專利名稱：堆疊封裝(PoP)的結(jié)構(gòu)和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總體涉及半導(dǎo)體領(lǐng)域，更具體地，本發(fā)明涉及堆疊封裝(PoP)的結(jié)構(gòu)和方法。
背景技術(shù)：
電子儀器可以分為由例如集成電路(IC)芯片、封裝、印刷電路板(PCB)、和系統(tǒng)這些器件組成的簡(jiǎn)單層級(jí)結(jié)構(gòu)。封裝是在電子器件(例如，計(jì)算機(jī)芯片)和PCB之間的接口。器件由半導(dǎo)體材料(例如，硅)制成。使用引線結(jié)合(WB)技術(shù)、卷帶式自動(dòng)接合(TAB)技術(shù)或倒裝芯片(FC)凸塊裝配技術(shù)(bumping assembly technique)可以將集成電路裝配成封裝，例如，四邊扁平封裝(QFP)、引腳柵格陣列(PGA)或球柵陣列(BGA)。然后，封裝器件與印刷電路板或其他類型的襯底直接連接，這被定義為二級(jí)封裝。球柵陣列(BGA)封裝技術(shù)通常是先進(jìn)的半導(dǎo)體封裝技術(shù)，其特征為:半導(dǎo)體芯片安裝在襯底的前表面上，并且諸如焊球的多個(gè)導(dǎo)電元件(它們被排列成矩陣陣列，習(xí)慣上稱為球柵陣列)位于襯底的背面。球柵陣列可以使半導(dǎo)體封裝與外部PCB或其他電子器件焊接和電連接?？梢詫GA封裝應(yīng)用到存儲(chǔ)器中，例如，動(dòng)態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器等?；镜牡寡b芯片(FC)封裝技術(shù)包括1C、互連系統(tǒng)和襯底。功能芯片連接到具有多個(gè)焊料凸塊的襯底，其中，焊料凸塊在芯片和襯底之間形成冶金互連。功能芯片、焊料凸塊和襯底形成倒裝芯片封裝。另外，多個(gè)球形成球柵陣列(BGA)?？梢允褂靡€結(jié)合將芯片元件(例如，貼片電阻器或貼片電容器)電連接到襯底。兩種功能的芯片堆疊在多個(gè)襯底層的頂部。芯片通過多條焊接金線連接到襯底。也可以使用其他形式的線，例如，鋁線。功能芯片、金線和襯底形成引線結(jié)合(WB)封裝。堆疊封裝(PoP)是一種可以實(shí)現(xiàn)垂直結(jié)合的集成電路封裝技術(shù)，例如，離散邏輯(discrete logic)和存儲(chǔ)球柵陣列(BGA)封裝。兩個(gè)或兩個(gè)以上的封裝通過標(biāo)準(zhǔn)接口使一個(gè)安裝在另一個(gè)的頂部(例如，堆疊)，以在它們之間路由信號(hào)。這可以實(shí)現(xiàn)更高的密度，例如，在移動(dòng)電話/PDA市場(chǎng)中。

發(fā)明內(nèi)容
為解決上述問題，本發(fā)明提供了一種結(jié)構(gòu)，包括:第一襯底；螺柱球，連接至所述第一襯底的第一表面；管芯，連接至所述第一襯底的第一表面；第二襯底；以及電連接件，連接至所述第二襯底，所述電連接件中的相應(yīng)電連接件與所述螺柱球中的相應(yīng)螺柱球相連接。
其中，所述第一襯底包括焊盤，焊盤保護(hù)層中的相應(yīng)焊盤保護(hù)層位于所述焊盤中的相應(yīng)焊盤上方，所述螺柱球中的相應(yīng)螺柱球接合至所述焊盤保護(hù)層中的相應(yīng)焊盤保護(hù)層。該結(jié)構(gòu)進(jìn)一步包括:位于所述螺柱球中的相應(yīng)螺柱球的表面上的保護(hù)涂層中的相應(yīng)保護(hù)涂層，所述保護(hù)涂層中的相應(yīng)保護(hù)涂層位于所述螺柱球中的相應(yīng)螺柱球和所述電連接件中的相應(yīng)電連接件之間。其中，所述第一襯底包括焊盤，所述焊盤中的相應(yīng)焊盤包括處理表面中的相應(yīng)處理表面、所述螺柱球中的相應(yīng)螺柱球接合至所述處理表面中的相應(yīng)處理表面。其中，所述第一襯底包括焊盤，所述螺柱球中的相應(yīng)螺柱球直接接合至所述焊盤中的相應(yīng)焊盤。其中，每個(gè)所述螺柱球均包括(i)單螺柱球、(ii)具有拉長(zhǎng)尾部的單螺柱球、(iii)堆疊的至少兩個(gè)單螺柱球、(iv)堆疊在第二單螺柱球上的具有拉長(zhǎng)尾部的第一單螺柱球或者(V)它們的組合。