[發明專利]半導體元件中的無鉛結構

有效

• 申請號: 201180051984.0
• 申請日: 2011-09-26
• 公開（公告）號: CN103262236A
• 公開（公告）日: 2013-08-21
• 發明（設計）人: 勞瑞尼·宜普;張蕾蕾;庫瑪·納加拉杰
• 申請（專利權）人: 吉林克斯公司
• 主分類號: H01L23/498
• 分類號: H01L23/498
• 代理公司: 北京銀龍知識產權代理有限公司 11243
• 代理人: 黃燦;程美瓊

技術領域

本發明一般有關于半導體元件，以及更特別有關于一種用于半導體元件之無鉛焊料組裝及其制造方法。

背景技術

對于更小更輕、且更精簡電子設備日益增加之需求導致對半導體封裝伴隨而來的要求，其必須具有較小輪廓與安裝面積或占用面積(footprint)。對此要求之一種反應為發展出一種球格柵陣列(BGA)半導體封裝，此為一種“表面安裝”且以多個焊球以電子方式連接至印刷電路板(PCB)。對此要求之另一種反應為發展出一種“覆晶”方法，將半導體芯片(chip)或晶片(die)裝附且連接至基板(例如：PCB或引線框)。此種覆晶安裝方法涉及在晶片之主動表面上形成凸塊接觸(例如：焊球)，然后將此晶片從上朝下反轉或“翻轉”，且將此凸塊接觸回流(即，將此凸塊接觸加熱至熔點)而熔化至基板上相對應之墊上。

在BGA封裝以及覆晶安裝與連接方法中，熱機械可靠度成為電子工業越來越關切的問題。值得注意的是，焊料接合之可靠度為成功應用此種安裝與連接方法之最關鍵問題之一。

在覆晶封裝中，將集成電路晶片所具有焊料凸塊熔化至基板上相對應之墊。此種焊料接合由于熱應力循環，其在高應力點容易破裂。

有害物質管制(RoHS：Restriction?of?Hazardous?Substance)規定限制在電子設備組件中鉛之含量濃度。為了遵守RoHS之要求，錫鉛焊料被無鉛焊料例如錫銀焊料取代，其符合鉛含量濃度小于0.1％重量百分比之RoHS要求。然而，由于無鉛焊料通常較錫鉛焊料容易碎裂，因此，此種取代會不利地影響到焊料接合之熱機械可靠度。

本發明之一或更多個實施例可以解決上述一或更多個問題。

發明內容

在一實施例中，提供一種半導體元件。此半導體元件包括：一半導體晶片、與多個設置在此半導體晶片表面上之無鉛焊料凸塊。一基板可以包括：多個金屬層與多個介電層。此等多個金屬層之一者可以包括多個接觸墊，其對應于多個無鉛焊料凸塊；以及此等多個介電層之一者可以為外部介電層，其具有用于多個接觸墊之各多個開口。可以將各多個銅柱設置在多個接觸墊上。此用于各接觸墊之各銅柱可以從接觸墊經由用于此接觸墊之開口而延伸。此半導體晶片可以安裝在基板上，而具有在多個無鉛焊料凸塊與多個銅柱間之連接。

在此實施例中，多個無鉛焊料凸塊可以包含錫與銀，此多個接觸墊可以為銅，此外部介電層可以為環氧樹脂復合物、其粘附于多個接觸墊周圍之多個接觸墊。此用于各接觸墊之各銅柱可以具有：遠離該接觸墊之終端蓋，以及在接觸墊與終端蓋間之部份，且此終端蓋之寬度大于此部份之寬度，此部份之高度可以大于終端蓋之高度。此用于各接觸墊之各銅柱可以經由各開口延伸，而超過外部介電層之厚度，且超過用于接觸墊各開口之寬度。此用于各接觸墊之各銅柱可以經由各開口延伸，而超過外部介電層之厚度。此用于各接觸墊之各開口可以為圓柱形開口，其高度等于外部介電層之厚度，且具有在接觸墊周圍內之直徑。此用于接觸墊之各銅柱可以從接觸墊經由各開口延伸，且超過各開口之高度與直徑。

在此實施例中，各多個無鉛焊料凸塊可以回流焊接至對應于無鉛焊料凸塊之接觸墊上之各銅柱。此半導體元件可以更包括多個無鉛焊球，其各回流焊接至以格柵配置之各多個銅柱，此用于各接觸墊之各銅柱，可以經由基板之多個金屬層，而電性地耦接至接觸墊所對應之無鉛焊料凸塊。此半導體元件可以更包括在各多個銅柱上之錫與銅之覆蓋層(coating)，其中各此等多個無鉛焊料凸塊、與在各銅柱上之覆蓋層一起回流焊接至對應于無鉛焊料凸塊之接觸墊上之各銅柱。

在此實施例中，各此等多個銅柱可以具有經加工之粗糙表面，用于加強各多個無鉛焊料凸塊之回流焊接至對應于無鉛焊料凸塊之接觸墊上之各銅柱上。此半導體晶片表面可以具有各硅金屬墊，其設置在各多個無鉛焊料凸塊；各無鉛焊料凸塊可以回流焊接至各硅金屬墊之第一區域、與各銅柱之第二區域；以及此第一區域與第二區域可以相等，且各超過經由各銅柱內部部份之橫截面面積，此內部部份是在接觸墊與第二區域之間。此外部介電層可以較多個其他介電層更有撓性。

在另一實施例中，此用于制造半導體元件之方法包括形成一半導體晶片，其具有多個無鉛焊料凸塊用于連接至基板?？梢孕纬梢恢虚g基板且可以包括外部介電層與多個接觸墊。此等多個接觸墊可以經由在外部介電層中各此等多個開口而曝露，可以在多個接觸墊上形成各此等多個銅柱。此用于各接觸墊之各銅柱，可以從接觸墊經由用于接觸墊之各開口延伸。此半導體晶片之多個無鉛焊料凸塊、與此中間基板之多個接觸墊上之各多個銅柱對齊，且此等多個無鉛焊料凸塊可以回流焊接至各多個銅柱。