TWI544580B - 具中空腔室之半導體封裝製程 - Google Patents
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Description
本發明是關於一種半導體封裝製程，特別是關於一種具中空腔室之半導體封裝製程。
一種MEMS(Microelectromechanical Systems)封裝製程是將一基板(可為矽基板或其他半導體材料)利用濕式蝕刻、乾式蝕刻或放電加工的方式於其內部形成一空腔(Cavity)，再於該空腔中安裝所欲封裝之電子元件(如電阻器、電晶體、射頻裝置、積體電路或電容器)，最後再蓋上一蓋體完成封裝。MEMS的封裝裝置常使用於消費性電子產品(如智慧型手機或膝上型電腦)，而對於封裝裝置之尺寸大小較為要求，因此，如何縮小封裝裝置的尺寸大小為MEMS封裝製程的一重要課題。
於習知技術中，一般將該蓋體與該基板接合的方式是於該基板的一連接部以網版印刷的方式塗上錫膏，再將該蓋體與該基板熱壓合而使其互相接合，但由於網版印刷是將錫膏通過網板之網目形成於該基板的該連接部上，導致該基板於形成該空穴時，該基板的該連接部需留有較大的寬度供網版印刷以進行錫膏之塗佈，因此侷限了基板內空穴的空間大小，而無法縮小封裝裝置的尺寸。此外，以網版印刷的方式須考慮錫膏黏性及流動性，才能使錫膏順利地印刷至該基板的該連接部上，而較難隨需求改變錫膏的成分配比。
本發明的主要目的在於藉由焊球形成於下基板的環牆表面，再將焊球迴焊而形成接合層，使得上基板與下基板可透過接合層互相接合。
本發明之一種具中空腔室之半導體封裝製程包含提供一下基板，該下基板具有一底板、一環牆及一凹槽，該環牆形成於該底板，該環牆具有一表面，且該環牆及該底板形成該凹槽；形成一第一球下金屬層於該環牆之該表面，該第一球下金屬層具有一表面；設置複數個焊球於該第一球下金屬層之該表面，各該焊球具有一直徑，相鄰的兩個焊球之間具有一間距，該間距不小於各該焊球之該直徑的一半；對該些焊球進行迴焊，使該些焊球熔化且互相連接而形成一接合層，該接合層罩蓋該第一球下金屬層之該表面；將一上基板與該下基板連接，該上基板具有一連接表面，該連接表面連接該接合層，其中該上基板密封該下基板之該凹槽而形成一中空腔室，該中空腔室用以容置一電子元件。
本發明藉由迴焊該些焊球而形成的該接合層連接該下基板及該上基板，形成密封之該中空腔室以容置該電子元件，由於該些焊球的該直徑可達微米等級，因此可有效地薄化該下基板之該環牆的該寬度，進而縮小整體封裝結構的尺寸，此外，由於該些焊球的成份比例已知，而可視需求選用合適的焊球成份，以進行更廣泛的應用。
請參閱第1圖，為本發明之第一實施例，一種具中空腔室之半導體封裝製程10的流程圖，該具中空腔室之半導體封裝製程10包含「提供下基板11」、「形成第一球下金屬層於環牆表面12」、「對焊球進行迴焊13」、「塗佈助焊劑14」及「將上基板與下基板連接15」之步驟。
請參閱第1、2及5圖，於步驟11中提供一下基板100，該下基板100可選自於矽、陶瓷、玻璃、金屬、高分子材料或其他半導體材料，該下基板100具有一底板110、一環牆120及一凹槽130，該環牆120形成於該底板110，且該環牆120及該底板110形成該凹槽130，該環牆120具有一表面121及複數個角隅122，該環牆120之該表面121具有一寬度W，該寬度W介於8 μm至500 μm之間。在本實施例中，該下基板100是藉由如先前技術中所述以濕式蝕刻、乾式蝕刻或放電加工形成，且一電子元件E安裝於該下基板100之該凹槽130中。
請參閱第1及3圖，於步驟12中形成一第一球下金屬層200於該環牆120之該表面121，該第一球下金屬層200具有一表面210，該第一球下金屬層200之該表面210的寬度實質上與該環牆120之該表面121的該寬度W相同，在本實施例中，該第一球下金屬層200透過光阻製程及電鍍/化學鍍製程形成於該環牆120之該表面121，其中該第一球下金屬層200可為多層金屬堆疊或合金之結構，用以提供黏附、潤濕及阻障等功效，在本實施例中，該第一球下金屬層200包含Ti、Ti/W、Cu、Cr、Ni/V等金屬材料。
