本發(fā)明涉及半導(dǎo)體封裝技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種高密度封裝及其制造方法。

背景技術(shù)：

隨著現(xiàn)代微電子技術(shù)的發(fā)展，電子設(shè)備對多功能性、高可靠性、輕巧微型化等特性的要求越來越高。微電子封裝為半導(dǎo)體芯片與電路基板提供了彼此間的機(jī)械互連和電學(xué)連接，同時(shí)對芯片提供保護(hù)并改善半導(dǎo)體芯片與電路基板互連所存在的電遷移、熱失配等問題。

作為微電子高密度封裝的主流技術(shù)，微凸點(diǎn)互連具備良好的電學(xué)性能、抗電遷移能力，同時(shí)使得高密度、窄節(jié)距的電學(xué)互連封裝得以實(shí)現(xiàn)和發(fā)展，并廣泛應(yīng)用在基于micro-LED的微顯示、基于光傳感面陣的高密度紫外、紅外及可見光成像裝置等。微顯示和面陣成像裝置都對顯示或者傳感的精度和良率要求越來越高，也就是對實(shí)現(xiàn)該器件的凸點(diǎn)倒裝的密度和良率要求越來越高。

高密度陣列封裝一般采用類似銅柱錫帽的工藝，通過回流來實(shí)現(xiàn)基板與芯片的連接。然而，由于銅柱凸塊之間的距離太短，對準(zhǔn)焊接回流時(shí)，熔融狀態(tài)的焊料容易溢出并蔓延至陣列間距中，導(dǎo)致短路、橋接而半導(dǎo)體器件失效。而且，高密集度的銅柱易出現(xiàn)高度均一性不好、不平整的問題，高矮不一致的銅柱使得半導(dǎo)體芯片與電路基板對準(zhǔn)互連時(shí)，某些陣點(diǎn)可能無法上下相接觸而造成陣點(diǎn)連接失效即虛焊，封裝結(jié)構(gòu)的共面性不好。此外，回流后焊料凸塊的表面接近球面，上下結(jié)構(gòu)對準(zhǔn)互連時(shí)，可能會(huì)沿著球面滑移而向側(cè)面偏離導(dǎo)致整體封裝結(jié)構(gòu)的可能失效。實(shí)際封裝過程中，芯片一般都會(huì)存在一定的翹曲度問題，當(dāng)翹曲度較大時(shí)，可能無法對其進(jìn)行正常的焊接封裝。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

鑒于以上現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明的目的在于提供一種高密度封裝。本發(fā)明的另一目的是要提供一種制作該高密度封裝的方法。

為實(shí)現(xiàn)提供一種高密度封裝的目的，本發(fā)明的技術(shù)方案為：

一種高密度封裝，包含基板和芯片，基板與芯片通過凸點(diǎn)陣列連接，基板(或芯片)部分設(shè)置有硬質(zhì)金屬的空心柱，提供一個(gè)凹槽；芯片(或基板)部分有硬質(zhì)金屬凸點(diǎn)；硬質(zhì)金屬凸點(diǎn)一一對應(yīng)地插入于硬質(zhì)金屬空心柱中；硬質(zhì)金屬凸點(diǎn)外壁或頂部與硬質(zhì)空心柱內(nèi)壁或底部通過凹槽中的金屬焊料實(shí)現(xiàn)連接；

優(yōu)選的，所述硬質(zhì)金屬空心柱的上表面為漏斗狀開口，其斜面傾斜角度約為45°；進(jìn)一步，在所述空心柱的漏斗開口頂部硬質(zhì)金屬上還沉積或者電鍍有焊料層，基板與芯片鍵合時(shí)，凸點(diǎn)插入空心柱，高溫加熱使焊料熔融并沿著斜面向下流入空心柱，實(shí)現(xiàn)基板與芯片的互連；

或者，在所述硬質(zhì)金屬凸點(diǎn)頂部還有焊料金屬帽，基板與芯片鍵合時(shí)，凸點(diǎn)插入空心柱后，高溫加熱使焊料金屬在空心柱中熔融，實(shí)現(xiàn)基板與芯片的互連。

