专利名称：焊垫及应用其的封装结构的制作方法
技术领域：
本发明有关于一种焊垫及应用其的封装结构，且特别是有关于一种与焊线焊接的 焊垫及应用其的封装结构。
背景技术：
随着半导体芯片的蓬勃发展，各式电子产品不断推陈出新。其中，提供多种电性处 理功能的芯片封装结构在电子产品中扮演着相当重要的角色。一种传统芯片封装结构包括一基板、一晶粒、一焊线及一封胶。基板具有一基板焊 垫，晶粒具有一晶粒焊垫，焊线的一端焊接于基板焊垫，焊线的另一端焊接于基板焊垫。使 得晶粒得以经由焊线电性连接于基板，进而传递各种电子信号。由于晶粒的电子信号均必须经由基板焊垫及晶粒焊垫来传递，因此基板焊垫及晶 粒焊垫的品质显的相当重要。通常一个芯片封装结构包括数十个(甚至数百个)基板焊垫 及晶粒焊垫，只要其中一个基板焊垫或晶粒焊垫品质不佳，将会严重影响芯片封装结构的 电性功能。因此，业界皆不断致力提升焊垫品质的研究。
发明内容
本发明有关于一种焊垫及应用其的封装结构，其利用各种不同功能的材料堆栈于 金属基材上，以增强焊垫的结构强度与提升焊垫的电气特性。根据本发明的一方面，提出一种焊垫。焊垫包括一金属基材、一硬金属层及一抗氧 化金属层。硬金属层设置于金属基材之上。硬金属层的材质的硬度大于金属基材的材质的 硬度。抗氧化金属层设置于硬金属层之上，抗氧化金属层的材质的活性低于硬金属层的材 质的活性。根据本发明的另一方面，提出一种封装结构。封装结构包括一第一半导体组件、一 第二半导体组件及一焊线。第一半导体组件包括一焊垫。焊垫包括一金属基材、一硬金属 层及一抗氧化金属层。硬金属层设置于金属基材之上。硬金属层的材质的硬度大于金属基 材的材质的硬度。抗氧化金属层设置于硬金属层之上。抗氧化金属层的材质的活性低于硬 金属层的材质的活性。焊线连接第一半导体组件的焊垫及第二半导体组件。为让本发明的上述内容能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合附图，作详细 说明如下
图1绘示本发明第一实施例的封装结构的示意图；图2绘示本发明第二实施例的封装结构的示意图；图3绘示本发明第三实施例的封装结构的示意图；以及图4绘示本发明第四实施例的封装结构的示意图。主要组件符号说明
100、200、300、400 封装结构110、210、310、410 第一半导体组件112、122、212、312、412 焊垫120:第二半导体组件130 焊线Lll 金属基材L14 硬金属层 L16、L25、L45 抗氧化金属层L32 种子层L33:导电层
具体实施例方式以下提出依照本发明的实施例进行详细说明，实施例仅用以作为范例说明，并不 会限缩本发明欲保护的范围。此外，实施例的附图中已省略不必要的组件，以清楚显示本发 明的技术特点。第一实施例请参照图1，其绘示本发明第一实施例的封装结构100的示意图。封装结构100 包括一第一半导体组件110、一第二半导体组件120及一焊线130。在本实施例中，第一半 导体组件110例如是一晶粒(Die)。第二半导体组件120例如是一基板(substrate)、一晶 圆(wafer)或一导线架(lead frame)。在本实施例中，第二半导体组件120以一基板为例 做说明。第一半导体组件110包括至少一焊垫112。第二半导体组件120包括至少一焊垫 122。焊线130的一端焊接于第一半导体组件110的焊垫112，焊线130的另一端焊接于第 二半导体组件120的焊垫122。透过焊线130的连接，第一半导体组件110可与第二半导体 组件120传导电子信号。其中，本实施例的焊垫112包括一金属基材L11、一硬金属层L14及一抗氧化金属 层L16。金属基材Lll的材质例如是铜(Cu)或铝(Al)。硬金属层L14设置于金属基材Lll之上。硬金属层L14的材质的硬度大于金属基 材Lll的材质的硬度。较佳地，硬金属层L14的材质的硬度大于焊线130的材质的硬度。