用加强冷却方法在晶粒-基板焊接过程降低精密半导体装置的金属堆栈中的机械应力的制作方法

专利名称：用加强冷却方法在晶粒-基板焊接过程降低精密半导体装置的金属堆栈中的机械应力的制作方法
技术领域：
本发明是关于集成电路，更特别地，是关于精密金属化系统，包含敏感介电材料与无铅凸块或金属柱，用于将芯片连接至封装。
背景技术：
半导体装置，例如微处理器、SRAMs、ASICs (应用特殊IC)、芯片上系统(SoC)与类似物，典型是形成在适当的基板材料，例如硅与类似物上，其中个别的集成电路配置在晶圆上的数组中，因而在基板上的所有芯片区域进行大部分的制程步骤，涉及几在精密集成电路中百个或更多个别工艺步骤，除了在切割基板之后的微影蚀刻工艺、度量工艺与个别装置的封装。因此，经济限制驱使半导体制造者持续增加基板尺寸，因而也增加用于产生实际半导体装置的面积，以及增加产率。除了增加基板面积之外，也很重要的是优化给定基板尺寸的基板面积利用，用以尽可能使用半导体装置的基板面积与/或用于工艺控制的测试结构。在尝试将给定基板尺寸的可使用表面积最大化的过程中，电路组件的尺寸稳定缩小。由于缩小高精密半导体装置的需求，铜结合低k介电材料已经成为常用的替代品，用于形成所谓的互连结构，包括金属线层与中间通道层，包含金属线作为层内连接以及通道作为层间连接，共同连接个别电路组件，提供集成电路所需要的功能性。典型地，需要多个金属线层与信道层堆栈在彼此顶部，用来实行所有内部电路组件与1/0(输入/输出)、电路设计的电源与接地垫之间的连接。对于极度规模化的集成电路，信号传输延迟不再受限于电路组件，例如场效晶体管与类似物，但是由于电路组件密度增加需要更多的电连接数目，所以受限于金属线的近端，横切面积减小造成线对线电容增加以及线的传导性降低。因此，传统的介电质，例如二氧化硅(k > 4)与氮化硅(k > 7)被具有较低介电常数的介电材料取代，也指具有3或更小介电常数的低k介电材料。然而，相较于已知的介电二氧化硅与氮化硅，低k材料的密度与机械稳定性或强度明显较低。结果，在形成金属化系统与集成电路任何后续制造工艺的过程中，产率取决于这些敏感介电材料与他们附着到其他材料的机械特性。除了具有介电常数3或更小的介电材料降低机械稳定性的问题之外，在最后组装精密半导体装置的过程中，由于不同材料对应热膨胀的热错配造成芯片与封装之间的交互作用，这些材料影响装置的可靠度。例如，在制造复杂集成电路过程中，可使用连接技术， 已知是覆晶包装技术(flip chip packaging technique)，将封装载体连接至芯片。相较于已经建立的打线接合技术，其中适当的接合垫定位在芯片最后金属层的周围，通过通道可连接至封装的对应终端，在覆晶技术中，可在最后的金属化层上形成个别的凸块结构，连接封装的个别接触垫，有焊接材料形成在接触垫上。因此，在回流凸块材料之后，可在最后金属化层上的终端金属与封装载体的接触垫之间，形成可靠的电性与机械连接。在这方法中，可提供非常多的电连接，以较低的接触电阻与寄生电容，通过最后金属化层的整个芯片
4面积，因而提供10(输入/输出)电容，这是复杂集成电路，例如CPU、储存内存与类似物所需要的。在连接凸块结构与封装载体的对应工艺顺序过程中，可施加某程度的压力与热至组合装置，用来建立芯片上各个凸块与封装基板上凸块或垫之间可靠的连接。然而，热或机械诱导的压力可作用在较下方的金属化层，可典型地诱导低k介电或甚至超低k(ULK)介电材料，由于机械稳定性与对其他材料的附着降低，因而明显增加产生破裂、分层缺陷的可能性。特别地，当回流焊接材料而后将焊接材料固化，将封装基板实际连接至半导体晶粒(die)，在半导体晶粒的凸块结构与封装基板的凸块结构之间形成金属间连接时，有一个明显的错误机制。在这个过程中，半导体晶粒与封装基板彼此机械耦合，并且加热至焊接材料的熔点以上，因而回流焊接材料以及形成金属间连接。而后，冷却组合装置，亦即半导体晶粒与封装基板，然而造成产量损失，详细说明参考图Ia至图li。图Ia图示说明半导体晶粒150的俯视图，此装置包括适当的载体材料，例如硅基板、绝缘基板与类似物，它的内部与上方可提供电路组件，例如晶体管与类似物。如上所述， 当考虑复杂半导体装置时，为了建立个别半导体电路组件之间的连接，半导体晶粒150典型包括金属化系统，包含多个金属化层。金属化系统(未显示)典型包括最终金属化结构或接触结构151，它包括多个接触组件，例如焊料凸块、金属柱与类似物，可连接至封装基板 (未显示)的互补接触结构，如上所述。