焊球上应力减小的晶圆级芯片规模封装件

摘要

结构包含位于半导体衬底上方的金属焊盘、具有位于该金属焊盘上方的部分的钝化层和位于该钝化层上方的第一聚酰亚胺层，其中该第一聚酰亚胺层具有第一厚度和第一杨氏模量。钝化后互连件(PPI)包括位于第一聚酰亚胺层上方的第一部分和延伸至钝化层和第一聚酰亚胺层内的第二部分。将PPI电连接至金属焊盘。第二聚酰亚胺层位于PPI上方。该第二聚酰亚胺层具有第二厚度和第二杨氏模量。厚度比和杨氏模量比中的至少一种大于1.0，其中厚度比是第一厚度与第二厚度的比值，以及杨氏模量比是第二杨氏模量与第一杨氏模量的比值。本发明还提供一种焊球上应力减小的晶圆级芯片规模封装件。

说明书

技术领域

本发明涉及一种半导体器件，具体地说，涉及一种晶圆级芯片规模封 装件。

背景技术

在晶圆级芯片规模封装件(WLCSP)的形成中，首先在晶圆中的半导 体衬底的表面形成集成电路器件诸如晶体管。然后在集成电路器件上方形 成互连结构。在互连结构上方形成金属焊盘，并将其电连接至互连结构。 在金属焊盘上形成钝化层和第一聚酰亚胺层，并通过钝化层和第一聚酰亚 胺层中的开口使金属焊盘暴露出来。

然后形成钝化后互连件(PPI)，接着在PPI上方形成第二聚酰亚胺层。 形成底部凸块金属层(UBM)，延伸至第二聚酰亚胺层中的开口内，其中 将UBM电连接至PPL。然后将焊球放在UBM上方，并回流焊球。

可以直接将WLCSP接合至印刷电路板(PCB)。按照常规，直接接合 至PCB的WLCSP管芯都是小管芯。因此，对将管芯接合至各自的PCB的 焊球施加的应力也相对较小。近年来，需要将日益增大的管芯接合至PCB。 对焊球产生的应力因此变得越来越大，从而需要减少应力的方法。然而， 在WLCSP中避免使用用于保护焊球的底部填充。原因是如果应用了底部 填充，则管芯和PCB之间的接合是不可修复的，并且如果管芯是有缺陷的， 则管芯不能再从各自的PCB移除。因此，如果应用了底部填充，一旦接合 了，缺陷管芯就不能替换为好的管芯，从而导致整个封装件不合格。

发明内容

为了解决现有技术中存在的问题，根据本发明的一个方面，提供了一 种结构，包括：半导体衬底；金属焊盘，位于所述半导体衬底的上方；钝 化层，位于所述半导体衬底的上方，并包含位于所述金属焊盘上方的部分； 第一聚酰亚胺层，位于所述钝化层上方，其中所述第一聚酰亚胺层具有第 一厚度和第一杨氏模量；钝化后互连件(PPI)，包括位于所述第一聚酰亚 胺层上方的第一部分和延伸至所述第一聚酰亚胺层内并且被电连接至所述 金属焊盘的第二部分；和第二聚酰亚胺层，位于所述PPI上方，其中所述 第二聚酰亚胺层具有第二厚度和第二杨氏模量，并且其中厚度比和杨氏模 量比中的至少一种大于1.0，所述厚度比等于所述第一厚度与所述第二厚度 的比值，而所述杨氏模量比等于所述第二杨氏模量与所述第一杨氏模量的 比值。

在该结构中，其中所述厚度比大于约1.5。

在该结构中，其中所述第二杨氏模量大于所述第一杨氏模量，二者差 值大于约0.5GPa。

在该结构中，其中所述第一聚酰亚胺层由光刻胶材料形成，所述光刻 胶材料包含由硅氧烷基团表示的树脂。

在该结构中，其中所述第一聚酰亚胺层由光刻胶材料形成，所述光刻 胶材料包含由硅氧烷基团表示的树脂，且其中所述第二聚酰亚胺层由所述 光刻胶材料形成，所述光刻胶材料包含由所述硅氧烷基团表示的所述树脂。

