TW201007862A - Material connection method for metal contact structure - Google Patents

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201007862 六、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係有關一種使至少兩個金屬接點結構材料連接之 方法及裝置，其各具一平坦或彎曲接觸部分，其中至少一 接觸部份的接觸面具有凸起的微結構，使兩接點結構互相 接觸，而至少在微結構與相對的接點結構之間產生材料連 接。 參 【先前技術】 製造高積體微電子元件及系統時，隨著晶片功能密度的 成長，需要高密度的佈線結構以使晶片或積體電路達到電 性接觸。今日微電子所使用的整合技術為所謂的sip (Systems in package)或 s〇p(Systems〇nPackage)，其在 ❹技術上介於將所有功能整合在一矽晶片上的系統單晶片與 將各元件整合在一印刷電路板上的多晶片模組之間。由於 所使甩晶片模組微型化之要求提高，故研發出csp (Chip Size Package)，其晶片封裝外殼只略大於晶片本身，亦參 閲 WO 2003/065448 或 US 590910,晶圓級封裝 WLP(Wafer

Level package)可以晶圓進行所有1(：封裝步驟封包大小 與晶片大小一致，或亦可進行3D整合。 為達到可靠及持久的電性及機械連接，尤其是微電子元 3 201007862 件及半導體晶片積體電路等，一般皆使用打線接合技術及 其衍生技術，如楔形接合、球形接合、帶形接合或彼此相 對且至少部分重疊之晶片接面，所謂的接墊，構成的列或 陣列’其上方或之間可塗佈導電輔助材料。 塗佈於至少-連接元件晶片接面之輔助材料可為焊料或 焊堆陣列，所謂的焊點凸塊，其例如構成一球柵格陣列bga (BaU Grid Array)。電鍍沉積出之金屬凸塊或一或多個堆疊 參金球構成的所謂金凸塊亦可使連接元件接觸而不使用焊 堆0 所謂的無凸塊覆晶技術經常使用一種橋接導電材料，例 如等向性導電膠。橋接導電顆粒，如非等向性導電膠亦可 使兩接觸元件之接面持久連接。所有將表面具有接面之晶 片翻轉的接觸方法皆屬覆晶技術。 - 曰曰曰圓之連接使用曰曰曰圓接合技術。#原理基本上與兩連接 元件機械連接之材料接觸相同，以導通電流及/或熱能。 金屬材料連接，亦即利用焊堆溶化而接合或接墊金凸塊 無焊料接合，除了使用壓力以外，亦可利用暫時提高溫度 及接合工具（覆晶接合機、晶圓接合機等）局部竊合超音 波而提供所需的能量。相關之技術例如為熱壓接合及熱壓 接超音波接合（TCB )。 由於使用之半導體材料本身或其上方之元件或與其連接 之載體或基板，例如聚合物薄膜，對溫度負荷或壓力負荷 201007862 敏感，故提升覆晶技術之使用性需降低接合使用之能量， 尤其是熱能’亦包括超音波能量。兩者可同時提高覆晶製 程之通過量。此處溫度在川代以下時被稱作低溫製程。 晶片接面及其相應接觸面，所謂的卩以或

Footprint，具有一配合接合方法 〇接〇万在之表面0口質，而為無光澤 或有光澤。所使用焊點凸塊的大小即焊點體積必須配合互 相接觸之接面的大小。焊料熔化時的毛細管力會導致接觸 籲面接觸，其凝固時使其連接。使用大面積bga時的要求 為，陣列所有焊墊需可靠地彼此連接，接面或焊點體積的 大小不均句時無法達到可靠及持久的接觸。 此外，具次結構之接面亦為已知。Cu、Pd及Cu-Pd合金 可在焊墊一側產生樹枝狀晶體，以在接觸之焊球熔化前達 到可逆機械連接’參閱US 5075965。