半導體裝置及其組裝方法
2023-06-22 00:29:06
專利名稱：半導體裝置及其組裝方法
技術領域：
本發明涉及一種半導體裝置及其組裝方法，且特別是涉及一種採用覆晶接合技術的半導體裝置及其組裝方法。
背景技術：
覆晶接合製作工藝中，影響產品可靠度的有兩種現有的破壞方式。一種是機械性的破壞，例如溫度循環可靠度測試時因材料間熱膨脹係數的差異過大產生的殘留應力造成接點破壞。另一種是因為高電流時的電遷移效應使焊錫接點出現孔洞，進而影響接點品質以及結構強度。另一方面，在焊錫接點的組裝或者高溫回焊的過程中，焊錫接點的界面上可能因為高溫而產生金屬間化合物(intermetallic compound, IMC)，通常這種金屬間化合物的材料硬度比原來的焊錫接點硬，剛性較高而缺乏彈性，較容易在溫度循環的可靠度測試中被破壞。但是，金屬間化合物具有可減緩電遷移效應的特性，提高金屬間化合物含量反而可以增加焊錫接點抵抗電遷移效應的能力。
發明內容
本發明的目的在於提供一種半導體裝置，可避免熱應力以及電遷移效應造成的破壞。本發明另一目的在於提供一種半導體裝置的組裝方法，所組裝成的半導體裝置可避免熱應力以及電遷移效應造成的破壞。為達上述目的，本發明的半導體裝置包括一第一晶片、一承載裝置、多個第一導電塊以及多個第二導電塊。第一晶片具有多個第一接墊。承載裝置具有多個第二接墊，使第二接墊對應於第一接墊。多個第一導電塊分別配置於第一接墊其中之一與第二接墊其中之一之間。多個第二導電塊分別配置於第一接墊其中之一與第二接墊其中之一之間。第二導電塊的金屬間化合物的成分比例大於第一導電塊的金屬間化合物的成分比例。在本發明的半導體裝置的一實施例中，第二導電塊的金屬間化合物的成分比例實質上為100%。在本發明的半導體裝置的一實施例中，承載裝置為一線路基板或另一晶片。在本發明的半導體裝置的一實施例中，半導體裝置還包括一底膠材料，填充於第一晶片與承載裝置之間，並包圍第一導電塊與第二導電塊。在本發明的半導體裝置的一實施例中，第一晶片還具有至少一加熱迴路，電性絕緣於第一接墊，且鄰近於第二導電塊。加熱迴路可製作為特殊形狀，增加長度提高熱阻，可有效增加局部溫度，例如呈城垛狀。在本發明的半導體裝置的一實施例中，承載裝置還具有至少一加熱迴路，電性絕緣於第二接墊，且鄰近於第二導電塊。加熱迴路可製作為特殊形狀，增加長度提高熱阻，可有效增加局部溫度，例如呈城垛狀。
在本發明的半導體裝置的一實施例中，半導體裝置還包括一第二晶片、多個第三導電塊以及多個第四導電塊。第二晶片具有多個第三接墊。第一晶片位於第二晶片與承載裝置之間，且第一晶片還具有多個第四接墊。多個第三導電塊分別配置於第三接墊其中之一與第四接墊其中之一之間。多個第四導電塊分別配置於第三接墊其中之一與第四接墊其中之一之間。第三導電塊的金屬間化合物的成分比例大於第四導電塊的金屬間化合物的成分比例。本發明的半導體裝置的組裝方法包括下列步驟。將一晶片的多個第一接墊經由多個第一導電塊電連接一承載裝置的多個第二接墊。加熱部分的第一導電塊而形成多個第二導電塊，以使第二導電塊的金屬間化合物的成分比例大於第一導電塊的金屬間化合物的成分比例。在本發明的半導體裝置的組裝方法的一實施例中，在形成第二導電塊之後，還包括填充一底膠材料於晶片與承載裝置之間。底膠材料並包圍第一導電塊與第二導電塊。在本發明的半導體裝置的組裝方法的一實施例中，在將第一接墊電連接第二接墊之後與形成第二導電塊之前，還包括填充一底膠材料於晶片與承載裝置之間。底膠材料並包圍第一導電塊與第二導電塊。在本發明的半導體裝置的組裝方法的一實施例中，形成第二導電塊的步驟包括通電於晶片的至少一加熱迴路。加熱迴路電性絕緣於第一接墊，且鄰近於第二導電塊。在本發明的半導體裝置的組裝方法的一實施例中，形成第二導電塊的步驟包括通電於承載裝置的至少一加熱迴路。加熱迴路電性絕緣於第一接墊，且鄰近於第二導電塊。基於上述，在本發明的半導體裝置及其組裝方法中，導電塊的金屬間化合物的成分比例不同而可分別抵抗熱應力以及電遷移效應可能造成的破壞。為讓本發明的上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附附圖作詳細說明如下。