根据本发明的另一方面，还提供了一种结构，包括：半导体衬底；金 属焊盘，位于所述半导体衬底上方；钝化层，位于所述半导体衬底上方并 包含位于所述金属焊盘上方的部分；第一聚酰亚胺层，位于所述钝化层上 方；钝化后互连件(PPI)，包含位于所述第一聚酰亚胺层上方的第一部分 和延伸至所述第一聚酰亚胺层内并且被电连接至所述金属焊盘的第二部 分；第二聚酰亚胺层，位于所述PPI上方，其中所述第一聚酰亚胺层具有 第一杨氏模量，所述第一杨氏模量小于所述第二聚酰亚胺层的第二杨氏模 量；底部凸块金属层(UBM)，延伸至所述第二聚酰亚胺层内，并被电连 接至所述PPI；和所述UBM上的凸块。

在该结构中，其中所述第一聚酰亚胺层由光刻胶材料形成，所述光刻 胶材料包含由硅氧烷基团表示的树脂。

在该结构中，其中所述第一杨氏模量小于所述第二杨氏模量，二者差 值大于约0.5GPa。

在该结构中，其中所述第一聚酰亚胺层由杨氏模量低于约1.5GPa的 材料形成。

在该结构中，其中所述第一聚酰亚胺层由杨氏模量低于约1.5GPa的 材料形成，且其中所述第二聚酰亚胺层由聚苯并恶唑(PBO)形成。

在该结构中，其中所述第一聚酰亚胺层具有第一厚度，所述第一厚度 大于所述第二聚酰亚胺层的第二厚度。

在该结构中，其中所述第一聚酰亚胺层具有第一厚度，所述第一厚度 大于所述第二聚酰亚胺层的第二厚度，且其中所述第一厚度与所述第二厚 度的比值大于约1.5。

根据本发明的又一方面，还提供一种结构，包含：半导体衬底；金属 焊盘，位于所述半导体衬底上方；钝化层，位于所述半导体衬底上方并包 含位于所述金属焊盘上方的部分；第一聚酰亚胺层，位于所述钝化层上方； 钝化后互连件(PPI)，包含位于所述第一聚酰亚胺层上方的第一部分和延 伸至所述第一聚酰亚胺层内并且被电连接至所述金属焊盘的第二部分；第 二聚酰亚胺层，位于所述PPI上方，其中所述第一聚酰亚胺层具有第一厚 度，所述第一厚度大于所述第二聚酰亚胺层的第二厚度；底部凸块金属层 (UBM)，延伸至所述第二聚酰亚胺层内，并被电连接至所述PPI，和所 述UBM上的凸块。

在该结构中，其中所述第一厚度与所述第二厚度的比值大于约1.5。

在该结构中，其中所述第一聚酰亚胺层具有第一杨氏模量，所述第一 杨氏模量小于所述第二聚酰亚胺层的第二杨氏模量。

在该结构中，其中所述第一杨氏模量和所述第二杨氏模量之间的差值 大于约0.5GPa。

在该结构中，其中所述第一聚酰亚胺层由光刻胶材料形成，所述光刻 胶材料包含由硅氧烷基团表示的树脂。

在该结构中，其中所述第一聚酰亚胺层由光刻胶材料形成，所述光刻 胶材料包含由硅氧烷基团表示的树脂，且其中所述第二聚酰亚胺层由聚苯 并恶唑(PBO)形成。

在该结构中，其中所述第一聚酰亚胺层由杨氏模量低于约1.5GPa的 材料形成。

附图说明

为了更充分地理解实施例及其优点，现在将结合附图所进行的以下描述作 为参考，其中：

图1示出了根据实施例的晶圆级芯片规模封装件(WLCSP)；

图2示出了表示WLCSP的刚度的模型，所述WLCSP的刚度受到 WLCSP中各个区域的刚度值的影响；

图3示出了焊球中的作为厚度比T1/T2的函数的归一化的累积应力； 和

图4至图6示出了在如图1的WLCSP中所用的光刻胶材料的化学式。

具体实施方式

在下面详细地讨论本公开的实施例的制造和应用。然而，应当理解，本公 开的实施例提供了许多可以在各种具体环境中实现的可应用的发明概念。所讨 论的具体实施例仅仅是示例性的，而不是用于限制本公开的范围。

