一种晶圆级芯片的扇入型封装结构的制作方法与流程

1.本发明涉及一种晶圆级芯片的扇入型封装结构的制作方法，属于半导体封装技术领域。


背景技术：

2.倒装芯片具有良好的电性能、散热性能已经被广泛在半导体领域。
3.现有技术cn203707108u公开了一种硅基圆片级封装结构，请参考图1，图1为现有技术一种硅基圆片级封装结构的剖面示意图，其包括硅基本体110和带有若干个电极210的ic芯片200，每一电极210上设置若干个金属柱/金属块300，ic芯片200的另一面通过贴片胶700与硅基本体110连接；塑封层将ic芯片200、金属柱/金属块300和贴片胶700封装于其内，金属柱/金属块300的端面露出塑封层，并在其端面设置布线走向独立的再布线金属层500，图中再布线金属层500由一层介电层510和一层金属层520构成为例，相邻的再布线金属层500向电极210外侧延伸，并在再布线金属层500的终端的表面设置焊球凸点600。由于介电层510的介电材料为低温固化材料，这种材料与金属的结合力不佳,在后期使用中容易出现介电层510与金属柱/金属块300分层；这种分层会导致金属布线与金属柱结合部位受到很大的应力，从而产生分层或断裂；特别是对于高密度封装产品，再布线金属层500的金属线路与金属柱的互连面积较小时，金属线路与金属柱结合部位非常容易失效。
4.同时，金属柱/金属块300的侧壁出现氧化难以发现，氧化层较厚时包覆材料与金属柱/金属块300出现分层，导致包覆材料(塑封层)不能很好的起到缓冲应力的作用，应力经金属柱/金属块300传递到ic芯片200表面，造成芯片表面开裂；特别高密度布线需要减小金属柱/金属块300尺寸时，塑封层与金属分层及金属柱/金属块300尺寸减小同时导致的芯片表面应力集中效应更显著。这些影响因素相互作用、甚至叠加，极大的降低了产品的可靠性。


