技術名稱：覆晶金凸塊之反應阻障層結構及其製造方法
技術形式：中華民國專利（1件）
授權形式：專利授權與技術移轉
技術來源：國立大學
應用產業：積體電路產業；光電產業；半導體製造；半導體封裝

技術描述：
金凸塊(Au bump)的運用常見於積體電路封裝中的帶式自動焊接(Tape Automatic Bonding)技術及光電元件的對外連接(Off-Chip Interconnect)。當帶式自動焊接矽晶片封裝技術已逐漸被覆晶式封裝所取代，快速的金錫(Au-Sn)及金鉛(Au-Pb)間的反應，往往生成過多金錫(Au-Sn)介金屬化合物在界面，而形成一個非常脆性的冷銲點(cold joint)。工研院電子所的先進構裝組已研究且證實，金凸塊與錫銀(SnAg)銲料會形成一機械性質差的接點，故金凸塊無法使用在覆晶式封裝中的C4凸塊，而需使用高鉛的錫鉛凸塊。但金凸塊的製程卻要比錫鉛的凸塊要來得簡單且低成本。
光電元件如微波積體電路 (Microwave Integrated Circuits)晶片的封裝，常用的方式為將晶片上金凸塊熱壓(thermal compress)至基材的金(Au)金屬墊層上，而達成微波積體電路晶片至基材的連接。但此接合方式會有可靠度上的顧慮，由於晶片上的金凸塊尺寸會因為製程及凸塊位置的因素，有某種程度上的差異。所以在進行熱壓過程中，一些尺寸較小的金凸塊並不會與基材的金墊層形成良好且平整的接合。為了避免此一問題，進行熱壓時須提高壓力，但壓力的提高卻非常容易傷害微波積體電路晶片裡的元件。

所以為解決上述問題且增加金凸塊接合強度，金凸塊與基材連接的製作，可採用傳統迴銲覆晶銲料凸塊的方式進行。此接合方式主要的優點在於製程容易，且低熔點銲料凸塊具有延展性佳的特性，可形成高可靠度接點。但是金(Au)在低熔點的無鉛銲料中具有非常高的溶解及擴散速率，大量的金錫(Au-Sn)介金屬化合物形成在銲料中，嚴重影響覆晶接點的可靠度，即所謂的金脆效應，已經被許多文獻報導，脆性高金錫介金屬化合物會導致接點破裂。所以要使金凸塊運用於先進的光電元件封裝中，本發明提供了一個自生成的反應阻障層，有效地避免金凸塊與銲料間過度反應，而僅提供適度的界面反應，達成一穩固可靠的銲接點。本技術可有效解決在金凸塊/銲料間，快速介金屬化合物生成所造成非常脆性銲錫接點的問題。
在一般無反應阻障層的情形下，金凸塊會與高錫含量的無鉛銲料快速反應而形成大量的金錫介金屬化合物，如圖一所示。此為經過5分鐘的迴銲反應後，可以清楚看到，AuSn4化合物大量生長在界面，且充滿整個銲料，而形成一個脆性的銲點。在Au墊層厚度的消耗速率上亦非常的迅速。

方法一：在金凸塊上預鍍上一層銅鎳雙層(Cu/Ni bi-layer)的金屬墊層，我們發現界面上介金屬化合物的形成極為有限，而且在銲料中並無介金屬化合物，如圖二(a)所示。顯然的，此一銅鎳雙層金屬墊層，明顯抑制了AuSn4化合物的生成，界面生成以(Cu,Ni)6Sn5三元化合物為主，此自生反應阻障層(Cu,Ni)6Sn5阻擋了金錫間直接反應的路徑。
方法二：含適當銅成份的銲料與預鍍鎳層的金凸塊反應時，會形成一自生的介金屬化合物(Cu,Ni)6Sn5而阻止過度的AuSn4介金屬化合物生成，所造成的脆性接點問題，如圖二(b)所示。
圖二(b)亦說明經5分鐘反應後，銲料下方的金墊層厚度，與原先未反應的厚度相較，幾乎沒有差別。此一結果顯示上述兩方法所自生成的反應阻障層(Cu,Ni)6Sn5發揮了效果，解決金墊層與高錫無鉛銲料快速反應的問題，進而達成了一個穩固的銲接點，沒有脆性銲點的現象。
本技術可解決金凸塊/高錫銲料間，因快速介金屬化合物生成所造成非常脆性銲錫接點的問題。可應用於各式封裝結構以金/錫界面為主之接點，以期達成適當之接合強度。(1421字)

關鍵圖式：

圖一　Au foil與pure Sn經五分鐘迴銲反應

圖二　(a) Cu/Ni Au foil與pure Sn經五分鐘迴銲反應；(b) Ni/Au foil與SnCu經五分鐘迴銲反應及與原先未反應厚度比較