专利名称：具有优化的密封剂粘附性的倒装芯片封装及其制造方法
技术领域：
本发明涉及利用改进的模块组装方法制造电子模块即倒装芯片封装。该改进的方法通过处理芯片的钝化涂层增强芯片与基片间的粘附性。结果提供了更坚固的电子模块。
一般说，在倒装芯片封装中，基片上安装一个或多个集成电路芯片，以组成该电子模块。芯片上的焊盘通过例如焊点等多个电接点电和机械连接到基片上的对应焊盘上。然后，将芯片和基片置于较高温度下，使焊料熔化润湿模块上的每个焊盘。冷却该组装件，使焊料固化，从而在芯片和基片间提供一个或多个电接点，形成电子模块。
然后，模块接收不导电的底层填料，以减少焊点的疲劳，使芯片与基片间更好地粘附，并保护模块不受沾污。在底层填充电子模块时，允许一般为环氧树脂的聚合物与陶瓷或玻璃填料一起在芯片下焊点间流动，并在升高的温度下加热，以固化底层填料。
然而，很难增强芯片与底层填料间的粘附性。固化后芯片上的钝化层基本上是惰性的。所以，希望处理芯片的固化钝化层，以便它具有活性，并能粘合到底层填料上。
因此，考虑到现有技术的这些问题和缺陷，本发明的目的是提供一种芯片和基片间具有增强的粘附性的坚固电子模块。
本发明另一目的是提供一种组装芯片和基片间具有增强的粘附性的坚固电子模块的方法。
本发明的其它目的和优点部分很明显，部分将通过以下的说明显现出来。
本发明实现了对所属领域的技术人员来说很显然的上述和其它目的和优点，按本发明的第一方面，提供一种增强粘附性的方法，包括以下步骤(a)提供聚合物膜；(b)通过氧化聚合物膜的表面使聚合物膜改性，形成改性的聚合物膜；(c)用聚酰胺处理改性的聚合物膜；(d)提供聚合物材料粘附到聚合物膜上；及
(e)使聚合物材料与聚合物膜接触。
另一方面，本发明提供一种形成电子模块的方法，包括以下步骤(a)提供其上具有钝化层的集成电路芯片；(b)通过氧化钝化层的表面使钝化层改性，形成改性的钝化层；(c)用聚酰胺处理改性的钝化层；(d)提供基片；(e)使芯片与基片接触；(f)用密封剂底层填充芯片和基片间的间隙；及(g)固化密封剂。
步骤(b)较好是包括以约25-200cc/分钟的O2流量，在约0.1-1乇下，在约200-约400W下，用O2等离子体，将钝化层改性约0.2-5分钟，形成改性的钝化层。或者，步骤(b)可以包括在波长为184.9nm和253.7nm的条件下，用紫外光和O3将钝化层改性约1-30分钟，形成改性的钝化层。步骤(c)较好是包括用分子量高达约500000的聚酰胺的约0.1-50wt％的溶液处理改性的钝化层。
聚酰胺较好是包括具有以下结构之一的环酰胺
其中R可以包括分子式为CxH2x-1的合适的烷基，其中X从1-10，n为约90-5000。
根据再一方面，本发明提供一种形成电子模块的方法，包括以下步骤(a)提供其上具有聚酰亚胺层的集成电路芯片，聚酰亚胺层的表面被改性形成改性的聚酰亚胺层；(b)用聚(4-丁吡)的1-5％溶液处理改性的聚酰亚胺层；(c)提供具有对应于芯片上焊点的互连焊盘的基片；(d)使芯片与基片接触；
(e)通过回流焊点电连接和机械连接芯片与基片，从而形成电子模块(f)用密封剂底层填充电子模块；及(g)以充足的时间和温度固化密封剂。
步骤(b)较好是包括在约0℃，用聚(4-丁吡)的5％溶液处理改性的聚酰亚胺层约5分钟，以便聚(4-丁吡)基本上涂敷在改性的聚酰亚胺层上。在步骤(e)回流焊点期间，聚(4-丁吡)较好是基本上与改性的聚酰亚胺层反应。
按又再一方面，本发明提供一种处理晶片以提供电子模块中粘附性增强的芯片的方法，包括以下步骤(a)提供具有多个电器件和形成于其上的钝化层的晶片；(b)构图并腐蚀钝化层，形成对应于电器件的键合焊盘；(c)在键合焊盘上施加焊料；(d)氧化钝化层的表面，形成改性的钝化层；(e)用约0.1-50wt％的聚酰胺溶液处理改性的钝化层；(f)回流焊料；及(g)将晶片切片，形成分立芯片。
