專利名稱：凸塊接合結(jié)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型是有關(guān)于一種接合結(jié)構(gòu)，且特別是有關(guān)于一種凸塊接合結(jié)構(gòu)。
背景技術(shù)：
在半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)中，集成電路(integrated circuits，IC)的生產(chǎn)，主要可分為三個(gè)階段集成電路設(shè)計(jì)(IC design)、集成電路的制作(ICprocess)及集成電路的封裝(IC package)。在集成電路的制作中，裸芯片(die)系經(jīng)由晶圓(wafer)制作、電路設(shè)計(jì)、多道光罩制作以及切割晶圓等步驟而完成。晶圓具有一主動(dòng)面(active surface)，其泛指晶圓的具有主動(dòng)元件(active device)的表面。當(dāng)晶圓內(nèi)部的集成電路完成之后，晶圓的主動(dòng)面更配置有多個(gè)芯片接墊(die pad)，并且晶圓的主動(dòng)面更由一保護(hù)層(passivation layer)所覆蓋。保護(hù)層暴露出每一芯片接墊，以使最終由晶圓切割所形成的裸芯片，可經(jīng)由芯片接墊而向外電性連接于一承載器(carrier)。承載器例如為一導(dǎo)線架(leadframe)或一封裝基板(package substrate)，而芯片可以打線接合(wire bonding)或覆晶接合(flip chip bonding)的方式連接至承載器上，使得芯片的芯片接墊可電性連接于承載器的接點(diǎn)，以構(gòu)成一芯片封裝體。
就覆晶接合技術(shù)(flip chip bonding technology)而言，通常在形成晶圓的表面芯片接墊之后，會(huì)在芯片接墊上進(jìn)行制作凸塊，以作為芯片電性連接外部的基板的用。由于這些凸塊通常以面陣列的方式排列于芯片的主動(dòng)面上，使得覆晶接合技術(shù)適于運(yùn)用在高接點(diǎn)數(shù)及高接點(diǎn)密度的芯片封裝結(jié)構(gòu)，例如已普遍地應(yīng)用于半導(dǎo)體封裝產(chǎn)業(yè)中的覆晶/球格陣列式封裝(flip chip/ball grid array)。此外，相較于打線接合技術(shù)，由于這些凸塊可提供芯片與承載器之間較短的傳輸路徑，使得覆晶接合技術(shù)可提升芯片封裝體的電性效能(electrical performance)。
請參閱圖1所示，是現(xiàn)有習(xí)知的一種覆晶封裝體的剖面示意圖?，F(xiàn)有習(xí)知的覆晶封裝體(flip chip package)100包括一芯片110、一基板120、多個(gè)焊料凸塊(solder bump)130、多個(gè)凸塊底金屬層(under bumpmetallurgic，UBM)140與一底膠層(underfill)150。芯片110具有一主動(dòng)面112以及多個(gè)芯片接墊114，而這些芯片接墊114配置于主動(dòng)面112上。此外，芯片110更具有一保護(hù)層116，其包括一子保護(hù)層116a與一應(yīng)力緩沖層(stress buffer layer，SBL)116b，而子保護(hù)層116a及應(yīng)力緩沖層116b覆蓋于主動(dòng)面112上，用以保護(hù)芯片110，并分別暴露出每一芯片接墊114。
這些凸塊底金屬層140分別位于這些芯片接墊114與這些焊料凸塊130之間。每一凸塊底金屬層140可包括一粘著層(adhesion layer)、一阻障層(barrier layer)以及一沾錫層(wetting layer)，其依序形成在芯片接墊114上。這些凸塊底金屬層140乃是用以提高焊料凸塊130與芯片接墊114之間的接合強(qiáng)度，并防止電移(electro-migration)的現(xiàn)象。
