TWI541950B - 晶片結構 - Google Patents

Description

晶片結構

本案係關於一種晶片結構，特別是一種可在低溫進行固晶接合，並且可在高溫環境使用之晶片結構。

隨著晶片結構的性能的提升，晶片結構所消耗的功率以及所產生的總熱量也隨之增加。因此，如何將晶片結構散熱已成為重要的問題。

為了提升晶片結構封裝後的散熱效率，通常是透過降低封裝所使用的材料的熱阻以提升熱量的散逸速率。目前將晶片結構進行封裝所使用的固晶材料常見者有三種：銀膠材料、無鉛銲錫、以及金錫固晶材料。

以銀膠材料而言，銀膠材料是透過銀金屬粒子與高分子材料之間互相混合以達到固晶的效果。然而，高分子膠體材料會造成銀膠的散熱性能受限，並且可靠度不佳。此外，高分子材料容易因為溫度的變化而在短時間內產生劣化的情形，進而造成晶片結構及基板之間的貼合層會產生疲乏、甚至斷裂。因此，銀膠材料只適合應用在小功率的晶片結構。

以銲錫而言，一般銲錫固晶的溫度範圍約為150℃。因此，當晶片結構之工作溫度接近或高於該固晶溫度時，銲錫會產生劇烈的潛變甚至熔化，而不利於銲點機械強度的維持，因而無法滿足晶片結構對長期可靠度的要求。

以金錫固晶材料而言，金錫固晶材料中含有80wt%的金，因而 固晶材料的成本較高，並且進行封裝的貼合溫度必須高達330℃以上，而容易造成晶片結構的損害。

如上所述，如何在較低的溫度接合晶片結構，並且使接合後的晶片結構具有較高的耐受溫度，就成為研究人員需要解決的問題。

美國專利US8,236,687提出一種以鉍-銦-錫低溫共晶材料搭配銀、金、鎳、銅等金屬構成的固晶材料及固晶方法，可以在110℃以下進行固晶接合，接合後的晶片在固晶層形成鉍、銦、錫與金或銀的高熔點介金屬，因此接合後的晶片結構又可以具有高於250℃的耐受溫度。但由於很多覆晶封裝晶片在晶背上沈積完低溫固晶材料後，在固晶前尚需進行去光阻等多道高溫製程，該等製程溫度往往高於110℃。這將造成晶背上的固晶材料在固晶前就已經被作用掉而失效。此外，由於要確保固晶時鉍-銦-錫低溫共晶材料要完全與金或銀作用形成高熔點介金屬，因此金或銀的量在比例上要相當地高。但金、銀都是屬於貴金屬材料，如此一來將會造成固晶層的材料成本的提高。

本提案是關於一種晶片結構，以提供一種可在低溫進行固晶接合，並且可在高溫環境使用之晶片結構。其原理亦是利用一層熔點約115-130℃的金屬材料進行低溫接合，搭配一或多層高熔點金屬來與低熔點材料形成高熔點介金屬，完成固晶接合。特別的是本提案的低熔點材料之熔點可在小範內進行調整，而高熔點金屬的選擇可以降低固晶層材料的成本。

本提案一實施例所揭露之晶片結構，包含一晶片以及一第一固晶層。第一固晶層設置於晶片之一表面。第一固晶層包含一第一金屬層以及一第二金屬層。第一金屬層之材料係為選自於金、銀、鎳以及鎳磷合金所組成之群 組中至少一元素。第二金屬層設置於第一金屬層。第一金屬層位於晶片以及第二金屬層之間。第二金屬層之材料係為選自於銦、錫、金以及銀所組成之群組中至少一元素。其中金或銀的重量百分比介於5wt%至15wt%之間，金或銀的重量百分比係以第二金屬層之總重為基準。

根據本提案實施例所揭露之晶片結構，由於第一固晶層包含第一金屬層以及第二金屬層，而第一金屬層之材料係為選自於金、銀所組成之群組中至少一元素、第二金屬層之材料係為選自於銦、錫、金以及銀所組成之群組中至少一元素，並且金或銀的重量百分比介於5wt%至15wt%之間。因此，本提案實施例所揭露之晶片結構可在低溫進行固晶接合，並且可在高溫環境使用。

