[发明专利]用于在衬底上形成焊料沉积和非熔融凸块结构的方法

说明书

技术领域

本发明涉及通过电镀形成焊料沉积，特别地涉及倒装芯片封装（flip chip package），更特别地涉及通过电镀的金属或者金属合金形成的倒装芯片接头（flip chip joint）和板到板焊点（solder joint）。

背景技术

自从IBM于20世纪60年代早期引入倒装芯片技术，倒装芯片器件已经安装于昂贵陶瓷衬底上，其中在硅芯片与陶瓷衬底之间的热膨胀失配的不太关键。与引线键合技术比较，倒装芯片技术能够更好地通过更高封装密度（更低器件轮廓）和更高电性能（更短可能的引线和更低电感）。在这一基础上，过去40年已经在陶瓷衬底上使用高温焊料（可控塌陷芯片连接C4）在工业上实现了倒装芯片技术。然而近年来，受用于现代电子产品小型化趋势的高密度、高速度和低成本半导体器件的需求驱动，为了减轻在硅芯片与有机板结构之间的热膨胀失配所引起的热应力而用环氧树脂底部填充剂（epoxy underfill）在低成本有机电路板（例如印刷电路板或者衬底）上安装的倒装芯片器件已经经历明显的爆炸式增长。低温倒装芯片接头和基于有机物的电路板的这一显著问世已经使当前产业能够获得用于制作倒装芯片器件的廉价解决方案。

在当前低成本倒装芯片技术中，半导体集成电路（IC）芯片的顶表面具有电接触焊盘（pad）阵列。有机电路板也具有对应接触网格。在芯片与电路板之间放置并且恰当对准低温焊料凸块（solder bump）或者其他传导粘合材料。颠倒翻转并且在电路板上安装芯片，其中焊料凸块或者传导粘合材料提供在芯片与电路板之间的电输入/输出（I/O）和机械互连。对于焊料凸块接头，有机底部填充剂密封剂可以进一步分配到在芯片与电路板之间的间隙中以约束热失配并且降低对焊点的应力。

一般而言，为了通过焊点实现倒装芯片装配，普遍在芯片的焊盘电极表面上预成形金属凸块，诸如焊料凸块、金凸块或者铜凸块，其中凸块可以是任何形状、诸如立柱凸块、球凸块、柱状凸块或者其他形状。通常使用低温焊料也在电路板的接触区域上形成对应焊料凸块（或者称为预焊料（presolder）凸块）。在回流（reflow）温度，借助焊点将芯片键合到电路板。在分配底部填充剂密封剂之后，因此构造了倒装芯片器件。这样的方法在本领域中众所周知，并且例如在US 7,098,126中描述了使用焊点的倒装芯片器件的典型示例。

目前，用于在电路板上形成预焊料凸块的最普遍方法是模板印刷（stencil printin）方法。关于模板印刷方法的一些在先提议可以参照US 5,203,075、US 5,492,266和US 5,828,128。用于倒装芯片组件的焊料凸块化技术需要关于凸块间距（pitch）和尺寸小型化的设计考虑。根据实践经验，一旦凸块间距减少至0.15毫米以下，模板印刷将变得不可行。对照而言，通过电镀沉积的焊料凸块通过了用于将凸块间距进一步减少下至0.15毫米以下的能力。可以在US 5,391,514和US 5,480,835中发现关于用于倒装芯片键合的电路板上的电镀凸块的在先提议。虽然电路板上的电镀焊料凸块化提供相对于模板印刷更细微的凸块间距，但是它带来针对初始实施的若干挑战。

在US 7,098,126中描述用于在有机衬底上形成焊料的多步过程。在该方法中，有初始提供的有机电路板，该有机电路板包含承载电路的表面，该表面包括至少一个接触区域。在板表面上放置并且图案化焊料掩模层以暴露焊盘。随后通过物理气相沉积、化学气相沉积、使用催化铜（catalytic copper）的化学镀（electroless plating）或者使用催化铜的电镀在板表面之上沉积金属种子层。在金属种子层之上形成并且然后图案化抗蚀层。然后通过电镀在开口中形成焊料材料。最后，去除抗蚀剂和在抗蚀剂之下的金属种子层。为了应用这一方法，需要各种图案化步骤，这从过程效率的总体观点来看是不希望的。每个图案化步骤是失配的图案的潜在起因。另外，如果在相邻接触区域之间的距离（间距）由于电子器件的小型化而很小，则该方法具有它的限制。

在US 2006/0219567 A1中公开一种电路板的传导凸块结构的制作方法。将焊料材料电镀到部分地由图案化的焊料掩模保护的衬底上。接着将抗蚀剂沉积到焊料材料层上。然后以在后继蚀刻步骤期间保护焊料材料涂覆的连接焊盘的方式图案化抗蚀剂。然后蚀刻掉焊料贮存（solder depot）不需要的焊料材料，从而仅在连接焊盘上方留下抗蚀剂保护的焊料贮存。接着去除抗蚀剂。