贴附电子元件的方法

文档序号:9490587
贴附电子元件的方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及将电子元件贴附到金属基板的方法,特别地,尽管非排他地,涉及将倒装芯片元件(有源或无源)贴附到引线框架的方法。
【背景技术】
[0002]在此描述的示例涉及将电子元件贴附到金属基底,例如倒装元件的装配,如倒装芯片元件到基板或引线框架。以下为方便起见,将这种倒装芯片元件称为倒装芯片。倒装芯片封装可以是具有可控坍塌芯片连接方法,用来使半导体器件与外部电路互相连接。倒装芯片可以具有焊接凸块/铜柱/焊帽,其被置于倒装芯片的焊垫上,从而提供暴露的焊接区域(一个提供暴露的焊接的区域)。该焊接凸块/铜柱/焊帽可以在晶圆工艺步骤中被置于晶圆正面的芯片焊垫上。
[0003]为将倒装芯片贴装到基板上(例如,引线框架、电路板、衬底、或者另一芯片或晶圆),其可以被翻转从而正面朝下并对准,从而它的焊接区域与外部电路上的匹配焊垫相对准。焊料可以通过回流焊,以完成电学连接。
[0004]所需要的是,降低成本和减小缺陷,例如实现“零缺陷”质量计划。

【发明内容】

[0005]根据本发明的第一方面,提供一种将电子元件贴附到金属基板的方法,电子元件包括提供在暴露的焊接区域的焊料,该方法包括:
[0006]在基板上形成基于金属的复合层,其中所述基于金属的复合层的最低厚度为1nm ;
[0007]将电子元件置于金属基板上,从而焊接区域与基于金属的复合层的接触区域相接触;以及
[0008]加热焊接区域,从而基于金属的复合层分解,并且焊接区域形成为电子元件与金属基板之间的电连接。
[0009]在基板上提供该基于金属的复合物层,与焊剂或焊料直接施加到基板上相比,可以防止或减小焊剂和/或焊料在加热时过度流出,加热提供回流过程。
[0010]基于金属的复合物层的最小厚度为10、20或25nm。基于金属的复合物层的最大厚度为40、50、100、250、500nm或I微米。基于金属的复合物层的可以具有20至50nm的厚度。
[0011]在基板上形成基于金属的复合物层的步骤可以包括将金属基板暴露于反应气体。反应气体可以包括氧、氮和硫中的一个或多个。反应气体的压力可以是I个大气压。反应气体可以是压力为I个大气压的气体混合物中的组分。
[0012]在基板上形成基于金属的复合物层包括在范围为50°C至250°C的温度下,特别是150 °C至250 °C或者175 °C至250 °C下,将金属基板暴露于反应气体。在基板上形成基于金属的复合物层包括在范围为5至60分钟的时间中,特别是15至30分钟或者5分钟以上,可选地在以上所述的一个温度范围内,将金属基板暴露于反应气体。
[0013]焊接区域可包括一部分的焊剂。该部分的焊剂可以位于焊接区域的暴露部分。焊料可以提供在焊剂与电子元件的电学接触之间。该方法可包括加热焊接区域,从而焊剂分解基于金属的复合物层的接触区域。电子元件可以是倒装元件。
[0014]基于金属的复合物层可以具有比金属基板低的表面能。基于金属的复合物层可以是陶瓷。基于金属的复合物层可以包括金属氧化物层、金属氮化物层或金属硫化物层中的一个或多个。金属氧化物层可以包括Cu2O和/或CuO。按重量计算的氧化物层的主体可以是由Cu2O和/或CuO组成。
[0015]金属基板可以为合金基板。合金基板可以包括钢。金属基板可以包括铜、铝、铬和镍中的一个或多个。
[0016]根据本发明的进一步的方面,提供一种配置为执行所述的任意方法的装置。
[0017]根据本发明的进一步的方面,提供一种用于接收电子元件的基板,电子元件在焊接区域上提供焊料,基板包括:
[0018]金属基板,用于电连接到电子元件;以及
[0019]在金属基板上的基于金属的复合物层,其中所述基于金属的复合物层的最低厚度为 1nm ;
[0020]其中所述基于金属的复合物层配置为在与焊接区域接触时分解,其中焊接区域熔化从而焊接区域形成为电子元件与金属基板之间的电连接。
[0021]基板可以是引线框架。基于金属的复合物层可以具有比金属基板低的表面能。
[0022]根据本发明的进一步的方面,提供一种倒装芯片元件,包括所描述的基板。
【附图说明】
[0023]以下将结合附图对于本发明的实施方式进行进一步描述,其中:
[0024]图1a所示的是经过了助焊、焊料和元件放置之后的第一元件结构,但是在回流之
、广.刖;
[0025]图1b所示的是图1a中的元件结构经过回流之后;
[0026]图2a所示的是经过了焊剂、焊料和元件放置之后的第二元件结构,但是在回流之
、广.刖;
[0027]图2b所示的是图2a中的元件结构经过回流之后;
[0028]图3所示的是焊剂/焊料流出的量随施加到金属基板上的氧化的水平而变化的四个例子;以及
[0029]图4所示的是一种将电子元件贴附到金属基板的方法。
【具体实施方式】
[0030]图1a和图1b显示了有源或无源电子元件(在本示例中为倒装芯片102)是如何被电性地及机械地连接到金属基板104。图1a所示的是经过了焊剂、焊料和元件放置之后的元件结构,但是在回流之前。图1b所示的是经过了焊剂、焊料和元件放置以及经过回流之后的元件结构。
