TW201306197A - 以金屬柱銲接為晶片連接之半導體封裝構造 - Google Patents

Abstract

揭示一種以金屬柱銲接為晶片連接之半導體封裝構造，主要包含一具有金屬柱之晶片、一基板及銲料。基板之上表面設置有複數個在接墊兩側之間隔條。銲料焊接晶片之金屬柱與基板之接墊。其中，該些間隔條提供一支撐高度，略大於該些金屬柱之突出高度，當晶片接合時，晶片之該主動表面接觸至該些間隔條，令該基板平行於該晶片並且金屬柱不致直接碰觸到接墊。藉以改善習知MPS-C2封裝構造因晶片與基板非平行壓合產生在金屬柱側邊之封裝氣泡以及金屬柱下銲料橋接短路之問題。

Description

以金屬柱銲接為晶片連接之半導體封裝構造

本發明係有關於半導體裝置，特別係有關於一種以金屬柱銲接為晶片連接之半導體封裝構造。

「以金屬柱銲接為晶片連接」(MPS-C2,Metal Post Solder-Chip Connection)是一種先進的覆晶接合技術，習知覆晶接合是在晶片主動面上設置複數個銲球，作為與基板結合之凸塊，藉由晶片翻轉使主動面朝向基板以及迴焊(reflowing)溶接的方式，使銲球電性與機械性接合至在基板的對應接墊上。然而，銲球為圓弧側壁，當凸塊間距設計越來越小，相鄰銲球容易焊接一起，故使用銲球的覆晶接合不符合微間距凸塊(間距小於100微米)接合之要求。

美國專利US 6,229,220 B1號「Bump structure,bump forming method and package connecting body」，IBM(International Business Machines Corporation)公司採用金屬柱取代以往的銲球，作為覆晶接合之凸塊，以銲料連接金屬柱與基板上接墊。迴焊之溫度只能熔化銲料而未到達金屬柱的熔點，使金屬柱保持柱狀形狀。金屬柱(即作為晶片凸塊的間距)得以縮小，也不會發生傳統銲球橋接短路的問題。因此，凸塊可更高密度配置，亦能維持至少大於金屬柱高度的覆晶間隙。然而，在迴焊之前或同時，需要使用覆晶接合機使晶片往基板壓合，在實際MPS-C2半導體封裝產品中會有一定的製程不良品。

如第1圖所示，一種習知典型的「以金屬柱銲接為晶片連接」(MPS-C2)之半導體封裝構造100主要包含一晶片110、一基板120及銲料140。該晶片110之主動片設有複數個金屬柱112，藉由銲料140接合該些金屬柱112至位在該基板120上表面之複數個接墊122。另以一底部填充膠之封膠體150填入在該晶片110與該基板120之間的覆晶間隙。該些金屬柱112之高度為覆晶間隙之二分之一以上，使銲料140不足以被迴焊成球狀。由製程不良品分析發現，該晶片110會相對於該基板120產生傾斜或斷裂，部份之金屬柱112下方之銲料140會過度溢出，甚至於導致銲料橋接之電性短路，而且因該晶片110之傾斜使得覆晶間隙不一致，該封膠體150在覆晶間隙變小的空間容易產生氣泡151，使得MPS-C2半導體封裝產品的可靠度不佳。據此研判，此缺陷之形成係為在迴焊之前或過程中覆晶接合力量過大所造成，其目的是為了使尚未迴焊前之銲料能有效接觸所有金屬柱至對應之接墊。如覆晶接合力量過小，因基板本身會有一定水平度偏差，以印刷電路板為例將更為明顯，如壓合力量過小，迴焊前之銲料則無法接觸所有金屬柱至對應接墊，導致空焊或假焊問題。因此，習知MPS-C2半導體封裝產品在覆晶接合步驟的製程窗(即可供作業的允許範圍)甚小，機台參數之設定或是基板特性之掌握稍有不慎，便產生不良品。

有鑒於此，本發明之主要目的係在於提供一種以金屬柱銲接為晶片連接之半導體封裝構造，用以改善習知「以金屬柱銲接為晶片連接」(MPS-C2)類型半導體封裝構造因晶片與基板非平行壓合產生在金屬柱側邊之封裝氣泡以及金屬柱下銲料橋接短路之問題。