圖1是本發明一實施例的半導體裝置的透視圖； 圖2是另一種加熱迴路；
圖3A至圖3C分別列示三種加熱迴路的分布方式；
圖4A至圖4F分別列示六種第一導電塊與第二導電塊的排列方式；
圖5是本發明另一實施例的半導體裝置的透視圖6是本發明再一實施例的半導體裝置的局部剖視圖7為本發明一實施例的半導體裝置的組裝方法的流程圖8A至圖8C為圖7的組裝方法所組裝的半導體裝置在組裝時的剖視圖9為本發明一實施例的半導體裝置的組裝方法的流程圖。
主要元件符號說明
100,500,600 半導體裝置
110、510、610、810 晶片
112、512、812 第一接墊
114:第四接墊
120、520、820 承載裝置122,822 第二接墊124、200、310、320、330、514、432、434、436、438、442、444 加熱迴路130、410、830 第一導電塊140、420、840 第二導電塊150、850 底膠材料612 第三接墊620:第三導電塊630:第四導電塊SllO S140:步驟
具體實施例方式圖1是本發明一實施例的半導體裝置的透視圖。請參照圖1，本實施例的半導體裝置100包括一晶片110、一承載裝置120、多個第一導電塊130以及多個第二導電塊140。 晶片110具有多個第一接墊112。承載裝置120具有多個第二接墊122。每個第一導電塊 130配置於一個第一接墊112與一個第二接墊122之間。每個第二導電塊140配置於一個第一接墊112與一個第二接墊122之間。第二導電塊140的金屬間化合物的成分比例大於第一導電塊130的金屬間化合物的成分比例。本實施例中，第一導電塊130與第二導電塊 140的金屬間化合物的成分比例的差異，是在半導體裝置100製作完成時就已經形成，或者在半導體裝置售出後再形成。舉例而言，第一導電塊130的材質為錫銀，與第一導電塊130接觸的材質為銅，則第二導電塊140中的金屬間化合物可能是錫銅化合物(如Cu3Sn或者Cu6Sn5)。或者，第一導電塊130為錫銀銅，與第一導電塊130接觸的材質為鎳，則第二導電塊140中的金屬間化合物可能是錫鎳銅化合物(如(Cu，ND3Sn4或(Cu，Ni)6Sn5)。根據第一導電塊130的材質以及與第一導電塊130接觸的材質的不同，可能同時出現很多種不同的金屬間化合物，這邊只是舉例。本說明書中所謂的金屬間化合物的成分比例的百分比是以所有金屬間化合物體積總和相對於非金屬間化合物體積而言。在本實施例的半導體裝置100中，晶片110與承載裝置120的熱膨脹係數可能不同，在半導體裝置100因工作而升溫以及因停止工作而降溫的溫度變化過程中，位於晶片 110與承載裝置120之間的第一導電塊130因金屬間化合物的成分比例較小，剛性及硬度較低可承受較大的熱應力而不會被破壞。另一方面，金屬間化合物的成分比例較大的第二導電塊140對於電遷移效應所造成的破壞具有較佳的抵抗能力。因此，將第二導電塊140做為傳遞大電流的途徑時，可提升半導體裝置100的可靠度。本實施例的第二導電塊140的金屬間化合物的成分比例甚至有機會達到實質上為100%。因此，第二導電塊140即使做為主要的電流輸入途徑，仍可大幅降低因為電遷移效應而造成破壞的可能性。另外，本實施例以兩種不同金屬間化合物的成分比例的導電塊為例，但在其他實施例中也可同時採用更多種不同金屬間化合物的成分比例的導電塊。本實施例的承載裝置120是以線路基板為例。