CN118073276B - 一种改善倒扣焊器件凸点焊接强度的后处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种改善倒扣焊器件凸点焊接强度的后处理方法，包括以下步骤：步骤S1.提供相同凸点结构的芯片和基板，芯片包括硅层和间隔设置在硅层上的第一凸点，基板包括基体层和间隔设置在基体层上的第二凸点，第一凸点和第二凸点的材料相同，将第一凸点和第二凸点焊接面上涂覆一层助焊剂；步骤S2.将芯片第一凸点和基板的第二凸点对齐组装，组装完成后，倒装键合得到器件；步骤S3.将器件在温度T1下快速加热1min，随后将器件在温度T2下保温t₁，最后将器件冷却至温度T3后取出。本发明通过对凸点焊接后处理，可释放凸点内部残余应力和加强扩散界面强度，从而提高焊接强度，极大适用于微凸点的焊接工艺，可以弥补高集成化、微型化器件强度缺陷和可靠性问题。

Description

一种改善倒扣焊器件凸点焊接强度的后处理方法

技术领域

本发明涉及集成电路封装技术领域，尤其是一种改善倒扣焊器件凸点焊接强度的后处理方法。

背景技术

随着大数据、5G、人工智能、移动互联网的迅猛发展，尤其是工艺节点到7nm之后，物理效应、成本的限制使得摩尔定律明显放缓。在“后摩尔时代”，依靠先进封装互连技术的创新来满足系统微型化、多功能化的需求，这将是集成电路制造行业发展的重要方向之一。

为了满足高性能芯片的应用需求，未来先进封装互连技术将不断向高密度、高可靠的方向发展，高密度即指焊点节距将不断减小至10μm以下；Cu-Cu键合作为一种新方法发展迅速，Cu成本低廉，具有优异的导电、导热性能，良好的抗电迁移能力和热机械可靠性，而且Cu在键合过程中始终处于固态，无软钎焊的外溢问题，可实现窄节距互连，Cu-Cu键合技术可满足高密度、高可靠互连，未来有可能获得大规模应用。

微凸点、小节距的封装互连技术逐渐成为一种趋势，但是由于凸点直径的减小及节距的缩短，焊接过程中，凸点之间的接触面积变得更小，会直接影响凸点焊接强度，导致器件存在强度风险，因此微凸点、小节距的产品焊接强度成为亟待解决的问题。

发明内容

针对现有技术中存在的不足，本发明提供一种改善倒扣焊器件凸点焊接强度的后处理方法，以解决具有高集成度的微凸点、小节距倒装键合工艺产品由于凸点直径过小而存在强度失效风险和可靠性较差的问题以及由残余应力引起的凸点断裂问题。

本发明采用的技术方案是：

一种改善倒扣焊器件凸点焊接强度的后处理方法，其中：包括以下步骤：

步骤S1.提供相同凸点结构的芯片和基板，芯片包括硅层和间隔设置在硅层上的第一凸点，所述基板包括基体层和间隔设置在基体层上的第二凸点，所述第一凸点和第二凸点的材料相同，将第一凸点和第二凸点焊接面上涂覆一层助焊剂；

步骤S2.将芯片第一凸点和基板的第二凸点对齐组装，组装完成后，通过焊接的方式进行倒装键合，清洗去除助焊剂，得到器件；

步骤S3.将器件在温度T1下快速加热1min，随后将器件放入烘箱中在温度T2下保温t₁， 最后将器件随烘箱冷却至温度T3后取出。

优选的是，所述的改善倒扣焊器件凸点焊接强度的后处理方法，其中：第一凸点和第二凸点材料均为铜，芯片与基板采用热压焊接的方式进行倒装键合。

优选的是，所述的改善倒扣焊器件凸点焊接强度的后处理方法，其中：第一凸点和第二凸点直径均为8-40μm，凸点间距≥10μm。

优选的是，所述的改善倒扣焊器件凸点焊接强度的后处理方法，其中：T1为300℃~310℃。

优选的是，所述的改善倒扣焊器件凸点焊接强度的后处理方法，其中：第一凸点和第二凸点材料均为铜和锡，第一凸点和第二凸点均包括铜柱和锡帽，所述硅层、基体层上均设置铜柱，所述铜柱上设置锡帽，所述铜柱厚度不小于3μm，锡帽厚度不小于2μm，芯片与基板采用回流焊接的方式进行倒装键合形成金属间化合物Cu_xSn_y。

