[发明专利]一种电子器件互连体

说明书

技术领域

本发明一般地涉及集成电路半导体封装技术，特别地涉及集成电路半导体芯片及其封装与电路基板或印刷线路板间的导电互连技术。

背景技术

由于倒装芯片互连技术能够容纳非常高的单位面积输入输出端口或引脚数，其被广泛用于半导体器件的封装，其中排列在倒装芯片表面上的输入输出端口的外端通常是一个焊盘，其通过金属凸块（Metal Bump）与电路基板或印刷电路板上相应的焊盘互连，从而达到所述倒装芯片与所述电路基板或印刷电路板之间的相互通讯。在所述倒装芯片互连技术中，由于芯片面朝下通过金属凸块与电路基板或印刷电路板互连，所述芯片被称作倒装芯片，其表面上的焊盘通常称作凸块下方的金属（UBM:Under Bump Metal）。焊料球是一种目前使用最广泛的连接倒装芯片焊盘与电路基板或印刷电路板焊盘的金属凸块，其高度大约在100到200微米微米左右，其高度与焊盘直径的比值大约在1左右，即所述互连的纵横比大约为1左右。互连的可靠性是倒装芯片封装中最被关注的问题之一。一般来说，互连的高度越大，互连的可靠性越高；互连的纵横比越大，互连的可靠性越高。对用于互连的金属凸块是焊料球的情况，提高互连的高度意味着增加焊盘的直径和焊盘间距，也就意味着减少芯片的单位面积引脚数。而受到不断提高芯片功能的驱动，芯片的发展趋势是不断增加单位面积引脚数，即要求更小的焊盘直径和间距或凸块间距（Bump Pitch）。为了解决这个矛盾，一些其它的用于互连的金属凸块被发展和采用，其中在产品中用的最广的是所谓的铜柱凸块（Copper Pillar Bump)，其可以制造更小的焊盘间距或凸块间距（Bump Pitch），其高度大约在60微米左右，其纵横比大约在2左右。

焊料球互连是通过事先分布在焊盘上的焊料的回流（Reflow）工艺制成，而铜柱凸块互连中的铜柱是通过在一层载体材料中先开孔然后再填充铜料的工艺制成。图1A中100示意目前在产品中用的最广的这两种凸块互连方式，即所述的焊料球凸块和铜柱凸块互连，及其中的一些基本构件和特征。图1A中110示意倒装芯片和基板间通过焊料球凸块制成的互连体，其中数字符号11，12，13，14和15分别代表芯片，芯片上的输入输出盘（Pad），芯片上的第一惰性保护层（Passivation1，其通常是一个氮化硅层），芯片上的第二惰性保护层（Passivation2，其通常是一个聚合物软层，如polyimide层）和凸块下方的金属（UBM:Under Bump Metal），数字符号16和17分别代表焊料球凸块和底部填充材料（Underfill），和数字符号20，21，22和23分别代表电路基板，电路基板上表面的焊盘，事先在焊盘上准备的焊料（Presolder）和焊料罩（Solder Mask）；图1A中120示意倒装芯片和基板间通过铜柱凸块制成的互连体，其中数字符号30和31分别代表铜柱和铜柱顶部的焊料，其它构件如110中所示。芯片上的第二惰性保护层14和底部填充材料17都是为了保护这个互连结构免于过早地破坏，其中保护层14是为了减缓焊料球凸块16或铜柱凸块30与芯片11连接的角点处的应力集中，而底部填充材料17是为了减缓直接作用在互连结构上的应力。

图1B中数字符号200，300和400示意基于焊料球凸块互连的倒装芯片封装结构，其中200示意没带加强构件的倒装芯片封装，而300和400分别示意带有加强环41和盖子43的倒装芯片封装，其中数字符号42和44分别代表把加强环41和盖子43粘接在电路基板上的粘接材料，40和45分别代表底部填充材料17在芯片边缘形成的拐角（Filet）和盖子43与芯片间的热界面材料（TIM:Thermal Interface Material）。在电路基板上粘附一个加强环41或盖子43的目的是为了提高电路基板的刚度以免其过量的翘曲。在现有技术中采用其它互连结构，如铜柱凸块互连的倒装芯片封装都采用类似的封装结构。

图1C中500示意制造铜柱凸块的基本步骤，包括：1）如510所示，先在芯片上形成一层载体材料，并在载体材料层中开孔；2）如520所示，在孔中填充铜料，从而形成铜柱；3）如530所示，去除载体材料层，并通过焊料把芯片与基板互连。如此制造的铜柱的高度通常在约20微米到60微米左右，很少超过100微米。

参见US2013/0241071A1，其公开了一种制造空心柱互连和细铜柱互连的方法，其基于类似的先开孔然后再填充的工艺步骤制成空心柱和细铜柱互连，其是铜柱互连的一个改进，其优点是具有比铜柱更好的柔韧性和更大的纵横比，但其并不能增加铜柱的高度。