专利名称：用于为焊料凸块形成柱状晶粒结构的热梯度回流的制作方法
技术领域：
本发明涉及集成电路领域，更具体地，涉及用于为焊料凸块形成柱状晶粒结构的热梯度回流的技术。
背景技术：
焊料凸块广泛用于集成电路元件的接合。为了接合集成电路元件，焊料凸块置于集成电路元件之间，并且与该集成电路元件的接合焊盘电连接。然后，实施回流使电路元件熔化。可以通过例如使用加热器将集成电路元件加热到高于集成电路凸块熔化温度的温度，进而实施回流。接着，通过向集成电路吹冷空气，从而使焊料凸块凝固，其中，可以从集成电路元件的相对方向吹冷空气。焊料凸块的回流通常用在倒装接合中。焊料凸块通常会由于，例如，热循环，而发生开裂。焊料凸块的开裂会导致集成电路的性能和可靠性降低。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供了一种方法，包括将包含第一工件和第二工件的封装结构加热，以熔化第一工件和第二工件之间的多个焊料凸块；以及在加热步骤之后，将多个焊料凸块凝固，其中，方法进一步包括在凝固步骤期间，将封装结构的第一侧保持在第一温度，第一温度高于多个焊料凸块的熔化温度，其中，利用加热源实施保持步骤；以及在凝固步骤期间，利用冷却源将封装结构的第二侧保持在第二温度，第二温度低于熔化温度，其中，第二侧与第一侧相对。其中，在将多个焊料凸块凝固的步骤期间，在多个焊料凸块中的每一个中都建立温度梯度，并且，其中，温度梯度的方向基本上垂直于第一工件和第二工件的主表面。其中，第一温度高于大约200°C。其中，第二温度低于大约0°C。其中，第二温度低于大约_20°C。其中，加热源配置为吹热空气，冷却源配置为吹冷空气。其中，加热源配置为吹热空气，冷却源包含在传送带中，传送带配置为传送封装结构。该方法进一步包括利用隔热板在封装结构的顶侧和底侧之间形成隔离，其中，力口热源配置为从顶侧和底侧中的一个中吹热空气，以及其中，冷却源配置为从顶侧和底侧中的另一个中吹冷空气。该方法进一步包括在凝固步骤期间，将磁场施加到多个焊料凸块。该方法进一步包括在凝固步骤之后，施加交变磁场，以将多个焊料凸块、第一工件和第二工件消磁。其中，磁场大于大约2特斯拉。此外，还提供了一种方法，包括将第一工件堆叠在第二工件的正上方，其中，焊料凸块置于第一工件和第二工件之间；将第一工件和第二工件加热，以熔化焊料凸块；在加热步骤之后以及焊料凸块凝固之前，在传送带上传送第一工件和第二工件，其中，传送带处在第一温度，第一温度不高于室温；以及在加热步骤之后以及焊料凸块凝固之前，将热空气从第一工件和第二工件的顶侧吹到第一工件和第二工件上，其中，热空气处在第二温度，第二温度高于焊料凸块的熔化温度。
其中，传送带的第一温度低于大约0°C。其中，向第一工件和第二工件吹冷空气，直到焊料凸块凝固。其中，随着传送带上的第一工件和第二工件的传送步骤的进行，热空气的第二温度逐渐下降。其中，随着传送带上的第一工件和第二工件的传送步骤的进行，传送带的第一温度逐渐上升。该方法进一步包括在加热步骤之后以及焊料凸块凝固之前，在焊料凸块上施加磁场。该方法进一步包括在焊料凸块凝固之后，施加交变磁场，以将焊料凸块消磁。
为了全面理解本公开及其优点，现在结合附图进行以下描述作为参考，其中图I至图4B是在接合工艺中焊料凸块回流的中间阶段的横截面图，其中，在焊料凸块凝固期间，建立了热梯度，并且还可以施加磁场；图5示出了利用回流工艺将被接合的集成电路元件消磁；以及图6A至图6G示出了回流和底部填充施加(underfill dispensing)工艺的示例性流程。