其中，所述單螺柱球中的相應(yīng)單螺柱球和所述電連接件中的相應(yīng)電連接件形成局部接合。該結(jié)構(gòu)進(jìn)一步包括:金屬間化合物，界面連接在所述螺柱球中的相應(yīng)螺柱球和所述電連接件中的相應(yīng)電連接件之間的。此外，還提供了一種結(jié)構(gòu)，包括:第一襯底，包括位于所述第一襯底的第一表面上的第一焊盤、附接至所述第一襯底的所述第一表面的管芯；第二襯底，包括位于所述第二襯底的第一表面上的第二焊盤；螺柱球，位于所述第一焊盤上；以及焊料連接件，將所述螺柱球連接至所述第二焊盤。其中，所述第一焊盤包括焊盤保護(hù)層或與所述螺柱球相鄰的處理表面。其中，所述螺柱球通過金屬-金屬接合部直接接合至所述第一焊盤。其中，所述螺柱球包括在與所述焊料連接件界面連接的表面上的保護(hù)涂層。其中，所述螺柱球是具有拉長(zhǎng)尾部的單螺柱球。其中，所述螺柱球包括堆疊在第二螺柱球上的第一螺柱球。其中，所述第一螺柱球是具有拉長(zhǎng)尾部的單螺柱球，所述第二螺柱球是單螺柱球。其中，所述焊料連接件不完全覆蓋所述螺柱球的表面，所述表面不接合至所述第二焊盤。此外，還提供了一種結(jié)構(gòu)，包括:第一接合焊盤，位于第一襯底的第一表面上；管芯，附接至所述第一襯底的所述第一表面；第二接合焊盤，位于第二襯底的第二表面上，所述第一表面與所述第二表面相對(duì)，所述管芯設(shè)置在所述第一表面和所述第二表面之間；螺柱球，位于所述第一接合焊盤上；以及焊料，將所述螺柱球機(jī)械地連接至所述第二接合焊盤。其中，所述第一接合焊盤⑴包括與所述螺柱球相鄰的焊盤保護(hù)層、(ii)包括與所述螺柱球相鄰的處理表面或者(iii)通過金屬-金屬接合部直接接合至所述螺柱球。其中，所述螺柱球包括位于與所述焊料界面連接的表面上的保護(hù)涂層。其中，所述螺柱球包括(i)單螺柱球、(ii)具有拉長(zhǎng)尾部的單螺柱球、(iii)堆疊的至少兩個(gè)單螺柱球、(iv)堆疊在第二單螺柱球上的具有拉長(zhǎng)尾部的第一單螺柱球或(V) 它們的組合。


為了更好地理解實(shí)施例及其優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)將結(jié)合附圖所進(jìn)行的以下描述作為參考，其中:圖1至8是根據(jù)實(shí)施例示出的形成堆疊封裝(PoP)結(jié)構(gòu)的第一種方法；圖9至14是根據(jù)實(shí)施例示出的形成PoP結(jié)構(gòu)的第二種方法；圖15至19是根據(jù)實(shí)施例示出的形成PoP結(jié)構(gòu)的第三種方法；圖20是根據(jù)實(shí)施例示出的單螺柱球(single stud bulb)；圖21是根據(jù)實(shí)施例示出的具有拉長(zhǎng)尾部的單螺柱球；圖22是根據(jù)實(shí)施例示出的包括相同材料的堆疊的單螺柱球；圖23是根據(jù)實(shí)施例示出的包括不同材料的堆疊的單螺柱球；圖24是根據(jù)實(shí)施例示出的堆疊的單螺柱球，其中一個(gè)單螺柱球具有拉長(zhǎng)尾部；圖25是根據(jù)實(shí)施例示出的單螺柱球和濕至焊盤保護(hù)層的回流焊料連接件的接合
占.
圖26是根據(jù)實(shí)施例示出的具有較大的高度和/或拉長(zhǎng)尾部的單螺柱球和濕至焊盤保護(hù)層的回流焊料連接件的接合點(diǎn)；圖27是根據(jù)實(shí)施例示出的單螺柱球和未濕至焊盤保護(hù)層的回流焊料連接件的接合點(diǎn)；圖28是根據(jù)實(shí)施例示出的具有較大的高度和/或拉長(zhǎng)尾部的單螺柱球和未濕至焊盤保護(hù)層的回流焊料連接件的接合點(diǎn)；圖29是根據(jù)實(shí)施例示出的局部接合；圖30是根據(jù)實(shí)施例示出的單螺柱球和在焊盤保護(hù)層上的金屬間化合物(MC)的接合點(diǎn)；圖31是根據(jù)實(shí)施例示出的單螺柱球和在單螺柱球上的MC的接合點(diǎn)；圖32是根據(jù)實(shí)施例示出的單螺柱球和在焊盤保護(hù)層與單螺柱球上的MC的接合
占.
