TWI576933B - 封裝結構的形成方法 - Google Patents

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Description

封裝結構的形成方法
本發明是關於封裝結構的形成方法，特別是關於使用銀合金柱覆晶組裝方法之封裝結構的形成方法。
覆晶組裝(Flip Chip Assembly)具有接點數高、接點間距小、封裝面積小、高頻性能佳、可靠度高以及耐電磁波干擾等優點，已普遍採用於積體電路及發光二極體(LED)等電子產品封裝製程中。覆晶組裝最重要的關鍵技術在於凸塊(Bump)的製作及組裝。覆晶凸塊材料大多使用銲錫合金，例如：錫-37鉛、錫-9鋅、錫-0.7銅、錫-3.5銀、錫-51銦、錫-58鉍、錫-3銀-0.5銅、錫-9鋅-3鉍等各種合金組成。銲錫凸塊(Solder Bump)的製作方法主要可分為電鍍(Electroplating)及錫膏鋼版印刷(Stencil Printing)兩種。電鍍法除了環保問題，且難以形成特定的合金組成。此外，在形成無鉛銲錫時，很難找到適當鍍液配方與電鍍製程參數。例如，欲形成凸塊如錫-3.5銀、錫-0.7銅及錫-3銀-0.5銅時，其合金組成很難穩定控制；欲形成銲球凸塊如錫-51銦、錫-58鉍及錫-9鋅-3鉍時，則難以找到理想鍍液。
因此，近年來大部分封裝廠針對覆晶組裝銲錫凸塊的製作均逐漸以錫膏(solder paste)鋼版印刷(Stencil Printing) 為主。然而，覆晶錫膏的關鍵材料在於錫粉(tin powder)。一般而言，在表面實裝(Surface Mount Technology；SMT)所使用之錫粉粒徑大約為30μm至50μm，這樣的尺寸在製造上較為容易。然而，由於覆晶凸塊的尺寸在120μm以下，其錫膏所使用錫粉粒徑必須大約在10μm以下，故其製作與粒徑篩選困難度均相當高。此外，當覆晶銲球凸塊尺寸減小至100μm以下甚至達到50μm時，即使使用尺寸在10μm以下的錫粉，其單顆銲錫凸塊仍只有少數幾個錫粉分佈其中，故於迴銲(reflow)後將造成很嚴重的共平面度(Coplanarity)問題。另外，以錫膏製作覆晶凸塊的問題還包括助銲劑(flux)迴銲後會留下空孔，以及在接點間距小至100μm以下時，錫膏鋼版印刷不良率大增等問題。
覆晶組裝導電凸塊亦可利用電鍍方法製作金凸塊(Electroplating Gold Bump)，或者利用金線結球製作金銲球凸塊(Gold Stud Bump)，然而不論是電鍍金凸塊或金銲球凸塊在與鋁銲墊接合時，均會發生介金屬化合物(Intermetallic Compounds)成長太快，以至於接合界面脆化之問題；另外，如果採用傳統軟銲(Soldering)技術進行金凸塊與基板的組裝，由於金在銲錫的溶解速度極快，將使大量金凸塊溶入銲錫內部而形成大量脆性的AuSn4介金屬化合物，因此電鍍金凸塊或金銲球凸塊進行晶片與基板的組裝一般只能採用導電膠接合，不僅導電性較銲錫接合差，更喪失了銲錫接合的自我對位(Self Alignment)與可重工(Reworkable)兩大優點；當然金凸塊在材料成本上亦極為昂貴。
因此電子產業亦有考慮利用電鍍方法製作銅凸塊 (Electroplating Copper Bump)或銅柱(Copper Pillar)，或者利用金線結球製作銅銲球凸塊(Copper Stud Bump)，然而不論是電鍍銅凸塊、銅柱或銅銲球凸塊在與鋁銲墊接合時，均會發生介金屬化合物成長太慢以至於接合界面虛銲的顧慮；另外，銅易氧化及腐蝕，其封裝產品可靠度不佳；更為嚴重的是銅的硬度太高，製作銅銲球凸塊時易造成晶片破裂(Chip Cratering)，在與基板組裝時亦會發生共平面(Coplanarity)問題，此一共平面問題在超小間距(Ultrafine Pitch)封裝時尤其嚴重。
有鑑於此，本發明的一實施例是提供一種封裝結構的形成方法，包含：在一第一晶片的一晶片上銲墊上，設置一銀合金柱；以及以覆晶接合，將該第一晶片經由該銀合金柱電性接合於一基板的一基板上銲墊；其中該銀合金柱的組成是選自下列組成之族群之一：組成1：0.01~10重量%的鈀與餘量的銀；組成2：0.01~10重量%的鈀、0.01至10重量%的鉑與餘量的銀；以及組成3：0.01~10重量%的鈀、0.01至10重量%的金與餘量的銀。
