专利名称：半导体装置及其组装方法
技术领域：
本发明涉及一种半导体装置及其组装方法，且特别是涉及一种采用覆晶接合技术的半导体装置及其组装方法。
背景技术：
覆晶接合制作工艺中，影响产品可靠度的有两种现有的破坏方式。一种是机械性的破坏，例如温度循环可靠度测试时因材料间热膨胀系数的差异过大产生的残留应力造成接点破坏。另一种是因为高电流时的电迁移效应使焊锡接点出现孔洞，进而影响接点品质以及结构强度。另一方面，在焊锡接点的组装或者高温回焊的过程中，焊锡接点的界面上可能因为高温而产生金属间化合物(intermetallic compound, IMC)，通常这种金属间化合物的材料硬度比原来的焊锡接点硬，刚性较高而缺乏弹性，较容易在温度循环的可靠度测试中被破坏。但是，金属间化合物具有可减缓电迁移效应的特性，提高金属间化合物含量反而可以增加焊锡接点抵抗电迁移效应的能力。
发明内容
本发明的目的在于提供一种半导体装置，可避免热应力以及电迁移效应造成的破坏。本发明另一目的在于提供一种半导体装置的组装方法，所组装成的半导体装置可避免热应力以及电迁移效应造成的破坏。为达上述目的，本发明的半导体装置包括一第一芯片、一承载装置、多个第一导电块以及多个第二导电块。第一芯片具有多个第一接垫。承载装置具有多个第二接垫，使第二接垫对应于第一接垫。多个第一导电块分别配置于第一接垫其中之一与第二接垫其中之一之间。多个第二导电块分别配置于第一接垫其中之一与第二接垫其中之一之间。第二导电块的金属间化合物的成分比例大于第一导电块的金属间化合物的成分比例。在本发明的半导体装置的一实施例中，第二导电块的金属间化合物的成分比例实质上为100%。在本发明的半导体装置的一实施例中，承载装置为一线路基板或另一芯片。在本发明的半导体装置的一实施例中，半导体装置还包括一底胶材料，填充于第一芯片与承载装置之间，并包围第一导电块与第二导电块。在本发明的半导体装置的一实施例中，第一芯片还具有至少一加热回路，电性绝缘于第一接垫，且邻近于第二导电块。加热回路可制作为特殊形状，增加长度提高热阻，可有效增加局部温度，例如呈城垛状。在本发明的半导体装置的一实施例中，承载装置还具有至少一加热回路，电性绝缘于第二接垫，且邻近于第二导电块。加热回路可制作为特殊形状，增加长度提高热阻，可有效增加局部温度，例如呈城垛状。
在本发明的半导体装置的一实施例中，半导体装置还包括一第二芯片、多个第三导电块以及多个第四导电块。第二芯片具有多个第三接垫。第一芯片位于第二芯片与承载装置之间，且第一芯片还具有多个第四接垫。多个第三导电块分别配置于第三接垫其中之一与第四接垫其中之一之间。多个第四导电块分别配置于第三接垫其中之一与第四接垫其中之一之间。第三导电块的金属间化合物的成分比例大于第四导电块的金属间化合物的成分比例。本发明的半导体装置的组装方法包括下列步骤。将一芯片的多个第一接垫经由多个第一导电块电连接一承载装置的多个第二接垫。加热部分的第一导电块而形成多个第二导电块，以使第二导电块的金属间化合物的成分比例大于第一导电块的金属间化合物的成分比例。在本发明的半导体装置的组装方法的一实施例中，在形成第二导电块之后，还包括填充一底胶材料于芯片与承载装置之间。底胶材料并包围第一导电块与第二导电块。在本发明的半导体装置的组装方法的一实施例中，在将第一接垫电连接第二接垫之后与形成第二导电块之前，还包括填充一底胶材料于芯片与承载装置之间。底胶材料并包围第一导电块与第二导电块。在本发明的半导体装置的组装方法的一实施例中，形成第二导电块的步骤包括通电于芯片的至少一加热回路。加热回路电性绝缘于第一接垫，且邻近于第二导电块。在本发明的半导体装置的组装方法的一实施例中，形成第二导电块的步骤包括通电于承载装置的至少一加热回路。加热回路电性绝缘于第一接垫，且邻近于第二导电块。基于上述，在本发明的半导体装置及其组装方法中，导电块的金属间化合物的成分比例不同而可分别抵抗热应力以及电迁移效应可能造成的破坏。为让本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合所附附图作详细说明如下。
