专利名称：反应焊接材料的制作方法
技术领域：
所描述的实施方案涉及将器件附着到半导体管芯。具体而言，本文所述的实施方案涉及使用焊接材料将热管理器件(thermal management device)附着到半导体管芯。
背景技术：
在微芯片或管芯的制造过程中，对半导体晶片进行处理，并且将其划片为单独的管芯。然后可以将管芯用在各种各样的器件中。例如，通过将管芯电耦合到器件的印刷电路板(PCB)，可以在电子器件中使用管芯。但是，在进行这样的电耦合之前，常常在管芯的表面附着热管理器件，比如集成散热器(IHS)。IHS可以有助于确保使管芯中的任何热可以被适当地散逸，以防止在操作期间对管芯造成损害。
为了将热管理器件附着到管芯，在管芯的表面上施加粘结剂，然后将该器件放置到粘结剂上面。粘结剂可以包含传统的聚合物(比如，硅氧烷基聚合物)，或其他传统的导热粘结材料。
IHS从管芯散热的能力部分取决于所选择的IHS材料。可以采用高效的散热材料，比如铝和铜。但是，IHS从管芯散热的能力还取决于将IHS固定到管芯的粘结剂。也就是说，从管芯到IHS的传热受限于IHS和管芯之间的粘结剂的导热率。所以，例如，即使是采用高效散热材料的IHS，如果粘结剂的导热率相对较低，那么IHS的效率仍然会大大受到影响。
为了更加有效地传热，焊接材料可以被用作热界面。焊接材料(比如，铟)通常比传统的聚合物粘结剂导热率更高。但是，焊接材料需要金属化的表面、焊剂以及其他处理来完全固化并结合到否则为硅基非金属的表面。金属化操作会导致额外的处理时间和设备。此外，传统的焊料(比如，铟)需要添加焊剂材料，以清洁焊接表面和促进焊料流动。可以通过另外一项设备的注射器来输送焊剂。焊剂输送也会导致额外的处理时间，并且需要将传统的焊接材料结合到金属化表面上。然后在放置热管理器件之前，将焊接材料配送到焊剂上。
尽管传统的焊接材料表现出更好的导热率，但是与在使用传统聚合物粘结剂时已经可以采用的工艺相比，它们仍然要求时间更长且效率更低的工艺。另外还带来了与产率下降相关联的额外设备成本和开销。
图1是一个半导体封装的侧横截面视图，所述封装之上放置有焊料预成型；图2是图1的半导体封装的立体图，所述封装包括反应焊接材料层；图3是图2的半导体封装的侧横截面视图，所述封装容纳由拾取及放置(pick andplace)设备放置的IHS；图4是位于回流(reflow)装置中的图3的半导体封装的侧横截面视图；图5是回流之后的图4的半导体封装的立体图；图6是概述将热管理器件固定到半导体表面的某些实施方案的流程图。
具体实施例方式
下面对反应焊接材料(reactive solder material)和半导体封装的实施方案进行说明。本发明公开了结合反应焊接材料实施方案的封装方法。实施方案的各个方面通过附图进行说明和图示。
尽管参考特定的管芯和某些封装对实施方案进行说明，但是这些实施方案可以适用于将热管理器件固定到半导体表面(比如，管芯或晶片表面)的任何工艺。当将IHS形式的热管理器件固定到被封装的管芯的背面时，这些实施方案可能特别有用。这些实施方案包括这样的方法，即将反应焊接材料施加到管芯的表面，并通过回流结合到所述表面上。
现在参考图1，所示出的半导体封装140容纳有预成型195，该预成型195包括这样的部分即被输送到半导体封装140的半导体表面的反应焊接材料100。在另外的实施方案中，可以用其他方式输送反应焊接材料100。例如，可以采用焊带或其他传统的焊料输送机构。
图6说明了概述本文所述的某些实施方案的流程图，其中热管理器件通过反应焊接材料100的方式(参见图1)被固定到半导体表面。下面通篇的说明中，将参考图6来辅助说明这些实施方案。
继续参考图1，并另外参考图6，反应焊接材料100是最初通过将活性元素材料混进液体形式的基础焊接材料中而形成(框610)。活性元素材料是这样的材料，它可以与基础焊接材料结合，而不会显著地影响反应焊接材料的熔点，同时还能够直接结合到硅基材料或表面。如这里进一步说明的那样，活性元素材料还可以包括稀土元素、过渡元素以及其他元素。反应焊接材料100被结合到焊料预成型195中(框620)，所述预成型与半导体表面(管芯160的表面162)对齐。以这种方式输送焊料预成型195可以用传统的拾取及放置机构来完成。