半导体晶粒150可具有任何适当的尺寸，容纳一或多个功能电路部分，用于获得所需要的运作。如上所述，接触组件例如焊料凸块、金属柱与类似物典型可分布通过接触结构151的整体表面区域。因此，可在晶粒150的任何周围区域150P与中心区域150C，提供对应的接触组件。图Ib图标说明周围区域150P的放大图，图标多个接触组件，例如铜柱形式的金属柱、焊料凸块与类似物，在精密应用中，可为无铅焊接材料与类似物。同样地，图Ic说明中心区域150C的放大图，其中也有多个焊料凸块、金属柱与类似物152。例如，在精密应用中，凸块或柱152的侧向尺寸可为100微米或更小，取决于半导体晶粒150中对应电路的10(输入/输出)需求。图Id图标说明半导体装置100的横切面，组合半导体装置包括半导体晶粒150与互补封装基板160。在所示的制造阶段中，晶粒150与封装基板160可通过任何适当的外部设备(未显示)而机械耦合，因而机械连接接触结构151的凸块或柱152至封装基板160 的接触结构161的互补焊料凸块162。封装基板160可包括任何适当的互连结构165，连接不同凸块162至任何其他的接触特征(未显示)，用于连接组合半导体装置100与周围，例如接触脚与类似物。为了达到这个目的，适当的传导线(未显示)可通过适当架构的接触头163而连接至不同的焊料凸块162。同样地，半导体晶粒150可包括基板156，包含一或多个半导体层，在它的内部与上方形成电路组件(未显示)，例如晶体管、电阻、电容与类似物。再者，包括多个金属化层 (未显示)的金属化系统155典型形成在基板156的“上方”，并且包含金属特征，例如金属线与信道，建立个别电路组件之间的电连接。如上所述，金属化系统155可包括敏感低k介电材料或ULK材料，结合高传导金属，例如铜，形成金属化层的堆栈，具有较低的机械强度。 因此，施加至接触结构151的任何机械力也可被转换至系统155的任何下方的金属化层，因而当机械应力超过某程度，会产生任何严重的破坏。
可用已知的工艺方法形成半导体晶粒150，其中精密的电路组件，例如尺寸50nm 或更小的晶体管，可结合含有多个敏感堆栈金属化层接收成为最终层的复杂金属化系统， 包括任何适当介电材料的接触结构151结合焊料凸块或金属柱152。通常，由于需要避免半导体工艺过程中的问题材料，例如铅，已经发展例如银、锡、铜或类似物的焊接材料，避免使用铅，然而，其中这些焊接材料通常具有不同的机械特性，并且典型具有比铅焊接材料更高的熔点。例如，相较于较软的含铅焊接材料，无铅焊接材料通常较硬。因此，在施加机械力至接触结构151之后，无铅焊接材料或任何其他凸块材料可将所得的机械力“更有效率”转换至下方的金属化层155。同样地，可使用铜柱，它的硬度更高，因此造成接触特征152附近的机械应力增加。在分割个别半导体晶粒150之后，为了在凸块152、晶粒150与封装基板160的凸块之间建立金属间连接，将封装基板160附贴至晶粒150以及施加热与机械力。为了达到这个目的，组合装置100加热至高于焊接材料，例如焊料凸块162，的熔点温度，其中如上所述，需要比已知含铅焊接材料更高的温度。图Ie图示说明在第一工艺相形成晶粒150不同结构与基板160之间金属间连接过程中的装置100(参阅图Id)。为达这个目的，可进行热处理110，其中将装置100加热至温度T，温度T高于焊接材料的熔点Tmeu，其中装置100是在平衡状态，亦即在装置100内任何位置的温度实质相同，对于装置100中的任何焊料凸块，开始焊接材料的回流。为了达到这个目的，装置100可有效热耦合至工艺环境，如110所指，其中例如在含有装置100的工艺腔室内调整适当的工艺温度，可均勻加热装置100。例如，可提供适当的热媒介，例如气体与类似物，至装置100，用以得到通过装置100完整体积的均勻温度。因此，在这个加热步骤中，热能从任何外部的温度储存器流至装置100，如图Ie箭头所指。在达到所要的回流温度之后，可保持固定温度，达某时间间隔，建立适当的工艺条件，用于对任何焊料凸块回流焊接材料并且形成金属间连接。高于焊料凸块熔点温度的实质固定温度是如图Ie装置 100表面阴影线所指状态。图If图标说明装置100的温度在纵轴，工艺时间显示在横轴。相100可包括升温间隔，最后达到所要的工艺温度T，而后维持固定达一段时间，达到在回流焊接材料之后， 装置100任何点的平衡温度，以及稳定建立金属间连接。