TWI440154B - 具有全貫穿矽穿孔之晶片封裝結構 - Google Patents

Description

具有全貫穿矽穿孔之晶片封裝結構

本發明係有關於一種半導體裝置，特別係有關於一種具有全貫穿矽穿孔之晶片封裝結構。

矽穿孔(TSV, Through Silicon Via)技術已普遍運用於半導體晶片，作為晶片立體堆疊的電性互連技術，能取代習知的銲線與凸塊，具有尺寸微小化與線路高密度立體組合的優點。然習知矽穿孔結構係施作於晶圓等級並僅供晶片與晶片之間的內部電性連接，又加上半導體晶片係為易碎，故會在鑽設矽穿孔時產生晶片碎裂與角崩的問題。若以矽穿孔結構作為晶片與基板之間的內部電性連接，因晶片與基板具有材料不同產生的熱膨脹差異，其應力作用亦會造成晶片碎裂與角崩的問題。

美國專利第4,394,712號揭示一種習知矽穿孔結構，可運用於多晶片之立體堆疊。如第1圖所示，習知晶片立體堆疊結構100包含複數個相互堆疊之晶片110與適當數量之矽穿孔填料150。每一晶片110係具有一第一表面111與一第二表面112。該晶片110之矽穿孔115係僅由第一表面111至第二表面112，約一個晶片之厚度。第一表面111上可形成一極薄之晶膜矽層(epitaxial silicon layer)，並在第一表面111、第二表面112以及矽穿孔115內可形成一金屬層117。例如銲料之矽穿孔填料150係填入於矽穿孔115內並焊附於該金屬層117。以上的元件皆形成在晶圓等級。在鑽 設形成該些矽穿孔115時，該晶片110內會產生裂縫118，特別是在該些矽穿孔115之鑽設出孔端，故會有晶片碎裂與角崩的問題。此外，待多個晶片110作成立體堆疊之後以回焊方式使不同晶片之矽穿孔填料150連接為一體。該些晶片110之間會留有一回焊空隙，會造成直接作用於該晶片110之應力以及增加封裝灌膠的困難。此外，該晶片110之外露表面易受磨損或刮傷。

有鑒於此，本發明之主要目的係在於提供一種具有全貫穿矽穿孔之晶片封裝結構，可解決習知在製造晶片之矽穿孔時產生的晶片碎裂與角崩的問題，並具有耐磨與耐用之特性。

本發明的目的及解決其技術問題是採用以下技術方案來實現的。依據本發明所揭示之一種具有全貫穿矽穿孔之晶片封裝結構，主要包含至少一晶片、一第一基板、一第二基板、一保護樹脂以及複數個矽穿孔填料。該晶片係具有一第一表面與一第二表面。該第一基板係貼設於該晶片之該第一表面。該第二基板係貼設於該晶片之該第二表面。該保護樹脂係形成於該第一基板與該第二基板之間並密封該晶片。每一矽穿孔填料係包含一柱體、一第一凸塊部以及一第二凸塊部，其中該柱體係貫穿該晶片、該第一基板與該第二基板，該第一凸塊部係一體連接於該柱體並突設於該第一基板，該第二凸塊部係一體連接於該柱體並突設於該第二基板。

