專利名稱：半導體器件及其制造方法
技術領域：
本發(fā)明涉及應用倒裝芯片焊接的半導體器件及其制造方法。
背景技術：
近些年，為了處理具有增加的管腳、減小的間距和加快的信號速度的微芯片(半導體元件)，倒裝芯片焊接用作具有較短的布線和連接長度的貼裝技術。用于倒裝芯片焊接的微芯片包括，例如，平面形成的電極焊盤和在電極焊盤上形成的焊料凸點。另一方面，其上將貼裝微芯片的電路襯底具有在與微芯片的電極焊盤相對應的位置上形成的電極焊盤。倒裝芯片焊接是這樣一種方法，放置微芯片的電極焊盤和電路襯底的電極焊盤以使它們彼此相對，并且通過加熱和熔融其間的焊料凸點，焊接微芯片的電極焊盤和電路襯底的電極焊盤。
通常，向電路襯底表面施加焊劑膠粘劑以減少焊料凸點上的氧化膜，其后在電路襯底上對準和貼裝微芯片。隨后，利用回流爐加熱和熔融焊料凸點，以使兩面的電極焊盤焊接，之后去除焊劑。然后，在電路襯底和微芯片之間填充并固化密封樹脂(底部填充材料)。從而制成利用倒裝芯片焊接的半導體器件。并且，對于倒裝芯片焊接，具有焊劑功能的密封樹脂，即所謂的非流動底部填充材料，也用于簡化焊接工藝。利用具有焊劑功能的密封樹脂的焊接工藝省略了清除焊劑和填充密封樹脂的步驟，允許工藝簡化和成本降低。
接下來，參考圖12至14來說明利用具有焊劑功能的密封樹脂的焊接工藝。首先，如圖12所示，在微芯片1的電極焊盤2上形成由高熔點焊料，例如Sn-Ag焊料(熔點221℃)構成的焊料凸點3。另一方面，在其上將貼裝微芯片1的電路襯底4的電極焊盤5上，形成由Sn-Bi焊料(熔點139℃)等構成的低熔點焊料層6。然后向電路襯底4上施加具有焊劑功能的密封樹脂7。在此，一般地，電路襯底4在貼裝區(qū)域(15至20mm的正方形)中呈現(xiàn)約20至50μm的翹曲。
下一步，如圖13所示，通過貼裝工具8吸附并保持微芯片1。在僅使低熔點焊料層6熔融的溫度(例如，139℃或更高，并低于221℃)下預熱貼裝工具8。在對準微芯片1的電極焊盤2和電路襯底4的電極焊盤5后，將微芯片1通過密封樹脂7壓到電路襯底4之上。在保持該壓力狀態(tài)的同時，貼裝工具8加熱密封樹脂7和低熔點焊料層6。通過加熱被激活的密封樹脂7的焊劑功能消除了在焊接界面的氧化膜和外來物質(zhì)，而僅使低熔點焊料層6熔融，并與焊料凸點3浸濕。在這一階段，電路襯底4通過壓力平行。從而微芯片1被初步焊接到襯底4。
隨后，從貼裝工具8釋放微芯片1。在這一階段，施加到微芯片1上的壓力被消除，使得電路襯底4回翹曲，如圖14所示。在壓力剛剛釋放之后低熔點焊料層6仍然處于熔融狀態(tài)，使得它們可以根據(jù)電路襯底4回翹曲的程度被拉開，如圖15所示。隨后，固化和硬化密封樹脂7，導致在完成加熱并熔融焊料凸點3的最后連接工藝之后，在低熔點焊料層6被拉開的部分斷開。因此，對于利用具有焊劑功能的密封樹脂的倒裝芯片焊接工藝而言，問題是由于電路襯底4的翹曲而出現(xiàn)斷開。
并且，為了處理微芯片的更細的間距和更高的信號速度，提出了應用銅引線以降低電阻以及低介電常數(shù)絕緣膜(低κ膜)以降低布線間電容。但是，包括低κ膜的材料通常具有機械和粘附強度低的缺點。從而，在倒裝芯片焊接工藝中，由于微芯片和電路襯底之間的熱膨脹系數(shù)差異引起的熱應力，低κ膜本身或其界面很可能產(chǎn)生斷裂或剝離。具體地說，無鋅焊料，例如Sn-Ag焊料的利用在焊料凸點回流步驟期間引起大的熱應力，由于低κ膜的低機械和粘附強度，很可能發(fā)生斷裂或剝離。
另外，關于焊料凸點的結(jié)構或焊接方法已提出了多種申請。例如，日本專利特開申請?zhí)朒ei 10-294337提出了由從電路襯底側(cè)依次形成的高熔點焊料金屬層、中熔點焊料金屬層和低熔點焊料層構成的凸點電極結(jié)構。該結(jié)構以在電路襯底側(cè)形成高強度高熔點的焊料金屬層的方式，根據(jù)微芯片和電路襯底之間在凸點電極中的熱膨脹系數(shù)的差異，允許降低熱應力。這樣的凸點結(jié)構有助于減小對微芯片的應力，但是對克服由于電路襯底的回翹曲引起的斷開不夠有效。