本發明的另一實施例是提供一種封裝結構的形成方法，包含：在一第一晶片的一晶片上銲墊上，設置一第一銀合金柱；在一基板的一基板上銲墊上，設置一第二銀合金柱；以及以覆晶接合，將該第一晶片經由該第一銀合金柱電性接合於該基板的該第二銀合金柱；其中該第一銀合金柱、該第二銀合金柱的組成是各自獨立選自下列組成之族群之一：組成1：0.01~10重量%的鈀與餘量的銀；組成2：0.01~10重量%的鈀、 0.01至10重量%的鉑與餘量的銀；以及組成3：0.01~10重量%的鈀、0.01至10重量%的金與餘量的銀。
200‧‧‧第一銀合金柱
202‧‧‧第一晶片
204‧‧‧晶片上銲墊
600‧‧‧第二銀合金柱
614、714‧‧‧黏膠
615、715‧‧‧銲錫
616‧‧‧基板
618‧‧‧基板上銲墊
660、680‧‧‧界面
第1圖顯示在本發明一實施例中形成銀合金銲球凸塊結構及其覆晶組裝的流程圖。
第2圖是一側視圖，顯示在本發明一實施例中形成銲球凸塊的過程的示意圖。
第3圖是一側視圖，顯示在本發明一實施例中形成銲球凸塊的過程的示意圖。
第4圖是一側視圖，顯示在本發明一實施例中形成銲球凸塊的過程的示意圖。
第5圖是一側視圖，顯示在本發明一實施例中形成銲球凸塊的過程的示意圖。
第6圖顯示在本發明一實施例中利用黏膠進行銀合金銲球凸塊覆晶組裝的方法。
第7圖顯示在本發明一實施例中利用銲錫進行銀合金銲球凸塊覆晶組裝的方法。
第8圖顯示在本發明一實施例中利用熱壓進行銀合金銲球凸塊覆晶組裝的方法。
第9圖顯示實施例1的電鍍Ag-8Au-3Pd銀合金柱、比較例1的電鍍金凸塊及比較例2的電鍍銅柱所製作之覆晶組裝進行150℃長時間高溫貯存試驗後的介金屬化合物的成長情形。
為讓本發明之上述和其他目的、特徵、和優點能更明顯易懂，下文特舉出較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下：要瞭解的是本說明書以下的揭露內容提供許多不同的實施例或範例，以實施本發明的不同特徵。而本說明書以下的揭露內容是敘述各個構件及其排列方式的特定範例，以求簡化發明的說明。當然，這些特定的範例並非用以限定本發明。例如，若是本說明書以下的揭露內容敘述了將一第一特徵形成於一第一特徵之上或上方，即表示其包含了所形成的上述第一特徵與上述第二特徵是直接接觸的實施例，亦包含了尚可將附加的特徵形成於上述第一特徵與上述第二特徵之間，而使上述第一特徵與上述第二特徵可能未直接接觸的實施例。另外，本說明書以下的揭露內容可能在各個範例中使用重複的元件符號，以使說明內容更加簡化、明確，但是重複的元件符號本身不會使不同的實施例及/或結構彼此具有特定的關係。
另外，在本案專利說明書中，在數值相關敘述後接「以上」、「以下」之詞來敘述數值範圍的情況中，除非另有加註，相關的數值範圍是包含上述「以上」、「以下」之詞前接的數值。
本案專利說明書所指「積體電路」可以是例如：邏輯電路及其周邊電路、揮發性記憶體電路及其周邊電路、非揮發性記憶體電路及其周邊電路、發光元件及其關聯電路與周 邊電路、感光元件及其關聯電路與周邊電路、微機電裝置及其關聯電路與周邊電路、測試用電路、其他種類的積體電路中的一種或二種以上的組合。
第1至4圖是一系列的側視圖，顯示在本發明之封裝結構的形成方法的數個例示的實施形態的示意圖。
請參考第1圖，首先在一第一晶片202的一晶片上銲墊204上設置一第一銀合金柱200。將第一銀合金柱200設置於晶片上銲墊204的方法例如為電鍍，不過亦可使用其他適用的方法。此第一銀合金柱200的組成為銀添加0.01~10%重量比的鈀，或此銀鈀合金組成再添加0.01至10%的金或鉑。具體而言，第一銀合金柱200的組成是選自下列組成之族群之一：組成1：0.01~10重量%的鈀與餘量的銀；組成2：0.01~10重量%的鈀、0.01至10重量%的鉑與餘量的銀；以及組成3：0.01~10重量%的鈀、0.01至10重量%的金與餘量的銀。
銀合金柱200可以是直徑介於10至100毫米、高度介於10至100毫米的圓柱體或長度與寬度介於10至100毫米、高度介於10至100毫米的立方體，但也可根據需要使用具有其他適合的尺寸的銀合金柱。第一晶片202可為一單一晶片或多數晶片線路組合之一晶圓。晶片上銲墊204例如為銅銲墊、鋁銲墊、金銲墊、銀銲墊、鎳銲墊、或其他常用的銲墊材料。
