專利名稱:復合凸塊的制作方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明涉及一種電子封裝元件間的接合結(jié)構(gòu)，且特別涉及一種可提供良好接合特性的凸塊結(jié)構(gòu)。
背景技術(shù)：
在高密度的電子封裝技術(shù)中，如何提高集成電路元件與載板之間的接合效果，提高工藝合格率，一直是相當重要的研究課題。
以液晶顯示器(Liquid Crystal Display，LCD)為例，基于高圖像分辨率的需求以及電子產(chǎn)品的輕薄短小化，液晶顯示器的封裝技術(shù)也由載芯片板技術(shù)(Chip On Board，COB)轉(zhuǎn)變?yōu)槿嵝詭ё詣舆B接技術(shù)(Tape AutomatedBonding，TAB)，再演進為現(xiàn)今的微間距(fine pitch)的玻璃覆晶封裝技術(shù)(Chip On Glass，COG)。
然而，公知應用凸塊的封裝工藝中，由于芯片與載板之熱膨脹系數(shù)(coefficient of thermal expansion，CTE)的差異甚大，因此當芯片與載板接合后，往往會因為芯片、凸塊、載板之間的熱膨脹系數(shù)不匹配(CTE mismatch)，而產(chǎn)生翹曲(warpage)的現(xiàn)象，并使得凸塊受到熱應力(thermal stress)的作用。更甚者，隨著集成電路之集成度的增加，上述熱應力與翹曲對接合效果的影響也日漸嚴重，其結(jié)果將導致芯片與載板之間的可靠度(reliability)下降，并且造成信賴性測試的失敗。
K.Hatada在美國專利第4,749,120號中便提出了以金凸塊作為芯片與基板之間的電連接，同時以樹脂(resin)作為兩者之間的接著劑。然而，由于金屬的楊氏模量(Young’s modulus)比樹脂高出許多，因此在將芯片與載板接合，并對樹脂進行固化(curing)時，必須施以相當大的接觸應力(contactstress)，且在接合完成后，金凸塊也會相對受到較大的剝離應力(peelingstress)作用，而可能自芯片或載板上剝離。
另一種方法是由Y.Tagusa等人在美國專利第4,963,002號中提出，其主要是利用鍍鎳(鎳)的小球(beads)或銀顆粒來達到電連接的目的。然而，此種方法的接合面積較小，且若采用銀顆粒進行接合，仍然會因為銀的楊氏模量較大，而發(fā)生上述凸塊剝離的問題。
此外，Sokolovsky等人在美國專利第4,916,523號中提出一種通過單向(unidirectional)的導電接著劑來接合芯片與載板的方法。另外，Brady等人提出的美國專利第5,134,460提出了在導電金屬凸塊上涂布金層的設計。

發(fā)明內(nèi)容鑒于上述情況，本發(fā)明的目的之一便是要解決電子封裝中因為熱膨脹系數(shù)不匹配而產(chǎn)生之熱應力的問題。
本發(fā)明之另一目的便是針對楊氏模量作用而導致凸塊接合不良的問題進行改善，以提高工藝合格率。
為達上述或是其它目的，本發(fā)明提出一種復合凸塊，其適于設置在基板的焊墊上。此復合凸塊主要包括彈性主體以及外導電層，其中彈性主體的熱膨脹系數(shù)介于5ppm/℃與200ppm/℃之間，而外導電層覆蓋彈性主體，并與焊墊電連接。
在本發(fā)明之一實施例中，彈性主體的楊氏模量例如是介于0.1GPa與2.8GPa之間，或是介于3.5GPa與20GPa之間。
在本發(fā)明之一實施例中，彈性主體的材質(zhì)可以是高分子材料。舉例而言，彈性主體的材質(zhì)例如是聚酰亞胺(polyimide)或是環(huán)氧基高分子材料(epoxy base polymer)。
