一种基于镍和铜微针锥异种结构的固态超声键合方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于镍和铜微针锥异种结构的固态超声键合方法，包括步骤为：选择具有相互匹配的电互连焊盘的两个或多个待键合元件，两两形成一待键合偶；在待键合偶的其中一侧的焊盘上形成镍微针锥；在待键合偶的另一侧的焊盘上形成铜微针锥；将待键合偶的一侧元件吸附在键合装置压头表面；将所述待键合偶的两侧焊盘对准，使所述镍微针锥与所述铜微针锥匹配接触，向所述待键合偶一侧施加键合压力和超声振动并保持一定时间，使得所述镍微针锥与所述铜微针锥互连键合。本发明的工艺过程简单，无需加热及助焊剂，可避免热损伤，提高产品可靠性；微针锥结构缩短了超声键合的时间，提高了互连的有效性和键合密度。
【专利说明】一种基于镍和铜微针锥异种结构的固态超声键合方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及半导体芯片封装领域，具体是通过表面微针锥金属层的使用，实现元 件间超声互连键合的方法。
【背景技术】
[0002] 目前电子封装向小型化、高密度化和多芯片化发展，电互连技术是电子封装技术 中的核心技术，传统的熔融键合通过高温使得焊料在焊点处融化润湿，冷却后使得键合点 固化，从而获得较好的连接。如传统的再流焊工艺需要将温度加热到焊料熔点以上，高的温 度环境对芯片本身会产生恶劣的影响，大大降低产品的可靠性。为了达到理想的焊接强度， 常常使用助焊剂等有机物，焊接完成后需除去相应残留物，这需要耗费大量的生产时间，进 而降低了生产效率。
[0003] 寻求低焊接温度、高焊接强度的工艺已经成为互连技术的发展趋势。现今有大量 文献及专利描述使用非熔融方法实现互连，其中非常重要的途径是利用纳米材料对键合偶 表面进行处理，从而降低键合所需的温度。例如利用纳米级金、银等材料的高表面能，降低 再结晶温度，从而在压力辅助下产生低温烧结现象，进而实现低温焊接。对于直径为l〇〇nm 的纳米银颗粒而言，键合可在300° C以下温度、25MPa压力下进行，获得剪切强度在lOMPa 以上。又例如，一些金属在低温下可相互作用形成高熔点金属间化合物，如铟-银，铟-锡 等都可以用来实现低温互连。
[0004] 超声键合是利用超声波发生器产生的能量，通过换能器在超高频率磁场感应下迅 速伸缩而产生弹性震动，然后经变幅杆传给劈刀，使其震动，同时在劈刀上施加一定压力。 劈刀在二种合力的共同作用下是焊区二个金属面紧密接触，达到原子间的"键合"，形成牢 固的焊接。
[0005] 通过改变键合偶的表面形貌，也可以达到降低键合温度的效果。微针锥阵列材料 由于其针尖结构可以破坏焊料氧化层，被运用在热压键合中，键合后形成嵌入式的界面，在 160-200° C可获得较为理想的键合强度，然而该技术由于诸多瓶颈难以实际应用。例如界 面存在的空洞使得键合质量不佳，因此需要后期对焊接点持续加热以提高界面强度；空洞 的存在使得键合需要较长的时间，这严重影响了其实际应用范围。
【发明内容】
[0006] 本发明的目的在于提供一种镍和铜微针锥异种结构的固态超声键合方法，该方 法能够克服以往工艺存在的一些缺陷，避免回流焊工艺温度高对器件造成的热损伤，同时 避免了微针锥热压焊的界面空洞问题和键合时间过长问题，通用性强，连接效率高，可靠性 好。
[0007] 为解决上述技术问题，本发明是通过如下技术方案实现的： 本发明提出一种基于镍和铜微针锥异种结构的固态超声键合方法，包括步骤如下： 1)选择具有相互匹配的电互连焊盘的两个或多个待键合元件，两两形成一待键合偶； 2) 在待键合偶的其中一侧的电互连焊盘上形成镍微针锥； 3) 在待键合偶的另一侧的电互连焊盘上形成铜微针锥； 4) 将待键合偶的一侧元件吸附在键合装置压头表面； 5) 将待键合元件的两侧的电互连焊盘对准，使所述镍微针锥与所述铜微针锥匹配接 触，向所述待键合偶一侧施加键合压力和超声振动并保持一定时间，使得所述镍微针锥与 所述铜微针锥互连键合。