請參考第2圖，在一實施形態中，將位於第一晶片202的晶片上銲墊204上的第一銀合金柱200翻覆放置在基板616的一基板上銲墊618上，再將第一銀合金柱200與基板上銲墊618以黏膠614接合，以完成第一種覆晶組裝。在此實施形態 中，第一銀合金柱200的組成為前述銀添加0.01~10%重量比的鈀，或此銀鈀合金組成再添加0.01至10%的金或鉑；基板616例如為一陶瓷基板(例如為已完成穿孔(Through Via)的陶瓷中介層(Interposer))、印刷電路板或不同於第一晶片202之另一矽晶片；晶片上銲墊204與基板上銲墊618可各自獨立選用例如為銅銲墊、鋁銲墊、金銲墊、銀銲墊、鎳銲墊、或其他常用的銲墊材料。黏膠614例如為等方性導電膠(Isotropic Conductive Adhesive)或異方性導電膠(Anisotropic Conductive Adhesive)。在其他實施例中，亦可使用非導電膠(Nonconductive Adhesive)填充於第一銀合金柱200與基板上銲墊618之間，利用非導電膠在冷卻過程體積收縮使第一銀合金柱200、晶片上銲墊204、基板上銲墊618緊密接觸達到電流導通效果。
請參考第3圖，在另一實施形態中，將位於第一晶片202的晶片上銲墊204上的第一銀合金柱200翻轉放置在基板616的基板上銲墊618上，再將第一銀合金柱200與基板上銲墊618以銲錫615接合，以完成第二種覆晶組裝。此時，銲錫615為厚度10μm以上之銲錫填料，此銲錫填料一部份與基板上銲墊618反應，剩餘銲錫填料留存在第一銀合金柱200與晶片上銲墊204的界面，即為第3圖所示之銲錫615。前述銲錫填料接合的一例示條件是在大氣或氮氣環境下，不加壓力、溫度高於銲錫填料熔點10℃，持續進行1-3分鐘。在此實施形態中，第一銀合金柱200的組成如前述為銀添加0.01~10%重量比的鈀，或此銀鈀合金組成再添加0.01至10%的金或鉑；基板616例如為陶瓷基板(例如為已完成穿孔(Through Via)的陶瓷中介層 (Interposer))、印刷電路板或不同於第一晶片202的另一矽晶片；晶片上銲墊204與基板上銲墊618可各自獨立選用例如為銅銲墊、鋁銲墊、金銲墊、銀銲墊、鎳銲墊、或其他常用的銲墊材料。銲錫615例如為錫-37鉛、錫-9鋅、錫-0.7銅、錫-3.5銀、錫-51銦、錫-58鉍、錫-3銀-0.5銅、錫-9鋅-3鉍等各種合金組成。
在另一實施例中，銲錫615可為厚度10μm以下之銲錫薄膜取代，此銲錫薄膜的組成可選用與前述銲錫615所列相同的合金組成，使其在加熱過程與銲墊材料反應，所產生的結構類似第4圖所示者，惟不同之處在於本實施例在第一銀合金柱200與基板616的基板上銲墊608的界面660原先前述厚度10μm以下之銲錫薄膜將完全消耗，原因是銲錫薄膜與第一銀合金柱200及基板上銲墊618銲墊材料界面完全反應，而在第一銀合金柱200與基板上銲墊618的界面660形成含錫成分的介金屬化合物，例如依不同銲墊種類可形成Ag3Sn、Cu6Sn5、Cu3Sn、Ni3Sn4等不同組成的介金屬化合物，這些介金屬化合物較銲錫具有更高的熔點，其優點是組裝溫度維持在一般軟銲低溫，但組裝完成的接點可以承受高於軟銲之溫度。前述銲錫薄膜接合的一例示條件是在10-3-10-6Torr真空環境下，以壓力0.1-1Kg/mm2、溫度高於銲錫薄膜材料熔點10℃，持續進行5-30分鐘的加熱、加壓。
請參考第4圖，將位於第一晶片202的晶片上銲墊204上的第一銀合金柱200翻轉放置在基板616的晶片上銲墊618上，再將第一銀合金柱200與基板616以一熱壓方式直接對第一晶片202、第一銀合金柱200與基板616進行熱壓接合，以 完成第三種覆晶組裝。上述熱壓接合的條件例如是在大氣環境下，以壓力0.5-3Kg/mm2、溫度300-600℃，持續進行3-60秒的加熱、加壓。在此實施例中，在此實施形態中，第一銀合金柱200的組成如前述為銀添加0.01~10%重量比的鈀，或此銀鈀合金組成再添加0.01至10%的金或鉑；基板616例如為陶瓷基板(例如為已完成穿孔(Through Via)的陶瓷中介層(Interposer))、印刷電路板或不同於第一晶片202的另一矽晶片；晶片上銲墊204與基板上銲墊618可各自獨立選用例如為銅銲墊、鋁銲墊、金銲墊、銀銲墊、鎳銲墊、或其他常用的銲墊材料。
