專利名稱：復(fù)合凸塊的制作方法
技術(shù)領(lǐng)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(dāng)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?dòng)連接技術(shù)(Tape AutomatedBonding，TAB)，再演進(jìn)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(yīng)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(dāng)芯片與載板接合后，往往會(huì)因?yàn)樾酒?、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(yīng)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(yīng)力與翹曲對(duì)接合效果的影響也日漸嚴(yán)重，其結(jié)果將導(dǎo)致芯片與載板之間的可靠度(reliability)下降，并且造成信賴性測(cè)試的失敗。
K.Hatada在美國(guó)專利第4,749,120號(hào)中便提出了以金凸塊作為芯片與基板之間的電連接，同時(shí)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(duì)樹脂進(jìn)行固化(curing)時(shí)，必須施以相當(dāng)大的接觸應(yīng)力(contactstress)，且在接合完成后，金凸塊也會(huì)相對(duì)受到較大的剝離應(yīng)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(guó)專利第4,963,002號(hào)中提出，其主要是利用鍍鎳(鎳)的小球(beads)或銀顆粒來達(dá)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(jìn)行接合，仍然會(huì)因?yàn)殂y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(guó)專利第4,916,523號(hào)中提出一種通過單向(unidirectional)的導(dǎo)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(guó)專利第5,134,460提出了在導(dǎo)電金屬凸塊上涂布金層的設(shè)計(jì)。

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?yàn)闊崤蛎浵禂?shù)不匹配而產(chǎn)生之熱應(yīng)力的問題。
本發(fā)明之另一目的便是針對(duì)楊氏模量作用而導(dǎo)致凸塊接合不良的問題進(jìn)行改善，以提高工藝合格率。
為達(dá)上述或是其它目的，本發(fā)明提出一種復(fù)合凸塊，其適于設(shè)置在基板的焊墊上。此復(fù)合凸塊主要包括彈性主體以及外導(dǎo)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(dǎo)電層覆蓋彈性主體，并與焊墊電連接。
在本發(fā)明之一實(shí)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(shí)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(shí)施例中，復(fù)合凸塊例如還包括焊料層，其設(shè)置于外導(dǎo)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(shí)施例中，彈性主體例如是塊狀，并設(shè)置于焊墊上，其中彈性主體遠(yuǎn)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(shí)施例中，彈性主體例如是由多個(gè)突起物所構(gòu)成。其中，突起物例如可以全部設(shè)置于焊墊上，或是全部設(shè)置于焊墊外圍。此外，亦可以有部分突出物設(shè)置于焊墊上，而其余突出物設(shè)置于焊墊外圍。
在本發(fā)明之一實(shí)施例中，復(fù)合凸塊還包括基底導(dǎo)電層，其設(shè)置于彈性主體與基板之間，且外導(dǎo)電層連接基底導(dǎo)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(yuǎn)離焊墊的表面可以是平面、粗糙面或曲面，而基底導(dǎo)電層的材質(zhì)例如是金屬。
基于上述，本發(fā)明之復(fù)合凸塊內(nèi)的彈性主體可在接合時(shí)提供應(yīng)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(jìn)行設(shè)計(jì)，因此有助于降低熱應(yīng)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(diǎn)能更明顯易懂，下文特舉本發(fā)明之較佳實(shí)施例，并配合附圖，作詳細(xì)說明如下。


圖1A與1B分別為本發(fā)明之較佳實(shí)施例之復(fù)合凸塊，其設(shè)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(guān)系曲線。
圖3為彈性主體之熱膨脹系數(shù)與接觸應(yīng)力的關(guān)系曲線。
圖4為彈性主體之熱膨脹系數(shù)與剝離應(yīng)力的關(guān)系曲線。
圖5為彈性主體之楊氏模量與翹曲量的關(guān)系曲線。
圖6為彈性主體之楊氏模量與接觸應(yīng)力的關(guān)系曲線。
圖7為彈性主體之楊氏模量與剝離應(yīng)力的關(guān)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(duì)于接合效果的分析表。
圖9為本發(fā)明之一種半球狀的復(fù)合凸塊。
圖10為本發(fā)明之一種具有粗糙表面的復(fù)合凸塊。
圖11～13為本發(fā)明之一種具有多個(gè)突起的復(fù)合凸塊。
圖14A～14I依次表示本發(fā)明之一種復(fù)合凸塊的制造方法。
圖15A～15J依次表示本發(fā)明具有基底導(dǎo)電層之復(fù)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(dǎo)電層之不同形態(tài)的復(fù)合凸塊。
主要元件標(biāo)記說明26焊墊28保護(hù)層30基底32彈性主體、彈性材料層36外導(dǎo)電(材料)層38基底導(dǎo)電(材料)層40光刻膠52焊料層具體實(shí)施方式
本發(fā)明所揭示的復(fù)合凸塊例如可以設(shè)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(shí)施例以基板通稱之。此外，為了簡(jiǎn)化圖示，下述實(shí)施例以相同的標(biāo)記表示相同的構(gòu)件。
