专利名称：用于焊料凸块模具填充的真空转移的制作方法
技术领域：
本发明涉及在制造或封装微电子元件(例如，半导体晶片和芯片)时使用的工具和工艺，并且更具体地涉及诸如用于以焊料填充模具的接合金属注入工具以及用于在微电子元件上形成凸块的工艺。
背景技术：
“倒装芯片封装”是指一种将诸如半导体芯片的微电子元件面朝下安置在芯片载体上并将芯片表面上的触点接合至芯片载体的触点的技术。在典型工艺中，焊料凸块被形成在半导体芯片的触点上，而芯片仍然以晶片的形式在切割道处连接在一起。这样的工艺可以被称作“晶片凸块形成”。注入成型焊接(Injection Molding Soldering, IMS)是一种研发用于解决与现有晶片凸块形成技术相关联的成本质量比问题的技术。应用于晶片凸块的IMS已经被国际商业机器公司称为“C4NP” (受控塌陷芯片连接新工艺)。C4NP包括接合金属注入工具1，其利用填充头20填充模具10(图1)的主表面12上特别设计的凹坑或“型腔(cavity)，，14，填充头20具有包含熔融焊料24的腔室 (chamber) 22以及用于喷射焊料的喷嘴26。模具10可以是叠加在根据其热导率选择的热板50上的可移除“模具板”。模具板10通常无法由焊料浸润并且可以由诸如缘于其允许光学检验的透明度及其类似于硅的热性质而选择的硼硅玻璃之类的材料构成。填充头具有喷嘴26，熔融焊料由此被喷入模具的型腔内。例如，腔室内的气压能够迫使熔融焊料经过喷嘴向外喷出。在填充型腔时，支撑模具板的热板50通常被保持在低于焊料熔化温度的温度下，从而保持模具板型腔内的焊料低于熔化温度。在填充头20已经完成对特定模具板的填充之后，它就被移动到供其暂时停留的 “驻留空间” 30上，并且在腔室和喷嘴中存有熔融焊料。驻留空间的表面32可以略高出模具板的主表面12 (例如0. 2到1. 5毫米)。在驻留空间已经准备就绪让填充头20从驻留空间移动到模具板时，或者在将填充头从模具板移动到另一个驻留空间(未示出)上时，驻留空间的边缘面36和模具板的相邻的边缘面16之间通常留有小于1毫米的间隙34。模具板和驻留空间可以在焊料头已从模具板移动到驻留空间上之后彼此分离。当填充头如图1中所示停留在驻留空间上时，焊料被密封件23约束在填充头的表面28和驻留空间的对面表面32之间的空间内。类似地，当填充头如图2中所示被用于填充型腔时，焊料被约束在填充头表面和模具板的主表面12之间。当填充头在驻留空间和模具板之间移动时会出现一种困难。跨越间隙的转移可能会导致焊料从喷嘴26脱出或者由此摇晃松动，从而在驻留空间和模具板之间的间隙处留下焊料块40(图2)或者在模具板的主表面12上留下焊料的条痕42。这样的构成潜在缺陷来源的块和条痕必须从模具板和驻留空间中清除。这就会影响到填模操作的生产能力和质量。另一个问题是焊料会在其熔化且暴露给氧气时被氧化。氧化的焊料如果被允许进入型腔就能够导致由该焊料构成的凸块机械地变脆并且最终能够增加芯片和芯片载体之间的焊料凸块连接的电阻。在填充头移动到模具板上时离开喷嘴的焊料40、42能够被氧化并造成这些潜在的缺陷。
发明内容
根据本发明的一个方面提供了一种接合金属注入工具。这样的工具可以包括填充头，填充头具有用于容纳熔融接合金属和气体的密封腔室，以及用于引导熔融接合金属流入模具的主表面内的型腔中的喷嘴。压力控制设备能够可控地向腔室内施加压力以将接合金属从喷嘴喷入型腔内。压力控制设备还可以可控地降低腔室内的压力以阻止从喷嘴中喷