根据实施例提供晶圆级芯片规模封装件(WLCSP)。举例说明了制造 各个实施例的中间阶段。讨论了实施例的变化。在全文各个视图和示例性 实施例中，使用相同的附图编号指定相同的元件。

图1示出了示例性管芯100，其是根据实施例的WLCSP。管芯100可 以包括衬底20，该衬底20可以是半导体衬底，诸如硅衬底，但是其也可 以包括其他半导体材料诸如硅锗、碳化硅、砷化镓等等。可以在衬底20的 表面形成有源器件诸如晶体管(未显示)。在衬底20上方形成互连结构(未 显示)，其包括在其中形成的且电连接至半导体器件的金属线和通孔(未 显示)。金属线和通孔可以在低k介电层中形成，所述低k介电层可以是 介电常数小于2.5或者小于约2.0的极(或者非常)低k(ELK)介电层。

在互连结构上方形成金属焊盘22。金属焊盘22可以包含铝、铜、银、 金、镍、钨、其合金、和/或其多层。可以将金属焊盘22例如通过下面的 互连结构电连接至半导体器件。可以形成钝化层30和位于钝化层30上方 的第一聚酰亚胺层32以覆盖金属焊盘22的边缘部分。在示例性实施例中， 钝化层30由介电材料诸如氧化硅、氮化硅或其多层形成。在钝化层30和 聚酰亚胺层32中形成开口以使金属焊盘22暴露出来。

形成钝化后互连件(PPI)38，其中PPI 38包括位于聚酰亚胺层32上 方的第一部分，和延伸至钝化层30和聚酰亚胺层32中的开口内的第二部 分。将PPI 38的第二部分电连接至金属焊盘22，并可以接触金属焊盘22。 可以在PPI 38上方形成第二聚酰亚胺层40。形成底部凸块金属层(UBM) 42从而延伸至聚酰亚胺层40的开口内，其中将UBM 42电连接至PPI 38， 并可以接触PPI 38中的焊盘。在UBM 42上形成凸块44。管芯100可以包 括多个凸块44。在一个实施例中，凸块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和聚酰亚胺层40中的部分44A 和在UBM 42和聚酰亚胺层40上方的部分44B。在一些实施例中，凸块44 是在UBM 42上形成的金属柱。

图2示出了示意性分析模型，其中示出了图1中所示的材料和区域的 刚度值。各个材料和区域的刚度可以表示为：

k＝(A*E)/T    [方程式1]

其中k是区域的刚度；A是该区域的面积，其中从该区域的顶视图(图1 的)中测量所述面积；T是从如图1中所示的横截面视图中测量的区域的 厚度。在图2中，使用下标指定具体区域。

在图2中，将区域32、38、40、42、44A和44B(图1)的刚度值分 别称为k_PI1、k_PPI、k_PI2、k_UBM、k_SA和k_SB。根据图1中所示的结构，可以推 导出包括区域32、38、40、42、44A和44B的结构部分的总刚度(k_总)。 刚度k_总可以表示为：

1/k_总＝1/k_PI1+1/k_PPI+1/k_eq+1/k_SB    [方程式2]

其中等效刚度k_eq进一步表示为：

k_eq＝k_UBM+k_SA+k_PI2                  [方程式3]

根据方程式1、2和3，发现总刚度k_总受到刚度值k_PI1、k_PPI、k_PI2、k_UBM、 k_SA和k_SB的影响，并且减小每个刚度值k_PI1、k_PPI、k_PI2、k_UBM、k_SA和k_SB 可以导致期望的总刚度k_总的减小。此外，总刚度k总小于刚度值k_PI1、K_PPI、 k_eq和k_SB中最小的一个。如方程式3中所表示的，因为刚度k_PI2与刚度值 k_UBM和k_SA平行，减小刚度k_PI2在对减小刚度k_总的贡献上不如减小刚度k_PI1有效。在一些实施例中，刚度k_eq主要受刚度k_UBM控制，刚度k_UBM在k_UBM、 k_SA和k_PI2之间可能具有最大值。

