封装空腔的清洁和密封的制作方法

专利名称：封装空腔的清洁和密封的制作方法
技术领域：
本发明总体涉及集成电路封装领域，更具体地涉及封装空腔的清洁和密封。
背景技术：
制造集成电路(IC)的越来越重要的方面是将半导体管芯安装到衬底上。随着单 个IC中多种功能的集成的增大，输入/输出(IO)端子的数目也增大。随着IO接口的数目 的显著增大，开发了倒装键合以提供半导体管芯与衬底之间的互连的高密度。在倒装键合中，焊料凸块被布置到半导体管芯的每个IO端子上。然后将半导体管 芯翻转以使焊料凸块与位于衬底上的相应键合焊盘配对。然后将半导体管芯和衬底加热以 使焊料凸块回流。一旦回流，每个焊料凸块就在半导体管芯IO端子与衬底焊盘之间形成键 合，这起到了电连接和物理连接的双重作用。在许多应用中，需要将连接密封在位于半导体管芯与衬底之间的空腔中，以保护 互连并使用空腔壁在半导体管芯与衬底之间提供比互连提供的键合更强的物理键合。例 如，密封的空腔用于保护互连，所述互连专用于缩短在一个组件的功能与对另一个组件上 的其他功能的I/O端子的重新分布之间的距离。此外，空腔用于保护特定应用所需的严格 敏感材料、结构或器件，如，MEMS、BAff或SAW。密封按照以下组装步骤提供了空腔保护并且 提供了最终产品。不幸地，提供密封的现有过程有多种缺点，如，需要附加的处理步骤以及提供附加 的材料，例如在焊接壁的情况下需要焊剂；当采用无焊剂技术时，将包围在空腔中的IO互 连外露给由于焊剂或酸的使用而产生的残渣；提高了由于润湿条件差导致不适当的焊接从 而导致电连接弱或没有电连接的风险；以及由于空洞而导致提供不适当的密封；或上述缺 点的各种组合。

发明内容
非常需要克服这些缺陷并提供一种清洁和密封封装空腔的方法。根据本发明，提供了一种密封封装空腔的方法。将第一键合材料的第一环沉积到 第一组件的表面上。第一环具有描绘空腔周缘(circumference)轮廓的预定的形状以及预 定的厚度。将第二键合材料的第二环沉积到第二组件的表面上。第二环具有与第一环的形 状相对应的预定的形状以及预定的厚度。第二环还包括预定的凸起图案，使得在第二键合 材料的回流之前能在空腔内的气氛与空腔外的气氛之间交换气态材料。在临时键合第一键 合材料和第二键合材料之后提供气态脱氧材料。然后在使第二键合材料回流以与第一键合 材料键合以前，实质上去除气态脱氧材料。根据本发明，还提供了 一种存储介质，在所述存储介质中存储有用于在处理器上 执行的可读指令。所述处理器在执行所述指令时执行以下密封封装空腔的方法。将第一键 合材料的第一环沉积到第一组件的表面上。第一环具有描绘空腔周缘轮廓的预定的形状以 及预定的厚度。将第二键合材料的第二环沉积到第二组件的表面上。第二环具有与第一环的形状相对应的预定的形状以及预定的厚度。第二环还包括预定的凸起图案，使得在第二 键合材料的回流之前能在空腔内的气氛与空腔外的气氛之间交换气态材料。在第一键合材 料和第二键合材料的临时键合期间提供气态脱氧材料。然后在使第二键合材料回流以与第 一键合材料键合以前，实质上去除气态脱氧材料。


现在将结合以下附图来描述本发明的示例实施例，其中图1是根据本发明的密封封装空腔的方法的简化流程图；图2a和2b示出了使用图1所示的方法产生的封装空腔的简化框图；图3a至3c以透视图形式示出了根据本发明的凸起图案的简化框图；图4a至4c以投影到组件表面的形式示出了根据本发明的凸起图案的简化框图； 以及图5示出了随着预热和回流步骤的温度曲线的简图。