然而，在其他實施例中，承載裝置120也可以為另一個晶片。換言之，製作金屬間化合物的成分比例不同的導電塊的技術可應用在晶片與線路基板之間，也可以應用在兩個晶片之間，或者是其他以導電塊做為電性傳導途徑的裝置中。亦即是，本實施例的半導體裝置100可以是由多個晶片堆疊而成，只要半導體裝置100中包括兩種金屬間化合物的成分比例不同的導電塊，即屬本發明所欲保護的範疇。本實施例的半導體裝置100可還包括一底膠材料150，填充於晶片110與承載裝置 120之間，並包圍第一導電塊130與第二導電塊140。底膠材料150用以第一導電塊130與第二導電塊140裸露出的部分，並同時減緩晶片110與承載裝置120之間因溫度變化而所產生的熱應力，還可預防外界的溼氣進入半導體裝置100的內部。本實施例的承載裝置120可還具有至少一加熱迴路124。加熱迴路IM與第二接墊122電性絕緣，亦即加熱迴路124並不連接第二接墊122。而且，加熱迴路IM鄰近於第二導電塊140。在輸入電流至加熱迴路IM後，加熱迴路IM會因為本身的電阻而逐漸升溫，並使得鄰近的第二導電塊140的溫度被提高。另一方面，較為遠離加熱迴路124的第一導電塊130的溫度則提升有限。由於金屬間化合物的含量會隨著溫度升高而增加，因此利用加熱迴路124的作用即可產生金屬間化合物的成分比例不同的第一導電塊130與第二導電塊140。當半導體裝置100完成後，加熱迴路IM斷電流，加熱迴路IM不需取出，使加熱迴路IM還可在半導體裝置100工作時做為提升散熱效率之用。此外，改變加熱迴路的形狀也可增加加熱迴路長度以及電阻值進而提高第二導電塊受加熱時的溫度，可有效增加第二導電塊的金屬間化合物的成分比例。例如，圖2的加熱迴路200就以城垛狀設計增加迴路長度而具有較高的電阻值。另外，加熱迴路的分布位置是根據要產生金屬間化合物的成分比例較高的第二導電塊的位置而決定。例如，圖3A至圖3C就分別列示了三種加熱迴路310、320與330的分布方式。其中，圖3C的加熱迴路330的數量為兩個，而加熱迴路330的數量也可依需求進一步增加。故本發明的各實施例的加熱迴路可依不同幾何形狀設計來達到欲加熱第一導電塊使形成第二導電塊的目的。在第一導電塊與第二導電塊的相對位置方面，同樣可依需求作適當調整。主要考量在於，應在使用時通過電流量較大而易發生電遷移效應的位置配置金屬間化合物的成分比例高的第二導電塊，並在承受較大熱應力的位置配置金屬間化合物的成分比例低的第一導電塊。圖4A至圖4F即分別列示六種第一導電塊410與第二導電塊420的排列方式。圖4A顯示第一導電塊410分布於晶片一側，第二導電塊420分布於其它大部分區域。而第二導電塊420欲達到此種分布效果，加熱迴路432可預先於第二導電塊420的區域中布置。圖4B顯示第一導電塊410分布於晶片上近似T字形，第二導電塊420分布於其它區域。而加熱迴路434可預先於第二導電塊420的區域中布置。圖4C顯示第一導電塊 410分布於第二導電塊420外緣。而加熱迴路436可預先於第二導電塊420的區域從中布置，且電流輸出入可由垂直晶片表面方向設計。圖4D顯示第一導電塊410分布於晶片對角線部分，第二導電塊420分布於其它區域並對稱。而加熱迴路438可預先於第二導電塊420 的區域中布置。圖4E顯示第二導電塊420分布於晶片上呈十字形，第一導電塊410分布於其它區域。而加熱迴路442可預先於第二導電塊420的區域中布置。圖4F顯示第二導電塊420分布於晶片上呈L形，第一導電塊410分布於其它區域。而加熱迴路444可預先於第二導電塊420的區域中布置。圖5是本發明另一實施例的半導體裝置的透視圖。請參照圖5，本實施例的半導體裝置500與圖1的半導體裝置100相似，差異在於承載裝置520沒有加熱迴路，而晶片510 具有至少一加熱迴路514。