基板120具有一基板面122、多個(gè)基板接墊124與一焊罩層126。這些基板接墊124配置于基板面122上，且焊罩層126配置于基板面122上，并暴露出這些基板接墊124。每一芯片接墊114與相對應(yīng)的基板接墊124經(jīng)由這些焊料凸塊130的其中的一而相電性連接。這些焊料凸塊130的材質(zhì)例如為含鉛焊料或無鉛焊料(lead free solder)。
底膠層150位于芯片110與基板120之間，且包覆這些焊料凸塊130。底膠層150用以保護(hù)這些焊料凸塊130，并可同時(shí)緩沖基板120與芯片110之間在受熱時(shí)，兩者所產(chǎn)生的熱應(yīng)變(thermal strain)的不匹配的現(xiàn)象。
然而，上述的覆晶封裝體100在長期使用之后，這些焊料凸塊130(特別是無鉛焊料的焊料凸塊)的靠近芯片接墊114的一側(cè)容易發(fā)生裂縫(crack)，因而導(dǎo)致覆晶封裝體100的可靠度下降。此外，這些焊料凸塊130(特別是無鉛焊料的焊料凸塊)的靠近基板接墊124的一側(cè)亦容易發(fā)生裂縫，亦會(huì)導(dǎo)致覆晶封裝體100的可靠度下降。

發(fā)明內(nèi)容
本實(shí)用新型的目的就是在提供一種凸塊接合結(jié)構(gòu)，用以提升芯片與承載器之間的接合可靠度。
基于上述目的，本實(shí)用新型提出一種凸塊接合結(jié)構(gòu)，用以電性連接一芯片以及一承載器，芯片具有至少一芯片接墊與一暴露出芯片接墊的保護(hù)層，且承載器具有至少一承載接墊與一暴露出承載接墊的焊罩層。凸塊接合結(jié)構(gòu)包括一第一金屬凸塊、一第二金屬凸塊與一中間金屬層。第一金屬凸塊配置于芯片接墊上，且第一金屬凸塊相對于保護(hù)層的表面具有一第一高度。第二金屬凸塊配置于承載接墊上，且第二金屬凸塊相對于焊罩層的表面具有一第二高度。中間金屬層配置于第一金屬凸塊與第二金屬凸塊之間，其中第一金屬凸塊與第二金屬凸塊之間的最短距離、第一金屬凸塊的第一高度與第二金屬凸塊的第二高度的總和小于60微米，且中間金屬層的熔點(diǎn)同時(shí)小于第一金屬凸塊的熔點(diǎn)與第二金屬凸塊的熔點(diǎn)。
基于上述，由于第一金屬凸塊與中間金屬層之間以及第二金屬凸塊與中間金屬層之間的接合面積較大，使得這兩個(gè)接合面之間的接合強(qiáng)度較高，因此本實(shí)用新型的凸塊接合結(jié)構(gòu)具有較高的可靠度。此外，本實(shí)用新型的凸塊接合結(jié)構(gòu)不同于傳統(tǒng)設(shè)計(jì)，其第一金屬凸塊與第二金屬凸塊的延伸可將芯片接墊與承載接墊的面積相對地縮小，進(jìn)而增加芯片或承載器上的布線密度。另外，由于本實(shí)用新型的凸塊接合結(jié)構(gòu)的高度小于60微米，因此可以減少本實(shí)用新型的凸塊接合結(jié)構(gòu)的厚度。再者，當(dāng)中間金屬層的材質(zhì)采用焊料時(shí)，中間金屬層僅需經(jīng)過一次回焊，因此可減少制作凸塊接合結(jié)構(gòu)以將芯片接合至承載器所需要的時(shí)間。
為讓本實(shí)用新型的上述和其他目的、特征和優(yōu)點(diǎn)能更明顯易懂，下文特舉較佳實(shí)施例，并配合所附圖式，作詳細(xì)說明如下。


圖1是現(xiàn)有習(xí)知的一種覆晶封裝體的剖面示意圖。
圖2是本實(shí)用新型較佳實(shí)施例的一種芯片封裝體的剖面示意圖。
圖3是圖2的芯片與承載器接合前的剖面示意圖。
100現(xiàn)有習(xí)知覆晶封裝體110、210芯片112、212主動(dòng)面114、214芯片接墊116、216保護(hù)層116a、216a子保護(hù)層 116b、216b應(yīng)力緩沖層120基板 122基板面124基板接墊 126、226焊罩層130焊料凸塊 140凸塊底金屬層150、240底膠層 200本實(shí)用新型的芯片封裝體220承載器 222承載面224承載接墊 230凸塊接合結(jié)構(gòu)232第一金屬凸塊 232a、234a凹陷232b第一薄膜234第二金屬凸塊234b第二薄膜236中間金屬層238介面金屬層H1第一高度H2第二高度H3第一金屬凸塊與第二金屬凸塊之間的最短距離具體實(shí)施方式
