TWI394247B - 免用焊料之金屬柱晶片連接構造與方法 - Google Patents

Description

免用焊料之金屬柱晶片連接構造與方法

本發明係有關於半導體裝置，特別係有關於一種免用焊料之金屬柱晶片連接構造與方法。

按，覆晶封裝技術(Flip-Chip)是一種先進的晶片封裝技術，能縮短了晶片與基板之間的傳輸距離，具有更優於打線連接的電性性能而逐漸普及。特別是，IBM公司之後更發展出一種創新的覆晶封裝技術，將晶片上凸塊採用金屬柱取代以往的銲球，另以焊料連接晶片上的金屬柱與基板上的接墊，在迴焊時不會有以往銲球成球的形狀改變，故金屬柱的間距可容許縮小的更為密集(凸塊間距可達到小於50微米，例如30微米)，達到更高密度或是省略RDL(重配置線路層)的凸塊配置，這種技術便稱之為「金屬柱焊接的晶片連接」，也就是所謂的MPS-C2(Metal Post Solder-Chip Connection)技術。此一MPS-C2相關技術已可見於美國專利US 6,229,220 B1號「Bump structure,bump forming method and package connecting body」。

如第1圖所示，一種習知MPS-C2架構的金屬柱晶片連接構造100主要包含一晶片110與一基板120。該晶片110係設有複數個金屬柱112，並突出於該晶片110之一表面111。該基板120之一上表面121係具有複數個接墊122，並且分別對應於該些金屬柱112。詳細而言，該些金屬柱112係藉由複數個焊料150焊接於該些接墊122上，另形成有一底部填充膠140，用以包覆該些金屬柱112、該些接墊122與該些焊料150。而達成該晶片110與該基板120之電性連接關係是以該些焊料150作為焊接界面，在材質與熔點上皆不同於該些金屬柱112與該些接墊122，易有銲點斷裂與阻抗增加的風險。

因此，傳統的MPS-C2技術在該晶片110與該基板120結合會使用該些焊料150去做晶片連接。其中，該些焊料150係可選用錫球(solder ball)或其它不同於凸塊成份的焊接劑，故在晶片連接時又需要考慮到不同材質間的金屬擴散與溼潤性，常使用到鎳(Ni)/金(Au)等作為凸塊表面鍍層，增加不少的焊接成本。此外，在後續迴焊步驟中，該些焊料150在加熱至迴焊溫度時，該些焊料150會熔化而具有流動性，當該些焊料150受到擠壓或震動會發生溢流之情況，更可能造成該些金屬柱112焊接到錯誤之接墊122，則將導致電性連接失敗。

為了解決上述之問題，本發明之主要目的係在於一種免用焊料之金屬柱晶片連接構造與方法，不需要使用以往的焊料做晶片連接，以提升銲點的導電性，特別應用於MPS-C2(金屬柱焊接的晶片連接)產品能夠節省使用焊料接合的成本。

本發明之主要目的係在於一種免用焊料之金屬柱晶片連接構造與方法，建立在金屬柱與接墊之間無焊料之U形金屬鍵合截面，大幅提升銲點的結合強度。

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。本發明揭示一種免用焊料之金屬柱晶片連接構造，主要包含一晶片以及一基板。該晶片係設有複數個金屬柱，係突出於該晶片之一表面，每一金屬柱係具有一頂面與兩平行側壁。該基板係具有一上表面以及複數個在該上表面之接墊，每一接墊係具有一凹穴底面與兩側凹穴側。其中，該晶片係接合於該基板之上表面，該些金屬柱之頂面係自我焊接至該些凹穴底面，該些金屬柱之兩平行側壁之局部係自我焊接至該些兩側凹穴側，以使該些金屬柱與該些接墊之間形成為無焊料之U形金屬鍵合截面。本發明另揭示上述免用焊料之金屬柱晶片連接構造之連接方法。

