TWI411074B - 細間距陣列型連接器 - Google Patents

Description

細間距陣列型連接器

本發明是有關於一種陣列式連接器，且特別是有關於一種細間距陣列式連接器。

一般陣列式連接器受模具與製程等相關限制，最小端子間距只能達到0.8mm，更由於陣列式連接器之塑膠本體，於塑膠射出時易產生翹曲的現象，隨著陣列式連接器腳位增加，將不易控制各腳位間之共面度。另隨著BGA晶片對外IO連接腳位增多且間距變小，導致以傳統光學量測晶片錫球的共面度更加不易。

除此之外，隨著連接器細間距化的發展，單根端子所能提供的正向力亦會降低，造成過大的接觸電阻，大大地影響訊號的傳遞品質。

在實際的應用上，若能改善陣列式連接器之本體結構，使得微小化之陣列式連接器在較低的正向力作用下，亦能保持低且穩定之接觸電阻，將可提昇陣列式連接器電氣連接特性。除此之外，若能利用陣列式連接器同時量測晶片錫球的共面度，更可大幅增加其產業利用價值。

本發明提供一種具自我共面度與正向力檢測機制之細間距陣列型連接器。該陣列型連接器利用奈米碳管之良好的機械與導電特性，將可在低正向力作用下，提供接觸面小而穩定的接觸電阻。

本發明提供一種具自我共面度之細間距陣列型連接器，由於連接器本體乃由矽晶圓所製造，因此可提供較強韌的本體結構剛性，不會造成本體翹曲的行為，影響連接器使用時的可靠度。

本發明提供一種細間距陣列型連接器陣列型，透過微機電製程方式，製作具奈米碳管結構之低且穩定接觸電阻陣列型連接器。

本發明提出一種連接器結構，包括環狀體結構與位於該環狀體結構中央之柱狀結構、位於該環狀體結構上多個第一塊狀結構、位於該柱狀結構上之第二塊狀結構、至少一懸臂結構、位於該些第一塊狀結構上多個銲料凸塊，以及位於該第二塊狀結構上之奈米碳管層。其中，該懸臂結構與該第二塊狀結構與至少一個該第一塊狀結構相連，而該懸臂結構與該第一塊狀結構相連處更包括一壓電材料層或一壓阻材料層，透過此一壓電材料層或壓阻材料層，可感測懸臂結構位移，進而量測晶片錫球的共面度。

依照本發明的一較佳實施例所述，在上述之連接器結構中該環狀體結構與該柱狀結構為疊層結構，包括位於半導體基底之上表面之氧化矽層。

依照本發明的一較佳實施例所述，在上述之連接器結構中該第一、第二塊狀結構以及該懸臂結構為疊層結構，包括一多晶矽層、位於該多晶矽層上之一種子層與位於該種子層上之一金屬層。