本發明的目的及解決其技術問題是採用以下技術方案來實現的。本發明主要揭示一種以金屬柱銲接為晶片連接之半導體封裝構造，係主要包含一晶片、一基板及銲料。該晶片係具有複數個設於一主動表面之金屬柱。該基板係具有一上表面，該基板在該上表面設置有複數個接墊以及複數個在該些接墊兩側之間隔條。該銲料係焊接該些金屬柱之複數個突出端面至該些接墊。其中，該些間隔條之高度係略大於該些金屬柱之突出高度，當該晶片之該主動表面接觸至該些間隔條，令該基板平行於該晶片並且該些突出端面至該些接墊之間形成一使該些金屬柱不致直接碰觸到該些接墊之固定焊接間隙。

本發明的目的及解決其技術問題還可採用以下技術措施進一步實現。

在前述的半導體封裝構造中，該晶片之該主動表面係可包含一供接觸該些間隔條之保護層。

在前述的半導體封裝構造中，該基板係可為一印刷電路板。

在前述的半導體封裝構造中，可另包含一封膠體，係至少填入於在該晶片與該基板之間的間隙，以密封該些金屬柱、該銲料與該些間隔條。

在前述的半導體封裝構造中，該封膠體係可為一底部填充膠。

在前述的半導體封裝構造中，該封膠體係可為一模封化合物，並密封該晶片。

在前述的半導體封裝構造中，該基板之該上表面係可形成有一焊罩層，該些間隔條係形成於該焊罩層上並且為一厚度大於該焊罩層之增厚防焊圖案。

在前述的半導體封裝構造中，該些間隔條係可具有一平行於該晶片之鄰近側邊之連續條狀。

在前述的半導體封裝構造中，該些間隔條係可具有一平行於該晶片之鄰近側邊之非連續條狀。

在前述的半導體封裝構造中，在該晶片與該基板之間的間隙係可超過該晶片之厚度。

以下將配合所附圖示詳細說明本發明之實施例，然應注意的是，該些圖示均為簡化之示意圖，僅以示意方法來說明本發明之基本架構或實施方法，故僅顯示與本案有關之元件與組合關係，圖中所顯示之元件並非以實際實施之數目、形狀、尺寸做等比例繪製，某些尺寸比例與其他相關尺寸比例或已誇張或是簡化處理，以提供更清楚的描述。實際實施之數目、形狀及尺寸比例為一種選置性之設計，詳細之元件佈局可能更為複雜。

依據本發明之第一具體實施例，一種以金屬柱銲接為晶片連接之半導體封裝構造200舉例說明於第2圖之截面示意圖以及第3圖在晶片接合時之截面示意圖。該半導體封裝構造200係主要包含一晶片210、一基板220及銲料240。

該晶片210係具有複數個設於一主動表面211之金屬柱212，例如銅柱、金柱、銀柱、高溫錫鉛柱或複數金屬層組成之金屬柱。該主動表面211係為各式所需積體電路之形成表面，該主動表面211可更設置有複數個銲墊213，作為積體電路之對外接點，而該些金屬柱212可利用電鍍或是接植方式設置於該些銲墊213上，該些金屬柱212可直接接合於該些銲墊213，或者在該些銲墊213與該些金屬柱212之間可設置有一凸塊下金屬層(圖中未繪出)。該基板220係具有一上表面221，該基板220在該上表面221設置有複數個接墊222以及複數個在該些接墊222兩側之間隔條230，可為絕緣材質。該些間隔物230不僅僅只有維持覆晶間隙之作用，同時作為一緩衝體，用以避免在晶片壓合時發生該晶片210之斷裂或該些金屬柱212之損傷。較佳地，該晶片210之該主動表面211係可包含一供接觸該些間隔條230且電性絕緣之保護層214，以避免該晶片210之電性短路以及避免因該些間隔條230之壓迫所造成內部積體電路之損傷。

在一具體結構中，該基板220之該上表面221係可形成有一焊罩層223，該些間隔條230係形成於該焊罩層223上並且為一厚度大於該焊罩層223之增厚防焊圖案，使得該些間隔條230可在基板220製程中同時被製作，以降低該些間隔條230之設置成本，並且該些間隔條230與該焊罩層223的結合良好，不會有位移的問題。此外，由增厚防焊圖案構成之該些間隔條230也相對於該晶片210與該些金屬柱212更為柔軟，以發揮晶片壓合時在該晶片210與該基板220之間的緩衝體作用，該晶片210即使有傾斜現象也會回復到與該基板220平行之狀態。