图1是本发明一实施例的半导体装置的透视图； 图2是另一种加热回路；
图3A至图3C分别列示三种加热回路的分布方式；
图4A至图4F分别列示六种第一导电块与第二导电块的排列方式；
图5是本发明另一实施例的半导体装置的透视图6是本发明再一实施例的半导体装置的局部剖视图7为本发明一实施例的半导体装置的组装方法的流程图8A至图8C为图7的组装方法所组装的半导体装置在组装时的剖视图9为本发明一实施例的半导体装置的组装方法的流程图。
主要元件符号说明
100,500,600 半导体装置
110、510、610、810 芯片
112、512、812 第一接垫
114:第四接垫
120、520、820 承载装置122,822 第二接垫124、200、310、320、330、514、432、434、436、438、442、444 加热回路130、410、830 第一导电块140、420、840 第二导电块150、850 底胶材料612 第三接垫620:第三导电块630:第四导电块SllO S140:步骤
具体实施例方式图1是本发明一实施例的半导体装置的透视图。请参照图1，本实施例的半导体装置100包括一芯片110、一承载装置120、多个第一导电块130以及多个第二导电块140。 芯片110具有多个第一接垫112。承载装置120具有多个第二接垫122。每个第一导电块 130配置于一个第一接垫112与一个第二接垫122之间。每个第二导电块140配置于一个第一接垫112与一个第二接垫122之间。第二导电块140的金属间化合物的成分比例大于第一导电块130的金属间化合物的成分比例。本实施例中，第一导电块130与第二导电块 140的金属间化合物的成分比例的差异，是在半导体装置100制作完成时就已经形成，或者在半导体装置售出后再形成。举例而言，第一导电块130的材质为锡银，与第一导电块130接触的材质为铜，则第二导电块140中的金属间化合物可能是锡铜化合物(如Cu3Sn或者Cu6Sn5)。或者，第一导电块130为锡银铜，与第一导电块130接触的材质为镍，则第二导电块140中的金属间化合物可能是锡镍铜化合物(如(Cu，ND3Sn4或(Cu，Ni)6Sn5)。根据第一导电块130的材质以及与第一导电块130接触的材质的不同，可能同时出现很多种不同的金属间化合物，这边只是举例。本说明书中所谓的金属间化合物的成分比例的百分比是以所有金属间化合物体积总和相对于非金属间化合物体积而言。在本实施例的半导体装置100中，芯片110与承载装置120的热膨胀系数可能不同，在半导体装置100因工作而升温以及因停止工作而降温的温度变化过程中，位于芯片 110与承载装置120之间的第一导电块130因金属间化合物的成分比例较小，刚性及硬度较低可承受较大的热应力而不会被破坏。另一方面，金属间化合物的成分比例较大的第二导电块140对于电迁移效应所造成的破坏具有较佳的抵抗能力。因此，将第二导电块140做为传递大电流的途径时，可提升半导体装置100的可靠度。本实施例的第二导电块140的金属间化合物的成分比例甚至有机会达到实质上为100%。因此，第二导电块140即使做为主要的电流输入途径，仍可大幅降低因为电迁移效应而造成破坏的可能性。另外，本实施例以两种不同金属间化合物的成分比例的导电块为例，但在其他实施例中也可同时采用更多种不同金属间化合物的成分比例的导电块。本实施例的承载装置120是以线路基板为例。然而，在其他实施例中，承载装置120也可以为另一个芯片。