在一實施例中，第一銀合金柱200的組成為銀添加0.01~10%重量比的鈀，或此銀鈀合金組成再添加0.01至10%的金或鉑。發明人發現，若僅以純銀製造純銀柱，會有離子遷移、材質太軟、易於氧化及濕氣腐蝕等問題。然而，若在銀合金柱中加入適量的鈀除了可提高銲球凸塊的抗濕氣腐蝕性、氧化性及強度之外，更可以抑制銀的離子遷移現象，此外，鈀的低擴散速率可以降低介金屬成長，然而，若鈀的含量過高時，則會造成銀合金柱材質太硬太脆，以及電阻率升高，而成為其應用上的限制。本發明之銀合金柱組成另外可再添加金或鉑，以進一步提高銀合金柱的抗濕氣腐蝕性、氧化性及強度；然而，若金或鉑的含量太高時，則會造成介金屬含量過高，導致接點變脆，以及電阻率升高，且也會提高製造成本。
應注意的是，上述銀合金柱雖以銀及鈀為主要成分並可包含特定比例的金、鉑，然而本發明之範疇並非以此為限。在其他例子中，銀合金柱可更包括其他金屬、非金屬元素、 或其他不可避免的雜質成分。應注意的是，其他元素的添加需視應用上的需要調整，以避免影響銀合金柱的性質。
相較於其他金屬覆晶組裝凸塊，例如：金銲球凸塊、銅銲球凸塊及銅柱(Copper pillar)，本發明之銀合金銲球凸塊成本較低，且後續應用範圍更廣，穩定性更佳。以金銲球凸塊為例，當其後續以軟銲接合方法進行組裝時，銲球凸塊中的金會大量的熔入銲錫中而形成大量AuSn4介金屬化合物，造成接點脆裂，在電子產品使用或可靠度試驗時，也會在金銲球凸塊與鋁墊之界面形成大量脆性AuxAly介金屬化合物，並產生克肯達爾(Kirkendall)孔洞，使得接點斷裂或電阻上升。因此，一般而言，金銲球凸塊必須以導電膠進行組裝。然而導電膠的導電性較差，而且無法具備銲錫接合的自我對位(self alignment)及可重工(reworkable)優點。
另外，若使用銅銲球凸塊進行接合，則由於其很難形成介金屬反應層，可能導致虛銲現象，其封裝產品常無法通過殘金試驗(metal residue test)。並且由於銅非常容易氧化及腐蝕，故會造成電子產品的可靠度亦偏低。此外，由於銅的硬度大，故在將銅線打上晶片時常造成晶片破裂，因此也難以以上述方法在晶片上形成銅銲球凸塊。近年來在3D-IC或2.5D-IC封裝常使用銅柱(copper pillar)作為附晶導電凸塊，然而由於銅柱的材質較硬，熱壓組裝接合時很難以塑性變形使銅柱與銲墊緊密接觸，而留下大量孔洞甚至無法接合，使得多數個銅柱接點面臨共平面(co-planar)不良的問題，隨著封裝接點微小化發展趨勢，此問題更加嚴重。雖然銅柱也可以使用銲錫進行組 裝，但是在銅柱與銲錫界面很容易形成大量Cu3Sn介金屬化合物及克肯達爾(Kirkendall)孔洞，造成接點脆裂及電阻上升。
本發明以銀為主的銀合金柱材質較軟，熱壓組裝接合時很容易以塑性變形使銀合金柱與銲墊緊密接觸，不會發生銅柱接點所遭遇的共平面不良問題，因此特別適用於3D-IC或2.5D-IC封裝產品的晶片組裝。此外，銀合金柱與鋁銲墊及銲錫的界面介金屬含量不會太高，故不會造成傳統電鍍金凸塊或金銲球凸塊的接點脆化問題；然而，由於其仍會產生足夠的介金屬，使界面完美接合，其封裝產品均可通過殘金試驗(metal residue test)，不會發生習知銅銲球凸塊因為介金屬反應不足所導致的界面虛銲問題。此外，上述銀合金銲球凸塊可根據需要以軟銲、導電膠、熱壓的方式進行組裝，並不限於特定製程方法，已知傳統電鍍金凸塊或金銲球凸塊因為金在銲錫的高溶解度而無法以軟銲方式進行組裝；電鍍銅凸塊、銅柱或銅銲球凸塊雖然可以使用銲錫進行組裝，但是在銅柱與銲錫界面很容易形成大量Cu3Sn介金屬化合物及克肯達爾(Kirkendall)孔洞，造成接點脆裂及電阻上升。
接下來，第5至8圖是一系列的側視圖，顯示在本發明之封裝結構的形成方法的數個例示的另一種實施形態的示意圖。