应理解在达到平衡状态之前，装置100中的局部温度会改变，这是由于例如在工艺相110过程中，周围区域加热比中心区域快，这取决于工艺相110过程中，工艺环境与装置100之间的交互作用。在相110之后，改变温度储存器的工艺温度，可冷却装置100，例如可提供降温的热媒介、简单去活化任何加热组件或类似方法。图Ig图示说明冷却相111过程中的温度定性发展，其中可根据在加速加热或冷却装置100建立的产量标准与整体热压力，选择温度改变的速度。然而，结果证明在使用无铅焊接材料、半导体晶粒中柱结构结合低k介电材料的精密金属化系统，加热与冷却装置10 会造成产率损失。不需要将本申请限制在以下解释说明，假设增加的内部温度梯度会造成金属化系统中明显的错误，这是由于施加在半导体晶粒的周围区域处接触组件的机械应力增加。图Ih图标说明冷却相111中的装置100，其中装置100将热能转换至工艺环境，如图Ih所示。由于装置100的周围区域100P可集中耦合至工艺环境，例如由于相较于中心区域100C，整体表面积增加，Tp所指的周围区域100P的温度可改变得更快，因而可低于中心区域100C的温度T。。因此，周围区域100P的焊接材料可更早硬化，因而在半导体晶粒与封装基板之间建立强的机械连接，其中基板与半导体晶粒之间热膨胀系数的差会额外贡献至对应的机械应力，被转换至周围区域100P中半导体晶粒的敏感金属化系统内。图Ii图示说明冷却工艺111另一相中的装置100，其中装置100的平均温度可低于图Ih中的平均温度，而同时在中心区域100C与周围区域100P之间，已经建立TG所指的温度梯度，因而更增加机械应力，特别是相较于装置100的任何内部区域，中心区域100P 中的焊料凸块已经被固化了一段较长的时间间隔。图Ij图示说明冷却相111(参阅图Ii)另一阶段中装置100的横切面，其中至少在周围区域100P中，达到接触特征152与凸块162之间的金属间连接162i，其中明显的温度梯度TG造成明显应力组件155C、155T在接触特征152附近形成压缩与拉伸应变的形式， 如上所述，这是由于相较于含铅的焊料凸块，这些特征通常拉伸较小。因此，明显应力组件 155T、155C可造成金属化系统155中明显的破坏，例如通过诱导破裂与断层155S，特别是在敏感的低k介电材料中。在一些习知方法中，提供金属化系统155较佳的机械特性，例如使用较硬的介电材料，可造成介电常数增加以及寄生电容值较高，因而造成金属化系统155的电效能明显降低。再者，考虑环境问题，使用含铅焊接材料并不可行。再者，冷却相过程中温度变化的明显减少可造成整体工艺产量明显减少，这是在量产方法中所不乐见的。考虑上述情况，本申请揭露内容是关于制造技术与系统，用于以回流工艺形成组合半导体装置，同时避免或至少减少上述一或多个问题的效应。

发明内容
一般而言，本申请揭露内容提供制造方法与系统，其中在半导体晶粒与封装基板上进行回流工艺用于形成组合半导体装置，因而在冷却相过程中达到减小的温度梯度，而不需要过度影响整体工艺时间。为了达到这个目的，可在冷却相过程中建立适当工艺控制， 通过额外耦合组合半导体装置至温度储存器，在组合半导体装置的周围和中心之间提供较好的温定平衡，在本申请的一些实施例中，可在短时间间隔耦合至组合半导体装置，并不明显影响整体工艺时间，然而会明显减少中心与周围区域之间的实际温度差。在其他实施例中，温度储存器可有效耦合至组合半导体装置的局部限制区域，因而提供有效减少内部温度差的可能性，而不增加整体工艺时间或甚至减少总工艺时间。因此，由于回流工艺冷却相过程中的主动温度控制，可使用以低k介电材料与无铅焊接材料为基础的精密金属化系统，并不实质影响整体工艺时间与产量，同时避免敏感金属化系统中机械应力造成的额外产率损失。本申请揭露的一种方法是关于在封装基板中组合半导体晶粒。所述方法包括加热包括半导体晶粒与封装基板的组合装置至焊接材料的熔点温度之上，所述焊接材料是形成在封装结构的接触结构与半导体晶粒的接触结构之间。所述方法更包括使用第一冷却间隔，开始所述焊接材料的固体化。除此之外，所述方法包括在使用第一冷却间隔之后，使用至少一中间加热步骤。再者，所述方法包括在至少一中间加热步骤之后，使用第二冷却间隔。