優(yōu)選的，所述凸點(diǎn)硬質(zhì)金屬為Cu或Au，所述焊料為Sn、In，或含Sn、In的金屬合金。

具體的，所述空心柱的凹槽截面尺寸大于凸點(diǎn)的橫截面尺寸，優(yōu)選的，凹槽的截面對角線寬度約為5μm，凸點(diǎn)的對角線寬度約為3μm。

為實(shí)現(xiàn)本發(fā)明提供一種高密度封裝制造方法的目的，本發(fā)明的技術(shù)方案為：一種高密度封裝的制造方法，包括如下步驟：

步驟S1：在基板部分設(shè)置大量硬質(zhì)金屬空心柱；

步驟S2：在芯片部分設(shè)置大量硬質(zhì)金屬凸點(diǎn)，與基板上的空心柱相一一對應(yīng)；

步驟S3：在空心柱或凸點(diǎn)上電鍍或者沉積軟質(zhì)金屬焊料，將凸點(diǎn)對應(yīng)插入于空心柱中；

步驟S4：加熱使焊料熔融回流，實(shí)現(xiàn)凸點(diǎn)與空心柱的連接。

相對于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明所述技術(shù)方案的有益效果在于：

本發(fā)明采用硬質(zhì)金屬凸點(diǎn)、硬質(zhì)凹槽和焊料相結(jié)合，通過凹槽限制了焊料的蔓延解決了傳統(tǒng)封裝因焊料蔓延而導(dǎo)致的短路、橋接問題，通過焊料熔融后表面高度調(diào)節(jié)解決凸點(diǎn)高度不一致和芯片翹曲導(dǎo)致的共面性問題，從而可以提高封裝密度和互連的良率。

本發(fā)明的優(yōu)選方案中硬質(zhì)凹槽頂部開口為漏斗狀的斜面形貌，可以提供更大的焊料容納空間，從而以較低的凹槽深度提供更好的共面性容差。同時(shí)，凸點(diǎn)可沿著凹槽的斜面開口緩慢滑入于凹槽之中，解決了傳統(tǒng)封裝中的對準(zhǔn)互連時(shí)凸點(diǎn)沿著回流后的焊料球面滑移問題，提高了高密度封裝的對準(zhǔn)精度。

上述芯片與基板依靠凸點(diǎn)插入凹槽中，再通過軟焊料實(shí)現(xiàn)電學(xué)與機(jī)械互連，比傳統(tǒng)的直接倒裝對準(zhǔn)焊接具有更大的相互接觸面積。一方面，提高了基板與芯片互連的可靠性和穩(wěn)定性；另一方面，有利于工作電流的分散開，降低電遷移和熱遷移所造成的風(fēng)險(xiǎn)。

綜上，本發(fā)明有助于達(dá)到更高密度的封裝，可進(jìn)一步推動(dòng)電子器件的微型化發(fā)展。

附圖說明

圖1為實(shí)施例1的一種高密度封裝結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2～圖6為實(shí)施例1的一種高密度封裝結(jié)構(gòu)單元的主要制造步驟示意圖；

圖7為實(shí)施例2的一種高密度封裝結(jié)構(gòu)示意圖；

圖8～圖12為實(shí)施例2的一種高密度封裝結(jié)構(gòu)單元的主要制造步驟示意圖；

圖13～圖14為實(shí)施例3的一種高密度封裝結(jié)構(gòu)單元的主要制造步驟示意圖。

附圖標(biāo)記：100——基板、110——金屬焊盤、200——鈍化層、210——光刻膠、300——凸點(diǎn)下金屬化層、400——光刻膠、500——凹槽(金屬空心柱)、600——芯片、610——金屬焊盤、700——凸點(diǎn)

具體實(shí)施方式

下面參照附圖，結(jié)合具體實(shí)施例，對本發(fā)明做進(jìn)一步的詳細(xì)說明。

實(shí)施例1

請參閱圖1，其是本發(fā)明一種高密度封裝的實(shí)施例1的結(jié)構(gòu)示意圖。所述高密度封裝包含基板100和芯片600：基板100上設(shè)置有硬質(zhì)金屬凹槽500；芯片600上設(shè)置有硬質(zhì)金屬凸點(diǎn)700，凸點(diǎn)頂部覆蓋有一層焊料。硬質(zhì)金屬凸點(diǎn)700一一對應(yīng)地插入于硬質(zhì)金屬空心柱凹槽500中，硬質(zhì)金屬凸點(diǎn)頂部與硬質(zhì)空心柱底部通過凹槽中的金屬焊料實(shí)現(xiàn)連接。

以上所述硬質(zhì)金屬凸點(diǎn)700為Cu或Au，所述的焊料為Sn、In或者是含Sn、In的金屬合金，如SnAg，SnAgCu，或者AuSn，SnBi等。

