专利名称：细间距阵列型连接器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种阵列式连接器，且特别是涉及一种细间距阵列式连接器。
背景技术：
一般阵列式连接器受模具与制作工艺等相关限制，最小端子间距只能达到0. 8mm, 更由于阵列式连接器的塑胶本体，在塑胶射出时易产生翘曲的现象，随着阵列式连接器脚 位增加，将不易控制各脚位间的共面度。另随着BGA芯片对外IO连接脚位增多且间距变小， 导致以传统光学量测芯片锡球的共面度更加不易。除此之外，随着连接器细间距化的发展，单根端子所能提供的正向力也会降低，造 成过大的接触电阻，大大地影响信号的传递品质。在实际的应用上，若能改善阵列式连接器的本体结构，使得微小化的阵列式连接 器在较低的正向力作用下，也能保持低且稳定的接触电阻，将可提升阵列式连接器电气连 接特性。除此之外，若能利用阵列式连接器同时量测芯片锡球的共面度，更可大幅增加其产 业利用价值。
发明内容
本发明的目的在于提供一种具自我共面度与正向力检测机制的细间距阵列型连 接器。该阵列型连接器利用纳米碳管的良好的机械与导电特性，将可在低正向力作用下，提 供接触面小而稳定的接触电阻。为达上述目的，本发明提供一种具自我共面度的细间距阵列型连接器，由于连接 器本体由硅晶片所制造，因此可提供较强韧的本体结构刚性，不会造成本体翘曲的行为，影 响连接器使用时的可靠度。本发明提供一种细间距阵列型连接器阵列型，通过微机电制作工艺方式，制作具 纳米碳管结构的低且稳定接触电阻阵列型连接器。本发明提出一种连接器结构，至少包括半导体基底，其至少包括环状体结构与位 于该环状体结构中央的柱状结构，以及至少一悬臂结构，与该环状体结构中央的该柱状结 构相连。依照本发明的一较佳实施例所述，上述的连接器结构包括环状体结构与位于该环 状体结构中央的柱状结构、位于该环状体结构上多个第一块状结构、位于该柱状结构上的 第二块状结构、至少一悬臂结构、位于该些第一块状结构上多个焊料凸块，以及位于该第二 块状结构上的纳米碳管层。其中，该悬臂结构与该第二块状结构与至少一个该第一块状结 构相连，而该悬臂结构与该第一块状结构相连处更包括一压电材料层或一压阻材料层，通 过此一压电材料层或压阻材料层，可感测悬臂结构位移，进而量测芯片锡球的共面度。依照本发明的一较佳实施例所述，在上述的连接器结构中该环状体结构与该柱状 结构为叠层结构，包括位于半导体基底的上表面的氧化硅层。依照本发明的一较佳实施例所述，在上述的连接器结构中该第一、第二块状结构以及该悬臂结构为叠层结构，包括一多晶硅层、位于该多晶硅层上的一种子层与位于该种 子层上的一金属层。依照本发明的一较佳实施例所述，在上述的连接器结构中的压电材料层位于该多 晶硅层与该种子层之间。依照本发明的一较佳实施例所述，在上述的连接器结构中的压阻材料层为一掺杂 区位于该多晶硅层之中。依照本发明的较佳实施例所述，上述的连接器结构中，该压电材料层的材质包括
氧化锌。依照本发明的较佳实施例所述，上述的连接器结构中，该压阻材料层的材质包括 硼或锗。依照本发明的较佳实施例所述，上述的连接器结构中，该金属层的材质包括铝、铜 或金。依照本发明的较佳实施例所述，上述的连接器结构中，该种子层的材质包括钛、金 或铬。依照本发明的较佳实施例所述，上述的连接器结构中，该焊料凸块的材质包括锡、 锡银合金或锡铅合金。由于本发明所提出的连接器结构是设计利用压电或压阻感测机制来测量芯片锡 球共面度或所受正向力，可提升产品应用的范围。本发明所提供的微连接器结构的接触面更具备纳米碳管层，可降低接触电阻。本 发明所提供的微连接器结构特别适合设置于细间距(小于500微米)的微接点电气连接的 结构中。 此外，本发明的连接器结构的制造方法可轻易整合至现行的微机电制作工艺中进 行，因此不会增加额外的成本。为让本发明的上述和其他目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例， 并配合所附附图，作详细说明如下。