在 焊接焊线130时，夹持头将夹持着焊线130朝向焊垫112撞击，而硬度较高的硬金属层L14 可以避免夹持头的撞击力量损坏焊垫112。视各层材料的物理特性、化学特性及形成方法 的不同，硬金属层L14的材质例如是钴(Co)、铁(Fe)、铬(Cr)、钛(Ti)、钽(Ta)、钛钨合金 (TiW)、钛氮合金(TiN)或镍(Ni)。其中钴(Co)、铁(Fe)及镍(Ni)经由无电电镀方式来形 成，例如是化学电镀；铬(Cr)、钛(Ti)、钽(Ta)、钛钨合金(Tiff)及钛氮合金(TiN)则经由 溅镀的方式来形成。抗氧化金属层L16设置于硬金属层L14之上。抗氧化金属层L16的材质的活性低 于硬金属层L14的材质的活性。由于硬金属层L14及金属基材Lll的材质的活性较高，暴 露在空气时，容易发生氧化的现象。因此，在硬金属层L14上覆盖活性较低的抗氧化金属层 L16，可以避免硬金属层L14及金属基材Lll受到氧化。视各层材料的物理特性、化学特性 及形成方法的不同，抗氧化金属层L16的材质例如是钯(Pd)、金(Au)、银(Ag)或钼(Pt)。
金属基材L11、硬金属层L14及抗氧化金属层L16由不同材质所组成。其中外加 于金属基材L11的硬金属层L14及抗氧化金属层L16的材质的组合需要考虑的因素相当的 多，例如是各种材质的物理特性、化学特性及形成方法等，以获得较佳的品质。举例来说，各 种材质的热膨胀系数的差异、各种材质之间产生化学反应的可能性或各种材质的电子迁移 特性的差异皆可能会影响到焊垫112的结构强度与电气特性。在多次的实验之后，以下以 表一列举出几种硬金属层L14及抗氧化金属层L16的材质的较佳组合。
表一此外，硬性金属层L14及抗氧化金属层L16的厚度也是影响焊垫112的结构强度 的一项重要因素。例如，硬性金属层L14的厚度太低时，可能降低撞击的防护效果；硬性金 属层L14的厚度太高时可能影响焊垫112的电子迁移速率。抗氧化金属层L16的厚度太 低时，可能影响抗氧化的效果；抗氧化金属层L16的厚度太高时，可能造成应力不匹配的问 题。在多次的实验之后可知，硬金属层L14的厚度介于0.45m至20微米(um)之间可以获 得较佳的效果，抗氧化金属层L16的厚度介于0. 005至2微米之间可以获得较佳的效果。第二实施例请参照图2，其绘示本发明第二实施例的封装结构200的示意图。本实施例的封装 结构200与第一实施例的封装结构100不同之处在于本实施例第一半导体组件210的焊垫 212更包括抗氧化金属层L25，其余相同之处，不再重复叙述。如图2所示，抗氧化金属层L25设置于硬金属层L14及抗氧化金属层L16之间。 抗氧化金属层L25的材质的活性也低于硬金属层L14的材质的活性。本实施例在硬金属层 L14及抗氧化金属层L16之间加入抗氧化金属层L25，不仅可增加抗氧化的效果，亦可增加 硬金属层L14与抗氧化金属层L16的接合效果。视各层材料的物理特性、化学特性及形成 方法的不同，抗氧化金属层L25的材质例如是钯(Pd)、铬铜合金(CrCu)或镍钒合金(NiV)。金属基材L11、硬金属层L14、抗氧化金属层L25及抗氧化金属层L16由不同材质 所组成。其中外加于金属基材L11的硬金属层L14、抗氧化金属层L25及抗氧化金属层L16 的材质的组合需要考虑的因素相当的多，例如是各种材质的物理特性、化学特性及形成方 法等，以获的较佳的品质。在多次的实验之后，以下以表二列举出几种硬金属层L14、抗氧化 金属层L25及抗氧化金属层L16的材质的较佳组合。