具体实施例方式下面，详细讨论本发明各实施例的制造和使用。然而，应该理解，本发明提供了许多可以在各种具体环境中实现的可应用的概念。所讨论的具体实施例仅仅是说明性的，而不用于限制本发明的范围。根据实施例，提出了一种新式的用于接合集成电路元件的实施回流的方法。还论述了实施例的变化。在各个视图和所示实施例中，相似的参考标号用于表示相似的部件。图IA和图IB示出了根据实施例的回流工艺的横截面图。例如，通过倒装接合将工件10和工件12接合。在整个描述中，工件10称为器件管芯，工件12称为封装基板。然而，在可选实施例中，工件10或工件12中可以是其中包含有诸如晶体管的集成电路器件的器件管芯、封装基板、中介层、印刷电路板(PCB)、Oi倒装封装、芯片级封装(CSP)等等。焊料凸块14置于工件10和工件12之间，并且在后续工艺中进行回流。在下文中，工件10、工件12和焊料凸块14结合在一起称为封装结构。在实施例中，当实施回流工艺时，在工件10和工件12之间施加(dispense)底部填充72。在可选实施例中，在实施下文所描述的回流工艺时，不施加底部填充72。图IA示出了连续的回流工艺，其中，工件10和工件12通过传送带16进行传送，传送带16如所示从左向右移动。因此，工件10和工件12的主表面15可以平行于传送带16的移动方向。在回流工艺的第一步骤中，焊料凸块14被加热到高于焊料凸块14的熔化温度的温度。在实施例中，可以通过以下方式实施加热使用加热源17和/或加热源20，将加热源17置于工件10和工件12的正上方，并且将加热源20置于工件10和工件12的正下方。在示例性实施例中，工件10、工件12和熔化的焊料凸块14的温度达到，例如，大约235°C，然而，也可以是其他不同的温度。在可选实施例中，利用加热的空气(用箭头表示)来加热工件10、工件12和焊料凸块14。在焊料凸块14熔化之后，将工件10和工件12从热磁隔离墙22的左侧传送到右侦牝其中，热磁隔离墙22用于隔离左侧和右侧的热场和/或磁场。在整个描述中，热磁隔离墙22的左侧和右侧也可以分别称 为腔室100和腔室200。焊料凸块14在腔室200中凝固。在实施例中，加热源18位于工件10和工件12的正上方，并且保持在高于焊料凸块14的熔化温度的温度，从而向工件10和工件12提供热量。冷却源24位于工件10和工件12的正下方，并且处于低于焊料凸块14的熔化温度的温度。在整个描述中，当加热源/冷却源被称为特定温度时，既表示该加热源/冷却源本身处于该温度，还表示该加热源/冷却源所吹出的空气处于该温度。冷却源24可以安装在传送带16中，如图I所示。因此，在从上到下的方向上，为每个焊料凸块14建立热梯度，在该方向上，温度逐渐降低。由于焊料凸块14相对较小，因此，为了达到足够的温度梯度，冷却源24可以处于等于或者低于室温(例如，大约21°C )的温度。冷却源24的温度也可以低于大约0°C，或者低于大约-20°C。可以通过在冷却源24中的冷却管中引导甲醇，从而降低冷却源的温度。因此，通过接触传送带16，工件10和工件12将热量传导到传送带16。另一方面，加热源18的温度可以高于大约200°C，或者处在大约235°C。可选地，加热源18将热空气吹到工件10和工件12，其中，热空气处于较高的温度。在焊料凸块14部分地，或者基本上完全地凝固之前，可以保持温度梯度。在实施例中，在每个焊料凸块14内部，温度梯度可以大于大约5°C/μ m、大于大约IO0C / μ m、或者甚至大于大约2(TC / μ m,随着温度梯度的建立，对于每个焊料凸块14而言，底部的温度最低，顶部的温度最高。