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。

在前述之金屬柱晶片連接構造中，該U形金屬鍵合截面係可為銅-銅界面。

在前述之金屬柱晶片連接構造中，該晶片之該表面係可為一主動面。

在前述之金屬柱晶片連接構造中，該些金屬柱係可更貫穿該晶片。

在前述之金屬柱晶片連接構造中，可另包含一底部填充膠，係形成於該晶片與該基板之間，以密封該些金屬柱。

在前述之金屬柱晶片連接構造中，該些接墊之凹穴深度係可不大於該些金屬柱之高度之三分之一。

由以上技術方案可以看出，本發明之免用焊料之金屬柱晶片連接構造與方法，有以下優點與功效：

一、可藉由金屬柱與接墊之特定組合關係作為其中一技術手段，由於每一金屬柱係具有一頂面與兩平行側壁，而每一接墊係具有一凹穴底面與兩側凹穴側，並且金屬柱之頂面係自我焊接至凹穴底面，金屬柱之兩平行側壁之局部係自我焊接至兩側凹穴側，以使金屬柱與接墊之間形成為無焊料之U形金屬鍵合截面。因此，不需要使用以往的焊料做晶片連接，以提升銲點的導電性，特別應用於MPS-C2(金屬柱焊接的晶片連接)產品時，能夠節省使用焊料接合的成本。

二、可藉由金屬柱與接墊之特定組合關係作為其中一技術手段，由於每一金屬柱係具有一頂面與兩平行側壁，而每一接墊係具有一凹穴底面與兩側凹穴側，並，利用熱、壓力與超音波施加予晶片以建立在金屬柱與接墊之間的無焊料之U形金屬鍵合截面。因此，可大幅提升銲點的結合強度。

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，一種免用焊料之金屬柱晶片連接構造舉例說明於第2圖之截面示意圖以及第3A至3C圖在覆晶接合過程中元件截面示意圖。該免用焊料之金屬柱晶片連接構造200係主要包含一晶片210以及一基板220。

請參閱第2圖所示，該晶片210係設有複數個金屬柱212，係突出於該晶片210之一表面211，每一金屬柱212係具有一頂面213與兩平行側壁214。詳細而言，該晶片210係已形成有積體電路(integrated circuit,IC)元件，例如記憶體、邏輯元件以及特殊應用積體電路(ASIC)，可由一晶圓(wafer)分割成顆粒狀。在本實施例中，該晶片210之該表面211係可為一主動面，即積體電路的形成表面。詳細而言，在該表面211(即主動面)係可另形成有複數個銲墊(圖中未繪出)，供該些金屬柱212之設置，在銲墊與金屬柱之間另可設置凸塊下金屬層(圖中未繪出)，以避免金屬柱內成份的金屬擴散。該些金屬柱212之材質可包含金、銅、鋁或其合金，可利用電鍍方式以形成柱狀。較佳地，可利用研磨或表面平坦技術，使該頂面213為平坦並有相同之高度。

該基板220係具有一上表面221以及複數個在該上表面221之接墊222，每一接墊222係具有一凹穴底面223與兩側凹穴側224。詳細而言，該基板220係可為一印刷電路板(printed circuit board,PCB)，作為半導體封裝結構內晶片承載與電性連接之媒介物。在一較佳實施例中，每一接墊222之兩凹穴側224之距離係可不大於對應之每一金屬柱212之兩平行側壁214之距離，以確保在覆晶接合中該些平行側壁214能摩擦接觸該些凹穴側224。該些接墊222之材質可包含銅，該凹穴底面223與該兩側凹穴側224之形成可利用圖案化蝕刻或圖案化電鍍技術達成。在一較佳實施例中，該些接墊222之凹穴深度係可不大於該些金屬柱212之高度之三分之一，以避免該些金屬柱212過度嵌埋於該些接墊222內並保持該晶片210與該基板220之間不可摩擦接觸之間隙。此外，在本實施例中，該些金屬柱212與該些接墊222係可具有相同之材質，例如，該些金屬柱212可為銅柱(Cu post)，而該些接墊222亦可為銅槽(Cu cave)。

此外，該晶片210係接合於該基板220之上表面221，該些金屬柱212之頂面213係自我焊接至該些凹穴底面223，該些金屬柱212之兩平行側壁214之局部係自我焊接至該些兩側凹穴側224，以使該些金屬柱212與該些接墊222之間形成為無焊料之U形金屬鍵合截面230。換言之，該U形金屬鍵合截面230係包含至少三個接合界面而呈非平面，上述的「接合界面」係位於該頂面213與該凹穴底面223之間以及兩平行側壁214與對應之兩凹穴側224之間。而「自我焊接」所指為利用該些金屬柱212表面的金屬原子活化擴散，而與該些接墊222形成相互金屬鍵結，不需要假借外加的焊料、凸塊鍍層或其它接合劑，基本上會在該U形金屬鍵合截面230產生斷續的金屬晶格界面，故在自我焊接之後在該些金屬柱212與該些接墊222之間的阻抗不會昇高，以「無焊料之U形金屬鍵合截面」作為銲點可達到較佳的導電性。在本實施例中，該U形金屬鍵合截面230係可為銅-銅界面或金-金界面，其中以銅-銅界面的成本較低。因此，該U形金屬鍵合截面230係不會有其它雜質、脆弱的鑄造結構或介金屬化合物的存在，而能形成較為平整無縫隙之接合面，不需要使用以往的焊料做晶片連接，以提升銲點的導電性。

