减小基片与基片上的凸出电极之间的应力制造技术

本发明专利技术涉及具有基片和凸出电极的半导体元件。凸出电极具有基片表面，其面向基片并且包括一个通过间隙与基片分离的第一基片表面部分。该间隙允许凸出电极相对基片发生应力补偿形变。凸出电极的基片表面还包括第二基片表面部分，其与基片具有固定的机械连接并具有电连接。由于凸出电极与基片之间的机械连接的覆盖面积较小，凸出电极可以在三个维度上顺应所施加的机械应力，而不会将相同量的应力传递给基片或传递给组件中的外部基片。这使得组件寿命得以提高，在组件中半导体元件通过凸出电极连接至外部基片。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及一种具有基片以及基片上的凸出电极的半导体元 件，该凸出电极用于将半导体元件电连接到外部基片上。本专利技术还涉 及包括半导体元件和外部基片的元件外接基片组件，涉及制造半导体 元件的方法，并且涉及制造元件外接基片组件的方法。
技术介绍
为了在诸如电路板的外部基片上安装半导体元件(如包括集成 电路的芯片)，公知的技术是通过半导体元件的内部基片上的凸出电 极使半导体元件结合到外部基片上。凸出电极通常形如凸块。注意， 在下文中将把半导体元件的内部基片简称为"基片"，外部基片将一直 称为"外部基片"而不加省略。US 5,545,589解决了凸块与半导体元件的基片(其上配置有凸出 电极)之间的机械应力的问题。为了避免破裂，在把面向基片的凸块 前端通过导电粘合剂固定到基片上之前为凸块前端提供了粗糙表面。 这样，接触表面积得以增加，从而提高了粘合强度，改进了机械连接 和电连接的可靠性。然而，凸块与基片之间更强固的机械连接仅提高 了可容许的机械应力阈值。
技术实现思路
根据本专利技术的第一方面，提供一种具有基片和基片上的凸出电 极的半导体元件。凸出电极适用于将半导体元件电连接至外部基片。 凸出电极具有基片表面，其面向基片并且包括一个通过间隙与基片分离的第一基片表面部分。该间隙允许凸出电极相对基片发生应力补偿 形变。凸出电极的基片表面还包括第二基片表面部分，其与基片具有 固定的机械连接并具有电连接。本专利技术的第一方面的半导体元件通过凸出电极与基片在第二基 片表面部分处的机械连接的减小的接触面积(相比于凸出电极的基片 表面的全部面积)，减小了凸出电极施加给基片的应力。如果施加了 机械应力，则凸出电极有能力通过其相对于基片发生三维形变来顺应 该应力。在凸出电极的基片表面的第一基片表面部分处将凸出电极与 基片分开的间隙减少了凸出电极与基片之间的接合并且使凸出电极 能够发生形变。凸出电极与基片之间的机械应力，或者在元件外接基片组件中 凸出电极与外部基片之间的机械应力例如是由元件与外部基片的热 膨胀系数之间的差异导致的。由于元件通常基于硅并且还包括金属层 以及由绝缘体构成的层，而外部基片通常由有机材料构成，从而在温 度变化时表现出不同的特性。由热膨胀系数的差异所导致的机械应力 会造成半导体元件基片上的隔离层的破裂、层的剥离、甚至硅的崩落。 在电路板一侧，也己观察到由于所施加的机械应力导致布置在电路板 上的薄膜的剥离。因此，凸出电极与基片之间的机械连接具有更小的覆盖面积(footprint)，本专利技术的第一方面的半导体元件的凸出电极能够在三 个维度上顺应所施加的应力，而不会将相同量的应力传递给基片或者 外部基片。不同于增加凸块和基片之间的连接的机械强度(如US 5,545,589所建议)，本专利技术的第一方面的半导体元件具备增强的顺 应机械应力的能力。这还使得组件寿命得以提高，在所述组件中半导 体元件的基片通过凸出电极连接至外部基片。本专利技术具有很宽的应用范围。其可以用于半导体元件和外部基片的组件，用于基于Si、 GaAs、 SiGe或其它技术的分立元件、用于 光学元件、用于机械组件、用于MEMS、以及任何其它使用刚性凸 出电极结构的组件。根据本专利技术的第二方面，提供一种包括本专利技术的第一方面的半 导体元件的元件外接基片组件，其中所述半导体元件通过凸出电极连 接至外部基片。该元件外接基片组件享有本专利技术的第一方面的半导体 元件的优点。下面将对本专利技术的第一方面的半导体元件的优选实施例以及元 件外接基片组件的优选实施例进行描述。应当理解，半导体元件的优 选实施例也构成了包含本专利技术的第一方面的半导体元件的元件外接 基片组件的优选实施例。