CN101635290B - 金属凸块结构及其应用于封装结构 - Google Patents

Abstract

一种金属凸块结构及其应用于封装结构，是于金属凸块四周设计有阻障层(dam structure)，且阻障层的高度超出金属凸块的高度，而可于覆晶接合制程中，借由阻障层的阻挡限制各向异性导电层(ACF)中导电粒子的流动，再者，由于阻障层为高分子材料，其热阻高于金属凸块，将使得各向异性导电层产生流动性差异，进而减少导电粒子的流失，及提高导电粒子的捕捉率。

Description

金属凸块结构及其应用于封装结构

【技术领域】

本发明是关于一种覆晶玻璃(COG)构装技术，特别关于一种金属凸块结构及其应用于封装结构。

【背景技术】

覆晶玻璃(Chip on Glass；COG)为高脚数(high pin count)及超细节距(fine pitch)平面显示器(Flat Panel Display)的模组构装技术。此模组构装的技术特征为驱动IC讯号源及面板玻璃基板间具有最少接合点且其不须使用可挠性基板，因此，可以克服卷带式封装(TCP)容易因弯折而产生引脚断裂的现象，进而提高产品的可靠度。

目前COG技术是使用各向异性导电膜(Anisotropic ConductiveFilm；ACF)作为导电接合的介质。请参照图1，各向异性导电膜10为一种高分子材料，是由导电粒子11及接着剂均匀混合后，涂布在离型材质上而成。而各向异性导电膜10的厚度选择与金属凸块(Gold Bump)12的高度有关，若金属凸块12的高度为15至18微米(μm)，各向异性导电膜10的膜厚约在23-25μm左右。

然而，量产的COG技术存在着接合面各向异性导电膜导电粒子数捕捉率不足的问题，此现象会造成接合点阻抗过高及可靠度降低(见图1)。各向异性导电膜导电粒子数捕捉率不足的原因，包括有各向异性导电膜导电粒子的密度、接合界面的粗糙度及表面形状、以及接合界面的升温速率。

其中，若以增加各向异性导电膜导电粒子的数目改善捕捉率，过多的导电粒子会降低金属凸块间的绝缘阻抗，造成导线间的短路机率增加。部分各向异性导电膜的厂商提出双层(double layer)各向异性导电膜的解决方案，如图2所示，此方案是将传统的各向异性导电膜分为导电接合层(ACF)20及非导电性接合层(NCF)21，利用非导电性接合层21将导电粒子22限制在导电接合层20中，以导电接合层20及非导电性接合层21不同胶材的粘滞系数来控制导电粒子22的流动速率。但是，此方案的制程较为复杂，不但成本提高，也仍旧存在有短路的问题。

另外，有些驱动IC厂商则是以金属凸块的表面凹陷部分去捕捉各向异性导电膜导电粒子，但因金属凸块的杨氏系数(Young’s Modulus)大于各向异性导电膜导电粒子，会造成各向异性导电膜导电粒子压合不良的现象。

【发明内容】

鉴于以上的问题，本发明的主要目的在于提供一种金属凸块结构及其应用于封装结构，其金属凸块四周围绕有高度超出于金属凸块的阻障层，此阻障层可限制各向异性导电层中导电粒子的流动，借以提高导电粒子的捕捉率，并大体上解决先前技术存在的缺陷。

本发明的另一目的在于提供一种金属凸块结构及其应用于封装结构，是利用高分子材料的阻障层的热阻高于金属凸块，使得各向异性导电层产生流动性的差异，进而减少导电粒子的流失，及提高导电粒子的捕捉率。

因此，为达上述目的，本发明提供一种金属凸块结构，是在半导体元件上形成有凸块底部金属层(UBM)，且凸块底部金属层电性连接至半导体元件的连接垫，凸块底部金属层上为金属凸块，而阻障层形成于半导体元件上并位于金属凸块周围，其高度超出于金属凸块，使阻障层围绕于金属凸块而形成一半封闭空间。此金属凸块结构可应用于封装产品上作为两基板接合的媒介。

本发明还提供一种封装结构，是将凸块底部金属层形成于第一基板的第一连接垫上，金属凸块形成于凸块底部金属层上，而阻障层形成于第一连接垫周围的第一保护层上并位于金属凸块周围，且阻障层的高度超出金属凸块的高度，使阻障层围绕金属凸块形成一半封闭空间，另外，第二基板具有第二连接垫与第二保护层，将第一基板翻覆朝下接合于第二基板，阻障层会顶抵于第二连接垫周围的第二保护层，使半封闭空间密闭于第二基板，而各向异性导电层(ACF)则形成于第一基板与第二基板之间，其内散布有许多导电粒子，在第一基板与第二基板接合期间，导电粒子是受到阻障层的阻挡而减少流失于半封闭空间外的机会。

再者，本发明的阻障层可为高分子材料，其热阻高于金属凸块，所以各向异性导电层的流动性会受到阻障层较慢的热传作用而降低，从而减少导电粒子的流失，使导电粒子的捕捉率得以提高。

