一種半導體封裝及其制造方法
【專利摘要】本發明提供了一種半導體封裝，其包括一半導體芯片，其中包含：一主動面，其上有傳導墊；在主動面上方的電鍍金-錫(Au-Sn)合金凸塊；以及(玻璃)基板，其包括與電鍍金-錫合金凸塊電耦合的導線，其中電鍍金-錫合金凸塊具有重量百分比約Au0.85Sn0.15至約Au0.75Sn0.25的組成成分，從接近所述主動面的一端均勻分布至接近基板的一端。本發明還提供了一種制造半導體封裝的方法，包括：在半導體芯片的主動面上形成傳導墊的圖案；在傳導墊上方電鍍金-錫合金凸塊；以及藉由回焊程序或熱壓程序，將半導體芯片接合在基板上相對應的導線上。
【專利說明】
一種半導體封裝及其制造方法
技術領域
[0001] 本發明是關于金-錫（Au-Sn)合金凸塊以及使用金-錫合金凸塊的半導體結構。
【背景技術】
[0002] 隨著近來電子產業的進步，電子組件已經具有高性能的表現，因而產生微縮化、高 密度化的封裝需求。據此，連接IC與主板的連接端子必須以更高密度進行封裝。封裝技術 的高密度發展是由于集成電路（IC)的輸出入端（I/O)數目增加、而連接端子的接合方法亦 變得更有效率所致。
[0003] 覆晶接合技術是目前已普及的連結技術當中的一項。覆晶接合技術在現行的集成 電路（IC)的制造趨勢流程的發展，主要受到幾個因素影響。第一，當使用傳統金屬絲連接 技術，其相關的寄生電感降低時，半導體裝置的電子性能可以再提升。其次，相較于金屬絲 連接技術，覆晶接合封裝可在芯片與封裝之間提供更高的互連密度。第三，覆晶接合技術所 占用的硅芯片有效使用面積較少，因而有助于節省硅面積與降低組件成本。第四，當同步接 合（gang-bonding)取代連續個別接合步驟時，可降低制造成本及電性接合時間。
[0004] 為了能降低接合端子的尺寸與其間距，因此在覆晶接合技術中利用金屬凸塊取代 早期連結用焊球，特別是藉由改良過的線球技術所產生的金屬凸塊。典型的作法乃是將該 金屬凸塊形成在半導體芯片接墊的鋁層上。接著，利用焊料將芯片附接至基板。該金屬凸 塊可使用于LCD、內存、微處理器與射頻集成電路（RFIC)的覆晶封裝應用中。
[0005] 在各種不同的接合材料中，由于環保意識的提升，無鉛焊接凸塊近年來倍受注目。 目前還有其它不同形式的材料被采用并持續發展，例如純錫（Sn)、金-錫（Au-Sn)、銅-錫 (Cu-Sn)、銀-錫（Ag-Sn)等。在本發明中，將進一步討論電鍍的金-錫（Au-Sn)凸塊。
【發明內容】
[0006] 本發明提供一種半導體封裝，其包括半導體芯片。該半導體芯片包含一主動面及 設置于主動面上之傳導墊；電鍍金-錫（Au-Sn)合金凸塊，其位于該半導體芯片之主動面 上；以及基板，其包括與該電鍍金-錫合金凸塊電性耦合的導線，其中該電鍍金-錫合金凸 塊具有重量百分比約Au as5Snai5至約Aua75Sna25的組成成分，從接近該主動面的一端均勻分 布至接近該基板的一端。
[0007] 本發明提供一種半導體封裝，其包括半導體芯片，該半導體芯片包含一主動面及 設置于主動表面上的傳導墊；電鍍金-錫合金凸塊，其位于該主動面上方；以及玻璃基板， 其包含與該電鍍金-錫合金凸塊電性耦合的導線，其中該電鍍金-錫合金凸塊具有重量百 分比約Au as5Snai5至約Aua75Sna25的組成成分，從接近該主動面的一端均勾分布至接近該玻 璃基板的一端。
[0008] 本發明的一些實施例是提供一種制造半導體封裝的方法，其包括：在半導體芯片 的一主動面上，形成傳導墊的圖案；在該傳導墊上方，電鍍金-錫合金凸塊；以及藉由回焊 程序或熱壓程序，將該半導體芯片接合在基板上相對應的導線上。
【附圖說明】
[0009] 經由以下所提供之詳細說明與所附圖式，將得以最佳方式了解本發明之各方面特 征。值得注意的是，根據業界的標準做法，各種特征并非依比例繪示。實際上，為了清楚解 釋及說明，各種特征的尺寸可任意放大或縮小。
[0010] 圖1是根據本發明的一些實施例說明具有電鍍金-錫（Au-Sn)合金凸塊的簡化半 導體封裝之剖面圖。
[0011] 圖2A是根據本發明的一些實施例說明電鍍金-錫合金凸塊平行于支撐該電鍍 金-錫合金凸塊的表面之剖面圖。
[0012] 圖2B是根據本發明的一些實施例說明電鍍金-錫合金凸塊平行于支撐該電鍍 金-錫合金凸塊的表面之剖面圖。
[0013] 圖3是根據本發明的一些實施例說明具有電鍍金-錫合金凸塊的半導體結構之剖 面圖。
[0014] 圖4是根據本發明的一些實施例說明具有電鍍金-錫合金凸塊的發光二極管 (LED)結構之剖面圖。
[0015] 圖5是根據本發明的一些實施例說明具有電鍍金-錫合金凸塊之覆晶薄膜封裝 (chip-on film，C0F)半導體結構之剖面圖。
[0016] 圖6是根據本發明的一些實施例說明具有電鍍金-錫合金凸塊之玻璃覆晶結合技 術（chip-on glass，C0G)半導體結構之剖面圖。
[0017] 圖7A至圖7F是說明圖3所示之具有電鍍金-錫合金凸塊之半導體結構的制造步 驟。
[0018] 圖8A至圖8D是說明圖4所示之具有電鍍金-錫合金凸塊之發光二極管（LED)的 制造步驟。
[0019] 附圖標記：