日本專利特開申請?zhí)朒ei 10-209626提出一種方法，在由高熔點導電材料構成的支柱的兩端形成焊料層，用提供對微芯片和襯底的電極焊盤的粘接的焊劑初步焊接兩端上的焊料層，，以及通過熔融和固化兩端的焊料層進行焊接。但是，這樣的焊接方法根本不適用于具有增加的管腳數(shù)的微芯片的倒裝芯片焊接。日本專利特開申請?zhí)朒ei 10-12659提出了通過低熔點層將在微芯片側(cè)設置的金屬凸點和在電路襯底側(cè)設置的高熔點焊料凸點焊接在一起的結(jié)構。在這樣的焊接結(jié)構中，對克服由于電路襯底的回翹曲引起的斷開不能得到滿意的效果，也不能期望應力得到降低。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明的目的之一在于提供一種半導體器件及其制造方法，當利用具有焊劑功能的密封樹脂進行倒裝芯片焊接時，其能夠有效抑制由于電路襯底回翹曲引起的凸點焊接部分的斷開。
根據(jù)本發(fā)明的一個方面的半導體器件，包括半導體元件，包括半導體元件本體、在所述半導體元件本體上設置的第一電極焊盤，以及在所述第一電極焊盤上形成的第一低熔點焊料層；電路襯底，包括對應于所述第一電極焊盤的第二電極焊盤，以及在所述第二電極焊盤上形成的第二低熔點焊料層；連接部分，包括在所述第一和所述第二低熔點焊料層中的一個低熔點焊料層上形成的由高熔點焊料構成的焊料凸點，并且其中所述第一和所述第二電極焊盤通過焊接到另一低熔點焊料層的所述焊料凸點連接；以及具有焊劑功能的密封樹脂，填充于所述半導體元件和所述電路襯底之間，以密封所述連接部分。
根據(jù)本發(fā)明的一個方面的半導體器件制造方法，包括以下步驟在半導體元件的第一電極焊盤上形成第一低熔點焊料層；在電路襯底的第二電極焊盤上形成第二低熔點焊料層；在所述第一和所述第二低熔點焊料層的一個上形成由高熔點焊料構成的焊料凸點；向所述半導體元件和所述電路襯底的至少一個的表面上施加具有焊劑功能的密封樹脂；對準所述半導體元件的所述第一電極焊盤和所述電路襯底的所述第二電極焊盤，隨后通過所述密封樹脂，在所述電路襯底上對接所述半導體元件；在對所述半導體元件施加壓力的同時，僅僅熔融所述第一和所述第二低熔點焊料層，并且將所述焊料凸點焊接到另一低熔點焊料層；以及釋放對所述半導體元件的壓力，隨后固化所述密封樹脂。


雖然利用參考附圖描述了本發(fā)明，但提供這些附圖僅是為了說明的目的，并不以任何方式限定本發(fā)明。
圖1是示出了根據(jù)本發(fā)明第一實施例的半導體器件的一般結(jié)構的圖；圖2是示出了在圖1中所示的半導體器件中所采用的半導體元件的一般結(jié)構的圖；圖3是圖2中所示的半導體元件的主要結(jié)構的截面圖；圖4是在圖1中所示的半導體器件中所采用的電路襯底的一般結(jié)構的圖；圖5示出了制造圖1中所示的半導體器件的工藝中加熱和熔融低熔點焊料層的步驟；圖6示出了在圖5中所示的加熱和熔融步驟之后釋放對半導體元件的壓力的狀態(tài)；圖7是圖1中的半導體器件的連接部分的結(jié)構截面圖，該部分被放大顯示；圖8是示出了根據(jù)本發(fā)明第二實施例的半導體器件中所采用的半導體元件的結(jié)構的示意圖；圖9是示出了根據(jù)本發(fā)明第二實施例的半導體器件中所采用的電路襯底的結(jié)構的示意圖；圖10示出了根據(jù)本發(fā)明第二實施例加熱和熔融低熔點焊料層的步驟；圖11是示出了根據(jù)本發(fā)明第二實施例的半導體器件的結(jié)構的示意圖；圖12示出了傳統(tǒng)半導體器件中所采用的半導體元件和電路襯底的例子；圖13示出了在半導體器件的傳統(tǒng)制造工藝中加熱和熔融低熔點焊料層的步驟；圖14示出了在圖13中所示的加熱和熔融步驟之后釋放對半導體元件的壓力的狀態(tài)，以及傳統(tǒng)半導體器件的結(jié)構；圖15是放大顯示的圖14中所示的半導體器件的連接部分的截面圖。
具體實施例方式