[0008] 优选地，所述镍微针锥及所述铜微针锥的形成通过电沉积法实现，通过控制添加 剂浓度、时间、电沉积温度、电流密度等参数，控制所述镍微针锥的高度在500纳米至2000 纳米之间，所述镍微针锥的锥底直径在200纳米至1000纳米之间，所述铜微针锥的高度在 200纳米至2000纳米之间，所述铜微针锥的锥底直径在100纳米至1000纳米之间；同一焊 盘的所述镍微针锥或者所述铜微针锥的针锥高度基本一致。
[0009] 优选地，形成所述镍微针锥和所述铜微针锥后，在所述镍微针锥和所述铜微针锥 表面制备防氧化层；所述防氧化层为高温下抗氧化的Au、Pt、Ag、Pd、Sn等金属单质或合金， 厚度为数纳米至数十纳米，不改变所述镍微针锥和所述铜微针锥的形貌结构。
[0010] 优选地，所述压头为中空结构，通过真空负压方式吸附所述待键合元件，键合过程 结束后压头复位并脱尚兀件。
[0011] 优选地，所述超声振动由超声波发生器产生，超声频率一般为10-150kHz，通过机 械装置传导至所述压头及所述待键合元件；键合过程在压力及超声振动下保持数百至数千 微秒，保持时间由金属种类、键合压力、超声功率及频率要求的最优化结果决定。
[0012] 一般，键合过程在室温下进行，操作温度为15摄氏度至40摄氏度；施加的键合压 力为0. l-30MPa，键合时间为0.04-5S。操作温度低，键合时间短，更易于操作，可广泛应用。
[0013] 相较于现有技术，本发明具有以下优点： 本发明中镍微针锥与铜微针锥有良好的机械咬合作用，同时其良好的表面活性导致的 互扩散强化机制会增强键合效果，明显地防止键合过程空洞的发生，进而有效地降低键合 温度，提高键合质量。
【专利附图】
【附图说明】
[0014] 下面结合附图对本发明的实施方式作进一步说明： 图1为本发明的镍微针锥与铜微针锥在键合之前的剖面图。
【具体实施方式】
[0015] 下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行 实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施 例。
[0016] 请参阅图1，本发明的基于镍和铜微针锥异种结构的固态超声键合方法，包括步骤 如下： 1) 选择具有相互匹配的电互连焊盘的两个或多个待键合元件，两两形成一待键合偶； 2) 在待键合偶的其中一侧的电互连焊盘上形成镍微针锥120 ; 3) 在待待键合偶的另一侧的电互连焊盘上形成铜微针锥130 ; 4) 将待键合偶的一侧元件吸附在键合装置压头110表面； 5) 将待键合偶的两侧的电互连焊盘对准，使所述镍微针锥120与所述铜微针锥130匹 配接触，向所述待键合偶的一侧施加键合压力和超声振动并保持一定时间，使得所述镍微 针锥120与所述铜微针锥130互连键合。
[0017] 实施例1 (1)镍微针锥制备：在带有I/O焊盘的裸芯片上制备镍微针锥，先通过电化学除油处理 清洁表面，随后浸入20wt. %硫酸中活化以提高表面活性。使用电沉积方法制备镍针锥，所 用电解液成分为：120g/L的NiCl2、40g/L的!^0 4、200g/L的结晶调整剂。电沉积条件 为60° C，pH=4,电流密度为2A/dm2,沉积时间为20min。制备的镍针锥高度大约lOOOnm，锥 体直径为约300nm?500nm。