因此，首先会在焊料的底部发生焊料的成核现象，进而焊料凸块14的底部上的核子开始向上发生焊料的枝晶(dendrite)生长。枝晶生长导致在焊料凸块14中形成柱状晶粒结构。所产生的柱状晶粒具有长边和短边，其中，长边在温度梯度方向上延伸，该温度梯度垂直于所形成的封装结构的主表面15。由于平行于主表面15的方向是开裂传播最可能产生的方向，其中，柱状晶粒的纵向方向垂直于主表面15，焊料凸块14可能产生的开裂很有可能被柱状晶粒阻挡住，从而不太可能在平行于主表面15的方向上传播。在所有焊料凸块14凝固之前，都会发生枝晶生长。在该工艺期间，工件10和工件12由于传送带16的移动而向右移动。因此，在实施例中，加热源18可以包括不同部分(如18AU8B等等所示)。加热源18在右侧的部分所处的温度可以低于加热源18在左侧的部分的温度，从左到右，加热源18的不同部分的温度可以逐渐降低，比如235°C、225°C、200°C等等，直到最后，加热源18的最右侧的部分的温度低于，例如，大约100°C。温度的下降可以是连续的，也可以是阶梯式的(by steps)。例如,加热源18的部分18A可以处于235°C,力口热源18的部分18B可以处于225°C。加热源18可以具有两个、三个、四个、或者更多处于不同温度的部分。在实施例中，冷却源24的各个部分的温度可以基本相同。可选地，冷却源24在右侧的部分的温度可以高于在左侧的部分。因此，从左侧到右侧，冷却源24的各个部分的温度可以从0°C以下逐渐增加到室温。
可以了解，在焊料凸块的晶粒中，在焊料凸块的不同结晶方向(晶粒方向)上的热膨胀系数(CTEs)不同。例如，在焊料凸块的〈001〉方向上的CTE是所有方向中最高的。因此，〈001〉方向不应当与垂直于工件10和工件12的主表面15的方向一致。否则，发生开裂的可能性较高。为了将具有最大CTE的晶粒方向(指的是在下文中的C轴)移动到远离垂直于工件10和工件12的主表面的方向，在焊料凸块14的成核现象和枝晶生长期间，可以施加磁场，其中，所不出的磁力线32代表了磁场。磁场32可以由磁体36产生，该磁体36可以置于传送带16的正上方和正下方。为了防止磁场影响传送带16、加热源18A和加热源18B (图1A)，传送带16、加热源18A和加热源18B可以使用碳棒，而不是钨丝，作为电阻加热源。在实施例中，磁场32可以垂直施加，例如，可以在从上到下的方向上，如图IA所示，也可以在从下到上的方向上(未示出)。磁场32也可以在平行于主表面15的水平方向上施力口，如图2所示。在其他实施例中，磁场可以在除垂直和水平以外的其他方向上使用，例如，图IB中所示的如箭头43所表示的方向。在图IA到图4B中所示的每个实施例中，可以通过实验找到磁场32的最佳方向。由于施加了磁场32，可以将所得到的C轴调整为远离垂直于主表面15的方向，该所得到的C轴是具有最大CTE的焊料凸块的晶粒的轴。C轴可以平行于主表面15，或者可以与表面15所在的平面夹一个小于大约45度的斜角(off-angle)。C轴的调整可以通过调整磁场32的方向，和/或通过调整磁场32的振幅实现。在实施例中，磁场32大于大约I特斯拉或者高于大约2特斯拉，并且可以小于大约9特斯拉。图IB示出了根据可选实施例的回流工艺的横截面图。除非另有说明，下文所描述的实施例中的参考标号代表了与图IA中所示的实施例中相似的部件，从而不再对这些部件的细节进行重复描述。该实施例类似于图IA中所示的实施例，除了冷却源24置于工件10和工件12正上方，从而可以将冷空气25吹至工件10和工件12。例如，加热源18置于工件10和工件12的正下方，从而可以包括热线圈。