10、10a、10b、10c、10x、10y‧‧‧晶片結構

11‧‧‧晶片

12‧‧‧第一固晶層

121‧‧‧第一金屬層

1211‧‧‧第一子金屬層

1212‧‧‧第二子金屬層

1213‧‧‧第三子金屬層

122‧‧‧第二金屬層

1221‧‧‧第一子金屬層

1222‧‧‧第二子金屬層

13‧‧‧第二固晶層

131‧‧‧第三金屬層

132‧‧‧第四金屬層

14‧‧‧第三固晶層

141‧‧‧第五金屬層

142‧‧‧第六金屬層

20‧‧‧基板

30‧‧‧接合金屬層

40‧‧‧第一介金屬層

50‧‧‧第二介金屬層

60‧‧‧介金屬層

F1、F2‧‧‧表面

第1圖為本提案一實施例所揭露之晶片結構之剖面示意圖。

第2A圖為本提案另一實施例之晶片結構之剖面示意圖。

第2B圖為本提案另一實施例之晶片結構之剖面示意圖。

第2C圖為本提案另一實施例之晶片結構之剖面示意圖。

第3圖為第1圖之晶片結構設置於基板之剖面示意圖。

第4圖為第1圖之晶片結構共晶接合於基板之剖面示意圖。

第5圖為第1圖之晶片結構共晶接合於基板之另一剖面示意圖。

第6圖為第1圖之晶片結構共晶接合於基板之又一剖面示意圖。

第7圖為本提案另一實施例所揭露之晶片結構之剖面示意圖。

第8圖為本提案又一實施例所揭露之晶片結構之剖面示意圖。

以下在實施方式中詳細敘述本提案之詳細特徵以及優點，其內容足以使任何熟習相關技藝者了解本提案之技術內容並據以實施，且根據本說明書所揭露之內容、申請專利範圍及圖式，任何熟習相關技藝者可輕易地理解本提案相關之目的及優點。以下之實施例係進一步詳細說明本提案之觀點，但非以任何觀點限制本提案之範疇。

請參閱第1圖，第1圖為本提案一實施例所揭露之晶片結構之剖面示意圖。如圖所示，晶片結構10包含一晶片11以及一第一固晶層12。晶片11例如但不限於為一半導體元件。

第一固晶層12設置於晶片11之一表面F1。第一固晶層12包含一第一金屬層121以及一第二金屬層122。第一金屬層121之材料係為選自於金、銀、鎳、銅以及鎳磷合金所組成之群組中至少一元素。也就是說，第一金屬層121之材料可以是金與銀、或金與鎳、或金與鎳磷、或銀與鎳、或銀與鎳磷、或者是單獨為金、或單獨為銀、或單獨為鎳、銅、或單獨為鎳磷。

請參閱第2A圖與第2B圖。第2A圖為本提案另一實施例之晶片結構之剖面示意圖。第2B圖為本提案另一實施例之晶片結構之剖面示意圖。如第2A圖所示，在本實施例之晶片結構10a中，第一金屬層121亦可為複合材質。詳細來說，第一金屬層121是由一第一子金屬層1211及一第二子金屬層1212所構成。第一子金屬層1211的材料可以是由金、銀、鎳以及鎳磷合金之一構成。第二子金屬層1212的材料可以是由金、銀、鎳、銅以及鎳磷合金之一構成，但不同於第一子金屬層1211的材料。請參閱第2B圖，在本實施例之晶片結構10b中，第一金屬層121亦可以是由三個子金屬層1211、1212及1213所構成。這三層子金屬層1211、1212及1213的每一層的材料可以是由金、銀、鎳、銅以 及鎳磷合金之一構成，且這三層金屬層的材料皆不相同。

第二金屬層122是設置於第一金屬層121相反於晶片11之一側，亦即第一金屬層121是位於晶片11以及第二金屬層122之間。第二金屬層122例如是透過蒸鍍、電鍍或濺鍍等方式而設置於第一金屬層121之表面。第二金屬層122之材料係為選自於銦、錫、金以及銀所組成之群組中至少一元素。舉例來說，在本提案部分實施例中，第二金屬層122之材料為銦、錫以及金；在本提案部分實施例中，第二金屬層122之材料為銦、錫以及銀；在本提案部分實施例中，第二金屬層122之材料為銦、錫、金以及銀。在上述實施例中，第二金屬層122中金或銀的重量百分比介於5wt%至15wt%之間，而金或銀的重量百分比係以第二金屬層122之總重為基準。