技术实现要素：

5.为了克服现有方法的不足，本发明提供一种提升产品的可靠性的晶圆级芯片的扇入型封装结构的制作方法。
6.本发明的技术方案：本发明提供了一种晶圆级芯片的扇入型封装结构的制作方法，其工艺过程如下：步骤一，提供晶圆，所述晶圆的硅基本体的上表面内预先设置复数个芯片电极；步骤二，准备引线键合设备，其头部为劈刀，劈刀的中央为金属线的送入通道，送入通道的下端为劈刀的型腔，使用所述劈刀在晶圆的芯片电极上形成金属阶梯微凸台；步骤三，在晶圆上方用塑封料包覆所有的金属阶梯微凸台形成塑封层；步骤四，通过减薄工艺，减薄塑封层至露出金属阶梯微凸台的金属微凸台中部的成形面；步骤五，利用金属再布线工艺形成不连续的再布线金属层，所述再布线金属层包
括复数个多层的金属图形层单体和填充其间的介电层；步骤六，所述介电层的上表面内半嵌入金属凸块，所述金属图形层向下与金属阶梯微凸台电信连接，所述金属图形层向上与金属凸块电信连接；步骤七，在所述金属凸块上形成焊料连接件；步骤八，切割形成复数颗独立的晶圆级芯片的扇入型封装结构单体。
7.作为可选的技术方案，步骤二中，所述型腔的纵截面呈梯形。
8.作为可选的技术方案，步骤二中，使用所述劈刀在晶圆的芯片电极上形成金属阶梯微凸台的工艺过程如下：使用引线键合设备通过球焊的方法，在温度、压力作用下将金属线的尖端加热熔融，并在晶圆的芯片电极上形成呈多层塔状的金属阶梯微凸台；所述金属阶梯微凸台从下往上依次包括金属微凸台底部、金属微凸台中部和凸台顶部；在金属阶梯微凸台的成型过程中，金属线先熔化形成金属微凸台底部，金属微凸台底部的侧壁的纵截面呈弧形；受劈刀的型腔对金属微凸台中部的成型作用，金属微凸台中部与劈刀型腔的形状相同，其中部向上隆起，其纵截面呈上肩圆形的梯形；凸台顶部的横截面呈圆形，为金属线断开留下的部分，其直径与金属线的直径相当；在金属阶梯微凸台制作过程中，利用超声波图像探测技术实时检测金属阶梯微凸台制作的完整性。
9.作为可选的技术方案，步骤二中，所述金属阶梯微凸台为一体成形。
10.作为可选的技术方案，步骤二中，所述金属线的材料为铜、铝、金或者其合金。
11.作为可选的技术方案，步骤五中，所述再布线金属层的金属图形层单体选择性连续，或者其个数与芯片电极的个数一一对应。
12.作为可选的技术方案，步骤五中，所述焊料连接件为焊球或焊料凸块。
13.作为可选的技术方案，步骤八中，所述晶圆级芯片的扇入型封装结构单体包含硅基本体，所述硅基本体的上表面内预先设置复数个芯片电极，所述芯片电极上设置金属阶梯微凸台，所述金属阶梯微凸台呈两层塔状，其每一层的横截面均呈圆形，所述金属阶梯微凸台从下往上依次包括金属微凸台底部和金属微凸台中部，所述金属微凸台底部扁平且向外膨胀，其侧壁的纵截面呈弧形；所述金属微凸台中部向上隆起，其纵截面呈梯形，上端面形成金属微凸台中部的成形面，所述金属微凸台底部的横截面的直径尺寸＞金属微凸台中部的横截面的直径尺寸，塑封料包封金属阶梯微凸台形成塑封层，所述塑封层露出金属微凸台中部的成形面；所述塑封层上设置再布线金属层，所述再布线金属层包括复数个多层的金属图形层单体和填充其间的介电层，多层的金属图形层单体内部的金属图形层上下电信连接；所述再布线金属层向下通过金属微凸台中部的成形面与金属阶梯微凸台实现电信连接，其向上设置半嵌入介电层的金属凸块，且与金属凸块电信连接，再在金属凸块上形成焊料连接件。
14.作为可选的技术方案，所述金属微凸台底部的弧度为5rad～10rad。有益效果
15.本发明提出一种晶圆级芯片的扇入型封装结构的制作方法，其采用劈刀法形成具有下大上小结构的金属阶梯微凸台，使再布线金属层的金属图形层单体与金属阶梯微凸台的接触面尽量减小，扩大介电材料与包覆材料(即塑封层)的结合面积，形成互锁结构，及时吸收介电材料与金属阶梯微凸台之间的分层应力，有利于控制分层的产生，确保再布线金
属层与金属阶梯微凸台的电性连接，同时也降低了传递到芯片表面的应力，提升了产品的可靠性的。
附图说明
16.图1为现有技术公开的晶圆级芯片的扇入型封装结构的剖面结构的示意图；图2为本发明一种晶圆级芯片的扇入型封装结构的制作方法的流程示意图；图3为本发明一种晶圆级芯片的扇入型封装结构的剖面结构的实施例的示意图；图4为图2中金属图形层单体选择性连续的示意图；图5a至图5g为本发明一种晶圆级芯片的扇入型封装结构的制作方法的实施例的工艺过程的流程图；其中：晶圆100硅基本体101芯片电极102金属微凸台底部2031金属微凸台中部2032金属微凸台中部的横截面20321凸台顶部2033金属线201劈刀型腔202介电层ⅰ401金属图形层单体402介电层ⅱ403金属凸块404焊球500。实施方式
17.下面结合附图和实施例对本技术作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释相关发明，而非对该发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与有关发明相关的部分。
18.需要说明的是，在不冲突的情况下，本技术中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本技术。
