[发明专利]半导体元件的制造方法

说明书

技术领域

本发明涉及晶圆级晶片尺寸封装(wafer level chip-scale packaging，WLCSP)，且特别涉及增进WLCSP中的焊球接点(solder ball joints)的可靠度。

背景技术

在过去几十年来，电子与半导体封装技术的进步已冲击整个半导体工业。导入表面接合技术(surface-mount technology，SMT)与球栅阵列(ball gridarray，BGA)封装对于多种集成电路元件的高产率封装通常是重要的步骤，且还同时允许印刷电路板上的接垫间距缩小。通常集成电路的封装结构基本上由晶片上的金属接垫与散布自封装体的电极间的细金线来形成内连线。双列式封装(dual inline package，DIP)与四方扁平封装(quad flat package，QFP)是目前集成电路封装的基本结构。然而，随着周边设计与排列于封装体的针脚数目(pin count)的增加，使导线间之间距过小而限制电路板的晶片封装。

晶片尺寸封装(CSP)及球栅阵列(BGA)封装为在不大幅增加封装尺寸情况下，使电极的排列紧密的一种解决方案。CSP提供晶片尺寸的晶圆封装。CSP的封装结构一般小于1.2倍的裸片尺寸，大幅缩小以CSP封装的元件的尺寸。虽然，这些优点已使电子元件小型化，但一直以来对于更小、更轻、及更薄电子产品的需求，更加小型化封装结构的追求仍未曾间断。

为了满足市场对于更小型化与更多功能化电子产品的需求，近年来导入了晶圆级晶片尺寸封装(WLCSP)以增加元件密度、增进效能、与节省成本，并同时减小电子封装工业中的元件的重量与尺寸。在WLCSP封装中，封装体通常直接形成于裸片上，裸片具有由球栅阵列及凸块电极(bump electrodes)所提供的接点(contact)。近来的先进电子元件，例如行动电话、笔记型电脑、摄影机、个人数字助理(PDA)等，利用了密集且轻薄的紧密封装集成电路。使用WLCSP以较少数目的接脚来封装较小裸片尺寸的元件，可于一晶圆上形成更多的晶片，具有更高的成本效益。

现今的WLCSP技术的缺点是焊球与柱电极(electrode post)间会形成裂痕(cracks)。焊球或凸块一般直接放置于凸块电极或柱电极上，靠焊接点(solderjoint)来维持结构整体性。形成WLCSP元件的不同材料层之间一般具有不同的热膨胀系数(CTE)。因此，由不同热膨胀系数所引起的较大应力会发生在与柱电极及凸块电极之间的接点，常常在凸块电极/柱电极与焊球或凸块间的接合区造成裂缝。此外，焊球一般位于晶圆的材料层上方。焊球接合处的露出使焊球更容易受到物理冲击的影响，并亦使较脆弱的接点露出。

图1显示典型WLCSP封装结构10的单一焊球的剖面图。WLCSP封装结构直接形成于裸片100上。在裸片100上形成有铜垫102。铜垫102作为焊球101的接触点与接垫。在焊接工艺期间，金属间化合物(intermetalliccompounds，IMC)会于焊球101与铜垫102之间的接点自然地形成为一材料层(例如IMC形成层103)。虽然IMC形成层103的存在通常意味着焊料与衬底间有良好的焊接，但IMC形成层103通常是焊接点的最脆弱部分。因为在WLCPS封装中的焊接点非常小，使得裂痕(crack)(例如裂痕104)在应力施加于接点时可能更容易形成，且这样的裂痕由于整体封装结构尺寸较小，可能对结构伤害更大。再者，IMC形成层103位于裸片100的上表面上，因此会将此较脆弱区域曝露于较大的直接应力冲击。沿着焊球101的一侧生成的小裂痕(例如裂痕104)可容易地沿着焊接点横截面方向传播而变大。

美国专利US 6,600,234(Kuwabara，et al.)公开一种可减小上述应力裂痕的方法。此方法使用多层材料层来形成密封膜(sealing film)，其中部分的凸块电极自密封膜突出。突出的电极辅助吸收部分由热膨胀系数不同所造成的应力。密封层的多层材料层的选择亦可具有逐渐改变的热膨胀系数，使接近衬底的材料层具有与衬底相近的热膨胀系数，而接近电路衬底的材料层具有与电路衬底相近的热膨胀系数。此逐渐改变的热膨胀系数有助于缓和由急遽热膨胀系数差异所造成的应力。然而，密封层的多层材料层通常仍呈现较低的剪切强度(shear strength)，且无法减轻可能形成于IMC形成层中的裂缝的传播，因而减低接点的整体可靠度。