依照本發明的一較佳實施例所述，在上述之連接器結構中之壓電材料層位於該多晶矽層與該種子層之間。

依照本發明的一較佳實施例所述，在上述之連接器結構中之壓阻材料層為一摻雜區位於該多晶矽層之中。

依照本發明的較佳實施例所述，上述之連接器結構中，該壓電材料層之材質包括氧化鋅。

依照本發明的較佳實施例所述，上述之連接器結構中，該壓阻材料層之材質包括硼或鍺。

依照本發明的較佳實施例所述，上述之連接器結構中，該金屬層之材質包括鋁、銅或金。

依照本發明的較佳實施例所述，上述之連接器結構中，該種子層之材質包括鈦、金或鉻。

依照本發明的較佳實施例所述，上述之連接器結構中，該銲料凸塊之材質包括錫、錫銀合金或錫鉛合金。

由於本發明所提出的連接器結構乃設計利用壓電或壓阻感測機制來測量晶片錫球共面度或所受正向力，可提升產品應用的範圍。

本發明所提供之微連接器結構之接觸面更具備奈米碳管層，可降低接觸電阻。本發明所提供之微連接器結構特別適合設置於細間距(小於500微米)之微接點電氣連接之結構中。

此外，本發明之連接器結構的製造方法可輕易整合至現行的微機電製程中進行，因此不會增加額外的成本。

為讓本發明之上述和其他目的、特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下。

圖1A-1B＆圖1F-1H所繪示為本發明一實施例之陣列式連接器的製造流程剖面圖，而圖1C-1E所繪示為本發明一實施例之陣列式連接器的製造流程上視圖。

請參照圖1A，首先提供一基底100，該基底100例如為一半導體矽晶圓或晶片，首先在該基底100之上表面100a上利用例如熱氧化方式成長一氧化矽層102。接著利用例如低壓化學氣相沈積法(LPCVD)於該氧化矽層102上沉積一多晶矽層104。接著並於該多晶矽層104上形成一圖案化之薄膜壓電材料層106。其中壓電材料層106的材質例如是氧化鋅(ZnO)。

參照圖1B，利用例如電子槍真空蒸鍍方式於該基底100之上表面100a與下表面100b之上分別蒸鍍一種子層108a與108b。該種子層材料例如是鉻/金(Cr/Au)或鈦/金(Ti/Au)。接著，在該種子層108a/108b上進行後續電鍍製程，分別於基底100正、反面電鍍形成一金屬層110a/110b。該金屬層110a/110b材料例如為鋁、銅或金。

參照圖1C，利用微影蝕刻步驟，圖案化基底100正面之金屬層110a(圖1B)，以形成接觸墊110c與導線110d。

參照圖1D，利用微影蝕刻步驟定義出焊錫的圖形，接著進行電鍍製程形成銲料凸塊120。在形成銲料凸塊120之前，更可包括先形成另一種層112(圖1F)，再電鍍形成銲料凸塊120。銲料凸塊120可提供間隔高度，作為間隙物之用。銲料凸塊之材質包括錫、錫銀合金或錫鉛合金。但是，若後續所形成銲料凸塊並不需要種子層，亦可省略此一步驟。

參照圖1E，利用微影蝕刻步驟，圖案化基底100正面之該多晶矽層104(圖1B)，圖案化的多晶矽層104a(圖1F)之圖案與基底100正面之圖案化金屬層110a相同。此處所示，乃是利用壓電材料層106與金屬層所構成之壓電感測機制，而於後續連接過程中，可達到共面度檢測或正向力檢測之目的。

圖1E中，圖案化多晶矽層104a之圖案至少包括四根懸臂(後續作為懸浮彈簧結構)與位於中央與四根相連之接觸墊的多晶矽結構。此處懸臂之數目至少大於一個，而其尺寸大小可視連接器之間距尺寸或後續相連接觸墊尺寸而調整；其接觸墊形狀並不侷限於方形，亦可為圓形或多角形。微影蝕刻步驟中例如包括深反應式離子蝕刻步驟來蝕刻圖案化多晶矽層。

參照圖1F，利用微影蝕刻步驟，圖案化基底100背面之種子層108與金屬層110b而成一硬罩幕層125。

參照圖1G，以硬罩幕層125作為蝕刻罩幕，從基底100的背面蝕刻基底100矽基材與氧化矽層102，直至多晶矽層104a暴露出來。該蝕刻步驟例如包括深反應式離子蝕刻步驟。

請參照圖1H，移除硬罩幕層125，然後利用圖形化光阻(未示)，將奈米碳管材料塗佈於金屬層110a之接觸墊110c金屬表面上，並利用外加磁場將奈米碳管材料準直地結合在中央接觸墊110c表面上而成一奈米碳管層130，作為探針頭。之後，再移除多餘之光阻材料。

圖1A-1H僅繪示出單一連接器，以便於解說各層形成相對位置，但可代表製造陣列連接器之普遍性製程。上述各層之形成步驟僅是舉例，但於此技術領域具有普通知識者可輕易推知，該些形成順序與步驟均可視元件設計或製程需要更改。本案並非限定本案之製造方法僅限於此。

圖2A所繪示為本發明一實施例之陣列式連接器的立體示意圖。圖2B所繪示為圖2A的陣列單元放大立體示意圖。圖2C為圖2B沿著剖面線I-I’之剖面示意圖。圖2A-2C中均省略銲料凸塊，以方便描述。