圖1A與1B分別為本發(fā)明之較佳實(shí)施例之復(fù)合凸塊，其設(shè)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(hù)層28，其中焊墊26直徑例如約為90μm。彈性主體32設(shè)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(shí)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(dāng)然，在本發(fā)明之其它實(shí)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(dǎo)電層36覆蓋彈性主體32，其中外導(dǎo)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(dāng)然，外導(dǎo)電層36也可以是由黏著(adhesion)層/阻障(barrier)層/導(dǎo)體(conductor)層所構(gòu)成的復(fù)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(qǐng)參照?qǐng)D1B，若考慮搭配焊料(solder)進(jìn)行接合，則外導(dǎo)電層36上還例如可設(shè)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(yīng)力，對(duì)彈性主體32的熱膨脹系數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)。請(qǐng)分別參照?qǐng)D2～4，其中圖2為彈性主體32之熱膨脹系數(shù)與翹曲量的關(guān)系曲線，圖3為彈性主體32之熱膨脹系數(shù)與接觸應(yīng)力的關(guān)系曲線，而圖4為彈性主體32之熱膨脹系數(shù)與剝離應(yīng)力的關(guān)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(yīng)選用熱膨脹系數(shù)較小的材質(zhì)；若要提高接觸應(yīng)力，以增進(jìn)接合強(qiáng)度，則彈性主體32應(yīng)選用熱膨脹系數(shù)較小的材質(zhì)；然而若要降低剝離應(yīng)力，以避免接合效果遭受破壞，則彈性主體32應(yīng)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(shè)定在一個(gè)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(yīng)介于10ppm/℃與150ppm/℃之間。
另外，由于彈性主體32的楊氏模量也會(huì)對(duì)接合效果造成影響，因此為了達(dá)到最佳化的設(shè)計(jì)，本發(fā)明還可搭配對(duì)于彈性主體32之楊氏模量的選擇，以進(jìn)一步提高接合效果。請(qǐng)分別參照?qǐng)D5～7，其中圖5為彈性主體32之楊氏模量與翹曲量的關(guān)系曲線，圖6為彈性主體32之楊氏模量與接觸應(yīng)力的關(guān)系曲線，而圖7為彈性主體32之楊氏模量與剝離應(yīng)力的關(guān)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(yīng)選用楊氏模量較小的材質(zhì)；若要提高接觸應(yīng)力，則選用楊氏模量較大的彈性主體32；而若要降低剝離應(yīng)力，則彈性主體32應(yīng)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(duì)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(duì)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(yīng)力較小，但相對(duì)可降低翹曲量與剝離應(yīng)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(yīng)力，提高接合強(qiáng)度。因此，本發(fā)明可以通過對(duì)于彈性主體32之楊氏模量選擇，而在接觸應(yīng)力與相應(yīng)的剝離應(yīng)力之間取得較佳的平衡。
除了圖1A與1B所示的復(fù)合凸塊之外，本發(fā)明還可提出其它具有不同形狀或設(shè)置方式的復(fù)合凸塊。圖9～13為本發(fā)明其它多種不同形態(tài)的復(fù)合凸塊。圖9為一種半球狀(hemispherical)的復(fù)合凸塊，其中彈性主體32遠(yuǎn)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(fù)合凸塊，其中彈性主體32遠(yuǎn)離焊墊26的表面例如是粗糙面(rough surface)。圖11為具有多個(gè)突起的復(fù)合凸塊，其中彈性主體32是由多個(gè)突起物所構(gòu)成，且突起物是設(shè)置于焊墊26上。圖12與13同樣為具有多個(gè)突起的復(fù)合凸塊，但圖12的突起物是同時(shí)設(shè)置于焊墊26上以及焊墊26外圍，而圖13的突起物皆設(shè)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(shí)施例之復(fù)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(hù)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(shí)施例所提及的高分子材料。并且，在本實(shí)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(duì)彈性材料層32進(jìn)行蝕刻工藝，以形成彈性主體32。其中，對(duì)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(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)電材料層36還可以是由黏著層/阻障層/導(dǎo)體層所構(gòu)成的復(fù)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(dǎo)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(duì)外導(dǎo)電材料層36進(jìn)行蝕刻，而形成外導(dǎo)電層36。然后，如圖14I所示，移除光刻膠層40，而得到復(fù)合凸塊。
上述實(shí)施例中的復(fù)合凸塊還可包括基底導(dǎo)電層38(如圖15J所示)，其設(shè)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(hù)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(dǎo)電層36會(huì)與基底導(dǎo)電層38連接。其中，基底導(dǎo)電層38的材質(zhì)例如是鋁。