聚酰胺较好是包括具有以下结构的环酰胺
其中R可以包括分子式为CxH2x-1的合适的烷基，其中X从1-10，n为约90-5000。聚酰胺更好是包括分子量约为20000的聚(4-丁吡)。
根据最后一方面，本发明提供一种电子模块，包括基片；通过多个焊点与基片对准的集成电路芯片，所说芯片上具有钝化层，所说钝化层具有用聚酰胺氧化处理过的表面；置于芯片和基片间的底层填料，其中热处理模块以回流焊点，所说钝化层的氧化表面适于与所说聚酰胺反应，并在所说底层填料固化期间，所说底层填料适于与所说聚酰胺反应。
聚酰胺较好是包括聚(4-丁吡)。
本发明的新颖特征及本发明的基本特征具体记载于所附的权利要求书中。附图只用于例示，并未按比例画出。但是，参考以下结合附图的详细介绍可以最好地理解本发明自身，即其结构和操作方法，其中
图1是本发明方法的优选实施例的芯片级流程图；图2是本发明方法的优选实施例的晶片级流程图；图3是根据本发明方法组装的电子模块的剖面图；图4剥离根据本发明的方法处理过的倒装芯片实验样品与未处理过的样品的芯片剥离实验所需力量的比较图。
在介绍本发明的优选实施例时，参考图1-4，其中类似的数字表示本发明的类似特征。本发明的特征不必按比例画于附图中。
本发明旨在提供一种层叠的倒装芯片封装结构，该结构坚固，芯片钝化和底层填料界面处具有高抗裂和抗剥离性。通过较好是根据图1的流程概括的步骤将芯片表面改性，形成坚固电子模块或倒装芯片封装，从而实现本发明的目的。
其上具有多个电器件的典型集成电路芯片可以安装于单层或多层基片上。一般情况下，芯片上的焊盘通过例如焊点等多个电接点与基片上的对应焊盘电和机械连接。焊点可以利用所属领域已知的任何方式例如镀敷或蒸发形成在芯片上。
一般情况下，在形成焊点前，芯片上较好是涂敷合适的钝化层并固化。合适钝化材料的例子可以包括聚酰亚胺、苯并环丁烯、和聚酰亚胺-聚硅氧烷共聚物。优选的钝化材料包括聚酰亚胺。在需要焊点的位置，一般按所属领域的公知方法构图和腐蚀钝化层。由于钝化层较好是固化的聚合物材料，所以基本没有活性，必须处理以便与另一聚合物反应，所以，为了增强钝化层与底层填料间的粘附性，钝化层表面必须改性，以便提供必需的活性点。
本发明利用钝化材料表面的化学改性形成改性的钝化层，然后用非硅烷耦合剂具体为聚酰胺耦合剂处理改性的钝化层。较好是暴露于氧化气氛来化学改性钝化层到足够的深度，使之比固化的钝化材料更具活性。自然，也可以用其它化学改性技术，例如钝化层的离子束轰击。估计钝化材料的化学改性允许通过充分氧化钝化材料的上表面在钝化材料的表面上形成自由羧基。
氧化气氛较好是包括以下条件下的O2等离子体约0.1-1乇，约25-200cc/分钟的O2流量，在约200到400W下，在约0.2-5分钟内。更好是，在约0.35乇，约75cc/分钟的流量，在约1-3分钟内，在约300W下，等离子反应室中发生O2等离子体。
另一实施例利用能够在UV/O3反应室内从包围芯片的空气产生O3的紫外(UV)光源。芯片一般置于离UV光源约2-50mm远的距离处，暴露于UV和所产生的O3中约1-30分钟。UV光源产生的波长为184.9nm和253.7nm。芯片较好是置于离光源约5-6mm远处光照约5-10分钟。
芯片钝化材料被改性后，例如通过浸渍芯片，在芯片表面施加合适溶剂中的非硅烷耦合剂特别是聚酰胺耦合剂的稀释溶液。较好是聚酰胺耦合剂的分子量高达约500000，更好是约20000。聚酰胺可以包括饱和和未饱和脂族和环酰胺及酰胺的季胺盐。较好是为了溶液的灵活性，聚酰胺具有脂族主链，并带有从脂族主链分支的酰胺官能团。较好是利用任何可溶解酰胺的合适溶剂，以约0.1-50wt％的溶液，更好是以约1-5％的浓度使用聚酰胺。
较好是聚酰胺包括具有以下结构之一的环酰胺