下面將參考附圖詳細說明本發(fā)明的實施例。雖然根據(jù)附圖對本發(fā)明的實施例進行說明，應當注意，提供附圖只是為了說明的目的，并不限定本圖1是示出了根據(jù)本發(fā)明第一實施例的半導體器件的一般結(jié)構的截面圖。圖1所示的半導體器件(半導體模塊)10具有所謂的倒裝芯片焊接結(jié)構，其中在微芯片(半導體元件)11中設置的各第一電極焊盤12和在電路襯底13中設置的各第二電極焊盤14是電和機械焊接連接的部分，每一個包括焊料凸點15。焊料凸點15由高熔點焊料構成，并且通過低熔點焊料層16在第一電極焊盤12上形成。并且，焊料凸點15被焊接到在第二電極焊盤14上形成的第二低熔點焊料層17。也就是說，第一電極焊盤12和第二電極焊盤14通過第一低熔點焊料層16、焊料凸點15和第二低熔點焊料層17電連接。
在微芯片11和電路襯底13之間的間隙部分中，將密封樹脂18作為底部填充材料填充于其中。密封樹脂18通過固化處理進行硬化。利用密封樹脂18，氣密地密封焊料凸點15以及第一和第二電極焊盤12和14。密封樹脂18具有焊劑功能，即所謂的非流動底部填充材料。例如，樹脂合成物被用作具有這樣的焊劑功能的密封樹脂18，其中提供焊劑功能的酸酐等與環(huán)氧樹脂、丙烯酸樹脂、胺基樹脂、有機硅樹脂或聚酰亞胺樹脂混合。
下面給出上述半導體器件10的細節(jié)，包括半導體器件10的制造方法。微芯片11是半導體器件10側(cè)的元件，如圖2所示，包括在其表面上形成的多個第一電極焊盤12，并且第一電極焊盤12電連接到內(nèi)部電路，該內(nèi)部電路沒有示出。在各第一電極焊盤12上形成第一低熔點焊料層16，并且在各第一低熔點焊料層16上形成由高熔點焊料構成的焊料凸點15。例如，在預定區(qū)域中矩陣排列焊料凸點15，以處理增加的管腳數(shù)。
在此涉及的低熔點焊料和高熔點焊料滿足以下條件Mp1＜Mp2，其中Mp1是低熔點焊料的熔點，Mp2是高熔點焊料的熔點。低熔點焊料層16應具有低于構成焊料凸點15的高熔點焊料的熔點Mp2的熔點Mp1，但是實際上優(yōu)選地，Mp1比高熔點焊料的Mp2低20℃或更多。滿足上述條件的各種焊料金屬可用作構成焊料凸點15的高熔點焊料以及第一低熔點焊料層16。這同樣適用于第二低熔點焊料層17。
焊料凸點15的構成材料可以是，例如，Sn-Ag焊料合金(熔點221℃)、Sn-Ag-Cu焊料合金(熔點217℃)、Sn-Zn焊料合金(熔點199℃)、Sn-Pb焊料合金(熔點183℃)或類似材料。優(yōu)選地，利用實際上不含Pb的焊料金屬(無鉛焊料)，因為考慮到環(huán)境負荷和對人類身體的影響，要求降低所用的鉛的數(shù)量。具體地說，Sn-Ag型焊料合金(包括Sn-Ag焊料合金或Sn-Ag-Cu焊料合金)是高度實用的，適合用作焊料凸點15的材料。
第一和第二低熔點焊料層16、17由例如Sn-Bi焊料合金(熔點139℃)、Sn-Bi-Ag焊料合金(熔點138℃)、Sb-Zn-Bi焊料合金(熔點190℃)、Bi-In焊料合金(熔點72.4℃)、Bi-Pd焊料合金(熔點126℃)、Sn-In焊料合金(熔點118℃)、In-Ag焊料合金(熔點144℃)等形成。列出的作為焊料凸點15的構成材料的那些焊料合金，如果它們是具有比焊料凸點15低的熔點的焊料合金，也可用于第一和第二低熔點焊料層16和17。尤其在其中，優(yōu)選地利用包含Bi的Bi型焊料合金，當與構成焊料凸點15的高熔點焊料合金時，該Bi型焊料合金可提高熔點。
第一低熔點焊料層16可通過例如電鍍的方法形成。也可能通過在除第一電極焊盤12之外的微芯片11的表面上形成掩膜，并且施加低熔點焊料粘合劑形成第一低熔點焊料層16。可通過例如電鍍或通過利用由高熔點焊料構成的微球形成焊料凸點15。可以通過如下方法形成焊料凸點15向第一低熔點焊料層16上施加焊劑，在其上貼裝由高熔點焊料構成的微球，加熱微球至低熔點焊料的熔點或更高，且低于高熔點焊料熔點的溫度，僅熔融低熔點焊料層16，以及固定由高熔點焊料構成的微球。應當注意，當在施加第一熔點焊料層16的步驟之后貼裝由高熔點焊料構成的微球時，可省略施加焊劑的步驟。