請參閱第2C圖。第2C圖為本提案另一實施例之晶片結構之剖面示意圖。在本提案部分實施例之晶片結構10c中，第二金屬層122亦可以是由一第一子金屬層1221及一第二子金屬層1222所構成。第二金屬層122之第一子金屬層1221的材料係為選自於金、銀所組成之群組中至少一元素所構成。第二金屬層122之第二子金屬層1222的材料係為選自於銦、錫所組成之群組中至少一元素所構成。在上述實施例中，第二金屬層122中金或銀的重量百分比介於5wt%至15wt%之間，而金或銀的重量百分比係以第二金屬層122之總重為基準。在本提案部分實施例中，第二金屬層122之第一子金屬層1221的材料係為選自於銦、錫所組成之群組中至少一元素所構成。第二金屬層122之第二子金屬層1222的材料係為選自於金、銀所組成之群組中至少一元素所構成。

如此一來，晶片結構10可透過一固晶程序而設置於一基板上。請參閱第3圖，第3圖為第1圖之晶片結構設置於基板之剖面示意圖。如第3 圖所示，基板20上設有一接合金屬層30。基板20例如為陶瓷基板、圖案化電路載板或半導體載板，但並不以此為限。接合金屬層30的材料係為選自於金以及銀所組成之群組中至少一元素。也就是說，接合金屬層30之材料可以是金與銀、金、或銀。在固晶程序中，晶片結構10是以第二金屬層122接觸於基板20上的接合金屬層30。

請同時參閱第3圖以及第4圖，第4圖為第1圖之晶片結構共晶接合於基板之剖面示意圖。當晶片結構10以第二金屬層122接觸於基板20上的接合金屬層30後，第二金屬層122與接合金屬層30以及第一金屬層121與第二金屬層122會分別熔合成介金屬，而熔點較低的第二金屬層122會完全反應、消耗。詳細來說，第二金屬層122與接合金屬層30的成分會相互擴散而形成介金屬，而第一金屬層121與第二金屬層122的成分會相互擴散而形成介金屬。將晶片結構10透過固晶程序而接合於基板的結果如第4圖所示，在固晶完成後晶片11與基板20之間會形成一第一介金屬層40與一第二介金屬層50。在本實施例中，第一金屬層121、第二金屬層122以及接合金屬層30會完全反應、消耗，亦即固晶完成後的晶片結構不存在第一金屬層121、第二金屬層122以及接合金屬層30。

以下進一步介紹本實施例之第一介金屬層40以及第二介金屬層50。當接合金屬層30之材料為銀、第二金屬層122之材料為銦、錫、銀時，由於銀跟銦之間、銀跟錫之間具有較佳之結合力，因而所形成的第一介金屬層40之材料包含銀-銦介金屬以及銀-錫介金屬。當接合金屬層30之材料為金、第二金屬層122之材料為銦、錫、金時，由於金跟銦之間、金跟錫之間具有較佳之結合力，因而所形成的第一介金屬層40之材料包含金-銦介金屬以及金-錫介金 屬。相似地，當第一金屬層121之材料為銀、第二金屬層122之材料為銦、錫、銀時，由於銀跟銦之間、銀跟錫之間具有較佳之結合力，因而所形成的第二介金屬層50之材料包含銀-銦介金屬以及銀-錫介金屬。當第一金屬層121之材料為金、第二金屬層122之材料為銦、錫、金時，由於金跟銦之間、金跟錫之間具有較佳之結合力，因而所形成的第二介金屬層50之材料包含金-銦介金屬以及金-錫介金屬。在第二金屬層122之材料為銦、錫、銀、金之實施例中，所形成的第一介金屬層40、第二介金屬層50之材料則可同時包含銀-銦介金屬、銀-錫介金屬、金-銦介金屬以及金-錫介金屬。在第一金屬層121之材料為鎳或鎳磷，第二金屬層122之材料為銦、錫、金、銦之實施例中，所形成第一介金屬層50之材料可同時包含鎳-鍚、鎳-銦、鎳-錫-銦、金-鍚、金-銦、金-錫-銦、銀-鍚、銀-銦、銀-錫-銦之介金屬或合金。在第一金屬層121之材料為銅，第二金屬層122之材料為銦、錫、金、銦之實施例中，所形成第一介金屬層50之材料可同時包含銅-鍚、銅-銦、銅-錫-銦、金-鍚、金-銦、金-錫-銦、銀-鍚、銀-銦、銀-錫-銦之介金屬或合金。第一金屬層121之材料選擇為銅、鎳或鎳磷時，可以降低固晶層材料的成本。