换言之，制作金属间化合物的成分比例不同的导电块的技术可应用在芯片与线路基板之间，也可以应用在两个芯片之间，或者是其他以导电块做为电性传导途径的装置中。亦即是，本实施例的半导体装置100可以是由多个芯片堆叠而成，只要半导体装置100中包括两种金属间化合物的成分比例不同的导电块，即属本发明所欲保护的范畴。本实施例的半导体装置100可还包括一底胶材料150，填充于芯片110与承载装置 120之间，并包围第一导电块130与第二导电块140。底胶材料150用以第一导电块130与第二导电块140裸露出的部分，并同时减缓芯片110与承载装置120之间因温度变化而所产生的热应力，还可预防外界的湿气进入半导体装置100的内部。本实施例的承载装置120可还具有至少一加热回路124。加热回路IM与第二接垫122电性绝缘，亦即加热回路124并不连接第二接垫122。而且，加热回路IM邻近于第二导电块140。在输入电流至加热回路IM后，加热回路IM会因为本身的电阻而逐渐升温，并使得邻近的第二导电块140的温度被提高。另一方面，较为远离加热回路124的第一导电块130的温度则提升有限。由于金属间化合物的含量会随着温度升高而增加，因此利用加热回路124的作用即可产生金属间化合物的成分比例不同的第一导电块130与第二导电块140。当半导体装置100完成后，加热回路IM断电流，加热回路IM不需取出，使加热回路IM还可在半导体装置100工作时做为提升散热效率之用。此外，改变加热回路的形状也可增加加热回路长度以及电阻值进而提高第二导电块受加热时的温度，可有效增加第二导电块的金属间化合物的成分比例。例如，图2的加热回路200就以城垛状设计增加回路长度而具有较高的电阻值。另外，加热回路的分布位置是根据要产生金属间化合物的成分比例较高的第二导电块的位置而决定。例如，图3A至图3C就分别列示了三种加热回路310、320与330的分布方式。其中，图3C的加热回路330的数量为两个，而加热回路330的数量也可依需求进一步增加。故本发明的各实施例的加热回路可依不同几何形状设计来达到欲加热第一导电块使形成第二导电块的目的。在第一导电块与第二导电块的相对位置方面，同样可依需求作适当调整。主要考量在于，应在使用时通过电流量较大而易发生电迁移效应的位置配置金属间化合物的成分比例高的第二导电块，并在承受较大热应力的位置配置金属间化合物的成分比例低的第一导电块。图4A至图4F即分别列示六种第一导电块410与第二导电块420的排列方式。图4A显示第一导电块410分布于芯片一侧，第二导电块420分布于其它大部分区域。而第二导电块420欲达到此种分布效果，加热回路432可预先于第二导电块420的区域中布置。图4B显示第一导电块410分布于芯片上近似T字形，第二导电块420分布于其它区域。而加热回路434可预先于第二导电块420的区域中布置。图4C显示第一导电块 410分布于第二导电块420外缘。而加热回路436可预先于第二导电块420的区域从中布置，且电流输出入可由垂直芯片表面方向设计。图4D显示第一导电块410分布于芯片对角线部分，第二导电块420分布于其它区域并对称。而加热回路438可预先于第二导电块420 的区域中布置。图4E显示第二导电块420分布于芯片上呈十字形，第一导电块410分布于其它区域。而加热回路442可预先于第二导电块420的区域中布置。图4F显示第二导电块420分布于芯片上呈L形，第一导电块410分布于其它区域。而加热回路444可预先于第二导电块420的区域中布置。图5是本发明另一实施例的半导体装置的透视图。请参照图5，本实施例的半导体装置500与图1的半导体装置100相似，差异在于承载装置520没有加热回路，而芯片510 具有至少一加热回路514。