[0020] 10 半導體封裝
[0021] 101 電鍍金-錫（Au-Sn)合金凸塊
[0022] 102 下傳導墊
[0023] 103 裝置
[0024] 105 上傳導墊
[0025] 104 明相
[0026] 107 暗相
[0027] 300 半導體結構
[0028] 301 金-錫（Au-Sn)合金凸塊
[0029] 3006 下部
[0030] 304 基板
[0031] 304a 主動表面
[0032] 302 下傳導墊
[0033] 3002 上部
[0034] 307 介電質
[0035] 305 上傳導墊
[0036] 303 裝置
[0037] 309 凸塊下金屬（UBM)層
[0038] 311 傳導柱
[0039] 400 發光二極管結構
[0040] 401a、401b 電鍍金-錫（Au-Sn)合金凸塊
[0041] 403 基板
[0042] 405 N 型 GaN 層
[0043] 409 P 型 GaN 層
[0044] 407 多量子井層
[0045] 411a η 型電極
[0046] 411b P 型電極
[0047] 4006 下部
[0048] 404 基板
[0049] 404A 主動表面
[0050] 402a、402b 傳導墊
[0051] 4〇6a、4〇6b 接合塾
[0052] 500 覆晶薄膜（COF)封裝半導體結構
[0053] 504 可撓性薄膜
[0054] 504A 主動面
[0055] 502a、502b 傳導層
[0056] 513a、513b 金 / 銀凸塊
[0057] 501a,501b 電鍍金-錫（Au-Sn)合金凸塊
[0058] 51 la、51 Ib 上傳導墊
[0059] 503 裝置
[0060] 506a、506b 阻焊圖案
[0061] 509 底膠填充材料
[0062] 600 玻璃上芯片（COG)封裝半導體結構
[0063] 601a與、601b電鍍金-錫（Au-Sn)合金凸塊
[0064] 604 玻璃基板
[0065] 604A 主動表面
[0066] 602a、602b 傳導層
[0067] 603 半導體芯片
[0068] 613a、613b 金 / 銀凸塊
[0069] 611a、611b 上傳導墊
[0070] 313 第一屏蔽層
[0071] 313A 開口
[0072] 700' 容器
[0073] 713 電鍍槽
[0074] 711 陽極
[0075] 712 陰極
[0076] 700A 入口
[0077] 700B 出口
[0078] 413 第一屏蔽層
[0079] 413A 開口
[0080] 413B 開口
[0081] 800' 容器
[0082] 811 陽極
[0083] 812 陰極
[0084] 813 電鍍槽
[0085] 800B 出口
[0086] 800A 入口
【具體實施方式】
[0087] 以下的詳細說明提供許多具體的細節，以使本發明能被透徹理解。然而，本領域之 技術人士會理解其不需這些細節亦可得以實施本發明。在其它例子中，已知的方法、步驟、 組件與電路并未詳細描述，但不會使得本發明因而難以理解。應理解的是，下述的發明提供 許多不同的實施例或范例，其用于實現各種實施例的不同特征。為簡化本文，組件與配置乃 以特定范例描述如下。當然，這些僅作為范例而非用于限制本發明。
[0088] 以下發明提供許多不同的實施例或范例，用于實現本申請案之不同特征。組件與 配置的特定范例之描述如下，以簡化本發明之揭示內容。當然，這些僅為范例，而非用于限 制本發明。例如，以下關于在第二特征上或上方形成第一特征之描述可包含以該第一特征 與該第二特征直接接觸之實施例；亦可包含在該第一特征與第二特征之間出現其它特征的 實施例，因而該第一特征與該第二特征并非直接接觸。此外，本發明可在不同范例中重復相 同的組件符號和/或字母。此重復作法是為達到簡化并清楚表達之目的，而非用于描述不 同實施例和/或配置彼此之間的關系。
[0089] 再者，本發明可使用空間相對用語，例如「之下」、「低于」、「較低」、「高于」、「較高」 等類似用語，以簡化本文，且能描述圖式中一組件或特征與另一組件或特征的關系。空間相 對用語除用于包括組件在圖式中描述的位向之外，還有使用或操作中之不同位向。舉例而 言，若將圖式中的組件倒置，則描述成在其它零件「下」或「之下」的零件就會變成在其它零 件「之上」。因此，例示的「在下」用詞亦可包含「在上」以及「在下」的位向。裝置亦可被 轉向（旋轉90度或是其它位向），并且本文所使用的空間相對用語也可以類似方式加以解 釋。
[0090] 關于本文實施例的制造與使用將在以下詳細討論。然而應理解的是，本發明提供 許多可應用的發明概念，其可廣泛實施于不同的特定背景。本文所討論的特定實施例僅說 明制造與使用本發明的特定方法，并非限制本發明的范圍。
[0091] 在半導體封裝的金屬凸塊技術中，金凸塊技術由于其材料性質與處理技術在該領 域中廣為熟知，因而最為普及。然而，金凸塊本身材料成本高、接合可靠度較差以及其材料 性質無法令人滿意，例如低導電性與低導熱性，皆為有待解決的問題。制造金屬凸塊有另 一個節省成本的方法，是產生多層凸塊，例如一銅（Cu、在底層）、Ni (鎳、在中間層）以及金 (Au、在頂層）結構的凸塊。此方法節省金屬凸塊的金料消耗，但是銅底層容易氧化與腐蝕， 因而產生可靠度的問題。
