半导体多层晶粒堆叠模块及其焊接方法与流程

本发明涉及到半导体封装领域，特别是涉及到一种半导体多层晶粒堆叠模块及其焊接方法。

背景技术：

当前半导体封装多层晶粒堆叠产品反向线焊接有以下2种工艺：

第一种，晶粒焊位先球垫焊接再进行反向球脚焊接工艺(bsob)，为多层晶粒堆叠产品，此种焊接工艺晶粒1(die1)到晶粒3(die3)每次晶粒的焊位要进行3次焊接，做完此焊线连接需要做12次焊接，造成焊线速度慢，而且焊接工具(焊嘴)损耗量大，焊线接成本高。

第二种，反向链条焊接工艺。此种焊接工艺晶粒1(die1)到晶粒4(die4)每次晶粒的焊位只需要进行1次焊接，做完此焊线连接需要做5次焊接，焊线速度快，而且焊接工具(焊嘴)损耗量小，但是焊嘴易在晶粒焊位上做楔形焊接时会碰到晶粒面容易造成其电路受损，产品品质无法得到保证。因为现在越来越多种类产品的晶粒(像3dflash等)焊位比晶粒面低4um左右，对于20um及以下的焊线在做楔形焊接和焊脚焊接过程中线的厚度需要压薄到3～6um，这样焊嘴碰晶粒面的风险就很大。

技术实现要素：

为了解决上述现有技术的缺陷，本发明的目的是提供一种半导体多层晶粒堆叠模块及其焊接方法。

为达到上述目的，本发明的技术方案是：

一种半导体多层晶粒堆叠模块，包括多层依次堆叠于基板上的晶粒，所述晶粒表面设置有焊位，位于顶部的所述晶粒的焊位上均焊设有金属球垫，所述金属球垫的顶部向上超出对应所述晶粒的上表面。

进一步地，所述晶粒上排列设置有多个焊位。

进一步地，所述焊位为开设于晶粒表面的下凹槽状，所述金属球垫的顶部向上超出焊位的侧壁。

本发明还提出了一种半导体多层晶粒堆叠模块的焊接方法，包括以下步骤：

在位于顶部的晶粒上焊接金属球垫；

焊嘴从基板的焊位开始，依次焊接两个相邻的晶粒做反向链条焊接，在位于顶部晶粒的金属球垫表面拉断焊线完成焊接。

进一步地，所述在位于顶部的晶粒上焊接金属球垫步骤之前，包括，

在晶粒表面排列开设多个下凹槽状的焊位。

进一步地，所述在位于顶部的晶粒上焊接金属球垫步骤，包括，

在位于顶部的晶粒的焊位内焊设金属球垫，金属球垫的顶部向上超出焊位的侧壁。

进一步地，所述在位于顶部的晶粒上焊接金属球垫步骤，包括，

在焊嘴下方的线尾在正负高电压差产生的高位温下融化成球形。

将焊嘴降到焊位表面施加压力和超声波能量进行焊接，焊接完成焊嘴上升并把焊线拉断，形成金属球垫。

进一步地，所述焊嘴从基板的焊位开始，依次焊接两个相邻的晶粒做反向链条焊接，在位于顶部晶粒的金属球垫表面拉断焊线完成焊接步骤，包括，

在焊嘴下方的线尾在正负高电压差产生的高位温下融化成球形；

焊嘴降到焊接表面施加压力和超声波能量进行球焊接；

球焊接完成继续放线，焊嘴移动到金属球垫上进行焊脚焊接，并把线拉断。

本发明的有益效果是：通过在位于顶部的晶粒上焊设金属球垫，焊接工具开始将焊线做反向链条焊接在相邻晶粒时，通过金属球垫抬高焊嘴，保证焊接工具在拉断焊线的过程中，焊嘴不直接接触位于顶部的晶粒的表面，在提升焊接速度和减少焊接工具的损耗的同时，同时确保半导体封装焊接品质。

