晶圆打线成形金属凸块封装结构及其制作方法 本发明属于封装集成电路板的封装结构及其制作方法，特别是一种晶圆打线成形金属凸块封装结构及其制作方法。
近来可携式产品盛行，继从多的晶粒尺寸封装(Chip Scale Packge；CSP)方法陆续提出将半导体后段技术带入轻、薄、短、小的阶段后，目前也愈来愈多集成电路(IC)封装测试朝晶圆级封装(Wafer Level Package；WLP)发展。所谓的晶圆级晶粒尺寸封装系于晶圆未进行切割前完成构装的步骤及制程。
传统的晶圆级晶粒尺寸封装通常先在晶圆的护层上披覆一层高分子材料保护层，接着再利用溅镀(Sputtering)微影(Photolithography)等技术进行凸块下冶金层(UBM)或焊垫重新布线(I/O Redistribution)层的制作，再利用成长凸块技术在凸块下冶金层或焊垫上作出金属柱(metal post)，并于金属柱顶面作凸块下冶金层(UBM)，然后于其上植锡球(solder ball)。
另外如图1、图2、图3、图4、图5所示，也有晶圆级晶粒尺寸封装系将光感型聚醯亚胺层(PI)或其它合适的高分子材料层2’涂布于晶圆1’的护层11’上，再以微影成像技术或激光穿孔等技术将该高分子材料层2’相对于金属垫10’位置处打开开孔21’，接着于开孔21’作出金属柱3’，并植上锡球4’。此种技术的缺点为：先将高分子材料涂布并开孔的步骤会将高分子材料熟化反应(cured)，在与后续制作的金属柱3’的黏合度将大受影响，从而无法达到紧密结合的特性。
本发明的目的是提供一种可缓和应力变化、节省材料、降低成本、提高紧密结合特性的晶圆打线成形金属凸块封装结构及其制作方法。
本发明制作方法包括包括如下步骤：
步骤一
黏焊金属导线
将合适的金属导线黏焊于金属垫上；以黏焊金属导线打线成球形成金属柱；
步骤二
成形金属凸块
将金属柱整平成形金属凸块；
步骤三
植锡球凸块
在金属凸块上植上锡球凸块。
本发明封装结构包括依序固定于晶圆金属垫顶面的金属凸块及锡球凸块；锡球凸块底部固设有下冶金层。
其中：
步骤一：金属导线直接黏焊于晶圆表层金属垫上。
步骤一：金属导线黏焊于再次布设于晶圆表面线层的金属垫上。
黏焊金属导线步骤与成形金属凸块步骤之间还设有包覆高分子材料层步骤，即于金属柱及晶圆原覆设的护层上再次覆设一层未完全熟化的高分子材料层，待其均匀覆设于金属柱及晶圆原覆设的护层表面后，再予以完全熟化。
高分子材料应为具有热膨胀系数低、杨氏系数低、吸水性低、可渗透性低、黏着力高、低电介质常数、低电传导性等特性的材料和epoxy compound、photo-imagable polyimide或silicone elastomers。
高分子材料包覆方法压模、点胶、旋转披覆、喷溅或印刷。
黏焊金属导线步骤系以焊针往上移动扯断或截断金属导线，以打线成球形成与金属导线的种类、直径以及打线参数相对应的金属柱。
成形金属凸块步骤与植锡球凸块步骤之间还设有以电镀或化学镀等金属沉积方式在金属凸块顶面制作下冶金层。
一种晶圆打线成形金属凸块封装结构，它包括依序固定于晶圆金属垫顶面的金属凸块及锡球凸块，并覆设有高分子材料层；锡球凸块底部固设有下冶金层。
下冶金层与金属凸块之间设有由布设的线层形成的金属垫。
由于本发明制作方法包括包括黏焊金属导线打线成球形成金属柱、成形金属凸块及植锡球凸块；结构包括依序固定于晶圆金属垫顶面地金属凸块及锡球凸块；锡球凸块底部固设有下治金层。即于晶圆金属垫上直接打线成形金属凸块及锡球凸块可缓和应力变化、节省材料、降低成本、提高紧密结合特性从而达到本发明的目的。
图1、为习知覆设护层及金属垫晶圆结构示意剖视图。
图2、为习知晶圆级晶粒尺寸封装结构制作方法结构示意剖视图(涂布高分子材料层)。
图3、为习知晶圆级晶粒尺寸封装结构制作结构示意剖视图(于高分子材料层对应于金属垫处开孔)。
图4、为习知晶圆级晶粒尺寸封装结构制作结构示意剖视图(于开孔处作出金属柱)。
图5、为习知晶圆级晶粒尺寸封装结构制作结构示意剖视图(于金属柱顶面植上锡球)。
图6、为本发明制作方法实施例一步骤一结构示意剖视图。
图7、为本发明制作方法实施例一步骤二结构示意剖视图。
图8、为本发明封装结构及制作方法实施例一步骤三结构示意剖视图。
图9、为本发明封装结构及制作方法实施例一步骤三结构示意剖视图(设有下冶金层)。
图10、为本发明封装结构及制作方法实施例二步骤三结构示意剖视图。
图11、为本发明制作方法实施例三步骤一结构示意剖视图。
图12、为本发明制作方法实施例三步骤二结构示意剖视图。
图13、为本发明制作方法实施例三步骤三结构示意剖视图。
图14、为本发明封装结构及制作方法实施例三步骤四结构示意剖视图。
图15、为本发明封装结构及制作方法实施例三步骤四结构示意剖视图(设有下冶金层)。
图16、为本发明封装结构及制作方法实施例四步骤四结构示意剖视图。
下面结合附图对本发明进一步详细阐述。
实施例一
本发明封装结构制作方法包括如下步骤：