該銲料240係焊接該些金屬柱212之複數個突出端面215至該些接墊222。並且，該些間隔條230之高度Hs係略大於該些金屬柱212之突出高度Hp，其中該些間隔條230之高度Hs係為由該上表面221至該些間隔條230用以接觸該主動表面211之一表面之垂直高度，該些金屬柱212之突出高度Hp係為由該主動表面211至該些突出端面215之垂直高度。在本實施例中，該些間隔條230之高度Hs亦應大於該些金屬柱212之間距。如第3圖所示，在晶片接合過程中可沿用既有的覆晶接合設備，該晶片210以一取放頭吸附並往該基板220壓合，該基板220係預先承載在一覆晶接合載台20上，並且在該些接墊222上可先塗覆一助焊劑30，可與對應位置之銲料240沾黏接觸，迴焊時有助於該銲料240對該些接墊222的焊接，而迴焊該銲料240的步驟可在晶片壓合之後放進一迴焊爐內進行，或者可以在晶片壓合之過程中同時加熱達成。當該晶片210之該主動表面211接觸至該些間隔條230，能令該基板220平行於該晶片210並且該些突出端面215至該些接墊222之間形成一供銲料240填充之固定焊接間隙，使該些金屬柱212不致直接碰觸到該些接墊222。更具體地，該基板220係可為一印刷電路板，利用該些間隔條230與該晶片210之壓迫接觸，有效解決習知印刷電路板的翹曲誤差造成的金屬柱212空焊以及焊料擴散的橋接問題。較佳地，在該晶片210接合之後，在該晶片210與該基板220之間的間隙係可超過該晶片210之厚度，以符合超薄型半導體封裝產品。

前述的半導體封裝構造可另包含一封膠體250，係至少填入於在該晶片210與該基板220之間的間隙，以密封該些金屬柱212、該銲料240與該些間隔條230。在本實施例中，該封膠體250係可為一底部填充膠。較佳地，如第4圖所示，該些間隔條230係可具有一平行於該晶片210之鄰近側邊之連續條狀，使得該些間隔條230更具有導引封膠體250流動之增益效果。在一變化實施例中，如第5圖所示，該些間隔條230’係可具有一平行於該晶片210之鄰近側邊之非連續條狀，非連續條狀的缺口有利於該些間隔條230’被該封膠體250包覆。

因此，本發明之以金屬柱銲接為晶片連接之半導體封裝構造200係用以改善習知「以金屬柱銲接為晶片連接」(MPS-C2)類型半導體封裝構造因晶片與基板非平行壓合產生在金屬柱側邊之封裝氣泡以及金屬柱下銲料橋接短路之問題。

依照本發明之第二實施例，另揭示一種以金屬柱銲接為晶片連接之半導體封裝構造。如第6圖所示，該半導體封裝構造300係主要包含一晶片210、一基板220及銲料240，其主要元件之作用與連接關係大致與第一實施例相同，故沿用相同圖號並不再贅述。其特徵在於，該些間隔條230之高度係略大於該些金屬柱212之突出高度，當該晶片210之該主動表面211接觸至該些間隔條230，令該基板220平行於該晶片210並且該些金屬柱212不致直接碰觸到該些接墊222。並在本實施例中，該封膠體250係可為一模封化合物，並密封該晶片210。此外，較佳地，該半導體封裝構造300係可另包含一熱固性黏膠331，係黏接該些間隔條230至該晶片210之主動表面211，以避免銲料240在迴焊之前的晶片位移。而該些間隔條230可具有一半錐形截面，以避免該熱固性黏膠331流動擴散到該基板220之該上表面221。

以上所述，僅是本發明的較佳實施例而已，並非對本發明作任何形式上的限制，雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，然而並非用以限定本發明，任何熟悉本項技術者，在不脫離本發明之技術範圍內，所作的任何簡單修改、等效性變化與修飾，均仍屬於本發明的技術範圍內。

