TWI489596B - 晶片結構 - Google Patents

Description

晶片結構

本提案係有關於一種晶片結構，特別是一種可在低溫進行固晶接合，並同時適於在高溫環境使用之晶片結構。

習用將晶片結構結合於導線架或印刷電路板等基體的固晶技術已發展多年，目前常用的固晶方式大致上分為兩類，其中一類是以高分子導電膠材(例如銀膠)將晶片結構黏著於基體上，之後再送入空氣爐內進行熱固化烘烤，使高分子導電膠材產生固化，進而使晶片結構固定於基體。然而，這種以高分子導電膠材進行固晶的方式，若在接合過程中未能均勻塗膠，將使晶片結構無法被固定在預定的位置，進而影響固晶後成品的良率。此外，由於高分子導電膠材的耐熱性差，當晶片結構在高溫環境下操作時，高分子導電膠材容易產生劣化，導致晶片結構不適於在高溫環境下使用。再者，由於高分子導電膠材的導熱性不佳，使晶片結構無法得到良好的散熱效果，進而造成晶片結構的使用效能下降，並大幅縮短晶片結構的使用壽命。

另一類固晶方式則是以金屬銲接材料替換高分子導電膠材的使用。採用金屬銲接材料的固晶方式，是在基體或晶片結構表面預先設置如錫(Sn)、金錫(AuSn)、錫鉛(SnPb)等金屬銲接材料，並提供適當的助銲劑(flux)。接著，將晶片結構設置於基體上，再經由熱板、烤箱或隧道提供烘烤溫度(約為攝氏300度(℃)的高溫)，使晶片結構藉由金屬銲接材料共晶接合於基體上。由於此技術是採用金屬材料做為晶片結構及基體之間的接合介質，因此在散熱性及耐熱性都較高分子導電膠材為佳。然而，由於金屬銲接材料具有較高的熔點，容易在共晶接合的過程中於晶片結構上殘留熱應力，而損壞晶片結構。

為了解決殘留熱應力的問題，有業者在固晶製程中導入超音波設備，藉由超音波將晶片結構與基體之間的接合表面離子化，藉以降低加熱溫度及熱應力。惟此方式需增加超音波設備，導致製造成本增加。同時，在共晶接合的過程中若操作不當，將使超音波直接震動到晶片結構，而造成晶片結構碎裂。雖然另可透過使用具有低熔點特性的金屬銲接材料來克服上述殘留熱應力的問題。然而，當晶片結構於70~80℃的環境中操作時，這種低熔點金屬銲接材料容易產生軟化現象，進而造成晶片結構與基體之間接點的可靠度大打折扣。

鑒於以上的問題，本提案提供一種晶片結構，藉以改良習用晶片結構在接合於基體後，由於高分子導電膠材的耐熱性及導熱性差，造成晶片結構的效能降低及使用壽命縮短的問題；以及金屬銲接材料的使用，所導致晶片結構在固晶過程中容易殘留熱應力以及固晶接合後，晶片結構及基體之間接點可靠度降低的問題。

本提案揭露一種晶片結構，其包括有一晶片及一固晶材料層，固晶材料層設置於晶片之一表面，且固晶材料層之組成材料係選自於由鉍銦(Bi-In)、鉍銦鋅(Bi-In-Zn)、鉍銦錫(Bi-In-Sn)及鉍銦鋅錫(Bi-In-Zn-Sn)所組成之群組中至少其中之一。

本提案之功效在於，將晶片結構固晶於導線架或印刷電路板等基體的過程中，藉由固晶材料層所具有之低熔點特性，讓晶片結構可在低溫環境下與基體接合，可避免晶片結構在固晶過程中產生熱應力集中或是在固晶完成後殘留熱應力，所導致晶片結構破裂損壞的情形發生。並且，在固晶程序完成後，藉由固晶材料層於晶片結構與基板之間所產生之高熔點介金屬層，使晶片結構與基體之間具有良好的接點可靠度，並且在高溫環境中長時間的使用下，仍能維持良好的運作效能。