此外，該免用焊料之金屬柱晶片連接構造200可另包含一底部填充膠240(underfill material)，係形成於該晶片210與該基板220之間，以密封該些金屬柱212。藉由該底部填充膠240在固化前的高流動性，用以避免該晶片210與該基板220之間形成空隙。在一較佳實施例中，該底部填充膠240係可選用硬度較高之材料，除了能保護該些金屬柱212之外，更可以補強整體的結構強度。

因此，本發明藉由金屬柱與接墊之特定組合關係作為其中一技術手段，毋須以往的焊料做晶片連接特別應用於MPS-C2(金屬柱焊接的晶片連接)產品能夠節省使用焊料接合的成本。這是因為每一金屬柱212係具有一頂面213與兩平行側壁214，並且每一接墊222係具有一凹穴底面223與兩側凹穴側224，並且該些金屬柱212之頂面213係自我焊接至該些凹穴底面223，該些金屬柱212之兩平行側壁214之局部係自我焊接至對應之兩側凹穴側224，以使該些金屬柱212與該些接墊222之間形成為無焊料之U形金屬鍵合截面230。此外，更大幅提升銲點的結合強度與導電性，免除了傳統使用焊料接合時易有焊銲點斷裂與阻抗增加的風險。

本發明還揭示該免用焊料之金屬柱晶片連接構造200的一種可行但非限定的製造方法，舉例說明於第3A至3C圖在製程中元件截面示意圖，用以清楚彰顯本發明之其中一功效，其詳細步驟說明如下所示。

首先，請參閱第3A圖所示，提供該晶片210，係設有複數個金屬柱212，係突出於該晶片210之一表面211，每一金屬柱212係具有一頂面213與兩平行側壁214。該些頂面213係不需要沾附習知所使用的焊料，除了毋須擔心會有焊料汙染問題之外，更可節省不少焊料之設置成本。

請參閱第3B圖所示，提供該基板220，在該基板220之上表面221設有複數個接墊222，每一接墊222係具有一凹穴底面223與兩側凹穴側224。具體而言，每一凹穴底面223與對應之兩側凹穴側224係可形成猶如U形槽之結構。

請參閱第3C圖所示，執行一覆晶接合之步驟，以接合該晶片210於該基板220之上表面221。經由一吸附式熱壓合治具(圖中未繪出)傳送熱、壓力與超音波並施加予該晶片210，以使該些金屬柱212之頂面213係自我焊接至該些凹穴底面223，該些金屬柱212之兩平行側壁214之局部係自我焊接至該些兩側凹穴側224，以使該些金屬柱212與該些接墊222之間形成為無焊料之U形金屬鍵合截面230。其中，所謂的「超音波」係指振動頻率不小於2萬赫茲(Hz)，對該晶片210及其金屬柱212產生每秒2萬次至4萬次的高頻率橫向振動，使得該些金屬柱212與該些接墊222的接合面因高頻振動而表面熔接，誘發原子擴散以形成相互金屬的原子結合，故不需要助熔劑也不需要通電流與加熱到該些金屬柱212之熔點。利用適當加熱該晶片210但不需要到達該些金屬柱212之熔點，以使連接在該晶片210之金屬柱212同時受熱而膨脹，同一金屬柱212之兩平行側壁214之距離可略大於對應接墊222之兩平行側壁214之距離，藉以增加該些金屬柱212之兩平行側壁214之局部與該些兩側凹穴側224的摩擦接觸，以達到側邊垂直向的自我焊接。利用施壓予該晶片210，確保該些金屬柱212之頂面213與該些凹穴底面223的摩擦接觸，以達到中央水平向的自我焊接。因此，利用熱、壓力與超音波施加予該晶片210，能夠在該些金屬柱212與該些接墊222之間建立無焊料之U形金屬鍵合截面230，可大幅提升銲點的結合強度。