圖33是根據(jù)實(shí)施例示出的IMC和螺柱球的局部接合；圖34是根據(jù)實(shí)施例示出的封裝結(jié)構(gòu)的元件的布局圖；圖35是根據(jù)實(shí)施例示出的在圖34中的封裝結(jié)構(gòu)的元件的截面圖；圖36是根據(jù)實(shí)施例示出的PoP結(jié)構(gòu)的實(shí)例；圖37是根據(jù)實(shí)施例示出的包括螺柱球的封裝元件的截面圖，該螺柱球具有延伸至管芯頂面的上面的高度；圖38是根據(jù)實(shí)施例示出的包括堆疊的單螺柱球的封裝元件的截面圖，該單螺柱球具有延伸至管芯頂面的上面的高度；圖39是根據(jù)實(shí)施例示出的包括具有拉長(zhǎng)尾部的螺柱球的封裝元件的截面圖，該螺柱球具有延伸至管芯頂面的上面的高度；以及圖40是根據(jù)實(shí)施例示出的包括螺柱球的封裝元件的截面圖，該螺柱球具有未延伸至管芯頂面的上面的高度。
具體實(shí)施例方式下面，詳細(xì)討論本發(fā)明的實(shí)施例的制造和使用。然而，應(yīng)該理解，本發(fā)明提供了許多可以在各種具體環(huán)境中實(shí)現(xiàn)的可應(yīng)用的概念。所討論的具體實(shí)施例僅僅示出制造和使用本發(fā)明的具體方式，而不用于限制本發(fā)明的范圍。實(shí)施例在將特定的背景下進(jìn)行描述，即，封裝封裝(PoP)結(jié)構(gòu)。然而，其它實(shí)施例也可以用于描述其他封裝或結(jié)構(gòu)，例如，三維集成電路(3DIC)。應(yīng)當(dāng)指出的是，雖然本文是根據(jù)特定的順序明確地討論方法實(shí)施例的，但是可以以任何邏輯順序執(zhí)行實(shí)施例所表述的方法的步驟。另外，在各個(gè)圖示和示例性實(shí)施例中，相同的參考數(shù)字用于指代相同的元件。圖1至8根據(jù)一個(gè)實(shí)施例示出了形成PoP結(jié)構(gòu)的第一種方法。在圖1中，提供第一襯底10 (例如，底部襯底)，在第一襯底10的頂面上方具有焊盤12。提供有機(jī)保焊劑(organic solderability preservative, 0SP) 14 位于每個(gè)焊盤 12 的頂面上方。第一襯底10可以是例如有機(jī)襯底、半導(dǎo)體晶圓、玻璃、硅中介層、有機(jī)中介層等或它們的組合。例如，第一襯底10可以包括非切單或切單(SingUlated)管芯和/或中介層。每個(gè)管芯和/或中介層可以包括有源和/或無源器件和/或通孔。第一襯底10還可以包括各種材料層，例如，介電層、鈍化層和/或金屬化層。在一個(gè)實(shí)施例中，焊盤12形成為通過鈍化層直接連接到頂部金屬化層中的對(duì)應(yīng)圖案。在另一個(gè)實(shí)施例中，每個(gè)焊盤12都是頂部金屬化層中的圖案。在又一個(gè)實(shí)施例中，焊盤12可以是通孔的對(duì)應(yīng)暴露部分和/或可以形成在通孔的對(duì)應(yīng)部分上。在一個(gè)實(shí)施例中，焊盤12是金屬、合金或金屬層和/或金屬合金層。在本實(shí)施例中，焊盤12是銅，在其他實(shí)施例中，焊盤12可以包括銅、金、鋁、鋁銅(Al (Cu))、鎳或它們的組合。焊盤12向第一襯底10內(nèi)和/或耦合至第一襯底10的各種器件和/或元件提供外部的電連接。在圖2中，OSP 14從每個(gè)焊盤12移除，以露出焊盤12的頂面。可以使用可接受的移除工藝來移除OSP 14，例如，在襯底上分布焊劑、化學(xué)溶液(酸或堿)等或它們的組合。在圖3中，焊盤保護(hù)層16形成在每個(gè)焊盤12的頂面上方。在一些實(shí)施例中，焊盤保護(hù)層16是金屬、金屬合金、金屬層或金屬合金等或它們的組合。作為示例，金屬包括錫、鎳、鈀、金等或它們的組合。例如，可以通過浸鍍、電鍍、化學(xué)鍍等或它們的組合來形成焊盤保護(hù)層16。在一個(gè)實(shí)施例中，焊盤保護(hù)層16是通過錫鍍形成的錫。在另一個(gè)實(shí)施例中，焊盤保護(hù)層16通過化學(xué)鍍鎳/鈀浸金(ENEPIG)形成。在其他實(shí)施例中，每個(gè)焊盤保護(hù)層16都是自組裝單層(self-assembled monolayer),并且可以包括具有4到30個(gè)碳原子和一個(gè)官能團(tuán)(例如，由浸泡、旋涂、印刷等或它們的組合所形成的硫醇基或醇基)的烷烴。在圖4中，螺柱球(stud bulb) 18形成在各自的焊盤保護(hù)層16上。例如，通過熔化線的末端在每條線的末端形成一個(gè)球體來形成螺柱球18。然后，將球體放置在焊盤保護(hù)層16上，并且使用機(jī)械力、熱和/或超聲波能量將球體接合到焊盤保護(hù)層16。然后，線在球體(或者之前是球體，因?yàn)闄C(jī)械力、熱和/或超聲波能量可能已經(jīng)將其形狀改變)上方斷開。本步驟中使用的線可以是銅、金、鋁、銀、合金等或它們的組合。線還可以具有金屬摻雜成分(doping elements)。另外,線可以是涂有第二金屬的第一金屬，例如,涂有IE的銅線。