本發明的目的及解決其技術問題還可採用以下技術措施進一步實現。

在前述晶片封裝結構中，該第一基板與該第二基板係可具有相同熱膨脹係數與相同厚度。

在前述晶片封裝結構中，該第一凸塊部在該第一基板上的覆蓋面積係可大於該柱體的截面積。

在前述晶片封裝結構中，該第二凸塊部在該第二基板上的覆蓋面積係可大於該柱體的截面積。

在前述晶片封裝結構中，該晶片係可具有在該第一表面與該第二表面之間的複數個側面，該保護樹脂係完全覆蓋該些側面。

在前述晶片封裝結構中，該晶片係可具有複數個孔金屬層，其係局部包覆該些矽穿孔填料之柱體之一特定部位。

在前述晶片封裝結構中，該些矽穿孔填料係可為導電膠。

在前述晶片封裝結構中，該些矽穿孔填料係可為電鍍金屬。

在前述晶片封裝結構中，該些矽穿孔填料之第一凸塊部與第二凸塊部係可為方形塊。

在前述晶片封裝結構中，該些矽穿孔填料係可為銲料。

在前述晶片封裝結構中，該些矽穿孔填料之第一凸塊部與第二凸塊部係可為圓弧狀。

在前述晶片封裝結構中，該第一基板與該第二基板係可選自於玻璃纖維含浸樹脂、聚亞醯胺、覆銅板、壓克力樹脂與玻璃片之其中之一。

在前述晶片封裝結構中，該第一基板與該第二基板係可略大於該晶片。

在前述晶片封裝結構中，該第一基板與該第二基板係可為層壓(laminate)結合。

在前述晶片封裝結構中，該第一基板係可包含有複數個環狀墊，並與對應之該些矽穿孔填料之第一凸塊部黏附結合。

在前述晶片封裝結構中，該第二基板亦可包含有複數個環狀墊，並與對應之該些矽穿孔填料之第二凸塊部黏附結合。

在前述晶片封裝結構中，該第一基板之外表面係可形成有一金屬層，該第二基板之外表面係可形成有另一金屬層，該些金屬層大致為一金屬板片並各具有複數個包圍該些環狀墊之環形開孔，以電性絕緣該些環狀墊。

由以上技術方案可以看出，本發明之具有全貫穿矽穿孔之晶片封裝結構，具有以下優點與功效：一、利用晶片被上下兩基板夾合而能以少量樹脂密封以及矽穿孔填料拉長擴大之結構，可以在封膠之後形成矽穿孔填料，解決習知在製造晶片之矽穿孔時產生的晶片碎裂與角崩的問題，並具有耐磨與耐用之特性。此外，可以擴大矽穿孔到半導體封裝等級的 應用範圍

二、利用晶片被兩基板夾合而能以少量樹脂密封以及矽穿孔填料拉長擴大之結構，解決習知在填充矽穿孔時矽穿孔填料在晶片表面的污染問題。

三、利用矽穿孔填料一體連接且突設於兩基板之凸塊部，作為對外電極，不以習知基板上走線直接連接晶片以達成較佳電性可靠度，並可免用習知打線連接晶片之銲線，有效縮短電傳導長度與降低封裝高度，可應用於輕薄短小電子產品與多晶片堆疊產品。

四、藉由實質相同的兩基板上下夾合晶片，能達到應力平衡，以避免晶片翹曲。

以下將配合所‘附圖示詳細說明本發明之實施例，然應注意的是，該些圖示均為簡化之示意圖，僅以示意方法來說明本發明之基本架構或實施方法，故僅顯示與本案有關之元件，且所顯示之元件並非以實際實施之數目、形狀、尺寸比例繪製，某些尺寸比例與其他相關尺寸比例已經被修飾放大或是簡化，以提供更清楚的描述，實際實施之數目、形狀及尺寸比例為一種選置性之設計，且詳細之元件佈局可能更為複雜。

依據本發明之第一具體實施例，一種具有全貫穿矽穿孔之晶片封裝結構舉例說明於第2圖之截面示意圖與第3圖之特徵放大示意圖。該晶片封裝結構200主要 包含至少一晶片210、一第一基板220、一第二基板230、一保護樹脂240以及複數個矽穿孔填料250。

如第2圖所示，該晶片210係具有一第一表面211與一第二表面212。該晶片210係可為積體電路晶片、發光二極體(LED)晶片或太陽能電池晶片，其基礎層結構係為矽、砷化鎵等半導體材料並佈設有適當之線路。當該第一表面211與該第二表面212之其中之一係為主動表面時，另一表面則係為對應之背面。在本發明中並不限定那一表面是主動表面。