詳細來說，由於本實施例之第一金屬層121的熔點較低，因而可在較低的溫度進行接合。另一方面，本實施例所形成的銀-銦介金屬以及銀-錫介金屬(或金-銦介金屬、金-錫介金屬或合金，或鎳-銦介金屬、鎳-錫等介金屬或合金)具有較高的熔點，而具有較高的耐受溫度。因此，固晶完成後的晶片可在較高的工作環境下進行操作。如上所述，本提案實施例之晶片結構可以達到低溫接合、高溫使用的效果。

以下透過數個實施例及比較例的固晶溫度來說明本提案之晶片 結構的性質。其中，固晶溫度是指將晶片結構接合於基板所需的溫度，此溫度是對應但略高於第一金屬層的熔點。結果如下表。

如上表所示，由於實施例一及實施例二之第二金屬層包含銀，並且銀的重量百分比介於5wt%至15wt%之間。因此相較於比較例，實施例一以及實施例二之晶片結構具有較高的固晶溫度，因而在固晶程序前晶片結構可以承受較高的去光阻等多道高溫製程溫度。此外，當第二金屬層中銀的重量百分比越高時，固晶程序前的晶片結構可耐受較高的製程溫度。

請參閱第5圖，第5圖為第1圖之晶片結構共晶接合於基板之另一剖面示意圖。在本實施例中，由於第一金屬層121以及接合金屬層30具有較厚的厚度，因而在完成固晶程序後的晶片結構還存在第一金屬層121以及接合金屬層30。

請參閱第6圖，第6圖為第1圖之晶片結構共晶接合於基板之又一剖面示意圖。在本實施例中，由於第二金屬層122的厚度較薄，而且固晶後又經長時間的高溫擴散，因而固晶完成後的晶片結構並不存在第二金屬層122，而會形成單一之介金屬層60。介金屬層60所含的材料與前述之第一介金屬層40以及第二介金屬層50之材料相似，故不重複描述。

請參閱第7圖，第7圖為本提案另一實施例所揭露之晶片結構之 剖面示意圖。如圖所示，晶片結構10x包含一晶片11、一第一固晶層12以及一第二固晶層13。本實施例之晶片11與第一固晶層12與第1圖之實施例相似，故不重複描述。第二固晶層13設置於第一固晶層12之一表面F2，並且第一固晶層12是位於晶片11以及第二固晶層13之間。

第二固晶層13包含一第三金屬層131以及一第四金屬層132。第三金屬層131之材料係為選自於金以及銀所組成之群組中至少一元素。也就是說，第三金屬層131之材料可以是金與銀、金、或銀。

第四金屬層132設置於第三金屬層131。詳細來說，第四金屬層132是設置於第三金屬層131相反於第一固晶層12之一側，亦即第三金屬層131是位於第一固晶層12以及第四金屬層132之間。第四金屬層132例如是透過蒸鍍、電鍍或濺鍍等方式而設置於第三金屬層131之表面。第四金屬層132之材料係為選自於銦、錫、金以及銀所組成之群組中至少一元素。在本提案部分實施例中，第四金屬層122之材料為銦、錫以及金；在本提案部分實施例中，第四金屬層132之材料為銦、錫以及銀；在本提案部分實施例中，第四金屬層132之材料為銦、錫、金以及銀。第四金屬層132中金或銀的重量百分比介於5wt%至15wt%之間，金或銀的重量百分比係以第四金屬層之總重為基準。

在本實施例中，由於晶片結構10x還包含了第二固晶層13，因而晶片結構10x在接合於基板(未繪示)時，銀(或金)跟銦、錫形成銀-銦介金屬(或金-銦介金屬)、銀-錫介金屬(或金-錫介金屬)的效果較佳。

