細間距陣列型連接器的製作方法

2024-03-23 12:05:05

專利名稱：細間距陣列型連接器的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種陣列式連接器，且特別是涉及一種細間距陣列式連接器。
背景技術：
一般陣列式連接器受模具與製作工藝等相關限制，最小端子間距只能達到0. 8mm, 更由於陣列式連接器的塑膠本體，在塑膠射出時易產生翹曲的現象，隨著陣列式連接器腳 位增加，將不易控制各腳位間的共面度。另隨著BGA晶片對外IO連接腳位增多且間距變小， 導致以傳統光學量測晶片錫球的共面度更加不易。除此之外，隨著連接器細間距化的發展，單根端子所能提供的正向力也會降低，造 成過大的接觸電阻，大大地影響信號的傳遞品質。在實際的應用上，若能改善陣列式連接器的本體結構，使得微小化的陣列式連接 器在較低的正向力作用下，也能保持低且穩定的接觸電阻，將可提升陣列式連接器電氣連 接特性。除此之外，若能利用陣列式連接器同時量測晶片錫球的共面度，更可大幅增加其產 業利用價值。

發明內容
本發明的目的在於提供一種具自我共面度與正向力檢測機制的細間距陣列型連 接器。該陣列型連接器利用納米碳管的良好的機械與導電特性，將可在低正向力作用下，提 供接觸面小而穩定的接觸電阻。為達上述目的，本發明提供一種具自我共面度的細間距陣列型連接器，由於連接 器本體由矽晶片所製造，因此可提供較強韌的本體結構剛性，不會造成本體翹曲的行為，影 響連接器使用時的可靠度。本發明提供一種細間距陣列型連接器陣列型，通過微機電製作工藝方式，製作具 納米碳管結構的低且穩定接觸電阻陣列型連接器。本發明提出一種連接器結構，至少包括半導體基底，其至少包括環狀體結構與位 於該環狀體結構中央的柱狀結構，以及至少一懸臂結構，與該環狀體結構中央的該柱狀結 構相連。依照本發明的一較佳實施例所述，上述的連接器結構包括環狀體結構與位於該環 狀體結構中央的柱狀結構、位於該環狀體結構上多個第一塊狀結構、位於該柱狀結構上的 第二塊狀結構、至少一懸臂結構、位於該些第一塊狀結構上多個焊料凸塊，以及位於該第二 塊狀結構上的納米碳管層。其中，該懸臂結構與該第二塊狀結構與至少一個該第一塊狀結 構相連，而該懸臂結構與該第一塊狀結構相連處更包括一壓電材料層或一壓阻材料層，通 過此一壓電材料層或壓阻材料層，可感測懸臂結構位移，進而量測晶片錫球的共面度。依照本發明的一較佳實施例所述，在上述的連接器結構中該環狀體結構與該柱狀 結構為疊層結構，包括位於半導體基底的上表面的氧化矽層。依照本發明的一較佳實施例所述，在上述的連接器結構中該第一、第二塊狀結構以及該懸臂結構為疊層結構，包括一多晶矽層、位於該多晶矽層上的一種子層與位於該種 子層上的一金屬層。依照本發明的一較佳實施例所述，在上述的連接器結構中的壓電材料層位於該多 晶矽層與該種子層之間。依照本發明的一較佳實施例所述，在上述的連接器結構中的壓阻材料層為一摻雜 區位於該多晶矽層之中。依照本發明的較佳實施例所述，上述的連接器結構中，該壓電材料層的材質包括
氧化鋅。依照本發明的較佳實施例所述，上述的連接器結構中，該壓阻材料層的材質包括 硼或鍺。依照本發明的較佳實施例所述，上述的連接器結構中，該金屬層的材質包括鋁、銅 或金。依照本發明的較佳實施例所述，上述的連接器結構中，該種子層的材質包括鈦、金 或鉻。依照本發明的較佳實施例所述，上述的連接器結構中，該焊料凸塊的材質包括錫、 錫銀合金或錫鉛合金。由於本發明所提出的連接器結構是設計利用壓電或壓阻感測機制來測量晶片錫 球共面度或所受正向力，可提升產品應用的範圍。本發明所提供的微連接器結構的接觸面更具備納米碳管層，可降低接觸電阻。本 發明所提供的微連接器結構特別適合設置於細間距(小於500微米)的微接點電氣連接的 結構中。 此外，本發明的連接器結構的製造方法可輕易整合至現行的微機電製作工藝中進 行，因此不會增加額外的成本。為讓本發明的上述和其他目的、特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉較佳實施例， 並配合所附附圖，作詳細說明如下。