出接合金属ο根据本发明的另一个方面可以提供一种接合金属注入工具，其包括填充头，填充头具有用于容纳熔融接合金属的腔室以及可以与模具的主表面并列的用于引导熔融接合金属流入主表面内的型腔中的喷嘴开口。驻留空间可以具有供填充头可密封接触的驻留面以及从驻留面伸出的边缘面。边缘面的某些部分可以与模具的相邻的边缘面间隔开以界定出间隙。填充头在喷嘴开口与主表面或其中的至少一个型腔并列的第一位置以及喷嘴开口与驻留面并列的第二位置之间可以是可移动的。在这样的情况下，接合金属注入工具可以进一步包括第二喷嘴以及可操作用于当喷嘴开口在驻留面和模具主表面之间或者在模具主表面和驻留面之间移动时自动引导气流通过第二喷嘴流往间隙的控制装置。根据本发明的另一个方面提供了一种用于在微电子元件上形成接合金属凸块的方法。在这样的方法中，可以在包含熔融接合金属的腔室内施加压力以将熔融接合金属从喷嘴喷入模具的主表面内的型腔中。在另一时刻，可以将包含熔融接合金属的腔室内的压力降低至低于填充型腔时所用的压力的水平。压力可以降低至低于大气压水平的水平，也就是相对于外界大气压力来说是负压。降低压力能够在除了喷嘴向型腔提供接合金属以外的时刻阻止从喷嘴中喷出接合金属。在填充了模具内的型腔之后，其中的接合金属就能与微电子元件(例如，晶片或者一个或多个芯片)的可浸润元件(例如触点)相连，然后即可移除模具，留下含有与可浸润元件相连的接合金属的凸块。根据本发明的另一个方面提供了一种用于在微电子元件上形成接合金属凸块的方法。在这样的方法中，具有用于容纳熔融接合金属的腔室的填充头中的喷嘴开口可以与模具的主表面并列并且可以引导熔融接合金属流入模具的主表面内的型腔中。喷嘴开口随后可以移动到与和主表面相邻的驻留面并列的位置，其中这样的移动可以横跨驻留空间和模具主表面之间的边缘面之间的间隙。在移动喷嘴的同时，可以在喷嘴开口于主表面和驻留面之间移动时自动引导非氧化性气体通过第二喷嘴流往间隙。然后，一旦模具型腔已被填满，模具型腔内的接合金属即可与微电子元件的例如触点的可浸润元件相连。在移除模具时，凸块就能保留在微电子元件上，凸块与微电子元件中的可浸润元件或触点相连。
图1是示出了根据现有技术的包括接合金属注入工具的装置的截面图，其中工具驻留在驻留位。图2是示出了根据现有技术的包括接合金属注入工具的装置的截面图，其中工具已经从驻留位移动到模具板上用于填充型腔。图3是示出了根据本文中的实施例的包括接合金属注入工具的装置的截面图，其中工具驻留在驻留位。图4是示出了根据本文中的实施例的包括接合金属注入工具的装置的截面图，其中工具已经从驻留位移动到模具板上用于填充型腔。图5是进一步示出了其中接合金属注入工具能够从第一驻留面移动到模具板表面上并进而移动到第二驻留面上的装置的截面图。图6是示出了根据本文中的实施例的能够在晶片水平同时向晶片施加接合金属凸块的该晶片的俯视图。图7是示出了根据本文中的实施例的晶片凸块形成方法中的各个步骤的流程图。
具体实施例方式现在介绍根据本文中的一个实施例的接合金属注入工具101 (图3)。注入工具101 可以在用于填充与以上相对于图1和图2介绍的模具板相类似的模具板内的型腔的装置中使用。驻留空间32和注入工具除了如下指出的差异之外均可类似于上述的注入工具。在一个示例中，驻留空间可以由各种材料制成。在一个示例中，可以选择钼板用作驻留空间， 原因在于它的热膨胀系数(“CTE”)最小和相对于焊料的不浸润特性。参照图3，注入工具101的填充头120包含密封腔室122，在其中可以设置熔融接合金属124和气体126。通常，接合金属是锡或者至少包括锡的焊料或共晶合金，例如从由锡-银、锡-银-钴、锡-银-锌、锡-银-铋、锡-铜-锌和锡-银-铜等构成的组中选出的焊料。焊料可以具有其他成分，诸如包括铟、铅或其组合的成分或者甚至是取决于封装要求的其他成分。如图3中所示，填充头具有在填充头的表面28和驻留面32之间被压缩的密封件23。密封件23在表面28、32之间圈出围绕喷嘴26的容积。注入工具可以包括压力控制器160，压力控制器160可以包括歧管162和泵(未示出)并且可以被连接至加压气体源(未示出)。