線的直徑可以在大約0.3密爾到大約5密耳之間，例如，大約1.5密耳。因此，螺柱球18可以包括與線相同的材料。在圖5中，泡保護(hù)涂層20形成在對(duì)應(yīng)的螺柱球18上。在一些實(shí)施例中，泡保護(hù)涂層20是金屬、金屬合金、金屬層或金屬合金層等或它們的組合。作為示例，金屬包括錫、鎳、鈀、金、銀等或它們的組合。例如，可以通過浸鍍、電鍍、化學(xué)鍍等或它們的組合來形成泡保護(hù)涂層20。在一個(gè)實(shí)施例中，泡保護(hù)涂層20通過錫鍍形成的錫。在另一個(gè)實(shí)施例中，泡保護(hù)涂層20是ENEPIG。在其它實(shí)施例中，每個(gè)泡保護(hù)涂層20都是自組裝單層，例如，具有4到30個(gè)碳原子和一個(gè)官能團(tuán)(例如，由浸泡、旋涂、印刷等或其組合形成的硫醇基或醇基)的烷烴。在另一些實(shí)施例中，每個(gè)泡保護(hù)涂層20都是由可接受技術(shù)形成的0SP。泡保護(hù)涂層20可以在螺柱球18上提供層以防止螺柱球18氧化，例如，當(dāng)螺柱球18是銅時(shí)，防止形成銅氧化物。在圖6中，提供第二襯底22，例如頂部襯底。第二襯底22可以具有之前所討論的第一襯底10的任何的部件和/或元件。第二襯底22具有位于第二襯底22的底面上的焊盤24。在一個(gè)實(shí)施例中，焊盤24形成為通過鈍化層直接連接到各自的金屬化層中的圖案。在另一個(gè)實(shí)施例中，每個(gè)焊盤24都是金屬化層中的圖案。在另一些實(shí)施例中，焊盤24可以是通孔的對(duì)應(yīng)暴露部分和/或可以形成在通孔的對(duì)應(yīng)部分上。在一個(gè)實(shí)施例中，焊盤24是金屬、合金或金屬層和/或金屬合金。在本實(shí)施例中，焊盤24是銅，在其他實(shí)施例中，焊盤24可以包括銅、金、鋁、鋁銅(Al(Cu))等或它們的組合。焊盤24向第二襯底22內(nèi)和/或連接至第二襯底22的各種器件和/或元件提供外部的電連接。在焊盤24上提供焊料26。焊料26可以通過任何可接受的方法以任何焊接材料(例如，無鉛焊料等)形成。在圖7中，第二襯底22上的焊料26與第一襯底10上的螺柱球18相接觸，并且回流形成回流焊料連接件28?；亓骱噶线B接件28在第一襯底10上的螺柱球18和第二襯底22上的焊盤24之間提供機(jī)械和電連接。在圖8中，將成型化合物30分配到第一襯底10和第二襯底22之間的空間中，并且圍繞襯底10和22之間的連接。成型化合物30可以是可接受的材料，例如，環(huán)氧樹脂等。在其他實(shí)施例中，成型化合物30可以被底部填充材料、非導(dǎo)電膏(NCP)、非導(dǎo)電薄膜(NCF)或其他介質(zhì)膜代替。值得注意的是，諸如圖8所示結(jié)構(gòu)的實(shí)施例可以預(yù)期圖中沒有明確示出的各種附加部件。例如，每個(gè)襯底10和22都可以在額外的表面上具有額外的電連接件。第一襯底10的底面和第二襯底22的頂面可以具有螺柱球、微凸塊、小型凸塊、柱、列、BGA焊球、可控塌陷芯片連接(C4)凸塊等或它們的組合。此外，管芯可以位于襯底10和22的各個(gè)表面上。例如，可以通過電連接件將管芯附接至每個(gè)襯底10和22的底面和/或頂面。在任何表面上可以有任意數(shù)量的管芯。實(shí)施例的其他部件對(duì)于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說是顯而易見的。圖9至圖14根據(jù)一個(gè)實(shí)施例示出了形成PoP結(jié)構(gòu)的第二種方法。根據(jù)這個(gè)實(shí)施例，根據(jù)圖1和2所討論的步驟對(duì)第一襯底10和焊盤12進(jìn)行處理。在圖9中，對(duì)焊盤12的頂面進(jìn)行處理，以形成處理表面32。該處理可以是用于強(qiáng)化之后形成的螺柱球與焊盤12的接合的工藝。在一個(gè)實(shí)施例中，該處理包括使用氨(NH3)、氬氣(Ar)、氧氣(O2)、臭氧(O3)、氫氣(H2)、氮?dú)?N2)或甲烷(CH4)等離子體。在另一個(gè)實(shí)施例中，該處理包括對(duì)焊盤12摻雜鍺(Ge)。本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員很容易理解，也可以使用其他等離子體處理或摻雜。在圖10中，螺柱球18以與先前圖4中所討論的相同或類似的方法形成在處理表面32上。在圖11中，泡保護(hù)涂層20以與先前圖5中所討論的相同或類似的方法形成在各自的螺柱球18上。圖12至14示出的是提供第二襯底22、通過回流將第一襯底10連接到第二襯底22以及以與先前圖6-8中所討論的相同或類似的方法在襯底10和22之間提供成型化合物30。與先前的實(shí)施例相同，圖14所示的結(jié)構(gòu)可以具有未明確示出的部件。圖15至圖19根據(jù)一個(gè)實(shí)施例示出了形成PoP結(jié)構(gòu)的第三種方法。根據(jù)這個(gè)實(shí)施例，第一襯底10和焊盤12以與先前圖1和圖2中所討論的相同或類似的方法處理。