专利名称：一种使用锥面焊盘进行热超声倒装焊的芯片封装方法
技术领域：
本发明涉及一种芯片互连封装方法，特别是涉及一种使用锥面悍 盘进行热超声倒装焊的芯片封装方法。
背景技术：
近年来，随着计算机、通讯等电子消费品更新换代的加速，高性 能、便携化及低成本成为人们对电子产品的新需求，迫使相关的半导 体封装技术朝着小型、轻便、高密度、高可靠性和低成本方向发展。 这样，芯片键合难度进一步增大，键合技术成为业界关注的重点。开 发高精度、高效率、高可靠性的键合技术成为封装设备制造业的当务 之急。而引进国外先进技术、学习并掌握先进键合工艺则是广大科研 工作者面临的首要任务。
超声波焊接，另称"键合"，是利用16 120kHz的超声频率的机 械振动能量，连接同种或异种金属、半导体、塑料及陶瓷等的一种特 殊的焊接方法。超声波焊接现已广泛地应用于集成电路、电容器、超 高压变压器屏蔽构件、微电机、电子元器件及电池、塑料零件的封装 等生产中。与传统的焊接技术相比，超声波焊接技术具有高速、高效 和高自动化等优点，成为半导体封装内互连的基本技术。在批量生产 中具有加工工艺重复性好、生产效率高的特点，是一种快速、清洁、 应用范围广泛的焊接方法，焊接制品表观状况优良。 在应用超声波焊接的集成电路封装中，有三种方法可以实现芯片的电 气互连引线键合(wire bonding,简称WB)、载带自动键合(tape automated bonding,简称TAB)禾口倒装焊(flip chip technology,简称 FC)。引线键合(丝焊)是发展最早和最为成熟的互连方法，引线键合 工艺具有操作简单、工艺成熟、成本低、可靠性比较高等优点，但也 存在着致命的弱点，就是无法保证用于封装的芯片都是合格的芯片。 载带自动焊也是一种比较成熟的方法，载带自动焊是用金属载带代
替管壳，载带既可作为芯片的I/O引线，又可作为芯片的承载体， 同样载带自动键合也有其不足之处封装集成度不如裸芯片引线键合 高，载带制作所需要的设备较为复杂、昂贵，因此成本较高。
倒装焊是与引线键合和载带自动键合相似的一种互连技术，是封 装面积最小的一种方法，由于倒装焊是在芯片上做凸点，然后将芯片 倒扣在基板上，倒装焊的封装面积只是芯片的面积，所以倒装焊是封装密度最大的互连方式。其次，通过在集成电路芯片的输入输出端
(1/0)用平面工艺制成焊料凸点焊球将裸芯片面朝下直接贴装在基板 (如FR4印刷电路板)上，利用再流焊工艺使芯片焊球和基板焊盘间形 成焊点，实现芯片与基板的电热和机械连接。因为省略了芯片和基板 间的引线和"器件封装"的这一中间环节，所以倒装焊的焊点路径是 最短的，减少了电阻、电感的干扰，具有封装密度高，信号处理速度 快，寄生电容电感小，高频性能好等优点，有利于提高信号的传输速 度和完整性。此外，凸点倒装焊技术的应用还为集成电路的设计工作 提供了方便，不必再将所有的压焊点引出到芯片的四周，而是可以随 意放置，这样有利于提高芯片本身的集成度。虽然倒装焊在封装领域 中有明显的优势，但其缺点和它的优点同样的明显。首先，在芯片上 制作凸点所需的设备、材料的价格较为昂贵，工艺又很复杂，使封装 的成本高。其次，倒装焊同丝焊一样存在着无法保证用于封装的芯片 都是合格芯片的问题，如何能对做完凸点的芯片进行老化、筛选、考 核，从而保证芯片的质量，是倒装焊应首先考虑的问题之一。
为了降低成本，需要研究采用廉价的有机FR4基板下的倒扣焊技 术。而FR4的热膨胀系数为16 24ppm广C，与芯片热膨胀系数相差较 大，这样在服役(芯片工作发热，不工作冷却)过程中，芯片和基板间 的热膨胀失配就显得十分严重，导致焊点内产生很大的周期性塑性应 力及形变，裂缝萌生并扩展，使焊点很快疲劳失效。为了减小芯片和 基板之间热膨胀失配，缓解封装体系在芯片服役时产生的热应力热形 变，提高焊点的热疲劳寿命， 一种底充胶(under fill)的方法已广泛 应用于倒装焊技术中。但采用底充胶的方法也有填充困难，或填充不 满导致可靠性差等不足之处。