吡啶 吡咯烷酮 哌啶其中R可以包括分子式为CxH2x-1的合适的烷基，其中X从1-10，更好是X为1(甲基)或2(乙基)，n为约90-5000。环酰胺更好是包括聚(3-丁吡)、聚(4-丁吡)、2-甲基-5-丁吡、5-乙基-2-丁吡、聚(3-乙烯吡咯烷酮)、聚(4-乙烯吡咯烷酮)、聚(3-乙烯哌啶)、及聚(4-乙烯哌啶)。由于表明聚(4-丁吡)更有效，所以更好是聚酰胺包括聚(4-丁吡)。聚(4-丁吡)用在甲醇溶液中，浓度约1-5％更好约5％。例如聚(N-甲基-4-溴化苯基偶氮二氨基吡啶)等合适的聚酰胺的季胺盐也可用于本发明，以便在制备该溶液时，使聚酰胺具有更好的溶解度。
通过利用物理电子5500多探针能谱仪的X射线光电子能谱分析法(XPS)，监测具有聚酰亚胺钝化涂层的芯片表面。以下的表格示出了处理前、表面化学改性后及用聚酰胺处理后，聚酰亚胺表面的碳、氮及氧的原子百分比。样品芯片具有PMDA-ODA聚酰亚胺涂层。表面改性技术在O2流量约75cc/分钟，约0.35乇的条件下，使用O2等离子体约3分钟，然后用聚(4-丁吡)的5％溶液处理。
表I
将聚酰亚胺暴露于O2等离子体，由于聚酰亚胺结构的氧化，增加了聚酰亚胺表面的氧浓度。聚酰亚胺环的氧化在表面上形成了自由羧基，提供了附着聚酰胺所需的活性点。用聚酰胺处理后，由于聚酰胺被吸收到改性的聚酰亚胺表面上，所以氮和碳的浓度象预计的那样增大。
本发明方法的最优选实施例采用甲醇中约1-5％的聚(4-丁吡)稀释溶液。芯片在约0℃浸于该溶液约1-30分钟，较好是5分钟，以使酰胺充分吸收到改性的钝化材料上，形成季胺盐。然后，用甲醇漂洗芯片，去掉任何过量的未吸收酰胺。一般情况下，优选采用一种以上酰胺溶液，以确保在改性的钝化材料表面上形成季胺盐。
用聚酰胺耦合剂处理芯片后，对准芯片上的焊点，以便与基片上的互连焊盘对应。焊点可以成流体，以增加焊料的润湿性。通过在一定时间内和温度下加热到足以使焊料熔化，回流焊点。尽管理论上不希望被耦合，但相信回流期间，聚酰胺与钝化层表面上的改性钝化材料反应。然而，为了与底层填料的进一步反应，沿聚酰胺链仍有未耦合点，以提供本发明的粘附强度。
焊点回流后，用合适的密封剂底层填充倒装芯片封装。典型的密封剂包括聚合物，较好是所属领域公知的环氧树脂。合适的密封剂可以从Dexter Corporation of Industry(Califoria)买到，其商品名为FP4511和FP4527。按常规方法，沿芯片的边缘散布密封剂，并通过毛细作用填充芯片和基片间的间隙。在密封剂的制造商规定的合适条件下固化了底层填充密封剂后，密封剂与聚酰胺耦合剂化学反应。相信通过与改性的钝化材料反应一端固定于钝化层上的聚酰胺在环氧环点与密封剂反应，聚酰胺上留下自由酰胺官能团。
图3示出了所得电子模块，其中具有改性的钝化层5的半导体芯片利用焊点10连接到基片上。底层填料15散布于芯片和基片间。聚酰胺与改性的钝化材料和底层填料反应，以增强芯片与底层填料界面间的粘附性。
利用本发明的方法未曾想到的优点有，可以在晶片级用聚酰胺处理芯片。处理晶片增强了可制造性，降低了倒装芯片封装的成本。图2的流程图展示了在晶片级实施本发明方法的步骤。
用钝化材料涂敷其上形成有一个或多个器件或电路的硅晶片，并固化。通过按常规方法构图并腐蚀，限定每个所得芯片的焊盘区。利用常规方法例如镀敷或蒸发，形成每个所得芯片的焊点。
象上述一样对晶片进行化学改性，氧化钝化材料的表面。聚酰胺溶液施加于改性的钝化材料上。回流晶片上淀积的焊料，形成均匀的球形。将晶片切片，分割成分立芯片。分立芯片电连接和机械连接到基片和所加的底层填料上，并固化。晶片级的处理也可以采用与如上讨论的芯片级所用相同的条件。
另一未曾预计到的优点是，基片是有机基片。用聚酰胺氧化并处理其上可以有钝化涂层或其它聚合物涂层的有机基片，可以增强底层填料和基片界面间的粘附性。