压力控制器160可以包括阀(未示出)，其用于控制歧管162和腔室122之间通过管路164的气体流。参照图4，当填充头在填充模具内的型腔时，压力控制器可以在正压下从歧管向腔室122供应气体126以迫使焊料124从腔室通过喷嘴26并进入模具板10的型腔14内。模具板10通常是焊料不可浸润的并且可以由诸如缘于其允许光学检验的透明度及其类似于硅的热性质而选择的硼硅玻璃之类的材料构成。气体126可以是惰性气体或者不会氧化焊料的其他气体。这样就能有助于避免焊料在腔室122 (图3)内氧化或者可以有助于避免在其他位置一诸如驻留面32 (图3)或模具板表面12——上的焊料氧化。在一个实施例中，气体可以是氮气(N2)。除了加压腔室122内的气体以外，压力控制器160还可以在另一种模式下操作来降低腔室122内的气体压力，也就是将压力降低至阻止焊料通过喷嘴26离开的水平。在一个示例中，压力控制器可以对腔室122抽真空，也就是将气体压力降低至低于大气压的压力(即负压)。如本文中所用，对腔室“抽真空”是指将腔室内的压力降低至低于大气压的水平，也就是相对于外界大气压力来说是负压。这种用法应该始终适用于本公开，即使腔室内的实际压力水平可能充分高以及即使压力水平并不是符合严格科学应用的真空也是如此。 在这样的情况下，腔室内的负压就允许喷嘴开口 27处的大气压迫使焊料沿朝着腔室122的方向向上。图3示出了当填充头驻留在驻留面32上时的操作。也就是说，填充头表面28与驻留空间30的表面32并列，即为面对关系，其中填充头表面28通过密封件23密封到驻留面32。具体地，压力控制器160可以操作泵(未示出)以沿方向142通过管路126从腔室 122中抽出气体。在这样的时刻，腔室122内在焊料124的水平以上的压力可以降低并且可以降低为负压。压力控制器160可以将压力降低到足以阻止焊料离开喷嘴26。降低后的压力即可足以避免焊料离开喷嘴并且可以具有足够的力将焊料在喷嘴中向内吸并且远离填充头表面28。用这种方式，降低后的压力即可阻止或避免焊料在除了需要喷射的型腔以外的其他位置喷射到驻留空间的表面或模具板表面上。因此，在填充头从驻留空间30移动到模具板10上时，如图4中所示，通过降低腔室内的压力而在焊料124上造成的向上的力就能阻止焊料124离开喷嘴26的开口 27，并且甚至可以将焊料向内吸以沿喷嘴向上并远离表面28。如图3中进一步所示，填充头可以包括耦合至填充头表面28内的入口 168的管路 132。入口 168开在填充头表面28以及与填充头表面28并列的驻留面32或模具板表面12 之间的密封件23、23A内圈出的容积中。也就是说，入口 168在填充头驻留时与驻留面相邻地被密封。入口 168在填充头用于填充模具板型腔时与模具板表面12相邻地被密封。从入口 168开始延伸的管路132能够通过管路166被耦合至歧管163。当填充头被用于填充模具板时，压力控制器可以激活泵(未示出)以将气体从管路132吸入歧管162内并降低由密封件23、23A圈出的容积内的压力。入口 168在填充头120沿模具板表面12的移动方向140上位于喷嘴26之前。参照图4，当填充头沿该方向移动并且入口 168在模具板表面12内的型腔14A上方经过时，入口 168能够在喷嘴26抵达以填充型腔14A之前排空型腔中存留的气体或材料。再次参照图3，歧管163可以进一步包括在表面128上的方向朝向并列表面的出口 170。这样的出口 170可以被用于朝向并列的驻留面或模具板表面向下引导气体射流。因此，出口 170即可被用于引导气体(诸如非氧化性气体，例如氮气或惰性气体)流向并列表面。在一个示例中，歧管163可以由压力控制器160自动操作。如图3中进一步所示，接合金属注入工具101可以进一步包括不由填充头120承载的用于将气体154引入模具板和驻留面32的边缘面16、36之间的间隙34内的歧管150、 管路152和喷嘴156。