請參閱圖2所示，其是本實(shí)用新型較佳實(shí)施例的一種芯片封裝體的剖面示意圖。本實(shí)施例的芯片封裝體200包括一芯片210、一承載器220與多個(gè)凸塊接合結(jié)構(gòu)230，芯片210與承載器220藉由這些凸塊接合結(jié)構(gòu)230而互相電性連接。在本實(shí)施例中，芯片封裝體200例如為覆晶封裝體，且承載器220例如為封裝基板。芯片210具有一主動(dòng)面212、多個(gè)芯片接墊214與一保護(hù)層216。這些芯片接墊214配置于主動(dòng)面212上，且保護(hù)層216配置于主動(dòng)面212上，并暴露出這些芯片接墊214。在本實(shí)施例中，保護(hù)層216例如包括一子保護(hù)層216a與一應(yīng)力緩沖層216b，而應(yīng)力緩沖層216b配置于子保護(hù)層216a之上，且應(yīng)力緩沖層216b的材質(zhì)例如為苯環(huán)丁烯(BenzoCycloButene，BCB)。此外，承載器220具有一承載面222、多個(gè)承載接墊224與一焊罩層226。這些承載接墊224配置于承載面222上，且焊罩層226亦配置于承載面222上，并暴露出這些承載接墊224。
每一凸塊接合結(jié)構(gòu)2 30包括一第一金屬凸塊232、一第二金屬凸塊234與一中間金屬層236。第一金屬凸塊232配置于與其對應(yīng)的芯片接墊214上，且第一金屬凸塊232相對于保護(hù)層216的表面具有一第一高度H1。此外，第二金屬凸塊234配置于與其對應(yīng)的承載接墊224上，且第二金屬凸塊234相對于焊罩層226的表面具有一第二高度H2。另外，中間金屬層236配置于第一金屬凸塊232與第二金屬凸塊234之間，其中第一金屬凸塊232與第二金屬凸塊234之間的最短距離H3、第一金屬凸塊232的第一高度H1與第二金屬凸塊234的第二高度H2的總和小于60微米，且中間金屬層236的熔點(diǎn)同時(shí)小于第一金屬凸塊232的熔點(diǎn)與第二金屬凸塊234的熔點(diǎn)。
就尺寸而言，第一金屬凸塊232的第一高度H1例如大于等于5微米且小于等于25微米，而第二金屬凸塊234的第二高度H2例如大于等于5微米且小于等于25微米。此外，第一金屬凸塊232與第二金屬凸塊234之間的最短距離H3例如大于等于1微米，更佳者可大于等于5微米。換言之，第一高度H1與第二高度H2兩者的比例介于0.2至5之間，以數(shù)學(xué)式表示則為0.2≤H1/H2≤5。另外，由于第一高度H1、第二高度H2以及第一金屬凸塊232與第二金屬凸塊234之間的最短距離H3的總和小于60微米，因此最短距離H3小于50微米。
就物理特性而言，第一金屬凸塊232的熔點(diǎn)與中間金屬層236的熔點(diǎn)的差例如大于等于攝氏50度，而第二金屬凸塊234的熔點(diǎn)與中間金屬層236的熔點(diǎn)的差例如大于等于攝氏50度。就材料而言，第一金屬凸塊232的材質(zhì)例如包括銅或鎳或金，而第二金屬凸塊234的材質(zhì)例如包括銅或鎳或金，且中間金屬層236的材質(zhì)例如包括焊料。
為了利用例如回焊(reflow)的方式使得中間金屬層236呈熔融狀態(tài)，以接合第一金屬凸塊232與第二金屬凸塊234，中間金屬層236的熔點(diǎn)乃是設(shè)定同時(shí)小于第一金屬凸塊232的熔點(diǎn)與第二金屬凸塊234的熔點(diǎn)，因此，在使得中間金屬層236呈熔融狀態(tài)的過程中，第一金屬凸塊232與第二金屬凸塊234并不會(huì)與中間金屬層236一起熔融。