為改良對位及連接， 接面亦可設有凹口，參閱US 6683387B1，或平凹槽，參閱 φ Wen S，Huff D，Lu G-Q (2001) Enhancement of Thermal Fatigue Reliability of Power Semiconductor interconnects using Dimple-Array Solder Joints。Proc 32nd IEEE Power Electronics .Specialists Conference o Vancouver， Canada， 6 月 17-22 日，1926-1931 〇 為使無焊料之覆晶接合（FCB)產生BGA之粗糙焊墊，可 使基礎材料在金屬沉積之前被化學或機械粗糙化，參閱US 58 16478A。亦可在金屬接面增設鑽石顆粒而改良覆晶接合 201007862 之連接，參閱US 6630203 B2。0.5 μιη-5 0 μπι大的鑽石顆粒 可首先被鎳然後被金無電流覆蓋，而在連接時增大產生接 觸的面。亦可使用接觸夾於絕緣導線，其設有晶體表面， 而在利用一彈簧夾緊時確保導線穿過絕緣層而可靠接觸 [ΕΡ1463151Α2] 〇 規則分佈之接觸面次結構，例如柱體或棒體，參閱Wang T，Tung F, Foo L, Dutta V (2001) Studies on a novel φ flip-chip interconnect structure。Pillar bump。 In: Electronic Components and Technology Conference, 2001。 Proceeding, 51st 945-949 (05/29/2001- 06/01/2001, Orlando, FL, USA) ISBN:0-7803-7038-4; Tummala RR, Raj PM, Aggarwal A, Mehrotra G, Koh SW, Bansal S, Tiong TT, Ong CK, Chew J, Vaidyanathan K. Rao V S (2006) Copper Interconnection for High Performance and Fine Pitch Flipchip digital Applications and Ultra-miniaturized RF Module .Application o Fifty-Sixth Electronic Components & Technology Confernce (ECTC) 2006 年 5 月 30 曰-6 月 2 曰， San Diego, USA ° Proceedings, pp. 102-111 }或金字塔形接 觸面，參閱 Watanabe N，Ootani Y, Asano T (2005) Pyramid Bumps for Fine-Pitch Chip-Stack Interconnection。Jpn. J. Appl. Phys. 44: 2751-275 5，可降低接合時需要的壓力及提 高熱負荷下的工作強度。此處上述金凸塊亦可被視作具次 結構之晶圓接面。 201007862 如目標在於使一電路板或另一基板上〇2〇1或〇丨〇〇5晶片 的標準化微被動元件接觸，則通常先使用一膠體預固定接 點，然後再以波焊、紅外線焊接等接合。同樣首先以所謂 的Chip on Board晶片直接封裝技術將封裝晶片或裸晶（即 所謂的bare dies)組裝在基板上，然後進行焊接或接合。 此處放置及接觸步驟之結合亦大為擴大可使用材料之範圍 及提升通過量。 ❹ 上述主動或被動微電子元件之載體及基板可使用不同硬 度及撓性的材料’如半導逋、陶瓷，例如HTCc、織物、 磁磚或顆粒與聚合物、聚合物薄膜、薄膜及紙之複合物。 通常簡單的以連接方式做區分’如剛性-剛性、剛性_撓性、 撓性-撓性。 以提供一種適用經常使用之基板材料的低溫接合方法為 目標時’無凸塊之覆晶技術（BLFC)為最理想方法。 【發明内容】 本發明之目的在於提供一種接面成形方法，使得無凸塊 之覆晶技術（BLFC)可在低溫及溫和的壓力之下達到可靠的 材料連接及電性接觸，而擴大覆晶技術之使用範圍。 本目的由申請專利範圍第1項之特徵部份所述方法達 成。申請專利範圍第17項提出一種使至少兩金屬接點結構 材料連接之裝置。本發明方法之裳置之有利其他設計參閱 201007862 申請專利範圍各附屬項及下述實施例之說明。 本發明使至少兩金屬接點結構材料連接之方法中，接點 結構各具一平坦或彎曲接觸部分，其中至少一接觸部份的 接觸面具有凸起的微結構，使兩接點結構互相接觸，而至 少在微結構與相對的接點結構之間產生材料連接，其特徵 為，首先使至少一接點結構接觸面上的微結構由垂直於接 觸面而凸起的肋狀陡坡晶粒構成，其各具一鋒利肋狀毛 • 刺，該毛刺局部具有一三角形尖端，毛刺在接觸面上的分 佈及其形狀與大小為隨機。接著使兩接點結構受力之作用 而互相連接，使得一接點結構上的微結構以其肋狀毛刺及 毛刺尖端與另一接點結構之接觸面接觸。有利的是使設有 微結構之至少一接點結構至少部份變形及/或以其毛刺尖 端插入另一接點結構中，而在兩接點結構之間產生材料連 接。 ® 晶片金屬接面較佳具有複數個完全覆蓋接面之凸起晶粒 肋狀毛刺。特別有利的是，使肋狀陡坡晶粒由與晶片接面 相同的材料構成，故以電鍍沉積出之晶粒與接面之間產生 可承受機械負荷之連接。當然亦可使晶粒由不同於接面的 金屬材料構成。較佳之金屬為金、銀、翻及銅。 以電化學方式沉積在接面上的晶體結構形狀近似微型化 的高山地形，具有複數個相連及/或互相穿插的陡坡晶體肋 片’其具毛刺及尖端’該肋片之形狀及大小為隨機。沉積 201007862 在接面上之晶體結構的平均最大粗糙度一般為Rz 〇〇ΐμιη 至50μιη，尤其是〇.5μηι至1〇μηι。此處各晶粒在底部，亦 即在連接之接面平面上，的縱向長度最大為ι〇〇μιη，尤其 是〇.5μη^ 10μηι，特別是1μιη至5μηι。晶粒底部之橫向 長度最大為2一’尤其是〇·1μιη至1μιη，特別是〇 5μπι 至2μιη。以沉積在接面上的整個晶體結構來看，具可變形 尖端及毛刺之晶粒所佔比例至少為接面的2〇%。此處每一 ❹陡坡晶粒至少具有兩個在毛刺相交的邊緣，其相交角度 α<90尤其疋α<6〇。。此種晶體形狀及大小特別具有穩定 性’而可使兩彼此連結之元件#晶粒形狀穩定地咬合。故 本發明方法使以突出微結構連接的接點結構或接面正面互 相接近時，眾多晶體邊緣及毛刺或肋狀毛刺及尖端在兩接 點結構的複數個接觸位置彼此相交。以力的作用繼續使兩 接點結構互相靠近時，接觸位置出現互相插入，而使兩接 點結構之間接觸面擴大’梳狀肋片互相咬合。兩連接元件 接點結構之微結構的此種插入及變形受益於構成晶體邊 緣毛刺及尖编所使用金屬的機械形狀穩定特性及其變形 特性。 除了上述兩連接疋件之連接方法外，本發明尚有關—種 使至少兩個金屬接點結構材料連接之裝置，其各具一平坦 或彎曲接觸部分，其中至少—接觸部份的接觸面具有^ 的微’構’其特徵在於’接觸面上的微結構由垂直於接觸 201007862 電路，其.電路載板為剛性或撓性 面而凸起的肋狀陡坡晶粒構成 該毛刺在接觸面上的分佈及其 此種裝置特別有利於電子零 電路板或撓性聚合物基板。 ’其各具一鋒利肋狀毛刺， 形狀與大小為隨機。 件之表面組裝，尤其是積體 尤其是陶瓷基板、印刷