加熱迴路514與第一接墊512電性絕緣，且加熱迴路514鄰近於第二導電塊140。亦即是，加熱迴路514的使用方式、產生的作用及可能的變化都與圖1的加熱迴路1 相同。圖6是本發明再一實施例的半導體裝置的局部剖視圖。請參照圖6，本實施例的半導體裝置600與圖1的半導體裝置100相似，差異在於在本實施例的半導體裝置600還包括一晶片610、多個第三導電塊620以及多個第四導電塊630。晶片610具有多個第三接墊 612。晶片110位於晶片610與承載裝置120之間，且晶片110還具有多個第四接墊114。 每個第三導電塊620配置於一個第三接墊612與一個第四接墊114之間。每個第四導電塊 630配置於一個第三接墊612與一個第四接墊114之間。第三導電塊620的金屬間化合物的成分比例大於第四導電塊630的金屬間化合物的成分比例。亦即是，製作金屬間化合物的成分比例不同的導電塊的技術也可應用在晶片堆疊式的半導體裝置600，以提升晶片堆疊式的半導體裝置600的可靠度。圖7為本發明一實施例的半導體裝置的組裝方法的流程圖，而圖8A至圖8C為圖 7的組裝方法所組裝的半導體裝置在組裝時的剖視圖。請參照圖7與圖8A，本實施例的半導體裝置的組裝方法是先將晶片810的第一接墊812經由第一導電塊830電連接承載裝置 820的第二接墊822，步驟Sl 10。此時，所有第一接墊812與第二接墊822之間的導電塊都是第一導電塊830，且所有的第一導電塊830的成分在不考慮製作工藝差異時基本上都相同。第一導電塊830可能由第一接墊812上的凸塊(未繪示)、第二接墊822上的凸塊(未繪示)與兩個凸塊之間的焊料構成。兩個凸塊的材質都可以是錫鉛合金、金或其他導體。另外，第一接墊812與凸塊之間可能還形成有凸塊底層金屬(underbump metallurgy, UBM)， 而第二接墊822與凸塊之間同樣可能形成有凸塊底層金屬。此外，第一導電塊830也可能只由第一接墊812上的凸塊(未繪示)與第二接墊822上的凸塊(未繪示)構成，兩者之間以雷射或其他方式進行接合。本技術領域中具有通常知識者當知，第一導電塊830的構成方式上有許多其他可能，在此並不一一說明。接著，請參照圖7與圖8B，加熱部分的第一導電塊830而形成第二導電塊840，以使第二導電塊840的金屬間化合物的成分比例大於第一導電塊830的金屬間化合物的成分比例，步驟S120。具體而言，被加熱的第一導電塊830中的金屬間化合物的成分比例會增加，而這種金屬間化合物的成分比例增加後的第一導電塊830在此被稱為第二導電塊840， 以區隔金屬間化合物的成分比例不同的兩種導電塊。加熱第一導電塊830而形成第二導電塊840的方式有很多種，其中一種就是利用如圖1的承載裝置120的加熱迴路IM或圖5 的晶片510的加熱迴路514的加熱迴路而加熱第一導電塊830。根據實驗，利用通電於加熱迴路而加熱第一導電塊的方式，甚至有機會形成金屬間化合物的成分比例實質上為100% 的第二導電塊。請參照圖7與圖8C，在形成第二導電塊840之後，還可選擇性地填充底膠材料850 於晶片810與承載裝置820之間，步驟S130。底膠材料850與圖1的底膠材料150相同。圖9為本發明一實施例的半導體裝置的組裝方法的流程圖。請參照圖9，本實施例的半導體裝置的組裝方法與圖7的實施例相似，差異在於填充底膠材料的步驟S140是在將第一接墊電連接第二接墊的步驟SllO之後與形成第二導電塊的步驟S120之前進行。綜上所述，在本發明的半導體裝置及其組裝方法中，具備了兩種不同金屬間化合物的成分比例的導電塊。其中，金屬間化合物的成分比例較小的導電塊對於熱應力具有較佳的抵抗能力，金屬間化合物的成分比例較大的導電塊則對於電遷移效應具有較佳的抵抗能力。因此，本發明的半導體裝置及其組裝方法具有較佳的可靠度。雖然結合以上實施例揭露了本發明，然而其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中熟悉此技術者，在不脫離本發明的精神和範圍內，可作些許的更動與潤飾，故本發明的保護範圍應以附的權利要求所界定的為準。