在圖15中，螺柱球18以與先前圖4中所討論的相同或類似的方法直接形成在焊盤12上。在本實(shí)施例中，螺柱球18可以通過直接金屬-金屬接合而結(jié)合到焊盤12。螺柱球18可以具有與焊盤12相同的材料，例如，銅、鋁、鋁銅(Al(Cu))等或它們的組合。在另一實(shí)施例中，螺柱球18可以包括與焊盤12不同的材料，例如，螺柱球18可以包括銅，而焊盤12包括鋁或鋁銅。圖16至圖19示出的是泡保護(hù)涂層20形成在各自的螺柱球18上、提供第二襯底22、通過回流將第一襯底10連接到第二襯底22以及以與先前圖5中所討論的相同或類似的方法在襯底10和22之間提供成型化合物30。與先前的實(shí)施例相同，圖19所示的結(jié)構(gòu)可以具有未明確示出的部件。圖20至圖24根據(jù)實(shí)施例示出了螺柱球的各種部件。在上述實(shí)施例中，可以將這些部件任意合并或使用。圖20示出了單螺柱球40，例如在上圖中示出的螺柱球18。例如，通過熔化線的末端以在末端形成一個(gè)球體，從而形成單螺柱球40。然后，將球體放置在接合表面上，并且應(yīng)用機(jī)械力、熱和/或超聲波能量將球體接合到接合表面。然后，線在球體(或之前是球體，因?yàn)榱?、熱?或超聲波能量可能已經(jīng)將其形狀改變)的上面斷開。單螺柱球40的直徑D在大約0.3密爾到大約5密爾之間，例如，大約1.5密耳，以及單螺柱球40的高度H在大約20微米到大約200微米之間，例如，大約150微米。圖21示出了具有拉長(zhǎng)尾部44的單螺柱球42。例如，可以使用與圖20中示出的單螺柱球40類似的方法形成具有拉長(zhǎng)尾部44的單螺柱球42，除了線在離單螺柱球42 —定距離處斷開以保留拉長(zhǎng)尾部44。在其他實(shí)施例中，可以修改其它工藝參數(shù)以形成拉長(zhǎng)尾部44。拉長(zhǎng)尾部44的高度Hl在大約10微米到大約200微米之間，例如，大約100微米，以及單螺柱球42的高度H2在大約5微米到大約80微米之間，例如，大約50微米。圖22和圖23都示出了堆疊的單螺柱球。在圖22中，可以使用與圖20中的單螺柱球40相同或類似的方法按順序形成單螺柱球46和48。在這個(gè)實(shí)施例中，單螺柱球46和48的材料相同。例如，單螺柱球46和48都是銅。在圖23中，可以使用與圖20中的單螺柱球40相同或類似的方法按順序形成單螺柱球50和52。在本實(shí)施例中，單螺柱球50和52的材料不同。例如，單螺柱球50是金，而單螺柱球52是銅。雖然在22和23中只示出了兩個(gè)單螺柱球，但是在其他同等實(shí)施例中，可以堆疊更多的單螺柱球和/或堆疊包括各種材料組合的單螺柱球。圖24示出了堆疊的單螺柱球，其中一個(gè)單螺柱球具有拉長(zhǎng)尾部。具有拉長(zhǎng)尾部58的單螺柱球56在單螺柱球54上堆疊形成。例如，可以使用與圖20中的單螺柱球相同或類似的方法形成單螺柱球54，以及例如，可以使用與圖21中的具有拉長(zhǎng)尾部44的單螺柱球42相同或類似的方法形成具有拉長(zhǎng)尾部58的單螺柱球56。螺柱球54和56和拉長(zhǎng)尾部58可以包括相同或不同的材料(例如，對(duì)圖22和23所做的討論)，以及另外，可以堆疊額外的單螺柱球。圖25至圖28示出了實(shí)施例的各個(gè)方面。作為示例，圖25和26示出了焊盤12、焊盤保護(hù)層16、螺柱球18、泡保護(hù)涂層20、回流焊料連接件28和焊盤24，諸如如圖8所示的。圖25示出了單螺柱球18a作為螺柱球18，圖26示出了具有更大的高度和/或拉長(zhǎng)尾部的單螺柱球18b作為螺柱球18。例如，在圖25和26中，焊盤保護(hù)層16是ENEPIG結(jié)構(gòu)?；亓骱噶线B接件28涂滿焊盤保護(hù)層16的頂面，從而使螺柱球18以外的焊盤保護(hù)層16的整個(gè)頂面與回流焊料連接件28相接觸。應(yīng)當(dāng)指出的是，整個(gè)頂面應(yīng)理解為大致包括整個(gè)頂面，例如，根據(jù)本發(fā)明此處所述的適當(dāng)?shù)牟襟E可能導(dǎo)致的結(jié)果，本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解該術(shù)語(yǔ)。雖然沒有明確示出，但是與圖25和圖26所示相類似的，當(dāng)各自的表面用作螺柱球18的接合表面時(shí)，可以將回流焊料連接件28涂滿處理表面32 (圖14)和/或焊盤12 (圖19)的頂面。在其他實(shí)施例中，可以不將回流焊料連接件28涂滿處理表面32和/或焊盤12的頂面。作為示例，圖27和28示出了焊盤12、焊盤保護(hù)層16、螺柱球18、泡保護(hù)涂層20、回流焊料連接件28和焊盤24，諸如如圖8所示的。圖27示出了單螺柱球18a作為螺柱球18，圖28示出了具有更大的高度和/或拉長(zhǎng)尾部的單螺柱球18b作為螺柱球18。例如，在圖27和28中，焊盤保護(hù)層16是浸錫、自組裝單層膜或OSP結(jié)構(gòu)?