第4A至4C圖為該金屬柱晶片連接構造200繪示其金屬柱、接墊與在覆晶接合過程中結合之示意圖。如第4A圖所示，每一金屬柱212之該頂面213係可為矩形，而每一金屬柱212除了具有上述的兩平行側壁214之外，可另具有一對平行的壁面，故使得該些金屬柱212形成為長方體。此外，如第4B與4C圖所示，每一接墊222之該凹穴底面223之面積係可不大於對應之頂面213之面積。更具體地，當該些金屬柱212接合至該些接墊222時，利用熱、壓力與超音波施加予該晶片210，該些頂面213與對應之凹穴底面223以及該些平行側壁214與對應之凹穴側224之間快速地振動摩擦，以使該些金屬柱212之頂面213自我焊接至該些凹穴底面223，以及該些金屬柱212之兩平行側壁214之局部自我焊接至該些兩側凹穴側224。第4C圖中箭頭所指方向即為利用超音波之振動方向，其係平行於該些平行側壁214與該些凹穴側224。

第5A至5C圖為在一變化實施例中該金屬柱晶片連接構造200繪示其金屬柱、接墊與在覆晶接合過程中結合之示意圖，用以說明不限定金屬柱之頂面與接墊之凹穴底面之形狀。如第5A圖所示，每一金屬柱212之該頂面213a係可為正方形，而能具有兩對相互平行且相等之平行側壁214a。並且，如第5B圖所示，每一接墊222係凹陷而形成猶如一容置槽之形狀，除了具有兩側凹穴側224a之外，更形成有另一對平行的側壁。更進一步地，該些接墊222之凹穴底面223a之形狀係可為長方形，並且該些接墊222之凹穴底面223a之面積係可大於該些金屬柱212之頂面213a之面積，以利自我焊接該些金屬柱212之頂面213a至該些凹穴底面223a。此外，該些凹穴底面223a之較短邊(即接墊222之兩凹穴側224a的距離)係不大於對應金屬柱212之頂面213a之對應邊長(即金屬柱212之兩平行側壁214a的距離)，故在該晶片210與該基板220接合時，依照第5C圖箭頭所指的超音波振動方向，該些金屬柱212之兩平行側壁214a能高頻振動摩擦至對應之該些接墊222之兩凹穴側224a，以利自我焊接該些金屬柱212之兩平行側壁214a至該些兩側凹穴側224a。

依據本發明之第二具體實施例，另一種免用焊料之金屬柱晶片連接構造300舉例說明於第6圖之截面示意圖。其中與第一實施例相同的主要元件將以相同符號標示，不再詳予贅述。

請參閱第6圖所示，該免用焊料之金屬柱晶片連接構造300係主要包含一晶片210與一基板220。該晶片210係設有複數個金屬柱212，係突出於該晶片210之一表面211，每一金屬柱212係具有一頂面213與兩平行側壁214。該基板220係具有一上表面221以及複數個在該上表面221之接墊222，每一接墊222係具有一凹穴底面223與兩側凹穴側224。其中，該晶片210係接合於該基板220之上表面221，該些金屬柱212之頂面213係自我焊接至該些凹穴底面223，該些金屬柱212之兩平行側壁214之局部係自我焊接至該些兩側凹穴側224，以使該些金屬柱212與該些接墊222之間形成為無焊料之U形金屬鍵合截面230。較佳地，該些金屬柱212係可更貫穿該晶片210。更進一步地，該晶片210被該些金屬柱212貫穿處係可形成有複數個貫通孔315，並且每一貫通孔315之孔壁係設置有一電鍍層316。該些電鍍層316係可選用導電材料，例如：銅(Cu)。詳細而言，該些貫通孔315也就是所謂的矽穿孔(Though Silicon Via,TSV)。藉由該些金屬柱212貫穿該晶片210之結構能提供垂直電性導通與穩固該些金屬柱212之作用，有助於該晶片210至該些金屬柱212之超音波振動傳導，以促進該U形金屬鍵合截面230之形成。在本實施例中，該些金屬柱212之突出表面211係可為該晶片210之背面，故該晶片210之主動面則遠離該基板220，以達到較佳散熱效果。此外，該些金屬柱212的外露端面可立體堆疊另一晶片。