以上之關於本提案內容之說明及以下之實施方式之說明係用以示範與解釋本提案之原理，並且提供本提案之專利申請範圍更進一步之解釋。

如「第1圖」所示，係為本提案第一實施例所揭露之晶片結構，其包括有一晶片10及一固晶材料層20。晶片10具有一基板110、一金屬層120及一半導體結構130。基板110之組成材料可以是但不侷限於藍寶石(sapphire)、金(Au)、銀(Ag)、鉬(Mo)、鎳(Ni)、矽(Si)、碳化矽(SiC)、銅(Cu)、氮化鋁(AlN)、砷化鎵(GaAs)或氮化鎵(GaN)等，在本實施例中係以藍寶石基板做為舉例說明，但並不以此為限。金屬層120及半導體結構130分別設置於基板110的相對二側面，金屬層120之組成材料可以是但不侷限於金、銀、銅、鎳及上述金屬之合金等金屬材料，半導體結構130具有一N型半導體層131、一發光材料層132及一P型半導體層133，發光材料層132介於N型半導體層131及P型半導體層133之間，而構成P-I-N形式之半導體結構130，且半導體結構130以N型半導體層131接觸於基板110，使晶片10構成一具有藍寶石基板之發光二極體(LED，light emitting diode)晶片。

其中，N型半導體層131及P型半導體層133可以是但不侷限於N型及P型之氮化鎵(GaN)、氮化鎵銦(GaInN)、磷化鋁銦鎵(AlInGaP)與氮化鋁銦鎵(AlInGaN)、氮化鋁(AlN)、氮化銦(InN)、氮化鎵銦砷(GaInAsN)、磷氮化鎵銦(GaInPN)或其組合。

固晶材料層20設置於金屬層120相對基板110之另一側表面，固晶材料層20之組成材料係選自於由鉍銦(Bi-In)、鉍銦鋅(Bi-In-Zn)、鉍銦錫(Bi-In-Sn)及鉍銦鋅錫(Bi-In-Zn-Sn)等具有低熔點特性之金屬材料所組成之群組中至少其中之一。例如鉍銦以及鉍-33銦-0.5鋅(Bi-33In-0.5Zn)的熔點約為110℃、鉍-25銦-18錫(Bi-25In-18Sn)的熔點約為82℃以及鉍-20銦-30鋅-3錫(Bi-20In-30Zn-3Sn)的熔點約為90℃。固晶材料層20可藉由電鍍、濺鍍或蒸鍍等方式鍍於金屬層120表面，而在金屬層120表面形成厚度介於0.2~5.0微米(μm)的固晶材料層20。在另一實施例中，其固晶材料層20之厚度介於2.0~3.5微米(μm)。

因此，在晶片結構固晶於導線架或印刷電路板等基體的操作過程中，可藉由固晶材料層20在低於120℃的環境下結合於基體上，而不會在晶片結構中殘留熱應力，並可避免晶片結構產生結構崩解而毀壞。

請參閱「第2圖」所示，在固晶程序中，晶片結構是以固晶材料層20接觸於基體30上，基體30可以是導線架、印刷電路板、具有塑膠反射杯的基座等。基體30的材質可以是銅、鋁、鐵(Fe)、鎳(Ni)之純元素或添加少量其它元素之合金。此外，基體30的材質亦可以是矽、氮化鋁或低溫共燒多層陶瓷(LTCC，Low-Temperature Cofired Ceramics)等。並且，在基體30表面具有另一金屬層310，金屬層310的組成材料可以是但不侷限於金、銀、銅及鎳等容易與鉍、銦、錫等元素形成高熔點介金屬化合物之金屬。因此，當基體30由金、銀、銅或鎳所組成時，可省略金屬層310的設置。