刚度k_总与在如图1中的焊球44上施加的应力有关，并且刚度k_总越小， 在焊球44上施加的应力越小，则管芯100越可靠。因此，期望减小刚度k _总。

在实施例中，通过采用具有小的杨氏模量的材料形成聚酰亚胺层32和 40达到减小刚度k_总。例如，聚苯并恶唑(PBO)的杨氏模量是约2.0GPa， 可以使用具有等于或小于约2.0GPa、低于约1.5GPa或低于约1.0GPa的 杨氏模量的材料。例如，被称为DFS的光刻胶材料，其是来自ShinEtsu  MicroSi公司的干膜光刻胶材料，并具有产品名称SINR-3170。DFS包含其 主要基团是硅氧烷基团的树脂，该树脂由图4中所示的化学式表示。DFS 具有等于约0.48GPa的杨氏模量。而且，DFS在-55℃和200℃之间的温 度范围内具有低的杨氏模量，所述温度范围大于管芯100可以工作的温度 范围。因此，DFS适合形成聚酰亚胺层32和40。

在实施例中，采用相同的材料诸如DFS形成聚酰亚胺层32和40。在 可选实施例中，聚酰亚胺层32和40由不同的材料形成，其中聚酰亚胺层 32的杨氏模量小于聚酰亚胺层40的杨氏模量。聚酰亚胺层40的杨氏模量 和聚酰亚胺层32的杨氏模量之间的差值可以大于约0.2GPa，大于约0.5 GPa，或者大于约1.0GPa。例如，聚酰亚胺层32可以由DFS形成，而聚 酰亚胺层40由PBO形成。可选地，聚酰亚胺层32可以由DFS或者PBO 形成，而聚酰亚胺层40可以由被称为JSR的光刻胶材料形成，所述JSR 来自JSR公司，并具有产品编号WPRR-1201。JSR的基础树脂包含酚树脂， 其具有在图5中所示的化学式。JSR的光酸产生剂包含三嗪化合物。JSR 的交联剂包含三聚氰胺化合物，该化合物具有图6中所示的化学式。JSR 的次交联剂包含低分子的环氧化合物。JSR的偶联剂包含低分子的Si化合 物。JSR的溶剂包含乳酸乙酯、2-庚酮或者其组合。JSR具有等于约2.3GPa 的杨氏模量。

通过增加聚酰亚胺层32的厚度T1(图1)也可以实现总刚度k_总的减 小。在实施例中，在PPI 38正上方的位置测量厚度T1。如由方程式1所示， 增加厚度T1和T2可以导致刚度k_总的进一步减小。而且，为了保持总厚 度(T1+T2)不过大，可以不增加或者不减小厚度T2。在一些实施例中， 厚度比T1/T2大于1.0，大于约1.2，以及可以大于约1.5。厚度T1还可以 大于约11μm、20μm、30μm、或40μm。在增加聚酰亚胺层32的厚度T1 的实施例中，也可以使用具有相对高的杨氏模量的材料，而不显著增加刚 度k_总。在这些实施例中，每个聚酰亚胺层32和40的示例性材料包括JSR、 PBO、DFS等。

在又一些实施例中，还可以通过采用具有小的杨氏模量的材料，并同 时增加聚酰亚胺层32的厚度T1实现刚度k_总的减小。

图3示出了揭示比值T1/T2和在焊球44中归一化的累积应力之间的关 系的模拟结果。观察到随着厚度比T1/T2的增加，归一化的球应变减小。 当厚度比T1/T2增加至约1.5时，归一化的应力与比值T1/T2等于1时的 应力相比可以减少10％。

表1示出了从具有如图1中所示的结构的样品管芯获得的模拟结果， 其中聚酰亚胺层32和40具有用于形成样品管芯的材料和厚度的不同组合。 在一个热循环之后得到样品管芯的焊球44中的归一化的累积应力。

表1

在表1中，标记为“PI1类型”的行显示图1中的聚酰亚胺层32的材 料和厚度，标记为“PI2类型”的行显示图1中的聚酰亚胺层40的材料和 厚度。标记为“球应变”的行显示在焊球(诸如44)中的归一化的最大应 力(下文称为归一化的球应变)，在模拟一个热循环之后模拟焊球中的应 力，如对各自的样品管芯实施的那样。根据表1，观察到随着聚酰亚胺层 32和40的厚度的增加和杨氏模量的减少，归一化的球应变减小了。