优选的是，所述的改善倒扣焊器件凸点焊接强度的后处理方法，其中：第一凸点和第二凸点的直径＞40μm。

优选的是，所述的改善倒扣焊器件凸点焊接强度的后处理方法，其中：T1为252℃~282℃。

优选的是，所述的改善倒扣焊器件凸点焊接强度的后处理方法，其中：步骤S3中T2为145-155℃，t₁为25-35min；T3为60~80℃。

优选的是，所述的改善倒扣焊器件凸点焊接强度的后处理方法，其中：t₁和随烘箱冷却的总时间＜1h。

通过助焊剂来帮助焊接和去除凸点表面氧化物，倒装键合完成后，在温度T1（凸点材料固液扩散温度点）快速加热1min，使凸点达到固液扩散温度；将器件移入150±5℃烘箱中保温30±5min，此过程促进凸点残余应力的释放和原子扩散和晶粒的再生长，保温完成后，将器件随炉从150℃冷却至60~80℃后取出；通过温度调节控制IMC层生长及残余应力释放过程，但为了避免IMC层过度生长引起焊接强度下降，需控制保温阶段和随炉冷却阶段总上限时间不超过1h，确定IMC层生长的安全阀值。

本发明的改善倒扣焊器件凸点焊接强度的后处理方法，对已知强度不够或强度存在残余应力风险电路的凸点后处理方法，可极大补偿改善凸点焊接强度，有效去除凸点内部残余应力及加强扩散界面强度，从而提高焊接强度，极大适用于微凸点、小节距器件的倒装键合工艺。

本发明的优点：

本发明的改善倒扣焊器件凸点焊接强度的后处理方法，通过对凸点焊接后处理，可释放凸点内部残余应力和加强扩散界面强度，从而提高焊接强度，极大适用于微凸点的焊接工艺，可以弥补高集成化、微型化器件强度缺陷和可靠性问题。

附图说明

图1为本发明实施例1的芯片凸点结构示意图。

图2为本发明实施例1的基板凸点结构示意图。

图3为本发明实施例1的芯片和基板倒装键合的过程示意图。

图4为本发明实施例1和实施例2的基板与芯片焊接完成后器件结构示意图。

图5为本发明实施例2的芯片凸点结构示意图。

图6为本发明实施例2的基板凸点结构示意图。

图7为实施例2的回流曲线示意图。

图8为本发明倒扣焊器件焊接在烘箱中快速加热、保温过程及随炉冷却过程的工艺曲线图。

具体实施方式

下面结合具体附图和实施例对本发明作进一步说明。

实施例1

一种改善倒扣焊器件凸点焊接强度的后处理方法，其中：包括以下步骤：

如图1-2，步骤S1. 提供相同凸点结构的芯片1和基板2，芯片1包括硅层1-1和间隔设置在硅层上的第一凸点1-2，所述基板2包括基体层2-1和间隔设置在基体层上的第二凸点2-2；所述第一凸点1-1和第二凸点2-2的材料均为Cu，将第一凸点1-2和第二凸点2-2焊接面上分别涂覆一层20μm厚的助焊剂，助焊剂生产厂家为千住公司，牌号为WF-6070SP，第一凸点1-2、第二凸点2-2为微凸点，第一凸点1-2、第二凸点2-2直径为15μm，第一凸点1-2、第二凸点2-2间距为20μm；