請參閱第1、4及5圖，設置複數個焊球300於該第一球下金屬層200之該表面210，各該焊球300具有一直徑D，其中相鄰的兩個焊球300之間具有一間距G，該間距G不小於各該焊球300之該直徑D的一半，以避免相鄰的兩個焊球300互相干涉，而於植球製程中產生碰撞偏離定位，但若相鄰的兩個焊球300之間的該間距G過大時，迴焊後的該焊球300之間則會無法連接而產生縫隙。因此，請參閱第5圖，較佳地，各該焊球300之該直徑D與相鄰之兩個焊球300間的該間距G之間的比率介於1:0.5至1:3之間，以確保迴焊後的該焊球300之間可互相連接。此外，為避免焊球300之該直徑D過大，而於迴焊後溢出該第一球下金屬層200之該表面210造成該電子元件E的短路或整體封裝結構的汙染，較佳的，各該焊球300之該直徑D與該環牆120之該表面121的該寬度W之間的比率介於1:3至1:0.5之間。在本實施例中，該些焊球300的材料可為Sn、Bi、In、Au/Sn、Sn/Ag、Sn/Cu、Sn/Bi、Sn/Ag/Cu、Sn/Ag/Bi或Sn/Ag/Cu/Sb等無鉛錫球，由於本發明以已知成分比例之該些焊球300作為基板連接之材料，因此，本發明可依據需求選擇該些焊球300的成分比例，而較習知技術能進行更廣泛的應用。
請再參閱第5圖，較佳的，在本實施例中，於設置複數個焊球300於該第一球下金屬層200之該表面210的步驟中，各該角隅122上設置有至少一個焊球300，以確保迴焊後之該些焊球300能完全地罩蓋第一球下金屬層200之該表面210。
請參閱第1及6圖，於步驟13中對該些焊球300進行迴焊，使該些焊球300熔化且互相連接而形成一接合層400，該接合層400罩蓋該第一球下金屬層200之該表面210，請參閱第6圖，該些焊球300熔化後會因表面張力內聚形成球形表面，且各該焊球300的該直徑D越大時，該接合層400的高度越高，較佳的，該接合層400完全地罩蓋該第一球下金屬層200之該表面210，使後續之上基板連接至該下基板100時能密合。其中迴焊溫度視該些焊球300的熔點而定，在本實施例中，迴焊溫度是比各該焊球300之熔點高出0℃至80℃之間，例如SAC之熔點約為220℃，則以220℃至300℃之間的迴焊溫度進行迴焊，以確保該些焊球300能完全熔化並使該接合層400表面平整。
請參閱第1及7圖，於步驟14中於該接合層400上塗佈一助焊劑600，以對該接合層400之表面進行初步的清潔，而有助於後續之上基板與該下基板100接合時金屬間化合物(Intermetallic Compound，IMC)的生成。或在其他實施例中，該接合層400表面於製程中能保持平整且清潔、或該接合層400是選用不需助焊劑之接合材料、或是在一真空腔室(圖未繪出)中進行本發明之封裝時，則可省略本步驟，而在步驟13對該些焊球300進行迴焊後直接進行步驟15。
請參閱第1及8圖，於步驟15中將一上基板500與該下基板100以迴焊製程或熱壓合製程進行連接，該上基板500具有一連接表面510及一第二球下金屬層520，該第二球下金屬層520形成於該連接表面510，且當該上基板500與該下基板100連接時，該第二球下金屬層520接觸該接合層400，該連接表面510經由該第二球下金屬層520連接該接合層400，其中該上基板500密封該下基板100之該凹槽130而形成一中空腔室C，由於上述步驟13將該接合層400完全地罩蓋該第一球下金屬層200之該表面210，因此，該上基板500透過該接合層400與該下基板100接合時能使該中空腔室C完全密封，並使容置於該中空腔室C中的該電子元件E與外在環境隔離，增加該電子元件E作動之穩定度。
請參閱第9圖，為本發明之第二實施例，一種具中空腔室之半導體封裝製程10的側面剖視圖，其與第一實施例的差異在於該上基板500具有一凸出部530，該連接表面510為該凸出部530的表面，藉此，將該上基板500與該下基板100接合後，該中空腔室C的高度能夠更高，而可用以容置高度較高或是需要垂直作動的該電子元件E。
本發明藉由迴焊該些焊球300而形成的該接合層400連接該下基板100及該上基板500，形成密封之該中空腔室C以容置該電子元件E，由於該些焊球300的該直徑D可達微米等級，因此可有效地薄化該下基板100之該環牆120的該寬度W，進而縮小整體封裝結構的尺寸，此外，由於該些焊球300的成份比例已知，而可視需求選用合適的焊球300成份，以進行更廣泛的應用。
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，任何熟知此項技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內所作之任何變化與修改，均屬於本發明之保護範圍。
10‧‧‧具中空腔室之半導體封裝製程
11‧‧‧提供下基板
12‧‧‧形成第一球下金屬層於環牆表面
13‧‧‧對焊球進行迴焊
14‧‧‧塗佈助焊劑
15‧‧‧將上基板與下基板連接
100‧‧‧下基板
110‧‧‧底板
120‧‧‧環牆
121‧‧‧表面
122‧‧‧角隅