焊料凸點15和第一低熔點焊料層16的凸出形狀沒有具體指定，但優(yōu)選地，凸出的高度H(焊料凸點15和第一低熔點焊料層16的總高度)在焊料凸點15的最大直徑D的75％至100％的范圍內(nèi)。如果凸出的高度H小于焊料凸點15的最大直徑D的75％，其中焊料凸點15和第一低熔點焊料層16之間的比率恒定，則第一低熔點焊料層16的體積與凸出的高度H成比例地變小，表明其使得不可能承受壓力釋放后電路襯底13的回翹曲。并且，當?shù)谝坏腿埸c焊料層16的體積恒定時，焊料凸點15的體積比按比例縮小，導致通過最終熔融焊料凸點15形成的焊接合金的熔點低，并引起熱循環(huán)特性、可靠性等的劣化。另一方面，如果凸出的高度H超過焊料凸點15的最大直徑D的100％，在焊接工藝中密封樹脂18包含空氣的可能性提高，易于隨之發(fā)生空隙失效(void failure)。
如圖3的放大的圖所示，其上形成焊料凸點15和第一低熔點焊料層16的微芯片(微芯片本體)具有電路部分，該電路部分包括銅布線21和低介電常數(shù)的絕緣膜(低κ膜)22。對于低介電常數(shù)絕緣膜22，采用例如具有3.5或更低的相對介電常數(shù)的材料。舉例來說，這樣的低介電常數(shù)絕緣膜22是摻氟的氧化硅膜(SiOF膜)、摻碳的氧化硅膜(SiOC膜)、有機氧化硅膜、HSQ(氫倍半硅氧烷，hydrogen silsesquioxane)膜、MSQ(甲基倍半硅氧烷，methyl silsesquioxane)膜、BCB(苯并環(huán)丁烯，benzocyclobutene)膜、PAE(聚芳基醚，polyarylether)膜、PTFE(聚四氟乙烯，polytetrafluoroethylene)膜，以及由這些材料構成的多孔膜。
在銅布線21的凸點連接部分上形成銅焊盤23，再在銅焊盤23上形成鋁焊盤24。銅焊盤23和鋁焊盤24的多層膜形成微芯片11的電極焊盤12。注意在圖中，25代表由SiO2、Si3N4等構成的鈍化膜。并且，如果需要，在鋁焊盤24和第一低熔點焊料層16之間形成阻擋金屬。阻擋金屬層增加了鋁焊盤24和第一低熔點焊料層16之間的粘附性(焊料潤濕性)，并且同時防止焊料金屬擴散到在微芯片11的電極材料中。利用鈦膜/銅膜/鎳膜結(jié)構的多層膜、鈦膜/鎳膜/鈀膜結(jié)構的多層膜等作為阻擋金屬。
如上所述的低介電常數(shù)絕緣膜22有助于降低線間電容，并由此引起更快且間距更細的信號布線，但另一方面，它具有機械強度和粘附強度低的缺點。具體地說，低介電常數(shù)絕緣膜22之間的粘附強度或低介電常數(shù)絕緣膜22與半導體襯底、金屬膜、絕緣膜等之間的粘附強度為15J/m2或更小。如上所述，因為由微芯片11和電路襯底12之間的熱膨脹系數(shù)的差異引起的應力等的原因，低介電常數(shù)絕緣膜22易于在膜本身或其多層界面上引起斷裂或剝離。如下所述，根據(jù)本實施例的半導體器件10可有效克服由低介電常數(shù)絕緣膜22引起的斷裂、剝離等。但是，應注意，微芯片11不限于在其中具有低介電常數(shù)絕緣膜22，并且自然地，也可采用不包括低介電常數(shù)絕緣膜的微芯片。
作為其上貼裝微芯片11的電路襯底13，可采用由各種材料，例如樹脂襯底、陶瓷襯底、玻璃襯底等構成的襯底。作為樹脂襯底，采用通常采用的多層銅疊片板(多層印刷電路板)等。如圖4所示，當微芯片11進行倒裝芯片焊接時，電路襯底13在對應于焊料凸點15的位置具有第二電極焊盤14。與微芯片11一樣，在電路襯底13的第二電極焊盤14上形成低熔點焊料層17。第二低熔點焊料層17的構成材料和形成方法與第一低熔點焊料層16相同。
在此，電路襯底13在15至20mm的正方形貼裝區(qū)域(該區(qū)域包括第二電極焊盤14)中一般呈現(xiàn)約20至50μm的翹曲。電路襯底13的翹曲歸因于生產(chǎn)工藝及其構成材料，一般不可避免。在焊接之前的步驟中，向該電路襯底13的表面(該表面包括電極焊盤14)施加具有焊劑功能的密封樹脂18。應注意，具有焊劑功能的密封樹脂18可施加到微芯片11表面，然而，優(yōu)選地施加到電路襯底13的表面，以確保密封樹脂18的施加量。
下面進行微芯片11和電路襯底13之間的倒裝芯片焊接。首先，如圖5所示，電路襯底13置于貼裝臺31上。同時，通過貼裝工具32吸附并保持微芯片11。貼裝工具32包括用于吸附并保持微芯片11的吸附孔33和用于加熱微芯片11的加熱裝置34。將貼裝工具32預熱至僅僅使得低熔點焊料層16、17熔融的溫度(在低熔點焊料的熔點Mp1或更高且低于高熔點焊料的熔點Mp2的溫度)。接著對準微芯片11的第一電極焊盤12和電路襯底13的第二電極焊盤14，隨后微芯片11通過密封樹脂18壓到電路襯底13上。