图IA 图IH为本发明一实施例的阵列式连接器的制造流示意图；图2A为本发明一实施例的阵列式连接器的立体示意图；图2B为图2A的部分放大立体示意图；图2C为图2B沿着剖面线1-1’的剖面示意图；图3为本发明另一实施例的连接器的部分制造流程剖面图；图4为本发明另一实施例的连接器的剖面示意图。主要元件符号说明20 连接器100、200、300、400 基底100a 上表面100b 下表面102、202、302、402 氧化硅层
104、204、304、404 多晶硅层106、206 压电材料层306,406 掺杂区108a、108b、208a、408a 种子层110a、110b、210a、410a 金属层112:种层120:焊料凸块125:硬掩膜(硬罩幕)层130,230,430 纳米碳管层200a 环状体结构200b 柱状结构240a、240b、440a、440b :±夬状结构240c,440c 悬臂结构
具体实施例方式图IA-图1B&图IF-图IH所绘示为本发明一实施例的阵列式连接器的制造流程 剖面图，而图IC-图IE所绘示为本发明一实施例的阵列式连接器的制造流程上视图。请参照图1A，首先提供一基底100，该基底100例如为一半导体硅晶片或芯片，首 先在该基底100的上表面IOOa上利用例如热氧化方式成长一氧化硅层102。接着利用例如 低压化学气相沉积法(LPCVD)在该氧化硅层102上沉积一多晶硅层104。接着并在该多晶 硅层104上形成一图案化的薄膜压电材料层106。其中压电材料层106的材质例如是氧化 锌(ZnO)。参照图1B，利用例如电子枪真空蒸镀方式在该基底100的上表面IOOa与下表面 IOOb之上分别蒸镀一种子层108a与108b。该种子层材料例如是铬/金(Cr/Au)或钛/金 (Ti/Au)。接着，在该种子层108a/108b上进行后续电镀制作工艺，分别于基底100正、反面 电镀形成一金属层llOa/llOb。该金属层llOa/llOb材料例如为铝、铜或金。参照图1C，利用光刻蚀刻步骤，图案化基底100正面的金属层IlOa (图1B)，以形 成接触垫IlOc与导线IlOd0参照图1D，利用光刻蚀刻步骤定义出焊锡的图形，接着进行电镀制作工艺形成焊 料凸块120。在形成焊料凸块120之前，更可包括先形成另一种层112(图1F)，再电镀形成 焊料凸块120。焊料凸块120可提供间隔高度，作为间隙物之用。焊料凸块的材质包括锡、 锡银合金或锡铅合金。但是，若后续所形成焊料凸块并不需要种子层，也可省略此一步骤。参照图1E，利用光刻蚀刻步骤，图案化基底100正面的该多晶硅层104(图1B)，图 案化的多晶硅层10 (图1F)的图案与基底100正面的图案化金属层IlOa相同。此处所 示，是利用压电材料层106与金属层所构成的压电感测机制，而在后续连接过程中，可达到 共面度检测或正向力检测的目的。图IE中，图案化多晶硅层10 的图案至少包括四根悬臂(后续作为悬浮弹簧结 构)与位于中央与四根相连的接触垫的多晶硅结构。此处悬臂的数目至少大于一个，而其 尺寸大小可视连接器的间距尺寸或后续相连接触垫尺寸而调整；其接触垫形状并不局限于方形，也可为圆形或多角形。光刻蚀刻步骤中例如包括深反应式离子蚀刻步骤来蚀刻图案 化多晶硅层。参照图1F，利用光刻蚀刻步骤，图案化基底100背面的种子层108与金属层IlOb 而成一硬掩膜层125。参照图1G，以硬掩膜层125作为蚀刻掩膜，从基底100的背面蚀刻基底100硅基材 与氧化硅层102，直至多晶硅层10 暴露出来。