請參考第5圖，在基板616的基板上銲墊618上亦設置一第二銀合金柱600。將第二銀合金柱600設置於基板上銲墊618的方法例如為電鍍，不過亦可使用其他適用的方法。此第二銀合金柱600的組成為銀添加0.01~10%重量比的鈀，或此銀 鈀合金組成再添加0.01至10%的金或鉑。具體而言，第二銀合金柱600的組成是選自下列組成之族群之一：組成1：0.01~10重量%的鈀與餘量的銀；組成2：0.01~10重量%的鈀、0.01至10重量%的鉑與餘量的銀；以及組成3：0.01~10重量%的鈀、0.01至10重量%的金與餘量的銀。
請參考第6圖，在一實施形態中，將位於第一晶片202的晶片上銲墊204上的第一銀合金柱200翻覆放置在基板616的基板上銲墊618上的第二銀合金柱600上，再將第一銀合金柱200與第二銀合金柱600以黏膠714接合，以完成第四種覆晶組裝。在此實施形態中，第一銀合金柱200與第二銀合金柱600的組成可各自獨立為前述銀添加0.01~10%重量比的鈀，或此銀鈀合金組成再添加0.01至10%的金或鉑；基板616例如為一陶瓷基板(例如為已完成穿孔(Through Via)的陶瓷中介層(Interposer))、印刷電路板或不同於第一晶片202之另一矽晶片；晶片上銲墊204與基板上銲墊618可各自獨立選用例如為銅銲墊、鋁銲墊、金銲墊、銀銲墊、鎳銲墊、或其他常用的銲墊材料。黏膠714例如為等方性導電膠(Isotropic Conductive Adhesive)或異方性導電膠(Anisotropic Conductive Adhesive)。在其他實施例中，亦可使用非導電膠(Nonconductive Adhesive)填充於第一銀合金柱200與第二銀合金柱600之間，利用非導電膠在冷卻過程體積收縮使第一銀合金柱200、晶片上銲墊204、第二銀合金柱600、基板上銲墊618緊密接觸達到電流導通效果。
請參考第7圖，在另一實施形態中，將位於第一晶 片202的晶片上銲墊204上的第一銀合金柱200翻轉放置在基板616的基板上銲墊618上的第二銀合金柱600上，再將第一銀合金柱200與第二銀合金柱600以銲錫715接合，以完成第五種覆晶組裝。此時，銲錫715為厚度10μm以上之銲錫填料，此銲錫填料一部份與第一銀合金柱200及第二銀合金柱600反應，剩餘銲錫填料留存在第一銀合金柱200與第二銀合金柱600的界面，即為第3圖所示之銲錫715。前述銲錫填料接合的一例示條件是在大氣或氮氣環境下，不加壓力、溫度高於銲錫填料熔點10℃，持續進行1-3分鐘。在此實施形態中，第一銀合金柱200與第二銀合金柱600的組成可各自獨立為如前述之銀添加0.01~10%重量比的鈀，或此銀鈀合金組成再添加0.01至10%的金或鉑；基板616例如為陶瓷基板(例如為已完成穿孔(Through Via)的陶瓷中介層(Interposer))、印刷電路板或不同於第一晶片202的另一矽晶片；晶片上銲墊204與基板上銲墊618可各自獨立選用例如為銅銲墊、鋁銲墊、金銲墊、銀銲墊、鎳銲墊、或其他常用的銲墊材料。銲錫715例如為錫-37鉛、錫-9鋅、錫-0.7銅、錫-3.5銀、錫-51銦、錫-58鉍、錫-3銀-0.5銅、錫-9鋅-3鉍等各種合金組成。
在另一實施例中，銲錫715可為厚度10μm以下之銲錫薄膜取代，此銲錫薄膜的組成可選用與前述銲錫715所列相同的合金組成，使其在加熱過程與第一銀合金柱200及第二銀合金柱600反應，所產生的結構類似第8圖所示者，惟不同之處在於本實施例在第一銀合金柱200與第二銀合金柱600的界面680原先前述厚度10μm以下之銲錫薄膜將完全消耗，原因是銲 錫薄膜與第一銀合金柱200及第二銀合金柱600界面完全反應，而在第一銀合金柱200與第二銀合金柱600的界面680形成含錫成分的介金屬化合物，例如Ag3Sn等組成的介金屬化合物，這些介金屬化合物較銲錫具有更高的熔點，其優點是組裝溫度維持在一般軟銲低溫，但組裝完成的接點可以承受高於軟銲之溫度。前述銲錫薄膜接合的一例示條件是在10-3-10-6Torr真空環境下，以壓力0.1-1Kg/mm2、溫度高於銲錫薄膜材料熔點10℃，持續進行5-30分鐘的加熱、加壓。
