專(zhuān)利名稱(chēng)：免用焊料的金屬柱芯片連接構(gòu)造與方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種半導(dǎo)體裝置，特別是涉及一種免用焊料的金屬柱芯片連接構(gòu)造與 方法。
背景技術(shù)：
按，覆晶封裝技術(shù)(Flip-Chip)是一種先進(jìn)的芯片封裝技術(shù)，能縮短了芯片與基 板之間的傳輸距離，具有更優(yōu)于打線連接的電性性能而逐漸普及。特別是，IBM公司之后 更發(fā)展出一種創(chuàng)新的覆晶封裝技術(shù)，將芯片上凸塊采用金屬柱取代以往的焊球，另以焊料 連接芯片上的金屬柱與基板上的接墊，在回焊時(shí)不會(huì)有以往焊球成球的形狀改變，故金屬 柱的間距可容許縮小的更為密集(凸塊間距可達(dá)到小于50微米，例如30微米)，達(dá)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(shù)便稱(chēng)之為“金屬柱焊接的芯片連 接，，，也就是所謂的 MPS-C2(Metal Post Solder-ChipConnection)技術(shù)。此一 MPS-C2 相關(guān) 技術(shù)已可見(jiàn)于美國(guó)專(zhuān)利 US 6,229,220 Bl 號(hào)“Bump structure, bump forming method and package connectirigbody，，。如圖1所示，一種現(xiàn)有習(xí)知MPS-C2架構(gòu)的金屬柱芯片連接構(gòu)造100主要包含一芯 片110與一基板120。該芯片110設(shè)有多個(gè)金屬柱112，并突出于該芯片110的一表面111。 該基板120的一上表面121具有多個(gè)接墊122，并且分別對(duì)應(yīng)于該些金屬柱112。詳細(xì)而言， 該些金屬柱112藉由多個(gè)焊料150焊接于該些接墊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(dá)成該芯片110與該基板120的 電性連接關(guān)系是以該些焊料150作為焊接界面，在材質(zhì)與熔點(diǎn)上皆不同于該些金屬柱112 與該些接墊122，易有焊點(diǎn)斷裂與阻抗增加的風(fēng)險(xiǎn)。因此，傳統(tǒng)的MPS-C2技術(shù)在該芯片110與該基板120結(jié)合會(huì)使用該些焊料150去 做芯片連接。其中，該些焊料150可選用錫球(solder ball)或其它不同于凸塊成份的焊接 劑，故在芯片連接時(shí)又需要考慮到不同材質(zhì)間的金屬擴(kuò)散與濕潤(rùn)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，在后續(xù)回焊步驟中，該些焊料150 在加熱至回焊溫度時(shí)，該些焊料150會(huì)熔化而具有流動(dòng)性，當(dāng)該些焊料150受到擠壓或震動(dòng) 會(huì)發(fā)生溢流的情況，更可能造成該些金屬柱112焊接到錯(cuò)誤的接墊122，則將導(dǎo)致電性連接 失敗。由此可見(jiàn)，上述現(xiàn)有的芯片封裝技術(shù)在結(jié)構(gòu)與使用上，顯然仍存在有不便與缺陷， 而亟待加以進(jìn)一步改進(jìn)。為了解決上述存在的問(wèn)題，相關(guān)廠商莫不費(fèi)盡心思來(lái)謀求解決之 道，但長(zhǎng)久以來(lái)一直未見(jiàn)適用的設(shè)計(jì)被發(fā)展完成，而一般產(chǎn)品又沒(méi)有適切結(jié)構(gòu)能夠解決上 述問(wèn)題，此顯然是相關(guān)業(yè)者急欲解決的問(wèn)題。因此如何能創(chuàng)設(shè)一種新型的免用焊料的金屬 柱芯片連接構(gòu)造與方法，實(shí)屬當(dāng)前重要研發(fā)課題之一，亦成為當(dāng)前業(yè)界極需改進(jìn)的目標(biāo)。