加热回路514与第一接垫512电性绝缘，且加热回路514邻近于第二导电块140。亦即是，加热回路514的使用方式、产生的作用及可能的变化都与图1的加热回路1 相同。图6是本发明再一实施例的半导体装置的局部剖视图。请参照图6，本实施例的半导体装置600与图1的半导体装置100相似，差异在于在本实施例的半导体装置600还包括一芯片610、多个第三导电块620以及多个第四导电块630。芯片610具有多个第三接垫 612。芯片110位于芯片610与承载装置120之间，且芯片110还具有多个第四接垫114。 每个第三导电块620配置于一个第三接垫612与一个第四接垫114之间。每个第四导电块 630配置于一个第三接垫612与一个第四接垫114之间。第三导电块620的金属间化合物的成分比例大于第四导电块630的金属间化合物的成分比例。亦即是，制作金属间化合物的成分比例不同的导电块的技术也可应用在芯片堆叠式的半导体装置600，以提升芯片堆叠式的半导体装置600的可靠度。图7为本发明一实施例的半导体装置的组装方法的流程图，而图8A至图8C为图 7的组装方法所组装的半导体装置在组装时的剖视图。请参照图7与图8A，本实施例的半导体装置的组装方法是先将芯片810的第一接垫812经由第一导电块830电连接承载装置 820的第二接垫822，步骤Sl 10。此时，所有第一接垫812与第二接垫822之间的导电块都是第一导电块830，且所有的第一导电块830的成分在不考虑制作工艺差异时基本上都相同。第一导电块830可能由第一接垫812上的凸块(未绘示)、第二接垫822上的凸块(未绘示)与两个凸块之间的焊料构成。两个凸块的材质都可以是锡铅合金、金或其他导体。另外，第一接垫812与凸块之间可能还形成有凸块底层金属(underbump metallurgy, UBM)， 而第二接垫822与凸块之间同样可能形成有凸块底层金属。此外，第一导电块830也可能只由第一接垫812上的凸块(未绘示)与第二接垫822上的凸块(未绘示)构成，两者之间以激光或其他方式进行接合。本技术领域中具有通常知识者当知，第一导电块830的构成方式上有许多其他可能，在此并不一一说明。接着，请参照图7与图8B，加热部分的第一导电块830而形成第二导电块840，以使第二导电块840的金属间化合物的成分比例大于第一导电块830的金属间化合物的成分比例，步骤S120。具体而言，被加热的第一导电块830中的金属间化合物的成分比例会增加，而这种金属间化合物的成分比例增加后的第一导电块830在此被称为第二导电块840， 以区隔金属间化合物的成分比例不同的两种导电块。加热第一导电块830而形成第二导电块840的方式有很多种，其中一种就是利用如图1的承载装置120的加热回路IM或图5 的芯片510的加热回路514的加热回路而加热第一导电块830。根据实验，利用通电于加热回路而加热第一导电块的方式，甚至有机会形成金属间化合物的成分比例实质上为100% 的第二导电块。请参照图7与图8C，在形成第二导电块840之后，还可选择性地填充底胶材料850 于芯片810与承载装置820之间，步骤S130。底胶材料850与图1的底胶材料150相同。图9为本发明一实施例的半导体装置的组装方法的流程图。请参照图9，本实施例的半导体装置的组装方法与图7的实施例相似，差异在于填充底胶材料的步骤S140是在将第一接垫电连接第二接垫的步骤SllO之后与形成第二导电块的步骤S120之前进行。综上所述，在本发明的半导体装置及其组装方法中，具备了两种不同金属间化合物的成分比例的导电块。其中，金属间化合物的成分比例较小的导电块对于热应力具有较佳的抵抗能力，金属间化合物的成分比例较大的导电块则对于电迁移效应具有较佳的抵抗能力。因此，本发明的半导体装置及其组装方法具有较佳的可靠度。虽然结合以上实施例揭露了本发明，然而其并非用以限定本发明，任何所属技术领域中熟悉此技术者，在不脱离本发明的精神和范围内，可作些许的更动与润饰，故本发明的保护范围应以附的权利要求所界定的为准。