請參考第8圖，將位於第一晶片202的晶片上銲墊204上的第一銀合金柱200翻轉放置在基板616的晶片上銲墊618上的第二銀合金柱600上，再將第一銀合金柱200與第二銀合金柱600以一熱壓方式直接對晶片202、第一銀合金柱200、第二銀合金柱600與基板616進行熱壓接合，以完成第六種覆晶組裝。上述熱壓接合的條件例如是在大氣環境下，以壓力0.5-3Kg/mm2、溫度300-600℃，持續進行3-60秒的加熱、加壓。在此實施例中，在此實施形態中，第一銀合金柱200與第二銀合金柱600的組成可各自獨立為如前述銀添加0.01~10%重量比的鈀，或此銀鈀合金組成再添加0.01至10%的金或鉑；基板616例如為陶瓷基板(例如為已完成穿孔(Through Via)的陶瓷中介層(Interposer))、印刷電路板或不同於晶片202的另一矽晶片；晶片上銲墊204與基板上銲墊618可各自獨立選用例如為銅銲墊、鋁銲墊、金銲墊、銀銲墊、鎳銲墊、或其他常用的銲墊材料。
綜上所述，在本發明的實施例中提供一種創新的 銀合金柱覆晶組裝方法。其中，銀合金柱與銲墊接合可形成足夠的介金屬層，確保其接合性，不會發生銅銲球凸塊的虛銲問題。然而，其介金屬化合物的成長極為緩慢，故不會導致電鍍金凸塊或金銲球凸塊之接合界面脆化問題，因此有極高的可靠度。此外，銀合金柱材質較軟，在熱壓接合時，可經由塑性變形使界面緊密接觸而達到完美接合，不會發生銅柱組裝的共平面度問題。
以下，基於更詳細的實施例及比較例來說明本發明，但本發明未受限於這些實施例及比較例。
【比較例1】
在一矽晶片上方之鋁銲墊電鍍金凸塊，再以96.5wt%錫-3wt%銀-0.5wt%銅的銲錫與球格陣列構裝(BGA)之雙馬來醯亞胺三嗪樹脂(bismaleimide triazine resin；BT樹脂)基板接合，再於基板植上銲錫球，完成覆晶/BGA高密度封裝產品的組裝。
【比較例2】
在一矽晶片上方之鋁銲墊電鍍銅柱，再以96.5wt%錫-3wt%銀-0.5wt%銅的銲錫與球格陣列構裝(BGA)之雙馬來醯亞胺三嗪樹脂(bismaleimide triazine resin；BT樹脂)基板接合，再於基板植上銲錫球，完成覆晶/BGA高密度封裝產品的組裝。
【實施例1】銲錫界面介金屬化合物與接點強度
在一矽晶片上方之鋁銲墊電鍍Ag-8Au-3Pd銀合金柱，再以96.5wt%錫-3wt%銀-0.5wt%銅的銲錫與球格陣列構裝 (BGA)之雙馬來醯亞胺三嗪樹脂(bismaleimide triazine resin；BT樹脂)基板接合，再於基板植上銲錫球，完成覆晶/BGA高密度封裝產品的組裝。
【比較】
將實施例1的電鍍Ag-8Au-3Pd銀合金柱、比較例1的電鍍金凸塊及比較例2的電鍍銅柱所製作之覆晶組裝進行150℃長時間高溫貯存試驗(High Temperature Storage；HTS)。
如第9圖顯示：比較例1電鍍金凸塊與銲錫迴銲後，金溶入銲錫基地，形成大量AuSn4介金屬，同時在電鍍金凸塊與銲錫界面另外形成16μm厚的AuSn2介金屬；經150℃高溫貯存1000小時後，AuSn2界面介金屬層快速成長至38μm，接點強度降低大約32%。
比較例2電鍍銅柱與銲錫界面在迴銲後形成大約5μm厚的Cu6Sn5介金屬，經150℃高溫貯存1000小時，Cu6Sn5介金屬成長至10μm，同時伴隨著多數孔洞及微小裂縫，界面強度降低大約21%。
實施例1顯示：電鍍Ag-8Au-3Pd銀合金柱在迴銲後形成大約9μm厚的Ag3Sn介金屬，經150℃高溫貯存100小時，Ag3Sn介金屬成長至15μm，150℃持續高溫貯存1000小時，Ag3Sn介金屬僅微幅成長至18μm，接點強度幾乎不變。
此外，將上述組裝產品進行冷熱循環試驗500次，比較例1的電鍍金凸塊的介金屬層厚度劇增到3.5μm，比較例2的電鍍銅柱組裝產品經過3000次冷熱循環試驗的介金屬層厚度則僅成長至0.3μm，而實施例1的電鍍Ag-8Au-3Pd銀合金柱 組裝產品經過3000次冷熱循環試驗的介金屬層厚度成長至1.2μm。
另外，將上述組裝產品進行壓力釜試驗168小時後，比較例1的電鍍金凸塊組裝產品的介金屬層厚度成長至3.2μm；比較例2的電鍍銅柱組裝產品的介金屬層厚度僅成長至0.4μm；而實施例1的電鍍Ag-8Au-3Pd銀合金柱組裝產品的介金屬層厚度則成長至1.4μm。