有鑒于上述現(xiàn)有的芯片封裝技術(shù)存在的缺陷，本發(fā)明人基于從事此類(lèi)產(chǎn)品設(shè)計(jì)制 造多年豐富的實(shí)務(wù)經(jīng)驗(yàn)及專(zhuān)業(yè)知識(shí)，并配合學(xué)理的運(yùn)用，積極加以研究創(chuàng)新，以期創(chuàng)設(shè)一種 新型的免用焊料的金屬柱芯片連接構(gòu)造與方法，能夠改進(jìn)一般現(xiàn)有的芯片封裝技術(shù)，使其更具有實(shí)用性。經(jīng)過(guò)不斷的研究、設(shè)計(jì)，并經(jīng)過(guò)反復(fù)試作樣品及改進(jìn)后，終于創(chuàng)設(shè)出確具實(shí) 用價(jià)值的本發(fā)明。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的主要目的在于，克服現(xiàn)有的芯片封裝技術(shù)存在的缺陷，而提供一種新型 的免用焊料的金屬柱芯片連接構(gòu)造，所要解決的技術(shù)問(wèn)題是使其不需要使用以往的焊料做 芯片連接，以提升焊點(diǎn)的導(dǎo)電性，特別應(yīng)用于MPS_C2(金屬柱焊接的芯片連接)產(chǎn)品能夠節(jié) 省使用焊料接合的成本，非常適于實(shí)用。本發(fā)明的另一目的在于，提供一種新型的免用焊料的金屬柱芯片連接方法，所要 解決的技術(shù)問(wèn)題是使其建立在金屬柱與接墊之間無(wú)焊料的U形金屬鍵合截面，大幅提升焊 點(diǎn)的結(jié)合強(qiáng)度，從而更加適于實(shí)用。本發(fā)明的目的及解決其技術(shù)問(wèn)題是采用以下技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)的。依據(jù)本發(fā)明提 出的一種免用焊料的金屬柱芯片連接構(gòu)造，其包括一芯片，設(shè)有多個(gè)金屬柱，突出于該芯 片的一表面，每一金屬柱具有一頂面與兩平行側(cè)壁；以及一基板，具有一上表面以及多個(gè)在 該上表面的接墊，每一接墊具有一凹穴底面與兩側(cè)凹穴側(cè)；其中，該芯片接合于該基板的上 表面，該些金屬柱的頂面自我焊接至該些凹穴底面，該些金屬柱的兩平行側(cè)壁的局部自我 焊接至該些兩側(cè)凹穴側(cè)，以使該些金屬柱與該些接墊之間形成為無(wú)焊料的U形金屬鍵合截 面。本發(fā)明的目的及解決其技術(shù)問(wèn)題還可采用以下技術(shù)措施進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)。前述的免用焊料的金屬柱芯片連接構(gòu)造，其中所述的U形金屬鍵合截面為銅-銅 界面。前述的免用焊料的金屬柱芯片連接構(gòu)造，其中所述的芯片的該表面為一主動(dòng)面。前述的免用焊料的金屬柱芯片連接構(gòu)造，其中所述的金屬柱更貫穿該芯片。前述的免用焊料的金屬柱芯片連接構(gòu)造，其另包含一底部填充膠，形成于該芯片 與該基板之間，以密封該些金屬柱。前述的免用焊料的金屬柱芯片連接構(gòu)造，其中所述的接墊的凹穴深度不大于該些 金屬柱的高度的三分之一。本發(fā)明的目的及解決其技術(shù)問(wèn)題還采用以下技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)。依據(jù)本發(fā)明提出的 一種免用焊料的金屬柱芯片連接方法，其包括提供一芯片，設(shè)有多個(gè)金屬柱，突出于該芯 片的一表面，每一金屬柱具有一頂面與兩平行側(cè)壁；提供一基板，具有一上表面以及多個(gè)在 該上表面的接墊，每一接墊具有一凹穴底面與兩側(cè)凹穴側(cè)；以及接合該芯片于該基板的上 表面，利用熱、壓力與超音波施加予該芯片令該些金屬柱的頂面自我焊接至該些凹穴底面， 該些金屬柱的兩平行側(cè)壁的局部自我焊接至該些兩側(cè)凹穴側(cè)，以使該些金屬柱與該些接墊 之間形成為無(wú)焊料的U形金屬鍵合截面。本發(fā)明的目的及解決其技術(shù)問(wèn)題還可采用以下技術(shù)措施進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)。前述的免用焊料的金屬柱芯片連接方法，其中所述的U形金屬鍵合截面為銅-銅 界面。前述的免用焊料的金屬柱芯片連接方法，其中所述的芯片的該表面為一主動(dòng)面。