請參閱圖2與圖3所示，圖3是圖2的芯片與承載器接合前的剖面示意圖。為了將第一金屬凸塊232連接至第二金屬凸塊234，可在第二金屬凸塊234的表面上預(yù)先形成上述的中間金屬層236，如圖3所示。接著，再將中間金屬層236升溫使其呈熔融狀態(tài)之后，將位在固態(tài)的第二金屬凸塊234的表面的液態(tài)的中間金屬層236接觸固態(tài)的第一金屬凸塊232的表面，使得第一金屬凸塊232及第二金屬凸塊234藉由中間金屬層236而相互連接，最后冷卻液態(tài)的中間金屬層236，以將的固化，如圖2所示。然而，在另一實(shí)施例中，中間金屬層234亦可預(yù)先形成在第一金屬凸塊232的表面上，并藉由中間金屬層236來連接第一金屬凸塊及232及第二金屬凸塊234，但這并未以圖式來表現(xiàn)。
請?jiān)賲㈤唸D2所示，就外型而言，當(dāng)以電鍍的方式將第一金屬凸塊232與第二金屬凸塊234分別形成于芯片接墊214與承載接墊224時(shí)，第一金屬凸塊232可具有一凹陷232a，其面朝向第二金屬凸塊234，而第二金屬凸塊234亦可具有一凹陷234a，其面朝向第一金屬凸塊232。換言之，第一金屬凸塊232的凹陷232a與第二金屬凸塊234的凹陷234a彼此相對。值得注意的是，凹陷232a及凹陷234a之間將可形成一可容納局部中間金屬層236的空間，且凹陷232a及凹陷234a可分別增加第一金屬凸塊232及第二金屬凸塊234的表面積。
每一凸塊接合結(jié)構(gòu)230更可包括一介面金屬層238，其位于與其對應(yīng)的芯片接墊214與第一金屬凸塊232之間。介面金屬層238的功能類似圖1的現(xiàn)有習(xí)知覆晶封裝體的凸塊底金屬層(UBM)130。
第一金屬凸塊232更可包括一第一薄膜232b，其位于第一金屬凸塊232的與中間金屬層236相接合的表面上，用以提升第一金屬凸塊232與中間金屬層236的接合性，而第一薄膜232b的材質(zhì)例如包括有機(jī)材料或金。此外，第二金屬凸塊234亦可包括一第二薄膜234b，其位于第二金屬凸塊234的與中間金屬層236相接合的表面上，用以提升第二金屬凸塊234與中間金屬層236的接合性，而第二薄膜234b的材質(zhì)亦例如包括有機(jī)材料或金。
本實(shí)施例的芯片封裝體200更可包括一底膠層240，其位于芯片210與承載器220之間，且底膠層240包覆這些凸塊接合結(jié)構(gòu)230，用以保護(hù)凸塊接合結(jié)構(gòu)230，并可在芯片210運(yùn)作而產(chǎn)生高溫時(shí)，用以緩沖承載器220與芯片210之間所產(chǎn)生的熱應(yīng)變的不匹配的現(xiàn)象。
綜上所述，本實(shí)用新型的凸塊接合結(jié)構(gòu)具有下述優(yōu)點(diǎn)(一)由于第一金屬凸塊與中間金屬層之間以及第二金屬凸塊與中間金屬層之間的接合面積較大，使得這兩個(gè)接合面之間的接合強(qiáng)度較高，因此本實(shí)用新型的凸塊接合結(jié)構(gòu)具有較高的可靠度；(二)本實(shí)用新型的凸塊接合結(jié)構(gòu)不同于傳統(tǒng)設(shè)計(jì)，其第一金屬凸塊與第二金屬凸塊的延伸可將芯片接墊與承載接墊的面積相對地縮小，進(jìn)而增加芯片或承載器上的布線密度；(三)由于本實(shí)用新型的凸塊接合結(jié)構(gòu)的高度小于60微米，因此可以減少本實(shí)用新型的凸塊接合結(jié)構(gòu)的厚度；(四)當(dāng)中間金屬層的材質(zhì)采用焊料時(shí)，中間金屬層僅需經(jīng)過一次回焊，因此可減少制作凸塊接合結(jié)構(gòu)以將芯片接合至承載器所需要的時(shí)間。
雖然本實(shí)用新型已以較佳實(shí)施例揭露如上，然其并非用以限定本實(shí)用新型，任何熟習(xí)此技藝者，在不脫離本實(shí)用新型的精神和范圍內(nèi)，當(dāng)可作些許的更動(dòng)與潤飾，因此本實(shí)用新型的保護(hù)范圍當(dāng)視后權(quán)利要求所界定為準(zhǔn)。