附图说明

图1为本发明一种半导体多层晶粒堆叠模块的结构示意图；

图2为本发明一实施例一种半导体多层晶粒堆叠模块的焊接流程图；

图3为本发明一实施例一种金属球垫的焊接流程图；

图4为本发明一实施例一种半导体多层晶粒堆叠模块的焊接方法的方法流程图；

图5为本发明一实施例在位于顶部的晶粒上焊接金属球垫步骤的方法流程图；

图6为本发明焊嘴从位于顶部的金属球垫开始，依次焊接两个相邻的晶粒做反向链条焊接步骤的方法流程图。

具体实施方式

为阐述本发明的思想及目的，下面将结合附图和具体实施例对本发明做进一步的说明。

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后等)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变，所述的连接可以是直接连接，也可以是间接连接。

另外，在本发明中如涉及″第一″、″第二″等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有″第一″、″第二″的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

如无特别说明，本文中的″/″代表含义为″或″。

线焊接说明：

反向焊接：是指焊线方向从下往上。

焊线被供给通过针状的分配工具(称为焊嘴)的中心管腔。焊线从焊嘴的尖端突出，通过打火杆将高电压的电荷施加给该焊线，电荷熔化了位于尖端的焊线，且该焊线由于熔融金属的表面张力而形成了球形，当球固化时，换能器驱使焊嘴降低到焊接表面且换能器施加压力和超声能量，同时焊接表面被加热来帮助键合。在热、压力以及超声能量的综合作用一段时间下在金属球以及焊接表面之间产生了焊接。

焊嘴然后上升并离开焊接表面，同时焊线继续通过焊嘴放出，这样形成的焊接被称为球焊(ballbond)。

如果焊嘴离开焊球上升几微米再横向移动适当距离再上升把焊线拉断，这样形成的焊球在焊接面被称为球垫焊接(dummyballbond)。

焊球(ballbond)后载有焊线的焊嘴然后可以移动到另一焊接表面上，如相邻晶粒的焊位或者基板及引线框的焊位上，换能器驱使焊嘴降低到焊接表面而将引线压扁，在热、压力以及超声能量的综合作用一段时间下，焊嘴再放出一小段段线并从焊接表面拉断该焊线，这样形成的焊接被称为脚焊(stitchbond)。

参照图1-3，提出本发明一具体实施例，一种半导体多层晶粒堆叠模块，包括多层依次堆叠在基板10上的晶粒20，晶粒20表面设置有焊位21，位于顶部的晶粒20的焊位21上均焊设有金属球垫30，金属球垫30的顶部向上超出对应晶粒20的上表面，焊线40从基板10开始，依次连接两个相邻的晶粒20做反向链条焊接，并在位于顶部的金属球垫30处拉断焊线40完成焊接操作。通过在位于顶部的晶粒20上焊设金属球垫30，焊接工具开始将焊线40做反向链条焊接在相邻晶粒20时，通过金属球垫30抬高焊嘴，保证焊接工具在拉断焊线40的过程中，焊嘴不直接接触位于顶部的晶粒20的表面，在提升焊接速度和减少焊接工具的损耗的同时，同时确保半导体封装焊接品质。

具体的，晶粒20上排列设置有多个焊位21，相邻晶粒20错位设置，且在错位位置开设焊位21，焊位21根据需要进行开设，可以是成条排列设置在晶粒20上，以供焊上金属球垫30。

具体的，焊位21为开设于晶粒20表面的下凹槽状，金属球垫30的顶部向上超出焊位21的侧壁。这样在使用焊嘴反向链条焊接时，就可以将焊线40焊接在金属球垫30上，同时焊接过程保证焊嘴底面直接接触金属球垫30，而不与晶粒20表面直接进行接触，避免对晶粒20表面造成焊接损坏，提高半导体封装质量，在提升焊接速度和减少焊接工具的损耗的同时，确保半导体封装焊接品质。