前述的免用焊料的金屬柱芯片連接方法，其中所述的金屬柱更貫穿該芯片。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有明顯的優(yōu)點(diǎn)和有益效果。由以上可知，為達(dá)到上述目 的，本發(fā)明提供了一種免用焊料的金屬柱芯片連接構(gòu)造，主要包含一芯片以及一基板。該芯 片設(shè)有多個(gè)金屬柱，突出于該芯片的一表面，每一金屬柱具有一頂面與兩平行側(cè)壁。該基板 具有一上表面以及多個(gè)在該上表面的接墊，每一接墊具有一凹穴底面與兩側(cè)凹穴側(cè)。其中， 該芯片接合于該基板的上表面，該些金屬柱的頂面自我焊接至該些凹穴底面，該些金屬柱 的兩平行側(cè)壁的局部自我焊接至該些兩側(cè)凹穴側(cè)，以使該些金屬柱與該些接墊之間形成為 無(wú)焊料的U形金屬鍵合截面。本發(fā)明另揭示上述免用焊料的金屬柱芯片連接構(gòu)造的連接方 法。本發(fā)明的目的及解決其技術(shù)問(wèn)題還可采用以下技術(shù)措施進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)。在前述的金屬柱芯片連接構(gòu)造中，該U形金屬鍵合截面可為銅-銅界面。在前述的金屬柱芯片連接構(gòu)造中，該芯片的該表面可為一主動(dòng)面。在前述的金屬柱芯片連接構(gòu)造中，該些金屬柱可更貫穿該芯片。在前述的金屬柱芯片連接構(gòu)造中，可另包含一底部填充膠，形成于該芯片與該基 板之間，以密封該些金屬柱。在前述的金屬柱芯片連接構(gòu)造中，該些接墊的凹穴深度可不大于該些金屬柱的高 度的三分之一。借由上述技術(shù)方案，本發(fā)明免用焊料的金屬柱芯片連接構(gòu)造與方法至少具有下列 優(yōu)點(diǎn)及有益效果由以上技術(shù)方案可以看出，本發(fā)明的免用焊料的金屬柱芯片連接構(gòu)造與方法，有 以下優(yōu)點(diǎn)與功效一、可藉由金屬柱與接墊的特定組合關(guān)作為其中一技術(shù)手段，由于每一金屬柱具 有一頂面與兩平行側(cè)壁，而每一接墊具有一凹穴底面與兩側(cè)凹穴側(cè)，并且金屬柱的頂面自 我焊接至凹穴底面，金屬柱的兩平行側(cè)壁的局部自我焊接至兩側(cè)凹穴側(cè)，以使金屬柱與接 墊之間形成為無(wú)焊料的U形金屬鍵合截面。因此，不需要使用以往的焊料做芯片連接，以提 升焊點(diǎn)的導(dǎo)電性，特別應(yīng)用于MPS-C2(金屬柱焊接的芯片連接)產(chǎn)品時(shí)，能夠節(jié)省使用焊料 接合的成本。二、可藉由金屬柱與接墊的特定組合關(guān)系作為其中一技術(shù)手段，由于每一金屬柱 具有一頂面與兩平行側(cè)壁，而每一接墊具有一凹穴底面與兩側(cè)凹穴側(cè)，并，利用熱、壓力與 超音波施加予芯片以建立在金屬柱與接墊之間的無(wú)焊料的U形金屬鍵合截面。因此，可大 幅提升焊點(diǎn)的結(jié)合強(qiáng)度。綜上所述，本發(fā)明是有關(guān)于一種免用焊料的金屬柱芯片連接構(gòu)造與方法，該芯片 設(shè)有多個(gè)金屬柱，每一金屬柱具有一頂面與兩平行側(cè)壁。基板具有多個(gè)在上表面的接墊，每 一接墊具有一凹穴底面與兩側(cè)凹穴側(cè)。利用熱、壓力與超音波施加予芯片，令金屬柱的頂面 自我焊接至凹穴底面，金屬柱的兩平行側(cè)壁的局部自我焊接至兩側(cè)凹穴側(cè)，以使金屬柱與 接墊之間形成為無(wú)焊料的U形金屬鍵合截面。因此，不需要使用焊料做芯片連接，特別運(yùn)用 于“金屬柱焊接的芯片連接”產(chǎn)品能夠節(jié)省焊料接合成本，并大幅提升焊點(diǎn)的結(jié)合強(qiáng)度與導(dǎo) 電性。本發(fā)明在技術(shù)上有顯著的進(jìn)步，并具有明顯的積極效果，誠(chéng)為一新穎、進(jìn)步、實(shí)用的新 設(shè)計(jì)。上述說(shuō)明僅是本發(fā)明技術(shù)方案的概述，為了能夠更清楚了解本發(fā)明的技術(shù)手段，而可依照說(shuō)明書(shū)的內(nèi)容予以實(shí)施，并且為了讓本發(fā)明的上述和其他目的、特征和優(yōu)點(diǎn)能夠 更明顯易懂，以下特舉較佳實(shí)施例，并配合附圖，詳細(xì)說(shuō)明如下。