在所述的实施方案中，半导体表面是如图1所示的管芯160的背面或整个晶片的背面。但是，并不要求半导体表面应当是背面，或管芯160拥有半导体封装140。此外，如这里进一步说明的那样，并且参考图6，反应焊接材料100的实施方案可以被输送到管芯160的表面162(也参见框640)、晶片表面(框650)或热管理器件(框660)。此外，如这里进一步说明的那样，反应焊接材料可以被输送到其他硅基或氧化物表面以进行结合。
如这里进一步说明的那样，反应焊接材料100起到了高导热率粘结剂的作用。此外，反应焊接材料100包括这样的性质，即允许以有效的方式将热管理器件固定到管芯160，而又不牺牲反应焊接材料100的高导热率所赋予的优点。
在所示出的实施方案中，管芯160是单晶硅的，用来作为晶体管和电容器布置的平台，管芯160包括用于电耦合的金属线，这些金属线被层间介电材料隔开。此外，如图所示，管芯160的电接触表面169包括导电凸起165，导电凸起165被电耦合到管芯160的内电路。在一个实施方案中，导电凸起是锡铅焊料。但是，在其他实施方案中，使用了无铅焊料和其他传统材料。在所示出的实施方案中，管芯160还包括没有被金属化的表面162。如这里进一步说明的那样，反应焊接材料100的结合不要求所述表面162金属化。
在图1示出的实施方案中，例如，通过传统的拾取及放置机构，将管芯160放置到封装衬底170之上来形成半导体封装140。放置管芯160使得导电凸起165与封装衬底170的导电焊盘175相接触。然后，在传统的炉中，对半导体封装140进行加热以熔化位于导电焊盘175附近的导电凸起165。例如，在导电凸起165是锡铅、无铅或其他传统焊料的实施方案中，将半导体封装140加热到约180℃到约225℃之间。一旦在导电凸起165和导电焊盘175之间出现可靠的电接触时，将半导体封装140进行冷却以允许导电凸起165凝固并永久性地固定在导电焊盘175上。
然后将半导体封装140放置在底部填料(underfill)的输送装置中，其中使用注射器来输送底部填料的材料167，来填充管芯160和封装衬底170之间的空间。然后，将半导体封装140放置在回流装置中对底部填料的材料167进行加热和固化。在一个实施方案中，底部填料的材料167包括聚合物粘结剂，比如传统的环氧树脂，用回流装置将其加热到约125℃到约225℃之间以进行固化。
如图1的实施方案所示，封装衬底170包括被电耦合到导电结合焊盘175的导电插脚178。这样就允许通过导电插脚178耦合到半导体封装140的任何器件访问管芯160的电路。在其他实施方案中，可以使用球栅阵列(ball grid array)或其他导电机制代替导电插脚178和结合焊盘175来进行电耦合。
可以在封装衬底170表面上的管芯160的周边附近施加密封剂190。密封剂190可以是传统的环氧聚合物，使用注射器对其进行输送，接着进行固化，这与上面的描述以及本文还要进一步说明的底部填料相类似。
接着参考图1，通过传统的拾取及放置机构，焊料预成型195(包括反应焊接材料100)可按如图所示的方式被放置在管芯160的表面162上。对焊料预成型195进行定位使得反应焊接材料100位于管芯160的表面162上。在另一个实施方案中，将经加热熔化形式的反应焊接材料100输送到管芯160的表面162。此外，在如图所示的实施方案中，密封剂190可以在下面所述的回流期间帮助固定集成散热器(IHS)300(见图3)。
如上所提到的那样，反应焊接材料100的实施方案包括这样的性质，所述性质允许以高效的方式进行焊接。特别地，如下面要说明的那样，反应焊接材料100在没有预焊剂清洗的情形下熔化和凝固，并且实现充分的结合而不要求金属表面。所以，避免了金属化操作的开销。此外，由于焊接不需要焊剂，因此形成可能导致导热率下降的焊剂夹杂(trappedflux)或空隙的几率也被最大程度地减小了。