例如，焊位21侧壁高度为4um，也即是焊位21深度为4um，对应的金属球垫30的厚度必须大于4um，可以是6或7um。

参考图2，为本发明一种半导体多层晶粒堆叠模块的具体应用实例，该堆叠模块为4层晶粒20堆叠的产品，全部晶粒20上均焊设有金属球垫30。焊接时，先单独为每一晶粒20焊上金属球垫30，需要4次焊接；然后，在对应的金属球垫30上做反向链条焊接，需要4次焊接；最后，拉断焊线40，还需要1次焊接，做完此焊线40连接只需要做9次焊接，提高焊接效率。每一层晶粒20上的预先焊设的金属球垫30可以确保接工具(焊嘴)在焊接过程中压薄线时，不会直接接触到晶粒20表面，造成其受损。

参考图3，为一种在晶粒20上焊设就是球垫的操作流程图，图中只是在第一块晶粒20上进行展示，其余晶粒上的金属球垫的焊接过程相同。本发明方案只需要在顶部的晶粒20上焊设金属球垫30，其余位于顶部下方的晶粒20根据实际需要进行选择性焊设金属球垫30，在顶部的晶粒20焊设金属球垫30，是为了在进行反向链条焊接，最后拉断焊线40时，避免焊嘴直接接触晶粒20表面，其余晶粒20因为无需进行焊线40拉断，则不必要设置金属球垫30。

具体的，有必要说明的是，图2和图3上的操作流程为从上到下依次进行。

本方案通过在位于顶部的晶粒20上焊设金属球垫30，焊接工具开始将焊线40做反向链条焊接在相邻晶粒20时，通过金属球垫30抬高焊嘴，保证焊接工具在拉断焊线40的过程中，焊嘴不直接接触位于顶部的晶粒20的表面，在提升焊接速度和减少焊接工具的损耗的同时，同时确保半导体封装焊接品质。

参考图4-6，本发明还提出一种半导体多层晶粒堆叠模块的焊接方法，包括以下步骤：

s10、在晶粒表面排列开设多个下凹槽状的焊位。

s20、在位于顶部的晶粒上焊接金属球垫。

s30、焊嘴从基板的焊位开始，依次焊接两个相邻的晶粒做反向链条焊接，在位于顶部晶粒的金属球垫表面拉断焊线完成焊接。

对于步骤s10，晶粒20上排列设置有多个焊位21，相邻晶粒20错位设置，且在错位位置开设焊位21，焊位21根据需要进行开设，可以是成条排列设置在晶粒20上，以供焊上金属球垫30。

对于步骤s20，现有的晶粒20堆叠模块由多层晶粒20依次堆叠而成，其具体数量根据用户需要进行生产，例如可以是3层，4层或6层等等。在焊设金属球垫30时，也可以根据需要在晶粒20上进行部分或者全部进行焊接，但是位于顶部的晶粒20必须焊设金属球垫30，在顶部的晶粒20焊设金属球垫30，是为了在进行拉断焊线40的操作时，避免焊嘴直接接触晶粒20表面，其余晶粒20因为无需进行焊线40拉断，则不必要设置都金属球垫30。

焊接时，焊线40被供给通过针状的分配工具(称为焊嘴)的中心管腔，焊线40从焊嘴的尖端突出，通过打火杆将高电压的电荷施加给该焊线40，高电压的电荷熔化了位于尖端的焊线40，且该焊线40由于熔融金属的表面张力而形成了球形，焊设在位于顶部的晶粒20表面，当熔融的金属球固化之后，就在对应位置形成金属球垫30。

具体的，步骤s20包括：

s21、在位于顶部的晶粒20的焊位21内焊设金属球垫30，金属球垫30的顶部向上超出焊位21的侧壁。

对于步骤s21，金属球垫30的厚度大于焊位21的高度，金属球垫30的顶部向上超出焊位21的侧壁，在后续进行反向链条焊接时，每一层晶粒20上的预先焊设的金属球垫30可以确焊嘴在焊接过程中压薄线时，不会直接接触到晶粒20表面，造成其受损，保证了半导体封装质量。