圖1為現(xiàn)有習(xí)知的金屬柱芯片連接構(gòu)造的截面示意圖。圖2是本發(fā)明的第一具體實(shí)施例的一種免用焊料的金屬柱芯片連接構(gòu)造的截面 示意圖。圖3A至圖3C是本發(fā)明的第一具體實(shí)施例的金屬柱芯片連接構(gòu)造的覆晶接合過(guò)程 中組件截面示意圖。圖4A至圖4C是本發(fā)明的第一具體實(shí)施例的金屬柱芯片連接構(gòu)造繪示其金屬柱、 接墊與在覆晶接合過(guò)程中結(jié)合的示意圖。圖5A至圖5C是本發(fā)明的一變化實(shí)施例的金屬柱芯片連接構(gòu)造繪示其金屬柱、接 墊與在覆晶接合過(guò)程中結(jié)合的示意圖。圖6是本發(fā)明的第二具體實(shí)施例的另一種免用焊料的金屬柱芯片連接構(gòu)造的截 面示意圖。100金屬柱芯片連接構(gòu)造
110-H-* LL 心片
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免用焊料的金屬柱芯片連接構(gòu)造
210-H-* LL 心片
211表面212 金屬柱
213頂面213a 頂面
214平行側(cè)壁214a平行側(cè)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(cè)224a凹穴側(cè)
230=U形金屬鍵合截面
240底部填充膠
300免用焊料的金屬柱芯片連接構(gòu)造
315貫通孔316 電鍍層
具體實(shí)施例方式
為更進(jìn)一步闡述本發(fā)明為達(dá)成預(yù)定發(fā)明目的所采取的技術(shù)手段及功效，以下結(jié)合 附圖及較佳實(shí)施例，對(duì)依據(jù)本發(fā)明提出的免用焊料的金屬柱芯片連接構(gòu)造與方法其具體實(shí) 施方式、結(jié)構(gòu)、特征及其功效，詳細(xì)說(shuō)明如后。
有關(guān)本發(fā)明的前述及其他技術(shù)內(nèi)容、特點(diǎn)及功效，在以下配合參考圖式的較佳實(shí) 施例的詳細(xì)說(shuō)明中將可清楚的呈現(xiàn)。為了方便說(shuō)明，在以下的實(shí)施例中，相同的元件以相同 的編號(hào)表示。以下將配合所附圖示詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明的實(shí)施例，然應(yīng)注意的是，該些圖示均為簡(jiǎn) 化的示意圖，僅以示意方法來(lái)說(shuō)明本發(fā)明的基本架構(gòu)或?qū)嵤┓椒?，故僅顯示與本案有關(guān)的 組件與組合關(guān)系，圖中所顯示的組件并非以實(shí)際實(shí)施的數(shù)目、形狀、尺寸做等比例繪制，某 些尺寸比例與其它相關(guān)尺寸比例或已夸張或是簡(jiǎn)化處理，以提供更清楚的描述。實(shí)際實(shí)施 的數(shù)目、形狀及尺寸比例為一種選置性的設(shè)計(jì)，詳細(xì)的組件布局可能更為復(fù)雜。依據(jù)本發(fā)明的第一具體實(shí)施例，一種免用焊料的金屬柱芯片連接構(gòu)造舉例說(shuō)明于 圖2的截面示意圖以及圖3A至圖3C在覆晶接合過(guò)程中組件截面示意圖。該免用焊料的金 屬柱芯片連接構(gòu)造200主要包含一芯片210以及一基板220。請(qǐng)參閱圖2所示，該芯片210設(shè)有多個(gè)金屬柱212，突出于該芯片210的一表面 211，每一金屬柱212具有一頂面213與兩平行側(cè)壁214。詳細(xì)而言，該芯片210已形成 有集成電路(integrated circuit, IC)組件，例如內(nèi)存、邏輯組件以及特殊應(yīng)用集成電路 (ASIC)，可由丨晶圓(wafer)分割成顆粒狀。在本實(shí)施例中，該芯片210的該表面211可為 一主動(dòng)面，即集成電路的形成表面。詳細(xì)而言，在該表面211(即主動(dòng)面)可另形成有多個(gè) 焊墊(圖中未繪出)，供該些金屬柱212的設(shè)置，在焊墊與金屬柱之間另可設(shè)置凸塊下金屬 層(圖中未繪出)，以避免金屬柱內(nèi)成份的金屬擴(kuò)散。