以元素或化合物半導趙為基礎’電路載板為剛性或撓 性’尤其是陶究基板、印刷電路板或撓性聚合物基板，之 感測器或主動元件亦可以本發明方法彼此材料連結。 本發明方法之另一優點在於，所有種類基板，亦即剛性 或撓性基板，的整個上方皆可沉積或設置本發明金屬接點 結構。 半導體（晶片）材料、陶竟基板或聚合物基板（印刷電 路板及薄膜）接面之無焊劑連接可保持在高於室温臆 以内的溫度。 本發明方法之另一優點在於，兩連接元件接觸面連接後 之距離可特別小。彼此材料連接之元件間的縫隙高度可減 少到數微米。故可減少整體高度，尤其是疊置之晶片⑻p, s〇p)，而提高電子元件之封裝密度。 本發明方法之另一優點在於，可使用薄半導體材料。可 ，持BLFC結構之彈性變形及封裝撓性，而可應用於例如 汽車、航空儀電系統、智慧卡、穿戴式電腦、醫學技術等 領域 201007862 本發明方法之另一優點在於，由於可使用同種金屬覆晶 接點，例如金-金、銀-銀、鉑-鉑，故不會有介面合金共化 物（IMC)或相Ί封裝（連接）之溫度變化财受性（熱機 械穩定性）及功能可靠性提高。 散佈於接點結構整個表面的晶體毛刺、邊緣及尖端構成 連接το件之複數個接觸點，利用機械負荷而連接時可減少 彼此之塑性彈性變形，且至少部份增強彼此之咬合。故連 鲁接時局部使用的壓力超過一般有凸塊或無凸塊接觸面連接 程序初階時的壓力。 本發明接觸部分的大小，尤其是相應接點結構面積的比 例，不同於使用焊球的結構體，對接點的型態沒有影響， 其只受接點結構陣列面的層厚均勻度左右。設計接點結構 時，散佈之晶體毛刺、邊緣及尖端的幾何型態較佳利用電 鍍沉積條件而調整。本發明具有大小大致相同之晶體毛 刺、邊緣及尖端的BLFC打線接合可使整個連接.區域達到 一致的接觸。 1：鍍之金 屬成分’尤其是只為一種金屬，例如Au、Ag、pt。、ν» 體之基板可由同一材料或另一材料或數種不同的材 成’例如可使基板或載體完全.或部份被責金屬，.例如 銀、銘，或非貴金屬’例如紹、鈦、銅，構成的薄膜覆 此處基板本身的材料是否為半導體材料，例如石夕、氮化 11 201007862 砷化物、填化物'其他半導體材料或特殊條件下之超導材 料，為無關緊要。 本發明無凸塊覆晶（BLFC )接觸方法較佳用於微電子電 路之電性接點。該BLFC方法亦可製造出與絕緣散熱部之 導熱接點或此種面或區域。 上述方法可應用於下述實例中： -電子元件彼此之組合或組裝在剛性或徺性基板上 -微電子多層結構 _ LED或OLED結構體 -感測結構，可使用電性、電子、光學、生物檢測原理 -混合動力系統 -微電子元件與活細胞及組織之介面 -有或無附加黏合層之聚合物基板上導線之固定 -晶圓打線接合 _基板或晶圓上微機電動作感測系統（mems)2連接。 接點結構之晶體毛刺、邊緣及尖端通常與一導電結構， 例如導線’接觸，或與一散熱部材料連接接觸以排熱。 本發明兩連接元件材料連接之接點結構主要係用於在兩 連接元件之間產生電性接觸。具上述晶體結構之本發明接 面亦可如習知用於斑句圈垃餓 、巴圓接觸面之固體介質之電性接觸， 尤其是用於電荷注入。jt由，、,恭朴 其中以電何注入導電層為較佳之用 途。相關.之應用實例可玲明·1^· f Μ J Γ說月Nafion溥膜或電漿點火之擴散 12 201007862 層的接觸。本發明亦有關相關薄膜複數個接觸面之局部接 觸及其二度空間之圖案。 以下將依據附圖所示之實施例詳細說明本發明。 【實施方式】 第1至8圖中相同或近似之元件使用相同之編號。 ❿ 第1圖顯示一俯視圖以說明接點結構之表面。由圖中可 清楚看出’平面中晶體邊緣或毛刺之方向為隨機分佈。兩 個此種結構面對面接觸時’會產生已述之相互接觸、接觸 區及咬合，其將在下面被詳細說明。 第2圖顯示-多晶接點結構之侧視圖。