CN104112684A - 一种基于镍微针锥的固态超声键合方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于镍微针锥的固态超声键合方法，包括步骤为：选择具有相互匹配的电互连焊盘的两个或多个待键合元件，两两形成一待键合偶；在待键合偶其中一侧的电互连焊盘上形成凸点，凸点底部为第一金属，表面设有低硬度第二金属；在待键合偶另一侧的电互连焊盘上形成镍微针锥；将待键合偶的一侧元件吸附在键合装置压头表面；将待键合偶两侧的电互连焊盘对准，使所述凸点与所述镍微针锥匹配接触，向待键合偶的一侧施加键合压力和超声振动并保持一定时间，使得所述凸点与所述镍微针锥互连键合。本发明中镍微针锥与固态焊料有良好的机械咬合作用，增强了键合效果；超声振动能可以软化焊料，明显地防止键合过程空洞的发生，提高键合质量。
Description
技术领域
本发明涉及半导体芯片封装领域，具体是通过表面微针锥金属层的使用，实现元件间超声互连键合的方法。
背景技术
目前电子封装向小型化、高密度化和多芯片化发展，电互连技术是电子封装技术中的核心技术，传统的熔融键合通过高温使得焊料在焊点处融化润湿，冷却后使得键合点固化，从而获得较好的连接。如传统的再流焊工艺需要将温度加热到焊料熔点以上，高的温度环境对芯片本身会产生恶劣的影响，大大降低产品的可靠性。为了达到理想的焊接强度，常常使用助焊剂等有机物，焊接完成后需除去相应残留物，这需要耗费大量的生产时间，进而降低了生产效率。
寻求低焊接温度、高焊接强度的工艺已经成为互连技术的发展趋势。现今有大量文献及专利描述使用非熔融方法实现互连，其中非常重要的途径是利用纳米材料对键合偶表面进行处理，从而降低键合所需的温度。例如利用纳米级金、银等材料的高表面能，降低再结晶温度，从而在压力辅助下产生低温烧结现象，进而实现低温焊接。对于直径为100nm的纳米银颗粒而言，键合可在300°C以下温度、25MPa压力下进行，获得剪切强度在10MPa以上。又例如，一些金属在低温下可相互作用形成高熔点金属间化合物，如铟-银，铟-锡等都可以用来实现低温互连。
通过改变键合偶的表面形貌，也可以达到降低键合温度的效果。微针锥阵列材料由于其针尖结构可以破坏焊料氧化层，被运用在热压键合中，键合后形成嵌入式的界面，在160-200°C可获得较为理想的键合强度，然而该技术由于诸多瓶颈难以实际应用。例如界面存在的空洞使得键合质量不佳，因此需要后期对焊接点持续加热以提高界面强度；空洞的存在使得键合需要较长的时间，这严重影响了其实际应用范围。
发明内容
本发明针对上述现有技术中存在的问题，提出一种基于镍微针锥的固态超声键合方法，该方法能够克服以往工艺存在的一些缺陷，避免回流焊工艺温度高对器件造成的热损伤，同时避免了镍微针锥热压焊的界面空洞问题和键合时间过长问题。
为解决上述技术问题，本发明是通过如下技术方案实现的：
本发明提供一种基于镍微针锥的固态超声键合方法，包括以下步骤：
1）选择具有相互匹配的电互连焊盘的两个或多个待键合元件，两两形成一待键合偶；
2）在待键合偶的其中一侧的电互连焊盘上形成凸点，所述凸点底部为第一金属，所述凸点的表面设有低硬度第二金属；
3）在待键合偶的另一侧的电互连焊盘上形成镍微针锥；
4）将待键合偶的一侧元件吸附在键合装置压头表面；
5）将待键合偶的两侧的电互连焊盘对准，使所述凸点与所述镍微针锥匹配接触，向待键合元件施加键合压力和超声振动并保持一定时间，使得所述凸点与所述镍微针锥互连键合。
优选地，所述镍微针锥的形成通过电沉积法实现，通过控制添加剂浓度、时间、电沉积温度、电流密度等参数，控制针锥高度在500纳米至2000纳米之间，所述镍微针锥的锥底直径在200纳米至1000纳米之间。
优选地，同一焊盘的所述镍微针锥的针锥高度基本一致。
优选地，形成镍微针锥后，在所述镍微针锥表面制备防氧化层。
优选地，所述防氧化层为高温下抗氧化的Au、Pt、Ag、Pd等金属单质或合金，厚度为数纳米至数十纳米，不改变镍微针锥的形貌结构。
优选地，所述压头为中空结构，通过真空负压方式吸附所述待键合元件，键合过程结束后压头复位并脱离元件。
优选地，所述超声振动由超声波发生器产生，超声频率一般为10-150kHz，通过机械装置传导至所述压头及所述待键合元件。
优选地，键合过程在压力及超声振动下保持数百至数千微秒，保持时间由焊料金属种类、键合压力、超声功率及频率要求的最优化结果决定。