[0092] 相較于電子束氣相沉積技術，電鍍金-錫（Au-Sn)凸塊可提供較佳的組成成分均 勻度。這是由于在沉積制程中，較輕的錫原子比起較重的金原子移動速度更快。因此，以電 子束氣相沉積所形成的金-錫凸塊結構中，在接近沉積表面處形成了富含錫的相，而在較 遠離沉積表面處形成富含金的相。金-錫凸塊由于其組成物不均勻，而導致可靠度不良，此 一問題可藉由以下所探討的電鍍技術獲得解決。
[0093] 圖1是為簡化的半導體封裝10的剖面圖，該半導體封裝10在下方傳導墊102與 裝置103之間具有電鍍金-錫合金凸塊101。在一些實施例中，裝置103包含（但不限于） 主動組件，例如內存、晶體管、二極管（PN或PIN接面）、集成電路或是可變電容。在其它實 施例中，裝置103包含被動組件，例如電阻、電容或是電感。在一些實施例中，在裝置103上 包含其上方的傳導墊105。圖1顯示一電鍍金-錫合金凸塊101的微結構。為清楚說明， 在圖1右下角呈現電鍍金-錫合金凸塊101的放大剖面圖，并且藉由使用電子顯微鏡顯示 電鍍金-錫合金凸塊101橫切面的微結構。在一些實施例中，電鍍金-錫合金凸塊101包 含具有0. 15至0. 25重量百分比的錫（Sn)之成份，并且均勻分布在下方的傳導墊102與裝 置103之間。如圖1之放大圖所示，電鍍金-錫合金凸塊101包含明相（light phase) 104 與暗相（dark phase) 107,其皆具有伸長形狀。在一些實施例中，平行于支撐電鍍金-錫合 金凸塊101之表面的橫切面之最大尺寸是在約10微米至約50微米的范圍內。在一些實施 例中，由于電鍍金-錫合金凸塊101是藉由電鍍而形成，因此明相104與暗相107為非晶 (amorphous)結構而不是單晶（single crystals)結構。
[0094] 參閱圖2A與圖2B，其分別說明平行于支撐電鍍金-錫合金凸塊101之表面的橫切 面為圓形或矩形的最大尺寸。該剖面圖示是沿著圖1之剖面線AA的剖面。在一些實施例 中，電鍍金-錫合金凸塊101的形狀是取決于裝置103上方的上傳導墊105之形狀。在一 些實施例中，電鍍金-錫合金凸塊101的寬度是大于、等于或小于上傳導墊105之寬度。在 一些實施例中，平行于支撐電鍍金-錫合金凸塊101之表面的電鍍金-錫合金凸塊101的 圓形橫切面之尺寸是在約10微米（μm)至約50微米的范圍內，如圖2A中的Wl所示。在 一些實施例中，與支撐電鍍金-錫合金凸塊101平行的電鍍金-錫合金矩形橫切面的對角 線是在約10微米至約50微米的范圍內，如圖2B中所標示之W2所示。
[0095] 參閱圖3,其是根據一些實施例說明具有電鍍金-錫合金凸塊301的半導體結構 300之剖面圖。在一些實施例中，半導體結構300是一半導體封裝體。半導體結構300包含 下部3006。下部3006視其應用需求可包含（但不限于）一裝置或僅有一基板304,并且在 基板的主動面304a上沉積下傳導墊302。上部3002包含一裝置303,該裝置303上具有被 介電質307環繞的上傳導墊305。再者，上部3002進一步包含一層設置于上傳導墊305上 的凸塊下金屬層（UBM) 309、一部份的介電質307以及一設置于凸塊下金屬層（UBM) 309上的 傳導柱311。在一些實施例中，傳導柱311實質上為包含具有金、銅、銀及其合金的金屬層。 在一些實施例中，傳導柱311可由化學氣相沉積（CVD)、濺鍍或電化學電鍍（ECP)等方式形 成。在一些實施例中，傳導柱311的高度H2,其范圍視應用需求可由從約10微米至約40微 米。
[0096] 在一些實施例中，UBM層309可為一單層結構或包含由不同材料形成多個次層之 復合結構，該些次層結構可選自于鎳層、鈦層、鈦鎢層、鈀層、金層、銀層及其組合。上部3002 還包含了 一層在傳導柱311上的電鍍金-錫合金凸塊301。在一些實施例中，在傳導柱311 與電鍍金-錫合金凸塊301之間形成介金屬化合物（intermetallic compound，IMC)319〇 在一些實施例中，介金屬化合物（MO的成分是取決于凸塊以及UBM層上方的傳導凸塊之 材料以及其組成比例。例如，在一些實施例中，頂C包含二元的金/錫介金屬AuSn4或是 AuSn/AuSn2的介金屬化合物層。