从而，在从下到上的方向上建立了温度梯度，焊料凸块14的底部的温度最高，焊料凸块14相应的顶部的温度最低。因此，首先会在焊料凸块14的顶部发生成核现象，枝晶生长发生在从上到下的方向上。图3A示出了根据另一实施例的回流工艺的横截面图。在该实施例中，首先，加热焊料凸块14，例如，利用如图IA中的腔体100的设置。在加热焊料凸块14之后，工件10和工件12被传送到腔体200，以进行凝固。在可选实施例中，焊料凸块14的熔化和凝固可以在相同的腔室200中实施。封装结构包括工件10和工件12，置于隔热板42的开口 44中，封装结构的一侧通过开口 44暴露到隔热板42的底侧。在实施例中，隔热板42还起到了支撑工件10和工件12的作用，从而，如果存在传送带16，则使得工件10和工件12与传送带16分隔开。封装基板12的尺寸可以大于管芯10，封装基板12可以置于隔热板42上，管芯10通过焊料凸块14悬挂在封装基板12下方。完全填充到基板12和管芯10之间的空间的底部填充提供了作用力，从而将管芯与封装基板12保持连接。将热空气吹到工件10和工件12的第一侧上(而不吹到第二侧)，并且将冷空气吹到第二侧上(而不吹到第一侧)，第二侧相对于第一侧，其中，箭头48和箭头50代表了热空气/冷空气。第一侧或第二侧选自顶侧和底侧中的一个。热空气和冷空气可以分别由加热源和冷却源(未示出)吹出。在实施例中，热空气50从工件10和工件12的顶侧吹出，冷空气48从底侧吹出。在可选实施例中，热空气48从工件10和工件12的底侧吹出，冷空气50从顶侧吹出。从而，可以在从上到下的方向上或者从下到上的方向上建立温度梯度。磁场32也可以用来影响凝固了的焊料凸块14中C轴的形成。磁场32所施加的方向和大小可以与图IA或者图2中所示的实施例类似。图3B示出了可选实施例，其中，除了支撑件51置于传送带16上用来支撑工件10和工件12，该实施例与图3A中所示的实施例类似。此外，隔热板42置于传送带16的正上方，从而使得冷空气吹到工件10和工件12的一侧，而热空气吹到工件10和工件12的另一侦U。此外，由于热空气和冷空气(由箭头48和箭头50表示)都吹到了工件10和工件12 的一侧，而没有吹到工件10和工件12的另一侧，因此，在从上到下的方向上或者从下到上的方向上建立了温度梯度，具体的方向取决于所提供的热空气和冷空气的方向。从而，可以在从下到上的方向上或者从上到下的方向上发生成核现象和枝晶生长。图IA到图3B示出了连续的回流工艺，其中，工件10和工件12—个接一个地传送到腔体200，并且从腔体200中传送出。图4A和图4B示出了成批回流工艺，其中，将多个工件10/12组成的对同时接合。参考图4A，多个工件10中的每一个都接合到多个工件12之一。实施加热步骤，从而熔化焊料凸块14。在实施例中，如图4A中所示，将热空气(由箭头49表示)吹到每个工件对10/12的顶侧和底侧，以熔化焊料凸块14。接下来，如图4B中所示，在焊料凸块14凝固期间，热空气吹到工件IO和工件12的一侧，冷空气吹到工件10和工件12的另一侧，其中，箭头48和箭头50用于表示热空气和冷空气。为了确保热空气和冷空气都只从吹到包含工件10和工件12的封装的一侧，而不会影响另一侧，利用隔热板42将封装结构的顶侧和底侧热隔离，此时，封装结构置于隔热板42的开口上。此外，热空气或冷空气48/50都可以从封装结构的顶侧和底侧之一吹出，但是不能从两侧同时吹出。利用这种设置，可以在焊料凸块14中建立温度梯度，并且可以在凝固了的焊料凸块14中形成柱状晶粒结构。在焊料凸块14中的成核现象和枝晶生长期间,还可以施加磁场32。