如图4所示，这些元件可以在填充头120从与驻留面32并列的驻留位置移动到与模具板表面12并列的工作位置时被激活。气体可以是非氧化性气体，也就是惰性气体或者通常不会与焊料反应从而形成氧化物的其他气体。例如，气体可以是氮气。喷嘴156可以引导气体流向间隙34或流入间隙内。用这种方式，即可在填充头120经过间隙 34移动到模具板表面12上时清除间隙34内能够氧化由填充头120携带的焊料的空气。图5进一步示出了包括第二驻留空间130的装置，第二驻留空间130被设置成与模具板的与上述驻留空间30相对的边缘116相邻。通常，在模具板内的型腔被填充之后，填充头120即可沿方向140移动离开模具板表面12来到第二驻留空间130上。在此时，压力控制器可以降低腔室122内的压力以阻止或避免焊料沉积到模具板12、第二驻留空间130 的表面132上或者沉积到除了型腔内以外的其他地方。压力可以被降低为负压。另外，类似于上述喷嘴156 (图3)的另一个喷嘴和附属装置可以被用于在填充头120移动离开模具板表面12来到第二驻留面132上时清除间隙134中的空气。现在参照图6和图7来介绍一种在微电子元件上形成接合金属凸块(例如焊料凸块)的方法。诸如晶片200(图6)的微电子元件可以包括多个独立的微电子元件，诸如在切割道204处连接在一起的半导体芯片202。晶片通常具有300毫米的直径，但是也可以使用其他的尺寸。半导体芯片具有在晶片的触点承载面上露出的触点206，这样的触点承载面通常是晶片的“正”面。一种方法可以被用于在晶片中每一个半导体芯片202的触点上同时形成焊料凸块。参照图7，在这种方法的步骤302，诸如上述(图3-4)的接合金属注入工具101可以被用于将焊料注入模具板12的型腔内，模具板12具有与晶片200大致相等或更大的直径。模具板12可以具有与晶片上的芯片触点的数量和布局相匹配的型腔。填充头120从驻留面32上的驻留位置开始移动(图3)。为了填充型腔，填充头 120 ( “逐步地”)移动离开驻留面32来到模具板12上。在填充头位于驻留面32上时并且在喷嘴26横跨间隙34来到模具板表面上时，压力控制器降低焊料腔室122内的压力以阻止喷嘴开口 27处存留的焊料脱离来到驻留面32上、间隙34内或模具板表面12上。用这样的方式，压力控制器就能够帮助避免焊料块或条痕沉积到模具板表面、驻留面或间隙上。 而且在填充头120 (并且特别是喷嘴26)移动到模具板表面12上时，歧管150可以将非氧化性气体，诸如氮气或惰性气体，的射流引导至间隙或者进入间隙34内。该动作有助于在焊料喷嘴26横跨间隙时避免焊料在喷嘴开口 27处氧化，并且有助于避免可能仍然会在此时脱离的任何熔融焊料被氧化。随后，一旦填充头120已经移动到模具板表面上(图4)，那就可以开始填充模具板型腔。在填充头填充模具板型腔时，压力控制器160就加压气体，也就是将腔室122内的气体压力升高到填充头120驻留时腔室122中保持的降低后的压力以上。升高后的压力促使焊料通过喷嘴26喷入模具的型腔内。通常，在填充模具型腔时不需要来自歧管150的非氧化性气体的射流，并且因此在此时可以停止该射流。但是，射流在这样的操作期间也可以继续，原因是它可能有助于将非氧化性气体扩散到正在填充的模具型腔所处位置的邻近区域内。一旦填充头120已经完成了型腔的填充，它就被移动到第二驻留面132上(图5)。 在这样的移动之前或期间，压力控制器可以再次从加压焊料腔室内的气体切换为降低其中的压力。再次地，降低腔室内的压力有助于在喷嘴26横跨(也就是移动经过)模具板12 和第二驻留面132之间的间隙134时避免焊料脱离。同样是在此时，另一股非氧化性气体射流可以被引导至该间隙或进入该间隙134内以帮助避免焊料在填充头(并且特别是其喷嘴26)移动到第二驻留面上期间被氧化。