比较样品1、2和6，观察到，当使用JSR(其杨氏模量等于约2.3GPa) 形成聚酰亚胺层32和40(样品2)时，归一化的球应变相对于样品1中的 归一化的球应变增加了，在样品1中，相应的聚酰亚胺层32和40是由PBO (其杨氏模量等于约2.0GPa)形成。相反地，当使用DFS(其杨氏模量等 于约0.48GPa)形成聚酰亚胺层32和40(样品6)，归一化的球应变与样 品1中的归一化的球应变相比减小了。这表明小的杨氏模量对于减小焊球 44中的应力是有益的。

样品3与样品5的比较表明增加聚酰亚胺层32的厚度T1比增加聚酰 亚胺层40的厚度T2具有更佳的效果。样品3与样品4的比较以及样品6 与样品7的比较表明增加聚酰亚胺层32的厚度T1可以导致归一化的球应 变的显著减小。样品7达到了归一化的球应变减小的最大效应，在样品7 中，厚度T1增加至4倍的T2，并且使用DFS形成聚酰亚胺层32和40。

除了焊球44中的归一化的累积应力之外，也模拟了在管芯100中的极 低k(ELK)介电层中的应力。表1中的结果表明当聚酰亚胺层32和40 的厚度和杨氏模量值改变时，ELK介电层中的应力具有与焊球44中的归一 化的累积应力相同的趋势。因此，当聚酰亚胺层32的厚度增加，并且聚酰 亚胺层32的杨氏模量减小时，管芯中的ELK介电层也可以从实施例中受 益。

根据实施例，结构包括位于半导体衬底上方的金属焊盘、具有位于该 金属焊盘上方的部分的钝化层、和位于该钝化层上方的第一聚酰亚胺层， 其中第一聚酰亚胺层具有第一厚度和第一杨氏模量。PPI包括位于第一聚酰 亚胺层上方的第一部分，和延伸至钝化层和第一聚酰亚胺层内的第二部分。 将PPI电连接至金属焊盘。第二聚酰亚胺层位于PPI上方。该第二聚酰亚 胺层具有第二厚度和第二杨氏模量。厚度比和杨氏模量比中的至少一种大 于1.0，其中厚度比是第一厚度与第二厚度的比值，以及杨氏模量比是第二 杨氏模量与第一杨氏模量的比值。

根据其他实施例，结构包括位于半导体衬底上方的金属焊盘，和具有 位于该金属焊盘上方的部分的钝化层。第一聚酰亚胺层位于该钝化层上方。 PPI包括在该第一聚酰亚胺层上方的第一部分，和延伸至该钝化层和第一聚 酰亚胺层内的第二部分。将PPI电连接至金属焊盘。第二聚酰亚胺层位于 PPI的上方，其中第一聚酰亚胺层具有小于第二聚酰亚胺层的第二杨氏模量 的第一杨氏模量。UBM延伸至第二聚酰亚胺层内，并电连接至PPI。焊球 位于UBM上。

根据又一些实施例，结构包括位于半导体衬底上方的金属焊盘。钝化 层包括位于该金属焊盘上方的部分。在该钝化层上方形成第一聚酰亚胺层。 PPI包括位于第一聚酰亚胺层上方的第一部分，和延伸至钝化层和第一聚酰 亚胺层内的第二部分，其中将PPI电连接至金属焊盘。第二聚酰亚胺层位 于PPI上方，其中第一聚酰亚胺层具有大于第二聚酰亚胺层的第二厚度的 第一厚度。UBM延伸至第二聚酰亚胺层内，并电连接至PPI。在UBM上 形成焊球。

虽然已经详细地描述了本发明的实施例及其优点，但是应当理解在本 文中可以进行多种变化、替换以及改变，而不背离如由附随的权利要求限 定的实施例的精神和范围。而且，本申请的范围并不是意在限制说明书中 所述的工艺、机器、生产、物质的组成、装置、方法和步骤的具体实施例。 因为本领域普通技术人员将从本公开中很容易地理解，根据本公开可以利 用现在已存的或后来待开发的工艺、机器、生产、物质的组成、装置、方 法或步骤，实施与本文中所述的相应实施例基本上相同的功能或实现基本 上相同的结果。因此，附随的权利要求的意图是在它们的范围内包括这些 工艺、机器、生产、物质的组成、装置、方法或步骤。此外，每个权利要 求构成一个单独的实施例，并且各个权利要求和实施例的组合也在本公开 的范围内。