由圖中可看出相 鄰較大毛刺及邊緣彼此直接或間接接觸。 第3圖顯示本發明接點結構一部分之截面圖。基板1〇上 的連接部份被本發明晶體層覆蓋。此處一金屬中間層Μ直 接覆蓋在基板表面上，其構成沉積晶粒之初金屬化層，晶 粒以邊緣或肋狀毛刺3 1及毛刺尖端3 2連接。 第4圖顯示上中下三個連續之步驟，其依序在一基板⑽ 之初金屬化層200上沉積出本發明之晶體層3〇〇。上圖只 顯示基板1〇〇’其為剛性或撓性或構成-元件之接觸部分: 中圖顯示基板與其上方之薄導電&酬。下圖顯示沉積在 其上方具上述晶體邊緣、毛刺及尖端之多晶層⑽。 第5圖三個連續的立體圖A、B、C顯示兩連接元件之晶 13 201007862 體結構實例。兩連接元件⑷彼此接近時首先（B)出現晶粒 局部接觸（40)，其經互相擠壓（c)而產生材料連接。 第ό圖為兩連接元件接觸面之對位實例。由圖中可看出 上方基板110的材料種類及組成或撓性及硬度與下方基板 不同。但其彼此連接之接觸面310的晶體結構則無不 同。 第7圖顯示晶體結構不同的兩個接觸面310及320。晶體 ® 層的厚度不同或相同為不重要。 第8圖為依據第i、2及5圖之圖，其中兩連接元件之表 面只有局部接觸及咬合。分別以斜線及菱格紋表示之兩連 接元件彼此進一步靠近時接面產生材料連結。 【圖式簡單說明】 第1圖係本發明具晶體邊緣、毛刺及尖端之接面的掃瞄 β 電子微顯微鏡圖。 第2圖係具晶體邊緣、毛刺及尖端之接面的細部圖（斜 視圖）。 第3圖係如第1及2圖具晶體邊緣、毛刺及尖端之基板 的截面圖’其利用基板表面之初禽屬化而產生一接點結構。 第4圖係在基板初金屬化層上產生本發明具散佈之晶體 邊緣、毛刺及尖端之接點結構之一實施例。 第5圖係連接過程中兩連接元件晶體邊緣局部接觸之示 201007862 意圖。 第6圖係具相同晶體表面之兩連接基板的對位示意圖。 第7圖係具不同晶體表面之兩連接基板的對位示意圖。 第8圖係晶體邊緣、毛刺及尖端以接觸及咬合而產生接 點之示意圖。 參 【主要元件符號說明】 10 基板 20 初金屬化 30 晶體層 30a 晶體邊緣 30b 晶體邊緣 31 晶體邊緣 32 晶體尖端 40 局部接觸 100 基板 110 基板 200 初金屬化 300 晶體層 3 10 晶體層 320 晶體層 15 201007862 400 接點

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Claims (1)

1. 201007862 七、申請專利範圍： 1. 一種使至少兩個金屬接點結構材料連接之方法，其各具 一平坦或彎曲接觸部分，其中至少一接觸部份的接觸面 具有凸起的微結構，使兩接點結構互相接觸，而至少在 微結構與相對的接點結構之間產生材料連接，其特徵為 包含下述步驟： -使至少一接點結構接觸面上的微結構由垂直於接觸面 而凸起的肋狀陡坡晶粒構成，其各具一鋒利肋狀毛 刺，該毛刺在接觸面上的分佈及其形狀與大小為隨 機；及 -使兩接點結構受力之作用而互相連接，使得一接點結 構上的微結構以其肋狀毛刺及毛刺尖端與另一接點結 構之接觸面接觸。 ’ 2. 參 3. 如申請專利範圍第1項之方法，其中，垂直於接觸面而 凸起的肋狀陡坡晶粒具一近似三角形之基本形狀。 如申請專利範圍第1或2項之方法，其中，至少兩肋狀 陡坡晶粒互相插入或至少接觸。. 4. 如申請專利範圍第1至3項中任一項之方法，其中，晶 粒肋狀毛刺具一三角形毛刺尖端。 5. 如申請專利範圍第4項之方法，其中，毛刺尖端削圓而 具小於1 μηι之半徑。 6. 如申請專利範圍第1至5項中任一項之方法，其中，至 17 201007862 少一接點結構接觸面上的微結構平均高度為〇 〇丨μιη至 50μιη，尤其是 0·5μιη 至 ΙΟμπι。 