在本發(fā)明之一實施例中，復合凸塊例如還包括焊料層，其設置于外導電層上。其中，焊料層的材質(zhì)例如是錫鉛焊料。
在本發(fā)明之一實施例中，彈性主體例如是塊狀，并設置于焊墊上，其中彈性主體遠離焊墊的表面可以是平面、粗糙面或曲面。
在本發(fā)明之一實施例中，彈性主體例如是由多個突起物所構(gòu)成。其中，突起物例如可以全部設置于焊墊上，或是全部設置于焊墊外圍。此外，亦可以有部分突出物設置于焊墊上，而其余突出物設置于焊墊外圍。
在本發(fā)明之一實施例中，復合凸塊還包括基底導電層，其設置于彈性主體與基板之間，且外導電層連接基底導電層。其中，彈性主體例如是呈塊狀，并延伸至焊墊外。此外，彈性主體遠離焊墊的表面可以是平面、粗糙面或曲面，而基底導電層的材質(zhì)例如是金屬。
基于上述，本發(fā)明之復合凸塊內(nèi)的彈性主體可在接合時提供應力緩沖的效果，且本發(fā)明調(diào)整彈性主體的熱膨脹系數(shù)，并可搭配彈性主體的楊氏模量進行設計，因此有助于降低熱應力的作用，提高接合效果。
為讓本發(fā)明的上述和其它目的、特征和優(yōu)點能更明顯易懂，下文特舉本發(fā)明之較佳實施例，并配合附圖，作詳細說明如下。
圖1A與1B分別為本發(fā)明之較佳實施例之復合凸塊，其設置在基板上的示意圖。
圖2為彈性主體之熱膨脹系數(shù)與翹曲量的關系曲線。
圖3為彈性主體之熱膨脹系數(shù)與接觸應力的關系曲線。
圖4為彈性主體之熱膨脹系數(shù)與剝離應力的關系曲線。
圖5為彈性主體之楊氏模量與翹曲量的關系曲線。
圖6為彈性主體之楊氏模量與接觸應力的關系曲線。
圖7為彈性主體之楊氏模量與剝離應力的關系曲線。
圖8為整合彈性主體之材料參數(shù)(包括熱膨脹系數(shù)與楊氏模量)對于接合效果的分析表。
圖9為本發(fā)明之一種半球狀的復合凸塊。
圖10為本發(fā)明之一種具有粗糙表面的復合凸塊。
圖11～13為本發(fā)明之一種具有多個突起的復合凸塊。
圖14A～14I依次表示本發(fā)明之一種復合凸塊的制造方法。
圖15A～15J依次表示本發(fā)明具有基底導電層之復合凸塊的制造方法。
圖16～18為本發(fā)明其它幾種具有基底導電層之不同形態(tài)的復合凸塊。
主要元件標記說明26焊墊28保護層30基底32彈性主體、彈性材料層36外導電(材料)層38基底導電(材料)層40光刻膠52焊料層具體實施方式
本發(fā)明所揭示的復合凸塊例如可以設置于芯片上或是任何適用的載板，如線路板或膠卷式卷帶(tape)上，而以下實施例以基板通稱之。此外，為了簡化圖示，下述實施例以相同的標記表示相同的構(gòu)件。
圖1A與1B分別為本發(fā)明之較佳實施例之復合凸塊，其設置在基板上的示意圖。如圖1A與1B所示，基板30上具有焊墊26和保護層28，其中焊墊26直徑例如約為90μm。彈性主體32設置于焊墊26上，其中彈性主體32的厚度約介于5μm至25μm之間。在本實施例中，彈性主體32的材質(zhì)例如是高分子材料，包括聚酰亞胺(polyimide)、環(huán)氧基高分子材料(epoxy base polymer)等。當然，在本發(fā)明之其它實施例中，亦可以選用具有相同性質(zhì)的材質(zhì)來制造彈性主體32。
此外，外導電層36覆蓋彈性主體32，其中外導電層36的材質(zhì)可以是鋁、鎳等金屬材質(zhì)或是鎳/金、鉻/金、鉻/銀、鈦/鉑等合金材質(zhì)。當然，外導電層36也可以是由黏著(adhesion)層/阻障(barrier)層/導體(conductor)層所構(gòu)成的復合層，例如是鉻/銅/金、鉻/鎳/金、鉻/銀/金、鈦/鉑/金、鈦/鈀/金或鈦/鎢/銀等。請參照圖1B，若考慮搭配焊料(solder)進行接合，則外導電層36上還例如可設置焊料層52，例如錫鉛(PbSn)、銦鎵(InGa)或銦錫(InSn)等焊料。