19.如图2所示，本发明一种晶圆级芯片的扇入型封装结构的制作方法：步骤s101，提供晶圆；步骤s102，利用引线键合设备的劈刀在晶圆的芯片电极上形成下大上小的金属阶梯微凸台；步骤s103，在晶圆上方用塑封料包覆所有的金属阶梯微凸台形成塑封层；步骤s104，利用减薄工艺，减薄金属阶梯微凸台；步骤s105，利用金属再布线工艺形成再布线金属层与金属阶梯微凸台电信连接；步骤s106，设置金属凸块与金属阶梯微凸台电信连接；
步骤s107，金属凸块上形成焊料连接件；步骤s108，切割形成复数颗独立的晶圆级芯片的扇入型封装结构单体。
20.具体地，本发明一种晶圆级芯片的扇入型封装结构，如图3所示，其包含硅基本体101、金属阶梯微凸台、再布线金属层、金属凸块404与焊料连接件。硅基本体101的上表面内预先设置复数个芯片电极102。金属阶梯微凸台设置在芯片电极102上。一般的，对于高密度封装产品，金属阶梯微凸台的底部横截面尺寸≤芯片电极102的上表面尺寸。金属阶梯微凸台呈多层塔状，其每一层的横截面均呈圆形。一般的，金属阶梯微凸台的层数以两层或三层为佳。图中金属阶梯微凸台以两层示意。金属阶梯微凸台从下往上依次包括金属微凸台底部2031和金属微凸台中部2032，由于在金属阶梯微凸台的成形工艺中使用劈刀工艺，金属微凸台底部2031扁平且向外膨胀，其侧壁的纵截面呈弧形，其弧度为5rad～10rad；金属微凸台中部2032向上隆起，其纵截面呈梯形，上端面形成金属微凸台中部的成形面20321。金属微凸台底部2031的横截面的直径尺寸＞金属微凸台中部2032的横截面的直径尺寸。一般地，金属阶梯微凸台为一体结构。塑封料包封金属阶梯微凸台，露出金属微凸台中部的成形面20321，形成塑封层301。
21.再布线金属层设置在塑封层301上，再布线金属层包括复数个多层的金属图形层单体和填充其间的介电层，多层的金属图形层单体内部的金属图形层上下电信连接。金属图形层单体可以选择性连续，如图4所示，或者其个数也可以与芯片电极102的个数一一对应。图3中再布线金属层包括介电层ⅰ401、若干个多层金属图形层单体402和介电层ⅱ403示意，介电层ⅰ401与介电层ⅱ403可以为一体结构。再布线金属层向下通过金属微凸台中部的成形面20321与金属阶梯微凸台实现电信连接，其向上设置半嵌入介电层的金属凸块404，且与金属凸块404电信连接，再在金属凸块404上形成焊球500、焊料凸块等焊料连接件，图3中以焊球500示意。
22.本发明一种晶圆级芯片的扇入型封装结构的制作方法，如图5a至图5g所示，其工艺过程如下：步骤一，见图5a，提供晶圆100，其晶圆的硅基本体101的上表面内预先设置复数个芯片电极102；步骤二，见图5b和图5c，准备引线键合设备，其头部为劈刀，劈刀的中央为金属线的送入通道，送入通道的下端为劈刀的型腔202，型腔202的纵截面呈梯形，劈刀的型腔202用于控制金属微凸台中部2032的形状，在晶圆100的芯片电极102上形成金属阶梯微凸台。使用引线键合设备通过球焊的方法，在温度、压力作用下将金属线201的尖端加热熔融，并在晶圆100的芯片电极102上形成呈多层塔状的金属阶梯微凸台；金属线201的材料可以是铜、铝、金或者其合金，优选为铜，因为铜的导电性能较好。图5c为金属阶梯微凸台的细节放大图，金属阶梯微凸台从下往上依次包括金属微凸台底部2031、金属微凸台中部2032和凸台顶部2033。在金属阶梯微凸台的成型过程中，金属线201先熔化形成金属微凸台底部2031，金属微凸台底部2031的侧壁的纵截面因受重力呈5rad～10rad的弧形；受劈刀的型腔202对金属微凸台中部2032的成型作用，金属微凸台中部2032与劈刀型腔202的形状接近，其中部向上隆起，其纵截面呈上肩圆形的梯形；凸台顶部2033的横截面呈圆形，为金属线201断开留下的部分，故其直径与金属线201的直径相当。在金属阶梯微凸台制作过程中，利用超声波图像探测技术实时检测金属阶梯微凸台制作的完整性。金属阶梯微凸台的制作工
艺没有用到溅射、光刻、电镀等设备材料比较昂贵的工艺，降低了生产成本。金属微凸台底部2031、金属微凸台中部2032和凸台顶部2033一体成形。金属微凸台底部2031的横截面尺寸≤芯片电极102的上表面尺寸。
23.步骤三，见图5d，在晶圆100上方用塑封料包覆所有的金属阶梯微凸台形成塑封层301；步骤四，见图5e，通过减薄工艺，减薄塑封层301至露出金属阶梯微凸台的金属微凸台中部的成形面20321，金属阶梯微凸台的剩余高度根据实际情况确定。
24.步骤五，见图5f，利用成熟的金属再布线工艺在塑封层301上形成再布线金属层，再布线金属层包括复数个多层的金属图形层单体和填充其间的介电层，多层的金属图形层单体内部的金属图形层上下电信连接。金属图形层单体左右可以选择性连续，或者其个数也可以与芯片电极102的个数一一对应。图5f中再布线金属层包括介电层ⅰ401、若干个多层金属图形层单体402和介电层ⅱ403示意，介电层ⅰ401与介电层ⅱ403可以为一体结构。
25.步骤六，见图5f，金属凸块404半嵌入再布线金属层的介电层的上表面内，再布线金属层向下与金属阶梯微凸台电信连接，向上与金属凸块404电信连接；步骤七，见图5f，在金属凸块404上形成焊球500、焊料凸块等焊料连接件，图中以焊球500示意。
26.步骤八，见图5g，切割形成复数颗独立的晶圆级芯片的扇入型封装结构单体。
27.以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明实施例揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