綜合上述各種可靠度試驗可知比較例1的電鍍金凸塊組裝產品的介金屬化合物成長太快，會造成接合界面脆裂。相反的，比較例2的電鍍銅柱組裝產品的介金屬層成長太慢，其界面有接合不完全的疑慮。亦即，介金屬層厚度過多或不足均會影響組裝產品的可靠度。然而，實施例1的電鍍Ag-8Au-3Pd銀合金柱組裝產品的介金屬層厚度均介於電鍍金凸塊與電鍍銅柱之間，既不會發生電鍍金凸塊的接合界面脆裂，也不會有電鍍銅柱接合不完全的疑慮，故在可靠度試驗優於比較例1的電鍍金凸塊與比較例2的電鍍銅柱的組裝產品。
【實施例2】2.5D-IC封裝
在積體電路晶片的鋁墊上分別製作Ag-3Pd銀合金柱與比較例1的直徑40μm銅柱，再利用熱壓頭使銅柱與一氮化鋁陶瓷基板上的銅銲墊接合，部分銅柱接合界面出現大量孔隙，此孔隙主要是由於銅柱共平面現象所造成。另外利用熱壓頭使Ag-3Pd銀合金柱柱與一氮化鋁陶瓷基板上的銀合金柱接合，銀合金柱接點呈現完美的接合界面，顯示本發明銀合金柱因為材質較軟，可以避免2.5D-IC封裝時的共平面問題。
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，任何本發明所屬技術領域中具有通常知識者，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。
200‧‧‧第一銀合金柱
202‧‧‧第一晶片
204‧‧‧晶片上銲墊
614‧‧‧黏膠
616‧‧‧基板
618‧‧‧基板上銲墊

Claims (28)

  1. 一種封裝結構的形成方法，包含：在一第一晶片的一晶片上銲墊上，設置一銀合金柱，其中以電鍍的方法，將該銀合金柱設置在該晶片上銲墊上；以及以覆晶接合，將該第一晶片經由該銀合金柱電性接合於一基板的一基板上銲墊；其中該銀合金柱的組成為0.01~10重量%的鈀與餘量的銀。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之封裝結構的形成方法，其中該銀合金柱為直徑介於10至100毫米、高度介於10至100毫米的圓柱體或長度與寬度介於10至100毫米、高度介於10至100毫米的立方體。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之封裝結構的形成方法，其中該覆晶接合更包含：將該第一晶片翻覆而將該晶片上銲墊上的該銀合金柱放置在該基板的該基板上銲墊上；以及將該銀合金柱與該基板上銲墊以一黏膠接合。
  4. 如申請專利範圍第3項所述之封裝結構的形成方法，其中該黏膠是等方性導電膠或異方性導電膠。
  5. 如申請專利範圍第3項所述之封裝結構的形成方法，其中該黏膠是一非導電膠，且該覆晶接合更包含：以該黏膠接合後，經由冷卻使該非導電膠在冷卻過程體積收縮，使該銀合金柱與該基板上銲墊緊密接觸而電性接合。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之封裝結構的形成方法，其 中該覆晶接合更包含：將該第一晶片翻覆而將該晶片上銲墊上的該銀合金柱放置在該基板的該基板上銲墊上；以及將該銀合金柱與該基板上銲墊以一銲錫接合。
  7. 如申請專利範圍第6項所述之封裝結構的形成方法，其中該銲錫為厚度10μm以上之填料，在接合該銀合金柱與該基板上銲墊時，該銲錫填料一部份與該基板上銲墊反應，剩餘銲錫填料留存在該銀合金柱與該基板上銲墊的界面。
  8. 如申請專利範圍第7項所述之封裝結構的形成方法，其中該銲錫填料接合的條件是在大氣或氮氣環境下，不加壓力、溫度高於銲錫填料熔點10℃，持續進行1-3分鐘。
  9. 如申請專利範圍第6項所述之封裝結構的形成方法，其中該銲錫為厚度10μm以下之薄膜，在接合該銀合金柱與該基板上銲墊時，該銲錫完全消耗並與該基板上銲墊反應，在該銀合金柱與該基板上銲墊的界面形成含錫的介金屬化合物。
  10. 如申請專利範圍第9項所述之封裝結構的形成方法，其中該銲錫薄膜接合的條件是在10-3-10-6Torr真空環境下，以壓力0.1-1Kg/mm2、溫度高於銲錫薄膜材料熔點10℃，持續進行5-30分鐘的加熱、加壓。
  11. 如申請專利範圍第1項所述之封裝結構的形成方法，其中該覆晶接合更包含：將該第一晶片翻覆而將該晶片上銲墊上的該銀合金柱放置在該基板的該基板上銲墊上；以及 以一熱壓方式直接對該第一晶片、該銀合金柱與該基板的該基板上銲墊進行熱壓接合。