[0097] 如圖3所示，電鍍金-錫合金凸塊301的高度H3是從電鍍金-錫合金凸塊體的頂 部表面量到半導體芯片304的頂部表面為止。在一些實施例中，電鍍金-錫合金凸塊301 或Au 1 xSnx，其組成成分的X具有從約X = 0. 15至約X = 0. 25的重量百分比，具有H3的高 度。在一些實施例中，以電鍍形成的金-錫合金凸塊301原始高度范圍是約從10微米至約 40微米。在第一道回焊程序之后，由于表面張力，金-錫合金凸塊301變軟且形成彎曲表 面，其高度增加約為原始高度的10%，可達到約11微米至44微米。接著，當金-錫合金凸 塊301接觸另一工件（workpiece，例如半導體裝置或基板）時，進行第二道回焊程序，造成 金-錫合金凸塊301的厚度縮減30%，而其厚度范圍變為從約7微米至約31微米。在一些 實施例中，電鍍金-錫合金凸塊301的寬度（圖3的W3所示）可大于、等于或小于傳導柱 311的寬度。在一些實施例中，與支撐電鍍金-錫合金凸塊的表面平行之電鍍金-錫合金凸 塊301的圓形橫切面之直徑是在約20微米至約50微米范圍內，如圖2A之Wl所示。在一 些實施例中，與支撐電鍍金-錫合金凸塊的表面平行之電鍍金-錫合金凸塊301的的矩形 橫切面之對角線是在約20微米至約50微米的范圍內，如圖2B的W2所示。相較于傳統方 法（例如氣相沉積技術），電鍍金-錫合金凸塊具有非晶結構。由于非晶結構的內部應力較 小，因而沉積程序后無需進行退火程序以降低電鍍金-錫合金凸塊的內部應力。
[0098] 關于發光二極管（LED)結構的封裝技術，該技藝中具有通常知識者慣常使用金凸 塊以連接LED結構至基板或裝置。然而，要接合基板（或裝置）上的銅線（作為導線）與 LED結構，金凸塊的黏著性能較差，這在某種程度上是由于金凸塊的硬度相對較高所導致。 為了解決黏著性問題，傳統方法是在銅線上形成錫膜，以使導線與金凸塊之間更容易黏著。 而本文所提供的改良方法，是使用電鍍金-錫合金凸塊作為金屬凸塊與導線之間的接口。
[0099] 參閱圖4,其是根據一些實施例說明具有電鍍金-錫合金凸塊401a與401b之發光 二極管（LED)結構400的剖面圖。LED結構400包含基板403、N型GaN層405與P型GaN 層409、在N型GaN層405與P型GaN層409之間的多量子井層（multiple quantum well layer) 407、η型電極411a以及p型電極411b。在一些實施例中，基板可選自于藍寶石、玻 璃、或任何合適的材料。在基板403的頂部，形成N型GaN層405。此外，多量子槽層407、 P型GaN層409以及p型電極411b則接續沉積在部分N型GaN層405上方。另一方面，形 成N型GaN層405的其它部分，以及η型電極411a。在一些實施例中，下部4006經由電鍍 金-錫合金凸塊401a與401b而連接LED結構400。下部4006視其應用需求，可包含（但 不限于）一裝置或僅具有主動面404A的基板404。下部4006還包含傳導墊402a與402b， 其分別接合至電鍍金-錫合金凸塊401a與401b。在一些實施例中，下部4006可包含接合 墊406a與406b以連接至其它裝置。在一些實施例中，電鍍金-錫合金凸塊401a與401b 的組成包含重量百分比0. 15至0. 25的錫，并且均勻分布在傳導墊402a與η型電極411a 之間以及傳導墊402b與p型電極411b之間。在一些實施例中，兩個電鍍金-錫合金凸塊 401a與401b的高度H4是在約3微米至約10微米范圍內，兩個電鍍金-錫合金凸塊401a 與401b的寬度W4是在200至600微米范圍內，并且兩個電鍍金-錫合金凸塊401a與401b 的長度（垂直紙面的方向）是在500至1500微米范圍內。在一些實施例中，電鍍金-錫合 金凸塊401a與401b的寬度是等于或小于η型電極411a與p型電極411b的寬度。
[0100] 在圖4的覆晶發光二極管（LED)結構400中，η型電極411a與p型電極411b是形 成在LED結構400的同一側上。因此，包含η型電極411a與p型電極411b的LED結構400 可直接堆棧于裝置或基板404上，如此一來，相較于習知的金屬絲連接技術，可達成較小的 封裝面積。此外，LED結構400與傳導墊402a及402b之間是利用金-錫合金凸塊401a與 401b形成連接，并不需要形成錫鍍層，就如前文所述。再者，在LED結構400中，電鍍金-錫 合金凸塊401a與401b可單獨使用或是結合金（Au)或銀（Ag)凸塊使用，例如形成在金或 銀凸塊上，其材料成本較低、并且熱穩定性較佳、對于溫度循環（thermal cycle)的耐受性 更好并且接合效能明顯較佳。
[0101] 覆晶薄膜封裝（chip-on film，C0F)半導體結構在芯片與搭載該芯片之可燒性薄 膜之間亦有黏著性不良的問題，與前述所提關于覆晶LED結構400的電極與基板上的導線 接合不良的問題有類似狀況。因此本發明提供一種電鍍金-錫合金凸塊，其可作為芯片與 可撓性薄膜之間的接口或連接物。
[0102] 圖5是顯示具有電鍍金-錫合金凸塊的覆晶薄膜封裝（chip-on film，C0F)半導 體結構500。在一些實施例中，半導體結構500為一半導體封裝體。COF半導體結構500包 含一可撓性薄膜504,其可包含（但不限于）可撓印刷電路板（FPCB)或聚亞酰胺（PI)。該 傳導層502a與502b (例如銅導線）經圖案化而設置于可撓性薄膜504之主動面504A上。 在金凸塊或銀凸塊513a與513b上方的多個電鍍金-錫合金凸塊501a與501b經由上傳導 墊511a與511b而將裝置503電性耦合至可撓性薄膜504的傳導層502a與502b。或者，可 在上傳導墊511a與511b上方，沉積凸塊下金屬（UBM)層。在一些實施例中，底膠填充材料 509,例如無溶劑環氧樹脂，以適當黏性注入至可撓性薄膜504與裝置503之間的空間中。在 一些實施例中，阻焊圖案506a與506b是分別位于傳導層502a與502b上方，用以將底膠填 充材料509限制于所需要的位置。在一些實施例中，底膠填充材料509可保護傳導層（502a 與502b)以及可撓性薄膜504上方的電鍍金-錫合金凸塊（501a與501b)。還有要注意的 的地方是在此實施例中，傳導層502a與502b的上方不需要錫鍍層用以連接電鍍金-錫合 金凸塊（501a與501b)與可燒性薄膜504。