；亓骱噶线B接件28不涂滿焊盤保護(hù)層16的頂面，并且焊盤保護(hù)層16的部分70 (例如，沿外圍的部分)不接觸回流焊料連接件28，而是被暴露出來。圖29示出了局部接合。例如，當(dāng)回流時(shí)焊料26的量不足以完全形成在螺柱球18的上面時(shí)，形成局部接合。圖29示出了具有大的高度和/或拉長(zhǎng)尾部接合到接合表面72。泡保護(hù)涂層20在螺柱球18b上。回流焊料連接件28環(huán)繞螺柱球18b回流，并且連接到接合表面74。例如，接合表面72可以是焊盤保護(hù)層16、處理表面32或焊盤12，接合表面74可以是焊盤24。回流焊料連接件28不完全覆蓋螺柱球18b，并且一部分泡保護(hù)涂層20暴露出來。應(yīng)當(dāng)指出的是，可以使用各種配置的螺柱球，例如，單螺柱球、堆疊的單螺柱球、具有大的高度的單螺柱球、具有拉長(zhǎng)尾部的單螺柱球等或其組合。圖30至圖33根據(jù)實(shí)施例示出了螺柱球的各種修改。圖30描述了圖25所示的結(jié)構(gòu)，例如，除此之外還包括金屬間化合物(MC) 80。IMC 80可以形成在回流過程中與回流焊料相接觸的部分焊盤保護(hù)層16上。MC 80可以由包括在回流過程中與焊盤保護(hù)層16反應(yīng)的焊料26中的材料形成。IMC 80可以是銅錫(例如，Cu3Sn或Cu6Sn5)、鎳錫(例如，Ni3Sn4)等或它們的組合。圖31描述了圖27所示的結(jié)構(gòu)，例如，除此之外還包括MC 82，但不包括泡保護(hù)涂層20。IMC 82可以形成在回流過程中與回流焊料相接觸的部分螺柱球18a上。IMC 82可以由包括在回流過程中與螺柱球18a反應(yīng)的焊料26中的材料形成。MC 82可以是銅錫(例如，Cu3Sn 或 Cu6Sn5)等。在如圖31所示的實(shí)施例中，在回流焊料26之前，泡保護(hù)涂層20可以形成或不形成在螺柱球18a上。如果不形成泡保護(hù)涂層20，正如所討論的，MC 82直接形成在螺柱球18a上。如果在一些實(shí)施例中形成泡保護(hù)涂層20，泡保護(hù)涂層20可以在回流過程中溶解，并且MC 82直接形成在螺柱球18a上。另外，雖然沒有明確的描述，但實(shí)施例可以預(yù)期螺柱球18a具有位于螺柱球18a的外表面上的泡保護(hù)涂層20，以及MC 82形成在泡保護(hù)涂層20的外表面上。在這種情況下，IMC 82可以與圖31所討論的相類似地形成。
圖32描述了圖30所示的結(jié)構(gòu)，例如，除此之外還包括MC 82但不包括泡保護(hù)涂層20。MC 82形成在回流過程中與回流焊料相接觸的部分螺柱球18a上。MC 82可以是銅錫(例如，Cu3Sn或Cu6Sn5)等。如圖32所示的實(shí)施例中，在回流焊料26之前，泡保護(hù)涂層20可以形成或不形成在螺柱球18a上。如果不形成泡保護(hù)涂層20，正如所討論的，頂C 82直接形成在螺柱球18a上。如果在一些實(shí)施例中形成泡保護(hù)涂層20，泡保護(hù)涂層20可以在回流過程中溶解，并且IMC 82直接形成在螺柱球18a上。另外，雖然沒有明確的描述，但實(shí)施例可以預(yù)期螺柱球18a具有位于螺柱球18a的外表面上的泡保護(hù)涂層20，以及MC 82形成在泡保護(hù)涂層20的外表面上。在這種情況下，頂C 82可以與圖32所討論的相類似地形成。圖33描述了圖29所示的結(jié)構(gòu),例如，除此之外還包括IMC 84但不包括泡保護(hù)涂層20。MC 84形成在回流過程中回流焊料相接觸的部分螺柱球18b上。由于具有前面所討論的局部接合，一部分螺柱球18b未被MC 84或回流焊料連接件28覆蓋。MC 84可以由包括在回流過程中與螺柱球18b反應(yīng)的焊料26中的材料形成。MC 84可以是銅錫(例如，Cu3Sn 或 Cu6Sn5)等。如圖33所示的實(shí)施例中，在回流焊料26之前，泡保護(hù)涂層20可以形成或不形成在螺柱球18b上。如果不形成泡保護(hù)涂層20，正如所討論的，頂C 84直接形成在螺柱球18b上。如果在一些實(shí)施例中形成泡保護(hù)涂層20，泡保護(hù)涂層20可以在回流過程中溶解，并且IMC 84直接形成在螺柱球18b上。另外，雖然沒有明確的描述，但實(shí)施例可以預(yù)期螺柱球18b具有位于螺柱球18ba的外表面上的泡保護(hù)涂層20，以及MC 84形成在泡保護(hù)涂層20的外表面上。在這種情況下，頂C 84可以與圖33所討論的相類似地形成圖34和35分別示出了封裝結(jié)構(gòu)的元件的布局圖和截面圖。該結(jié)構(gòu)包括襯底90 (例如上述實(shí)施例中的第一襯底10)、襯底90的頂面上的螺柱球92以及附接在襯底90的頂面上的管芯94。如圖35所示，電連接件96將管芯94連接至襯底90。電連接件96可以是例如微凸塊、小型凸塊、C4凸塊等。圖34和圖35也示出了螺柱球92之間的間距P。例如，間距小于100微米，或者在大約50微米到大約90微米之間，例如，大約80微米。應(yīng)當(dāng)指出的是，該結(jié)構(gòu)可以是PoP結(jié)構(gòu)中的底部襯底，例如，底面上的BGA球。