該些金屬柱212的材質(zhì)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(shù)，使該頂面 213為平坦并有相同的高度。該基板220具有一上表面221以及多個(gè)在該上表面221的接墊222，每一接墊222 具有一凹穴底面223與兩側(cè)凹穴側(cè)224。詳細(xì)而言，該基板220可為一印刷電路板(printed circuit board, PCB)，作為半導(dǎo)體封裝結(jié)構(gòu)內(nèi)芯片承載與電性連接的媒介物。在一較佳實(shí) 施例中，每一接墊222的兩凹穴側(cè)224的距離可不大于對(duì)應(yīng)的每一金屬柱212的兩平行側(cè) 壁214的距離，以確保在覆晶接合中該些平行側(cè)壁214能摩擦接觸該些凹穴側(cè)224。該些 接墊222的材質(zhì)可包含銅，該凹穴底面223與該兩側(cè)凹穴側(cè)224的形成可利用圖案化蝕刻 或圖案化電鍍技術(shù)達(dá)成。在一較佳實(shí)施例中，該些接墊222的凹穴深度可不大于該些金屬 柱212的高度的三分之一，以避免該些金屬柱212過(guò)度嵌埋于該些接墊222內(nèi)并保持該芯 片210與該基板220之間不可摩擦接觸的間隙。此外，在本實(shí)施例中，該些金屬柱212與該 些接墊222可具有相同的材質(zhì)，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，該芯片210接合于該基板220的上表面221，該些金屬柱212的頂面213自 我焊接至該些凹穴底面223，該些金屬柱212的兩平行側(cè)壁214的局部自我焊接至該些兩側(cè) 凹穴側(cè)224，以使該些金屬柱212與該些接墊222之間形成為無(wú)焊料的U形金屬鍵合截面 230。換言之，該U形金屬鍵合截面230包含至少三個(gè)接合界面而呈非平面，上述的“接合界 面”位于該頂面213與該凹穴底面223之間以及兩平行側(cè)壁214與對(duì)應(yīng)的兩凹穴側(cè)2 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(kuò)散，而與該些接墊222 形成相互金屬鍵結(jié)，不需要假借外加的焊料、凸塊鍍層或其它接合劑，基本上會(huì)在該U形金 屬鍵合截面230產(chǎn)生斷續(xù)的金屬晶格界面，故在自我焊接之后在該些金屬柱212與該些接墊222之間的阻抗不會(huì)升高，以“無(wú)焊料的U形金屬鍵合截面”作為焊點(diǎn)可達(dá)到較佳的導(dǎo)電 性。在本實(shí)施例中，該U形金屬鍵合截面230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不會(huì)有其它雜質(zhì)、脆弱的鑄造結(jié)構(gòu)或介金 屬化合物的存在，而能形成較為平整無(wú)縫隙的接合面，不需要使用以往的焊料做芯片連接， 以提升焊點(diǎn)的導(dǎo)電性。此外，該免用焊料的金屬柱芯片連接構(gòu)造200可另包含一底部填充膠 240 (underfill material)，形成于該芯片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(dòng)性，用以避免該芯片210與該基板220之間形成 空隙。在一較佳實(shí)施例中，該底部填充膠240可選用硬度較高的材料，除了能保護(hù)該些金屬 柱212之外，更可以補(bǔ)強(qiáng)整體的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。因此，本發(fā)明藉由金屬柱與接墊的特定組合關(guān)系作為其中一技術(shù)手段，毋須以往 的焊料做芯片連接特別應(yīng)用于MPS-C2 (金屬柱焊接的芯片連接)產(chǎn)品能夠節(jié)省使用焊料接 合的成本。這是因?yàn)槊恳唤饘僦?12具有一頂面213與兩平行側(cè)壁214，并且每一接墊222 具有一凹穴底面223與兩側(cè)凹穴側(cè)224，并且該些金屬柱212的頂面213自我焊接至該些凹 穴底面223，該些金屬柱212的兩平行側(cè)壁214的局部自我焊接至對(duì)應(yīng)的兩側(cè)凹穴側(cè)224， 以使該些金屬柱212與該些接墊222之間形成為無(wú)焊料的U形金屬鍵合截面230。