【附图说明】

图1是先前技术所提供的COG产品所产生的各向异性导电膜导电粒子捕捉数不足的现象的示意图；

图2是先前技术所提供的双层各向异性导电膜结构的示意图；

图3A与图3B是分别为本发明的实施例所提供的金属凸块结构的剖面图与俯视图；

图4A至图4F是依序为本发明的实施例借由光蚀刻制程制作金属凸块结构的流程示意图；

图5是本发明的实施例所提供的金属凸块结构应用于驱动IC晶片与TFT液晶基板的覆晶接合的封装结构示意图；

图6A至图6C是本发明的金属凸块结构应用于驱动IC晶片的不同排列方式的实施例；

图7A至图7C是本发明的金属凸块结构应用于驱动IC晶片的不同排列方式的实施例；以及

图8A、图8B是本发明的金属凸块结构应用于驱动IC晶片的不同排列方式的实施例。

10各向异性导电膜

11导电粒子

12金属凸块

20导电接合层

21非导电性接合层

22导电粒子

30凸块底部金属层

31金属凸块

32阻障层

33各向异性导电层

34导电粒子

40半导体元件

41连接垫

42基板

43保护层

44光阻层

50驱动IC晶片

51连接垫

52保护层

60TFT液晶基板

61连接垫

62保护层

70、80、90金属凸块结构

71、81、91金属凸块

72、82、92阻障层

为使对本发明的目的、特征及其功能有进一步的了解，兹配合图式详细说明如下：

【具体实施方式】

请参照图3A与图3B，是分别绘示本发明的实施例所提供的金属凸块结构的剖面图与俯视图。此金属凸块结构主要包含一凸块底部金属层(UBM)30、一金属凸块31与一阻障层(dam structure)32，其中凸块底部金属层30设置于半导体元件40的连接垫41与金属凸块31之间，而阻障层32是以高分子材料于半导体元件40上所构成，且阻障层32完整环绕于金属凸块31四周，其中，阻障层32的高度b超出于金属凸块31的高度a，如图3A所示的b＞a，且阻障层32是与金属凸块31不相互接触，即阻障层32是与金属凸块31之间具有一间隙，如图3A所示的c＞e。

请参照图4A至图4F，以下详细说明本实施例借由蚀刻制程制作金属凸块结构的整个流程。

首先，如图4A所示，提供一半导体元件40，譬如驱动IC，然后，在其基板42上覆盖于连接垫41周围的保护层43上方涂布聚亚酰胺材料，并加以图案化，以形成本实施例的阻障层32。其中，连接垫41是以铝(Al)、金(Au)或其他合金等金属材质形成。

如图4B所示，再于整个基板42上方溅镀上一层凸块底部金属层30，其中，凸块底部金属层30其材质可为铝(Al)、钛(Ti)、钨(W)、金(Au)或其合金等金属材质形成。

如图4C所示，涂布光阻层44于凸块底部金属层30上方，并加以图案化，以露出部分的凸块底部金属层30的蚀刻区域。

如图4D所示，镀上一金属层于前述蚀刻区域上，以形成金属凸块31，其中，金属凸块31的材质可为铝(Al)、金(Au)或其合金等金属材质形成。

如图4E所示，将剩下的光阻层44予以蚀刻移除。

如图4F所示，再蚀刻除去金属凸块31周围的凸块底部金属层30，最后，即完成本实施例的金属凸块结构。

此金属凸块结构可应用于封装产品上作为两基板接合的媒介。请参照图5所示，是绘示本发明的实施例所提供的金属凸块结构应用于驱动IC晶片50与TFT液晶基板60的覆晶接合的封装结构中。凸块底部金属层30形成于驱动IC晶片50的连接垫51上，金属凸块31形成于凸块底部金属层30上，阻障层32形成于驱动IC晶片50的保护层52上并位于金属凸块31周围，且阻障层32的高度超出金属凸块31的高度，使阻障层32完整围绕于金属凸块31四周，并且阻障层32与金属凸块31不相互接触，即阻障层32是与金属凸块31之间具有一间隙。在覆晶接合期间，借由将驱动IC晶片50翻覆朝下接合于TFT液晶基板60，使阻障层32顶抵于TFT液晶基板60上位于连接垫61周围的保护层62，至于各向异性导电层(ACF)33形成于驱动IC晶片50与TFT液晶基板60之间，各向异性导电层33内散布有多个导电粒子34，则阻障层32会阻挡导电粒子34，以减少或避免导电粒子34流失于阻障层32围绕范围之外。

其中，由于阻障层32为高分子材料，阻障层32的热阻会高于金属凸块31的热阻，也就是说，阻障层32的温度变化率低于金属凸块31，能使各向异性导电层33产生流动性差异，进而限制各向异性导电层33的导电粒子34的流失，进而提高导电粒子34的捕捉率。其中，阻障层32的热阻系数约略为0.042至0.488W/m-K，而金属凸块31之热阻之热阻系数约略为301W/m-K。此外，本发明还可以降低各向异性导电层33的导电粒子34的使用量，并降低各向异性导电层33购入成本。