另外，結(jié)構(gòu)頂面上方可以具有額外的封裝結(jié)構(gòu)以形成PoP結(jié)構(gòu)，諸如圖1至圖19中的實(shí)施例所示。作為示例，圖36根據(jù)一個(gè)實(shí)施例示出了實(shí)例PoP結(jié)構(gòu)。圖36中的結(jié)構(gòu)包括圖34和35所討論的元件。該結(jié)構(gòu)進(jìn)一步包括電連接件98，例如，位于襯底90的底面上的BGA球。另外，第二襯底102通過回流焊料連接件100連接到襯底90，回流焊料連接件100連接到第二襯底的底面。如先前實(shí)施例所討論的，回流焊料連接件100圍繞螺柱球92回流。第二管芯104通過電連接件106連接到第二襯底102的頂面，電連接件106可以與電連接件96相同或類似?？梢詫⑾惹八懻摰穆葜虻牟考推渌⑷雸D36的結(jié)構(gòu)中。另夕卜，襯底上可以具有額外的管芯，例如在襯底90和102的底面上和/或在襯底90和102的頂面上。進(jìn)一步地，在第二襯底102的頂面上可以具有額外的封裝結(jié)構(gòu)，它可以使用或不使用螺柱球或其他此處所討論的部件。圖37至圖40結(jié)合前面討論的部件示出了各種封裝結(jié)構(gòu)，它也可用于圖36所示的PoP結(jié)構(gòu)中。圖37至圖40包括圖34和35所示的結(jié)構(gòu)，因此，不再對(duì)于圖37至40所示的元件的進(jìn)行明確的討論。在圖37中，封裝包括螺柱球110，其具有延伸至管芯94的頂面上方的高度。螺柱球110的高度例如在大約20微米到大約80微米之間，例如大約50微米，以及直徑例如在大約10微米到大約80微米之間，例如大約30微米。在圖38中，封裝結(jié)構(gòu)包括堆疊的螺柱球112，每個(gè)螺柱球112包括兩個(gè)單螺柱球。堆疊的螺柱球112具有延伸至管芯94的頂面上方的高度。堆疊的螺柱球112的高度例如在大約30微米到大約200微米之間，例如，大約150微米，以及直徑例如在大約20微米到大約150微米之間，例如，大約80微米。在圖39中，封裝結(jié)構(gòu)包括具有拉長(zhǎng)尾部的螺柱球114。具有拉長(zhǎng)尾部的螺柱球114的高度延伸至管芯94的頂面上方。具有拉長(zhǎng)尾部的螺柱球114的高度例如在大約30微米到大約200微米之間，例如，大約150微米，以及直徑例如在大約20微米到大約150微米之間，例如，大約80微米。在圖40中，封裝包括螺柱球116，其具有延伸至管芯94的頂面下方的高度。螺柱球116的高度例如在大約10微米到大約50微米之間，例如，大約30微米，以及直徑例如在大約5微米到大約50微米之間，例如，大約30微米。例如，在一個(gè)實(shí)施例中，用于形成螺柱球116的工藝包括通過激光打孔降低螺柱球的高度和/或直徑。通過將螺柱球置于PoP結(jié)構(gòu)中，可以降低連接件之間的用于封裝互連的間距，例如，小于100微米，因此，可以增加連接件的密度。另外，在一些實(shí)施例中，可以通過選擇配線和/或控制工藝參數(shù)來控制螺柱球的高度和間距。產(chǎn)生螺柱球的工藝是靈活的，并且可以適用于各種封裝尺寸。此外，實(shí)施例可以使用各種與傳統(tǒng)工藝相兼容的材料。第一個(gè)實(shí)施例是一種結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)包括第一襯底、螺柱球、管芯、第二襯底和電連接件。螺柱球與第一襯底的第一表面相接合。管芯與第一襯底的第一表面相連接。電連接件與第二襯底相結(jié)合，以及各自的電連接件與各自的螺柱球相接合。另一個(gè)實(shí)施例是一種結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)包括第一襯底、第二襯底、螺柱球和接合連接件。第一襯底包括在第一襯底的第一表面上的第一焊盤，以及與第一襯底的第一表面相連接的管芯。第二襯底包括第二襯底的第一表面上的第二焊盤。螺柱球在第一焊盤上，以及接合連接件將螺柱球與第二焊盤相接合。另一個(gè)實(shí)施例是一種方法。該方法包括提供一襯底、在第一襯底的第一表面上的第一焊盤，與第一襯底的第一表面相連接的管芯；在第一焊盤上形成螺柱球；提供第二襯底、在第二襯底的第一表面上的第二焊盤；以及將接合連接件結(jié)合到螺柱球和第二焊盤。又一個(gè)實(shí)施例是一種結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)包括在第一襯底的第一表面上的第一接合焊盤、與第一襯底的第一表面相連接的管芯、在第二襯底的第二表面上的第二接合焊盤、在第一接合焊盤上的螺柱球，以及將螺柱球接卸接合到第二接合焊盤的焊料。第一表面與第二表面相反，并且管芯設(shè)置在第一表面和第二表面之間。盡管已經(jīng)詳細(xì)地描述了本發(fā)明及其優(yōu)勢(shì)，但應(yīng)該理解，可以在不背離所附權(quán)利要求限定的本發(fā)明主旨和范圍的情況下，做各種不同的改變，替換和更改。