優(yōu)選地設置各焊料凸點15、第一低熔點焊料層16，以及第二低熔點焊料層17的量，其中由高熔點焊料構成焊料凸點15，使得焊料凸點15的體積與第一和第二低熔點焊料層16、17的總體積之間的比率在4∶1至1∶1的范圍內(nèi)，并且第一低熔點焊料層16的體積與第二低熔點焊料層17的體積的比率在1∶1.6至1.6∶1的范圍內(nèi)。當由高熔點焊料構成的焊料凸點15的體積(相對于焊料層15、16和17的總和)的比率小于50％時，通過最終熔融焊料凸點15形成的焊接合金的熔點下降，并且利用半導體器件10的組件的熱循環(huán)特性、可靠性等劣化。另一方面，如果焊料凸點15的體積的比率超過80％，通過第一和第二低熔點焊料層16、17，斷開抑制效果和應力緩解效果劣化。并且，在第一低熔點焊料層16和第二低熔點焊料層17之間，如果一層的體積相對于另一層的體積比率超過1.6，具有較小體積的低熔點焊料層的斷開抑制效果和應力緩解效果劣化。
并且，第一和第二低熔點焊料層16、17的厚度優(yōu)選地分別在相對于貼裝區(qū)域內(nèi)的電路襯底13的翹曲量的50％至80％的范圍內(nèi)。當各低熔點焊料層16、17的厚度小于電路襯底13翹曲量的50％時，通過低熔點焊料層16、17對電路襯底13的回翹曲的追蹤不完全。另一方面，當各低熔點焊料層16、17的厚度大于電路襯底13翹曲量的80％時，構成焊料凸點15的高熔點焊料的量成比例下降，導致利用半導體器件10的組件的熱循環(huán)特性、可靠性等劣化。第一和第二低熔點焊料層16、17的總厚度優(yōu)選地在貼裝區(qū)域內(nèi)電路襯底13翹曲量的100％至160％的范圍內(nèi)。
然后，在微芯片11受壓并保持被壓在電路襯底13上的狀態(tài)的同時，加熱密封樹脂18及第一和第二低熔點焊料層16、17。在這一階段，由于壓力作用，電路襯底13處于平行狀態(tài)。如上所述，加熱溫度處在僅使低熔點焊料層16、17熔融的水平，也就是說，在低熔點焊料的熔點Mp1或更高且低于高熔點焊料的熔點Mp2的溫度。加熱并激活的密封樹脂18的焊劑功能消除了在焊接界面的氧化膜、外界物質(zhì)等，并且僅僅將第一和第二低熔點焊料層16、17熔融和焊接到焊料凸點15。更具體地說，通過允許熔融的第二低熔點焊料層17與焊料凸點15的側(cè)面潤濕，將焊料凸點15和第二低熔點焊料層17焊接在一起。從而初步焊接微芯片11和電路襯底13。
應當注意，可通過利用在貼裝臺31側(cè)設置的加熱裝置進行對密封樹脂18及第一和第二低熔點焊料層16、17的加熱。貼裝臺31側(cè)的加熱裝置可與貼裝工具32中設置的加熱裝置34同時使用。換句話說，可通過利用貼裝工具32中設置的加熱裝置34和貼裝臺31中設置的加熱裝置中的至少一個進行對密封樹脂18及第一和第二低熔點焊料層16、17的加熱。
隨后，如圖6所示，從貼裝工具32釋放微芯片11。在這一階段，由于消除了施加到微芯片11上的壓力，電路襯底13回翹曲。在壓力剛剛釋放之后，第一和第二低熔點焊料層16、17處于熔融狀態(tài)，并且如圖7所示，分別拉伸，追蹤電路襯底13的回翹曲。因此，第一和第二低熔點焊料層16、17的拉伸允許增加對電路襯底13回翹曲追蹤的量。這可導致對壓力剛剛釋放之后由于電路襯底13的回翹曲引起的在凸點連接部分的斷開的顯著抑制。
并且，在僅僅熔融第一和第二低熔點焊料層16、17的焊接步驟(初步焊接步驟)中，由微芯片11和電路襯底13之間的熱膨脹系數(shù)之間的差異引起的熱應力施加在微芯片11側(cè)。盡管在這一階段引起的熱應力很小，如果采用在其中具有機械和粘附強度低的低介電常數(shù)絕緣膜22的微芯片11，低介電常數(shù)的絕緣膜22可能引起斷裂、剝離等。對于這一點，在本實施例的半導體器件10中，第一和第二低熔點焊料層16、17分別用作應力緩解層，使得能夠抑制由低介電常數(shù)絕緣膜22引起的斷裂、剝離等的發(fā)生。