[0103] 在一些實施例中，電鍍金-錫合金凸塊501a與501b的形狀是取決于裝置503上 方的上傳導墊511a與511b的形狀。在一些實施例中，電鍍金-錫合金凸塊501a與501b 的寬度等于或小于上傳導墊511a與511b的寬度。在一些實施例中，電鍍金-錫合金凸塊 501a與501b的組成成分包含重量百分比0. 15至0. 25的錫，并且均勻分布在傳導層502a 與上傳導墊511a之間以及傳導層502b與上傳導墊511b之間。在一些實施例中，特別是 在液晶顯示器（IXD)應用中，對于矩形的金-錫合金凸塊501a與501b，其寬度為大約或小 于30微米，并且其長度大約或小于17微米。在一些實施例中，需要在低結合溫度下將電鍍 金-錫合金凸塊501a及501b分別連接至傳導層502a及502b。電鍍金-錫合金凸塊的共 晶溫度約為攝氏280~300度。換言之，結合點（亦即金-錫合金凸塊與可撓基板的接口） 溫度應控制在約攝氏280~300度。據此，對于覆晶薄膜封裝（chip-on film，COF)的半導 體結構而言，可撓基板并不會因為高溫而變形，而使裝置具有良好的可靠度。
[0104] 此外，電鍍金-錫合金凸塊可用于玻璃上芯片（COG)基板。傳統上，非等向傳導 膜（ACF)是置于玻璃基板與半導體芯片上的金凸塊或銀凸塊之間。接著，在高溫下處理 ACF，而使玻璃基板與半導體芯片是彼此電性連接。ACF通常是由具黏性的聚合物基質與 用金屬粒或金屬涂覆聚合物球所組成的細微傳導填充物所組成。ACF的限制因素在于細 微傳導填充物需達到一門坎濃度才能確保良好的電性連接。然而，由于主導導電特性的細 微傳導填充物受到壓縮后的變形難以掌控，特別是發生在當集成電路的尺寸持續變小的情 況，封裝結構的可靠度與接觸電阻可能因而受到影響。除了增加半導體封裝的制造成本之 外，細微傳導填充物可能聚集在某些區域而非均勻分布，而使得ACF易于造成斷路（open circuit)。較小的組件尺寸可能造成細微傳導填充物在ACF中的流動性更低。在以下的段 落中，采用電鍍金-錫合金凸塊連同COG結構的改良設計可用以解決前述問題。
[0105] 在本發明的一些實施例中，如圖6所示，將本文中所討論的電鍍金-錫合金凸塊 601a與601b使用于COG半導體結構600中。具有主動面604A的玻璃基板604之傳導層 602a與602b，以及半導體芯片603的金凸塊或銀凸塊613a與613b上方的電鍍金-錫合金 凸塊601a與601b，其中間不需設置ACF就可完成電性連接的封裝。在一些實施例中，底膠 填充材料609,例如無溶劑環氧樹脂，以適當的黏性注入玻璃基板604與半導體芯片603之 間的空間，用以保護傳導層（602a與602b)、金-錫合金凸塊（601a與601b)以及金凸塊或 銀凸塊613a與613b。在一些實施例中，底膠填充材料609由虛線所標明之處，為非強制的 選項。值得注意的還有在本實施例中，傳導層602a與602b上方不需要錫膜用以連接電鍍 金-錫合金凸塊（601a與601b)與玻璃基板604。
[0106] 在一些實施例中，電鍍金-錫合金凸塊601a與601b的形狀是取決于半導體芯片 603上方的上傳導墊611a與611b的形狀。在一些實施例中，電鍍金-錫合金凸塊601a與 601b的寬度是等于或小于上傳導墊611a與611b的寬度。此外，電鍍金-錫合金凸塊601a 與601b的尺寸可依不同應用需求而改變。相較于金凸塊或銀凸塊，金-錫合金凸塊以接口 涂層或連接物的形式，能提供較佳的熱穩定性、更好的溫度循環耐受度以及更優良的接合 效能。
[0107] 圖7A至圖7F顯示圖3的電鍍金-錫合金凸塊之半導體結構的制造步驟。在圖7A 中，上傳導墊305與部分的介電質307是位于裝置303上方。而后，在上傳導墊305與部分 的介電質307上形成UBM層309。在一些實施例中，UBM層309是藉由將材料經由CVD程 序、濺鍍、電鍍或無電鍍而形成，該材料是選自于鎳、鈦、鈦鎢、鈀、金、銀及其組合。在一些實 施例中，將UBM層309的厚度Tl控制在約丨oooA至約3(X)0A的范圍內。在一些實施例中， 在UBM層309上，沉積晶種層（因簡化而未繪示）。在一些實施例中，UBM層的最上層可作 為晶種層。在一些實施例中，晶種層是藉由CVD、濺鍍、電鍍或無電鍍而形成。
[0108] 參閱圖7B，在UBM層309上方，形成第一屏蔽層313,其可為硬屏蔽或是光阻。在 上傳導墊305的上方形成第一屏蔽層313的開口 313A，用于接收導電性凸塊材料。在一些 實施例中，第一屏蔽層313是由正光阻制成，并且其厚度T2是大于所要鍍上的導電性凸塊 之厚度。在其它實施例中，第一屏蔽層313是由負光阻所制成。