參照圖2A，為多個陣列單元所組成之陣列狀排列的連接器20，圖2B中僅刻意放大顯示單一個陣列單元。其中，矽基材之基底200乃包括環狀體結構200a並於中央具有一柱狀結構200b。而基底200上具多個塊狀結構240a分佈於環狀體結構200a上、單一塊狀結構240b位於中央柱狀結構200b上以及與單一塊狀結構240b相連之四根懸臂結構240c。單一塊狀結構240b上更具有一奈米碳管層230。

參見圖2C，環狀體結構200a與中央柱狀結構200b乃為疊層結構，包括多晶矽層204、氧化矽層202與基底200(由上到下)。從上述圖1G可知，以硬罩幕層125作為蝕刻罩幕，從基底100的背面蝕刻基底100矽基材與氧化矽層102，直至多晶矽層104a暴露出來，可以得到如圖2B之環狀體結構200a與中央柱狀結構200b。

參見圖2C，分佈於環狀體結構200a上之塊狀結構240a、位於中央柱狀結構200b上之單一塊狀結構240b以及與四根懸臂結構240c亦為疊層結構，包括金屬層210a、種子層208a與多晶矽層204。而懸臂結構240c更在與塊狀結構240a相連處兩旁更包括一壓電材料層206。壓電材料層206之尺寸遠小於懸臂結構240c之尺寸，其厚度與形狀亦可依照設計需要而調整。

由於四根懸臂彈簧連結固定端處，各設計一組壓電材料，可利用壓電特性，感測懸臂位移量，進可推估四根懸臂彈簧所提供正向力的大小。因此陣列式微型連接器將具有位移與力量感測的功能。

當然，除了利用壓電材料外，亦可利用壓阻材料或利用上部元件接觸金屬與下部元件接觸金屬間所形成之電容，以壓阻或電容特性，感測懸臂位移量或推估正向力的大小。

位於單一塊狀結構240b上之奈米碳管層230在後續封裝步驟，因奈米碳管具有良好的機械特性與導電性，在微小接觸力作用下，即可刺穿其他晶片之接點(凸塊或BGA封裝錫球)接觸表面上的氧化膜，而有效降低接觸電阻的大小，增加訊號傳遞時的穩定度，達到良好電性連接。

上述各結構之各疊層之材料可參考前述製程中所述材料，但該些材料仍可視元件設計或製程需要更改。

根據本發明之另一實施例，與前述圖1A之製造流程不同的是在圖1A形成多晶矽層104之後，省略形成壓電材料層之步驟。如圖3所示，於基底300上依序形成氧化矽層302與多晶矽層304之後，直接以摻雜方式於特定區域形成摻雜區306，摻雜物質例如是硼或鍺。此摻雜區306可視為一壓阻材料，可與後續形成之金屬層構成之壓阻感測機制，達到共面度檢測或正向力檢測之目的。後續製程參考前述圖1B-1H之製造流程，而最終結構顯示於圖4。

圖4所繪示為本發明另一實施例之連接器的剖面示意圖。圖4中省略銲料凸塊，以方便描述。

請參照圖4，矽基材之基底400乃包括環狀體結構400a並於中央具有一柱狀結構400b。環狀體結構400a與中央柱狀結構400b乃為疊層結構，包括多晶矽層404、氧化矽層402與基底400(由上到下)。參見圖4，位於環狀體結構400a上之塊狀結構440a、位於中央柱狀結構400b上之單一塊狀結構440b以及與懸臂結構440c亦為疊層結構，包括金屬層410a、種子層408a與多晶矽層404。而懸臂結構440c更在與塊狀結構440a相連處兩旁之多晶矽層404中具摻雜區406。單一塊狀結構440b上更具有一奈米碳管層430。

