[发明专利]用于在半导体裸片中缓解应力的布线层

说明书

技术领域

本发明总体上涉及半导体裸片，尤其是涉及用于半导体裸片(die)的布线层设计。

背景技术

现代半导体封装通过在半导体晶片上形成若干集成电路来制造。所述晶片通常被切割(dice)——切分为单独的片——每一片都被称为裸片。每一片裸片在表面上包括一或更多集成电路。该表面(往往被称为“有源表面”)包括被称为输入-输出(I/O)焊盘的许多信号接口接点。

裸片通常利用载体衬底(carrier substrate)进行封装，载体衬底包括适用于连接到外部电路板上的焊球(solder ball)。载体衬底通常包括核心和形成于所述核心的任一侧上的一或多个增强层(buildup layer)。每个增强层具有形成于介电材料层上的金属喷镀(metallization)或轨迹(trace)。载体衬底包括用于与裸片的I/O焊盘电气互连的接合焊盘(bond-pad)。所述衬底上的轨迹(trace)被用来使各接合焊盘与其对应焊球互连。

各种接合技术可用来在裸片上的I/O焊盘和衬底上的接合焊盘之间形成可靠的电气连接。最受欢迎的技术中的两种是引线接合技术和覆晶组装技术。

在引线接合技术中，裸片被放置在载体衬底上，其有源表面背向载体衬底。然后引线一端被接合到裸片上的I/O焊盘，另一端被接合到衬底上的对应接合焊盘。

然而，在覆晶组装技术中，当连接裸片时，裸片的有源表面面向载体衬底。在连接之前，被称为焊料突起(solder bump)的少量焊料被沉积于各个I/O焊盘上。然后，焊料突起被熔化以使裸片上的各个I/O焊盘与衬底上的对应接合焊盘互连。

裸片上的I/O焊盘可被设置在该裸片的有源表面上的任何地方。例如，在一些裸片中，I/O焊盘可遍布整个有源表面而在另一些裸片中，I/O焊盘可被限制在裸片的外围边界附近。在这两种情况下，裸片上的I/O焊盘通常都不与其最终要连接的衬底上的接合焊盘对齐。I/O焊盘也可能互相靠得太近而不能在覆晶组装过程中形成所需要的适当的焊料突起。因此，有利的做法通常是重新分配(redistribute)这些原I/O焊盘到更适合焊料突起的形成的新的焊盘位置(称为突起焊盘)。然后，所述突起焊盘可与衬底上的接合焊盘对齐并利用焊料突起连接。为了重新分配原I/O焊盘到适合覆晶接合的新的突起焊盘位置，通常在硅晶片上或单独的裸片上的有源表面上形成布线层或重新分配层(RDL)。

布线层(routing layer)通常形成于薄的介电层上，在所述介电层上，导电轨迹(trace)被形成来使各个I/O焊盘与对应突起焊盘互连。除了在它们互连的I/O焊盘处外，所述轨迹通过介电材料与裸片的更下面的层绝缘。布线层允许I/O驱动器被放置在裸片中的任何地方，却不必考虑衬底接合焊盘的位置。然后，I/O驱动器可在裸片中自由放置，因为重新分配层会将形成于突起焊盘上的焊料突起与衬底上的接合焊盘对齐。布线层的使用还简化了衬底的形成，且往往导致更少的增强层，这减少了成本。

布线层可包括多层介电材料以及取决于布线需要的相关轨迹。往往在顶部布线层上形成钝化层，以保护金属轨迹避免暴露于空气。所述钝化层中的开口暴露突起焊盘。

通常在暴露的突起焊盘上形成下方突起金属喷镀(UBM)以提供与焊料突起的低电阻电气连接，用于到衬底的连接。通常在突起焊盘的UBM上例如通过焊膏的沉积形成焊料突起。

在覆晶连接过程中，形成于重新分配的突起焊盘上的焊料突起与衬底中的对应接合焊盘对齐，然后再流焊或熔化以形成可靠的电气接点或机械接点。

在将半导体裸片附着到衬底上之后，其焊料突起在操作过程中往往受到机械应力或热应力。各个突起焊盘帮助吸收许多应力，否则，应力会影响布线层中的放在下面的介电层。为了缓冲来自焊料突起的这些应力，各个突起焊盘往往做得至少与其对应的UBM一样大(且往往实质上大于其对应的UBM)。

但是，这是不利的，因为较大的突起焊盘减少了布线层中可用于布置导电轨迹的区域，导致轨迹和突起焊盘的更密集的排布，这会潜在地危及信号完整性。而且必须布置在大突起焊盘的周围的轨迹会需要被制造得更长，这增加了其电阻和电容。轨迹上的增加的电阻和电容往往导致电源轨迹中的电压下降以及信号轨迹中的更长的传播延迟。另外，更新、更小的裸片往往要求远远更小的突起焊盘以增加用于其布线需要的可用区域，且往往使用脆性介电材料。

一种用于减小突起焊盘尺寸的已知方法是在小突起焊盘顶上的大UBM之间使用聚酰亚胺以帮助缓解会影响裸片的介电层的应力。但可惜的是，这增加了封装成本且用脆性介电层可能不能很好地工作。