此外，更 大幅提升焊點(diǎn)的結(jié)合強(qiáng)度與導(dǎo)電性，免除了傳統(tǒng)使用焊料接合時(shí)易有焊焊點(diǎn)斷裂與阻抗增 加的風(fēng)險(xiǎn)。本發(fā)明還揭示該免用焊料的金屬柱芯片連接構(gòu)造200的一種可行但非限定的制 造方法，舉例說(shuō)明于圖3A至圖3C在制造中組件截面示意圖，用以清楚彰顯本發(fā)明的其中一 功效，其詳細(xì)步驟說(shuō)明如下所示。首先，請(qǐng)參閱圖3A所示，提供該芯片210，設(shè)有多個(gè)金屬柱212，突出于該芯片210 的一表面211，每一金屬柱212具有一頂面213與兩平行側(cè)壁214。該些頂面213不需要沾 附現(xiàn)有習(xí)知所使用的焊料，除了毋須擔(dān)心會(huì)有焊料污染問(wèn)題之外，更可節(jié)省不少焊料的設(shè) 置成本。請(qǐng)參閱圖:3B所示，提供該基板220，在該基板220的上表面221設(shè)有多個(gè)接墊222， 每一接墊222具有一凹穴底面223與兩側(cè)凹穴側(cè)224。具體而言，每一凹穴底面223與對(duì)應(yīng) 的兩側(cè)凹穴側(cè)2 可形成猶如U形槽的結(jié)構(gòu)。請(qǐng)參閱圖3C所示，執(zhí)行一覆晶接合的步驟，以接合該芯片210于該基板220的上 表面221。經(jīng)由一吸附式熱壓合治具(圖中未繪出)傳送熱、壓力與超音波并施加予該芯 片210，以使該些金屬柱212的頂面213自我焊接至該些凹穴底面223，該些金屬柱212的 兩平行側(cè)壁214的局部自我焊接至該些兩側(cè)凹穴側(cè)224，以使該些金屬柱212與該些接墊 222之間形成為無(wú)焊料的U形金屬鍵合截面230。其中，所謂的“超音波”指振動(dòng)頻率不小 于2萬(wàn)赫茲(Hz)，對(duì)該芯片210及其金屬柱212產(chǎn)生每秒2萬(wàn)次至4萬(wàn)次的高頻率橫向振 動(dòng)，使得該些金屬柱212與該些接墊222的接合面因高頻振動(dòng)而表面熔接，誘發(fā)原子擴(kuò)散以 形成相互金屬的原子結(jié)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的熔 點(diǎn)。利用適當(dāng)加熱該芯片210但不需要到達(dá)該些金屬柱212的熔點(diǎn)，以使連接在該芯片210 的金屬柱212同時(shí)受熱而膨脹，同一金屬柱212的兩平行側(cè)壁214的距離可略大于對(duì)應(yīng)接 墊222的兩平行側(cè)壁214的距離，藉以增加該些金屬柱212的兩平行側(cè)壁214的局部與該
8些兩側(cè)凹穴側(cè)224的摩擦接觸，以達(dá)到側(cè)邊垂直向的自我焊接。利用施壓予該芯片210，確 保該些金屬柱212的頂面213與該些凹穴底面223的摩擦接觸，以達(dá)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芯片210，能夠在該些金屬柱212與該些接墊 222之間建立無(wú)焊料的U形金屬鍵合截面230，可大幅提升焊點(diǎn)的結(jié)合強(qiáng)度。圖4A至圖4C為該金屬柱芯片連接構(gòu)造200繪示其金屬柱、接墊與在覆晶接合過(guò) 程中結(jié)合的示意圖。如圖4A所示，每一金屬柱212的該頂面213可為矩形，而每一金屬柱 212除了具有上述的兩平行側(cè)壁214之外，可另具有一對(duì)平行的壁面，故使得該些金屬柱 212形成為長(zhǎng)方體。此外，如圖4B與圖4C所示，每一接墊222的該凹穴底面223的面積可 不大于對(duì)應(yīng)的頂面213的面積。更具體地，當(dāng)該些金屬柱212接合至該些接墊222時(shí)，利用 熱、壓力與超音波施加予該芯片210，該些頂面213與對(duì)應(yīng)的凹穴底面223以及該些平行側(cè) 壁214與對(duì)應(yīng)的凹穴側(cè)2M之間快速地振動(dòng)摩擦，以使該些金屬柱212的頂面213自我焊 接至該些凹穴底面223，以及該些金屬柱212的兩平行側(cè)壁214的局部自我焊接至該些兩 側(cè)凹穴側(cè)224。