本實(shí)施例中空心柱凹槽500的界面尺寸大于凸點(diǎn)700的橫截面尺寸，從而可以使硬質(zhì)凸點(diǎn)700插入到凹槽500內(nèi)。優(yōu)選之一，凹槽500內(nèi)壁為圓形，凸點(diǎn)700也為圓形，凹槽的直徑為5μm，深度為10μm，硬質(zhì)凸點(diǎn)直徑為3μm，高度為10μm。如圖1所示，由于翹曲等因素的影響，中間的單元凸點(diǎn)插入最深，焊料沿著凸點(diǎn)700與凹槽500間的縫隙向上蔓延，但焊料最高高度不超過凹槽；邊上單元凸點(diǎn)插入最淺，凸點(diǎn)插入接近凹槽的底部。

以下詳細(xì)說明本發(fā)明實(shí)施例1的高密度封裝的制造步驟。請參閱圖2到圖6，其是一個(gè)凸點(diǎn)單元和對應(yīng)凹槽單元的制造步驟示意圖。

步驟S1：在基板100部分設(shè)置大量硬質(zhì)金屬空心柱500。具體如下：

如圖2所示，基板100可以為硅、硅鍺化合物、絕緣襯底上硅等半導(dǎo)體材料，也可以是陶瓷材料，基板上有金屬布線層，布線層上為鈍化層200，鈍化層形成多個(gè)開口，開口的位置與金屬焊盤110的位置分別對應(yīng)，從而露出金屬焊盤110。

在鈍化層200和金屬焊盤110表面沉積凸點(diǎn)下金屬化層300。所述凸點(diǎn)下金屬化層300可以選用但不局限于Ti/Pt/Au，Ni/Au，TiW/Au等組合中的一種。

如圖3所示，利用勻膠機(jī)在所述凸點(diǎn)下金屬化層300表面旋涂光刻膠400，再利用光刻版作為掩模曝光，顯影，使光刻膠400圖案化，形成環(huán)狀窗口圖形410。所述環(huán)狀可以是圓環(huán)、矩形環(huán)或多邊形環(huán)。

如圖4所示，在所述窗口410中電鍍Cu，高度為6-10μm。然后，去除剩余光刻膠以露出凸點(diǎn)下金屬化層300的表面，并以電鍍Cu為掩模去除光刻膠層下的凸點(diǎn)下金屬化層。形成中空結(jié)構(gòu)的銅柱，即凹槽500，凹槽的截面對角線寬度約為5μm，凹槽深度為10μm。

步驟S2：在芯片部分設(shè)置大量硬質(zhì)金屬凸點(diǎn)。具體如下：

利用勻膠、光刻、顯影、電鍍等工藝在芯片600部分形成大量金屬銅柱凸點(diǎn)700，與基板上的空心柱凹槽500相一一對應(yīng)，如圖5所示。凸點(diǎn)700的對角線寬度約為3μm，凸點(diǎn)的高度為6-10μm；

步驟S3：沉積軟質(zhì)金屬焊料，再將凸點(diǎn)插入空心柱。具體如下：

在凸點(diǎn)700頂部電鍍得到軟質(zhì)金屬焊料，焊料可選用Sn等，再將凸點(diǎn)700一一對應(yīng)插入于空心柱凹槽500中；插入后的凸點(diǎn)700與凹槽內(nèi)壁500左右各有1μm左右的間隙，如圖6a所示。

步驟S4：實(shí)現(xiàn)凸點(diǎn)與空心柱的連接。具體如下：

加熱使焊料熔融回流，熔融狀態(tài)的焊料Sn因芯片部分硬質(zhì)金屬凸點(diǎn)700的擠壓而在凹槽500內(nèi)向上延伸，但并不容易溢出，實(shí)現(xiàn)了基板100與芯片600的互連，如圖6b所示。

當(dāng)芯片600部分的銅柱凸點(diǎn)700高度不一致或芯片600存在翹曲度時(shí)，可通過熔融狀態(tài)的焊料得到緩沖調(diào)節(jié)，容納范圍約為4μm左右。

本實(shí)施例的高密度封裝通過凹槽500限制了熔融焊料的溢出，解決傳統(tǒng)封裝因焊料蔓延到銅柱陣列間距中而導(dǎo)致的短路、橋接問題；通過凹槽500中焊料熔融后表面高度的調(diào)節(jié)，解決凸點(diǎn)700高度不一致和芯片翹曲導(dǎo)致的共面性問題，從而可以提高封裝的密度和互連的良率。