而且，本申請(qǐng)的范圍并不僅限于本說明書中描述的工藝、機(jī)器、制造、材料組分、裝置、方法和步驟的特定實(shí)施例。作為本領(lǐng)域普通技術(shù)人員應(yīng)理解，通過本發(fā)明，現(xiàn)有的或今后開發(fā)的用于執(zhí)行與根據(jù)本發(fā)明所采用的所述相應(yīng)實(shí)施例基本相同的功能或獲得基本相同結(jié)果的工藝、機(jī)器、制造，材料組分、裝置、方法或步驟根據(jù)本發(fā)明可以被使用。因此，所附權(quán)利要求應(yīng)該包括在這樣的工藝、機(jī)器、制造、材料組分、裝置、方法或步驟的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種結(jié)構(gòu)，包括: 第一襯底； 螺柱球，連接至所述第一襯底的第一表面； 管芯，連接至所述第一襯底的第一表面； 第二襯底；以及 電連接件，連接至所述第二襯底，所述電連接件中的相應(yīng)電連接件與所述螺柱球中的相應(yīng)螺柱球相連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的結(jié)構(gòu)，其中，所述第一襯底包括焊盤，焊盤保護(hù)層中的相應(yīng)焊盤保護(hù)層位于所述焊盤中的相應(yīng)焊盤上方，所述螺柱球中的相應(yīng)螺柱球接合至所述焊盤保護(hù)層中的相應(yīng)焊盤保護(hù)層。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步包括:位于所述螺柱球中的相應(yīng)螺柱球的表面上的保護(hù)涂層中的相應(yīng)保護(hù)涂層，所述保護(hù)涂層中的相應(yīng)保護(hù)涂層位于所述螺柱球中的相應(yīng)螺柱球和所述電連接件中的相應(yīng)電連接件之間。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的結(jié)構(gòu)，其中，所述第一襯底包括焊盤，所述焊盤中的相應(yīng)焊盤包括處理表面中的相應(yīng)處理表面、所述螺柱球中的相應(yīng)螺柱球接合至所述處理表面中的相應(yīng)處理表面。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的結(jié)構(gòu)，其中，所述第一襯底包括焊盤，所述螺柱球中的相應(yīng)螺柱球直接接合至所述焊盤中的相應(yīng)焊盤。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的結(jié)構(gòu)，其中，每個(gè)所述螺柱球均包括(i)單螺柱球、(ii)具有拉長(zhǎng)尾部的單螺柱球、(iii)堆疊的至少兩個(gè)單螺柱球、(iv)堆疊在第二單螺柱球上的具有拉長(zhǎng)尾部的第一單螺柱球或者(V)它們的組合。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的結(jié)構(gòu)，其中，所述單螺柱球中的相應(yīng)單螺柱球和所述電連接件中的相應(yīng)電連接件形成局部接合。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步包括:金屬間化合物，界面連接在所述螺柱球中的相應(yīng)螺柱球和所述電連接件中的相應(yīng)電連接件之間的。
9.一種結(jié)構(gòu),包括: 第一襯底，包括位于所述第一襯底的第一表面上的第一焊盤、附接至所述第一襯底的所述第一表面的管芯； 第二襯底，包括位于所述第二襯底的第一表面上的第二焊盤； 螺柱球，位于所述第一焊盤上；以及 焊料連接件，將所述螺柱球連接至所述第二焊盤。
10.一種結(jié)構(gòu),包括: 第一接合焊盤，位于第一襯底的第一表面上； 管芯，附接至所述第一襯底的所述第一表面； 第二接合焊盤，位于第二襯底的第二表面上，所述第一表面與所述第二表面相對(duì)，所述管芯設(shè)置在所述第一表面和所述第二表面之間； 螺柱球，位于所述第一接合焊盤上；以及 焊料，將所述螺柱球機(jī)械地連接至所述第二接合焊盤。
全文摘要
本發(fā)明涉及堆疊封裝(PoP)的結(jié)構(gòu)和形成PoP結(jié)構(gòu)的方法。根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，結(jié)構(gòu)包括第一襯底、螺柱球、管芯、第二襯底和電連接件。螺柱球與第一襯底的第一表面相接合。管芯附接至第一襯底的第一表面。電連接件與第二襯底連接，以及對(duì)應(yīng)的電連接件與對(duì)應(yīng)的螺柱球相連。
文檔編號(hào)H01L23/488GK103137589SQ201210193800
公開日2013年6月5日 申請(qǐng)日期2012年6月12日 優(yōu)先權(quán)日2011年11月30日
發(fā)明者余振華, 李明機(jī), 劉重希, 鄭明達(dá) 申請(qǐng)人:臺(tái)灣積體電路制造股份有限公司