具体实施例方式提供了以下描述以使得本领域技术人员能够制造和使用本发明，以下描述是关于 具体应用及其需要而提供的。在不脱离本发明的范围的前提下，对于本领域技术人员来说 对所公开的实施例的各种修改是显而易见的，本文所限定的一般原则可以应用于其他实施 例和应用。因此，本发明不旨在限于所公开的实施例，而是可以符合与本文所公开的原理和 特征一致的最宽的范围。参考图1，示出了根据本发明的密封封装空腔的方法的简化流程图。参考图2a和 2b所示，示出了封装空腔100的横截面的简化框图。在10，提供第一组件102和第二组件 104，所述第一组件102和第二组件104键合，使得第一组件102的表面106与第二组件的 相应表面108键合，并且空腔100被包围在这两者之间。例如，第一组件102和第二组件 104是用于与衬底键合的半导体管芯、用于键合在一起的两个半导体管芯、或用于与半导体 管芯键合以保护半导体管芯有源表面区域的罩。当然，本领域技术人员容易想到用于键合 各种半导体组件以及其他组件的各种其他应用。在12，将第一键合材料的第一环110布置 到第一组件的表面106上。例如，第一环110包括用在标准集成电路工业工艺中的铝以及 沉积的锡焊料，锡焊料通过电解过程可回流，其中，Al与Sn之间的Cu用作凸块下冶金层，并 且根据图5所示温度曲线，沉积在110和114上的Sn预先回流。在16，将第二键合材料的 第二环116和凸块120沉积到第二组件104的表面108上。例如，第二环包括多层ENIG材 料。在18，使在步骤12和16之一中沉积的焊料回流。然后在20使用热压工艺来临时键合 第一环110和第二环116以及沉积在接触焊盘114和120上的焊料凸块。在22，在组件周 围的气氛中提供气态脱氧材料。为了避免焊接工艺之后的残渣，应用无焊剂焊接工艺，其中 使用例如诸如甲酸蒸汽之类的酸蒸汽作为脱氧材料。以下将描述热压工艺。在24，例如使 用真空泵将气氛排空。通过为第二环116提供预定的凸起图案，在临时键合的环110和116 之间留下开口，以便使得可以将处于空腔内的气氛排空，从而从空腔中去除脱氧材料。可选 地，提供实质上惰性的气体(例如，氮)或惰性气体(例如，氩)以包围在空腔100中。在 去除脱氧材料之后，在26，通过使第二键合材料回流将第一键合材料与第二键合材料键合，
5同时键合环110和116以及被布置在接触焊盘上的焊料凸块。在冷却之后，第一组件102 与第二组件104键合，在第一组件102与第二组件104之间有包围的空腔100。例如，假定第二组件是衬底，则可回流焊料环被布置在第一组件或第二组件上，其 中，通过在环的下方进行布线，来自第一组件的电输入重新分布在环外。通过在特定的环位置提供更大的厚度，将基于焊料的材料的表面张力特性与第二 环的凸起形状相结合，从而在第一环110与第二环116之间形成开口。图3a至3c以透视 图形式示出了第二环116的三种不同的凸起图案。这里，第二环包括具有第一高度的直线 部分以及布置在拐角处具有比第一高度大的第二高度的第二部分(如，凸块)(图3a和3b) 或在拐角区域中具有第二高度的凸起外环部分(图3c)。图4a至4c示出了投影到第二表 面108上的相应投影。例如，通过提供宽度为30 μ m的第二环116以及半径为45 μ m的凸块 (图4a和4b)或通过提供如图4c所示的内半径130为200 μ m、平均半径132为50 μ m，并 且环宽度为50μπι的图案，实现了不同的高度。另外备选地，例如，通过提供宽度比拐角部 分大的直线环部分，使得直线部分的高度大于拐角部分。使用上述尺寸，实现了大约15 μ m 的高度变化。例如，经验上针对环的形状和尺寸、所使用的焊料材料之类的各种参数组合， 来确定凸起图案。临时键合通常基于所使用的液体焊剂的粘合效果。液体焊剂的使用添加了附加 的处理步骤并且需要提供附加的材料。此外，液体焊剂的使用导致在回流并冷却之后在空 腔中包围了有害固体残渣，以及与被捕获到具有这种特性效果的空腔中的气体有关的风险 过程，如，质量因子下降或频率应用改变。通过与气态脱氧材料(例如，甲酸蒸汽)的使用 一起采用热压，克服了焊剂的缺点。热压是在两种材料的界面处的施加的力、时间和温度的 组合，以便于促进扩散机制。