本申请揭露的另一方法包括回流半导体晶粒的接触结构与封装基板的接触结构之间形成的焊接材料，用以形成组合半导体装置。所述方法更包括通过冷却所述组合半导体装置至环境温度，使得回流的焊接材料固化。所述方法更包括主动控制所述冷却，以减少组合半导体装置的中心与周围之间的温度差。本申请揭露一回流系统，用于连接半导体晶粒至封装基板。所述回流系统包括基板支持物，用于接收所述半导体晶粒与封装基板。再者，所述回流系统包括工艺区域，用以建立加热区，用于将所述半导体晶粒与封装基板之间形成的焊接材料加热至所述焊接材料的熔点之上，用以形成组合半导体装置。所述工艺区域更用以建立冷却区，用于固化所述焊接材料，其中所述冷却区包括可控制的温度储存器，用以减少所述组合半导体装置的中心与周围之间的温度差。


本申请揭露内容的其他实施例定义在权利要求书中，参考附随图式予以下详细说明即可了解。图Ia至图Ic图标说明复杂半导体装置的半导体晶粒与对应凸块结构的俯视图。图Id图示说明在回流焊接材料之前，包括半导体晶粒与封装基板的组合半导体装置的横切面。图Ie与Ig分别说明习知回流工艺的加热相与冷却相过程中的组合半导体装置。图If图示说明依习知方法包含冷却相的回流工艺的温度图。图Ih与Ii根据习知方法，说明冷却步骤另一相过程中组合半导体装置的俯视图。图Ij图标说明组合半导体装置的横切面，其中明显的机械应力可在半导体晶粒的敏感金属化系统中造成破坏。图加图标说明回流工艺的温度图，用于连接半导体晶粒与封装基板，具有较好的冷却相用于周围与中心装置之间改善的平衡温度。图2b至2d根据实施例，说明在回流相与初始冷却相过程中组合半导体装置的俯视图。图2e图示说明在短加热步骤过程中的组合半导体装置，用以提供周围与中心区域之间减少的温度差。图2f与2g根据实施例，说明在进一步工艺过程中的组合半导体装置，具有额外的加热步骤，用于更进一步减少温度差。图池是根据其他实施例，分别说明中心区域与周围区域的温度图，其中在冷却相过程中，可局部限制耦合至温度储存器。图2i与2j图标说明组合半导体装的俯视图，其中中心区域可耦合至温度储存器， 用于中心区域更好的冷却效果。图业图标说明组合半导体装置的横切面，其中中心部分接触温度储存器，例如热媒介的喷口、放射与类似物。图21至2ο是根据实施例，说明冷却相进一步阶段过程中半导体装置的俯视图。图3a至3c是根据实施例，说明回流系统，所述回流系统包括建立加热与冷却区域的工艺区，在冷却相过程中，具有较好的温度平衡。
具体实施例方式虽然本申请揭露内容描述在以下详细说明，并参考实施例与图式，但是应理解以下详细说明与图式不是用来将本申请的揭露内容限制在特定实施例，而所描述的实施例仅举例说明本申请揭露内容的不同方面，本申请的范围如权利要求书所定义。本申请揭露内容提供制造方法与回流系统，其中精密半导体晶粒与封装基板可连接高工艺产量，而避免敏感金属化系统的过度破坏，所述敏感金属化系统是形成在低k 介电材料结合无铅凸块或柱结构的基础上。为了达到这个目的，可控制回流工艺的冷却相， 因而减少组合半导体装置周围区域与中心区域之间的温度差，可具有不同的散热作用，由于周围区域的表面与体积的比例高于组合半导体装置的中心区域，所以周围区域与工艺环境的交互作用更有效率。局部“冷却”周围区域，完成温度差减少与固化回流焊接材料后的最终温度梯度，不会明显影响整体工艺时间。为了达到这个目的，在一些实施例中，可建立组合半导体装置与温度储存器，例如放射源、热转换媒介与类似物，的全面交互作用短时间周期，其中由于周围与温度储存器较好的交互作用，周围的效果增加，可造成局部温度上升或是温度较少下降，因而得到周围温度某程度接近中心温度。另一方面，在冷却相过程中， 可使用额外的短加热步骤，相较于冷却相的总长度，这是很短的时间间隔，因而不实质贡献至整体增加的工艺时间。在一些实施例中，在后来的冷却时间过程中，甚至可增加温度改变，这是由于组合半导体装置内的不同位置间减少的温度差可使得冷却相“加速”，因而相较于习知方法，可达到实质相同的整体工艺时间或是甚至较短的工艺时间。在其他实施例中，可导入一或多个短加热步骤，用来减少或补偿在其他冷却相过程中产生的任何其他温度差。在其他实施例中，可用局部限制方式，把温度储存器偶和至组合半导体装置，例如将热转换媒介引入组合半导体装置的中心部分，而主动控制冷却相，其中热转换媒介的温度低于中心区域的目前温度。在这个方法中，可在中心区域局部促进冷却效果，因而也在组合半导体装置的周围与中心之间贡献减少温度差。