20．．．覆晶接合載台

30．．．助焊劑

100．．．以金屬柱銲接為晶片連接之半導體封裝構造

110．．．晶片

112．．．金屬柱

120．．．基板

122．．．接墊

140．．．銲料

150．．．封膠體

151．．．氣泡

200．．．以金屬柱銲接為晶片連接之半導體封裝構造

210．．．晶片

211．．．主動表面

212．．．金屬柱

213．．．銲墊

214．．．保護層

215．．．突出端面

220．．．基板

221．．．上表面

222．．．接墊

223．．．焊罩層

230．．．間隔條

230’．．．間隔條

240．．．銲料

250．．．封膠體

300．．．以金屬柱銲接為晶片連接之半導體封裝構造

331．．．熱固性黏膠

Hs．．．間隔條之高度

Hp．．．金屬柱之突出高度

第1圖：習知以金屬柱銲接為晶片連接之半導體封裝構造之截面示意圖。

第2圖：依據本發明之第一實施例，一種以金屬柱銲接為晶片連接之半導體封裝構造之截面示意圖。

第3圖：依據本發明之第一實施例，該半導體封裝構造在晶片接合時之截面示意圖。

第4圖：依據本發明之第一實施例，該半導體封裝構造所使用之一基板之立體示意圖。

第5圖：依據本發明之第一實施例之變化例，該半導體封裝構造所使用之另一基板之立體示意圖。

第6圖：依據本發明之第二實施例，一種以金屬柱銲接為晶片連接之半導體封裝構造之截面示意圖。

200．．．以金屬柱銲接為晶片連接之半導體封裝構造

210．．．晶片

211．．．主動表面

212．．．金屬柱

213．．．銲墊

214．．．保護層

215．．．突出端面

220．．．基板

221．．．上表面

222．．．接墊

223．．．焊罩層

230．．．間隔條

240．．．銲料

250．．．封膠體

Hs．．．間隔條之高度

Hp．．．金屬柱之突出高度

Claims (10)

1. 一種以金屬柱銲接為晶片連接之半導體封裝構造，包含：一晶片，係具有複數個設於一主動表面之金屬柱；一基板，係具有一上表面，該基板在該上表面設置有複數個接墊以及複數個在該些接墊兩側之間隔條；以及銲料，係焊接該些金屬柱之複數個突出端面至該些接墊；其中，該些間隔條之高度係略大於該些金屬柱之突出高度，當該晶片之該主動表面接觸至該些間隔條，令該基板平行於該晶片並且該些突出端面至該些接墊之間形成一使該些金屬柱不致直接碰觸到該些接墊之固定焊接間隙。
2. 根據申請專利範圍第1項之以金屬柱銲接為晶片連接之半導體封裝構造，其中該晶片之該主動表面係包含一供接觸該些間隔條之保護層。
3. 根據申請專利範圍第1項之以金屬柱銲接為晶片連接之半導體封裝構造，其中該基板係為一印刷電路板。
4. 根據申請專利範圍第1項之以金屬柱銲接為晶片連接之半導體封裝構造，另包含一封膠體，係至少填入於在該晶片與該基板之間的間隙，以密封該些金屬柱、該銲料與該些間隔條。
5. 根據申請專利範圍第4項之以金屬柱銲接為晶片連接之半導體封裝構造，其中該封膠體係為一底部填充膠。
6. 根據申請專利範圍第4項之以金屬柱銲接為晶片連接之半導體封裝構造，其中該封膠體係為一模封化合物，並密封該晶片。
7. 根據申請專利範圍第1項之以金屬柱銲接為晶片連接之半導體封裝構造，其中該基板之該上表面係形成有一焊罩層，該些間隔條係形成於該焊罩層上並且為一厚度大於該焊罩層之增厚防焊圖案。
8. 根據申請專利範圍第1項之以金屬柱銲接為晶片連接之半導體封裝構造，其中該些間隔條係具有一平行於該晶片之鄰近側邊之連續條狀。
9. 根據申請專利範圍第1項之以金屬柱銲接為晶片連接之半導體封裝構造，其中該些間隔條係具有一平行於該晶片之鄰近側邊之非連續條狀。
10. 根據申請專利範圍第1或6項之以金屬柱銲接為晶片連接之半導體封裝構造，其中在該晶片與該基板之間的間隙係超過該晶片之厚度。