例如，焊位21侧壁高度为4um，也即是焊位21深度为4um，对应的金属球垫30的厚度必须大于4um，具体可以是6或7um。

对于步骤s30，在焊设好金属球垫30之后，通过反向链条焊接的方式将焊线40快速的焊接在对应晶粒20上，相对于现有的焊接方案，有效减少了焊接次数，进而有效的提升焊接速度和减少焊接工具的损耗。

参考图x，步骤s20还包括以下步骤：

s22、在焊嘴下方的线尾在正负高电压差产生的高位温下融化成球形。

s23、将焊嘴降到焊位表面施加压力和超声波能量进行焊接，焊接完成焊嘴上升并把焊线拉断，形成金属球垫。

对于步骤s22-s23，焊接时，焊线40被供给通过针状的分配工具(称为焊嘴)的中心管腔，焊线40从焊嘴的尖端突出，通过打火杆将高电压的电荷施加给该焊线40，高电压的电荷熔化了位于尖端的焊线40，在焊嘴下方的线尾在正负高电压差产生的高位温下融化，由于熔融金属的表面张力而形成了球形，焊设在位于顶部的晶粒20的焊位上，当熔融的金属球固化之后，就在对应位置形成金属球垫30，最后焊嘴上升，并把焊线拉断，完成金属球垫的焊设。

参考图5，步骤s30包括以下步骤：

s31、在焊嘴下方的线尾在正负高电压差产生的高位温下融化成球形；

s32、焊嘴降到焊接表面施加压力和超声波能量进行球焊接；

s33、球焊接完成继续放线，焊嘴移动到金属球垫上进行焊脚焊接，并把线拉断。

对于步骤s31-s33，反向链条焊接从基板10开始，依次往上焊接，上升的焊嘴离开上一个焊接表面，同时焊线40继续从焊嘴放出，移动到下一个晶粒20上方，再一次下降接触到其余晶粒20的捍位或者金属球垫30，进行焊接，直到所有晶粒20焊接完成，最后焊嘴再放出一小段焊线40焊设在位于顶部的金属球垫30上，并从焊接表面拉断该焊线40，完成整个焊接过程。在顶部的金属球垫30焊接最后一步时，焊嘴下降与位于顶部的晶粒20的金属球垫30表面直接接触，不会接触到晶粒20表面，同时换能器驱使焊嘴施加压力和超声能量加热并融化金属球垫30焊接表面帮助键合，在热、压力以及超声能量的综合作用一段时间后，金属球垫30和焊线40之间产生了焊接，并拉断焊线完成焊接。

举例说明，参考图3，为本发明具体应用实例，该堆叠模块为4层晶粒20堆叠的产品，全部晶粒20上均焊设有金属球垫30。焊接时，先单独为每一晶粒20焊上金属球垫30，需要4次焊接；然后，在对应的金属球垫30上做反向链条焊接，需要4次焊接；最后，拉断焊线40，还需要1次焊接，做完此焊线40连接只需要做9次焊接，提高焊接效率。每一层晶粒20上的预先焊设的金属球垫30可以确保接工具(焊嘴)在焊接过程中压薄线时，不会直接接触到晶粒20表面，造成其受损。

参考图4，为本发明另一具体应用实例，只在顶部的晶粒20上焊设金属球垫30，其余位于顶部下方的晶粒20均不焊设金属球垫30，只在顶部的晶粒20焊设金属球垫30，是为了在进行反向链条焊接，进行拉断焊线40的操作时，避免焊嘴直接接触晶粒20表面，其余晶粒20因为无需进行焊线40拉断，则不必要设置金属球垫30。

本方案通过在位于顶部的晶粒20上焊设金属球垫30，焊接工具开始将焊线40做反向链条焊接在相邻晶粒20时，通过金属球垫30抬高焊嘴，保证焊接工具在拉断焊线40的过程中，焊嘴不直接接触位于顶部的晶粒20的表面，在提升焊接速度和减少焊接工具的损耗的同时，同时确保半导体封装焊接品质。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。