該第一基板220係貼設於該晶片210之該第一表面211。該第二基板230係貼設於該晶片210之該第二表面212。該第一基板220與該第二基板230係可選自於玻璃纖維含浸樹脂、聚亞醯胺、覆銅板、壓克力樹脂與玻璃片之其中之一。較佳地，該第一基板220與該第二基板230係可為層壓(laminate)結合，其係以該晶片210作為中間層，再將該第一基板220與該第二基板230加熱壓合成一多層式結構，並成為一內埋式晶片構裝結構。具體而言，該第一基板220與該第二基板230係可略大於該晶片210，以使該保護樹脂240可位在該第一基板220與該第二基板230之間的周邊。較佳地，該第一基板220與該第二基板230係可具有相同熱膨脹係數與相同厚度，故藉由實質相同的兩基板220與230上下夾合該晶片210可達到應力平衡，避免該晶片210翹曲。更具體而言，第一基板220與該第二基板230的尺 寸為相等且稍大於該晶片210。

利用該保護樹脂240形成於該第一基板220與該第二基板230之間以密封該晶片210。詳細而言，如第2圖所示，該晶片210係可具有在該第一表面211與該第二表面212之間的複數個側面213，該保護樹脂240係完全覆蓋該些側面213。該保護樹脂240之材質可為熱固性樹脂或光固化性樹脂，例如環氧樹脂、含矽土(silica)之高分子材料等等。特別的是，該保護樹脂240的作用為密封保護該晶片210並結合該第一基板220與該第二基板230。因此，該保護樹脂240係可僅配置在該晶片210之該些側面213周圍，而不需要使用習知的上下模具才可以使封裝材料密封住整個晶片，故無脫模的殘膠問題。此外，利用該晶片210被該第一基板220與該第二基板230的夾合，使用少量之該保護樹脂240便能密封該晶片210並得到上下應力平衡，故可以避免習知晶片封裝結構的翹曲變形問題。

如第3圖所示，每一矽穿孔填料250係包含一柱體251、一第一凸塊部252以及一第二凸塊部253。其中，該柱體251係貫穿該晶片210、該第一基板220與該第二基板230，該第一凸塊部252係一體連接於該柱體251並突設於該第一基板220，該第二凸塊部253係一體連接於該柱體251並突設於該第二基板230。具體而言，該些矽穿孔填料250係可為液態塗施之導電膠、銲料或是其它導電材料，例如銲料、含銅導電膏、銀膠、導電 油墨或電鍍金屬等等。而該第一凸塊部252在該第一基板220上的覆蓋面積係可大於該柱體251的截面積，並且該第二凸塊部253在該第二基板230上的覆蓋面積係可大於該柱體251的截面積，故每一矽穿孔填料250係形成為一如I字形之截面形狀，以防止脫落或位移。

因此，利用該晶片210被該上基板220與該下基板230夾合而能以少量樹脂240密封，並且該些矽穿孔填料250係拉長穿過該晶片210、該上基板220與該下基板230並在該上基板220與該下基板230的外表面為兩端擴大以作為對外電極。藉由該上基板220與該下基板230的貼附效果解決習知在製造晶片之矽穿孔時產生的晶片碎裂與角崩的問題，並具有耐磨與耐用之特性。

此外，利用該矽穿孔填料250一體連接且突設於兩基板220與230之該些凸塊部252與253，可作為對外電極，不以習知基板上走線直接連接晶片以達成較佳電性可靠度，並可免用習知打線連接晶片之銲線，有效縮短電傳導長度與降低封裝高度，可應用於輕薄短小電子產品與多晶片堆疊產品。因此，該上基板220與該下基板230係可為不具有線路結構的虛基板(dummy substrate)。

本發明進一步說明該晶片封裝結構200之製造方法，以彰顯本案的其它功效。

如第4圖所示，首先提供該晶片210、該第一基板220以及該第二基板230，該晶片210係位於該第一基 板220以及該第二基板230之間。在製程中，該第一基板220與該第二基板230係可各為不同基板條內並為陣列排列之一基板單元。該晶片210係可預先形成複數個通孔並在該些通孔內填滿複數個孔金屬層214，該些孔金屬層214之材質，例如銅、銀、錫鉛合成或其他合適的材料。經過疊壓(laminated)或熱壓合(heat press)之步驟可將疊置之該第二基板230、該晶片210與該第一基板220壓合成一多層式結構。