圖4C中箭頭所指方向即為利用超音波的振動(dòng)方向，其平行于該些平行側(cè)壁 214與該些凹穴側(cè)224。圖5A至圖5C為在一變化實(shí)施例中該金屬柱芯片連接構(gòu)造200繪示其金屬柱、接 墊與在覆晶接合過(guò)程中結(jié)合的示意圖，用以說(shuō)明不限定金屬柱的頂面與接墊的凹穴底面的 形狀。如圖5A所示，每一金屬柱212的該頂面213a可為正方形，而能具有兩對(duì)相互平行且 相等的平行側(cè)壁214a。并且，如圖5B所示，每一接墊222凹陷而形成猶如一容置槽的形狀， 除了具有兩側(cè)凹穴側(cè)22 之外，更形成有另一對(duì)平行的側(cè)壁。更進(jìn)一步地，該些接墊222 的凹穴底面223a的形狀可為長(zhǎng)方形，并且該些接墊222的凹穴底面223a的面積可大于該 些金屬柱212的頂面213a的面積，以利自我焊接該些金屬柱212的頂面213a至該些凹穴 底面223a。此外，該些凹穴底面223a的較短邊(即接墊222的兩凹穴側(cè)22 的距離)不 大于對(duì)應(yīng)金屬柱212的頂面213a的對(duì)應(yīng)邊長(zhǎng)(即金屬柱212的兩平行側(cè)壁21 的距離)， 故在該芯片210與該基板220接合時(shí)，依照?qǐng)D5C箭頭所指的超音波振動(dòng)方向，該些金屬柱 212的兩平行側(cè)壁21 能高頻振動(dòng)摩擦至對(duì)應(yīng)的該些接墊222的兩凹穴側(cè)22 ，以利自我 焊接該些金屬柱212的兩平行側(cè)壁21 至該些兩側(cè)凹穴側(cè)22如。依據(jù)本發(fā)明的第二具體實(shí)施例，另一種免用焊料的金屬柱芯片連接構(gòu)造300舉例 說(shuō)明于圖6的截面示意圖。其中與第一實(shí)施例相同的主要組件將以相同符號(hào)標(biāo)示，不再詳 予贅述。請(qǐng)參閱圖6所示，該免用焊料的金屬柱芯片連接構(gòu)造300主要包含一芯片210與 一基板220。該芯片210設(shè)有多個(gè)金屬柱212，突出于該芯片210的一表面211，每一金屬柱 212具有一頂面213與兩平行側(cè)壁214。該基板220具有一上表面221以及多個(gè)在該上表面 221的接墊222，每一接墊222具有一凹穴底面223與兩側(cè)凹穴側(cè)224。其中，該芯片210接 合于該基板220的上表面221，該些金屬柱212的頂面213自我焊接至該些凹穴底面223， 該些金屬柱212的兩平行側(cè)壁214的局部自我焊接至該些兩側(cè)凹穴側(cè)224，以使該些金屬柱 212與該些接墊222之間形成為無(wú)焊料的U形金屬鍵合截面230。較佳地，該些金屬柱212 可更貫穿該芯片210。更進(jìn)一步地，該芯片210被該些金屬柱212貫穿處可形成有多個(gè)貫 通孔315，并且每一貫通孔315的孔壁設(shè)置有一電鍍層316。該些電鍍層316可選用導(dǎo)電材 料，例如銅(Cu)。詳細(xì)而言，該些貫通孔315也就是所謂的硅穿孔(Though Silicon Via,TSV)。藉由該些金屬柱212貫穿該芯片210的結(jié)構(gòu)能提供垂直電性導(dǎo)通與穩(wěn)固該些金屬柱 212的作用，有助于該芯片210至該些金屬柱212的超音波振動(dòng)傳導(dǎo)，以促進(jìn)該U形金屬鍵 合截面230的形成。在本實(shí)施例中，該些金屬柱212的突出表面211可為該芯片210的背 面，故該芯片210的主動(dòng)面則遠(yuǎn)離該基板220，以達(dá)到較佳散熱效果。此外，該些金屬柱212 的外露端面可立體堆棧另一芯片。 