[0109] 參閱圖7C，在開口 313A上方，可形成傳導柱311。傳導柱311的材料可包含純銅或 是銅合金。在一些實施例中，傳導柱311可藉由化學氣相沉積（CVD)、濺鍍或電化學鍍（ECP) 而形成。在一些實施例中，傳導柱311的高度H2視應用需求，在約10微米至約40微米的 范圍內。
[0110] 圖7D與圖7E顯示電鍍程序及其結果。圖7D顯示電鍍系統，其包含容納電鍍槽 713的容器700'、陽極711以及陰極712。在一些實施例中，陽極711是不可溶且可由涂覆 鈀（Pd)的鈦所制成，而裝置303 (其具有的上傳導墊305受到介電質307環繞）是位于陰 極712,且傳導柱311是形成于開口 313A(見圖7C)中。電鍍槽713含有金-錫電解質電 鍍溶液。在一些實施例中，將電鍍槽713的pH值控制于大約4至6。將電鍍槽713的溫度 控制于約攝氏35至60度。在一些實施例中，可藉由位于容器700'下方的加熱板（未繪 示）維持電鍍槽713的溫度。在其它實施例中，電鍍槽713的溫度可藉由電鍍溶液循環系 統加以維持，其中出口 700B排放電鍍溶液而入口 700A引入溫控的電鍍溶液。在一些實施 例中，用于電鍍金-錫合金凸塊的直流電（DC)之電流密度是在約0. 2ASD(AmpereS/Square Decimeter，安培/平方公寸）至約LOASD范圍內。在一些實施例中，將電鍍金-錫合金 凸塊的速度控制在約〇. 2微米/分鐘（μ m/min)至約0. 4微米/分鐘的范圍內。要注意的 是，電鍍金-錫合金凸塊的速度比蒸鍍金-錫合金凸塊的速度要快（通常用于金-錫凸塊 的蒸鍍速度約為〇. 06微米/分鐘，而用于金-錫合金凸塊的電鍍沉積速度約為0. 3微米/ 分鐘）。使用電鍍程序，可得到更高的生產量。在一些實施例中，外部DC電流的正端是連接 至陽極711，而該外部DC電流的負端是連接至陰極712。如圖7D所示，還原的金離子與還 原的錫離子填充由第一屏蔽層313定義的開口 313A，并且在傳導柱311的頂部形成金-錫 二元合金。如圖7D所示，在傳導柱311上沉積金-錫合金之后，自電鍍槽移除裝置303。
[0111] 圖7E顯示在圖7D所示之電鍍程序完成后的裝置303。在圖7E中，電鍍金-錫合 金凸塊301形成在傳導柱311上方。在一些實施例中，電鍍金-錫合金凸塊301的高度是在 約7微米至約31微米的范圍中。在一些實施例中，如果使用光阻，則去除第一屏蔽層313， 如圖7E所示。UBM層309未被電鍍金-錫合金凸塊301覆蓋的部分則藉由蝕刻程序加以去 除，以將不同的電鍍金-錫合金凸塊301隔離。
[0112] 圖7F顯示半導體結構300的完成結構，其電鍍金-錫合金凸塊301電性耦合至裝 置或基板304(依應用需求而定）之主動面304A上的下傳導墊302。在一些實施例中，將下 傳導墊302與對應的半導體結構300接合的步驟包含加熱半導體結構300,以使金-錫合金 凸塊301與傳導墊302之間的接口溫度達到攝氏約280度至約320度。在一些實施例中， 在電鍍程序之后且在接合程序之前，不進行退火程序。
[0113] 圖8A至圖8D顯示制造具有圖4之電鍍金-錫合金凸塊之LED結構的步驟。在圖 8A中，N型GaN層405形成于基板403上方。然后，多量子槽層407與P型GaN層409接 續沉積在N型GaN層405上。為簡化說明，省略將多量子槽層407與P型GaN層409圖案 化的細節。在一些實施例中，N型GaN層405、多量子槽層407以及P型GaN層409是藉由 CVD、物理氣相沉積（PVD)或濺鍍方法形成。在一些實施例中，材料可為GaAs、GaN或任何合 適的材料。復參閱圖8A，在P型GaN層409或N型GaN層405上方，形成第一屏蔽層413， 其可為硬屏蔽或光阻。在P型GaN層409上方形成第一屏蔽層413的開口 413A，以及在N 型GaN層405上方形成第一屏蔽層413的開口 413B，用于接收導電性凸塊材料。在一些實 施例中，第一屏蔽層413是由光阻制成，其厚度T8大于所欲鍍上之導電性凸塊的厚度。在 其它實施例中，第一屏蔽層413是由負光阻制成。如圖8Β所示，在N型GaN層405或P型 GaN層409上，分別沉積η型電極411a與ρ型電極411b。
[0114] 圖8C與圖8D顯示電鍍程序及其結果。圖8C顯示電鍍系統，其包含容納電鍍槽 813的容器800'、陽極811以及陰極812。在一些實施例中，陽極811是不可溶的，并且可 由涂覆鈀的鈦所制成，而具有η型電極411a與ρ型電極411b的LED結構是位于陰極812。 電鍍槽813含有金-錫電解質電鍍溶液。在一些實施例中，將電鍍槽813的pH值控制于弱 酸的情況，例如大約4至6。電鍍槽813的溫度控制于約攝氏35至60度。在一些實施例 中，電鍍槽813的溫度可藉由位于容器800'下方的加熱板（未繪示）維持。在其它實施例 中，電鍍槽813的溫度可藉由電鍍溶液循環系統維持，其中出口 800B排放電鍍溶液而入口 800A引入溫控的電鍍溶液。在一些實施例中，用于電鍍金-錫合金凸塊的直流電（DC)之電 流密度是在約0. 2ASD至約1.0 ASD范圍內。在一些實施例中，將電鍍金-錫合金凸塊的速 度控制在約0. 2微米/分鐘至約0. 4微米/分鐘的范圍內。在一些實施例中，外部DC電流 的正端是連接至陽極811，而該外部DC電流的負端是連接至陰極812。如圖8C所示，還原 的金離子與還原的錫離子是沉積在發光二極管400的η型電極411a與ρ型電極411b上、 填充由第一屏蔽層413定義的開口 413A與413B (見圖8A)、并且在η型電極411a與ρ型電 極411b頂部形成金-錫二元合金。在LED結構400之η型電極411a與ρ型電極411b上 沉積金-錫合金之后，如圖8C所示，自電鍍槽移除發光結構400。