由於懸臂彈簧連結固定端處設計有壓阻材料(例如：摻雜區或其他適用金屬)，而利用此壓阻感測特性，陣列式微型連接器將具有位移與力量感測的功能。

因此本發明實施例之陣列式微型連接器設計於懸臂彈簧連接固定端處具壓電材料或壓阻材料，可分別利用壓電或壓阻感測機制，量測懸臂位移量與懸臂彈簧所提供正向力的大小。而本發明之陣列式連接器可適用於高密度或超細間距接合結構，因其具有量測共面度與正向力之機制，更可提升其功能與產業利用價值。

此外，陣列式連接器在接觸金屬表面備置奈米碳管結構，因奈米碳管具有良好的機械特性與導電性，在微小接觸力作用下，即可刺穿凸塊或BGA錫球接觸表面的氧化膜，而有效降低接觸電阻的大小，增加訊號傳遞時的穩定度。

本發明所提出之製造流程與現有製程相容，無須添加額外步驟或使用特殊材料，故元件之成本並未增加。此外，可視產品設計需要，調整製程步驟與/或搭配不同形狀圖案設計，更有彈性地製造陣列式連接器。

雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作些許之更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

20．．．連接器

100、200、300、400．．．基底

100a．．．上表面

100b．．．下表面

102、202、302、402．．．氧化矽層

104、204、304、404．．．多晶矽層

106、206．．．壓電材料層

306、406．．．摻雜區

108a、108b、208a、408a．．．種子層

110a、110b、210a、410a．．．金屬層

112．．．種層

120．．．銲料凸塊

125．．．硬罩幕層

130、230、430．．．奈米碳管層

200a．．．環狀體結構

200b．．．柱狀結構

240a、240b、440a、440b．．．塊狀結構

240c、440c．．．懸臂結構

圖1A~圖1H所繪示為本發明一實施例之陣列式連接器的製造流示意圖。

圖2A所繪示為本發明一實施例之陣列式連接器的立體示意圖。

圖2B所繪示為圖2A的部份放大立體示意圖。

圖2C為圖2B沿著剖面線I-I’之剖面示意圖。

圖3所繪示為本發明另一實施例之連接器的部份製造流程剖面圖。

圖4所繪示為本發明另一實施例之連接器的剖面示意圖。

20．．．連接器

Claims (12)

1. 一種連接器結構，適用於封裝結構中，該連接器結構至少包括：一半導體基底，至少包括一環狀體結構與位於該環狀體結構中央之一柱狀結構；至少一懸臂結構，與該環狀體結構中央之該柱狀結構相連。
2. 如申請專利範圍第1項所述之連接器結構，其中更包括：多個第一塊狀結構位於該環狀體結構上；多個銲料凸塊，位於該些第一塊狀結構上；一第二塊狀結構位於該柱狀結構上；以及一奈米碳管層，位於該柱狀結構上之該第二塊狀結構，其中該懸臂結構與該環狀體結構相連處更包括一壓電材料層或一壓阻材料層。
3. 如申請專利範圍第1項所述之連接器結構，其中該環狀體結構與該柱狀結構為疊層結構，更包括一氧化矽層位於該半導體基底之一上表面。
4. 如申請專利範圍第2項所述之連接器結構，其中該第一、第二塊狀結構以及該懸臂結構為疊層結構，包括一多晶矽層、位於該多晶矽層上之一種子層與位於該種子層上之一金屬層。
5. 如申請專利範圍第4項所述之連接器結構，其中該壓電材料層位於該多晶矽層與該種子層之間。
6. 如申請專利範圍第5項所述之連接器結構，其中該壓電材料層之材質包括氧化鋅。
7. 如申請專利範圍第2項所述之連接器結構，其中該壓阻材料層為一摻雜區位於該多晶矽層之中。
8. 如申請專利範圍第4項所述之連接器結構，其中其中該金屬層之材質包括鋁、銅或金。
9. 如申請專利範圍第4項所述之連接器結構，其中該種子層之材質包括鈦、金或鉻。
10. 如申請專利範圍第2項所述之連接器結構，其中該銲料凸塊之材質包括錫、錫銀合金或錫鉛合金。
11. 如申請專利範圍第1項所述之連接器結構，至少包括兩相對的懸臂結構。
12. 如申請專利範圍第1項所述之連接器結構，至少包括四個互相相對的懸臂結構。