未曾想到，利用非硅烷耦合剂具体为表明有效的聚酰胺的本发明方法，可以增强芯片和底层填料界面间倒装芯片封装的强度。按本发明组装的没有焊点的倒装芯片实验样品的剥离实验表明，与未处理倒装芯片样品相比，粘附强度提高约120％。令人吃惊的是，处理后的实验样品是如此的坚固，以致于在破裂实验中，尽管层叠衬底的层撕裂，但底层填料和芯片间的界面毫无损伤。
图4展示了按本发明组装的倒装芯片实验样品与未处理倒装芯片实验样品的芯片剥离力的比较。平均说，未处理实验样品的情况下，剥离实验样品需要约14lbs。而在仅用O2等离子体处理实验样品的情况下，剥离倒装芯片需要的力平均约为25lbs。然而，实施本发明时，实验样品在O2流量为约75cc/分钟，约0.35乇的条件下，暴露于O2等离子体约3分钟，然后用甲醇中聚(4-丁吡)的5％的溶液处理，这种情况下，需要的力平均为约32lbs。
本发明实现了上述目的。未曾想到，发现用化学改性剂代替电子模块的芯片上的钝化涂层的表面，然后用聚酰胺耦合剂处理，也可以增强芯片与底层填料界面间的粘附性。由于酰胺用作改性钝化层和底层填料的化学附着点，所以所得电子模块更坚固。
尽管以上结合特定的优选实施例具体介绍了本发明，但显然，在上述介绍的教导下，对于所属领域的技术人员来说，许多替换、改进和变化是很显然的。因此，相信所附权利要求书将包括这些替换、改进和变化，它们皆落入本发明的真正范围和精神内。
权利要求
1.一种增强粘附性的方法，包括以下步骤(a)提供聚合物膜；(b)通过氧化所说聚合物膜的表面使所说聚合物膜改性，形成改性的聚合物膜；(c)用聚酰胺耦合剂处理所说改性的聚合物膜；(d)提供聚合物材料粘附到所说聚合物膜上；及(e)使所说聚合物材料与所说聚合物膜接触。
2.如权利要求1的方法，其中步骤(a)包括提供聚酰亚胺膜。
3.如权利要求1的方法，其中步骤(b)包括将所说聚合物膜暴露于O2等离子体，以形成改性的聚合物膜。
4.如权利要求1的方法，其中步骤(b)包括将所说聚合物膜暴露于紫外光和O3中，以形成改性的聚合物膜。
5.如权利要求1的方法，其中步骤(c)包括用分子量高达约500000的聚酰胺处理所说改性的聚合物膜。
6.一种形成电子模块的方法，包括以下步骤(a)提供其上具有钝化层的集成电路芯片；(b)通过氧化所说钝化层的表面使钝化层改性，形成改性的钝化层；(c)用聚酰胺处理改性的钝化层；(d)提供基片；(e)使所说芯片与所说基片接触；(f)用密封剂底层填充所说芯片和所说基片间的间隙；及(g)固化所说密封剂。
7.如权利要求6的方法，其中步骤(a)包括提供其上具有聚酰亚胺层的集成电路芯片。
8.如权利要求6的方法，其中步骤(b)包括以约25-200cc/分钟的O2流量，在约0.1-1乇下，在约200-约400W下，用O2等离子体，将钝化层改性约0.2-5分钟，形成改性的钝化层。
9.如权利要求6的方法，其中步骤(b)包括在波长为184.9nm和253.7nm的条件下，用紫外光和O3将钝化层改性约1-30分钟，形成改性的钝化层。
10.如权利要求6的方法，其中步骤(c)包括用分子量高达约500,000的聚酰胺的约0.1-50wt％的溶液处理改性的钝化层。
11.如权利要求6的方法，其中步骤(c)用具有以下结构的聚酰胺处理所说改性的有机膜
其中R的分子式为CxH2x-1，X从1-10，n为约90-5000。
12.如权利要求6的方法，其中步骤(c)包括用分子量约为20000约0.1-50wt％的聚(4-丁吡)溶液处理所说改性的有机膜。
13.如权利要求6的方法，其中步骤(c)包括用具有以下结构的聚酰胺处理所说改性的有机膜
其中R的分子式为CxH2x-1，X从1-10，n为约90-5000。
14.如权利要求6的方法，其中步骤(c)包括用具有以下结构的聚酰胺处理所说改性的有机膜
其中R的分子式为CxH2x-1，X从1-10，n为约90-5000。