参考图2a和2b所示的示例，扩散发生在来自ENIG的金和来 自环的锡以及相对的金属位置的凸块之间。例如通过在专用拾取和放置设备上向第二组件 104按压第一组件102来施加力。例如，经验上针对不同应用来确定所施加的力、温度和时 间。在预热期间提供例如甲酸蒸汽之类的酸蒸汽可以实现与使用液体焊剂提供的功能相同 的功能，但是防止沉积固体残渣和气体俘获。例如使用标准密封箱加热炉来实现使用热压的临时键合，所述标准密封箱加热炉 用在半导体制造中，使得可以在预定的温度范围内以预定的时间间隔来实现受控的加热， 以及使得可以提供不同的气氛以及该气氛的排空。在回流之前，从空腔100外部和内部的 气氛中实质上去除酸蒸汽，以便使能适当润湿相对的金属表面。不去除酸蒸汽会导致较 差的润湿条件以及例如导致接触焊盘114和120之间的开路。去除蒸汽还导致了无气体 空腔，所述无气体空腔适于产生针对灵敏应用的特性。此外，真空是空腔中的一种特殊情 况，也可以将其作为特定应用的目标。在去除酸蒸汽之后，使温度上升到焊料材料的熔点 (220-230° )以上以提供回流条件，接下来是冷却阶段。例如，在真空条件下或在包括实质 上惰性气体(例如，氮、氙或氩)在内的气氛中执行回流。使用共熔键合，可以将两种电镀金属(例如，锡和铜)相结合，这两种电镀金属具 有作为金属添加物(227° )相对于另一种材料Hf^nJtSUBMWENIG)的百分比的函数 的低熔点(在215到235°范围内)。这种结合基于固体液体互扩散(SLID)工艺形成了高 强度的金属间化合物。可以将锡与各种UMB相结合。使用镍层来限制Cu3Sn的形成，其中， 由于Kirkendall空洞，Cu3Sn易损坏。最初的堆叠结构Ni/Cu/Sn形成了 Ni、Cu6Sn5，这是优选的金属间化合物。在回流期间施加压力防止在金属间化合物生长过程中形成大的空 洞。可以使用半导体制造技术中的标准设备来实现根据本发明的密封封装空腔的方 法。例如，使用处理器来控制各个处理步骤的参数，所述处理器执行存储在存储介质中的可 执行指令。例如，以查找表的形式来存储确定环的形状和凸起图案的各种参数组合以及用 于热压和回流的控制参数。在不脱离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围的前提下，本发明的多种其 他实施例对于本领域技术人员来说是显而易见的。
权利要求
一种方法，包括 提供第一组件和第二组件，第一组件的表面与第二组件的相应表面键合，使得第一组件的表面与第二组件的相应表面之间包围空腔； 将第一键合材料的第一环沉积到第一组件的表面上，第一环具有描绘空腔周缘轮廓的预定的形状以及预定的厚度； 将第二键合材料的第二环沉积到第二组件的表面上，第二环具有与第一环的形状相对应的预定的形状以及预定的厚度，第二环包括预定的凸起图案，使得在第二键合材料的回流之前能在空腔内的气氛与空腔外的气氛之间交换气态材料； 提供气态脱氧材料； 临时键合第一键合材料和第二键合材料； 实质上去除气态脱氧材料；以及 使第二键合材料回流以与第一键合材料键合。
2.根据权利要求1所述的方法，包括确定凸起图案，使得第二环的预定的第一部分具 有在第二组件的表面以上的预定的第一高度，第二环的预定的第二部分具有在第二组件的 表面以上的预定的第二高度，其中，第二高度大于第一高度。
3.根据权利要求2所述的方法，其中，确定凸起图案，使得第二环包括至少两个第一部 分以及至少两个第二部分。
4.根据权利要求3所述的方法，其中，确定第二环的形状，使得第二环实质上是矩形。
5.根据权利要求4所述的方法，其中，具有第二高度的部分实质上位于矩形的拐角处。
6.根据权利要求5所述的方法，其中，具有第二高度的部分在第二组件的表面上具有 实质上环形的投影。