该蚀刻步骤例如包括深反应式离子蚀刻步 马聚ο请参照图1H，移除硬掩膜层125，然后利用图形化光致抗蚀剂(未示)，将纳米碳管 材料涂布于金属层IlOa的接触垫IlOc金属表面上，并利用外加磁场将纳米碳管材料准直 地结合在中央接触垫IlOc表面上而成一纳米碳管层130，作为探针头。之后，再移除多余的 光致抗蚀剂材料。图IA-图IH仅绘示出单一连接器，以便于解说各层形成相对位置，但可代表制造 阵列连接器的普遍性制作工艺。上述各层的形成步骤仅是举例，但在此技术领域具有普通 知识者可轻易推知，该些形成顺序与步骤均可视元件设计或制作工艺需要更改。本案并非 限定本案的制造方法仅限于此。图2A所绘示为本发明一实施例的阵列式连接器的立体示意图。图2B所绘示为图 2A的阵列单元放大立体示意图。图2C为图2B沿着剖面线1-1’的剖面示意图。图2A-图 2C中均省略焊料凸块，以方便描述。参照图2A，为多个阵列单元所组成的阵列状排列的连接器20，图2B中仅刻意放大 显示单一个阵列单元。其中，硅基材的基底200包括环状体结构200a并在中央具有一柱状 结构200b。而基底200上具多个块状结构MOa分布于环状体结构200a上、单一块状结构 240b位于中央柱状结构200b上以及与单一块状结构MOb相连的四根悬臂结构MOc。单 一块状结构MOb上更具有一纳米碳管层M0。参见图2C，环状体结构200a与中央柱状结构200b为叠层结构，包括多晶硅层 204、氧化硅层202与基底200 (由上到下)。从上述图IG可知，以硬掩膜层125作为蚀刻掩 膜，从基底100的背面蚀刻基底100硅基材与氧化硅层102，直至多晶硅层10 暴露出来， 可以得到如图2B的环状体结构200a与中央柱状结构200b。参见图2C，分布于环状体结构200a上的块状结构240a、位于中央柱状结构200b 上的单一块状结构MOb以及与四根悬臂结构MOc也为叠层结构，包括金属层210a、种子层 208a与多晶硅层204。而悬臂结构MOc更在与块状结构MOa相连处两旁更包括一压电材 料层206。压电材料层206的尺寸远小于悬臂结构MOc的尺寸，其厚度与形状也可依照设 计需要而调整。由于四根悬臂弹簧连结固定端处，各设计一组压电材料，可利用压电特性，感测悬 臂位移量，进可推估四根悬臂弹簧所提供正向力的大小。因此阵列式微型连接器将具有位 移与力量感测的功能。当然，除了利用压电材料外，也可利用压阻材料或利用上部元件接触金属与下部 元件接触金属间所形成的电容，以压阻或电容特性，感测悬臂位移量或推估正向力的大小。位于单一块状结构MOb上的纳米碳管层230在后续封装步骤，因纳米碳管具有良 好的机械特性与导电性，在微小接触力作用下，即可刺穿其他芯片的接点(凸块或BGA封装锡球)接触表面上的氧化膜，而有效降低接触电阻的大小，增加信号传递时的稳定度，达到 良好电连接。上述各结构的各叠层的材料可参考前述制作工艺中所述材料，但该些材料仍可视 元件设计或制作工艺需要更改。根据本发明的另一实施例，与前述图IA的制造流程不同的是在图IA形成多晶硅 层104之后，省略形成压电材料层的步骤。如图3所示，在基底300上依序形成氧化硅层 302与多晶硅层304之后，直接以掺杂方式于特定区域形成掺杂区306，掺杂物质例如是硼 或锗。此掺杂区306可视为一压阻材料，可与后续形成的金属层构成的压阻感测机制，达到 共面度检测或正向力检测的目的。后续制作工艺参考前述图IB-图IH的制造流程，而最终 结构显示于图4。图4所绘示为本发明另一实施例的连接器的剖面示意图。图4中省略焊料凸块， 以方便描述。请参照图4，硅基材的基底400包括环状体结构400a并于中央具有一柱状结构 400b。