15.一种形成电子模块的方法，包括以下步骤(a)提供其上具有聚酰亚胺层的集成电路芯片，聚酰亚胺层的表面被改性形成改性的聚酰亚胺层；(b)用聚(4-丁吡)的1-5％溶液处理改性的聚酰亚胺层；(c)提供具有对应于所说芯片上焊点的互连焊盘的基片；(d)使所说芯片与所说基片接触；(e)通过回流所说焊点电连接和机械连接所说芯片与所说基片，从而形成电子模块；(f)用密封剂底层填充所说电子模块；及(g)以充足的时间和温度固化所说密封剂。
16.如权利要求15的方法，其中步骤(a)中，在O2流量约为75cc/分钟，在约0.35乇，约300W的条件下，将聚酰亚胺层暴露于O2等离子体约3分钟，从而将聚酰亚胺层的表面改性。
17.如权利要求15的方法，其中步骤(a)中，将聚酰亚胺层暴露于紫外光和O3中约5分钟，将聚酰亚胺层的表面改性。
18.如权利要求15的方法，其中步骤(b)包括在约0℃，用分子量高达约500,000的聚(4-丁吡)的约5％溶液处理改性的聚酰亚胺层约5分钟，以便聚(4-丁吡)基本上涂敷在改性的聚酰亚胺层上。
19.如权利要求15的方法，其中在步骤(e)，回流所说焊点期间，聚(4-丁吡)基本上与改性的聚酰亚胺层反应。
20.一种处理晶片以提供电子模块中粘附性增强的芯片的方法，包括以下步骤(a)提供具有多个电器件和形成于其上的钝化层的晶片；(b)构图并腐蚀所说钝化层，形成对应于电器件的键合焊盘；(c)在键合焊盘上施加焊料；(d)氧化所说钝化层的表面，形成改性的钝化层；(e)用约0.1-50wt％的聚酰胺溶液处理改性的钝化层；(f)回流所说焊料；及(g)将晶片切片，形成分立芯片。
21.如权利要求20的方法，还包括以下步骤(h)提供基片，对准所说基片上的分立芯片；(i)通过回流所说焊料，电连接和机械连接所说分立芯片与所说基片，从而形成电子模块；(j)用密封剂底层填充所说电子模块；(k)用充足的时间和温度固化所说密封剂。
22.如权利要求20的方法，其中步骤(d)包括通过将钝化层暴露于O2等离子体中，氧化钝化层的表面，形成改性的钝化层。
23.如权利要求20的方法，其中步骤(d)包括通过将钝化层暴露于紫外光和O3中，氧化钝化层的表面，形成改性的钝化层。
24.如权利要求20的方法，其中在步骤(e)，所说聚酰胺具有以下结构
其中R的分子式为CxH2x-1，X从1-10，n为约90-5000。
25.如权利要求20的方法，其中在步骤(e)，所说聚酰胺具有以下结构
其中R的分子式为CxH2x-1，X从1-10，n为约90-5000。
26.如权利要求20的方法，其中在步骤(e)，所说聚酰胺具有以下结构
其中R的分子式为CxH2x-1，X从1-10，n为约90-5000。
27.一种电子模块，包括基片；通过多个焊点与所说基片对准的集成电路芯片，所说芯片上具有钝化层，所说钝化层具有己氧化的表面，并用聚酰胺处理过；置于所说芯片和所说基片间的底层填料，其中热处理模块以回流焊点，所说钝化层的所述己氧化表面适于与所说聚酰胺反应，并在所说底层填料固化期间，所说底层填料适于与所说聚酰胺反应。
28.如权利要求27的电子模块，其中用包括聚(4-丁吡)的聚酰胺处理所说改性的钝化层。
29.一种由权利要求6的方法制造的电子模块。
30.一种由权利要求15的方法制造的电子模块。
全文摘要
这里公开了一种芯片钝化层和底层填料界面处粘附性增强的电子模块。芯片钝化层的表面被化学改性剂足够的深度,以使固化的钝化层更活泼。用较好具有从较好是脂族主链上延伸出的环酰胺基的聚酰胺处理改性的表面。加热回流电子模块的焊点期间,改性的钝化层与聚酰胺的酰胺官能团反应。用聚合物材料较好是环氧树脂底层填充了电子模块后,在底层材料固化期间,钝化层表面上的聚酰胺与底层填料反应。所得电子模块更坚固。还公开了在芯片和晶片级利用聚酰胺处理组装电子模块的方法。
文档编号C08J7/00GK1267908SQ0010430
公开日2000年9月27日 申请日期2000年3月16日 优先权日1999年3月19日
发明者R·R·科德纳尼, L·J·马廷索, S·K·特兰 申请人:国际商业机器公司