[发明专利]半导体元件中的无铅结构

说明书

技术领域

本发明一般有关于半导体元件，以及更特别有关于一种用于半导体元件之无铅焊料组装及其制造方法。

背景技术

对于更小更轻、且更精简电子设备日益增加之需求导致对半导体封装伴随而来的要求，其必须具有较小轮廓与安装面积或占用面积(footprint)。对此要求之一种反应为发展出一种球格栅阵列(BGA)半导体封装，此为一种“表面安装”且以多个焊球以电子方式连接至印刷电路板(PCB)。对此要求之另一种反应为发展出一种“覆晶”方法，将半导体芯片(chip)或晶片(die)装附且连接至基板(例如：PCB或引线框)。此种覆晶安装方法涉及在晶片之主动表面上形成凸块接触(例如：焊球)，然后将此晶片从上朝下反转或“翻转”，且将此凸块接触回流(即，将此凸块接触加热至熔点)而熔化至基板上相对应之垫上。

在BGA封装以及覆晶安装与连接方法中，热机械可靠度成为电子工业越来越关切的问题。值得注意的是，焊料接合之可靠度为成功应用此种安装与连接方法之最关键问题之一。

在覆晶封装中，将集成电路晶片所具有焊料凸块熔化至基板上相对应之垫。此种焊料接合由于热应力循环，其在高应力点容易破裂。

有害物质管制(RoHS：Restriction of Hazardous Substance)规定限制在电子设备组件中铅之含量浓度。为了遵守RoHS之要求，锡铅焊料被无铅焊料例如锡银焊料取代，其符合铅含量浓度小于0.1％重量百分比之RoHS要求。然而，由于无铅焊料通常较锡铅焊料容易碎裂，因此，此种取代会不利地影响到焊料接合之热机械可靠度。

本发明之一或更多个实施例可以解决上述一或更多个问题。

发明内容

在一实施例中，提供一种半导体元件。此半导体元件包括：一半导体晶片、与多个设置在此半导体晶片表面上之无铅焊料凸块。一基板可以包括：多个金属层与多个介电层。此等多个金属层之一者可以包括多个接触垫，其对应于多个无铅焊料凸块；以及此等多个介电层之一者可以为外部介电层，其具有用于多个接触垫之各多个开口。可以将各多个铜柱设置在多个接触垫上。此用于各接触垫之各铜柱可以从接触垫经由用于此接触垫之开口而延伸。此半导体晶片可以安装在基板上，而具有在多个无铅焊料凸块与多个铜柱间之连接。

在此实施例中，多个无铅焊料凸块可以包含锡与银，此多个接触垫可以为铜，此外部介电层可以为环氧树脂复合物、其粘附于多个接触垫周围之多个接触垫。此用于各接触垫之各铜柱可以具有：远离该接触垫之终端盖，以及在接触垫与终端盖间之部份，且此终端盖之宽度大于此部份之宽度，此部份之高度可以大于终端盖之高度。此用于各接触垫之各铜柱可以经由各开口延伸，而超过外部介电层之厚度，且超过用于接触垫各开口之宽度。此用于各接触垫之各铜柱可以经由各开口延伸，而超过外部介电层之厚度。此用于各接触垫之各开口可以为圆柱形开口，其高度等于外部介电层之厚度，且具有在接触垫周围内之直径。此用于接触垫之各铜柱可以从接触垫经由各开口延伸，且超过各开口之高度与直径。

在此实施例中，各多个无铅焊料凸块可以回流焊接至对应于无铅焊料凸块之接触垫上之各铜柱。此半导体元件可以更包括多个无铅焊球，其各回流焊接至以格栅配置之各多个铜柱，此用于各接触垫之各铜柱，可以经由基板之多个金属层，而电性地耦接至接触垫所对应之无铅焊料凸块。此半导体元件可以更包括在各多个铜柱上之锡与铜之覆盖层(coating)，其中各此等多个无铅焊料凸块、与在各铜柱上之覆盖层一起回流焊接至对应于无铅焊料凸块之接触垫上之各铜柱。

在此实施例中，各此等多个铜柱可以具有经加工之粗糙表面，用于加强各多个无铅焊料凸块之回流焊接至对应于无铅焊料凸块之接触垫上之各铜柱上。此半导体晶片表面可以具有各硅金属垫，其设置在各多个无铅焊料凸块；各无铅焊料凸块可以回流焊接至各硅金属垫之第一区域、与各铜柱之第二区域；以及此第一区域与第二区域可以相等，且各超过经由各铜柱内部部份之横截面面积，此内部部份是在接触垫与第二区域之间。此外部介电层可以较多个其他介电层更有挠性。

在另一实施例中，此用于制造半导体元件之方法包括形成一半导体晶片，其具有多个无铅焊料凸块用于连接至基板。可以形成一中间基板且可以包括外部介电层与多个接触垫。此等多个接触垫可以经由在外部介电层中各此等多个开口而曝露，可以在多个接触垫上形成各此等多个铜柱。此用于各接触垫之各铜柱，可以从接触垫经由用于接触垫之各开口延伸。此半导体晶片之多个无铅焊料凸块、与此中间基板之多个接触垫上之各多个铜柱对齐，且此等多个无铅焊料凸块可以回流焊接至各多个铜柱。