表二此外，抗氧化金属层L25的厚度也是影响焊垫212的结构强度的一项重要因素。例 如，抗氧化金属层L25的厚度太低时，可能影响抗氧化的效果以及硬金属层L14与抗氧化金 属层L16的接合效果；抗氧化金属层L25的厚度太高时，可能造成应力不匹配的问题。在多 次的实验之后可知，抗氧化金属层L25的厚度介于0. 001至3微米之间可以获得较佳的效 果。第三实施例请参照图3，其绘示本发明第三实施例的封装结构300的示意图。本实施例的封装 结构300与第一实施例的封装结构100不同之处在于本实施例第一半导体组件310的焊垫 312更包括一种子层L32及一导电层L33，其余相同之处，不再重复叙述。如图3所示，种子层L32设置于金属基材L11之上，导电层L33设置于种子层L32 及硬金属层L14之间。本实施例在金属基材L11及硬金属层L14之间加入种子层L32及导 电层L33，不仅可增加硬金属层L14采用电镀工艺的形成方式的方便性，亦可增加硬金属层 L14与金属基材L11的接合效果。视各层材料的物理特性、化学特性及形成方法的不同，种 子层L32的材质例如是钛(Ti)钛、钛钨合金(TiW)、钛氮合金(TiN)或钽(Ta)，导电层L33 的材质例如是金(Au)。金属基材L11、种子层L32、导电层L33、硬金属层L14、抗氧化金属层L16由不同材 质所组成。其中外加于金属基材L11的种子层L32、导电层L33、硬金属层L14及抗氧化金 属层L16的材质的组合需要考虑的因素相当的多，例如是各种材质的物理特性、化学特性 及形成方法等，以获的较佳的品质。在多次的实验之后，以下以表三列举出几种种子层L32、 导电层L33、硬金属层L14及抗氧化金属层L16的材质的较佳组合。 表三此外，种子层L32及导电层L33的厚度也是影响焊垫312的结构强度的一项重要 因素。例如，种子层L32及导电层L33的厚度太低时，可能影响采用无电电镀工艺的硬金属 层L14的形成效果；种子层L32的厚度太高时，可能增加过多的工时。在多次的实验之后可 知，种子层L32的厚度介于0. 1至1微米之间，导电层L33的厚度介于0. 1至1微米之间可 以获得较佳的效果。第四实施例请参照图4，其绘示本发明第四实施例的封装结构400的示意图。本实施例的封装 结构400与第三实施例的封装结构300不同之处在于本实施例第一半导体组件410的焊垫 412更包括一抗氧化金属层L45，其余相同之处，不再重复叙述。如图4所示，抗氧化金属层L45设置于硬金属层L14及抗氧化金属层L16之间。 抗氧化金属层L45的材质的活性也低于硬金属层L14的材质的活性。本实施例在硬金属层 L14及抗氧化金属层L16之间加入抗氧化金属层L45，不仅可增加抗氧化的效果，亦可增加
10硬金属层L14与抗氧化金属层L16的接合效果。视各层材料的物理特性、化学特性及形成 方法的不同，抗氧化金属层L45的材质例如是钯(Pd)、铬铜合金(CrCu)或镍钒合金(NiV)。金属基材L11、种子层L32、导电层L33、硬金属层L14、抗氧化金属层L45及抗氧化 金属层L16由不同材质所组成。其中外加于金属基材L11的种子层L32、导电层L33、硬金 属层L14、抗氧化金属层L45及抗氧化金属层L16的材质的组合需要考虑的因素相当的多， 例如是各种材质的物理特性、化学特性及形成方法等，以获的较佳的品质。在多次的实验之 后，以下以表四列举出几种种子层L32、导电层L33、硬金属层L14、抗氧化金属层L45及抗氧 化金属层L16的材质的较佳组合。
表四虽然上述实施例的焊垫112、212、312、412以应用于第一半导体组件110、210、 310、410为例做说明，然而当第二半导体组件120为一基板或一晶圆时，上述焊垫112、212、 312,412亦可以应用于第二半导体组件120上，亦不脱离本发明所属技术范围。本发明上述实施例所揭露的封装结构及其焊垫利用各种不同功能的材料层堆栈 于金属基材上，以增加焊垫的结构强度与电气特性。较佳地，在特殊材质的组合及厚度设计 之下，可以更增强焊垫的结构强度与电气特性。综上所述，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明。本发 明所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动 与润饰。因此，本发明的保护范围当视后附的权利要求书所界定者为准。