[0031]可以理解的是,该电子元件可以是任何管芯或其他类型的元件。例如,金属基板104可以是引线框架,以及可以由铜制成。金属基板104可以是电路板、例如印刷电路板(PCB)上的迹线或焊垫。
[0032]图1a中所示的倒装芯片102具有连接其上的焊接凸块106。在回流之前,焊接凸块106和焊剂108 (在平行于金属基板104的平面的维度上)具有宽度XI。焊接凸块106电接触到倒装芯片之中的接触焊垫(图未示)。可以知道的是,焊接凸块106与一定容量的焊剂108联合在一起,为便于展示,焊剂108在图中概略地显示在焊接凸块106与金属基板104之间。焊剂108可以使得焊接凸块106在被加热后易于流动,并可以减少或阻止倒装芯片102将要连接的金属基板的氧化。在焊料被回流之前,焊剂108具有厚度(在垂直于金属基板104的平面的维度上)d2,焊接凸块具有厚度d3。
[0033]图1b显示了焊接凸块106被回流之后的元件结构。当倒装芯片102相邻于金属基板104时,加热和回流焊接凸块106以及焊剂108,可以利用焊剂以及随后的焊接粘着,以将倒装芯片102机械地、电学地连接到金属基板104。通过这样,形成了从倒装芯片102到金属基板104的第一级(封装内部)互连。然而,由于焊剂108的粘性随着温度和时间会发生变化,特别是当金属基板104的表面是干净的时候,焊剂的位置可以偏离其原来的位置,并沿着金属基板104的表面流动或蔓延,从而焊接附着到金属基板104上的点会比最初焊接凸块106的焊接点尺寸大。然而,由于焊剂尺寸在金属基板104的表面可能变化,该较大的点可以导致回流性能的不均衡,造成封装失效增多。
[0034]如图1b所示,焊剂108的宽度,以及同样地与金属基板104接触的焊接的宽度,在回流过程中从Xl (图1a中回流之前的)增大到“Xl+2dX”,其中dX是焊剂108与焊接凸块106在焊接凸块106的相反两侧上的横向扩张。仅仅出于展示目的,焊剂108与焊接凸块106在焊接凸块106相反两侧上的横向扩张dX设为相等,尽管在实际中并不必然一定是这样。
[0035]作为横向扩张的结果,金属基板104上的焊接表面面积同样增大。焊接108最终会分解,亦即,它的厚度S 4最终趋向于0,这将导致在金属基板104上的倒装芯片102的高度同样降低。在图1b中这显示为元件高度(dZl)缩小。该高度上的减小是焊剂108与焊接凸块106尺寸在回流过程中形成互连时发生变化的结果。焊剂108本身的流出也取决于接触金属基板的焊接凸块106的表面面积/占地、焊剂的量、以及金属基板104在随后互连时的表面状况。沿着离散的互连上任何不均衡,都可以引起对位误差,例如倒装芯片102漂移到一侧、或者倾斜(delta Z)、或者旋转(delta XY),并进而引起产品失效。
[0036]此外,由于焊接凸块106的宽度在回流中增大,以及在金属基板104上的倒装芯片102的高度降低,在同一倒装芯片102上不同焊接凸块之间这些变化的不均匀也可能引起倒装芯片102相对于金属基板104的倾斜,这是不希望看到的,并且也可能导致失效。
[0037]金属基板104上的焊剂与焊接尺寸变化可以通过使用焊接掩模来减小或最小化,焊接掩模具有孔,焊料预意地被限制在其中。然而,这种焊接掩模会涉及到额外的成本。并且,这种焊接掩模可能产生另外的挑战来将该焊接掩模层不剥离地附着到封材,尤其是对于金属化的基板而言。这种封材可以是电绝缘体,例如环氧树脂,其在倒装芯片102被贴附到基板104之后,被模制在焊接凸点周围。
[0038]图2a和图2b所示的是如何利用一种改进的方法将有源或无源电子元件(在本示例中为倒装芯片202)电学地和机械地连接到金属基板204。图2a所示的是经过了焊剂、焊料和元件放置之后的元件结构,但是在回流之前。图2b所示的是经过了焊剂、焊料和元件放置以及经过回流之后的元件结构。
[0039]图2a和图2b用来描述如何将电子元件(在本示例中为倒装芯片202)贴附到金属基板204。与图1a和图1b相似地,倒装芯片具有暴露的焊接区域,在本示例中包括焊接凸块206和一部分的焊剂208。
[0040]如图2a和图2b所示,在倒装芯片202及与之联合的焊接凸块206被拿来与金属基板204接触之前,基于金属的复合物层210被形成在金属基板上,亦即,在回流之前,在焊接凸块206/焊剂208与金属基板204之间存在一层基于金属的复合物210。
[0041]在本实施方式中,该基于金属的复合物层是金属氧化物层210,其可以通过预氧化金属基板204以在金属基板204上形成一层金属氧化物层210来形成。该金属氧化物层210 (例如可以是CuO与Cu2O的组合)显示为具有厚度δ 6,与金属基板204的厚度(δ I)相比,其可以认为是薄的。金属氧化物层210可以具有大于约10或20nm的厚度。当氧化物厚度小于约50nm时,在金属氧化物层210与铜基板之间也可以得到改进的粘着性。在较厚的氧化层中的氧化形态和内部应力,由于氧化物的断裂,可能增大焊接接头的分层的风险。在厚氧化层(例如500nm或者I微米)生长的地方,可以使用额外的离子清洗步骤
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