在第7圖之實施例中，晶片結構10x包含一晶片11、一第一固晶層12以及一第二固晶層13，亦即晶片結構10x包含兩層的固晶層。在其他實施例中，晶片結構也可以包含多層的固晶層，而固晶層內的金屬層交錯排列而 形成一「千層派」之結構。請參閱第8圖，第8圖為本提案又一實施例所揭露之晶片結構之剖面示意圖。晶片結構10y包含一晶片11、一第一固晶層12、一第二固晶層13以及一第三固晶層14。第三固晶層14包含一第五金屬層141以及一第六金屬層142。第五金屬層141與第六金屬層142與上述之金屬層(第一金屬層121、第二金屬層122、第三金屬層131、第四金屬層132)相似，故不重複描述。其中，第六金屬層142是設置於第五金屬層141相反於第二固晶層13之一側，亦即第五金屬層141是位於第二固晶層13以及第六金屬層142之間。在本實施例中，由於晶片結構y包含多層的固晶層(第一固晶層12、第二固晶層13、第三固晶層14)，因而可更進一步提升晶片結構10y接合於基板的功效。

根據本提案實施例所揭露之晶片結構，由於第一固晶層包含第一金屬層以及第二金屬層，而第一金屬層之材料係為選自於金以及銀所組成之群組中至少一元素、第二金屬層之材料係為選自於銦、錫、金以及銀所組成之群組中至少一元素，並且金或銀的重量百分比介於5wt%至15wt%之間。因此，本提案實施例所揭露之晶片結構可在低溫進行固晶接合，並且可在高溫環境使用。

此外，在部分實施例中，由於晶片結構包含有多層的固晶層，因而可進一步提升晶片結構接合於基板的功效。

雖然本提案已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本提案，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本提案之精神和範圍內，當可作些許之更動與潤飾，故本提案之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

10‧‧‧晶片結構

11‧‧‧晶片

12‧‧‧第一固晶層

121‧‧‧第一金屬層

122‧‧‧第二金屬層

F1‧‧‧表面

Claims (12)

1. 一種晶片結構，包含：一晶片；以及一第一固晶層，設置於該晶片之一表面，該第一固晶層包含：一第一金屬層，該第一金屬層之材料係為選自於金、銀、鎳、銅以及鎳磷合金所組成之群組中至少一元素；以及一第二金屬層，其中，該第一金屬層位於該晶片以及該第二金屬層之間，該第二金屬層之材料係為選自於銦、錫、金以及銀所組成之群組中至少一元素，其中金或銀的重量百分比介於5wt%至15wt%之間，金或銀的重量百分比係以該第二金屬層之總重為基準。
2. 如請求項1所述之晶片結構，其中該第一金屬層之材料為金。
3. 如請求項1所述之晶片結構，其中該第一金屬層之材料為銀。
4. 如請求項1所述之晶片結構，其中該第一金屬層之材料為金以及銀。
5. 如請求項1所述之晶片結構，其中該第二金屬層之材料為銦、錫以及金。
6. 如請求項1所述之晶片結構，其中該第二金屬層之材料為銦、錫以及銀。
7. 如請求項1所述之晶片結構，其中該第二金屬層之材料為銦、錫、金以及銀。
8. 如請求項1所述之晶片結構，其中該第一金屬層可以是由兩個子金屬層所構成，該兩子金屬層的材料可以是由金、銀、鎳、銅以及鎳磷合金之一構成，且該兩個子金屬層的材料相異。
9. 如請求項1所述之晶片結構，其中該第一金屬層可以是由三個子金屬層所構成，該三個子金屬層的材料可以是由金、銀、鎳、銅以及鎳磷合金之一構成，且該三個子金屬層的材料相異。
10. 如請求項1所述之晶片結構，其中第二金屬層可以是由兩個子金屬層所構成，其中之一該子金屬層的材料係為選自於金、銀所組成之群組中至少一元素所構成，另一該子金屬層的材料係為選自於銦、錫所組成之群組中至少一元素所構成。
11. 如請求項1所述之晶片結構，另包含至少一第二固晶層，設置於該第一固晶層，該第一固晶層位於該晶片以及該第二固晶層之間，其中該第二固晶層包含一第三金屬層以及一第四金屬層，該第三金屬層之材料係為選自於金以及銀所組成之群組中至少一元素，該第四金屬層設置於該第三金屬層，該第三金屬層位於該第一固晶層以及該第四金屬層之間，該第四金屬層之材料係為選自於銦、錫、金以及銀所組成之群組中至少一元素。
12. 如請求項1所述之晶片結構，其中該第四金屬層之金或銀的重量百分比介於5wt%至15wt%之間，金或銀的重量百分比係以該第四金屬層之總重為基準。