權利要求
1.一種半導體裝置，包括 第一晶片，具有多個第一接墊；承載裝置，具有多個第二接墊，使該些第二接墊對應於該些第一接墊；多個第一導電塊，分別配置於該些第一接墊其中之一與該些第二接墊其中之一之間；以及多個第二導電塊，分別配置於該些第一接墊其中之一與該些第二接墊其中之一之間， 其中該些第二導電塊的金屬間化合物的成分比例大於該些第一導電塊的金屬間化合物的成分比例。
2.如權利要求1所述的半導體裝置，其中該些第二導電塊的金屬間化合物的成分比例實質上為100%。
3.如權利要求1所述的半導體裝置，其中該承載裝置為一線路基板或另一晶片。
4.如權利要求1所述的半導體裝置，還包括一底膠材料，填充於該第一晶片與該承載裝置之間，並包圍該些第一導電塊與該些第二導電塊。
5.如權利要求1所述的半導體裝置，其中該第一晶片還具有至少一加熱迴路，電性絕緣於該些第一接墊，且鄰近於該些第二導電塊。
6.如權利要求5所述的半導體裝置，其中該加熱迴路呈城垛狀。
7.如權利要求1所述的半導體裝置，其中該承載裝置還具有至少一加熱迴路，電性絕緣於該些第二接墊，且鄰近於該些第二導電塊。
8.如權利要求7所述的半導體裝置，其中該加熱迴路呈城垛狀。
9.如權利要求1所述的半導體裝置，還包括第二晶片，具有多個第三接墊，其中該第一晶片位於該第二晶片與該承載裝置之間，該第一晶片還具有多個第四接墊；多個第三導電塊，分別配置於該些第三接墊其中之一與該些第四接墊其中之一之間；以及多個第四導電塊，分別配置於該些第三接墊其中之一與該些第四接墊其中之一之間， 其中該些第三導電塊的金屬間化合物的成分比例大於該些第四導電塊的金屬間化合物的成分比例。
10.一種半導體裝置的組裝方法，包括將一晶片的多個第一接墊經由多個第一導電塊電連接一承載裝置的多個第二接墊；以及加熱部分的該些第一導電塊而形成多個第二導電塊，以使該些第二導電塊的金屬間化合物的成分比例大於該些第一導電塊的金屬間化合物的成分比例。
11.如權利要求10所述的半導體裝置的組裝方法，其中在形成該些第二導電塊之後， 還包括填充一底膠材料於該晶片與該承載裝置之間，該底膠材料並包圍該些第一導電塊與該些第二導電塊。
12.如權利要求10所述的半導體裝置的組裝方法，其中在將該些第一接墊電連接該些第二接墊之後與形成該些第二導電塊之前，還包括填充一底膠材料於該晶片與該承載裝置之間，該底膠材料並包圍該些第一導電塊與該些第二導電塊。
13.如權利要求10所述的半導體裝置的組裝方法，其中形成該些第二導電塊的步驟包括通電於該晶片的至少一加熱迴路，該加熱迴路電性絕緣於該些第一接墊，且鄰近於該些第二導電塊。
14.如權利要求10所述的半導體裝置的組裝方法，其中形成該些第二導電塊的步驟包括通電於該承載裝置的至少一加熱迴路，該加熱迴路電性絕緣於該些第一接墊，且鄰近於該些第二導電塊。
全文摘要
本發明公開一種半導體裝置及其組裝方法。半導體裝置包括一晶片、一承載裝置、多個第一導電塊以及多個第二導電塊。晶片具有多個第一接墊。承載裝置具有多個第二接墊。第二接墊對應於第一接墊。多個第一導電塊分別配置於第一接墊其中之一與第二接墊其中之一之間。多個第二導電塊分別配置於第一接墊其中之一與第二接墊其中之一之間。第二導電塊的金屬間化合物的成分比例大於第一導電塊的金屬間化合物的成分比例。
文檔編號H01L23/31GK102569235SQ20101061964
公開日2012年7月11日 申請日期2010年12月31日 優先權日2010年12月28日
發明者林育民, 詹朝傑, 陸蘇財 申請人:財團法人工業技術研究院