步骤一
黏焊金属导线
如图6所示，在已覆设护层12及金属垫11的晶圆1上，无须再次涂布保护层(Repassivation)及凸块下冶金层的情况下，运用习用的超音波(ultrasonic)加振的打线(Wire Bonding)设备技术，在晶圆1的金属垫11上将合适的金属导线2(如Au、Ni、Al、Cu、Sn-Pb、Sn-Ag等合适的线材)先黏焊于晶圆1的金属垫11上；接着将黏焊金属导线2的焊针往上移动扯断(pull off)或截断金属导线，以打线成球(如bell bump，pull off bump，Studbump等)形成金属柱21。其高度可藉由金属导线2的种类、直径以及打线参数控制在100μ(micro meter)(0.1mm)以内。
步骤二
成形金属凸块
如图7所示，将直接形成在晶圆1表层的金属垫11上金属柱21整平至适当高度成形金属凸块3(Metal boneing Bump)，以利后续步骤。
步骤三
植锡球凸块
在金属凸块3上以植球或锡膏印刷等技术植上锡球凸块4(Solder bump)，便制作成如图8所示的本发明封装结构。由于金属凸块3为以金(Au)、镍(Ni)、铝(Al)、铜(Cu)、锡铅合金(Sn-Pb)、锡银合金(Sn-Ag)等各种适当的材料的金属导线2制作成形。因此，若金属凸块3与锡球凸块4之间产生不良介金属化合物时，可如图9所示，先以金属沉积的方式如电镀(Electroplating)或化学镀(Electroless plating)等，在金属凸块3顶面制作下冶金层5(UBM)之后，再予以植锡球凸块4。便制作成如图9所示的本发明封装结构。
实施例二
如图10所示，本发明封装结构制作方法主要系先在已覆设护层及金属垫的晶圆上再次布设线层，并形成金属垫，然后以与实施例一相同黏焊金属导线、成形金属凸块及植锡球凸块的步骤进行：
步骤一
黏焊金属导线
在已覆设护层12及金属垫11的晶圆1上再次布设线层7的金属垫71上，运用习用的超音波(ultrasonic)加振的打线(Wire Bonding)设备技术将合适的金属导线(如Au、Ni、Al、Cu、Sn-Pb、Sn-Ag等合适的线材)先黏焊于晶圆再次布设线层7的金属垫71上；接着将黏焊金属导线的焊针往上移动扯断(pull off)或截断金属导线，以打线成球(如bell bump，pull off bump，Studbump等)形成金属柱。其高度可藉由金属导线的种类、直径以及打线参数控制在100μ(micro meter)(0.1mm)以内。
步骤二
成形金属凸块
将形成在再次布设线层7的金属垫71上金属柱整平至适当高度成形金属凸块3(Metal boneing Bump)，以利后续步骤。
步骤三
植锡球凸块
在金属凸块3上以植球或锡膏印刷等技术植上锡球凸块4(Solder bump)，便制作成如图10所示的本发明的封装结构。由于金属凸块为以金(Au)、镍(Ni)、铝(Al)、铜(Cu)、锡铅合金(Sn-Pb)、锡银合金(Sn-Ag)等各种适当的材料的金属导线制作成形。因此，若金属凸块3与锡球凸块4之间产生不良介金属化合物时，可先以金属沉积的方式如电镀(Electroplating)或化学镀(Electroless plating)等，在金属凸块顶面制作下冶金层(UBM)之后，再予以植锡球凸块。
实施例三
本发明封装结构制作方法包括如下步骤：
步骤一
黏焊金属导线
如图11所示，在已覆设护层12及金属垫11的晶圆1上，无须再次涂布保护层(Repassivation)及凸块下冶金层的情况下，运用习用的超音波(ultrasonic)加振的打线(Wire Bonding)设备技术，在晶圆1的金属垫11上将合适的金属导线6(如Au、Ni、Al、Cu、Sn-Pb、Sn-Ag等合适的线材)先黏焊于晶圆1的金属垫11上；接着将黏焊金属导线6的焊针往上移动扯断(pull off)或截断金属导线6，以打线成球(如bell bump，pull off bump，Studbump等)形成金属柱61。其高度可藉由金属导线的种类、直径以及打线参数控制在250μ(micro meter)(0.25mm)以内。
步骤二
包覆高分子材料层
如图12所示，于金属柱61及晶圆1原覆设的护层12上再次覆设一层未完全熟化的高分子材料层8，待其均匀覆设于金属柱61及晶圆1原覆设的护层12表面后，再予以完全熟化。
该高分子材料应具有如下特性的材料：
1)热膨胀系数(Temperature coeflicient of expansion；TCE)要低，尽可能与金属柱的植相匹配，以减少其与金属垫的介面上所产生的应力。
2)杨氏系数(Young’s modulus；Y)值低，以降低传送到金属柱上的应力。
3)吸水性(Water absorption)低，以确保其材料稳定性。
4)可渗透性(Moisture permeability)低，以保护晶圆。
5)黏着力(Adhesion)高，以增加附着度。