环状体结构400a与中央柱状结构400b为叠层结构，包括多晶硅层404、氧化硅层 402与基底400(由上到下)。参见图4，位于环状体结构400a上的块状结构440a、位于中 央柱状结构400b上的单一块状结构440b以及与悬臂结构440c也为叠层结构，包括金属层 410a、种子层408a与多晶硅层404。而悬臂结构440c更在与块状结构440a相连处两旁的 多晶硅层404中具掺杂区406。单一块状结构440b上更具有一纳米碳管层430。由于悬臂弹簧连结固定端处设计有压阻材料(例如掺杂区或其他适用金属)，而 利用此压阻感测特性，阵列式微型连接器将具有位移与力量感测的功能。因此本发明实施例的阵列式微型连接器设计于悬臂弹簧连接固定端处具压电材 料或压阻材料，可分别利用压电或压阻感测机制，量测悬臂位移量与悬臂弹簧所提供正向 力的大小。而本发明的阵列式连接器可适用于高密度或超细间距接合结构，因其具有量测 共面度与正向力的机制，更可提升其功能与产业利用价值。此外，阵列式连接器在接触金属表面备置纳米碳管结构，因纳米碳管具有良好的 机械特性与导电性，在微小接触力作用下，即可刺穿凸块或BGA锡球接触表面的氧化膜，而 有效降低接触电阻的大小，增加信号传递时的稳定度。本发明所提出的制造流程与现有制作工艺相容，无须添加额外步骤或使用特殊材 料，故元件的成本并未增加。此外，可视产品设计需要，调整制作工艺步骤与/或搭配不同 形状图案设计，更有弹性地制造阵列式连接器。虽然已结合以上较佳实施例揭露了本发明，然而其并非用以限定本发明，任何熟 悉此技术者，在不脱离本发明的精神和范围内，可作些许的更动与润饰，因此本发明的保护 范围应以附上的权利要求所界定的为准。
权利要求
1.一种连接器结构，适用于封装结构中，该连接器结构至少包括 半导体基底，其至少包括环状体结构与位于该环状体结构中央的柱状结构； 至少一悬臂结构，与该环状体结构中央的该柱状结构相连。
2.如权利要求1所述的连接器结构，其中还包括 多个第一块状结构位于该环状体结构上； 多个焊料凸块，位于该些第一块状结构上；第二块状结构位于该柱状结构上；以及纳米碳管层，位于该柱状结构上的该第二块状结构，其中该悬臂结构与该环状体结构 相连处还包括压电材料层或压阻材料层。
3.如权利要求1所述的连接器结构，其中该环状体结构与该柱状结构为叠层结构，还 包括氧化硅层位于该半导体基底的一上表面。
4.如权利要求2所述的连接器结构，其中该第一、第二块状结构以及该悬臂结构为叠 层结构，包括多晶硅层、位于该多晶硅层上的种子层与位于该种子层上的金属层。
5.如权利要求4所述的连接器结构，其中该压电材料层位于该多晶硅层与该种子层之间。
6.如权利要求5所述的连接器结构，其中该压电材料层的材质包括氧化锌。
7.如权利要求2所述的连接器结构，其中该压阻材料层为掺杂区位于该多晶硅层之中。
8.如权利要求4所述的连接器结构，其中该金属层的材质包括铝、铜或金。
9.如权利要求4所述的连接器结构，其中该种子层的材质包括钛、金或铬。
10.如权利要求2所述的连接器结构，其中该焊料凸块的材质包括锡、锡银合金或锡铅I=I 巫 ο
11.如权利要求1所述的连接器结构，至少包括两个相对的悬臂结构。
12.如权利要求1所述的连接器结构，至少包括四个互相相对的悬臂结构。
全文摘要
本发明公开一种具有自我共面度与正向力检测机制的细间距阵列型连接器，通过微机电制作工艺制作，并利用纳米碳管的良好的机械与导电特性，可使连接器在低正向力作用下，提供较低且稳定的接触电阻，增加电气信号传递的品质。
文档编号H01L21/60GK102130083SQ20101000469
公开日2011年7月20日 申请日期2010年1月20日 优先权日2010年1月20日
发明者林欣卫, 章本华 申请人:财团法人工业技术研究院