7.根据权利要求4所述的方法，其中，具有第一高度的部分实质上位于矩形的拐角处。
8.根据权利要求1所述的方法，包括-将第一键合材料沉积到被布置在第一组件表面上的接触焊盘上；以及 _将第二键合材料沉积到被布置在第二组件表面上的相应接触焊盘上。
9.根据权利要求8所述的方法，其中，将第一键合材料和第二键合材料沉积到被布置 在第一环和第二环所包围的相应表面区域上的接触焊盘上。
10.根据权利要求9所述的方法，其中，提供气态脱氧材料包括提供酸蒸汽。
11.根据权利要求10所述的方法，其中，提供酸蒸汽包括提供甲酸蒸汽。
12.根据权利要求9所述的方法，其中，临时键合第一环和第二环包括热压。
13.根据权利要求9所述的方法，其中，沉积第一键合材料包括沉积镍然后沉积金。
14.根据权利要求9所述的方法，其中，沉积第一键合材料包括化学镍金工艺。
15.根据权利要求9所述的方法，其中，沉积第二键合材料包括沉积铜然后沉积锡。
16.根据权利要求15所述的方法，包括在沉积铜之前沉积镍。
17.根据权利要求16所述的方法，其中，使用电镀工艺来沉积第二键合材料。
18.根据权利要求1所述的方法，包括在回流期间在第一键合材料和第二键合材料上 施加预定量的压力。
19.根据权利要求1所述的方法，包括在回流之前提供以下项目之一实质上惰性的气 体和实质上的真空。
20.根据权利要求1所述的方法，其中，第一组件和第二组件由半导体材料制成。
21.一种存储介质，在所述存储介质中存储有用于在处理器上执行的可读指令，所述处 理器在执行所述指令时执行以下操作-控制提供第一组件和第二组件，第一组件的表面与第二组件的相应表面键合，使得第 一组件的表面与第二组件的相应表面之间包围空腔；-控制将第一键合材料的第一环沉积到第一组件的表面上，第一环具有描绘空腔周缘 轮廓的预定的形状以及预定的厚度；-控制将第二键合材料的第二环沉积到第二组件的表面上，第二环具有与第一环的形 状相对应的预定的形状以及预定的厚度，第二环包括预定的凸起图案，使得在第二键合材 料的回流之前能在空腔内的气氛与空腔外的气氛之间交换气态材料； -控制提供气态脱氧材料； -控制临时键合第一键合材料和第二键合材料； -控制实质上去除气态脱氧材料；以及 -控制使第二键合材料回流以与第一键合材料键合。
22.根据权利要求21所述的存储介质，在所述存储介质中存储有用于在处理器上执行 的可执行指令，所述处理器在执行所述指令时执行以下操作-控制将第一键合材料沉积到被布置在第一组件表面上的接触焊盘上；以及 -控制将第二键合材料沉积到被布置在第二组件表面上的相应接触焊盘上。
23.根据权利要求22所述的存储介质，在所述存储介质中存储有用于在处理器上执行 的可执行指令，所述处理器在执行所述指令时执行以下操作-控制在回流期间在第一键合材料和第二键合材料上施加预定量的压力。
24.根据权利要求23所述的存储介质，在所述存储介质中存储用于在处理器上执行的 可执行指令，所述处理器在执行所述指令时执行以下操作-控制在回流之前提供实质上惰性的气体。
全文摘要
本发明涉及一种密封封装空腔的方法。将第一键合材料的第一环沉积到第一组件的表面上。第一环具有描绘空腔周缘轮廓的预定的形状以及预定的厚度。将第二键合材料的第二环沉积到第二组件的表面上。第二环具有与第一环的形状相对应的预定的形状以及预定的厚度。第二环还包括预定的凸起图案，使得在第二键合材料的回流之前能在空腔内的气氛与空腔外的气氛之间交换气态材料。在第一环和第二环的临时键合期间提供气态脱氧材料。然后在使第二键合材料回流以与第一键合材料键合以前，实质上去除气态脱氧材料。
文档编号B81C1/00GK101918304SQ200980102527
公开日2010年12月15日 申请日期2009年1月21日 优先权日2008年1月21日
发明者埃里克·卡德兰, 斯蒂芬·贝林格尔 申请人:Nxp股份有限公司