一种铜柱凸点结构的封装工艺制造技术

本发明专利技术所述一种铜柱凸点结构的封装工艺，包括以下步骤：在半导体衬底上设置金属焊盘，所述金属焊盘的四周设有钝化层，所述钝化层覆盖于衬底上；利用磁控溅射设备在金属焊盘上沉积凸点下金属化层；采用光刻法和电镀工艺在凸点下金属化层上沉积铜柱；再通过超声焊接的方式将芯片倒装焊接在铜柱上，所述芯片上设置金属焊盘。本发明专利技术采用已有倒装焊设备的超声焊工艺实现铜柱与芯片之间的连接，铜柱上无需设置焊料凸点，避免因金属间化合物的形成而导致结构失效，从而提高了铜柱凸点结构的可靠性和耐用性。同时，还降低了凸点制作成本，减少封装流程，提高封装工艺的效率。

【技术实现步骤摘要】
一种铜柱凸点结构的封装工艺
本专利技术涉及一种铜柱凸点结构的封装工艺，属于半导体封装
。
技术介绍
随着IC尺寸进一步微型化和载荷严酷化，原有的球型焊点已不能满足性能的需求。目前，可以通过使用铜柱结构来改善现有的BGA封装结构。现有技术公开的一种铜柱凸点结构，多采用铜柱与焊料凸点结合的方式，通过焊料凸点来实现铜柱与芯片之间的连接。 然而，在对上述铜柱凸点结构进行测试时发现，由于焊料凸点中含有大量的锡，而铜和锡极易发生反应形成金属间化合物，从而使得整体封装结构失效。所以，这种现有结构的可靠性差，耐用性不高。 因此，鉴于以上问题，有必要提出一种新型的封装方法，以阻止铜柱与焊料凸点之间的界面反应，继而提高铜柱凸点结构的可靠性和耐用性。
技术实现思路
本专利技术的目的是克服现有技术中存在的不足，提供一种铜柱凸点结构的封装工艺，其焊接方式采用超声焊，铜柱上无需设置焊料凸点，避免因金属间化合物的形成而导致结构失效，从而提高了铜柱凸点结构的可靠性和耐用性。同时，还降低了凸点制作成本，减少封装流程，提高封装工艺的效率。 一种铜柱凸点结构的封装工艺，其过程包括如下步骤: a.提供带有金属焊盘及钝化层的半导体衬底，所述钝化层覆盖于衬底上，并有选择性地刻蚀所述钝化层，使其形成窗口以露出金属焊盘； b.利用磁控溅射在上述半导体衬底上沉积凸点下金属化层，所述凸点下金属化层覆盖于钝化层及金属焊盘上； c.利用匀胶机在上述凸点下金属化层的表面涂布初级光刻胶层，并利用光刻工艺使初级光刻胶层图形化，以形成铜柱窗口图形； d.利用电镀工艺在上述窗口图形内沉积铜柱； e.利用去胶工艺去除光刻胶层，以露出凸点下金属化层的表面； f.利用刻蚀工艺去除铜柱四周多余的凸点下金属化层； g.利用已有倒装焊设备的超声焊工艺实现铜柱与芯片之间的连接。 进一步的，所述芯片上的金属焊盘的直径大于铜柱凸点的直径。 进一步的，所述芯片上的金属焊盘的高度等于半导体衬底上金属焊盘的高度。 进一步的,所述超声焊工艺的振幅采用5—35 μ m。 进一步的，所述超声焊工艺的振动频率采用16 — 30kHZ。 与现有技术相比，本专利技术的技术方案具有的优点:采用超声焊工艺来实现铜柱与芯片之间的连接，消除铜柱和凸点之间的界面反应，避免因金属间化合物的形成而导致结构失效，提高了铜柱凸点封装结构的可靠性和耐用性。同时，由于无需再在铜柱上设置焊料凸点，从而提高封装效率，有助于铜柱凸点封装结构朝着尺寸更小、密度更高的方向发展。 【附图说明】 图1?图7为本专利技术一种铜柱凸点结构的封装工艺的示意图。 其中，图1为本专利技术在半导体衬底上设置金属焊盘和钝化层后的剖视图。 图2为本专利技术沉积凸点下金属化层的剖视图。 图3为本专利技术涂布初级光刻胶并图形化后的剖视图。 图4为本专利技术电镀沉积铜柱后的剖视图。 图5为本专利技术去除光刻胶层后的剖视图。 图6为本专利技术去除多余凸点下金属化层后的剖视图。 图7为本专利技术进行超声焊后的示意图。 附图标记:半导体衬底一100、衬底上金属焊盘一110、纯化层一200、纯化层窗口一210、凸点下金属化层一 300、粘附层一 310、阻挡层一 320、抗氧化层一 330、铜柱凸点一 400、光刻胶层一500、铜柱窗口图形一510、芯片一600、芯片上金属焊盘一610。 【具体实施方式】 经研究发现，现有技术中铜柱凸点结构可靠性差、易发生失效的主要原因如下: 现有铜柱凸点结构中，焊料凸点含有大量的锡，与铜柱相接触的界面极易发生铜锡反应而产生金属间化合物。反应初期产生的金属间化合物是Cu6Sn5，但随着时间的延长，金属间化合物逐渐演变为劣化相Cu3Sn,由于体积的减小而产生孔洞，进而严重影响铜柱凸点结构的可靠性和耐用性。 经过进一步研究发现，可采用新型铜柱凸点结构，即铜柱表面无需单独设置焊料凸点，仅通过超声焊工艺方法实现铜柱与芯片的连接，从而消除铜柱和焊料凸点之间的界面反应，避免因金属间化合物的形成而导致结构的失效。 下面结合具体附图和实施例对本专利技术作进一步说明。 