[0115] 圖8D顯示圖8C所示之電鍍程序完成后的LED結構400。在圖8D中，電鍍金-錫合 金凸塊401a與401b分別形成在η型電極411a與ρ型電極411b上方。在一些實施例中，如 果使用光阻，貝 1J去除第一屏蔽層413,如圖8D所不。未被電鍍金-錫合金凸塊401a與401b 覆蓋的P型GaN層409或N型GaN層405則藉由蝕刻程序加以去除，以隔離電鍍金-錫合 金凸塊401a與401b。再者，圖8D顯示LED結構400的完成結構，其具有電鍍金-錫凸塊 401a與401b電性親合至裝置或基板404 (視應用需求不同而定）之主動面404a上的傳導 墊402a與402b。在一些實施例中，將下傳導墊402a與402b與對應的LED結構400進行 接合的步驟包含將具有電鍍金-錫合金凸塊的LED結構400加熱，使電鍍金-錫合金凸塊 401a和401b與傳導墊402a和402b之間的接口溫度達到約攝氏280度至約320度。在一 些實施例中，在電鍍程序之后且在接合程序之前，不進行退火程序。
[0116] 在本發明的一些實施例中，半導體封裝包含半導體芯片，其包含：具有傳導墊于其 上的主動表面；在主動面上方的電鍍金-錫合金凸塊；以及基板，其包括與該電鍍金-錫合 金凸塊電性耦合的導線。
[0117] 在本發明的一些實施例中，電鍍金-錫合金凸塊具有重量百分比約六％855 %15至 約Aua75Sna25的組成成分，從接近主動面的一端均勻分布至接近基板的一端。
[0118] 在本發明的一些實施例中，傳導柱是位于電鍍金-錫合金凸塊與傳導墊之間。
[0119] 在本發明的一些實施例中，電鍍金-錫合金凸塊的高度是在約7微米至約31微米 的范圍內。
[0120] 在本發明的一些實施例中，介金屬化合物是位于傳導柱與電鍍金-錫合金凸塊之 間。
[0121] 在本發明的一些實施例中，傳導墊是電極，并且電鍍金-錫合金凸塊是位于電極 與導線之間。
[0122] 在本發明的一些實施例中，半導體芯片是發光二極管（LED)。
[0123] 在本發明的一些實施例中，傳導墊是p型電極，另一傳導墊是η型電極，電鍍 金-錫合金凸塊是位于P型電極與導線之間，并且另一電鍍金-錫凸塊是位于η型電極與 導線之間。
[0124] 在本發明的一些實施例中，兩個金-錫合金凸塊的高度是在約3微米至約10微米 的范圍內，兩個電鍍金-錫合金凸塊的寬度是在200至600微米的范圍內，以及兩個電鍍 金-錫合金凸塊的長度是在500至1500微米的范圍內。
[0125] 在本發明的一些實施例中，半導體封裝是覆晶薄膜（chip-on film，C0F)封裝。
[0126] 在本發明的一些實施例中，半導體封裝是玻璃上芯片（chip-on glass，COG)封裝。
[0127] 在本發明的一些實施例中，半導體封裝包含半導體芯片，其包含：具有傳導墊于其 上的主動面；在主動面上方的電鍍金-錫合金凸塊；以及玻璃基板，其包括與電鍍金-錫合 金凸塊電性耦合的導線。
[0128] 在本發明的一些實施例中，電鍍金-錫合金凸塊具有重量百分比約六％855 %15至 約Aua75Sna25的組成成分，從接近主動面的一端均勻分布至接近玻璃基板的一端。
[0129] 在本發明的一些實施例中，傳導柱是位于電鍍金-錫合金凸塊與傳導墊之間。
[0130] 在本發明的一些實施例中，半導體芯片與玻璃基板之間不需使用非等向性傳導膜 (ACF) 〇
[0131] 在本發明的一些實施例中，一介金屬化合物是位于傳導柱與電鍍金-錫合金凸塊 之間。
[0132] 在本發明的一些實施例中，各傳導柱是由選自于由金、銅、銀及其合金所組成的群 組之材料所制成。
[0133] 在本發明的一些實施例中，制造半導體封裝的方法包含：在半導體芯片的主動面 上形成傳導墊的圖案；電鍍傳導墊上方的金-錫合金凸塊；以及藉由回焊程序或熱壓程序， 將半導體芯片接合至基板上相對應的導線上。
[0134] 在本發明的一些實施例中，電鍍金-錫合金凸塊的方法包含：將半導體芯片浸入 金-錫電鍍槽中；將流經金-錫電鍍槽的電流密度控制在約〇. 2ASD至約1.0 ASD的范圍內； 以及將金-錫電鍍槽的溫度保持在約攝氏30度至約攝氏60度的范圍內。
[0135] 在本發明的一些實施例中，將電鍍金-錫合金凸塊的速度控制在約0. 2微米/分 鐘至約0. 4微米/分鐘的范圍內。
[0136] 在本發明的一些實施例中，將半導體芯片接合至對應的導線上的步驟包括將半導 體芯片加熱，使得金-錫合金凸塊與導線之間的接口溫度達到約攝氏280度至約攝氏320 度。