實(shí)施例2

請參閱圖7，其是本發(fā)明一種高密度封裝的實(shí)施例2的結(jié)構(gòu)示意圖。所述高密度封裝包含基板100和芯片600：基板100上設(shè)置有硬質(zhì)金屬凹槽500，凹槽的開口為漏斗形貌，其斜面的傾斜角為45°左右；芯片600上設(shè)置有硬質(zhì)金屬凸點(diǎn)700，硬質(zhì)金屬凸點(diǎn)頂部覆蓋有焊料層。硬質(zhì)金屬凸點(diǎn)700一一對應(yīng)地插入于硬質(zhì)金屬空心柱凹槽500時(shí)，可沿著空心柱開口處的漏斗狀斜面緩慢滑入，硬質(zhì)金屬凸點(diǎn)頂部與硬質(zhì)空心柱底部通過凹槽中的金屬焊料實(shí)現(xiàn)連接。

本實(shí)施例優(yōu)選：凹槽500內(nèi)壁為圓形，凸點(diǎn)700也為圓形；凹槽的直徑為5μm，深度為10μm；硬質(zhì)凸點(diǎn)直徑為3μm，高度為10μm；凹槽漏斗狀開口的斜面傾斜角約為45°。硬質(zhì)金屬凸點(diǎn)700插入凹槽500后，凸點(diǎn)與凹槽的內(nèi)壁間存在1μm左右的縫隙。如圖7所示，由于翹曲等因素的影響，中間的單元凸點(diǎn)插入最深，焊料沿著凸點(diǎn)與凹槽間的縫隙向上蔓延，但焊料最高高度不超過凹槽；邊上單元凸點(diǎn)插入最淺，凸點(diǎn)插入接近凹槽的底部。同時(shí)，凹槽500的漏斗形貌開口使其能容納更多的焊料。

以下詳細(xì)說明本發(fā)明實(shí)施例1的高密度封裝的制造步驟。請參閱圖8到圖12，其是一個(gè)凸點(diǎn)單元和對應(yīng)凹槽單元的制造步驟示意圖。

步驟S1：在基板部分設(shè)置大量硬質(zhì)金屬空心柱。具體如下：

步驟S1a，提供帶有金屬焊盤110的半導(dǎo)體襯底100，在所述半導(dǎo)體襯底100表面旋涂非感光性聚酰亞胺200并烘烤，再在所述非感光性聚酰亞胺200上進(jìn)行光刻膠210的旋涂和烘烤，如圖8所示。利用光刻機(jī)進(jìn)行選擇性曝光，顯影液去除已曝光的光刻膠及其底部的非感光性聚酰亞胺，并暴露出金屬焊盤110。

顯影過程中，適當(dāng)延長顯影時(shí)間，充分利用顯影液顯影能力的各向同性特征(即顯影液對下層非感光性聚酰亞胺的縱向和橫向可同時(shí)顯影)，得到的非感光性聚酰亞胺鈍化層200開口為漏斗形貌，其傾斜角約為45°左右；剝離剩余的光刻膠210；經(jīng)固化后，得到所需的具有斜面形貌開口的非感光性聚酰亞胺鈍化層200，開口位置與金屬焊盤110相對應(yīng)。

步驟S1b，在鈍化層200和金屬焊盤110表面沉積凸點(diǎn)下金屬化層300，如圖9所示。所述金屬化層300可以選用Ti/Pt/Au的組合等。

步驟S1c，如圖10所示，利用勻膠機(jī)在所述凸點(diǎn)下金屬化層300表面旋涂光刻膠400，再利用光刻機(jī)選擇性曝光，使光刻膠400圖案化，以形成銅柱窗口圖形410。所述窗口可以是圓環(huán)、矩形環(huán)或多邊形環(huán)。

步驟S1d，如圖11所示，在窗口410中電鍍Cu，高度為6-10μm。然后，去除剩余光刻膠400以露出凸點(diǎn)下金屬化層300的表面，并去除光刻膠層下的凸點(diǎn)下金屬化層。由于非感光性聚酰亞胺鈍化層200的斜面開口形貌，電鍍得到的空心銅柱凹槽500的開口為漏斗狀，其斜面傾斜角在45°左右?？招你~柱凹槽500的截面對角線寬度約為5μm，凹槽深度為10μm。

步驟S2：在芯片部分設(shè)置大量硬質(zhì)金屬凸點(diǎn)，其具體步驟與實(shí)施例1的步驟S2相同。

步驟S3：沉積軟質(zhì)金屬焊料，再將凸點(diǎn)插入空心柱。具體如下：

在芯片部分硬質(zhì)金屬凸點(diǎn)700頂部電鍍得到軟質(zhì)金屬焊料，焊料可選用Sn等；再將凸點(diǎn)700一一對應(yīng)插入于基板部分硬質(zhì)金屬空心柱凹槽500中。插入時(shí)，凸點(diǎn)700可沿著凹槽500開口處的漏斗狀斜面緩慢滑入；插入后，凸點(diǎn)700與凹槽500內(nèi)壁間存在1μm左右的縫隙，如圖12a所示。