圖IA 圖IH為本發明一實施例的陣列式連接器的製造流示意圖；圖2A為本發明一實施例的陣列式連接器的立體示意圖；圖2B為圖2A的部分放大立體示意圖；圖2C為圖2B沿著剖面線1-1』的剖面示意圖；圖3為本發明另一實施例的連接器的部分製造流程剖面圖；圖4為本發明另一實施例的連接器的剖面示意圖。主要元件符號說明20 連接器100、200、300、400 基底100a 上表面100b 下表面102、202、302、402 氧化矽層
104、204、304、404 多晶矽層106、206 壓電材料層306,406 摻雜區108a、108b、208a、408a 種子層110a、110b、210a、410a 金屬層112:種層120:焊料凸塊125:硬掩膜(硬罩幕)層130,230,430 納米碳管層200a 環狀體結構200b 柱狀結構240a、240b、440a、440b :±夬狀結構240c,440c 懸臂結構
具體實施例方式圖IA-圖1B&圖IF-圖IH所繪示為本發明一實施例的陣列式連接器的製造流程 剖面圖，而圖IC-圖IE所繪示為本發明一實施例的陣列式連接器的製造流程上視圖。請參照圖1A，首先提供一基底100，該基底100例如為一半導體矽晶片或晶片，首 先在該基底100的上表面IOOa上利用例如熱氧化方式成長一氧化矽層102。接著利用例如 低壓化學氣相沉積法(LPCVD)在該氧化矽層102上沉積一多晶矽層104。接著並在該多晶 矽層104上形成一圖案化的薄膜壓電材料層106。其中壓電材料層106的材質例如是氧化 鋅(ZnO)。參照圖1B，利用例如電子槍真空蒸鍍方式在該基底100的上表面IOOa與下表面 IOOb之上分別蒸鍍一種子層108a與108b。該種子層材料例如是鉻/金(Cr/Au)或鈦/金 (Ti/Au)。接著，在該種子層108a/108b上進行後續電鍍製作工藝，分別於基底100正、反面 電鍍形成一金屬層llOa/llOb。該金屬層llOa/llOb材料例如為鋁、銅或金。參照圖1C，利用光刻蝕刻步驟，圖案化基底100正面的金屬層IlOa (圖1B)，以形 成接觸墊IlOc與導線IlOd0參照圖1D，利用光刻蝕刻步驟定義出焊錫的圖形，接著進行電鍍製作工藝形成焊 料凸塊120。在形成焊料凸塊120之前，更可包括先形成另一種層112(圖1F)，再電鍍形成 焊料凸塊120。焊料凸塊120可提供間隔高度，作為間隙物之用。焊料凸塊的材質包括錫、 錫銀合金或錫鉛合金。但是，若後續所形成焊料凸塊並不需要種子層，也可省略此一步驟。參照圖1E，利用光刻蝕刻步驟，圖案化基底100正面的該多晶矽層104(圖1B)，圖 案化的多晶矽層10 (圖1F)的圖案與基底100正面的圖案化金屬層IlOa相同。此處所 示，是利用壓電材料層106與金屬層所構成的壓電感測機制，而在後續連接過程中，可達到 共面度檢測或正向力檢測的目的。圖IE中，圖案化多晶矽層10 的圖案至少包括四根懸臂(後續作為懸浮彈簧結 構)與位於中央與四根相連的接觸墊的多晶矽結構。此處懸臂的數目至少大於一個，而其 尺寸大小可視連接器的間距尺寸或後續相連接觸墊尺寸而調整；其接觸墊形狀並不局限於方形，也可為圓形或多角形。光刻蝕刻步驟中例如包括深反應式離子蝕刻步驟來蝕刻圖案 化多晶矽層。參照圖1F，利用光刻蝕刻步驟，圖案化基底100背面的種子層108與金屬層IlOb 而成一硬掩膜層125。