接著，如第5圖所示，將該保護樹脂240形成於該第一基板220與該第二基板230之間並密封該晶片210。該保護樹脂240係可與預先形成於該第一基板220與該第二基板230之內表面周邊或是在疊壓之後以沾印或點膠方式形成，以完全覆蓋該晶片210之該些側面213，用以支撐以及保護該晶片210。在上述基板疊壓與樹脂形成過程中並不需要考慮該晶片210對外的電性連接關係。

之後，如第5圖所示，將上述包含該晶片210、該第一基板220與該第二基板230之疊壓結構鑽設複數個矽穿孔260，該些矽穿孔260係可以一次貫穿方式形成。鑽孔方法係可為雷射、機械鑽孔或是反應性離子蝕刻等等方法。具體而言，該些矽穿孔260係穿過該晶片210之該些孔金屬層214、該第一基板220以及該第二基板230。利用該第一基板220與該第二基板230的表面保護功效，該晶片210不會有碎裂與角崩的問題。

再如第2圖所示，以該些矽穿孔填料250填入該些矽穿孔260內。在本實施例中，該些孔金屬層214係局部包覆該些矽穿孔填料250之柱體251之一特定部位(如第3圖所示該柱體251之中間部位)，以使該些矽穿孔填料250電性連接至該晶片210之內部元件。該些矽穿孔填料250係可利用壓模成形或灌膠等方法形成，以使每一矽穿孔填料250形成有該柱體251、該第一凸塊部252以及該第二凸塊部253。在本實施例中，該些矽穿孔填料250之第一凸塊部252與第二凸塊部253係可為方形塊，可利用壓模成形定義第一凸塊部252與第二凸塊部253的形狀。由於該些矽穿孔填料250之開始端與結束端(第一凸塊部252與第二凸塊部253)係形成在該第一基板220與該第二基板230之外表面，而不是在該晶片210上，故可解決習知在填充矽穿孔時矽穿孔填料在晶片表面的污染問題。

依據本發明之第二具體實施例，另一種具有全貫穿矽穿孔之晶片封裝結構舉例說明於第6圖之截面示意圖。該晶片封裝結構300主要包含至少一晶片210、一第一基板220、一第二基板230、一保護樹脂240以及複數個矽穿孔填料250。其中與第一實施例相同的主要元件將以相同符號標示，故可以理解亦具有相同功能並能達成上述功效，不再詳予贅述。

在本實施例中，該晶片封裝結構300係為多(雙)晶片封裝，以使該晶片210係包含有晶片310A與晶片 310B，並夾設於該第一基板220與該第二基板230之間。該晶片310A與該晶片310B係可為具有相同功能之半導體晶片。因此，該些晶片310A與310B係嵌埋在兩疊合基板220與230之間，由該兩疊合基板220與230組合成一複合式積層基板，並以該保護樹脂240包覆該些晶片310A與310B之複數個側面213。而該些矽穿孔填料250之柱體251係貫穿該些晶片310A與310B、該第一基板220與該第二基板230。

因此，該晶片封裝結構300係可運用於多晶片堆疊，增加內埋式晶片結構中的晶片數量，可提高元件效能。並利用該些矽穿孔填料250一次電性連接該第一基板220、該些晶片310A與310B與該第二基板230，更可作為對外電極，可有效縮短導通長度與降低封裝高度，並可堆疊設置，以應用在各種輕薄短小之電子產品。

依據本發明之第三具體實施例，另一種具有全貫穿矽穿孔之晶片封裝結構舉例說明於第7圖之截面示意圖。該晶片封裝結構400主要包含至少一晶片210、一第一基板220、一第二基板230、一保護樹脂240以及複數個矽穿孔填料250。其中與第一實施例相同的主要元件將以相同符號標示，故可以理解亦具有相同功能並能達成上述功效，不再詳予贅述。