在其他例子中，温度储存器可建立在直接与半导体装置材料接触，其中可提供适当的温度分布，例如通过使用可控制的加热组件， 因而施加所要的降低温度至组合半导体装置的中心部分。参考图加至2p与图3a至3c，更详细描述其他实施例，其中视需要，例如当参考架构的半导体晶粒、封装基板与组合半导体装置时，请参考图Ia至lj。图加描述温度状况，用于进行回流工艺，使用包含焊接材料的适当接触结构，将封装基板附着至半导体晶粒。在图加中，横轴代表工艺时间，而纵轴代表工艺温度T，这是任何适当温度储存器的温度，与组合半导体装置全面交互作用。在这方面，“全面交互作用” 被理解为工艺状态，其中实质固定能量密度可施家在组合半导体装置的表面。然而，应理解例如相较于组合半导体装置的中心区域，在周围处，温度储存器提供的工艺温度可造成组合半导体装置内局部温度变化，这是由于不同的表面与体积比例。如上所述，215所指的回流工艺可包括加热相210，其中工艺温度上升或保持固定，最后完成组合半导体装置的焊料凸块区域中焊接材料的回流。在实施例中，可使用实质线性温度上升与实质固定温度相，用于得到平衡且均勻回流焊接材料。然而，应理解可使用任何其他回流焊接材料的其他方法。再者，工艺215通常包括冷却相211，具有第一冷却间隔211A，其中工艺温度可下降至某温度，不会发生固化以及组合半导体装置的中心区域与周围区域之间的温度梯度。接着，第一中间加热步骤211B可具有一至数秒的适度短时间，其中工艺温度可明显上升，然而如上所述，组合半导体装置中的实际温度可不需要上升，其中可减少任何局部差别。而后，在一些实施例中，可于工艺温度中，使用具有任何想要降低的另一冷却间隔211C。在其他例子中，在工艺温度中，可使用具有增加改变的冷却间隔 211D，接着是另一个中间加热步骤211E，而后使用另一个冷却间隔211G。如上所述，由于可选择间隔211D、211G的温度改变更快，在较短的工艺时间中可完成组合半导体装置较好的温度分布。在其他例子中，如中间加热步骤211F与后续冷却间隔211H所述，可实现稍增加的工艺时间，得到组合半导体装置中较好温度条件的优势。应理解可基于实验，决定冷却相211过程中温度改变的适当速度，亦即图加中温度变化的适当斜率值，其中可使用已知的功率方法作为开始值。例如，曲线2111代表给定架构的回流系统与组合半导体装置的习知冷却相与习知工艺时间。图2b图标说明组合半导体装置200的俯视图，可具有任何适当的架构，可包括半导体晶粒与封装基板，通过适当的凸块结构而机械接触。当描述半导体晶粒150、封装基板 160与组合半导体装置100时，组合半导体装置200基本上架构与图Ia至Id所显示的相同。因此，此处省略这些组件的详细说明。组合半导体装置200可用上述定义的方式热耦合至温度储存器220，因而提升组合半导体装置200的温度，例如图加所示。温度储存器220 可例如具有理想的温度，高于焊接材料的熔点，所述焊接材料例如无铅焊接材料，如前所述且参阅装置100。储存器220的温度可维持固定在想要的目标温度，因而避免装置200中， 例如在周围处，任何的过度温度。然而，应理解在升高装置200温度的过程中，根据整体工艺需求，可施加高温，用以调整温度变化的斜率。应理解由于半导体晶粒的凸块结构与封装基板只是彼此机械耦合但尚未形成金属间连接，例如图Id所述组合装置100，所以在升高装置200的温度后建立的任何温度梯度较不重要。另一方面，当在半导体装置200内周围位置达到融化温度时，焊料凸块会熔化以及保持熔化状态，只要装置200达到平衡状态，其中所有焊料凸块被回流并且在非常“有弹力的”状态。图2c图示说明在图加所示冷却相211初始状态的组合半导体装置200。例如， 温度储存器220可具有低于焊接材料熔点的任何适当温度，用以在冷却间隔211A(参阅图 2a)过程中，开始将热从装置200转换至温度储存器200。如前所述，由于相较于中心区域 200C，周围区域200P可通过较大的表面积而耦合至储存器220，因此周围区域200温度Tp 小于中心区域200C的温度Tc。图2d图示说明冷却间隔211A过程中另一阶段的装置200，其中由于热耦合至温度储存器220，中心区域200C与周围区域200P之间有更明显的温度差。例如，在图2d的相中，周围区域200P中焊接材料可开始固化，以及周围区域200P中“弹力”逐渐降低。图2e图标说明耦合至温度储存器221的组合装置200，相较于周围部分200P的目前温度，温度储存器221可具有较高的温度。