隨后，固化具有焊劑功能的密封樹脂18，從而得到如圖1所示的半導體器件10。在本實施例的半導體器件10中，當固化密封樹脂18時，僅僅第一和第二低熔點焊料層16、17被加熱、熔融，然后焊接到焊料凸點15。隨著半導體器件10經(jīng)過如此處理，利用在形成外部電極的焊料回流工藝期間產(chǎn)生的熱量，熔融焊料凸點15及第一和第二低熔點焊料層16、17，并且最終焊接微芯片11和電路襯底13。在最終的焊接工藝中，熱應力仍然施加在微芯片11上，但是與初步焊接工藝一樣，第一和第二低熔點焊料層16、17分別用作應力緩解層，以使由低介電常數(shù)絕緣膜22引起的斷裂、剝離等得到抑制。
在上述的本實施例的半導體器件10中，在焊料凸點15與第一和第二電極焊盤12、14之間分別配置低熔點焊料層16、17。因此，在利用具有焊劑功能的密封樹脂18的倒裝芯片焊接工藝中，即使當在剛剛釋放用于焊接的壓力之后，電路襯底回翹曲時，第一和第二低熔點焊料層16、17分別拉伸，追蹤電路襯底13的回翹曲。這允許對由電路襯底13回翹曲引起的在凸點連接部分的斷開的顯著抑制。斷開的抑制明顯地有助于提高利用具有焊劑功能的密封樹脂制造半導體器件的成品率。
并且，在初步焊接工藝(倒裝芯片焊接工藝)和最終焊接工藝(熔融焊料凸點的工藝)中，第一和第二低熔點焊料層16、17用作應力緩解層。因此，即使當采用包括具有低機械和粘附強度的低介電常數(shù)絕緣膜22的微芯片11時，由低介電常數(shù)絕緣膜22引起的斷裂、剝離等也可得到抑制。這使得不但能抑制無效發(fā)生的比率，還能提高在實際應用中的可靠性。具體地說，即使當焊料凸點15由具有比Sn-Pb共晶焊料高的熔點的無鉛(Pb)焊料形成時，任何由低介電常數(shù)絕緣膜22引起的斷裂、剝離等可得到高度可重復的抑制。
接下來，參考圖8至圖11說明根據(jù)本發(fā)明的第二實施例的半導體器件。在根據(jù)第二實施例的半導體器件中，在電路襯底側(cè)形成由高熔點焊料構成的焊料凸點。如圖8所示，微芯片41具有多個在其表面上形成的第一電極焊盤42，該微芯片是半導體器件側(cè)的組成元件。在第一電極焊盤42上分別形成第一低熔點焊料層43。與上述第一實施例一樣，微芯片41包括電路部分，，該電路部分包括例如銅布線和低介電常數(shù)絕緣膜。然而，電路部分的構成不限于此。
在將貼裝微芯片41的電路襯底44上對應于倒裝芯片焊接到微芯片41之上的第一電極42的位置上，形成第二低熔點焊料層45。在電路襯底44的第二電極焊盤45上形成低熔點焊料層46，再在其上形成由高熔點焊料構成的焊料凸點47。作為第一和第二低熔點焊料層43、46以及焊料凸點47的構成材料，采用與第一實施例類似的焊料金屬。并且，各層43、46、47的形成方法和形狀，以及第一和第二低熔點焊料層43、46相對于焊料凸點47的體積比率優(yōu)選地與第一實施例類似。
在此，相對于15至20mm的正方形貼裝區(qū)域(設置有第二電極焊盤45的區(qū)域)，電路襯底44通常呈現(xiàn)20至50μm的翹曲。在焊接之前的工藝期間，向電路襯底44的表面(設置有焊料凸點47的表面)施加具有焊劑功能的密封樹脂48。采用與第一實施例類似的具有焊劑功能的一種材料作為密封樹脂48。施加具有焊劑功能的密封樹脂48，以填充通過焊料凸點47形成的凸出和凹陷。向包括焊料凸點47的電路襯底44的密封樹脂的這種施加抑制了在焊接工藝期間的任何空氣雜質(zhì)以及由此產(chǎn)生的氣孔。
下面進行微芯片41和電路襯底44的倒裝芯片焊接。首先，如圖10所示，將電路襯底44置于貼裝臺31上。另一方面，通過貼裝工具32吸附并保持微芯片41。將貼裝工具32預熱至僅僅使低熔點焊料層43、46熔融的溫度(低熔點焊料的熔點Mp1或更高且低于高熔點焊料的熔點Mp2的溫度)。隨后，對準微芯片41的第一電極焊盤42和電路襯底44的第二電極焊盤45，并且接下來通過密封樹脂48將微芯片41壓到電路襯底44上。
在保持微芯片41受壓，并壓到電路襯底44上的狀態(tài)的同時，加熱密封樹脂48及第一和第二低熔點焊料層43、46。在這一階段，由于壓力作用，電路襯底44處于平行狀態(tài)。加熱溫度應為僅使低熔點焊料層43、46熔融的溫度。加熱并激活的密封樹脂48的焊劑功能消除了在焊接界面的氧化膜、外界物質(zhì)等，并且將第一和第二低熔點焊料層43、46熔融和焊接到焊料凸點47。更具體地說，通過允許熔融的第一低熔點焊料層43與焊料凸點47的側(cè)面潤濕，將焊料凸點47和第一低熔點焊料層43焊接在一起。應注意，通過利用在貼裝工具32中設置的加熱裝置34和在貼裝臺31側(cè)設置的加熱裝置中的至少一個，進行對密封樹脂48及第一和第二低熔點焊料層43、46的加熱。