步驟S4：實(shí)現(xiàn)凸點(diǎn)與空心柱的連接。具體如下：

如圖12b所示，高溫回流后，熔融狀態(tài)的焊料錫因?qū)嵭闹鶢铙w500的擠壓而向上延伸，但并不容易溢出，實(shí)現(xiàn)了半導(dǎo)體襯底100與芯片600的互連。

本實(shí)施例的高密度封裝通過凹槽500及其漏斗形貌開口可容納更多的焊料，進(jìn)一步限制了熔融焊料的溢出，解決傳統(tǒng)封裝因焊料蔓延到銅柱陣列間距中而導(dǎo)致的短路、橋接問題；通過凹槽500中焊料熔融后表面高度的調(diào)節(jié)，解決凸點(diǎn)700高度不一致和芯片翹曲導(dǎo)致的共面性問題，從而可以提高封裝的密度和互連的良率。基板與芯片鍵合時(shí)，凸點(diǎn)700可沿著凹槽500的漏斗斜面開口緩慢滑入于凹槽之中，解決了傳統(tǒng)封裝中的對準(zhǔn)互連時(shí)凸點(diǎn)沿著回流后的焊料球面滑移問題，提高了高密度封裝的對準(zhǔn)精度。

實(shí)施例3

請參閱圖14a和b，其是本發(fā)明一種高密度封裝的實(shí)施例3的結(jié)構(gòu)單元示意圖。所述高密度封裝包含基板100和芯片600：基板100上設(shè)置有硬質(zhì)金屬凹槽500，凹槽的開口為漏斗形貌，其斜面的傾斜角為45°左右，斜面上覆蓋有焊料層；芯片600上設(shè)置有硬質(zhì)金屬凸點(diǎn)700。硬質(zhì)金屬凸點(diǎn)700一一對應(yīng)地插入于硬質(zhì)金屬空心柱500時(shí)，可沿著空心柱凹槽頂部開口處的斜面形貌緩慢滑入；凹槽斜面開口處的熔融焊料向下蔓延至凹槽中，硬質(zhì)金屬凸點(diǎn)頂部與硬質(zhì)空心柱底部通過凹槽中的金屬焊料實(shí)現(xiàn)連接。

以下詳細(xì)說明本發(fā)明實(shí)施例1的高密度封裝的制造步驟。請參閱圖13到圖14，其是一個(gè)凸點(diǎn)單元和對應(yīng)凹槽單元的制造步驟示意圖。

步驟S1：在基板部分設(shè)置大量硬質(zhì)金屬空心柱。其基本步驟與實(shí)施例2的步驟S1相似，與實(shí)施例2的區(qū)別之處在于步驟S1d：

如圖13所示，在窗口410中完成Cu的電鍍之后，繼續(xù)電鍍一層軟質(zhì)金屬焊料。然后，去除剩余光刻膠400以露出凸點(diǎn)下金屬化層300的表面，并去除光刻膠層下的凸點(diǎn)下金屬化層。

步驟S2：在芯片部分設(shè)置大量硬質(zhì)金屬凸點(diǎn)，其具體步驟與實(shí)施例1中的步驟S1相同。

步驟S3：凸點(diǎn)插入空心柱凹槽。具體如下：

將芯片部分的硬質(zhì)金屬凸點(diǎn)700一一對應(yīng)插入于基板部分的硬質(zhì)金屬空心柱凹槽500中。插入時(shí)，凸點(diǎn)700可沿著凹槽500開口處的斜面緩慢滑入；插入后，凸點(diǎn)與凹槽內(nèi)壁間存在1μm左右的縫隙，如圖14a所示。

步驟S4：實(shí)現(xiàn)凸點(diǎn)與空心柱的連接。具體如下：

如圖14b所示，基板100與芯片600鍵合時(shí)，同時(shí)高溫加熱，凹槽500開口處斜面上的焊料層處于熔融狀態(tài)，并向下蔓延至凹槽內(nèi)部。硬質(zhì)金屬凸點(diǎn)700頂部與硬質(zhì)空心柱底部通過凹槽500中的金屬焊料實(shí)現(xiàn)電學(xué)互連和機(jī)械連接。