本發(fā)明為了避免因熱膨脹系數(shù)不匹配(CTE mismatch)所造成的熱應力，對彈性主體32的熱膨脹系數(shù)進行設計。請分別參照圖2～4，其中圖2為彈性主體32之熱膨脹系數(shù)與翹曲量的關系曲線，圖3為彈性主體32之熱膨脹系數(shù)與接觸應力的關系曲線，而圖4為彈性主體32之熱膨脹系數(shù)與剝離應力的關系曲線。由圖2～4中可以觀察到，若要降低翹曲量，則彈性主體32應選用熱膨脹系數(shù)較小的材質(zhì)；若要提高接觸應力，以增進接合強度，則彈性主體32應選用熱膨脹系數(shù)較小的材質(zhì)；然而若要降低剝離應力，以避免接合效果遭受破壞，則彈性主體32應選用熱膨脹系數(shù)較大的材質(zhì)?；谏鲜龅姆治?，本發(fā)明特別將彈性主體32的熱膨脹系數(shù)設定在一個較佳的范圍5ppm/℃與200ppm/℃之間，以得到較佳的接合效果。其中，最佳之熱膨脹系數(shù)的范圍應介于10ppm/℃與150ppm/℃之間。
另外，由于彈性主體32的楊氏模量也會對接合效果造成影響，因此為了達到最佳化的設計，本發(fā)明還可搭配對于彈性主體32之楊氏模量的選擇，以進一步提高接合效果。請分別參照圖5～7，其中圖5為彈性主體32之楊氏模量與翹曲量的關系曲線，圖6為彈性主體32之楊氏模量與接觸應力的關系曲線，而圖7為彈性主體32之楊氏模量與剝離應力的關系曲線。由圖5～7中可以觀察到，若要降低翹曲量，則彈性主體32應選用楊氏模量較小的材質(zhì)；若要提高接觸應力，則選用楊氏模量較大的彈性主體32；而若要降低剝離應力，則彈性主體32應選用楊氏模量較小的材質(zhì)。
圖8即表示整合上述彈性主體32之材料參數(shù)(包括熱膨脹系數(shù)與楊氏模量)對于接合效果的分析表。搭配上述所選用的較佳熱膨脹系數(shù)范圍，并考慮到彈性主體32的楊氏模量對接合效果的影響，本發(fā)明所選用之彈性主體32的楊氏模量可以介于0.1GPa與2.8GPa之間，以及介于3.5GPa與20GPa之間。其中，選用楊氏模量介于0.1GPa與2.8GPa之間的彈性主體32，雖然接觸應力較小，但相對可降低翹曲量與剝離應力。此外，選用楊氏模量介于3.5GPa與20GPa之間的彈性主體32，可增加接觸應力，提高接合強度。因此，本發(fā)明可以通過對于彈性主體32之楊氏模量選擇，而在接觸應力與相應的剝離應力之間取得較佳的平衡。
除了圖1A與1B所示的復合凸塊之外，本發(fā)明還可提出其它具有不同形狀或設置方式的復合凸塊。圖9～13為本發(fā)明其它多種不同形態(tài)的復合凸塊。圖9為一種半球狀(hemispherical)的復合凸塊，其中彈性主體32遠離焊墊26的表面例如是曲面。圖10為一種具有粗糙表面的復合凸塊，其中彈性主體32遠離焊墊26的表面例如是粗糙面(rough surface)。圖11為具有多個突起的復合凸塊，其中彈性主體32是由多個突起物所構(gòu)成，且突起物是設置于焊墊26上。圖12與13同樣為具有多個突起的復合凸塊，但圖12的突起物是同時設置于焊墊26上以及焊墊26外圍，而圖13的突起物皆設置于焊墊26外圍。
為了更清楚說明本發(fā)明之特征，圖14A～14I依次表示上述實施例之復合凸塊的其中一種制造方法。首先，如圖14A所示，提供具有焊墊26與保護層28之基板30，其中焊墊26的直徑例如是90μm，且焊墊26表面已經(jīng)過蝕刻(etch)、清洗(clean)等步驟。