优选地，所述凸点表面的低硬度第二金属材质包括锡、铟、锡合金或铟合金。
优选地，所述凸点表面的低硬度第二金属层通过电沉积法、化学沉积法、气相沉积法或涂覆法设置在所述凸点表面。
一般，键合过程在室温下进行，操作温度为15摄氏度至40摄氏度，由于超声振动摩擦而产生的局部温度升高不影响本方法的效果；键合压力一般在0.1-20MPa之间，依据键合超声功率而定；键合时间一般在0.2-5s之间，依据键合压力和键合超声功率而定。操作温度低，键合时间短，更易于操作，可广泛应用。
相较于现有技术，本发明具有以下优点：
本发明中镍微针锥与固态焊料有良好的机械咬合作用，同时其良好的表面活性导致的互扩散强化机制会增强键合效果；本发明中的超声振动能可以软化焊料，明显地防止键合过程空洞的发生，进而有效地降低键合温度，提高键合质量。
附图说明
下面结合附图对本发明的实施方式作进一步说明：
图1为本发明的镍微针锥与凸点在键合之前的剖面图。
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
请参阅图1，本发明的基于镍微针锥的固态超声键合方法，包括以下步骤：
1）选择具有相互匹配的电互连焊盘的两个或多个待键合元件，两两形成一待键合偶；
2）在待键合偶的其中一侧的电互连焊盘上形成凸点120，凸点120的底部为第一金属，凸点120的表面设有低硬度第二金属；
3）在待键合偶的另一侧的电互连焊盘上形成镍微针锥130；
4）将待键合偶的一侧元件吸附在键合装置压头110表面；
5）将待键合偶的两侧的电互连焊盘对准，使所述凸点120与所述镍微针锥130匹配接触，向待键合偶的一侧施加键合压力和超声振动并保持一定时间，使得凸点120与镍微针锥130互连键合。
实施例1
（1）凸点120制备：在印刷线路板(PCB) 用于球栅阵列(BGA) 型表面贴装的焊盘区域金属块上制备300 - 800 μm 的锡合金焊球；
（2）镍微针锥130制备：在另一印刷线路板(PCB) 用于球栅阵列(BGA) 型表面贴装的焊盘区域金属块上制备镍微针锥130，先通过电化学除油处理清洁表面，随后浸入20wt.% 硫酸中活化以提高表面活性。使用电沉积方法制备镍针锥，所用电解液成分为: 120g/L 的NiCl2、40g/L 的H3BO4 、200g/L的结晶调整剂。电沉积条件为60°C，pH=4，电流密度为2A/dm2，沉积时间为20min。制备的镍针锥高度大约1000nm，锥体直径由约300nm～500nm；
（3）将含有凸点和镍针锥的芯片面对面放置对准，放到压头附近，压头通过真空力将其中一侧芯片吸附在表面，调节键合压力参数，调节超声功率及频率，调节时间控制器，打开开关后，压头以超声功率20W，等效静压力10MPa，键合时间1s，完成键合。键合后关闭压头110的真空，取下芯片和基板。
实施例2
在带有I/O焊盘的裸芯片上，通过标准光刻图形化、溅射沉积和电化学沉积等工艺形成凸点120下金属层（UBM）、铜柱凸点、镍阻挡层和凸点表面的锡层，典型的铜柱凸点尺寸为直径60μm、高度40 μm。典型的阻挡层厚度为1 μm。典型的锡层厚度为5 μm，高度差异小于0.5 μm。在倒装基片的焊盘区域通过化学沉积或电沉积法制备镍微针锥130和防氧化层Au层，整体厚度约为5 μm，针锥高度约为1 μm，Au层厚度为10nm，此厚度的Au不会对针锥结构产生影响。将用酸洗去表面氧化层的芯片放到压头110附近，压头110通过真空力将芯片吸附在表面，将凸点120与镍微针锥130对准，调节键合压力参数，调节超声功率及频率，调节时间控制器，打开开关后，压头以超声功率20W，等效静压力10MPa，键合时间1s，完成键合。键合后关闭压头真空，取下芯片和基片。
实施例3
在正面带有I/O 焊盘、背面带有通过硅通孔互连(TSV) 至器件面的裸芯片正面I/O 焊盘形成凸点120下金属层(UBM) 和锡层，典型的锡层厚度为2 - 5 μm，高度差异小于0.5 μm。芯片通常已减薄至100 μm 以下，在背面磨平并裸露的TSV 填充金属表面制备镍微针锥130和表面防氧化Ag层，整体厚度约为5 μm，表面针锥高度约1 μm，Ag层厚度约10 nm。使用等离子清除表面氧化层和沾污颗粒后，将制备有此结构的硅片放在压头110附近，压头110通过真空力将芯片吸附在表面，将凸点120与镍微针锥130对准，调节键合压力参数，调节超声功率及频率，调节时间控制器，打开开关后，压头以超声功率20W，等效静压力10MPa，键合时间1s，完成键合。键合后关闭压头真空，取下芯片和基板。