进一步而言，导电粒子34的原始直径大约为3至4微米(μm)，而导电粒子34于两基板接合而变形后的直径大约符合下列方程式：

D-1≥d≥D-2；

其中，D表示导电粒子34的原始直径(μm)；且d表示导电粒子34于两基板接合而变形后的直径(μm)。

更进一步而言，本发明的阻障层32与金属凸块31于与TFT液晶基板60接合前的高度差是以符合下列规格为较佳：

2D≥b-a≥0.5d；

其中，a表示金属凸块31的高度；且b表示阻障层32的高度。

因此，本发明的阻障层32与金属凸块31于与TFT液晶基板60接合前的高度差约略范围为：

8um≥b-a≥0.5um。

再者，本发明的阻障层32与金属凸块31于与TFT液晶基板60接合后的高度差是以符合下列规格为佳：

1.2D≥b-a≥0.5d；

其中，a表示金属凸块31的高度；且b表示阻障层32的高度。

因此，本发明的阻障层32与金属凸块31于TFT液晶基板60接合后的高度差约略范围在：

4.8um≥b-a≥0.5um。

另外，在实际应用上，本发明的金属凸块可以为单一或多个；如图6A至图6C所示，是绘示本发明的金属凸块结构应用于驱动IC晶片的不同排列方式的实施例。这些金属凸块结构70具有直线排列或交错排列的多个金属凸块71，且每一金属凸块71相对应有一阻障层72。

另外，如图7A至图7C所示，这些金属凸块结构80具有直线排列或交错排列的多个金属凸块81，且阻障层82形成于每一列的金属凸块81周围，再者，该阻障层82是可一体成形，且每一金属凸块81所对应的阻障层82结构彼此间并无任何间隙。或者，如图8A至图8B所示，这些金属凸块结构90具有直线排列或交错排列的多个金属凸块91，且阻障层92形成于全部的金属凸块91周围。

又，本发明的阻障层实务上是可为长方形或梯形的截面，且阻障层与金属凸块之间可具有一间隙，当然，阻障层也可以紧邻于金属凸块，只要能达到作为导电粒子的屏障的效果即可，皆不脱离本发明的精神和范围。

虽然本发明以前述的实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明。在不脱离本发明的精神和范围内，所为的更动与润饰，均属本发明的专利保护范围。

Claims (7)

1.一种封装结构，包含：

一第一基板，具有一第一连接垫与一第一保护层，该第一保护层是形成于该第一连接垫周围；

一凸块底部金属层，形成于该第一连接垫上；

一金属凸块，形成于该凸块底部金属层上；

一高分子材料的阻障层，形成于该第一保护层上并完整环绕于该金属凸块的周围，且该阻障层的高度超出该金属凸块的高度，阻障层围绕金属凸块形成一半封闭空间，

一第二基板，具有一第二连接垫与一第二保护层，该第二保护层形成于该第二连接垫周围；以及

一各向异性导电层，是散布有多个导电粒子，形成于该第一基板与该第二基板之间，于该第一基板与该第二基板接合期间，所述阻障层顶抵于所述第二连接垫周围的第二保护层，使该半封闭空间密闭于该第二基板。

2.如权利要求1所述的封装结构，其特征在于：该阻障层与该金属凸块之间具有一间隙。

3.如权利要求1所述的封装结构，其特征在于：这些导电粒子于该第一基板接合于该第二基板而变形后的直径符合下列方程式：

D-1≥d≥D-2；

其中，D表示这些导电粒子的原始直径(μm)；及

d表示这些导电粒子于该第一基板接合于该第二基板而变形后的直径(μm)。

4.如权利要求3所述的封装结构，其中该阻障层与该金属凸块于该第一基板与该第二基板接合前的高度差符合下列方程式：

2D≥b-a≥0.5d；

其中，a表示该金属凸块的高度；及

b表示该阻障层的高度。

5.如权利要求1所述的封装结构，其特征在于：该阻障层与该金属凸块于该第一基板与该第二基板接合前的高度差符合下列方程式：

8um≥b-a≥0.5um；

其中，a表示该金属凸块的高度；及

b表示该阻障层的高度。

6.如权利要求3所述的封装结构，其特征在于：该阻障层与该金属凸块于该第一基板与该第二基板接合后的高度差符合下列方程式：

1.2D≥b-a≥0.5d；

其中，a表示该金属凸块的高度；及

b表示该阻障层的高度。

7.如权利要求1所述的封装结构，其特征在于：该阻障层与该金属凸块于该第一基板与该第二基板接合后的高度差符合下列方程式：

4.8um≥b-a≥0.5um；

其中，a表示该金属凸块的高度；及

b表示该阻障层的高度。

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