步骤S2.如图3-4，将芯片1第一凸点1-2和基板2的第二凸点2-2对齐组装，组装完成后，芯片1与基板2采用热压焊接的方式进行倒装键合，焊接完成后清洗去除助焊剂，得到器件，倒装键合采用设备为FC300，热压焊接的温度为320℃，热压压力为2.3N，加压时间为10min，第一凸点1-2和第二凸点2-2焊接完成；

步骤S3.如图8， Cu-Cu热压键合为低温扩散键合，固液扩散键合温度范围为300℃~310℃，则T1选用305℃，将器件在305℃下快速加热1min，随后将器件放入烘箱中在150℃下保温30min， 此过程促进凸点残余应力的释放和原子扩散和晶粒的再生长，最后将器件随烘箱冷却至70℃后取出，保温阶段和随烘箱冷却阶段总时间不超过1h，经过此后处理过程，芯片剪切强度可增加至原来的2~3倍，器件在烘箱中快速加热、保温过程及随炉冷却过程工艺曲线如图8所示。

实施例2

一种改善倒扣焊器件凸点焊接强度的后处理方法，其中：包括以下步骤：

如图5-6，步骤S1. 提供相同凸点结构的的芯片1和基板2，芯片1包括硅层1-1和间隔设置在硅层1-1上的第一凸点1-2，所述基板2包括基体层2-1和间隔设置在基体层上的第二凸点2-2，所述第一凸点1-2和第二凸点2-2的材料均为铜和锡，第一凸点1-2和第二凸点2-2结构均为铜柱1-3上电镀锡帽1-4，呈“铜柱+锡帽”型，其中铜柱1-3厚度为40μm，锡帽1-4厚度为20μm，将第一凸点1-2和第二凸点2-2焊接面上分别涂覆一层20μm厚的助焊剂，助焊剂生产厂家为千住公司，牌号为WF-6070SP，所述第一凸点1-2、第二凸点2-2尺寸类型为常规型凸点，第一凸点1-2、第二凸点2-2直径为80μm，第一凸点1-2、第二凸点2-2间距均为100μm；

步骤S2.如图4和图7，将芯片1第一凸点1-2和基板2的第二凸点2-2对齐组装，组装完成后，芯片1与基板2采用回流焊接的方式进行倒装键合形成金属间化合物Cu_xSn_y，清洗去除助焊剂，得到器件，倒装键合采用设备为贴片机，回流温度为265℃，回流时间为60s，第一凸点1-2、第二凸点2-2焊接完成；

步骤S3.如图8，回流焊接为固液扩散键合，固液扩散键合温度范围为252℃~282℃，则T1选用260℃，将器件在260℃下快速加热1min，随后将器件放入烘箱中在150℃下保温30min， 最后将器件随烘箱冷却至70℃后取出，保温阶段和随烘箱冷却阶段总时间不超过1h，经过此后处理过程，芯片剪切强度可增加至原来的2~3倍，器件在烘箱中快速加热、保温过程及随炉冷却过程工艺曲线如图8所示。

对比例1

一种改善倒扣焊器件凸点焊接强度的后处理方法，其中：包括以下步骤：

如图1-2，步骤S1.提供相同凸点结构的芯片1和基板2，芯片1包括硅层1-1和间隔设置在硅层上的第一凸点1-2，所述基板2包括基体层2-1和间隔设置在基体层上的第二凸点2-2，所述第一凸点1-1和第二凸点2-2的材料均为Cu，将第一凸点1-1和第二凸点2-2焊接面上分别涂覆一层20μm厚的助焊剂，助焊剂生产厂家为千住公司，牌号为WF-6070SP，第一凸点1-2、第二凸点2-2为微凸点，第一凸点1-2和第二凸点2-2直径为15μm，第一凸点1-2、第二凸点2-2的凸点间距均为20μm；

步骤S2.如图4，将芯片第一凸点1-2和基板2的第二凸点2-2对齐组装，组装完成后，芯片1与基板2采用热压焊接的方式进行倒装键合，清洗去除助焊剂，得到器件，倒装键合采用设备为FC300，热压焊接的温度为320℃，热压压力为2.3N，加压时间为10min，第一凸点1-2、第二凸点2-2焊接完成。