如上所述的那样，反应焊接材料100的实施方案包括与活性元素材料熔合的基础焊料。基础焊料可以包括铟、锡银(tin silver)以及其他传统导热焊料类型。活性元素材料可以包括稀土元素(比如铪、铈、钛和镥)、过渡元素(比如，镍、铜、铁和钴)以及其他元素(比如，镁、锶和镉)。熔合到基础焊料中的活性元素材料少于约10％，优选少于约2％。这样，活性元素材料不会显著地影响或增加反应焊接材料100的固相线(solidus)温度。此外，反应焊接材料100的液相线(liquidus)温度不会超过约300℃。
如上所述，通过使反应焊接材料100包括活性元素材料，反应焊接材料100自然地与硅管芯160的表面162上的材料(比如硅、氧化硅或氮化硅)反应。如这里进一步描述的那样，这为焊料与管芯160在回流之后提供了独特的结合，并且所述结合不会由于添加焊剂而扰乱或影响导热率。
参考图1和图2，将一层反应焊接材料100输送到管芯160的表面162。焊料预成型195和其上任何过多的反应焊接材料100的剩余部分被去除，留下所述反应焊接材料100层。
参考图3，示出了图2中半导体封装140沿剖切线3-3的侧横截面视图。另外参考图6的框675，拾取及放置设备的臂375将热管理器件(比如，IHS 300)与半导体封装140进行对齐，并将热管理器件输送给半导体封装140。IHS 300可以帮助确保管芯160内的任何热可以适当地散逸，以防止管芯160操作期间对管芯造成损害。
热管理器件(比如，IHS 300)的实施方案可包括铜、金刚石、碳化硅、氮化铝或其他传统的热管理材料，所述材料具有与反应焊接材料100结合的结合表面350。所述结合表面350可以包括镍金或其他的金属材料。在IHS 300具有与反应焊接材料100反应的材料(比如，金属)的实施方案中，不需要对所述结合表面350进行金属化，所述的金属化例如是通过采用足以结合到反应焊接材料100的金来进行的。
在所示出的实施方案中，热管理器件是IHS 300。但是，其他的热管理器件(比如，散热片(heat sink)或其他特征)可以通过反应焊接材料100界面被耦合到管芯160，或如上所述地相互耦合。
如图3所示，通过在其间作为界面的一层反应焊接材料100，将IHS 300的结合表面350放置到管芯160的表面162上。此外，当臂375放置IHS 300时，结合表面350超出管芯160宽度的部分与紧邻管芯160的密封剂190接触。但是，并不要求结合表面350的这些部分涂覆有所指出的可焊接金属。
参考图4，包括IHS 300的半导体封装140的实施方案通过夹450被固定。夹450将IHS 300和半导体封装140的其余部分挤压在一起。在所示出的实施方案中，由所述夹450所施加的压力在约5lbs和约16lbs之间。但是，由夹450所施加的确切压力取决于一些因素(比如，反应焊接材料100的组成)，并且通常根据设计的需要来选择。
参考图6，使用回流来焊接反应焊接材料100，并且将器件结合到半导体表面(框690)。具体参考图4，可以看见，夹紧的半导体封装140被放置在回流装置400中，并沿传送带425前行。回流装置400可以是传统的半导体处理炉。加热元件475可以包括加热线圈、射频源或其他辐射源。
在半导体封装140前行时，加热元件475熔化反应焊接材料100以将管芯160结合到IHS 300。加热元件475将反应焊接材料100加热到高达基础焊料的熔点。例如，在基础焊料是铟的实施方案中，加热元件475将反应焊接材料100加热到高达至少156℃，优选为低于200℃。根据所使用的基础焊料，反应焊接材料100可以被加热到高达约300℃以确保可靠的结合。恰当的活性元素不会显著地改变结合温度。