隨后，從貼裝工具32釋放微芯片41。在這一階段，由于消除了施加到微芯片41上的壓力，電路襯底44回翹曲。壓力剛剛釋放之后第一和第二低熔點焊料層43、46處于熔融狀態(tài)，并且與圖7的狀態(tài)類似地，分別拉伸，追蹤電路襯底44的回翹曲。這允許對壓力剛剛釋放之后由電路襯底44的回翹曲引起的在凸點連接部分的斷開的顯著抑制。
此后，固化具有焊劑功能的密封樹脂48，從而得到如圖11所示的半導體器件50。具體地說，本發(fā)明的半導體器件50包括這樣的結(jié)構(倒裝芯片焊接結(jié)構)，其中通過由高熔點焊料構成的焊料凸點47以及分別連接到焊料凸點47的第一和第二低熔點焊料層43、46，將在微芯片41上設置的第一電極焊盤42和在電路襯底44上設置的第二電極焊盤45電和機械焊接在一起。利用密封樹脂48作為底部填充材料填充微芯片41和電路襯底44之間的間隙部分。通過固化處理硬化密封樹脂48。
第二實施例的半導體器件50處于這樣的狀態(tài)，其中僅僅第一和第二低熔點焊料層43、46被加熱、熔融和焊接到焊料凸點47，并且密封樹脂48被固化。在處于這種狀態(tài)中的半導體器件50中，利用用于其后形成外部電極的焊料回流工藝中產(chǎn)生的熱量，熔融焊料凸點47及第一和第二低熔點焊料層43、46，以致最終將微芯片41和電路襯底44焊接到一起。
在上述第二實施例的半導體器件50中，在由高熔點焊料構成的焊料凸點47與第一和第二電極焊盤42、45之間分別配置低熔點焊料層43、46。因此，在利用具有焊劑功能的密封樹脂48的倒裝芯片焊接工藝中，即使當在剛剛釋放用于焊接的壓力之后，電路襯底44回翹曲時，第一和第二低熔點焊料層43、46分別拉伸，追蹤電路襯底44的回翹曲。這允許對由電路襯底44的回翹曲引起的在凸點連接部分中的斷開的顯著抑制。這樣的斷開抑制明顯地有助于提高利用具有焊劑功能的密封樹脂制造半導體器件的成品率。
并且，在初步焊接工藝(倒裝芯片焊接工藝)和最終焊接工藝(焊料凸點熔融工藝)中，第一和第二低熔點焊料層43、46用作應力緩解層。因此，即使當采用包括具有低機械和粘附強度的低介電常數(shù)絕緣膜的微芯片41時，由低介電常數(shù)絕緣膜引起斷裂、剝離等也可得到抑制。這使得能夠在半導體器件50的制造過程中降低無效發(fā)生的比率，并且同時提高在實際應用中的可靠性。具體地說，即使當焊料凸點47由具有比Sn-Pb共晶焊料高的熔點的無鉛(Pb)焊料形成時，任何由低介電常數(shù)絕緣膜引起的斷裂、剝離等可得到高度可重復的抑制。
應當注意，本發(fā)明并不限于在此結(jié)合圖示說明的具體實施例，并且可用于利用具有焊劑功能的密封樹脂進行倒裝芯片焊接的各種半導體器件及其制造方法。在下面權利要求書的范圍內(nèi)的所有修改，以及參考上面的半導體器件及其制造方法，都視為包括在本發(fā)明中。
權利要求
1.一種半導體器件，包括半導體元件，包括半導體元件本體、在所述半導體元件本體上設置的第一電極焊盤，以及在所述第一電極焊盤上形成的第一低熔點焊料層；電路襯底，包括對應于所述第一電極焊盤的第二電極焊盤，以及在所述第二電極焊盤上形成的第二低熔點焊料層；連接部分，包括在低熔點焊料層上形成的由高熔點焊料構成的焊料凸點，所述低熔點焊料層選自所述第一和所述第二低熔點焊料層的一個，并且其中所述第一和所述第二電極焊盤通過焊接到另一低熔點焊料層的所述焊料凸點連接；以及密封樹脂，填充于所述半導體元件和所述電路襯底之間，以密封所述連接部分，并且具有焊劑功能。
2.根據(jù)權利要求1的半導體器件，其中所述半導體元件包括具有3.5或更低的相對介電常數(shù)的低介電常數(shù)絕緣膜。
3.根據(jù)權利要求2的半導體器件，其中所述低介電常數(shù)絕緣膜相對于選自半導體襯底、金屬膜以及形成所述半導體元件的絕緣膜之一具有15J/m2或更低的粘附強度。