对比例2

一种改善倒扣焊器件凸点焊接强度的后处理方法，其中：包括以下步骤：

如图5-6，提供相同凸点结构的的芯片1和基板2，芯片1包括硅层1-1和间隔设置在硅层上的第一凸点1-2，所述基板2包括基体层2-1和间隔设置在基体层上的第二凸点2-2，所述第一凸点1-2和第二凸点2-2的材料均为铜和锡，第一凸点1-2和第二凸点2-2结构均为铜柱1-3上电镀锡帽1-4，呈“铜柱+锡帽”型，其中铜柱1-3厚度为40μm，锡帽1-4厚度为20μm，将第一凸点1-1和第二凸点2-2焊接面上分别涂覆一层20μm厚的助焊剂，助焊剂生产厂家为千住公司，牌号为WF-6070SP，所述第一凸点和第二凸点尺寸类型为常规型凸点，第一凸点1-2、第二凸点2-2直径均为80μm，第一凸点1-2、第二凸点2-2间距均为100μm；

步骤S2.如图4，将芯片1的第一凸点1-2和基板2的第二凸点2-2对齐组装，组装完成后，芯片1与基板2采用回流焊接的方式进行倒装键合形成金属间化合物Cu_xSn_y，清洗去除助焊剂，得到器件，倒装键合采用设备为贴片机，回流温度为265℃，回流时间为60s，第一凸点1-2、第二凸点2-2焊接完成。

对比例1未经过后处理的芯片剪切强度为0.9kg，实施例1中经过后处理的芯片剪切强度为2.1kg；对比例2中未经过后处理的芯片剪切强度为1.7kg，实施例2中经过后处理的芯片剪切强度为4.1kg。

本发明的改善倒扣焊器件凸点焊接强度的后处理方法，通过对凸点焊接后处理，可释放凸点内部残余应力和加强扩散界面强度，从而提高焊接强度，极大适用于微凸点的焊接工艺，可以弥补高集成化、微型化器件强度缺陷和可靠性问题。

最后所应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照实例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (2)

1.一种改善倒扣焊器件凸点焊接强度的后处理方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤S1.提供相同凸点结构的芯片（1）和基板（2），芯片（1）包括硅层（1-1）和间隔设置在硅层（1-1）上的第一凸点（1-2），所述基板（2）包括基体层（2-1）和间隔设置在基体层（2-1）上的第二凸点（2-2），所述第一凸点（1-2）和第二凸点（2-2）的材料相同，将第一凸点（1-2）和第二凸点（2-2）焊接面上涂覆一层助焊剂；

步骤S2.将芯片（1）第一凸点（1-2）和基板（2）的第二凸点（2-2）对齐组装，组装完成后，通过焊接的方式进行倒装键合，清洗去除助焊剂，得到器件；

步骤S3.将器件在温度T1下快速加热1min，随后将器件放入烘箱中在温度T2下保温t₁，最后将器件随烘箱冷却至温度T3后取出；

第一凸点（1-2）和第二凸点（2-2）材料均为铜和锡，第一凸点（1-2）和第二凸点（2-2）均包括铜柱（1-3）和锡帽（1-4），所述硅层（1-1）、基体层（2-1）上均设置铜柱（1-3），所述铜柱上设置锡帽（1-4），所述铜柱（1-3）厚度不小于3μm，锡帽（1-4）厚度不小于2μm，芯片（1）与基板（2）采用回流焊接的方式进行倒装键合形成金属间化合物Cu_xSn_y；

步骤S3中T1为260℃，T2为150℃，t₁为30min，T3为70℃；t₁和随烘箱冷却的总时间＜1h。

2.根据权利要求1所述的改善倒扣焊器件凸点焊接强度的后处理方法，其特征在于：第一凸点（1-2）和第二凸点（2-2）的直径＞40μm。