以上所述，僅是本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并非對(duì)本發(fā)明作任何形式上的限制，雖 然本發(fā)明已以較佳實(shí)施例揭露如上，然而并非用以限定本發(fā)明，任何熟悉本專(zhuān)業(yè)的技術(shù)人 員，在不脫離本發(fā)明技術(shù)方案范圍內(nèi)，當(dāng)可利用上述揭示的技術(shù)內(nèi)容作出些許更動(dòng)或修飾 為等同變化的等效實(shí)施例，但凡是未脫離本發(fā)明技術(shù)方案的內(nèi)容，依據(jù)本發(fā)明的技術(shù)實(shí)質(zhì) 對(duì)以上實(shí)施例所作的任何簡(jiǎn)單修改、等同變化與修飾，均仍屬于本發(fā)明技術(shù)方案的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種免用焊料的金屬柱芯片連接構(gòu)造，其特征在于其包括一芯片，設(shè)有多個(gè)金屬柱，突出于該芯片的一表面，每一金屬柱具有一頂面與兩平行側(cè) 壁；以及一基板，具有一上表面以及多個(gè)在該上表面的接墊，每一接墊具有一凹穴底面與兩側(cè) 凹穴側(cè)；其中，該芯片接合于該基板的上表面，該些金屬柱的頂面自我焊接至該些凹穴底面，該 些金屬柱的兩平行側(cè)壁的局部自我焊接至該些兩側(cè)凹穴側(cè)，以使該些金屬柱與該些接墊之 間形成為無(wú)焊料的U形金屬鍵合截面。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的免用焊料的金屬柱芯片連接構(gòu)造，其特征在于其中所述的U 形金屬鍵合截面為銅-銅界面。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的免用焊料的金屬柱芯片連接構(gòu)造，其特征在于其中所述的芯 片的該表面為一主動(dòng)面。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的免用焊料的金屬柱芯片連接構(gòu)造，其特征在于其中所述的金 屬柱更貫穿該芯片。
5.根據(jù)權(quán)利要求1至4中任一權(quán)利要求所述的免用焊料的金屬柱芯片連接構(gòu)造，其特 征在于其另包含一底部填充膠，形成于該芯片與該基板之間，以密封該些金屬柱。
6.根據(jù)權(quán)利要求1至4中任一權(quán)利要求所述的免用焊料的金屬柱芯片連接構(gòu)造，其特 征在于其中所述的接墊的凹穴深度不大于該些金屬柱的高度的三分之一。
7.一種免用焊料的金屬柱芯片連接方法，其特征在于其包括提供一芯片，設(shè)有多個(gè)金屬柱，突出于該芯片的一表面，每一金屬柱具有一頂面與兩平 行側(cè)壁；提供一基板，具有一上表面以及多個(gè)在該上表面的接墊，每一接墊具有一凹穴底面與 兩側(cè)凹穴側(cè)；以及接合該芯片于該基板的上表面，利用熱、壓力與超音波施加予該芯片令該些金屬柱的 頂面自我焊接至該些凹穴底面，該些金屬柱的兩平行側(cè)壁的局部自我焊接至該些兩側(cè)凹穴 側(cè)，以使該些金屬柱與該些接墊之間形成為無(wú)焊料的U形金屬鍵合截面。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的免用焊料的金屬柱芯片連接方法，其特征在于其中所述的U 形金屬鍵合截面為銅-銅界面。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的免用焊料的金屬柱芯片連接方法，其特征在于其中所述的芯 片的該表面為一主動(dòng)面。
10.根據(jù)權(quán)利要求7所述的免用焊料的金屬柱芯片連接方法，其特征在于其中所述的 金屬柱更貫穿該芯片。
全文摘要
本發(fā)明是有關(guān)于一種免用焊料的金屬柱芯片連接構(gòu)造與方法，該芯片設(shè)有多個(gè)金屬柱，每一金屬柱具有一頂面與兩平行側(cè)壁?；寰哂卸鄠€(gè)在上表面的接墊，每一接墊具有一凹穴底面與兩側(cè)凹穴側(cè)。利用熱、壓力與超音波施加予芯片，令金屬柱的頂面自我焊接至凹穴底面，金屬柱的兩平行側(cè)壁的局部自我焊接至兩側(cè)凹穴側(cè)，以使金屬柱與接墊之間形成為無(wú)焊料的U形金屬鍵合截面。因此，不需要使用焊料做芯片連接，特別運(yùn)用于“金屬柱焊接的芯片連接”產(chǎn)品能夠節(jié)省焊料接合成本，并大幅提升焊點(diǎn)的結(jié)合強(qiáng)度與導(dǎo)電性。
文檔編號(hào)H01L23/498GK102142421SQ20101011104
公開(kāi)日2011年8月3日 申請(qǐng)日期2010年2月1日 優(yōu)先權(quán)日2010年2月1日
發(fā)明者徐宏欣, 柯志明 申請(qǐng)人:力成科技股份有限公司