进一步地，镍微针锥130的形成可以通过电沉积法实现，通过控制添加剂浓度、时间、电沉积温度、电流密度等参数，控制镍微针锥130的针锥高度在500纳米至2000纳米之间，镍微针锥130的锥底直径在200纳米至1000纳米之间。镍微针锥130表面可制备防氧化层，由高温抗氧化的Au、Pt、Ag、Pd等金属单质或合金组成，厚度为数纳米至数十纳米，不改变镍微针锥130的形貌结构；压头110为中空结构，通过中间管道以真空负压方式吸附待键合元件，键合过程结束后压头110复位并脱离元件。
进一步地，超声振动由超声波发生器产生，超声频率一般为10-150kHz，通过机械装置传导至压头110及待键合元件；键合过程在压力及超声振动下保持数百至数千微秒，保持时间由焊料金属种类、键合压力、超声功率及频率要求的最优化结果决定。
进一步地，凸点120表面的低硬度第二金属材质包括锡、铟、锡合金或铟合金；低硬度第二金属层通过电沉积法、化学沉积法、气相沉积法或涂覆法设置在凸点120表面。
一般，键合过程在室温下进行，操作温度为15摄氏度至40摄氏度，由于超声振动摩擦而产生的局部温度升高不影响本方法的效果；键合压力一般在0.1-20MPa之间，依据键合超声功率而定；键合时间一般在0.2-5s之间，依据键合压力和键合超声功率而定。操作温度低，键合时间短，更易于操作，可广泛应用。
此处公开的仅为本发明的优选实施例，本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，并不是对本发明的限定。任何本领域技术人员在说明书范围内所做的修改和变化，均应落在本发明所保护的范围内。
Claims (10)
1.一种基于镍微针锥的固态超声键合方法，其特征在于，包括步骤如下：
1）选择具有相互匹配的电互连焊盘的两个或多个待键合元件，两两形成一待键合偶；
2）在待键合偶的其中一侧的电互联焊盘上形成凸点，所述凸点底部为第一金属，所述凸点的表面设有低硬度第二金属；
3）在待键合偶的另一侧的电互联焊盘上形成镍微针锥；
4）将待键合偶的一侧元件吸附在键合装置压头表面；
5）将待键合偶的两侧的电互连焊盘对准，使所述凸点与所述镍微针锥匹配接触，向待键合偶的一侧施加键合压力和超声振动并保持一定时间，使得所述凸点与所述镍微针锥互连键合。
2.根据权利要求1所述的基于镍微针锥的固态超声键合方法，其特征在于，所述镍微针锥的形成通过电沉积法实现，所述镍微针锥的针锥高度在500纳米至2000纳米之间，所述镍微针锥的锥底直径在200纳米至1000纳米之间。
3.根据权利要求2所述的基于镍微针锥的固态超声键合方法，其特征在于，同一焊盘的所述镍微针锥的针锥高度基本一致。
4.根据权利要求3所述的基于镍微针锥的固态超声键合方法，其特征在于，形成镍微针锥后，在所述镍微针锥表面制备防氧化层。
5.根据权利要求4所述的基于镍微针锥的固态超声键合方法，其特征在于，所述防氧化层为高温下抗氧化的Au、Pt、Ag、Pd等金属单质或合金，厚度为数纳米至数十纳米。
6.根据权利要求1所述的基于镍微针锥的固态超声键合方法，其特征在于，所述压头为中空结构，通过真空负压方式吸附所述待键合元件，键合过程结束后压头复位并脱离元件。
7.根据权利要求1所述的基于镍微针锥的固态超声键合方法，其特征在于，所述超声振动由超声波发生器产生，通过机械装置传导至所述压头及所述待键合元件。
8.根据权利要求7所述的基于镍微针锥的固态超声键合方法，其特征在于，键合过程在压力及超声振动下保持数百至数千微秒。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的基于镍微针锥的固态超声键合方法，其特征在于，所述凸点表面的低硬度第二金属材质包括锡、铟、锡合金或铟合金。
10.根据权利要求9所述的基于镍微针锥的固态超声键合方法，其特征在于，所述凸点表面的低硬度第二金属层通过电沉积法、化学沉积法、气相沉积法或涂覆法设置在所述凸点表面。
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