权利要求
1.一种半导体装置，包括 第一芯片，具有多个第一接垫；承载装置，具有多个第二接垫，使该些第二接垫对应于该些第一接垫；多个第一导电块，分别配置于该些第一接垫其中之一与该些第二接垫其中之一之间；以及多个第二导电块，分别配置于该些第一接垫其中之一与该些第二接垫其中之一之间， 其中该些第二导电块的金属间化合物的成分比例大于该些第一导电块的金属间化合物的成分比例。
2.如权利要求1所述的半导体装置，其中该些第二导电块的金属间化合物的成分比例实质上为100%。
3.如权利要求1所述的半导体装置，其中该承载装置为一线路基板或另一芯片。
4.如权利要求1所述的半导体装置，还包括一底胶材料，填充于该第一芯片与该承载装置之间，并包围该些第一导电块与该些第二导电块。
5.如权利要求1所述的半导体装置，其中该第一芯片还具有至少一加热回路，电性绝缘于该些第一接垫，且邻近于该些第二导电块。
6.如权利要求5所述的半导体装置，其中该加热回路呈城垛状。
7.如权利要求1所述的半导体装置，其中该承载装置还具有至少一加热回路，电性绝缘于该些第二接垫，且邻近于该些第二导电块。
8.如权利要求7所述的半导体装置，其中该加热回路呈城垛状。
9.如权利要求1所述的半导体装置，还包括第二芯片，具有多个第三接垫，其中该第一芯片位于该第二芯片与该承载装置之间，该第一芯片还具有多个第四接垫；多个第三导电块，分别配置于该些第三接垫其中之一与该些第四接垫其中之一之间；以及多个第四导电块，分别配置于该些第三接垫其中之一与该些第四接垫其中之一之间， 其中该些第三导电块的金属间化合物的成分比例大于该些第四导电块的金属间化合物的成分比例。
10.一种半导体装置的组装方法，包括将一芯片的多个第一接垫经由多个第一导电块电连接一承载装置的多个第二接垫；以及加热部分的该些第一导电块而形成多个第二导电块，以使该些第二导电块的金属间化合物的成分比例大于该些第一导电块的金属间化合物的成分比例。
11.如权利要求10所述的半导体装置的组装方法，其中在形成该些第二导电块之后， 还包括填充一底胶材料于该芯片与该承载装置之间，该底胶材料并包围该些第一导电块与该些第二导电块。
12.如权利要求10所述的半导体装置的组装方法，其中在将该些第一接垫电连接该些第二接垫之后与形成该些第二导电块之前，还包括填充一底胶材料于该芯片与该承载装置之间，该底胶材料并包围该些第一导电块与该些第二导电块。
13.如权利要求10所述的半导体装置的组装方法，其中形成该些第二导电块的步骤包括通电于该芯片的至少一加热回路，该加热回路电性绝缘于该些第一接垫，且邻近于该些第二导电块。
14.如权利要求10所述的半导体装置的组装方法，其中形成该些第二导电块的步骤包括通电于该承载装置的至少一加热回路，该加热回路电性绝缘于该些第一接垫，且邻近于该些第二导电块。
全文摘要
本发明公开一种半导体装置及其组装方法。半导体装置包括一芯片、一承载装置、多个第一导电块以及多个第二导电块。芯片具有多个第一接垫。承载装置具有多个第二接垫。第二接垫对应于第一接垫。多个第一导电块分别配置于第一接垫其中之一与第二接垫其中之一之间。多个第二导电块分别配置于第一接垫其中之一与第二接垫其中之一之间。第二导电块的金属间化合物的成分比例大于第一导电块的金属间化合物的成分比例。
文档编号H01L23/31GK102569235SQ20101061964
公开日2012年7月11日 申请日期2010年12月31日 优先权日2010年12月28日
发明者林育民, 詹朝杰, 陆苏财 申请人:财团法人工业技术研究院