[發明專利]用于改進無引線C4互連可靠性的結構和方法

無效

• 申請號: 201010229586.0
• 申請日: 2010-07-13
• 公開（公告）號: CN101958260A
• 公開（公告）日: 2011-01-26
• 發明（設計）人: T·H·道本斯佩克;J·P·甘比諾;C·D·穆茲;D·L·奎斯塔德;W·索特;T·D·沙利文;P·P·弗蒂爾
• 申請（專利權）人: 國際商業機器公司
• 主分類號: H01L21/60
• 分類號: H01L21/60;H01L23/485
• 代理公司: 北京市金杜律師事務所 11256
• 代理人: 吳立明;陳宇萱

技術領域

本發明總體上涉及制造的結構和方法，并且更具體地，涉及用于改進無引線C4互連可靠性的結構和方法。

背景技術

對于有機襯底上的芯片而言，C4(可控坍塌芯片連接)互連可靠性是產品可靠性的關鍵因素。然而，C4在某些情況下會失效是已知的。C4可靠性的一個失效模式是由于芯片與層壓體之間的熱失配所引起的焊料疲勞。例如，當與倒裝芯片塑料球柵格陣列(FCPBGA)有機層壓封裝結合使用時，無Pb的C4傾向于將熱膨脹系數(CTE)失配應力傳導至底層芯片級后端連線(BEOL)。這可能導致電介質破裂和結構性損傷，造成可靠性風險。目前，這種芯片封裝交互(CPI)問題是集成電路制造商所面臨的正在出現的可靠性問題。

影響C4可靠性的第二種失效模式由向無引線焊料的遷移造成，其中無引線焊料導致“白焊塊(white?bump)”。術語“白焊塊”是指在封裝內由于芯片接合或者芯片被接合到有機層壓體之后的其他熱處理期間的由垂直應力傳導所引起的芯片破裂的問題。更具體地，“白焊塊”是由于熱循環期間在Si芯片與有機載體之間的CTE失配所導致的應力而引起的對芯片BEOL金屬化的撕斷。已經發現，該撕斷在芯片接合回流的冷卻期間發生，其中C4將芯片剛性地連接至載體。白焊塊具有可靠性問題，因為包含白焊塊的結構可以或者不可以作為電“開口”來測試。

作為一個示例，對于較大的芯片尺寸和有機層壓體FCPBGA封裝，層壓體與芯片之間的CTE失配造成了熱處理期間的應力，這可能導致芯片級破裂和薄膜剝離。一個失效機制與芯片附接過程期間在個體C4焊塊所在處的剪切應力有關，該剪切應力繼而引起充分量的張應力，從而引起直接位于焊料球之下的粘結或者粘合薄膜失效。如果允許應力超過芯片BEOL的強度，則芯片中將發生損壞。作為示范，模塊級應力可以引起無Pb的C4互連之下的芯片級BEOL破裂。一旦開始，裂痕可能通過附近的BEOL結構側向傳播，這導致“白焊塊”失效模式。

對于無Pb的C4技術而言，白焊塊問題尤其嚴重，這歸因于無Pb焊塊的堅硬度。而且，白焊塊問題可能特別地影響拐角C4。此外，由于較低的芯片支架，白焊塊問題對于較小的C4(例如，節距＜＝150μm)將惡化。

由此，在本領域中需要克服上面描述的缺陷和限制。

發明內容

在本發明的第一方面，一種制作集成電路(IC)封裝結構的方法，包括：形成至少一個聚酰亞胺層；以及刻蝕所述至少一個聚酰亞胺層，以提供對金屬焊盤和至少一個支撐肩的最終通孔。而且，該方法包括：在所述最終通孔中形成球限定金屬化(BLM)層，并且至少與金屬焊盤與所述至少一個聚酰亞胺層的部分相接觸，以及形成BLM層上的可控坍塌芯片連接(C4)焊料球，使得所述C4焊料球由所述至少一個支撐肩支撐。

本發明的另一方面包括設計具有多個球限定金屬化(BLM)-可控坍塌芯片連接(C4)結構的倒裝芯片塑料球柵格陣列結構的方法，其中每個BLM-C4結構都具有最終通孔。該方法包括使用在所述多個BLM-C4結構中每一個的芯片邊緣側上的、直接在BLM邊緣和最終通孔邊緣之下的后端連線(BEOL)層中的針對布線和通孔連接的禁入區域，使得所述禁入區域中沒有布線和通孔連接。

在本發明的另一方面，一種集成電路(IC)封裝結構，包括球限定金屬化(BLM)層以及在BLM層上形成的可控坍塌芯片連接(C4)焊料球。而且，該結構包括BLM層之下的最終金屬焊盤層以及最終金屬焊盤層之下的保護(cap)層。此外，該結構包括在C4焊料球之下以及最終金屬焊盤層與BLM層和保護層之一之間形成的空氣間隙。

在本發明的又一方面，一種結構，包括在芯片上構造和排列的多個球限定金屬化(BLM)，每個容納有可控坍塌芯片連接(C4)焊料球。至少定位在芯片拐角處的、多個BLM的子集在中性點距離(DNP)軸的方向上的維度小于芯片的多個BLM中其余BLM的DNP軸的方向上的維度，使得在多個BLM的子集之一處容納的C4焊料球采用橢圓形形狀。

在本發明的另一方面，一種集成電路(IC)封裝結構，包括具有BLM周長的球限定金屬化(BLM)層，在BLM層上形成的可控坍塌芯片連接(C4)焊料球，以及具有金屬焊盤層周長的、在BLM層之下的金屬焊盤層。至少在C4焊料球的芯片邊緣側上，在與金屬焊盤層平行的方向上，金屬焊盤層周長超過BLM周長。

附圖說明

下面通過以本發明示例性實施方式的非限制性示例的方式參考多幅附圖，來詳細描述本發明。

圖1-圖7示出了按照本發明的方面的示例性處理步驟和有關結構；

圖8-圖11示出了按照本發明的附加方面的示例性處理步驟和有關結構；