在本實施例中，該些矽穿孔填料250之第一凸塊部252與第二凸塊部253係可為圓弧狀，其係可藉由液態塗施之導電膠或銲料而形成。該些凸塊部252與253可 替代習知之銲球使用，有效降低高度及增加接著彈性。較佳地，如第7圖之放大圖所示，該第一基板220係包含有複數個環狀墊422，對準於該些矽穿孔260之一端，以供該矽穿孔填料250之第一凸塊部252的黏附結合。該第二基板230亦包含有複數個環狀墊432，對準於該些矽穿孔260之另一端，以供該矽穿孔填料250之第二凸塊部253的黏附結合。尤佳地，該第一基板220之外表面係形成有一金屬層421，該第二基板230之外表面係形成有一金屬層431。該些金屬層421與431大致為一金屬板片並各具有複數個環形開孔423與433，包圍該些環狀墊422與432，以使電性絕緣該些環狀墊422與432，並使該些金屬層421與431具有接地或電磁屏障的功能。

因此，該晶片封裝結構400係以雙面基板220與230夾合該晶片210，並在雙面基板220與230之外表面更形成有雙面突出電極(即該些第一凸塊部252與該些第二凸塊部253)，故可將多個晶片封裝結構400縱向堆疊，以組成為一立體堆疊封裝結構。

總而言之，本發明利用晶片被兩基板夾合而能以少量樹脂密封以及矽穿孔填料拉長擴大之結構，解決習知在製造晶片之矽穿孔時產生的晶片碎裂與角崩的問題，並具有耐磨與耐用之特性。

以上所述，僅是本發明的較佳實施例而已，並非對本發明作任何形式上的限制，本發明技術方案範圍當依 所附申請專利範圍為準。任何熟悉本專業的技術人員可利用上述揭示的技術內容作出些許更動或修飾為等同變化的等效實施例，但凡是未脫離本發明技術方案的內容，依據本發明的技術實質對以上實施例所作的任何簡單修改、等同變化與修飾，均仍屬於本發明技術方案的範圍內。

100‧‧‧晶片立體堆疊結構

110‧‧‧晶片

111‧‧‧第一表面

112‧‧‧第二表面

115‧‧‧矽穿孔

116‧‧‧晶膜矽層(epitaxial silicon layer)

117‧‧‧金屬層

118‧‧‧裂縫

150‧‧‧矽穿孔填料

200‧‧‧晶片封裝結構

210‧‧‧晶片

211‧‧‧第一表面

212‧‧‧第二表面

213‧‧‧側面

214‧‧‧孔金屬層

220‧‧‧第一基板

230‧‧‧第二基板

240‧‧‧保護樹脂

250‧‧‧矽穿孔填料

251‧‧‧柱體

252‧‧‧第一凸塊部

253‧‧‧第二凸塊部

260‧‧‧矽穿孔

300‧‧‧晶片封裝結構

310A‧‧‧晶片

310B‧‧‧晶片

400‧‧‧晶片封裝結構

421‧‧‧第一金屬層

422‧‧‧環形墊

423‧‧‧環形開孔

431‧‧‧第二金屬層

432‧‧‧環形墊

433‧‧‧環形開孔

第1圖：習知具有矽穿孔之晶片在堆疊後之局部放大截面示意圖。

第2圖：依據本發明第一具體實施例的一種具有全貫穿矽穿孔之晶片封裝結構之截面示意圖。

第3圖：依據本發明第一具體實施例的該晶片封裝結構之局部放大截面示意圖。

第4圖：依據本發明第一具體實施例的該晶片封裝結構在基板疊壓時之截面示意圖。

第5圖：依據本發明第一具體實施例的該晶片封裝結構在形成穿孔後之截面示意圖。

第6圖：依據本發明第二具體實施例的另一種具有全貫穿矽穿孔之晶片封裝結構之截面示意圖。

第7圖：依據本發明第三具體實施例的另一種具有全貫穿矽穿孔之晶片封裝結構之截面示意圖與局部特徵放大示意圖。

200‧‧‧晶片封裝結構

210‧‧‧晶片

211‧‧‧第一表面

212‧‧‧第二表面

213‧‧‧側面

214‧‧‧孔金屬層

220‧‧‧第一基板

230‧‧‧第二基板

240‧‧‧保護樹脂

250‧‧‧矽穿孔填料

251‧‧‧柱體

252‧‧‧第一凸塊部

253‧‧‧第二凸塊部

260‧‧‧矽穿孔

Claims (15)