7·如申請專利範圍第1至6項中任一項之方法，其中，肋 狀陡坡晶粒在接觸面上的底部縱向長度可達1⑽， 肋片厚度可達25μιη。 8.如申請專利範圍第1至7項中任一項之方法，其中，每 一接點結構上肋狀毛刺佔整個接觸面的比例為至少2〇 • % ^ 9.如申請專利範圍第1至8項中任一項之方法，其中，肋 狀陡坡晶粒兩晶體邊緣構成的毛刺角度α可達9〇。，尤 其是α小於60。。 1〇.如申請專利範圍第i至9項中任一項之方法，其中 微結構直接以電鍍沉積或間接成形於基板上。 η.如申請專利範圍第1〇項之方法，其中，基板表面由 層導電材料構成及/或塗佈-層導電層，且基板表面 導電層上沉積出微結構。 12. 如申請專利範圍第1至^ 任一項之方法，其中 晶粒只由一種金屬成分構成。 13. 如申請專利範圍第丨至u 頡甲任一項之方法，其中 至少兩接點結構之連接利用〜 — 力負何，使得設在至少 接點結構上的微結構至少部 丨知變形及/或插入另一接 結構上的肋狀毛刺。 18 201007862 14 .如申請專利範圍第項中任一項之方法，盆中， 兩接點結構皆設有微結構時，兩接點結構的微結構至少 15. 部份互相咬合。 如申請專利範項中任—項之方法，其中， 兩接點結構之力貞荷連接被辅以超音波及/或熱能，其 被輸至兩接點結構之連接範圍。 16. ❹ 如申請專利範圍第1至15項中任一項之方法，其中， 以接點結構表面連結之連接元件可為：電子元件、積體 電路、剛性或撓性電路載板，如陶瓷基板、印刷電路板 或撓性聚合物基板。 17. 鲁 18. 19. 20. 一種使至少兩個金屬接點結構材料連接之裝置，其各 具一平坦或彎曲接觸部分，其中至少一接觸部份的接觸 面具有凸起的微結構，其特徵在於：至少一接點結構接 觸面上的微結構由垂直於接觸面而凸起的肋狀陡坡晶 粒構成’其各具一鋒利肋狀毛刺，該毛刺在接觸面上的 分佈及其形狀與大小為隨機。 如申請專利範圍第17項之裝置，其中，晶粒由一種金 屬成刀構成’其成.形在金屬或金屬化基板表面上。 如申請專利範圍第17或18項之裝置，其中，垂直於接 觸面而凸起的肋狀陡坡晶粒具一近似三角形之基本形 狀。 如申請專利範圍第17至19項中任一項之裝置，其中， 19 201007862 至少兩肋狀陡坡晶粒互相插入或至少接觸。 21. 如申請專利範圍第17至20項中任一項之裝置，其中， 晶粒肋狀毛刺具一三角形毛刺尖端，且毛刺尖端削圓而 具小於Ι μιη之半徑。 22. 如申請專利範圍第17至21項t任一項之裝置，其中， 至少一接點結構接觸面上的微結構的平均高度為 Ο.ΟΙμιη 至 50μιη 尤其是 0.5μπι 至 ΙΟμιη。 # 23.如申請專利範圍第17至22項中任一項之裝置，其中， 肋狀陡坡晶粒在接觸面上的底部縱向長度可達 ΙΟΟμηι，肋片厚度可達25μπι。 24. 如申請專利範圍第丨7至23項中任一項之裝置，其中， 每一接點結構上肋狀毛刺佔整個接觸面的比例為至少 20% 〇 25. 如申請專利範圍第17至24項中任一項之裝置，其中， ® 肋狀陡坡晶粒兩晶體邊緣構成的毛刺角度α可達9〇。， 尤其是α小於60。。 26. 如申請專利範圍第17至25項中任一項之裝置，其中’ 微結構直接以電鍍沉積或間接成形於基板上。 27. 如申請專利範圍第26項之方法，其中，基板表面由一 層導電材料構成及/或塗佈一層導電層，且基板表面或 導電層上沉積出微結構。 28. ——種如申請專利範圍第17至27項中任一項之裝置之 201007862 · 用途，其被使用於以元素或化合物半導體及剛性或撓性 電路載板為基礎之感測Is或主動元件。

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