技术特征：
1.一种晶圆级芯片的扇入型封装结构的制作方法，其工艺过程如下：步骤一，提供晶圆，所述晶圆的硅基本体的上表面内预先设置复数个芯片电极；步骤二，准备引线键合设备，其头部为劈刀，劈刀的中央为金属线的送入通道，送入通道的下端为劈刀的型腔，使用所述劈刀在晶圆的芯片电极上形成金属阶梯微凸台；步骤三，在晶圆上方用塑封料包覆所有的金属阶梯微凸台形成塑封层；步骤四，通过减薄工艺，减薄塑封层至露出金属阶梯微凸台的金属微凸台中部的成形面；步骤五，利用金属再布线工艺形成不连续的再布线金属层，所述再布线金属层包括复数个多层的金属图形层单体和填充其间的介电层；步骤六，所述介电层的上表面内半嵌入金属凸块，所述金属图形层向下与金属阶梯微凸台电信连接，所述金属图形层向上与金属凸块电信连接；步骤七，在所述金属凸块上形成焊料连接件；步骤八，切割形成复数颗独立的晶圆级芯片的扇入型封装结构单体。2.根据权利要求1所述的制作方法，其特征在于，步骤二中，所述型腔的纵截面呈梯形。3.根据权利要求2所述的制作方法，其特征在于，步骤二中，使用所述劈刀在晶圆的芯片电极上形成金属阶梯微凸台的工艺过程如下：使用引线键合设备通过球焊的方法，在温度、压力作用下将金属线的尖端加热熔融，并在晶圆的芯片电极上形成呈多层塔状的金属阶梯微凸台；所述金属阶梯微凸台从下往上依次包括金属微凸台底部、金属微凸台中部和凸台顶部；在金属阶梯微凸台的成型过程中，金属线先熔化形成金属微凸台底部，金属微凸台底部的侧壁的纵截面呈弧形；受劈刀的型腔对金属微凸台中部的成型作用，金属微凸台中部与劈刀型腔的形状相同，其中部向上隆起，其纵截面呈上肩圆形的梯形；凸台顶部的横截面呈圆形，为金属线断开留下的部分，其直径与金属线的直径相当；在金属阶梯微凸台制作过程中，利用超声波图像探测技术实时检测金属阶梯微凸台制作的完整性。4.根据权利要求1或3所述的制作方法，其特征在于，步骤二中，所述金属阶梯微凸台为一体成形。5.根据权利要求1或3所述的制作方法，其特征在于，步骤二中，所述金属线的材料为铜、铝、金或者其合金。6.根据权利要求1所述的制作方法，其特征在于，步骤五中，所述再布线金属层的金属图形层单体选择性连续，或者其个数与芯片电极的个数一一对应。7.根据权利要求1所述的制作方法，其特征在于，步骤五中，所述焊料连接件为焊球或焊料凸块。8.根据权利要求1所述的制作方法，其特征在于，步骤八中，所述晶圆级芯片的扇入型封装结构单体包含硅基本体，所述硅基本体的上表面内预先设置复数个芯片电极，所述芯片电极上设置金属阶梯微凸台，所述金属阶梯微凸台呈两层塔状，其每一层的横截面均呈圆形，所述金属阶梯微凸台从下往上依次包括金属微凸台底部和金属微凸台中部，所述金属微凸台底部扁平且向外膨胀，其侧壁的纵截面呈弧形；所述金属微凸台中部向上隆起，其纵截面呈梯形，上端面形成金属微凸台中部的成形面，所述金属微凸台底部的横截面的直径尺寸＞金属微凸台中部的横截面的直径尺寸，塑封料包封金属阶梯微凸台形成塑封层，
所述塑封层露出金属微凸台中部的成形面；所述塑封层上设置再布线金属层，所述再布线金属层包括复数个多层的金属图形层单体和填充其间的介电层，多层的金属图形层单体内部的金属图形层上下电信连接；所述再布线金属层向下通过金属微凸台中部的成形面与金属阶梯微凸台实现电信连接，其向上设置半嵌入介电层的金属凸块，且与金属凸块电信连接，再在金属凸块上形成焊料连接件。9.根据权利要求8所述的制作方法，其特征在于，所述金属微凸台底部的弧度为5rad～10rad。

技术总结
本发明公开了一种晶圆级芯片的扇入型封装结构的制作方法，属于半导体封装技术领域。本发明的制作方法如下：提供晶圆；利用引线键合设备的劈刀在晶圆的芯片电极上形成下大上小的金属阶梯微凸台；在晶圆上方用塑封料包覆所有的金属阶梯微凸台形成塑封层；利用减薄工艺，减薄金属阶梯微凸台；利用金属再布线工艺形成再布线金属层与金属阶梯微凸台电信连接；切割形成复数颗独立的晶圆级芯片封装结构单体。本发明采用劈刀法形成具有下大上小结构的金属阶梯微凸台，降低了因为介电材料与金属阶梯微凸台分层的影响，提高了产品的可靠性。提高了产品的可靠性。提高了产品的可靠性。


技术研发人员：张黎
受保护的技术使用者：浙江禾芯集成电路有限公司
技术研发日：2023.07.19
技术公布日：2023/9/9