[0018] (2)铜微针锥制备：在另一带有I/O焊盘的裸芯片上制备铜微针锥，先通过电化学 除油处理清洁表面，随后浸入20wt. %硫酸中活化以提高表面活性。使用电沉积方法制备 铜针锥，所用电解液成分为：l〇〇g/L的CuS04,5H 20、40g/L的驶04、0. 2g /L的添加剂、 40 g /L的络合剂，其中添加剂的作用是使铜微针锥垂直生长。电沉积条件为20° C，pH=3， 电流密度为1. 2A/dm2,沉积时间为3min。制备的铜微针锥高度大约800nm，椎体直径由约 300nm ?400nm。
[0019] (3)将2个分别含有镍微针锥和铜微针锥的芯片面对面放置对准，其中一侧芯片 放到压头附近，压头通过真空力将铜片吸附在表面，调节键合压力参数，调节超声功率及频 率，调节时间控制器，打开开关后，压头以超声功率20W，等效静压力5MPa，键合时间1. 5s， 完成键合。键合后关闭压头110的真空，取下芯片。
[0020] 实施例2 在倒装基片的焊盘区域通过化学沉积或电化学沉积制备镍微针锥120和防氧化层Ag 层，整体厚度约为5 μ m，镍微针锥120的针锥高度约为1 μ m，Ag层厚度为10nm，此厚度的 Ag不会对针锥结构产生影响。另一倒装基片的焊盘区域通过化学沉积或电沉积制备铜微针 锥130和防氧化层Ag层，整体厚度约为5 μ m，铜微针锥130的针锥高度约为1 μ m，Ag层 厚度为10nm。两倒装基片面对面对准，将用酸洗去表面氧化层的芯片放到压头110附近，压 头110通过真空力将芯片吸附在表面，调节键合压力参数，调节超声功率及频率，调节时间 控制器，打开开关后，压头110以超声功率20W，等效静压力lOMPa，键合时间1.2s，完成键 合。键合后关闭压头110的真空，取下基片。
[0021] 实施例3 在印刷线路板（PCB)用于球栅阵列（BGA)型表面贴装的焊盘区域金属块上制备镍微针 锥120和表面防氧化层Au层，镍微针锥120的针锥高度约1 μ m，Au层厚度约10nm。以同样 方法在印刷线路板（PCB)用于球栅阵列（BGA)型表面贴装的焊盘区域金属块上制备铜微针 锥130和表面防氧化层Au层，铜微针锥130的针锥高度约为1 μ m，Au层厚度为10nm。将分 别制备有镍微针锥120和铜微针锥130的待键合芯片面对面放置对准，其中一个待键合芯 片放到压头110附近，压头110通过真空力将芯片吸附在表面，调节键合压力参数，调节超 声功率及频率，调节时间控制器，打开开关后，压头110以超声功率20W，等效静压力lOMPa， 键合时间1. 2s，完成键合。键合后关闭压头110的真空，取下芯片。
[0022] 进一步地，镍微针锥120以及铜微针锥130的形成可以通过电沉积法实现，通过控 制添加剂浓度、时间、电沉积温度、电流密度等参数，控制所述镍微针锥120的高度在500纳 米至2000纳米之间，所述镍微针锥120的锥底直径在200纳米至1000纳米之间，所述铜微 针锥的高度在200纳米至2000纳米之间，所述铜微针锥130的锥底直径在100纳米至1000 纳米之间；同一焊盘的所述镍微针锥120或者所述铜微针锥130的针锥高度基本一致。
[0023] 进一步地，形成所述镍微针锥120和所述铜微针锥130后，在镍微针锥120和铜微 针锥130的表面制备防氧化层；所述防氧化层为高温下抗氧化的Au、Pt、Ag、Pd、Sn等金属 单质或合金，厚度为数纳米至数十纳米，不改变所述镍微针锥120和所述铜微针锥130的形 貌结构。
[0024] 进一步地，压头110为中空结构，通过中间管道以真空负压方式吸附待键合元件， 键合过程结束后压头110复位并脱离元件。
[0025] 进一步地，超声振动由超声波发生器产生，超声频率一般为10-150kHz，通过机械 装置传导至压头110及待键合元件；键合过程在压力及超声振动下保持数百至数千微秒， 保持时间由焊料金属种类、键合压力、超声功率及频率要求的最优化结果决定。