温度储存器221可为任何适当加热组件形式，例如放射源的灯、雷射、将热转换媒介转换至装置200的来源，例如气体、蒸气与类似物的形式。因此，能量暂时从热储存器211转换至装置200，因而较佳是在周围区域200P升高温度TP或是至少在区域200P减少温度下降的改变，取决于储存器221的实际温度以及装置200与时间间隔的交互作用。应理解图加所示的中间加热步骤211B过程中温度升高可对应于工艺温度的改变，因而对应于如图2d所示储存器220与图加中储存器211的温度，其中装置200中的有效温度Tp可取决于工艺温度以及与装置200交互作用的时间。例如，中间加热步骤211B可进行的时间约0. 1至数秒，以及可明显短于总冷却相211的长度， 如图加所示。例如，当使用热转换媒介时，可选择储存器221的工艺温度约200至400°C。 在其他例子中，对应的放射源可具有更高的温迪，并且通过放射有效耦合组合装置200，其中可大约选择放射脉冲的长度，获得想要的装置200热反应，以减少中心区域200C与周围区域200P之间的温度差。图2f图示说明图加中冷却相211更进一步奏中的装置200。例如，可使用冷却间隔211D以及由于与温度储存器221的交互作用而造成装置200的平均温度更进一步下降， 然而，其中相较于习知的工艺方法，仍可减少中心区域200C与周围区域200P之间的差，取决于图2e所示进行中间加热步骤211B的效果。应理解若需要，可将周围部分200P的温度调更高，如中心区域200C中的目前温度，因而在进一步冷却装置200的过程中，当相较于中心区域200C，周围区域200P更快速抵抗开始降温，可维持减少的温度差。图2g是根据其他实施例，说明装置200，其中额外的中间加热步骤例如步骤211E、 211F(参阅图2a)可施加在具有理想工艺温度的适当温度储存器222，为了进一步减少中心部分与周围部分之间的温度差，以达到冷却相，其中组合物半导体装置20的温度分布优于习知的工艺方法。如上所述，温度梯度仍可调整，若需要，可直接从周围区域200P至中心区域200C。应注意同样在一或多个额外加热步骤211E、211F中，可适当选择储存器222的工艺温度与加热期间，用以得到装置200中理想的热分布。例如，储存器222的工艺温度可选择自约80°C至400°C，或甚至更高，工艺时间0. 1至10秒。而后，使用温度储存器220，在减少的工艺温度持续降温，如前所述，用以最终得到约50°C或更低。因此，在最终阶段，组合装置200可达到平衡状态，并且具有环境温度例如约20至25°C，取决于制造环境中的干净空间条件。参阅图池，根据其他实施例说明组合半导体装置的温度，其中半导体装置可用局部受限的方式与温度储存器交互作用，亦即热耦合至温度储存器可为不均勻，并且在冷却相过程中，可在组合介电材料内使用或补偿非固定的温度分布。在所示的实施例中，可在中心区域局部提供热转换媒介，加速中心区域的冷却，或是中心区域直接接触作为温度储存器且具有适当温度分布的基板支持物。图池图标说明曲线A所指中心区域的温度进程，在相210过程中以下降的斜率升高，如前所述。在另一方面，曲线B所指周围区域的温度上升更快，因而达到想要的工艺温度，相较于曲线A，更早用于回流焊接材料。如前所述，可维持固定工艺温度的时间间隔，获得平衡状态以及可靠地回流组合半导体装置中的任何焊接材料。而后，通过适当耦合温度储存器，开始冷却相211，如上所述，其中在相211的任何适当阶段，例如在开始或是在任何中间阶段，组合半导体装置的中心可局部冷却，例如在中心区域局部提供热转换媒介，因而中心部分与周围部分达到接近的冷却时间，其中控制局部温度储存器，可有效控制温度差的程度。图2i图标说明装置200俯视图，这是在相210过程中当耦合至温度储存器220用以达到想要的平衡状态的装置200。图2j图示说明冷却相211任何适当阶段过程中的装置200，其中温度储存器220可具有任何适当的温度，开始装置100的冷却，结合温度储存器223提供局部受限热耦合至装置200。应理解局部受限的热交互作用，因而通过装置200的交互作用与热效应不同，相较于装置200的周围区域，中心区域可得到增加的冷却效应。例如，温度储存器220可由环境代表，而局部受限作用的温度储存器223可由热转换媒介代表，例如气体、液体、蒸气、直接机械接触等等，其中亦可在装置200的周围达到热效应，然而效应量明显降低。图业图标说明组合半导体装置200的横切面，包括半导体晶粒250与封装基板沈0，可与装置100具有类似的架构。