由于工件10和工件12可能会由于磁场32而被磁化(图IA到图4B)，因此，在焊料凸块14的回流和凝固之后，可以实施消磁步骤，如图5所示。经过接合的工件10和工件12置于快速交变磁场60中，其中，磁场60的方向以一定频率倒转，例如，频率为大约50MHz。磁场的振幅可以是大约O. 3特斯拉，并且可以逐渐减小到O特斯拉。在每个实施例中，当还没有施加底部填充时，可以使用回流工艺(图IA至图5)来连接工件10和工件12。在可选实施例中，在已经施加了底部填充，并且已经实施了回流来接合工件10和工件12之后，可以实施回流工艺。因此，该回流工艺可以利用其上施加的底部填充来实施。图6A到图6G示出了示例性的回流和底部填充施加工艺。参考图6A，将焊剂(flux)施加到工件之一，比如工件12。接着，焊料凸块14置于工件12上，随后放置工件10，从而使得工件10和工件12中的接合焊盘(未示出)接触焊料凸块14。接着，如图6C所示，实施回流，例如，在腔体200内，并且利用图I到图5中所示的实施例。图6D表示出从腔体70中所得到的封装结构中清除焊剂。在图6E中，将底部填充72施加到工件10和工件12之间的间隙中，从而保护封装结构不会受到由于封装结构中不同材料之间的热膨胀系数中的不匹配而产生的应力的影响。图6F示出了底部填充72的固化，其中，所述固化可以是腔室74中的热固化。在图6G中，实施二次回流，从而将已经经过回流的焊料凸块14进行回流，该焊料凸块14通过底部填充72而得到保护。在实施例中，图I到图5中所示的回流工艺可以是图6C中所示的回流工艺，和/或可以是图6G中所示的回流工艺。可以了解，在制造和/或测试封装结构期间，可以对焊料凸块实施多个回流工艺。最后的回流工艺(在该最后的回流工艺之后再没有附加的回流工艺来熔化焊料凸块)可以采用本发明的回流工艺，从而使得凸块焊盘中的柱状结构可以通过任意附加的回流工艺来保持完好无损。通过使用该实施例，可以形成柱状晶粒，该柱状晶粒的纵轴方向垂直于工件10和工件12的主表面15 (图1A)。因此，如果在焊料凸块中存在开裂，在平行于主表面15的方向上的开裂的传播就会被阻挡住。此外，通过在焊料凸块的成核现象阶段和枝晶生长阶段中施加磁场，还降低了发生开裂的可能性。根据实施例，一种方法，包括将包含第一工件和第二工件的封装结构加热，以熔化第一工件和第二工件之间的多个焊料凸块；以及在加热步骤之后，将多个焊料凸块凝固；在凝固步骤期间，将封装结构的第一侧保持在第一温度，第一温度高于多个焊料凸块的熔化温度，其中，利用加热源实施保持步骤；在凝固步骤期间，利用冷却源将封装结构的第二侧保持在第二温度，第二温度低于熔化温度，其中，第二侧与第一侧相对。根据其他实施例，一种方法，包括将第一工件堆叠在第二工件的正上方，其中，焊料凸块置于第一工件和第二工件之间；以及将第一工件和第二工件加热，以熔化焊料凸块；在加热步骤之后以及焊料凸块凝固之前，将第一工件和第二工件在传送带上传送，其中，传送带处在第一温度，第一温度不高于室温；以及在加热步骤之后以及焊料凸块凝固之前，将热空气从第一工件和第二工件的顶侧吹到第一工件和第二工件上，其中，热空气处在第二温度，第二温度高于焊料凸块的熔化温度。根据其他实施例，根据其他实施例，一种方法，包括将第一工件堆叠在第二工件的正上方，其中，焊料凸块置于第一工件和第二工件之间；将第一工件和第二工件加热，以熔化焊料凸块；在加热步骤之后，凝固焊料凸块；以及在加热步骤之后和焊料凸块完全凝固之前，在焊料凸块上施加磁场。