在填充头移动到第二驻留面132上之后，可以通过降低与模具板耦合的热板温度来降低模具板的温度。模具板随后即可从加工工具上移走并被储存(步骤304)，直到需要并且准备好将其中的焊料附着至晶片为止。随后，如步骤306所示，晶片200 (图6)和已填充的模具板12可以被插入夹具内并在夹具内对齐以用于连接。晶片、已填充的模具板和夹具随后即可(例如在熔炉内)一起被加热，直到凸块达到熔化温度为止。在此时(步骤 308)，凸块可能需要圆化，例如球形的形状，这种形状能够促使凸块浸润芯片的触点206并粘附于此。在降低熔炉温度后，凸块仍然保持附着至芯片触点而不是模具板。凸块通常是以球形的形状固化，但是其他的形状也是可能的。模具板随后即可从夹具移除并进行清理， 以供在另一个晶片上形成凸块时再次重复使用。 尽管已经根据本发明的某些优选实施例介绍了本发明，但是本领域技术人员应该理解在不背离本发明的仅由下附权利要求限定的正确保护范围和实质的情况下可对本发明进行多种修改和完善。
权利要求
1.一种接合金属注入工具，包括填充头，具有用于容纳熔融接合金属和气体的密封腔室，以及用于引导熔融接合金属流入模具的主表面内的型腔中的喷嘴；以及压力控制设备，可操作用于将腔室内的压力可控地改变为第一水平以将接合金属从喷嘴喷入型腔内，以及将腔室内的压力可控地改变为第二水平以在压力处于第二水平时阻止从喷嘴中喷出接合金属。
2.如权利要求1所述的接合金属注入工具，其中压力控制设备可操作用于将腔室内的压力降低至负压水平以在腔室压力处于负压水平时阻止接合金属离开喷嘴。
3.如权利要求1所述的接合金属注入工具，其中压力控制设备可操作用于在降低腔室内的压力时阻止将接合金属喷射到除型腔之外的表面上。
4.如权利要求1所述的接合金属注入工具，其中压力控制设备可操作用于在喷嘴的开口与主表面或型腔中的至少一个并列时从喷嘴中喷出接合金属以及在喷嘴的开口未与主表面或型腔中的至少一个并列时阻止喷射接合金属。
5.如权利要求1所述的接合金属注入工具，其中在压力控制设备降低腔室内的压力时，存留在喷嘴的开口处靠近模具的接合金属被向内吸入喷嘴中。
6.如权利要求1所述的接合金属注入工具，其中填充头具有与模具并列并且由其密封的表面，填充头进一步包括在并列表面上的用于排空模具型腔中的至少一个的孔，其中所述孔沿喷嘴开口跨主表面移动的方向位于喷嘴开口之前，从而允许在将接合金属喷入至少一个模具型腔内之前先排空所述至少一个模具型腔。
7.如权利要求1所述的接合金属注入工具，进一步包括具有供填充头可密封地接触的驻留面的驻留空间，其中填充头能够从喷嘴开口与型腔中的至少一个或主表面并列的第一位置以及喷嘴开口与驻留面并列的第二位置移动，其中压力控制设备可操作用于在将喷嘴开口从主表面移除到驻留面时降低腔室内的压力。
8.如权利要求7所述的接合金属注入工具，其中驻留空间具有从驻留面伸出的边缘面，边缘面的至少一部分与模具的相邻的边缘面间隔开以界定出间隙，其中压力控制设备可操作用于在将填充头从模具型腔移走送往驻留空间时降低压力。
9.如权利要求8所述的接合金属注入工具，进一步包括第二喷嘴，用于引导第二气体流往模具和驻留空间之间的间隙。
10.如权利要求9所述的接合金属注入工具，其中第二喷嘴适于将第二气体引入间隙内。
11.如权利要求10所述的接合金属注入工具，其中喷嘴适于喷射不会氧化接合金属的第二气体。
12.如权利要求9所述的接合金属注入工具，其中压力控制设备进一步可操作用于只要喷嘴开口移动到与驻留空间并列的位置就促使第二气体流动，并且只要喷嘴开口移动到与主表面或其中的至少一个型腔中的至少一个并列的位置就使第二气体停止流动。
13.如权利要求1所述的接合金属注入工具，其中接合金属包括锡。