参见图6，本专利技术一种铜柱凸点结构的封装工艺，其实施例的结构如下: 所述铜柱凸点结构(400)，包括半导体衬底(100)和位于所述衬底(100)上的金属焊盘(110);所述金属焊盘(110)的四周设有钝化层(200)，所述钝化层(200)覆盖于衬底(1000上；凸点下金属化层(300)位于金属焊盘(110)及金属焊盘(110)四周边缘部分的钝化层(200)上，所述凸点下金属化层(300)包括位于金属焊盘(110)上的粘附层(310)，位于粘附层(310)上的阻挡层(320)，位于阻挡层(320)上的抗氧化层(330);铜柱(400)位于凸点下金属化层(300)的正上方；芯片(600)位于铜柱(400)的正上方，通过芯片上金属焊盘￠10)实现连接。 参见图7，本专利技术一种铜柱凸点结构的封装工艺，其实施例的超声焊接系统如下: 所述超声焊接系统，包括工作台(I)和吸头(2)，所述吸头用来吸住需要焊接的芯片(600)，所述芯片(600)上设置金属焊盘￠10);变幅杆(4)和换能器(5)，所述变幅杆(4)可以改变换能器(5)的振幅，所述换能器(5)可以减小谐振阻抗、提高电声转换效率，从而提高使用寿命；电源(6)提供220V的电流。 参见图1至图6，本专利技术一种铜柱凸点结构的封装工艺，其工艺过程包括如下步骤: 如图1所示，提供带有金属焊盘(110)及钝化层(200)的半导体衬底(100)，所述钝化层(200)覆盖于衬底(100)上，并有选择性地刻蚀所述钝化层(200)，使其形成窗口(210)以露出金属焊盘(110)。同时，提供带有金属焊盘(610)的芯片(600)。 本实施例中，半导体衬底(100)的材料可以为硅、硅锗以及绝缘体上硅等。衬底上金属焊盘(110)可以采用铝。钝化层(200)的材料可以为氧化硅、聚酰亚胺(PI)、环氧树脂(Epoxy)等，其作用为保护半导体衬底(100)，将半导体衬底(100)与外界隔绝，缓冲应力作用。芯片上金属焊盘(610)可以采用铜，以方便与铜柱相连接。 由于超声焊的特有性质，芯片上金属焊盘(610)的直径大于衬底上金属焊盘 (110)，范围依据超声焊的工艺参数而定。 如图2所示，利用磁控溅射工艺在上述半导体衬底(100)上沉积凸点下金属化层(300)。 本实施例中，所述凸点下金属化层(300)材料为常见材料，其中，粘附层(310)和阻挡层(320)的材料可以为Cr、T1、W中的一种或组合，抗氧化层(330)的材料为Au。 如图3所示，利用匀胶机在上述凸点下金属化层(300)的表面涂布光刻胶(500)，再利用光刻工艺使光刻胶(500)图形化，以形成铜柱窗口图形(510)。所述窗口(510)的开口度大于钝化层窗口(210)，多余的光刻胶(500)位于金属焊盘(110)四周边缘的钝化层(200)上。 如图4所示，利用电镀工艺在上述窗口图形(510)内沉积铜柱(400)。 如图5所示，利用去胶工艺去除光刻胶(500)，以露出凸点下金属化层(300)的表面。 如图6所示，利用刻蚀工艺本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种铜柱凸点结构的封装工艺，其过程包括如下步骤：a.提供带有金属焊盘及钝化层的半导体衬底，所述钝化层覆盖于衬底上，并有选择性地刻蚀所述钝化层，使其形成窗口以露出金属焊盘；b.利用磁控溅射在上述半导体衬底上沉积凸点下金属化层，所述凸点下金属化层覆盖于钝化层及金属焊盘上；c.利用匀胶机在上述凸点下金属化层的表面涂布初级光刻胶层，并利用光刻工艺使初级光刻胶层图形化，以形成铜柱窗口图形；d.利用电镀工艺在上述窗口图形内沉积铜柱；e.利用去胶工艺去除光刻胶层，以露出凸点下金属化层的表面；f.利用刻蚀工艺去除铜柱四周多余的凸点下金属化层；g.利用已有倒装焊设备的超声焊工艺实现铜柱与芯片之间的连接。

【技术特征摘要】
1.一种铜柱凸点结构的封装工艺，其过程包括如下步骤: a.提供带有金属焊盘及钝化层的半导体衬底，所述钝化层覆盖于衬底上，并有选择性地刻蚀所述钝化层，使其形成窗口以露出金属焊盘； b.利用磁控溅射在上述半导体衬底上沉积凸点下金属化层，所述凸点下金属化层覆盖于钝化层及金属焊盘上； c.利用匀胶机在上述凸点下金属化层的表面涂布初级光刻胶层，并利用光刻工艺使初级光刻胶层图形化，以形成铜柱窗口图形； d.利用电镀工艺在上述窗口图形内沉积铜柱； e.利用去胶工艺去除光刻胶层，以露出凸点下金属化层的表面； f.利用刻蚀工艺去除铜柱四周多...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈萍，赵修臣，刘颖，李红，谷悦，
申请(专利权)人：北京理工大学，
类型：发明
国别省市：北京;11