上形成焊料凸块110；(b)将IC芯片102面向下倒装；(c)将焊料凸块110与衬底104上的结合垫108对准；以及(d)在炉中回流焊料球110以在IC芯片102与衬底104之间建立结合。此方法可提供具有微小的寄生电感和电容的电连接。IC封装100可用于多种技术中，例如3D-VLSI技术。
现在将参看图2A到2F描述在IC晶片上形成低成本焊料凸块110的工艺，其中将焊料直接沉积到形成于IC晶片上的金属结合垫上的金属柱凸块上。
用于在柱凸块上形成焊料凸块的第一实例工艺
图2A到2F说明用于在IC晶片的金属柱凸块(例如，铜、铝)上形成焊料凸块的第一实例晶片级工艺。参看图2A，在一些实施方案中，IC晶片200包含若干金属柱凸块202。柱凸块202可通过导线球结合到晶片200的金属结合垫204上而形成。可使用标准球结合工艺在金属结合垫204上形成球结合导线(例如，铜或金)。
在金属结合垫204上形成导线球结合之后，可在球结合正上方切割导线，从而留下金属柱凸块202。在一个实例中，可设定电子火焰熄灭(EFO)以在球结合正上方切割导线而产生柱凸块202。柱凸块202的大小至少部分取决于所使用导线的规格。举例来说，柱凸块202的厚度可在大约50微米的范围内，其取决于导线的规格。作为比较，典型的真空沉积UBM可具有高达大约2微米的厚度，且典型的无电镀敷UBM可具有高达大约5微米的厚度。理论上，与常规UBM技术相比，柱凸块202提供供焊料球黏着的较大表面，且具有较长的消耗寿命。
参看图2B，在晶片200上的柱凸块202上施加可光界定的焊料掩模材料206层。在一些实施方案中，可使用丝网印刷、喷涂或层压工艺将液态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，可热固化可光界定的焊料掩模材料206。
参看图2C，可在结合垫204处显影可光界定材料206，从而暴露晶片200上的柱凸块202。可光界定的焊料掩模材料的区207保留在柱凸块202之间。
参看图2D，可用焊膏208(例如，焊料材料与焊剂的混合物)填充可光界定的掩模材料的区207之间的暴露区域。在一些实施方案中，可使用刮墨板印刷工艺来施加焊膏208。
参看图2E，可回流焊膏208以使得焊膏208浸润到柱凸块202，从而形成焊料凸块210。在焊料凸块210形成之后，如图2F所示，可从晶片200上剥落可光界定材料的区207，从而留下焊料凸块210。任选地，可将聚合物层施加于晶片200以保护结合垫204的暴露部分。在此时，可从晶片200中单体化各个IC芯片。
如果所需的凸块图案在未来的时间改变(例如，删除一个或一个以上凸块、重新定位凸块)，那么可容易改变导线结合工艺以允许重新定位焊料凸块210。因此与常规UBM方法相比，使用导线球结合工艺形成柱凸块202允许对半导体制造工艺进行快速且廉价的改变。
用于在柱凸块上形成焊料凸块的第二实例工艺
图3A到3D说明用于在IC晶片上的金属柱凸块上形成焊料凸块的第二替代实例晶片级工艺。参看图3A，以图2A所述的方式使用导线球结合在结合垫304上形成柱凸块302。一旦柱凸块302形成，如图3B所示，就可使用模版或丝网印刷工艺将焊膏306施加于柱凸块302。随后可回流焊膏306。回流将焊膏306浸润于柱凸块302，从而形成焊料凸块308，如图3C所示。任选地，可将聚合物层310施加于晶片300，如图3D所示。可使用聚合物层310或其它保护性材料来保护结合垫304的暴露部分。
用于在柱凸块上形成焊料凸块的第三实例工艺
图4A到4C说明用于在IC晶片400上的金属柱凸块上形成焊料凸块的第三实例晶片级工艺。请注意在图4A中，晶片400是倒置的(与晶片200和300相比)以便于通过波焊机。参看图4A，以图2A所述的方式使用导线球结合在结合垫404上形成柱凸块402。一旦柱凸块402形成，如图4B所示，便可通过使晶片400通过波焊机408在柱凸块402上形成焊料凸块406。图2C说明具有形成于柱凸块402上的焊料凸块406的晶片400。任选地，可将聚合物层施加于晶片400(例如，如图3D所示)以保护结合垫404的暴露部分。
已描述若干实施方案。然而将了解，可进行各种修改。举例来说，可组合、删除、修改或补充一个或一个以上工艺的步骤以形成其它工艺。作为又一实例，图中描绘的工艺步骤不要求所展示的特定次序来实现合意的结果。另外，可提供其它步骤，或从所描述的工艺中消除步骤，且可对所描述的工艺添加其它材料或从中去除其它材料。因此，其它实施方案在所附权利要求书的范围内。