  12. 如申請專利範圍第11項所述之封裝結構的形成方法，其中該熱壓接合的條件是在大氣環境下，以壓力0.5-3Kg/mm2、溫度300-600℃，持續進行3-60秒的加熱、加壓。
  13. 如申請專利範圍第1項所述之封裝結構的形成方法，其中該基板包含一陶瓷基板、一印刷電路板或不同於該第一晶片的一第二晶片。
  14. 如申請專利範圍第1項所述之封裝結構的形成方法，其中該晶片上銲墊與該基板上銲墊各自獨立選自銅銲墊、鋁銲墊、金銲墊、銀銲墊及鎳銲墊組成之族群。
  15. 一種封裝結構的形成方法，包含：在一第一晶片的一晶片上銲墊上，設置一第一銀合金柱；在一基板的一基板上銲墊上，設置一第二銀合金柱，其中該第一銀合金柱、該第二銀合金柱是各自獨立以電鍍的方法，分別設置在該晶片上銲墊上、該基板上銲墊上；以及以覆晶接合，將該第一晶片經由該第一銀合金柱電性接合於該基板的該第二銀合金柱；其中該第一銀合金柱、該第二銀合金柱的組成各自為0.01~10重量%的鈀與餘量的銀。
  16. 如申請專利範圍第15項所述之封裝結構的形成方法，其中該第一銀合金柱、該第二銀合金柱各自獨立為直徑介於10至100毫米、高度介於10至100毫米的圓柱體或長度與寬度介於10至100毫米、高度介於10至100毫米的立方體。
  17. 如申請專利範圍第15項所述之封裝結構的形成方法， 其中該覆晶接合更包含：將該第一晶片翻覆而將該晶片上銲墊上的該第一銀合金柱放置在該基板的該基板上銲墊上的該第二銀合金柱上；以及將該第一銀合金柱與該第二銀合金柱以一黏膠接合。
  18. 如申請專利範圍第17項所述之封裝結構的形成方法，其中該黏膠是等方性導電膠或異方性導電膠。
  19. 如申請專利範圍第17項所述之封裝結構的形成方法，其中該黏膠是一非導電膠，且該覆晶接合更包含：以該黏膠接合後，經由冷卻使該非導電膠在冷卻過程體積收縮，使該第一銀合金柱與該第二銀合金柱緊密接觸而電性接合。
  20. 如申請專利範圍第15項所述之封裝結構的形成方法，其中該覆晶接合更包含：將該第一晶片翻覆而將該晶片上銲墊上的該第一銀合金柱放置在該基板的該基板上銲墊上的該第二銀合金柱上；以及將該第一銀合金柱與該第二銀合金柱以一銲錫接合。
  21. 如申請專利範圍第20項所述之封裝結構的形成方法，其中該銲錫為厚度10μm以上之填料，在接合該第一銀合金柱與該第二銀合金柱時，該銲錫填料一部份與該第一銀合金柱、該第二銀合金柱反應，剩餘銲錫填料留存在該第一銀合金柱與該第二銀合金柱的界面。
  22. 如申請專利範圍第21項所述之封裝結構的形成方法， 其中該銲錫填料接合的條件是在大氣或氮氣環境下，不加壓力、溫度高於銲錫填料熔點10℃，持續進行1-3分鐘。
  23. 如申請專利範圍第20項所述之封裝結構的形成方法，其中該銲錫為厚度10μm以下之薄膜，在接合該銀合金柱與該基板上銲墊時，該銲錫完全消耗並與該第一銀合金柱、該第二銀合金柱反應，在該第一銀合金柱與該第二銀合金柱的界面形成含錫的介金屬化合物。
  24. 如申請專利範圍第23項所述之封裝結構的形成方法，其中該銲錫薄膜接合的條件是在10-3-10-6Torr真空環境下，以壓力0.1-1Kg/mm2、溫度高於銲錫薄膜材料熔點10℃，持續進行5-30分鐘的加熱、加壓。
  25. 如申請專利範圍第15項所述之封裝結構的形成方法，其中該覆晶接合更包含：將該第一晶片翻覆而將該晶片上銲墊上的該第一銀合金柱放置在該基板的該基板上銲墊上的該第二銀合金柱上；以及以一熱壓方式直接對該第一銀合金柱與該第二銀合金柱進行熱壓接合。
  26. 如申請專利範圍第25項所述之封裝結構的形成方法，其中該熱壓接合的條件是在大氣環境下，以壓力0.5-3Kg/mm2、溫度300-600℃，持續進行3-60秒的加熱、加壓。
  27. 如申請專利範圍第15項所述之封裝結構的形成方法，其中該基板包含一陶瓷基板、一印刷電路板或不同於該第一晶片的一第二晶片。
  28. 如申請專利範圍第15項所述之封裝結構的形成方法，其中該晶片上銲墊與該基板上銲墊各自選自銅銲墊、鋁銲墊、金銲墊、銀銲墊及鎳銲墊組成之族群。
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