一种快速生成高熔点接头的芯片键合方法及超声压头设计的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明属材料技术领域，特别涉及一种快速生成高熔点接头的芯片键合方法及超声压头设计。
【背景技术】
[0002]在科学技术迅速发展的今天，半导体器件变得更小、更薄、集成度变得更高，功能性变得更多，工作环境也变得更加恶劣。此外，随着能源产业和航空航天产业的迅猛发展，越来越多的微电子器件被要求在恶劣环境下稳定服役，尤其是要在高温的环境下良好工作。如在能源产业中应用于钻探机械上的MEMS传感器，其服役的环境温度高于300°C，
[0003]又如航天设备中使用的一些高温功率电子系统，其使用温度甚至达到400°C，这些微电子设备应用的新趋势推动了对高熔点互连接头的研究。
[0004]芯片键合作为IC封装中极为关键的工艺步骤。而芯片键合钎料是功率半导体器件必需的封装材料，起到固定芯片、散热等功能，因此这类材料必须具有优越的导热性能、抗热电循环性以及承受较高温工作环境的能力。
[0005]从芯片键合发展历程来讲，芯片与引线框架或芯片与基板连接常用的材料可以分为两类:导热胶和钎料合金。工业中使用的银填充导热胶在200°C左右失效，并且这些金属填充的导热胶在热导率和电导率方面的性能远远低于钎料合金。由于常用的钎料合金的熔点都在200°C左右，使得这些低熔点的钎料合金并不能成为高温工作器件的良好连接材料。
[0006]高铅钎料曾经广泛作为高温下使用的芯片键合中间层(界面)材料之一，然而，高铅钎料的熔点温度低于300°C，而且在SiC等宽带隙半导体器件使用过程中稳定性差。新型半导体器件服役环境条件苛刻，要求其封装材料尤其是芯片键合使用的封装材料必须具有十分优越的性能。一般获得高熔点互连焊点的方法是使用较高熔点的钎料合金，例如高熔点高Pb钎料、B1-Ag基高温无铅钎料、Au基无铅钎料(AuSn)等。但由于Pb具有毒性以及易造成环境污染，以及其它钎料互连可靠性差或者成本高等原因，这些高温钎料的应用受到了限制。
[0007]因此，近来有学者提出借助于熔化钎料与金属焊盘的冶金反应生成高温化合物，通过延长反应时间，制备出高熔点金属间化合物的互连焊点。而为了得到高熔点金属间化合物接头，使用传统的焊接工艺需要相当长的时间，这样既降低了生产效率，同时也会导致热应力的产生，并且严重影响了整个封装系统的可靠性。因此迫切需要一种能够在低温下快速形成高熔点金属间化合物接头的焊接方法。
[0008]超声互连技术在微电子封装领域的应用由来已久，最早主要应用在引线键合工艺上，即将芯片粘结到引线框架的芯片粘结区、层压塑料或层压陶瓷基板的腔室内或上表面后，使用金丝通过热超声、热压或超声技术，或使用铝丝通过超声技术对IC进行引线键合。近年来，一些研究者把目光转向了超声互连技术，提出了在面阵封装中实现超声互连的技术设想，但是超声互连技术在芯片的键合这一领域并未得到应用，最主要的原因是由于芯片本身易碎，难以承受压力，当超声直接施加在芯片表面时会使芯片破裂，造成恶劣后果。
[0009]现有技术CN103133465A提供了一种硬质材料在大气环境下实现可控间隙的随模加热及冷却连接的方法和该方法使用的模具，被连接硬质材料包括:陶瓷、玻璃及其他硬质材料。该方法在键合过程中会将作用力直接施加在焊接结构的上方，假如应用于芯片键合时，由于芯片易碎，键合过程中施加压力以及高频振动会造成器件破坏的严重后果。并且，由于芯片键合是芯片-中间层-基板(引线框架)的结构，芯片的尺寸小于基板(引线框架)的尺寸，该模具不适合芯片的键合的应用。同时技术CN101362240A提供了一种镁合金及其复合材料精密超声波辅助钎焊设备及方法属于金属材料焊接设备制造工程领域，为了实现焊接效果，该方法同样需要将作用力通过振动压头施加到工件上。如果将该技术用于芯片键合中，振动压头直接作用于芯片，由于高频振动以及压力会造成芯片破裂，器件损坏。因此，需要一种既能实现高频机械振动的效果，并且对芯片不施加作用力的特殊结构的装备。
