電子構裝及覆晶接合技術之發展與應用

電子構裝（Electronic Packaging）之目的係利用黏晶（Die Attachment）、電

路連線與結構密封等步驟完成IC 晶片與構裝基地之間的電源傳輸、訊號傳遞、

散熱途徑、承載與結構保護；也包括構裝完成之模組元件在電路板上的組裝

（Assembly），使成為具備特定功能的次系統或系統的工程技術[12]。

隨著電子資訊產品的快速發展，電子元件多功能化、大容量化、高速化、及 高密度化已成為必要的趨勢，因此具有高 I/O 數及細線距之 IC 晶片方能符合需 求。一些較為傳統的構裝技術，例如雙列式構裝（Dual-inline Package，DIP）、

小型化構裝（Small Outline Package，SOP）、四邊扁平構裝（Quad Flat Package，

QFP）逐漸被錫球陣列構裝（Ball Grid Array，BGA）、晶片尺寸構裝（Chip Scale Package，CSP）、晶片直接接合（Direct Chip Attach，DCA）等所取代[12]，這說 明了面陣列式構裝時代的來臨。就連線技術而言，也已從傳統的打線接合（Wire Bonding，WB）、卷帶自動接合（Tape Automated Bonding，TAB），發展到現在 的覆晶接合技術，其 I/O 數增加以及線距縮小，直接連接 IC 與基板，其能提高 Collapse Chip Connection）技術[13]，這是為了配合混成固態邏輯電路技術（Solid Logic Technology，SLT）所開發的一種 IC 晶片連線方式，其製程是以真空蒸鍍 配合金屬遮罩（Metal Mask）製作高鉛銲錫凸塊，目的在於取代耗時耗力的人工 打線接合，用以降低成本及提高電路連線密度與接合可靠度[14]。

覆晶接合技術通常利用銲錫凸塊（Solder Bump）完成接合，但其亦可利用 卷帶自動接合（TAB）、打線接合（WB）、異方性導電膠（Anisotropic Conductive Adhesives，ACA）、導電膠（Conductive Polymer Bump）、金屬接合凸塊（Metal Bump）、複合凸塊（Compliant Bump）等完成 IC 晶片以面朝下的方式與基板接

合，如圖2-4 所示。

圖 2-4. 各種覆晶接合技術[14]。

相較於其它構裝或連線技術，覆晶接合技術具有以下之優點[15-18]：

（1） 良好的電性：覆晶接合之晶片與基板間連線距離較打線接合或卷帶自動接 合短，亦即縮短訊號傳遞的距離，寄生電容（Parasitic Capacitance）及電 感（Induction）得以降低，使訊號延遲（Propagation Delay）縮小，更適 合應用於高頻高功率之IC 構裝；

（2） 面陣列式連線：整個 IC 晶片表面皆可製作接點，提供的 I/O 數遠高於週 列式（Peripheral Array）的連線技術，且構裝完成後之面積只比裸晶時增 加約8 %，構裝效益亦接近 100 %，可應用於高 I/O 數的高性能系統；

（3） 散熱能力佳：平面陣列的構裝可配合散熱設計，由於晶片背面裸露，可直 接貼上散熱片，因此可提供較佳的散熱效率；

（4） 自動對位：晶片與基板的接合是利用銲錫的迴流（Reflow），藉由熔融的 錫球表面張力效應完成自動對位，製程寬容度較大；

（5） 優異的可靠度：晶片直接與基板接合，可免除第一層次模組構裝（First-level

Package），可降低電路接點之數目，連線距離亦大幅縮減，故可提升產品 之可靠度；

（6） 可重工性：經由再迴流的動作，可使劣質晶片與基板分離進行重工

（Rework）；

（7） 降低製程成本：I/O 數大量增加，單位 I/O 數成本相對降低，且所有接點 可於同一製程步驟中完成接合，再加上自動對位的效應，亦可提高製程良 率並降低成本。

2.2.3 銲錫凸塊

銲錫為覆晶接合最主要的接合材料，目前以共晶錫鉛（Eutectic Pb-Sn Solder，成分為 63 wt.%錫-37 wt.%鉛）為最常見銲錫。銲錫凸塊之基本結構除了 錫球（Solder Balls）之外，也包括凸塊底部金屬化（UBM），其結構如圖 2-5 所 示[14,19-21]。UBM 由多層金屬薄膜組成，依據功能的不同可分為黏著層、擴散 阻障層、潤濕層與保護層等，其製作方式有真空蒸鍍（Thermal 或 e-beam Evaporation）、濺鍍（Sputter）、電鍍以及無電鍍等，各層之功能與材料種類簡述 如下：

（1） 黏著層：主要為增進 IC 上之銲墊金屬材料與後續金屬間的接合性，一般 常用鈦（Ti）、鉻（Cr）、鈦/鎢（Ti/W）等材料。

（2） 擴散阻障層：銲墊金屬材料與銲錫作用會在界面形成介金屬化合物 鎳磷（Ni-P）合金亦極常見[22-24]。

（3） 潤濕層及保護層：防止擴散阻障層被氧化，並改善阻障層與銲錫層之間的

潤濕性，銅為常見的潤濕層材料，金（Au）或鈀（Pd）等貴金屬則為常 見的保護層材料。

銲墊

圖 2-5. 錫鉛凸塊之結構圖[20]。

在銲錫材料部分，目前所使用的銲錫以錫鉛（Pb-Sn）為主[25-27]，但基於 環保的考量，無鉛銲錫（Lead-free Solders）是未來的趨勢所在，具備應用潛力 的無鉛銲錫系統包括錫銀（Sn-Ag）、錫銅（Sn-Cu）、錫鋅（Sn-Zn）、錫鉍（Sn-Bi）、

錫銀銅（Sn-Ag-Cu）等，但因應用可靠度資訊不足，無鉛銲錫目前仍不能全面取 代（Drop-in）錫鉛銲錫。錫鉛銲錫主要有兩種，茲概述如下：

（1） 共晶錫鉛合金（63 錫/37 鉛或 60 錫/40 鉛）：熔點為其共晶溫度（183°C），

迴流溫度約在215°C 至 230°C，組裝所需成本較低，適用於使用有機基板

（Organic Substrate）之覆晶接合。

（2） 高鉛合金（5 錫/95 鉛或 3 錫/97 鉛）：由於鉛的含量很高，所以熔點較高，

約在305°C 至 320°C，迴流所需溫度約為 360°C，可使用於耐高溫的陶瓷 基板（Ceramic Substrate）之覆晶接合。

2.3 無電電鍍技術