尽管已经详细地描述了本发明及其优势，但应该理解，可以在不背离所附权利要求限定的本发明主旨和范围的情况下，做各种不同的改变，替换和更改。而且，本申请的范围并不仅限于本说明书中描述的工艺、机器、制造、材料组分、装置、方法和步骤的特定实施例。作为本领域普通技术人员应理解，通过本发明，现有的或今后开发的用于执行与根据本发明所采用的所述相应实施例基本相同的功能或获得基本相同结果的工艺、机器、制造，材料组分、装置、方法或步骤根据本发明可以被使用。因此，所附权利要求应该包括在这样的工艺、机器、制造、材料组分、装置、方法或步骤的范围内。此外，每条权利要求构成单独的实施例，并且多个权利要求和实施例的组合在本发明的范围内。
权利要求
1.一种方法，包括 将包含第一工件和第二工件的封装结构加热，以熔化所述第一工件和所述第二工件之间的多个焊料凸块；以及 在加热步骤之后，将所述多个焊料凸块凝固，其中，所述方法进一步包括 在凝固步骤期间，将所述封装结构的第一侧保持在第一温度，所述第一温度高于所述多个焊料凸块的熔化温度，其中，利用加热源实施保持步骤；以及 在凝固步骤期间，利用冷却源将所述封装结构的第二侧保持在第二温度，所述第二温度低于所述熔化温度，其中，所述第二侧与所述第一侧相对。
2.根据权利要求I所述的方法，其中，在将所述多个焊料凸块凝固的步骤期间，在所述多个焊料凸块中的每一个中都建立温度梯度，并且，其中，所述温度梯度的方向基本上垂直于所述第一工件和所述第二工件的主表面。
3.根据权利要求I所述的方法，其中，所述第一温度高于大约200°C。
4.根据权利要求I所述的方法，其中，所述第二温度低于大约0°C。
5.根据权利要求4所述的方法，其中，所述第二温度低于大约-20°C。
6.根据权利要求I所述的方法，其中，所述加热源配置为吹热空气，所述冷却源配置为吹冷空气。
7.根据权利要求I所述的方法，其中，所述加热源配置为吹热空气，所述冷却源包含在传送带中，所述传送带配置为传送所述封装结构。
8.根据权利要求I所述的方法，进一步包括利用隔热板在所述封装结构的顶侧和底侧之间形成隔离，其中，所述加热源配置为从所述顶侧和所述底侧中的一个中吹热空气，以及其中，所述冷却源配置为从所述顶侧和所述底侧中的另一个中吹冷空气。
9.根据权利要求I所述的方法，进一步包括在凝固步骤期间，将磁场施加到所述多个焊料凸块。
10.一种方法，包括 将第一工件堆叠在第二工件的正上方，其中，焊料凸块置于所述第一工件和所述第二工件之间； 将所述第一工件和所述第二工件加热，以熔化所述焊料凸块； 在加热步骤之后以及所述焊料凸块凝固之前，在传送带上传送所述第一工件和所述第二工件，其中，所述传送带处在第一温度，所述第一温度不高于室温；以及 在加热步骤之后以及所述焊料凸块凝固之前，将热空气从所述第一工件和所述第二工件的顶侧吹到所述第一工件和所述第二工件上，其中，所述热空气处在第二温度，所述第二温度高于所述焊料凸块的熔化温度。
全文摘要
一种方法，包括将包含第一工件和第二工件的封装结构加热，以熔化第一工件和第二工件之间的多个焊料凸块；以及在加热步骤之后，将多个焊料凸块凝固；在凝固步骤期间，将封装结构的第一侧保持在第一温度，第一温度高于多个焊料凸块的熔化温度，其中，利用加热源实施保持步骤；在凝固步骤期间，利用冷却源将封装结构的第二侧保持在第二温度，第二温度低于熔化温度，其中，第二侧于第一侧相对。
文档编号H01L21/60GK102623361SQ201110381718
公开日2012年8月1日 申请日期2011年11月23日 优先权日2010年11月24日
发明者张志鸿, 董志航, 蔡宗甫, 郭彦良 申请人:台湾积体电路制造股份有限公司