接著，如圖14B所示，在基板30上形成彈性材料層32，其例如是前述實施例所提及的高分子材料。并且，在本實施例中，彈性材料層32為非感旋光性(nonphotosensitive)的材料，例如非感旋光性的聚酰亞胺或環(huán)氧基高分子材料，其厚度例如是介于5～25μm之間。
然后，如圖14C所示，在焊墊26上方的彈性材料層32上形成圖案化的光刻膠層40，并且如圖14D所示，通過光刻膠層40為掩膜(mask)，對彈性材料層32進行蝕刻工藝，以形成彈性主體32。其中，對于彈性材料層32的蝕刻工藝可以參照Wilson，Stenzenberger與Hergenrother所著之《POLYIMIDES》一書中之第8章的描述。
接著，如圖14E所示移除光刻膠層40，并如圖14F所示，在基板30上全面形成外導電材料層36，其例如是鉻/金合金層，包括厚度為500埃(Angstroms)的鉻層，以及厚度為2000埃的金層。外導電材料層36也可以是鋁、鎳等單層的金屬層，或是鎳/金、鉻/銀、鈦/鉑等合金層。另外，外導電材料層36還可以是由黏著層/阻障層/導體層所構(gòu)成的復合層，例如是鉻/銅/金、鉻/鎳/金、鉻/銀/金、鈦/鉑/金、鈦/鈀/金或鈦/鎢/銀等。
之后，如圖14G所示，在外導電材料層36上形成另一圖案化的光刻膠層40，并如圖14H所示以光刻膠層40作為掩膜對外導電材料層36進行蝕刻，而形成外導電層36。然后，如圖14I所示，移除光刻膠層40，而得到復合凸塊。
上述實施例中的復合凸塊還可包括基底導電層38(如圖15J所示)，其設置于彈性主體32與基板30之間，并可延伸至焊墊26外圍的保護層28上，使得彈性主體32可延伸至焊墊26外，而覆蓋彈性主體32的外導電層36會與基底導電層38連接。其中，基底導電層38的材質(zhì)例如是鋁。
以下將針對此具有基底導電層38之復合凸塊的工藝進行說明，請依次參照圖15A～15J所示的制造流程，其中對于相同構(gòu)件的說明(例如材質(zhì)、厚度或工藝參數(shù))請參照上述實施例，下文中不再重復贅述。首先，如圖15A所示，提供具有焊墊26與保護層28之基板30，并如圖15B所示在基板30上形成基底導電材料層38，其材質(zhì)例如是鋁等金屬材質(zhì)或是其它導電材質(zhì)。接著，便可如圖15C～15I所示，進行如同上述實施例之彈性主體32與外導電層36的制造步驟。其中，如圖15H與15I所示在蝕刻導電材料層36的同時，也對基底導電材料層38進行蝕刻，而在移除光刻膠層40之后，形成如圖15J所示之復合凸塊。
上述實施例所揭示的是以非感旋光性材料制造彈性主體的方法，當然本發(fā)明還例如可采用感旋光性材料來制造彈性主體，其中由于大部分的步驟已在前述實施例詳細說明，因此將不再贅述。
下文還舉出本發(fā)明幾種具有基底導電層之不同形態(tài)的復合凸塊，其中圖16為外導墊層36上還形成有焊料層52的復合凸塊，圖17為彈性主體32遠離焊墊26之表面為曲面的復合凸塊，而圖18為彈性主體32遠離焊墊26之表面為粗糙面的復合凸塊。關于這些實施例之構(gòu)件的材質(zhì)、厚度與形成方法請參照前述多個實施例，在此不再贅述。
綜上所述，本發(fā)明主要提出一種復合凸塊，其具有彈性主體用以提供應力緩沖的效果，且由于彈性主體的熱膨脹系數(shù)介于較佳的范圍，因此還可大幅降低熱應力的作用，提高接合效果。此外，本發(fā)明還可對彈性主體的楊氏模量進行設計，以在接合時所需的接觸應力與對應的剝離應力之間取得較佳的平衡，進而提高工藝合格率。另外，本發(fā)明還可改變復合凸塊的形狀、位置等，以達到最佳化的設計。
雖然本發(fā)明已以較佳實施例披露如上，然其并非用以限定本發(fā)明，任何所屬技術(shù)領域：