130‧‧‧凹槽
200‧‧‧第一球下金屬層
210‧‧‧表面
300‧‧‧焊球
400‧‧‧接合層
500‧‧‧上基板
510‧‧‧連接表面
520‧‧‧第二球下金屬層
530‧‧‧凸出部
600‧‧‧助焊劑
D‧‧‧直徑
G‧‧‧間距
C‧‧‧中空腔室
W‧‧‧寬度
E‧‧‧電子元件
11‧‧‧提供下基板
12‧‧‧形成第一球下金屬層於環牆表面
13‧‧‧對焊球進行迴焊
14‧‧‧塗佈助焊劑
15‧‧‧將上基板與下基板連接
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110‧‧‧底板
120‧‧‧環牆
121‧‧‧表面
122‧‧‧角隅
130‧‧‧凹槽
200‧‧‧第一球下金屬層
210‧‧‧表面
300‧‧‧焊球
400‧‧‧接合層
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530‧‧‧凸出部
600‧‧‧助焊劑
D‧‧‧直徑
G‧‧‧間距
C‧‧‧中空腔室
W‧‧‧寬度
E‧‧‧電子元件
第1圖：依據本發明之第一實施例，一種具中空腔室之半導體封裝製程的流程圖。 第2圖：依據本發明之第一實施例，該具中空腔室之半導體封裝製程的側面剖視圖。 第3圖：依據本發明之第一實施例，該具中空腔室之半導體封裝製程的側面剖視圖。 第4圖：依據本發明之第一實施例，該具中空腔室之半導體封裝製程的側面剖視圖。 第5圖：依據本發明之第一實施例，該具中空腔室之半導體封裝製程的俯視圖。 第6圖：依據本發明之第一實施例，該具中空腔室之半導體封裝製程的側面剖視圖。 第7圖：依據本發明之第一實施例，該具中空腔室之半導體封裝製程的側面剖視圖。 第8圖：依據本發明之第一實施例，該具中空腔室之半導體封裝製程的側面剖視圖。 第9圖：依據本發明之第二實施例，一種具中空腔室之半導體封裝製程的側面剖視圖。
100‧‧‧下基板
110‧‧‧底板
120‧‧‧環牆
121‧‧‧表面
130‧‧‧凹槽
200‧‧‧第一球下金屬層
400‧‧‧接合層
500‧‧‧上基板
510‧‧‧連接表面
520‧‧‧第二球下金屬層
E‧‧‧電子元件
C‧‧‧中空腔室
Claims (10)
- 一種具中空腔室之半導體封裝製程，該中空腔室用以容置一電子元件，該具中空腔室之半導體封裝製程包含：提供一下基板，具有一底板、一環牆及一凹槽，該環牆形成於該底板，該環牆具有一表面，且該環牆及該底板形成該凹槽；形成一第一球下金屬層於該環牆之該表面，該第一球下金屬層具有一表面；設置複數個焊球於該第一球下金屬層之該表面，各該焊球具有一直徑，相鄰的兩個焊球之間具有一間距，該間距不小於各該焊球之該直徑的一半；對該些焊球進行迴焊，使該些焊球熔化且互相連接而形成一接合層，該接合層罩蓋該第一球下金屬層之該表面；以及將一上基板與該下基板連接，該上基板具有一連接表面，該連接表面連接該接合層，其中該上基板密封該下基板之該凹槽而形成該中空腔室。
- 如申請專利範圍第1項所述之具中空腔室之半導體封裝製程，其中各該焊球之該直徑與相鄰之兩個焊球間的該間距之間的比率介於1：0.5至1：3之間。
- 如申請專利範圍第1或2項所述之具中空腔室之半導體封裝製程，其中該環牆之該表面具有一寬度，各該焊球之該直徑與該環牆之該表面的該寬度之間的比率介於1：3至1：0.5之間。
- 如申請專利範圍第1項所述之具中空腔室之半導體封裝製程，其中該上基板具有一第二球下金屬層，該第二球下金屬層形成於該連接表面，且當該上基板與該下基板連接時，該第二球下金屬層接觸該接合層。
- 如申請專利範圍第4項所述之具中空腔室之半導體封裝製程，其中 該上基板具有一凸出部，該連接表面為該凸出部的表面。
- 如申請專利範圍第1項所述之具中空腔室之半導體封裝製程，其中於將該上基板與該下基板連接的步驟前另包含於該接合層上塗佈一助焊劑。
- 如申請專利範圍第1項所述之具中空腔室之半導體封裝製程，其中該下基板之該環牆具有複數個角隅，且於設置複數個焊球於該第一球下金屬層之該表面的步驟中，各該角隅上設置有至少一個焊球。
- 如申請專利範圍第1或7項所述之具中空腔室之半導體封裝製程，其中該接合層完全地罩蓋該第一球下金屬層之該表面。
- 如申請專利範圍第1項所述之具中空腔室之半導體封裝製程，其中該環牆之該表面具有一寬度，該寬度介於8μm至500μm之間。
- 如申請專利範圍第3項所述之具中空腔室之半導體封裝製程，其中該環牆之該表面的該寬度介於8μm至500μm之間。
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