4.根據(jù)權利要求1的半導體器件，其中所述焊料凸點由選自錫-銀(Sn-Ag)焊料合金、錫-銀-銅(Sn-Ag-Cu)焊料合金、錫-鋅(Sn-Zn)焊料合金以及錫-鉛(Sn-Pb)焊料合金之一形成。
5.根據(jù)權利要求4的半導體器件，其中所述焊料凸點由實質(zhì)上不包括鉛的焊料合金構成。
6.根據(jù)權利要求1的半導體器件，其中所述第一和所述第二低熔點焊料層由選自錫-鉍(Sn-Bi)焊料合金、錫-鉍-銀(Sn-Bi-Ag)焊料合金、錫-鋅-鉍(Sn-Zn-Bi)焊料合金、鉍-銦(Bi-In)焊料合金、鉍-鈀(Bi-Pd)焊料合金、錫-銦(Sn-In)焊料合金以及銦-銀(In-Ag)焊料合金之一形成。
7.根據(jù)權利要求6的半導體器件，其中所述第一和所述第二低熔點焊料層由包括鉍的焊料合金形成。
8.根據(jù)權利要求1的半導體器件，其中所述焊料凸點的體積與所述第一和所述第二低熔點焊料層的總體積的比率在4∶1至1∶1的范圍內(nèi)，并且所述第一低熔點焊料層和所述第二低熔點焊料層的體積之間的比率在1∶1.6至1.6∶1的范圍內(nèi)。
9.根據(jù)權利要求1的半導體器件，其中所述第一和所述第二低熔點焊料層分別具有相對于所述電路襯底的貼裝區(qū)域中的翹曲量的50％至80％范圍內(nèi)的厚度。
10.根據(jù)權利要求1的半導體器件，其中由所述焊料凸點和所述一個低熔點焊料層形成的凸出具有相對于所述焊料凸點的最大直徑的75％至100％范圍內(nèi)的高度。
11.一種半導體器件制造方法，包括以下步驟在半導體元件的第一電極焊盤上形成第一低熔點焊料層；在電路襯底的第二電極焊盤上形成第二低熔點焊料層；在選自所述第一和所述第二低熔點焊料層的一個低熔點焊料層上形成由高熔點焊料構成的焊料凸點；向選自所述半導體元件和所述電路襯底的至少一個的表面上施加具有焊劑功能的密封樹脂；對準所述半導體元件的所述第一電極焊盤和所述電路襯底的所述第二電極焊盤，隨后通過所述密封樹脂，在所述電路襯底上對接所述半導體元件；通過在所述半導體元件上施加壓力，僅僅熔融所述第一和所述第二低熔點焊料層，并且焊接所述焊料凸點和選自所述第一和所述第二低熔點焊料層的另一低熔點焊料層；以及釋放在所述半導體元件上的壓力并固化所述密封樹脂。
12.根據(jù)權利要求11的半導體器件制造方法，還包括在固化所述密封樹脂后，熔融所述第一和所述第二低熔點焊料層以及所述焊料凸點，并焊接所述第一電極焊盤和所述第二電極焊盤。
13.根據(jù)權利要求11的半導體器件制造方法，其中利用在選自保持所述半導體元件的貼裝工具和放置所述電路襯底的貼裝臺之間的至少一個中設置的加熱裝置熔融所述第一和所述第二低熔點焊料層。
14.根據(jù)權利要求11的半導體器件制造方法，其中所述半導體元件包括具有3.5或更低的相對介電常數(shù)的低介電常數(shù)絕緣膜。
15.根據(jù)權利要求11的半導體器件制造方法，其中所述焊料凸點由選自錫-銀(Sn-Ag)焊料合金、錫-銀-銅(Sn-Ag-Cu)焊料合金、錫-鋅(Sn-Zn)焊料合金以及錫-鉛(Sn-Pb)焊料合金之一形成，并且所述第一和所述第二低熔點焊料層由選自錫-鉍(Sn-Bi)焊料合金、錫-鉍-銀(Sn-Bi-Ag)焊料合金、錫-鋅-鉍(Sn-Zn-Bi)焊料合金、鉍-銦(Bi-In)焊料合金、鉍-鈀(Bi-Pd)焊料合金、錫-銦(Sn-In)焊料合金以及銦-銀(In-Ag)焊料合金之一形成。
全文摘要
一種半導體器件，包括倒裝芯片焊接到電路襯底的半導體元件。利用具有焊劑功能的密封樹脂，倒裝芯片焊接所述半導體元件和所述電路襯底。所述半導體元件包括通過第一低熔點焊料層在第一電極焊盤上形成的焊料凸點。所述電路襯底包括對應于所述第一電極焊盤的第二電極焊盤，并且在所述第二電極焊盤上形成第二低熔點焊料層。所述焊料凸點通過所述第一和所述第二低熔點焊料層焊接到所述第一和所述第二電極焊盤。
文檔編號H01L21/60GK1738039SQ200510103818
公開日2006年2月22日 申請日期2005年8月12日 優(yōu)先權日2004年8月13日
發(fā)明者友野章 申請人:株式會社東芝