參照圖1G，以硬掩膜層125作為蝕刻掩膜，從基底100的背面蝕刻基底100矽基材 與氧化矽層102，直至多晶矽層10 暴露出來。該蝕刻步驟例如包括深反應式離子蝕刻步 馬聚ο請參照圖1H，移除硬掩膜層125，然後利用圖形化光致抗蝕劑(未示)，將納米碳管 材料塗布於金屬層IlOa的接觸墊IlOc金屬表面上，並利用外加磁場將納米碳管材料準直 地結合在中央接觸墊IlOc表面上而成一納米碳管層130，作為探針頭。之後，再移除多餘的 光致抗蝕劑材料。圖IA-圖IH僅繪示出單一連接器，以便於解說各層形成相對位置，但可代表製造 陣列連接器的普遍性製作工藝。上述各層的形成步驟僅是舉例，但在此技術領域具有普通 知識者可輕易推知，該些形成順序與步驟均可視元件設計或製作工藝需要更改。本案並非 限定本案的製造方法僅限於此。圖2A所繪示為本發明一實施例的陣列式連接器的立體示意圖。圖2B所繪示為圖 2A的陣列單元放大立體示意圖。圖2C為圖2B沿著剖面線1-1』的剖面示意圖。圖2A-圖 2C中均省略焊料凸塊，以方便描述。參照圖2A，為多個陣列單元所組成的陣列狀排列的連接器20，圖2B中僅刻意放大 顯示單一個陣列單元。其中，矽基材的基底200包括環狀體結構200a並在中央具有一柱狀 結構200b。而基底200上具多個塊狀結構MOa分布於環狀體結構200a上、單一塊狀結構 240b位於中央柱狀結構200b上以及與單一塊狀結構MOb相連的四根懸臂結構MOc。單 一塊狀結構MOb上更具有一納米碳管層M0。參見圖2C，環狀體結構200a與中央柱狀結構200b為疊層結構，包括多晶矽層 204、氧化矽層202與基底200 (由上到下)。從上述圖IG可知，以硬掩膜層125作為蝕刻掩 膜，從基底100的背面蝕刻基底100矽基材與氧化矽層102，直至多晶矽層10 暴露出來， 可以得到如圖2B的環狀體結構200a與中央柱狀結構200b。參見圖2C，分布於環狀體結構200a上的塊狀結構240a、位於中央柱狀結構200b 上的單一塊狀結構MOb以及與四根懸臂結構MOc也為疊層結構，包括金屬層210a、種子層 208a與多晶矽層204。而懸臂結構MOc更在與塊狀結構MOa相連處兩旁更包括一壓電材 料層206。壓電材料層206的尺寸遠小於懸臂結構MOc的尺寸，其厚度與形狀也可依照設 計需要而調整。由於四根懸臂彈簧連結固定端處，各設計一組壓電材料，可利用壓電特性，感測懸 臂位移量，進可推估四根懸臂彈簧所提供正向力的大小。因此陣列式微型連接器將具有位 移與力量感測的功能。當然，除了利用壓電材料外，也可利用壓阻材料或利用上部元件接觸金屬與下部 元件接觸金屬間所形成的電容，以壓阻或電容特性，感測懸臂位移量或推估正向力的大小。位於單一塊狀結構MOb上的納米碳管層230在後續封裝步驟，因納米碳管具有良 好的機械特性與導電性，在微小接觸力作用下，即可刺穿其他晶片的接點(凸塊或BGA封裝錫球)接觸表面上的氧化膜，而有效降低接觸電阻的大小，增加信號傳遞時的穩定度，達到 良好電連接。上述各結構的各疊層的材料可參考前述製作工藝中所述材料，但該些材料仍可視 元件設計或製作工藝需要更改。根據本發明的另一實施例，與前述圖IA的製造流程不同的是在圖IA形成多晶矽 層104之後，省略形成壓電材料層的步驟。如圖3所示，在基底300上依序形成氧化矽層 302與多晶矽層304之後，直接以摻雜方式於特定區域形成摻雜區306，摻雜物質例如是硼 或鍺。此摻雜區306可視為一壓阻材料，可與後續形成的金屬層構成的壓阻感測機制，達到 共面度檢測或正向力檢測的目的。後續製作工藝參考前述圖IB-圖IH的製造流程，而最終 結構顯示於圖4。圖4所繪示為本發明另一實施例的連接器的剖面示意圖。圖4中省略焊料凸塊， 以方便描述。請參照圖4，矽基材的基底400包括環狀體結構400a並於中央具有一柱狀結構 400b。