14.如权利要求13所述的接合金属注入工具，其中接合金属包括从由锡-银、 锡-银-钴、锡-银-锌、锡-银-铋、锡-铜-锌、锡-银-铜构成的组中选出的至少一种锡合金。
15.一种接合金属注入工具，包括填充头，具有用于容纳熔融接合金属的腔室，以及能够与模具的主表面并列的用于引导熔融接合金属流入主表面内的型腔中的喷嘴开口 ；驻留空间，具有供填充头可密封地接触的驻留面以及从驻留面伸出的边缘面，至少一部分边缘面与模具的相邻的边缘面间隔开以界定出间隙，其中填充头能够在喷嘴开口与主表面或其中的至少一个型腔并列的第一位置以及喷嘴开口与驻留面并列的第二位置之间移动，接合金属注入工具进一步包括第二喷嘴以及可操作用于当喷嘴开口在主表面和驻留面之间移动时自动引导气流通过第二喷嘴流往间隙的控制装置。
16.如权利要求15所述的接合金属注入工具，其中第二喷嘴适于将第二气体引入间隙内。
17.如权利要求16所述的接合金属注入工具，其中喷嘴适于喷射不会氧化接合金属的第二气体。
18.一种用于在微电子元件上形成接合金属凸块的方法，包括a)改变容纳熔融接合金属的腔室内的压力以将熔融接合金属从喷嘴喷入模具的主表面内的型腔中；b)除非喷嘴正在向型腔提供接合金属，否则就降低容纳熔融接合金属的腔室内的压力以阻止从喷嘴中喷出接合金属；以及c)将模具的型腔内的接合金属与微电子元件中的可浸润元件相连并移除模具，留下包含与可浸润元件相连的接合金属的凸块。
19.如权利要求18所述的形成接合金属凸块的方法，其中接合金属包括锡或者从由锡-银、锡-银-钴、锡-银-锌、锡_银-铋、锡-铜-锌、锡-银-铜构成的组中选出的锡合金中的至少一种。
20.如权利要求18所述的形成接合金属凸块的方法，其中降低的压力阻止接合金属离开喷嘴。
21.如权利要求18所述的形成接合金属凸块的方法，其中步骤(a)包括在喷嘴开口与主表面或其中的型腔中的至少一个并列时升高腔室内的压力，并且步骤(b)包括在喷嘴开口未与主表面或型腔中的至少一个并列时降低腔室内的压力以阻止喷射接合金属。
22.如权利要求18所述的形成接合金属凸块的方法，其中步骤(b)包括将接合金属向内吸入喷嘴开口中。
23.如权利要求21所述的形成接合金属凸块的方法，进一步包括在主表面和驻留面之间移动喷嘴开口，其中步骤(b)包括在喷嘴开口与驻留面并列时降低所述压力。
24.一种用于在微电子元件上形成接合金属凸块的方法，包括a)将具有用于容纳熔融接合金属的腔室的填充头中的喷嘴开口与模具的主表面并列并且引导熔融接合金属流入主表面内的型腔中；b)将喷嘴开口移动到与和主表面相邻的驻留面并列的位置，所述移动横跨上述表面之间的间隙；c)在移动喷嘴的同时，在喷嘴开口在主表面和驻留面之间移动时自动引导非氧化性气体通过第二喷嘴流往间隙；以及d)将模具的型腔内的接合金属与微电子元件中的可浸润元件相连并移除模具，留下包含与可浸润元件相连的接合金属的凸块。
25.如权利要求24所述的形成接合金属凸块的方法，其中步骤(c)包括将非氧化性气体引入间隙内。
全文摘要
本公开涉及一种接合金属注入工具，所述接合金属注入工具可以包括填充头，填充头具有用于容纳熔融接合金属(例如，焊料)和气体的密封腔室以及用于引导熔融接合金属流入模具的主表面内的型腔中的喷嘴。压力控制设备能够可控地向腔室内施加压力以将接合金属从喷嘴喷入型腔内。压力控制设备还可以可控地降低腔室内的压力以用于诸如在将填充头从驻留位移动到模具表面上时或者在将填充头从模具表面上移走送到驻留位上时阻止从喷嘴中喷出接合金属。
文档编号H01L21/60GK102484082SQ201080038765
公开日2012年5月30日 申请日期2010年8月30日 优先权日2009年9月1日
发明者B·林斯特拉, J·加兰特, P·帕尔马蒂尔, R·哈斯 申请人:国际商业机器公司