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。

100．．．金屬柱晶片連接構造

110．．．晶片

111．．．表面

112．．．金屬柱

120．．．基板

121．．．上表面

122．．．接墊

140．．．底部填充膠

150．．．焊料

200．．．免用焊料之金屬柱晶片連接構造

210．．．晶片

211．．．表面

212．．．金屬柱

213．．．頂面

213a．．．頂面

214．．．平行側壁

214a．．．平行側壁

220．．．基板

221．．．上表面

222．．．接墊

223．．．凹穴底面

223a．．．凹穴底面

224．．．凹穴側

224a．．．凹穴側

230．．．U形金屬鍵合截面

240．．．底部填充膠

300．．．免用焊料之金屬柱晶片連接構造

315．．．貫通孔

316．．．電鍍層

第1圖：為習知的金屬柱晶片連接構造之截面示意圖。

第2圖：依據本發明之第一具體實施例的一種免用焊料之金屬柱晶片連接構造之截面示意圖。

第3A至3C圖：依據本發明之第一具體實施例的金屬柱晶片連接構造之覆晶接合過程中元件截面示意圖。

第4A至4C圖：依據本發明之第一具體實施例的金屬柱晶片連接構造繪示其金屬柱、接墊與在覆晶接合過程中結合之示意圖。

第5A至5C圖：依據本發明之一變化實施例的金屬柱晶片連接構造繪示其金屬柱、接墊與在覆晶接合過程中結合之示意圖。

第6圖：依據本發明之第二具體實施例的另一種免用焊料之金屬柱晶片連接構造之截面示意圖。

200．．．免用焊料之金屬柱晶片連接構造

210．．．晶片

211．．．表面

212．．．金屬柱

213．．．頂面

214．．．平行側壁

220．．．基板

221．．．上表面

222．．．接墊

223．．．凹穴底面

224．．．凹穴側

230．．．U形金屬鍵合截面

240．．．底部填充膠

Claims (10)

1. 一種免用焊料之金屬柱晶片連接構造，包含：一晶片，係設有複數個金屬柱，係突出於該晶片之一表面，每一金屬柱係具有一頂面與兩平行側壁；以及一基板，係具有一上表面以及複數個在該上表面之接墊，每一接墊係具有一凹穴底面與兩側凹穴側；其中，該晶片係接合於該基板之上表面，該些金屬柱之頂面係自我焊接至該些凹穴底面，該些金屬柱之兩平行側壁之局部係自我焊接至該些兩側凹穴側，以使該些金屬柱與該些接墊之間形成為無焊料之U形金屬鍵合截面。
2. 依據申請專利範圍第1項之免用焊料之金屬柱晶片連接構造，其中該U形金屬鍵合截面係為銅-銅界面。
3. 依據申請專利範圍第1項之免用焊料之金屬柱晶片連接構造，其中該晶片之該表面係為一主動面。
4. 依據申請專利範圍第1項之免用焊料之金屬柱晶片連接構造，其中該些金屬柱係更貫穿該晶片。
5. 依據申請專利範圍第1、2、3或4項之免用焊料之金屬柱晶片連接構造，另包含一底部填充膠，係形成於該晶片與該基板之間，以密封該些金屬柱。
6. 依據申請專利範圍第1、2、3或4項之免用焊料之金屬柱晶片連接構造，其中該些接墊之凹穴深度係不大於該些金屬柱之高度之三分之一。
7. 一種免用焊料之金屬柱晶片連接方法，包含：提供一晶片，係設有複數個金屬柱，係突出於該晶片之一表面，每一金屬柱係具有一頂面與兩平行側壁；提供一基板，係具有一上表面以及複數個在該上表面之接墊，每一接墊係具有一凹穴底面與兩側凹穴側；以及接合該晶片於該基板之上表面，利用熱、壓力與超音波施加予該晶片令該些金屬柱之頂面係自我焊接至該些凹穴底面，該些金屬柱之兩平行側壁之局部係自我焊接至該些兩側凹穴側，以使該些金屬柱與該些接墊之間形成為無焊料之U形金屬鍵合截面。
8. 依據申請專利範圍第1項之免用焊料之金屬柱晶片連接方法，其中該U形金屬鍵合截面係為銅-銅界面。
9. 依據申請專利範圍第1項之免用焊料之金屬柱晶片連接方法，其中該晶片之該表面係為一主動面。
10. 依據申請專利範圍第1項之免用焊料之金屬柱晶片連接方法，其中該些金屬柱係更貫穿該晶片。