[0137] 在本發明的一些實施例中，在電鍍程序之后且在接合程序之前，不進行退火程序。
[0138] 前述說明概述一些實施例，使得該技藝之技術人士更能理解本發明之各方面。該 技藝之技術人士應理解其可輕易使用本發明作為設計或修飾其它制程與結構的基礎，以產 生與本文所述之實施例相同之目的與/或達到相同的優點。該技藝之技術人士亦應理解此 均等架構并不脫離本發明之精神與范圍，并且其可進行各種改變、取代與更動而不脫離本 發明之精神與范圍。
[0139] 再者，本申請案的范圍并不受限于說明書中所述之制程、機器、產品與物質之組成 物、手段、方法與步驟的特定實施例。該技藝之技術人士從本發明的揭示內容可理解根據本 發明可使用現存或未來所發展之制程、機器、產品、物質之組合、手段、方法或步驟而執行本 文所述之對應實施例所示之實質相同功能或達到其實質相同結果。
[0140] 據此所附隨的申請專利范圍是用以包含例如制程、機器、制造、物質之組合、手段、 方法或步驟之范圍。此外，每一申請專利范圍構成個別的實施例，并且不同申請專利范圍與 實施例之組合是在本發明的范圍內。
【主權項】
1. 一種半導體封裝，其包括： 半導體芯片，其包含具有傳導墊于其上的主動面； 電鍍金-錫（Au-Sn)合金凸塊，其位于所述主動面上方；以及 基板，其包括與所述電鍍金-錫合金凸塊電性耦合的導線， 其中所述電鍍金-錫合金凸塊具有重量百分比約AuQ.85Snai5至約Au。. 755%25的組成成 分，從接近所述主動面的一端均勻分布至接近所述基板的一端。2. 如權利要求1所述的半導體封裝，還包括位于所述電鍍金-錫合金凸塊與所述傳導 墊之間的傳導柱。3. 如權利要求1所述的半導體封裝，其中所述電鍍金-錫合金凸塊的高度是在約7微 米至約31微米的范圍內。4. 如權利要求1所述的半導體封裝，其中一介金屬化合物位于所述傳導柱與所述電鍍 金-錫合金凸塊之間。5. 如權利要求1所述的半導體封裝，其中所述傳導墊是電極，并且所述電鍍金-錫合金 凸塊是位于所述電極與所述導線之間。6. 如權利要求1所述的半導體封裝，其中所述半導體芯片是發光二極管。7. 如權利要求6所述的半導體封裝，其中所述傳導墊是p型電極，另一傳導墊是η型電 極，所述電鍍金-錫合金凸塊是位于所述Ρ型電極與所述導線之間，并且另一電鍍金-錫凸 塊是在所述η型電極與所述導線之間。8. 如權利要求7所述的半導體封裝，其中所述兩個電鍍金-錫合金凸塊的高度是在約 3微米至約10微米的范圍內，所述兩個電鍍金-錫合金凸塊的寬度是在200至600微米的 范圍內，以及所述兩個電鍍金-錫合金凸塊的長度是在500至1500微米的范圍內。9. 如權利要求1所述的半導體封裝，其中所述半導體封裝是覆晶薄膜封裝。10. 如權利要求1所述的半導體封裝，其中所述半導體封裝是玻璃上芯片封裝。11. 一種半導體封裝，其包括： 半導體芯片，其包含具有傳導墊于其上的主動面； 電鍍金-錫合金凸塊，其位于所述主動面上方；以及 玻璃基板，其包含與所述電鍍金-錫合金凸塊電性耦合的導線， 其中所述電鍍金-錫合金凸塊具有重量百分比約Auas5Snai5至約Au。.755 %25的組成成 分，從接近所述主動面的一端均勻分布至接近所述玻璃基板的一端。12. 如權利要求11所述的半導體封裝，還包括位于所述電鍍金-錫合金凸塊與所述傳 導墊之間的傳導柱。13. 如權利要求11所述的半導體封裝，其中所述半導體芯片與所述玻璃基板之間沒有 非等向性傳導膜（ACF)。14. 如權利要求11所述的半導體封裝，其中一介金屬化合物是位于所述傳導柱與所述 電鍍金-錫合金凸塊之間。15. 如權利要求12所述的半導體封裝，其中各個所述傳導柱是由選自于金、銅、銀及其 合金所組成的群組之材料所制成。16. -種制造半導體封裝的方法，其包括： 在半導體芯片的主動面上，形成傳導墊的圖案； 在所述傳導墊上方，電鍍金-錫合金凸塊；以及 藉由回焊程序或熱壓程序，將所述半導體芯片接合在基板上對應的導線上。17. 如權利要求16所述的制造半導體封裝的方法，其中電鍍如權利要求1所述金-錫 合金凸塊的步驟包括： 將所述半導體芯片浸入金-錫電鍍槽中； 將流經所述金-錫電鍍槽的電流密度控制在約0. 2ASD至約1. OASD的范圍內；以及 將所述金-錫電鍍槽的溫度控制在約攝氏35度至約攝氏60度的范圍內。18. 如權利要求16所述的制造半導體封裝的方法，其中電鍍金-錫合金凸塊的速度是 控制在約0. 2微米/分鐘至約0. 4微米/分鐘的范圍內。19. 如權利要求16所述的制造半導體封裝的方法，其中所述半導體芯片接合在基板上 對應的導線上的步驟包括加熱所述半導體芯片，使得所述金-錫合金凸塊與所述導線之間 的接口溫度達到約攝氏280度至約攝氏320度。20. 如權利要求16所述的制造半導體封裝的方法，其中在所述電鍍程序之后且在所述 接合程序之前，不進行退火程序。
【文檔編號】H01L33/00GK106058024SQ201510598352
【公開日】2016年10月26日
【申請日】2015年9月18日
【發明人】盧東寶, 王恒生, 徐子涵
【申請人】南茂科技股份有限公司