請同時參閱「第2圖」和「第3圖」，當晶片結構以固晶材料層20接觸於基體30之金屬層310後，在一預定時間內提供一適當的液固反應溫度。此液固反應溫度可以是等於或高於固晶材料層20的熔化溫度，例如82℃或以上，使固晶材料層20與晶片10之金屬層120以及基體30之金屬層310之間產生介金屬化合物，而預固於基體30上，可避免晶片結構在基體30上產生對位偏移的問題。之後，再於一固化時間內提供一固固反應溫度，此固固反應溫度可低於固晶材料層20之熔化溫度，例如介於40~80℃之間，使固晶材料層20分別與二金屬層120、310之間形成一第一介金屬層40及一第二介金屬層50。

舉例而言，當二金屬層120、310之組成材料分別為銀和金時，在固晶材料層20與金屬層120之間，即形成由銀-銦(Ag-In)及銀-錫(Ag-Sn)等高熔點介金屬化合物所組成之第一介金屬層40；以及在固晶材料層20與金屬層310之間，形成由金-鉍(Au-Bi)及金-錫(Au-Sn)等高熔點介金屬化合物所組成之第二介金屬層50。其中，銀-銦介金屬化合物之熔點至少約250℃以上，銀-錫介金屬化合物之熔點至少約450℃以上，金-鉍介金屬化合物之熔點至少約350℃以上，而金-錫介金屬化合物之熔點則至少約250℃以上。

並且，在固晶程序完成後，固晶材料層20可能部分殘留於第一介金屬層40及第二介金屬層50之間，或者是被完全反應而消失，使晶片結構藉由第一介金屬層40及第二介金屬層50穩固的結合於基體30上。同時，由於所形成的第一介金屬層40及第二介金屬層50具有高熔點(至少大於200℃)的特性，讓晶片結構即便於在高溫環境中使用，例如晶片結構長時間在80℃的操作溫度下運作，第一介金屬層40及第二介金屬層50亦不會出現軟化的現象，可確保晶片結構與基體30之間維持穩定的對位關係及接點可靠度，而得到良好的運作效能。

若進一步將本提案所揭露之晶片結構與習知使用高分子導電膠材以及金屬銲接材料進行固晶程序之晶片結構進行比較，如下表一及表二所示，表一是在電流700毫安培(mA)、功率2.5瓦(W)的條件下測試晶片結構的使用壽命；表二則是比較不同晶片結構的固晶溫度、固晶強度、耐熱溫度以及使用壽命。

由上表一及表二所呈現之結果可發現，相較於習知晶片結構，本提案所揭露之晶片結構同時具有低固晶溫度、高固晶強度、高耐熱度以及高使用壽命等特性，使本提案所揭露之晶片結構可在低溫環境下與基體接合，以避免晶片結構因殘留熱應力的問題而損壞，同時在接合過程中無需添加任何的助焊劑，並且在長時間的高溫環境下使用，亦能維持良好的可靠度及使用壽命。

此外，在本提案所揭露之晶片結構中，固晶材料層除了如第一實施例設置於具有藍寶石基板之發光二極體晶片外，在本提案之其他實例中，亦可應用於不同類型的晶片上。例如「第4圖」所示，在本提案第二實施例所揭露之晶片結構中，其所使用之晶片10係為積體電路(IC，integrated circuit)晶片，並於晶片10中具有一接觸於固晶材料層20之金屬層120；或者是如「第5圖」所示，係為本提案第三實施例所揭露之晶片結構，其晶片10之基板110係以矽、碳化矽或銅等材料所組成，且半導體結構130是以P型半導體層133接觸於基板110，而構成垂直式發光二極體晶片(Vertical LED)。同時，當晶片10之基板110為銅基板時，固晶材料層20可以電鍍、濺鍍或蒸鍍等方式直接設置於基板110表面，而省略金屬層120的設置。

例如「第6圖」所示，為本提案第四實施例所揭露之晶片結構，其晶片10中以二金屬凸塊(bump)140設置於金屬材質之基板110上，使半導體結構130懸置於基板110上方，而構成覆晶式發光二極體(Flip-Chip LED)。並由於基板110為金屬材料所組成，因此可選擇性的在基板110上設置金屬層120，或者是省略金屬層120的設置，使固晶材料層20直接設置於基板110相對於半導體結構130的另一側面上。此僅為基板110、金屬層120與固晶材料層20之間所採用的設置方式不同，但並非用以限制本提案。