以下將針對(duì)此具有基底導(dǎo)電層38之復(fù)合凸塊的工藝進(jìn)行說明，請(qǐng)依次參照?qǐng)D15A～15J所示的制造流程，其中對(duì)于相同構(gòu)件的說明(例如材質(zhì)、厚度或工藝參數(shù))請(qǐng)參照上述實(shí)施例，下文中不再重復(fù)贅述。首先，如圖15A所示，提供具有焊墊26與保護(hù)層28之基板30，并如圖15B所示在基板30上形成基底導(dǎo)電材料層38，其材質(zhì)例如是鋁等金屬材質(zhì)或是其它導(dǎo)電材質(zhì)。接著，便可如圖15C～15I所示，進(jìn)行如同上述實(shí)施例之彈性主體32與外導(dǎo)電層36的制造步驟。其中，如圖15H與15I所示在蝕刻導(dǎo)電材料層36的同時(shí)，也對(duì)基底導(dǎo)電材料層38進(jìn)行蝕刻，而在移除光刻膠層40之后，形成如圖15J所示之復(fù)合凸塊。
上述實(shí)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(dāng)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(shí)施例詳細(xì)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(dǎo)電層之不同形態(tài)的復(fù)合凸塊，其中圖16為外導(dǎo)墊層36上還形成有焊料層52的復(fù)合凸塊，圖17為彈性主體32遠(yuǎn)離焊墊26之表面為曲面的復(fù)合凸塊，而圖18為彈性主體32遠(yuǎn)離焊墊26之表面為粗糙面的復(fù)合凸塊。關(guān)于這些實(shí)施例之構(gòu)件的材質(zhì)、厚度與形成方法請(qǐng)參照前述多個(gè)實(shí)施例，在此不再贅述。
綜上所述，本發(fā)明主要提出一種復(fù)合凸塊，其具有彈性主體用以提供應(yīng)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(yīng)力的作用，提高接合效果。此外，本發(fā)明還可對(duì)彈性主體的楊氏模量進(jìn)行設(shè)計(jì)，以在接合時(shí)所需的接觸應(yīng)力與對(duì)應(yīng)的剝離應(yīng)力之間取得較佳的平衡，進(jìn)而提高工藝合格率。另外，本發(fā)明還可改變復(fù)合凸塊的形狀、位置等，以達(dá)到最佳化的設(shè)計(jì)。
雖然本發(fā)明已以較佳實(shí)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(lǐng)域的技術(shù)人員，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，當(dāng)可作些許的更動(dòng)與改進(jìn)，因此本發(fā)明的保護(hù)范圍當(dāng)視權(quán)利要求所界定者為準(zhǔn)。
權(quán)利要求
1.一種復(fù)合凸塊，適于設(shè)置在基板的焊墊上，其特征是該復(fù)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(dǎo)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(fù)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(fù)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(fù)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(fù)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(fù)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(fù)合凸塊，其特征是還包括焊料層，其設(shè)置于該外導(dǎo)電層上。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述之復(fù)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(fù)合凸塊，其特征是該彈性主體呈塊狀，并設(shè)置于該焊墊上。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述之復(fù)合凸塊，其特征是該彈性主體遠(yuǎn)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(fù)合凸塊，其特征是該彈性主體遠(yuǎn)離該焊墊的表面為曲面。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述之復(fù)合凸塊，其特征是該彈性主體由多個(gè)突起物所構(gòu)成。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述之復(fù)合凸塊，其特征是上述這些突起物設(shè)置于該焊墊上或設(shè)置于該焊墊外圍。
14.根據(jù)權(quán)利要求12所述之復(fù)合凸塊，其特征是部分突出物設(shè)置于該焊墊上，而其余突出物設(shè)置于該焊墊外圍。
15.根據(jù)權(quán)利要求1所述之復(fù)合凸塊，其特征是還包括基底導(dǎo)電層，其設(shè)置于該彈性主體與該基板之間，且該外導(dǎo)電層連接該基底導(dǎo)電層。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述之復(fù)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(fù)合凸塊，其特征是該彈性主體遠(yuǎn)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(fù)合凸塊，其特征是該彈性主體遠(yuǎn)離該焊墊的表面為曲面。
19.根據(jù)權(quán)利要求15所述之復(fù)合凸塊，其特征是該基底導(dǎo)電層的材質(zhì)包括金屬。
全文摘要
本發(fā)明提出一種復(fù)合凸塊，其適于設(shè)置在基板的焊墊上。此復(fù)合凸塊主要包括彈性主體以及外導(dǎo)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(dǎo)電層覆蓋彈性主體，并與焊墊電連接。復(fù)合凸塊內(nèi)的彈性主體可在接合時(shí)提供應(yīng)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(yīng)力的作用，進(jìn)而提高接合效果。
文檔編號(hào)H01L21/60GK1992246SQ20051013528
公開日2007年7月4日 申請(qǐng)日期2005年12月29日 優(yōu)先權(quán)日2005年12月29日
發(fā)明者林基正, 林耀生, 張世明, 陸蘇財(cái), 鄭仙志, 陳泰宏 申請(qǐng)人:財(cái)團(tuán)法人工業(yè)技術(shù)研究院