再者，可在组件250、260之间，提供固化的或固化焊接材料沈2，如前所述。再者，温度储存器223，可由任何适当热转换媒介的喷口表示，例如气体、蒸气等等，具有适当温度低于中心区域200C的目前温度。应理解温度储存器223也可与周围区域200P交互作用，然而，由于局部使用热转换媒介或直接机械接触，中心区域200C 与周围区域200P之间可达到温度差减少。例如，适当温度的气体与所选的气体流速可导引至中心区域200C，并且可开始有效的热转换，因而改变，亦即降低中心区域的温度以及改变，亦即提高热转换媒介的温度，因而流至周围区域200P，达到周围区域200P中降低的冷却效应，最后造成中心区域200C与周围区域200P之间某程度的温度平衡。应理解温度储存器223可耦合至装置200任何侧上的中心区域200C，这可与任何适当回流系统中的装置 200比较。图21至2η图示说明冷却相211其他阶段过程中的装置200，其中装置200的平均下降，而同时中心区域与周围区域之间的差可维持在所要的范围内，例如启动温度储存器223 —次或数次，或是永久启动温度储存器223。应理解可控制温度储存器223，例如控制实际温度与/或控制流速，如上所述，使温度储存器223的“均等”效应适应装置200的目前状态。图2η说明冷却相211最终阶段中的装置200，其中可得到减少的温度梯度Tc， 从中心区域200C点到周围区域200P。图2ο是根据其他实施例说明装置200，其中可倒转温度梯度TC，例如控制温度储存器223，因而相较于冷却相211此阶段中的周围区域200Ρ，中心区域200C可具有更低的温度。因此，在固化焊接凸块材料之后，以上述机制为基础，在整个冷却过程中，可降低装置200的中心区域与周围区域之间的温度差，也减少装置200的敏感金属化系统中的机械应力，因而可使用精密材料系统例如低k材料、ULK材料与类似物结合无铅焊接方法。在另一方面，可达到所要较短的工艺时间用于回流与固化凸块材料。参阅图3a至3c，描述回流系统，用以进行上述的回流工艺方法。图3a图标说明回流系统30包括工艺区382在工艺腔室中，可用以建立一或多个加热区383。应理解加热区是适当的工艺环境，用以耦合组合半导体装置，例如装置200或具有温度储存器的装置100，用于开始升高装置200、100的温度，并且得到想要的平衡状态，用于回流装置200、100中的焊接材料。再者，系统380可包括基板支持物31，用以接收装置200、100，并且允许在加热区383内的有效热接触。基板支持物381可具有任何适当的架构，若有需要，本身可做为温度储存器。应理解工艺区382可用以提供一或多个加热区 383而不移除基板支持物381，然而在其他例子中，可由基板支持物381顺序提供一或多个加热区，其中各个加热区383可具有适当的工艺温度。图北图标说明系统380，其中工艺区382具有冷却区384，用以起始装置200、100
12的温度下降，其中在实施例中，可提供其他机制，例如灯、雷射、气体流来源与类似物384A， 用以提供一或多个加热步骤或是中间步骤，如图加所示。应理解冷却区384也可具有两个或多个加热区，可由基板支持物384顺序传送，然而在其他例子中，可使用单一工艺环境， 提供包含加热机制384A的冷却区384。图3c是根据实施例说明系统380，其中冷却区384包括局部受限的冷却机制 384B,例如气体流来源，基板支持物381中的热分布系统与类似物，用以较佳将装置200、 100的中心区域耦合至适当的温度储存器，如图池所示。应理解系统380的任何硬件组件，例如气体流来源，提供受控制留宿的气体流与温度，提供加热组件在基板支持物381中，用以提供局部变化的温度以及习知技艺已知可用于系统380中的类似物。因此，本申请揭露内容提供制造方法与回流系统，其中半导体晶粒包括由低k介电材料、ULK材料或类似物形成的敏感金属化系统，通过无铅接触方法，降低温度梯度或是组合半导体装置的中心区域与周围区域之间的温度差，将半导体晶粒连接至封装基板，而不过度增加整体工艺时间。在其他例子中，可甚至减少有效的工艺时间，例如对组合半导体装置的中心区域提供局部受限的冷却效应。对于熟知此技艺的人士而言，在参考本申请内容之后，本申请揭露内容的其他实施例与变化是明显的。因此，本申请的描述是用以解释且教导熟知此技艺的人士进行本申请揭露内容。应理解本案所述的内容是作为较佳实施例。