权利要求
一种焊垫，包括一金属基材；一硬金属层，设置于该金属基材之上，该硬金属层的材质的硬度大于该金属基材的材质的硬度；以及一第一抗氧化金属层，设置于该硬金属层之上，该第一抗氧化金属层的材质的活性低于该硬金属层的材质的活性。
2.如权利要求1所述的焊垫，其中该焊垫与一焊线连接，该硬金属层的材质的硬度大 于该焊线的材质的硬度。
3.如权利要求1所述的焊垫，其中该硬金属层的材质为钴(Co)、铁(Fe)、铬(Cr)、钛 (Ti)、钽(Ta)、钛钨合金(TiW)、钛氮合金(TiN)或镍(Ni)。
4.如权利要求1所述的焊垫，其中该硬金属层的材质为钴(Co)或铁(Fe)，且该硬金属 层以无电电镀的方式形成。
5.如权利要求4所述的焊垫，其中该硬金属层以化学电镀的方式形成。
6.如权利要求1所述的焊垫，其中该硬金属层的材质为铬(Cr)、钛(Ti)、钽(Ta)、钛钨 合金(TiW)、钛氮合金(TiN)或镍(Ni)，且该硬金属层以溅镀的方式形成。
7.如权利要求1所述的焊垫，其中该硬金属层的厚度介于0.45至20微米(um)之间。
8.如权利要求1所述的焊垫，其中该第一抗氧化金属层的材质为钯(Pd)、金(Au)、银 (Ag)或钼(Pt)。
9.如权利要求1所述的焊垫，其中该第一抗氧化金属层的厚度介于0.005至2微米之间。
10.如权利要求1所述的焊垫，更包括一第二抗氧化金属层，设置于该硬金属层及该第一抗氧化金属层之间，该第二抗氧化 金属层的材质的活性低于该硬金属层的材质的活性。
11.如权利要求10所述的焊垫，其中该金属基材、该硬金属层、该第二抗氧化金属层及 该第一抗氧化金属层的材质不同。
12.如权利要求10所述的焊垫，其中该第二抗氧化金属层的材质为钯(Pd)、铬铜合金 (CrCu)或镍钒合金(NiV)。
13.如权利要求1所述的焊垫，更包括一种子层，设置于该金属基材的上；以及一导电层，设置于该种子层及该硬金属层之间。
14.如权利要求13所述的焊垫，其中该种子层的材质为钛(Ti)、钛钨合金(TiW)、钛氮 合金(TiN)或钽(Ta)。
15.如权利要求13所述的焊垫，更包括一第二抗氧化金属层，设置于该硬金属层及该第一抗氧化金属层之间，该第二抗氧化 金属层的材质的活性低于该硬金属层的材质的活性。
16.一种封装结构，包括一第一半导体组件，包括一焊垫，包括一金属基材；一硬金属层，设置于该金属基材之上，该硬金属层的材质的硬度大于该金属基材的材 质的硬度；及一第一抗氧化金属层，设置于该硬金属层之上，该第一抗氧化金属层的材质的活性低 于该硬金属层的材质的活性；一第二半导体组件；以及一焊线，连接该第一半导体组件的该焊垫及该第二半导体组件。
17.如权利要求16所述的封装结构，其中该第一半导体组件为一晶粒(Die)，该第一半 导体组件设置于该第二半导体组件之上。
18.如权利要求16所述的封装结构，其中该硬金属层的材质为钴(Co)、铁(Fe)、铬 (Cr)、钛(Ti)、钽(Ta)、钛钨合金(Tiff)、钛氮合金(TiN)或镍(Ni)。
19.如权利要求16所述的封装结构，其中该第一抗氧化金属层的材质为钯(Pd)、金 (Au)、银(Ag)或钼(Pt)。
20.如权利要求16所述的封装结构，其中该第一抗氧化金属层的厚度介于0.005至2 微米之间。
全文摘要
一种焊垫及应用其的封装结构。焊垫包括一金属基材、一硬金属层及一抗氧化金属层。硬金属层设置于金属基材之上。硬金属层的材质的硬度大于金属基材的材质的硬度。抗氧化金属层设置于硬金属层之上。抗氧化金属层的材质的活性低于硬金属层的材质的活性。
文档编号H01L23/52GK101859748SQ200910133160
公开日2010年10月13日 申请日期2009年4月7日 优先权日2009年4月7日
发明者洪常瀛, 翁肇甫, 蔡宗岳, 高仁杰 申请人:日月光半导体制造股份有限公司