本提案之功效在於，晶片結構中設置有鉍-銦、鉍-銦-錫、鉍-銦-鋅或鉍-銦-錫-鋅等材料所組成的固晶材料層，使晶片結構可在低溫環境下將晶片結合於導線架或印刷電路板等基體上，可避免晶片結構在固晶完成後殘留熱應力，而造成晶片結構破裂損壞。同時，在固晶完成後，藉由固晶材料層於晶片結構及基體之間所產生的高熔點介金屬層，讓晶片結構可長時間在高溫環境下運作，並能維持良好的接點可靠度及運作效能。

雖然本提案之實施例揭露如上所述，然並非用以限定本提案，任何熟習相關技藝者，在不脫離本提案之精神和範圍內，舉凡依本提案申請範圍所述之形狀、構造、特徵及精神當可做些許之變更，因此本提案之專利保護範圍須視本說明書所附之申請專利範圍所界定者為準。

10‧‧‧晶片

110‧‧‧基板

120‧‧‧金屬層

130‧‧‧半導體結構

131‧‧‧N型半導體層

132‧‧‧發光材料層

133‧‧‧P型半導體層

140‧‧‧金屬凸塊

20‧‧‧固晶材料層

30‧‧‧基體

310‧‧‧金屬層

40‧‧‧第一介金屬層

50‧‧‧第二介金屬層

第1圖為本提案第一實施例之晶片結構之剖面示意圖；第2圖為本提案第一實施例之晶片結構設置於基體之剖面示意圖；第3圖為本提案第一實施例之晶片結構共晶接合於基體之剖面示意圖；第4圖為本提案第二實施例之晶片結構之剖面示意圖；第5圖為本提案第三實施例之晶片結構之剖面示意圖；以及第6圖為本提案第四實施例之晶片結構之剖面示意圖。

10．．．晶片

110．．．基板

120．．．金屬層

130．．．半導體結構

131．．．N型半導體層

132．．．發光材料層

133．．．P型半導體層

20．．．固晶材料層

Claims (8)

1. 一種晶片結構，其包括有：一晶片，該晶片之一表面具有一金屬層；以及一固晶材料層，設置於該晶片之該金屬層，該固晶材料層之組成材料選自於由鉍銦、鉍銦鋅、鉍銦錫及鉍銦錫鋅所組成之群組中至少其中之一；其中，當溫度高於一固固反應溫度時，該固晶材料層與該金屬層形成一介金屬層，該介金屬層之熔點高於該固晶材料層之熔點；以及該晶片具有一基板及一半導體結構，該半導體結構及該固晶材料層分別設置於該基板相對之二側面；並且，該晶片更具有至少一金屬凸塊，該金屬凸塊設置於該基板及該半導體結構之間，使該半導體結構懸置於該基板上方。
2. 如請求項1所述之晶片結構，其中該金屬層之組成材料選自於由金、銀、銅、鎳及其合金所組成之群組中至少其中之一。
3. 如請求項1所述之晶片結構，其中該基板之組成材料係選自於由藍寶石、金、銀、鉬、鎳、銅、矽、碳化矽、氮化鋁及砷化鎵、氮化鎵所組成之群組之其中之一。
4. 如請求項1所述之晶片結構，其中該半導體結構具有一N型半導體層、一發光材料層及一P型半導體層，該發光材料層係介於該N型半導體層及該P型半導體層之間。
5. 如請求項1所述之晶片結構，其中該金屬層介於該基板及該固 晶材料層之間。
6. 如請求項5所述之晶片結構，其中該金屬層的組成材料選自於由金、銀、銅、鎳及其合金所組成之群組中至少其中之一。
7. 如請求項1所述之晶片結構，其中該固晶材料層之厚度為0.2~5.0微米。
8. 如請求項7所述之晶片結構，其中該固晶材料層之厚度為2.0~3.5微米。