權(quán)利要求1.一種凸塊接合結(jié)構(gòu)，用以電性連接一芯片以及一承載器，其特征在于該芯片具有至少一芯片接墊與一暴露出該芯片接墊的保護(hù)層，且該承載器具有至少一承載接墊與一暴露出該承載接墊的焊罩層，該凸塊接合結(jié)構(gòu)包括一第一金屬凸塊，配置于該芯片接墊上，且該第一金屬凸塊相對于該保護(hù)層的表面具有一第一高度；一第二金屬凸塊，配置于該承載接墊上，且該第二金屬凸塊相對于該焊罩層的表面具有一第二高度；以及一中間金屬層，配置于該第一金屬凸塊與該第二金屬凸塊之間，其中該第一金屬凸塊與該第二金屬凸塊之間的最短距離、該第一金屬凸塊的該第一高度與該第二金屬凸塊的該第二高度的總和小于60微米，且該中間金屬層的熔點(diǎn)同時(shí)小于該第一金屬凸塊的熔點(diǎn)與該第二金屬凸塊的熔點(diǎn)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的凸塊接合結(jié)構(gòu)，其特征在于其中所述的第一金屬凸塊的該第一高度大于等于5微米且小于等于25微米。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的凸塊接合結(jié)構(gòu)，其特征在于其中所述的第二金屬凸塊的該第二高度大于等于5微米且小于等于25微米。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的凸塊接合結(jié)構(gòu)，其特征在于其中所述的第一金屬凸塊與該第二金屬凸塊之間的最短距離大于等于1微米。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的凸塊接合結(jié)構(gòu)，其特征在于其中所述的第一金屬凸塊的熔點(diǎn)與該中間金屬層的熔點(diǎn)的差大于等于攝氏50度。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的凸塊接合結(jié)構(gòu)，其特征在于其中所述的第二金屬凸塊的熔點(diǎn)與該中間金屬層的熔點(diǎn)的差大于等于攝氏50度。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的凸塊接合結(jié)構(gòu)，其特征在于其中所述的第一金屬凸塊更包括一第一薄膜，位于該第一金屬凸塊的與該中間金屬層相接合的表面上，且該第一薄膜的材質(zhì)包括有機(jī)材料或金。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的凸塊接合結(jié)構(gòu)，其特征在于其中所述的第二金屬凸塊更包括一第二薄膜，位于該第二金屬凸塊的與該中間金屬層相接合的表面上，且該第二薄膜的材質(zhì)包括有機(jī)材料或金。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的凸塊接合結(jié)構(gòu)，其特征在于其中所述的第一金屬凸塊的材質(zhì)包括銅或鎳或金，且該第二金屬凸塊的材質(zhì)包括銅或鎳或金。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的凸塊接合結(jié)構(gòu)，其特征在于其中所述的中間金屬層的材質(zhì)包括焊料。
專利摘要一種凸塊接合結(jié)構(gòu)，用以電性連接一芯片以及一承載器，芯片具有至少一芯片接墊與一暴露出芯片接墊的保護(hù)層，且承載器具有至少一承載接墊與一暴露出承載接墊的焊罩層。凸塊接合結(jié)構(gòu)包括一第一金屬凸塊、一第二金屬凸塊與一中間金屬層。第一金屬凸塊配置于芯片接墊上，且第一金屬凸塊相對于保護(hù)層的表面具有一第一高度。第二金屬凸塊配置于承載接墊上，且第二金屬凸塊相對于焊罩層的表面具有一第二高度。中間金屬層配置于第一金屬凸塊與第二金屬凸塊之間，其中第一金屬凸塊與第二金屬凸塊之間的最短距離、第一金屬凸塊的第一高度與第二金屬凸塊的第二高度的總和小于60微米，且中間金屬層的熔點(diǎn)同時(shí)小于第一金屬凸塊的熔點(diǎn)與第二金屬凸塊的熔點(diǎn)。
文檔編號H01L23/48GK2849967SQ200520118808
公開日2006年12月20日 申請日期2005年9月8日 優(yōu)先權(quán)日2005年9月8日
發(fā)明者何昆耀, 宮振越 申請人:威盛電子股份有限公司