在回流期间，如上所述，在反应焊接材料100中的活性元素溶解并且迁移到与之结合的管芯160的硅表面162。同时，基础焊料直接与IHS 300结合。这并不需要在焊接之前对表面162进行金属化。由反应焊接材料100所形成的焊接连接(solder joint)将表现出约1000psi到约2000psi之间的结合强度。
参考图5，示出了半导体封装140的立体图。所示出的半导体封装140从回流装置400以及图4的夹450上移出。IHS 300被固定，并且如所示出地在其周边附近与密封剂190接触。密封剂190可以是传统的聚合物，并且可以在被加热到约100℃到约150℃之间时固化。例如，在基础焊料是铟并且使用回流来将反应焊接材料100加热到约156℃的实施方案中，密封剂190在回流期间固化。在另一个实施方案中，不使用密封剂190。确切地说，提供额外的反应焊接材料100来密封管芯160的周边附近，并且在如上所述的在回流期间进行焊接。
图5所示的半导体封装140已可以和电子器件的印刷电路板相连接了。由于固化后的反应焊接材料100所表现出的导热率(参见图4)，管芯160各处在电子器件的操作期间所产生的热被IHS 300散逸。所描述的半导体封装140从而由具有过去未达到的效率的工艺所完成。
在上面所描述的实施方案中，反应焊接材料100被输送到单个的管芯160。但是，在其他实施方案中，反应焊接材料100被输送到由多个管芯构成的整个晶片的表面上，如图6的框650中所看见的那样。反应焊接材料100可以以较大的图案化预成型的方式被输送到晶片。
参考图6，在一个实施方案中，晶片然后被放置到切割装置中，并被切割为单独的管芯(框655)。然后，管芯被封装，所述封装具有反应焊接材料层来将热管理器件固定到每个管芯的表面，如这里进一步描述的那样。或者，在其他实施方案中，在切割之前，通过如上所描述的焊接和回流，使用反应焊接材料将器件固定到整个晶片上。
在另一个实施方案中，图1的反应焊接材料100的施加可以以另外的方式并且在封装的其他阶段被来进行。例如，另外参考图6，可以通过最初使用适当的焊料预成型将反应焊接材料100施加到热管理器件(框660)来将反应焊接材料100引入半导体表面，所述焊料预成型被固定在所述半导体表面上(框690)。此外，在多个热管理器件被相互固定并且被固定到管芯160上的另一个实施方案中，反应焊接材料100可以被用作多个热管理器件之间的粘结热界面。例如，另外参考图3，在IHS 300被固定到管芯160并且还容纳有散热片的情形，根据上面所述的工艺，所述散热片可以通过反应焊接材料100固定到IHS300。
参考图6，该流程图概述了上面所述的某些实施方案。参考上面的说明，图6概述了这些使用反应焊接材料将热管理器件固定到半导体表面的实施方案，包括从反应焊接材料的形成到焊接以及凝固。
上面所描述的反应焊接材料的实施方案是结合到半导体晶片或管芯的天然硅基表面的。如果在固化焊接材料到半导体晶片或管芯上时不再要求在金属化上化时间或材料，或添加焊剂，那么处理效率就大大地提高了。
上面所述的实施方案包括各种反应焊接材料类型。另外，描述了多种应用方法和封装半导体的方法。虽然示例性的实施方案说明了特定的反应焊接材料类型和性质，但是也可以采用其他实施方案。例如，可以采用表现出各种导热率、熔点和其他特性以供在半导体制造中选择使用的反应焊接材料类型。此外，在不背离这些实施方案的精神和范围的情形，可以进行许多改变、修改和替换。
权利要求
1.一种装置，包括硅基半导体表面；以及位于所述硅基半导体表面上的反应焊接材料，所述反应焊接材料包括与活性元素材料熔合的基础焊接材料以结合到所述硅基半导体表面，并且对所述反应焊接材料的固相线温度没有显著的影响。
2.如权利要求1的装置，其中，所述半导体表面是晶片或管芯中的一个的背面。
3.如权利要求1的装置，其中，所述稀土元素材料少于所述反应焊接材料的约2％。
4.如权利要求1的装置，其中，所述反应焊接材料以无焊剂的方式结合到所述半导体表面。
5.如权利要求1的装置，其中，所述反应焊接材料以高达约2000psi的结合强度结合到所述半导体表面。