此外，除非是明确描述的替代实施例，文中 所述的实施例可以彼此进行组合。凸出电极和基片之间的机械连接的覆盖面积可以最小化为在基 片和凸出电极之间提供工作状态所需粘合力的所需量。因此，在第一 实施例中，第二基片表面部分相对第一基片表面部分所占的面积量与 基片和凸出电极之间所需的最小粘合力相对应。在此实施例中，第一 基片表面部分的面积比例是最大化的，从而容许凸出电极通过应力引 发的形变来尽可能地顺应所施加的机械应力。可以在基片和凸出电极的第一基片表面部分之间的间隙中填充 任何允许凸出电极相对基片发生应力引发的形变的介质。尽管优选气 体介质，但是还可以用液态介质或乳浊液来填充间隙，以改善基片与凸出电极之间的热接触。优选的是，凸出电极的基片表面是平坦的。这提供了易于加工 的特别简单的凸出电极几何结构。在一个替代实施例中，凸出电极的基片表面具有凹进结构，其 在第一基片表面部分和基片之间形成间隙。然而，优选的是，第一基片表面部分和基片之间的间隙包括与 基片相关联的凹进结构。此实施例提供了能够通过制造基片期间的很 简单的处理技术、以及后续对凸出电极在第一基片表面部分的范围内进行钻蚀(under-etching)来制造的间隙，如在本专利技术方法的优选实 施例的部分所详细说明的。在刚刚描述的实施例中，凹进结构优选地包括不同的面向凸出 电极的表面部分，它们被布置在距离第一基片表面部分中的凸出电极 底表面的不同距离处。该凹进结构可以包括例如多个相邻的沟槽状结 构，这些结构会在钻蚀步骤中通过毛细效应促进液态蚀刻剂的扩散。此外，凹进结构优选形成在布置于基片上的叠层中。叠层可以 包括例如金属化层以及沉积在金属化层上的钝化层。在这样的层结构中，凸出电极在其第二基片部分与金属化层连接，以建立与基片的电 连接。钝化层优选由电绝缘材料如二氧化硅Si02或氮氧化硅构成。在一个实施例中，既在凸出电极的基片表面上也在基片侧提供 了凹进结构。凸出电极与基片在第二基片表面部分处的机械粘合优选地通过 导电粘合层来增强。该粘合层可以例如沉积在上述层结构中的金属化 层上。然而，粘合层不延伸至第一基片表面部分以提供凸出电极的形 变能力。凸出电极优选地形成凸块，如在现有技术中广泛使用的。适用 于形成凸出电极的优选材料是金Au和铜Cu。其它的例子有铝Al、 银Ag、铂Pt或镍Ni。 一般来说，任何能够制造成所需高度、形状 并能连接至外部基片的导电层都可适用。在元件外接基片组件的一个实施例中，外部基片包括金属电极， 该金属电极与半导体器件的凸出电极相连接。尽管一般在基片上提供 间隙并且不在外部基片上提供间隙较为容易，仍然可以在凸出电极和 外部基片的交界处提供相应的应力顺应结构。根据本专利技术的第三方面，提供一种在基片上制造半导体元件的方法。该方法包括如下步骤在基片上制造用于将半导体元件电连接至外部基片的凸出电极，在基片和凸出电极在其第一基片表面部分的基片表面之间制造 间隙，该间隙容许凸出电极相对基片发生应力顺应形变，将第二基片表面部分处的凸出电极电连接并机械固定到基片上。在本专利技术的上述方法中，制造间隙的步骤是在制造凸出电极的 步骤之后进行或者同时进行的。这包含了以多个处理步骤来制造间隙 的可能性，其中某些步骤与制造凸出电极的步骤同时进行，某些步骤在制造凸出电极的步骤之后进行。同时制造间隙和电极意味着在尚未 完成凸出电极的制造时制造间隙。此外，对凸出电极的第二基片表面部分进行电连接以及机械固定的步骤是在制造间隙的步骤之前进行或者同时进行的。这包含了以 多个处理步骤来制造间隙的可能性本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种半导体元件（１００），具有基片（１０２）和基片上的凸出电极（１０４），所述凸出电极用于将半导体元件电连接至外部基片（２０２），　其中所述凸出电极具有基片表面（１３０），所述基片表面（１３０）面向所述基片并且包括通过间隙（１１４）与 基片分离的第一基片表面部分（１３２），所述间隙（１１４）允许凸出电极相对基片发生应力补偿形变，所述基片表面（１３０）还包括第二基片表面部分（１３４），其与基片具有固定的机械连接和电连接。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：约尔格贾斯珀，
申请(专利权)人：NXP股份有限公司，
类型：发明
国别省市：NL[荷兰]