6)电气特性(Electrical properties)，如低电介质常数(dielectricconstant)、低电传导性等特性。具有上述特性的材料为epoxy compound、photo-imagable polyimide及silicone elastomers等高分子材料。
高分子材料层8包覆原护层12及金属柱61的方法亦应依所用的高分子材料不同而有所不同，如可采用压模(Molding)、点胶(dispensing)、旋转披覆(spin coating)、喷溅(spray)、印刷(screen printing or vacuum printing)等方式。
步骤三
成形金属凸块
如图13所示，将覆设的高分子材料层8及金属柱61顶面以研磨(grinding)或化学机械研磨(Chemical-Mechanical Polishing；CMP)磨平至适当高度，使金属柱61顶面露出成形金属凸块62(Metal boneing Bump)，以利后续步骤。
步骤四
植锡球凸块
在金属凸块62上以植球或锡膏印刷等技术植上锡球凸块4(Solderbump)，便制作成如图14所示的本发明封装结构。由于金属凸块4为以金(Au)、镍(Ni)、铝(Al)、铜(Cu)、锡铅合金(Sn-Pb)、锡银合金(Sn-Ag)等各种适当的材料金属导线6制作成形。因此，若成形金属凸块62与锡球凸块4之间产生不良介金属化合物时，可如图15所示，先以金属沉积的方式如电镀(Electroplating)或化学镀(Electroless plating)等，在金属凸块顶面制作下冶金层5(UBM)之后，再予以植锡球凸块4。便制作成如图15所示的本发明封装结构。
实施例四
如图16所示，本发明封装结构制作方法主要系先在已覆设护层12及金属垫11的晶圆1上再次布设线层7，并形成金属垫71，然后以与实施例三相同黏焊金属导线、包覆高分子材料层8、成形金属凸块62及植锡球凸块4的步骤进行：
步骤一
黏焊金属导线
在已覆设护层12及金属垫11的晶圆1上再次布设线层7的金属垫71上，运用习用的超音波(ultrasonic)加振的打线(Wire Bonding)设备技术，在线层7的金属垫71上将合适的金属导线(如Au、Ni、Al、Cu、Sn-Pb、Sn-Ag等合适的线材)先黏焊于线层的金属垫71上；接着将黏焊金属导线的焊针往上移动扯断(pull off)或截断金属导线，以打线成球(如bell bump，pull offbump，Stud bump等)形成金属柱。其高度可藉由金属导线的种类、直径以及打线参数控制在250μ(micro meter)(0.25mm)以内。
步骤二
包覆高分子材料层
于金属柱及线层7上再次覆设一层未完全熟化的高分子材料层8，待其均匀覆设于金属柱及线层7表面后，再予以完全熟化。
该高分子材料应具有如下特性的材料：
1)热膨胀系数(Temperature coeflicient of expansion；TCE)要低，尽可能与金属柱的植相匹配，以减少其与金属垫的介面上所产生的应力。
2)杨氏系数(Young’s modulus；Y)值低，以降低传送到金属柱上的应力。
3)吸水性(Water absorption)低，以确保其材料稳定性。
4)可渗透性(Moisture permeability)低，以保护晶圆。
5)黏着力(Adhesion)高，以增加附着度。
6)电气特性(Electrical properties)，如低电介质常数(dielectricconstant)、低电传导性等特性。具有上述特性的材料为epoxy compound、photo-imagable polyimide及silicone elastomers等高分子材料。
高分子材料包覆金属柱的方法亦应依所用的高分子材料不同而有所不同，如可采用压模(Molding)、点胶(dispensing)、旋转披覆(spin coating)、喷溅(spray)、印刷(screen printing or vacuum printing)等方式。
步骤三
成形金属凸块
将覆设的高分子材料层8及金属柱顶面以研磨(grinding)或化学机械研磨(Chemical-Mechanical Polishing；CMP)磨平至适当高度，使金属柱顶面露出成形金属凸块62(Metal boneing Bump)，以利后续步骤。
步骤四
植锡球凸块
在金属凸块62上以植球或锡膏印刷等技术植上锡球凸块4(Solderbump)，便制作成如图16所示的本发明封装结构。由于金属凸块62为以金(Au)、镍(Ni)、铝(Al)、铜(Cu)、锡铅合金(Sn-Pb)、锡银合金(Sn-Ag)等各种适当的材料金属导线制作成形。因此，若成形金属凸块62与锡球凸块4之间产生不良介金属化合物时，先以金属沉积的方式如电镀(Electroplating)或化学镀(Electroless plating)等，在金属凸块62顶面制作下冶金层(UBM)之后，再予以植锡球凸块4。