【发明内容】
[0010]为了解决现有技术中问题，本发明首先提供一种快速生成高熔点接头的芯片键合方法及超声压头设计，本发明的振动压头能够避免键合过程中对芯片的损害，并且该键合方法尤其适用于高功率、高集成度、高强度的电子封装连接。
[0011]—种快速生成高熔点接头的芯片键合方法，连接材料包括母材一(I)、中间层二
(2)和母材三(3)，其特征在于:包括以下步骤:
[0012]1、被连接材料进行表面处理:对母材一(I)、中间层二(2)和母材三(3)进行轻微打磨去除氧化层以及表面有机物，之后进行超声清洗；
[0013]I1、将母材三(3)置于下层，母材一(I)置于上层及中间层(2)在中间构成一种三明治结构；
[0014]II1、用加热装置对母材三(3)进行加热，通过热传导使中间层二(2)达到预定熔化温度；
[0015]IV、超声振动压头作用于母材三(3);
[0016]V、超声装置对母材三(3)施加高频率的横向超声振动，超声振动的频率为20kHz?40kHz、振幅为4 μπι?16 μm，超声振动时间为O?10秒；
[0017]V1、超声振动结束后，将超声振动压头抬起并停止对母材三(3)施压以及停止加热，使连接接头部位冷却至室温。
[0018]上述步骤I中所述的打磨优选机械打磨，通过打磨去除表面氧化物和油污，并且将处理后母材置于无水乙醇中保存；所述超声清洗时间为I?5分钟；
[0019]上述步骤II所述母材三(3)可装卡在底部固定尺寸卡具和电阻加热板4上，本发明默认为母材三(3)装卡在固定尺寸卡具4上，限制母材三(3)不能前后左右移动。母材一 (I)通过芯片拾取装置实现与母材三(3)配合，使二者的连接面相对并将中间层(2)置于所需被连接界面之间，构成芯片-中间层-基板的“三明治”结构。
[0020]作为本发明的进一步改进，所述的母材一(I)为背面镀有Ni/Ag或镀Ni/Au的芯片，包括工业生产的Si芯片和SiC、GaN等宽带隙半导体材料，所述的母材一(I)的形状为片状或块状；所述的中间层二⑵为纯锡、锡-铜、锡-银-铜、锡-银等锡基钎料中的一种或多种，所述中间层(2)的形状为片状或箔状；所述母材三(3)为工业生产中使用的高纯的金属基板或者引线框架，包括工业生产的铜基板、铜引线框架和其他金属基板，所述母材三
(3)的形状为块状、片状或板状。
[0021]上述中间层(2)材料及尺寸优选方案为:
[0022]1、为获得最合适的化合物接头，优选纯锡；如为了降低键合温度，并且增加强度，优选锡-铜、锡-银、锡-银-铜等锡基合金中的一种或几种。
[0023]2、为获得最佳的连接效果，防止钎料溢出，所述中间层⑵的尺寸应比被连接母材一(I)、母材三⑶接头界面的横截面尺寸在一个方向上小5 μπι?15μηι，并位于接头界面的中间区域。如果钎料尺寸过大或者大于被连接母材一(1)、母材三(3)接头界面的横截面尺寸，会造成钎料溢出，并且会造成母材一(I)的污染。
[0024]3、为缩短连接时间以及获得完美的化合物接头，所选中间层⑵的厚度为10 μ???50 μ??，当中间层(2)的厚度大于50 μm时，要想形成完全高恪点的接头需要较长的时间，甚至难以形成完全化合物的接头；并且，在键合过程中高频振动会致使钎料溢出造成母材一(I)的污染。
[0025]4、中间层(2)的尺寸、形状可根据母材尺寸而优化确定，为了实现中间层的快速熔化以及润湿，所述中间层⑵的形状为片状、箔状。
[0026]上述步骤III中所述加热目的是为了使得中