的技術(shù)人員，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，當可作些許的更動與改進，因此本發(fā)明的保護范圍當視權(quán)利要求
所界定者為準。
權(quán)利要求
1.一種復合凸塊，適于設置在基板的焊墊上，其特征是該復合凸塊包括彈性主體，其中該彈性主體的熱膨脹系數(shù)介于5ppm/℃與200ppm/℃之間；以及外導電層，覆蓋該彈性主體，并與該焊墊電連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求
1所述之復合凸塊，其特征是該彈性主體的楊氏模量介于0.1GPa與2.8GPa之間。
3.根據(jù)權(quán)利要求
1所述之復合凸塊，其特征是該彈性主體的楊氏模量介于3.5GPa與20GPa之間。
4.根據(jù)權(quán)利要求
1所述之復合凸塊，其特征是該彈性主體的材質(zhì)包括高分子材料。
5.根據(jù)權(quán)利要求
4所述之復合凸塊，其特征是該彈性主體的材質(zhì)包括聚酰亞胺。
6.根據(jù)權(quán)利要求
4所述之復合凸塊，其特征是該彈性主體的材質(zhì)包括環(huán)氧基高分子材料。
7.根據(jù)權(quán)利要求
1所述之復合凸塊，其特征是還包括焊料層，其設置于該外導電層上。
8.根據(jù)權(quán)利要求
7所述之復合凸塊，其特征是該焊料層的材質(zhì)包括錫鉛焊料。
9.根據(jù)權(quán)利要求
1所述之復合凸塊，其特征是該彈性主體呈塊狀，并設置于該焊墊上。
10.根據(jù)權(quán)利要求
9所述之復合凸塊，其特征是該彈性主體遠離該焊墊的表面為粗糙面。
11.根據(jù)權(quán)利要求
9所述之復合凸塊，其特征是該彈性主體遠離該焊墊的表面為曲面。
12.根據(jù)權(quán)利要求
1所述之復合凸塊，其特征是該彈性主體由多個突起物所構(gòu)成。
13.根據(jù)權(quán)利要求
12所述之復合凸塊，其特征是上述這些突起物設置于該焊墊上或設置于該焊墊外圍。
14.根據(jù)權(quán)利要求
12所述之復合凸塊，其特征是部分突出物設置于該焊墊上，而其余突出物設置于該焊墊外圍。
15.根據(jù)權(quán)利要求
1所述之復合凸塊，其特征是還包括基底導電層，其設置于該彈性主體與該基板之間，且該外導電層連接該基底導電層。
16.根據(jù)權(quán)利要求
15所述之復合凸塊，其特征是該彈性主體呈塊狀，并延伸至該焊墊外。
17.根據(jù)權(quán)利要求
16所述之復合凸塊，其特征是該彈性主體遠離該焊墊的表面為粗糙面。
18.根據(jù)權(quán)利要求
16所述之復合凸塊，其特征是該彈性主體遠離該焊墊的表面為曲面。
19.根據(jù)權(quán)利要求
15所述之復合凸塊，其特征是該基底導電層的材質(zhì)包括金屬。
專利摘要
本發(fā)明提出一種復合凸塊，其適于設置在基板的焊墊上。此復合凸塊主要包括彈性主體以及外導電層，其中彈性主體的熱膨脹系數(shù)介于5ppm/℃與200ppm/℃之間，而外導電層覆蓋彈性主體，并與焊墊電連接。復合凸塊內(nèi)的彈性主體可在接合時提供應力緩沖的效果，且由于彈性主體的熱膨脹系數(shù)位于較佳的范圍內(nèi)，因此有助于降低熱應力的作用，進而提高接合效果。
文檔編號H01L21/60GK1992246SQ200510135282
公開日2007年7月4日 申請日期2005年12月29日
發(fā)明者林基正, 林耀生, 張世明, 陸蘇財, 鄭仙志, 陳泰宏 申請人:財團法人工業(yè)技術(shù)研究院導出引文BiBTeX, EndNote, RefMan