权利要求
1.一种组合半导体晶粒与封装基板的方法，所述方法包括加热包括所述半导体晶粒与所述封装基板的组合装置至高于焊接材料的熔点温度，所述焊接材料是形成在所述封装基板的接触结构与所述半导体晶粒的接触结构之间； 使用第一冷却间隔，用以起始所述焊接材料的固化； 在使用所述第一冷却间隔之后，使用至少一中间加热步骤；以及在所述至少一中间加热步骤之后，使用第二冷却间隔。
2.如权利要求1所述的方法，其中所述焊接材料是无铅焊接材料。
3.如权利要求1所述的方法，其中使用至少一中间加热步骤包括在所述第一冷却间隔之后，进行第一加热步骤，使用第三冷却间隔，以及在所述第三冷却间隔之后，进行第二加热步骤。
4.如权利要求1所述的方法，其中所述至少一中间加热步骤的工艺时间少于所述第一与第二冷却间隔中的每一个冷却间隔。
5.如权利要求1所述的方法，其中所述至少一中间加热步骤的工艺温度低于所述熔点温度。
6.如权利要求1所述的方法，其中所述半导体晶粒包括金属化系统，所述金属化系统包括低k介电材料。
7.一种方法，包括回流半导体晶粒的接触结构与封装基板的接触结构之间的焊接材料，形成组合半导体装置；冷却所述半导体装置至环境温度，使得所述回流的焊接材料固化；以及主动控制所述冷却，减少所述组合半导体装置的中心与周围之间的温度差。
8.如权利要求7所述的方法，其中主动控制所述冷却包括热耦合所述组合半导体装置至热储存器，热储存器提供局部变化温度通过所述组合半导体装置。
9.如权利要求7所述的方法，其中所述主动控制所述冷却包括引导热媒介喷口至所述组合半导体装置的局部受限区域。
10.如权利要求9所述的方法，其中引导热媒介喷口包括引导所述喷口至所述组合半导体装置的中心区域，其中所述喷口具有较低温度作为所述中心区域的目前温度。
11.如权利要求7所述的方法，其中主动控制所述冷却包括暂时耦合所述组合半导体装置的至少一周围区域与温度储存器，所述温度储存器的温度高于所述周围区域的目前温度。
12.如权利要求11所述的方法，其中暂时耦合至少一周围区域与温度储存器包括局部弓I导热媒介的喷口与放射光束至少其中之一至所述周围区域。
13.如权利要求11所述的方法，其中暂时耦合至少一周围区域与温度储存器包括直接接触所述周围区域与加热组件。
14.如权利要求11所述的方法，其中暂时耦合至少一周围区域与温度储存器包括耦合所述组合半导体装置与所述温度储存器成为一体。
15.如权利要求11所述的方法，其中暂时耦合至少一周围区域与温度储存器包括耦合所述组合半导体装置与所述温度储存器达10秒或更短的时间间隔。
16.如权利要求7所述的方法，其中所述焊接材料是无铅焊接材料。
17.如权利要求16所述的方法，其中所述半导体晶粒包括铜与低k介电材料为基础形成的金属化系统。
18.一种用于连接半导体晶粒至封装基板的回流系统，所述回流系统包括基板支持物，用以接收所述半导体晶粒与所述封装基板；以及工艺区域，用以建立加热区，用于加热所述半导体晶粒与所述封装基板之间形成的焊接材料至高于所述焊接材料的熔点，形成组合半导体装置，所述工艺区域更用以建立冷却区，用于固化所述焊接材料，所述冷却区包括可控制的温度储存器，用以减少组合半导体装置的中心与周围之间的温度差。
19.如权利要求18所述的回流系统，其中所述冷却区中的所述温度储存器是用以进行加热步骤。
20.如权利要求18所述的回流系统，其中所述温度储存器包括温度系统，用以在所述组合半导体装置的受限区域中，提供放射、热媒介的喷口以及直接机械接触至少其中之一。
全文摘要
本发明涉及用加强冷却方法在晶粒-基板焊接过程降低精密半导体装置的金属堆栈中的机械应力。在连接半导体晶粒与封装基板的回流工艺中，在冷却过程中，减少在半导体晶粒的敏感金属化系统中温度梯度与热诱导机械力。为了达到这个目的，将一或多个加热间隔导入冷却相，因而有效减少温度差。在其他例子中，中心区域可被冷却，提供适当的局部受限机制，例如局部受限的气体流与类似物。因此，当以无铅接触方法为基础加工精密金属化系统，可得到想要的整体工艺时间短，而不造成产率损失增加。
文档编号B23K35/22GK102248240SQ20111008465
公开日2011年11月23日 申请日期2011年3月31日 优先权日2010年3月31日
发明者M·格里尔贝格尔, M·莱尔, R·吉丁格凯特 申请人:格罗方德半导体公司, 格罗方德半导体德累斯顿第一模数有限责任及两合公司