[0026] -般，键合过程在室温下进行，操作温度为0摄氏度至60摄氏度，由于超声振动摩 擦而产生的局部温度升高不影响本方法的效果；键合压力在〇. l_30MPa之间，依据键合超 声功率而定；键合时间一般在〇. 〇4-5s之间，依据键合压力和键合超声功率而定。操作温度 低，键合时间短，更易于操作，可广泛应用。
[0027] 此处公开的仅为本发明的优选实施例，本说明书选取并具体描述这些实施例，是 为了更好地解释本发明的原理和实际应用，并不是对本发明的限定。任何本领域技术人员 在说明书范围内所做的修改和变化，均应落在本发明所保护的范围内。
【权利要求】
1. 一种基于镍和铜微针锥异种结构的固态超声键合方法，其特征在于，包括步骤如 下： 1) 选择具有相互匹配的电互连焊盘的两个或多个待键合元件，两两形成一待键合偶； 2) 在待键合偶的其中一侧的电互连焊盘上形成镍微针锥； 3) 在待键合偶的另一侧的电互连焊盘上形成铜微针锥； 4) 将待键合偶的一侧元件吸附在键合装置压头表面； 5) 将待键合元件的电互连焊盘对准，使所述镍微针锥与所述铜微针锥匹配接触，向所 述待键合偶的一侧施加键合压力和超声振动并保持一定时间，使得所述镍微针锥与所述铜 微针锥互连键合。
2. 根据权利要求1所述的基于镍和铜微针锥异种结构的固态超声键合方法，其特征在 于，所述镍微针锥及所述铜微针锥的形成通过电沉积法实现，通过控制添加剂浓度、时间、 电沉积温度、电流密度等参数，控制所述镍微针锥的高度在500纳米至2000纳米之间，所述 镍微针锥的锥底直径在200纳米至1000纳米之间，所述铜微针锥的高度在200纳米至2000 纳米之间，所述铜微针锥的锥底直径在100纳米至1000纳米之间。
3. 根据权利要求2所述的基于镍和铜微针锥异种结构的固态超声键合方法，其特征在 于，同一焊盘的所述镍微针锥或者所述铜微针锥的针锥高度基本一致。
4. 根据权利要求3所述的基于镍和铜微针锥异种结构的固态超声键合方法，其特征在 于，形成所述镍微针锥和所述铜微针锥后，在所述镍微针锥和所述铜微针锥表面制备防氧 化层。
5. 根据权利要求4所述的基于镍和铜微针锥异种结构的固态超声键合方法，其特征在 于，所述防氧化层为高温下抗氧化的Au、Pt、Ag、Pd、Sn等金属单质或合金，厚度为数纳米至 数十纳米，不改变所述镍微针锥和所述铜微针锥的形貌结构。
6. 根据权利要求5所述的基于镍和铜微针锥异种结构的固态超声键合方法，其特征在 于，所述压头为中空结构，通过真空负压方式吸附所述待键合元件，键合过程结束后压头复 位并脱离元件。
7. 根据权利要求6所述的基于镍和铜微针锥异种结构的固态超声键合方法，其特征在 于，所述超声振动由超声波发生器产生，通过机械装置传导至所述压头及所述待键合元件。
8. 根据权利要求7所述的基于镍和铜微针锥异种结构的固态超声键合方法，其特征在 于，键合过程在压力及超声振动下保持数百至数千微秒，保持时间由金属种类、键合压力、 超声功率及频率要求的最优化结果决定。
9. 根据权利要求1至8任一项所述的基于镍和铜微针锥异种结构的固态超声键合方 法，其特征在于，键合过程在室温下进行，操作温度为15摄氏度至40摄氏度。
10. 根据权利要求1至8中任一项所述的基于镍和铜微针锥异种结构的固态超声键合 方法，其特征在于，键合压力为0. l-30MPa，键合时间为0. 04-5s。
【文档编号】H01L21/768GK104112707SQ201410313880
【公开日】2014年10月22日 申请日期:2014年7月3日 优先权日:2014年7月3日
【发明者】胡安民, 李明, 胡丰田, 王浩哲 申请人:上海交通大学