1. 一種具有全貫穿矽穿孔之晶片封裝結構，包含：至少一晶片，係具有一第一表面與一第二表面；一第一基板，係貼設於該晶片之該第一表面；一第二基板，係貼設於該晶片之該第二表面；一保護樹脂，係形成於該第一基板與該第二基板之間並密封該晶片；以及複數個矽穿孔填料，每一矽穿孔填料係包含一柱體、一第一凸塊部以及一第二凸塊部，其中該柱體係貫穿該晶片、該第一基板與該第二基板，該第一凸塊部係一體連接於該柱體並突設於該第一基板，該第二凸塊部係一體連接於該柱體並突設於該第二基板；其中，該第一基板與該第二基板係為略大於該晶片之相同尺寸，以使該保護樹脂位在該第一基板與該第二基板之間的周邊，以完全覆蓋該晶片之複數個側面；其中，該晶片係具有複數個孔金屬層，其係局部包覆該些矽穿孔填料之柱體之一特定部位，以使該些矽穿孔填料電性連接至該晶片。
2. 如申請專利範圍第1項所述之具有全貫穿矽穿孔之晶片封裝結構，其中該第一基板與該第二基板係具有相同熱膨脹係數與相同厚度。
3. 如申請專利範圍第1項所述之具有全貫穿矽穿孔之晶片封裝結構，其中該第一凸塊部在該第一基板上的覆蓋面積係大於該柱體的截面積。
4. 如申請專利範圍第3項所述之具有全貫穿矽穿孔之晶片封裝結構，其中該第二凸塊部在該第二基板上的覆蓋面積係大於該柱體的截面積。
5. 如申請專利範圍第1項所述之具有全貫穿矽穿孔之晶片封裝結構，其中該些矽穿孔填料係為導電膠。
6. 如申請專利範圍第1項所述之具有全貫穿矽穿孔之晶片封裝結構，其中該些矽穿孔填料係為電鍍金屬。
7. 如申請專利範圍第1、5或6項所述之具有全貫穿矽穿孔之晶片封裝結構，其中該些矽穿孔填料之第一凸塊部與第二凸塊部係為方形塊。
8. 如申請專利範圍第1項所述之具有全貫穿矽穿孔之晶片封裝結構，其中該些矽穿孔填料係為銲料。
9. 如申請專利範圍第1或8項所述之具有全貫穿矽穿孔之晶片封裝結構，其中該些矽穿孔填料之第一凸塊部與第二凸塊部係為圓弧狀。
10. 如申請專利範圍第1項所述之具有全貫穿矽穿孔之晶片封裝結構，其中該第一基板與該第二基板係選自於玻璃纖維含浸樹脂、聚亞醯胺、覆銅板、壓克力樹脂與玻璃片之其中之一。
11. 如申請專利範圍第1項所述之具有全貫穿矽穿孔之晶片封裝結構，其中該第一基板與該第二基板係為層壓(laminate)結合。
12. 如申請專利範圍第1項所述之具有全貫穿矽穿孔之晶片封裝結構，其中該第一基板係包含有複數個環狀 墊，並與對應之該些矽穿孔填料之第一凸塊部黏附結合。
13. 如申請專利範圍第12項所述之具有全貫穿矽穿孔之晶片封裝結構，其中該第二基板亦包含有複數個環狀墊，並與對應之該些矽穿孔填料之第二凸塊部黏附結合。
14. 如申請專利範圍第13項所述之具有全貫穿矽穿孔之晶片封裝結構，其中該第一基板之外表面係形成有一金屬層，該第二基板之外表面係形成有另一金屬層，該些金屬層大致為一金屬板片並各具有複數個包圍該些環狀墊之環形開孔，以電性絕緣該些環狀墊。
15. 如申請專利範圍第1項所述之具有全貫穿矽穿孔之晶片封裝結構，其中該上基板與該下基板係為不具有線路結構的虛基板。