環狀體結構400a與中央柱狀結構400b為疊層結構，包括多晶矽層404、氧化矽層 402與基底400(由上到下)。參見圖4，位於環狀體結構400a上的塊狀結構440a、位於中 央柱狀結構400b上的單一塊狀結構440b以及與懸臂結構440c也為疊層結構，包括金屬層 410a、種子層408a與多晶矽層404。而懸臂結構440c更在與塊狀結構440a相連處兩旁的 多晶矽層404中具摻雜區406。單一塊狀結構440b上更具有一納米碳管層430。由於懸臂彈簧連結固定端處設計有壓阻材料(例如摻雜區或其他適用金屬)，而 利用此壓阻感測特性，陣列式微型連接器將具有位移與力量感測的功能。因此本發明實施例的陣列式微型連接器設計於懸臂彈簧連接固定端處具壓電材 料或壓阻材料，可分別利用壓電或壓阻感測機制，量測懸臂位移量與懸臂彈簧所提供正向 力的大小。而本發明的陣列式連接器可適用於高密度或超細間距接合結構，因其具有量測 共面度與正向力的機制，更可提升其功能與產業利用價值。此外，陣列式連接器在接觸金屬表面備置納米碳管結構，因納米碳管具有良好的 機械特性與導電性，在微小接觸力作用下，即可刺穿凸塊或BGA錫球接觸表面的氧化膜，而 有效降低接觸電阻的大小，增加信號傳遞時的穩定度。本發明所提出的製造流程與現有製作工藝相容，無須添加額外步驟或使用特殊材 料，故元件的成本並未增加。此外，可視產品設計需要，調整製作工藝步驟與/或搭配不同 形狀圖案設計，更有彈性地製造陣列式連接器。雖然已結合以上較佳實施例揭露了本發明，然而其並非用以限定本發明，任何熟 悉此技術者，在不脫離本發明的精神和範圍內，可作些許的更動與潤飾，因此本發明的保護 範圍應以附上的權利要求所界定的為準。
權利要求
1.一種連接器結構，適用於封裝結構中，該連接器結構至少包括 半導體基底，其至少包括環狀體結構與位於該環狀體結構中央的柱狀結構； 至少一懸臂結構，與該環狀體結構中央的該柱狀結構相連。
2.如權利要求1所述的連接器結構，其中還包括 多個第一塊狀結構位於該環狀體結構上； 多個焊料凸塊，位於該些第一塊狀結構上；第二塊狀結構位於該柱狀結構上；以及納米碳管層，位於該柱狀結構上的該第二塊狀結構，其中該懸臂結構與該環狀體結構 相連處還包括壓電材料層或壓阻材料層。
3.如權利要求1所述的連接器結構，其中該環狀體結構與該柱狀結構為疊層結構，還 包括氧化矽層位於該半導體基底的一上表面。
4.如權利要求2所述的連接器結構，其中該第一、第二塊狀結構以及該懸臂結構為疊 層結構，包括多晶矽層、位於該多晶矽層上的種子層與位於該種子層上的金屬層。
5.如權利要求4所述的連接器結構，其中該壓電材料層位於該多晶矽層與該種子層之間。
6.如權利要求5所述的連接器結構，其中該壓電材料層的材質包括氧化鋅。
7.如權利要求2所述的連接器結構，其中該壓阻材料層為摻雜區位於該多晶矽層之中。
8.如權利要求4所述的連接器結構，其中該金屬層的材質包括鋁、銅或金。
9.如權利要求4所述的連接器結構，其中該種子層的材質包括鈦、金或鉻。
10.如權利要求2所述的連接器結構，其中該焊料凸塊的材質包括錫、錫銀合金或錫鉛I=I 巫 ο
11.如權利要求1所述的連接器結構，至少包括兩個相對的懸臂結構。
12.如權利要求1所述的連接器結構，至少包括四個互相相對的懸臂結構。
全文摘要
本發明公開一種具有自我共面度與正向力檢測機制的細間距陣列型連接器，通過微機電製作工藝製作，並利用納米碳管的良好的機械與導電特性，可使連接器在低正向力作用下，提供較低且穩定的接觸電阻，增加電氣信號傳遞的品質。
文檔編號H01L21/60GK102130083SQ20101000469
公開日2011年7月20日 申請日期2010年1月20日 優先權日2010年1月20日
發明者林欣衛, 章本華 申請人:財團法人工業技術研究院