6.如权利要求1的装置，其中，所述基础焊接材料包括选自由铟和锡银所组成的组的材料。
7.如权利要求1的装置，其中，所述活性元素材料包括选自由稀土元素、过渡元素、镁、锶和镉所组成的组的元素。
8.如权利要求7的装置，其中，所述稀土元素包括选自由铪、铈、钛和镥所组成的组的元素，所述过渡元素包括选自由镍、铜、铁和钴所组成的组的元素。
9.如权利要求2的装置，其中，所述管芯具有半导体封装，所述半导体封装包括在所述管芯周边附近的密封剂。
10.如权利要求9的装置，其中，所述密封剂具有包括聚合物和所述反应焊接材料中的一种材料。
11.一种装置，包括热管理器件；以及耦合到所述热管理器件的一部分的反应焊接材料，所述反应焊接材料包括与活性元素材料熔合的基础焊接材料以对所述反应焊接材料的固相线温度没有显著的影响，并且用于结合到硅基表面。
12.如权利要求11的装置，还包括提供所述硅基表面的半导体表面，所述半导体表面通过所述反应焊接材料被固定到所述热管理器件。
13.如权利要求11的装置，其中所述热管理器件是第一热管理器件，所述装置还包括第二热管理器件，所述第二热管理器件通过所述反应焊接材料被固定到所述第一热管理器件。
14.如权利要求11的装置，其中所述热管理器件选自由散热片和集成散热器所组成的组。
15.如权利要求14的装置，其中所述集成散热器包括选自由铜、金刚石、碳化硅、氮化铝所组成的组的材料。
16.一种装置，包括硅基半导体表面；结合到所述半导体表面的反应焊接材料，所述反应焊接材料包括与活性元素材料熔合的基础焊接材料以结合到所述硅基半导体表面，并且对所述反应焊接材料的固相线温度没有显著的影响；以及结合到所述反应焊接材料的热管理器件，所述反应焊接材料在所述半导体表面和所述热管理器件之间起界面的作用。
17.如权利要求16的装置，其中，所述半导体表面是晶片和管芯中的一个，并且所述热管理器件是集成散热器和散热片中的一个。
18.一种反应焊接材料，包括基础焊接材料；以及与所述基础焊接材料熔合并结合到硅基半导体表面的活性元素材料，所述活性元素材料对所述反应焊接材料的固相线温度没有显著的影响。
19.如权利要求18的反应焊接材料，其中，所述活性元素材料以无焊剂的方式结合到所述硅基半导体表面。
20.如权利要求18的反应焊接材料，其中，所述活性元素材料包括选自由稀土元素、过渡元素、镁、锶和镉所组成的组的元素。
21.如权利要求20的反应焊接材料，其中，所述稀土元素包括选自由铪、铈、钛和镥所组成的组的元素，所述过渡元素包括选自由镍、铜、铁和钴所组成的组的元素。
22.一种方法，包括将反应焊接材料施加到半导体表面；以及以无焊剂的方式焊接所述反应焊接材料，以将热管理器件固定到所述半导体表面。
23.如权利要求22的方法，其中，所述焊接步骤包括将所述反应焊接材料至少加热到所述反应焊接材料的基础焊料的熔点附近。
24.如权利要求23的方法，其中，所述基础焊料是铟。
25.如权利要求22的方法，其中，所述半导体表面具有晶片表面，所述方法还包括将所述晶片切割为单独的管芯。
26.一种方法，包括将反应焊接材料施加到热管理器件的一部分；以及以无焊剂的方式焊接所述反应焊接材料。
27.如权利要求26的方法，其中，所述焊接步骤是使用所述反应焊接材料将半导体表面固定到热管理器件。
28.如权利要求26的方法，其中，所述热管理器件是第一热管理器件，所述焊接步骤将所述第一热管理器件固定到第二热管理器件。
全文摘要
反应焊接材料。本发明的反应焊接材料可以被焊接到半导体表面，比如管芯或晶片的背面。反应焊接材料包括与活性元素材料熔合的基础焊接材料。反应焊接材料也可以被施加到热管理器件的一部分。反应焊接材料可以被用作半导体表面和热管理器件之间的导热界面。
文档编号H01L23/36GK1666334SQ03816212
公开日2005年9月7日 申请日期2003年4月2日 优先权日2002年5月9日
发明者费伊·华, 卡尔·德皮斯切, 克里斯塔·惠滕伯格 申请人:英特尔公司