因此，热超声倒装焊仍然存在着很多问题，阻碍了这一新技术的 进一步发展。例如，由于在热超声倒装焊这种高效率的封装技术中， 一个芯片上一般会利用引线键合机一次性制作十几个甚至几十个凸 点，同时在基板上制作相应的焊盘。美国Colorado大学的TangQing 和Zhang Wenge指出，以往的横向热超声焊接方式存在很大的缺陷， 即很难保证同一芯片上所有凸点都焊接合格。由于存在横向，即平行 于基板的超声波作用，而待焊凸点又都在同一芯片平面内，故在焊接 新凸点的同时，也有可能破坏其他已焊好的凸点，因此焊接合格率不 是很理想。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种芯片的焊接合格率高，焊 接工具的设计要求简化，焊接过程中压力施加更加均匀，芯片夹持更 加牢靠，焊接更加稳定的使用锥面焊盘进行热超声倒装焊的芯片封装方法。
为了解决上述技术问题，本发明提供的使用锥面焊盘进行热超声 倒装焊的芯片封装方法，包括如下步骤
(1) 、凸点的制作
通过通用引线键合机在完成集成电路的芯片上将凸点植入到芯 片I/O 口 ；
(2) 、基板及其锥面焊盘的制作
首先在准备好的基板上做出与芯片凸点大小相当对应的锥形凹 坑，然后在锥形凹坑的锥面上涂上金、钛或钨形成锥面焊盘，基板选 用陶瓷或铝材料，其面积和厚度一般都比芯片大；
(3) 、芯片和基板的连接
(3. l)把基板固定在加热台上，加热台采用恒温加热，温度为 140 160°C ;
(3.2) 利用真空吸头通过夹具夹持芯片，并利用光学系统实现芯 片凸点与基板锥面焊盘的对准；
(3.3) 带有芯片的夹具头缓慢下降，直到芯片凸点和基板锥面焊 盘相互接触，并施加一定焊接压力为38 42g/每个凸点；
(3.4) 对芯片施加纵向即基板法向的超声波能量，使凸点发生变 形并与锥面焊盘逐渐相结合，焊接时间为0. 15 0.25ms，超声功率为 35 45mW/每个凸点；
(3.5) 焊接完成之后释放真空吸力，使夹具提升。 采用上述技术方案的使用锥面焊盘进行热超声倒装焊的芯片封
装方法，为了解决以往横向热超声焊接方式存在的很难保证同一芯片 上所有凸点都焊接合格这一缺陷，本发明提出了纵向即沿基板法向作 用超声波的新思路。但是，根据热超声焊的作用机理，超声波的作用 方向必须是沿焊盘的切向，在焊盘与焊点接触面切向超声波作用下实 现焊盘与焊点的互连。因此，本发明就提出了锥面焊盘这一构想。然 后在一定的压力和温度下，对芯片的凸点施加基板法向的超声波能 量，通过焊盘锥面把沿基板法向作用超声波转换成凸焊点与焊盘锥面 之间的切向运动，在一段时间内，凸点将与基板上的锥面焊盘产生结 合力，从而实现芯片与基板的互连。这种将焊盘方向及超声波作用方 向的整体转换是本发明的一个核心创新点。
然而详细说来，这一方法中凸点界面与锥面焊盘的结合是一个摩 擦的过程。首先是界面接触和预变形，即在给定压力下，凸点与锥面 焊盘接触，并在一定程度上受挤压发生变形。然后是纵向超声波的作 用，通过超声波先除去凸点表面的氧化物和污染层，再使基板温度剧 烈上升，凸点即发生进一步的变形，此时凸点与基板上锥形焊盘的原子就可以相互渗透到一定深度，实现焊接。由此看来，该发明的关键 工艺参数是压力、温度、超声波功率和焊接时间。已证实，若控制好 这四个工艺参数，该发明能很好的克服传统横向焊接方式存在的平行
问题。同时，结合强度(金凸点)至少可达31g/bump，远远高于5g/bu即 的焊接强度规范要求。
本发明的优点和有益效果
1. 这一焊接工艺的采用克服了传统横向焊接方式存在的平行问 题，进一步提高了芯片的焊接合格率，并简化了焊接工具的设计要求， 使焊接过程中压力施加更加均匀，芯片夹持更加牢靠，焊接更加稳定。
2. 由于引入了超声波能量，焊接压力和温度都比较低，能对芯片 和基板起到保护作用，从而保证了芯片的质量。
3. 对焊凸点材料要求不是很苛刻，在要求不是很严格的情况下可 以选取铝凸点或铜凸点代替，效果仍然不错，进一步降低了封装成本。
4. 封装面积很小(只是芯片的面积)，密度大，"互连线"短，从 而减小了电阻、电感的干扰，高频性能好，有利于提高信号的传输速 度和完整性，同时提高了芯片本身的集成度。
5. 由于使用了纵向焊接方式，简化了工艺过程，而且是一种清洁 的无铅焊接，对人体和环境无损害。
本发明将热超声倒装焊所使用基板上的传统平面焊盘改为锥面， 将焊盘方向及超声波作用方向进行整体转换。这样，超声波就可沿纵 向，即基板法向作用，改变了以往横向热超声焊接的方式。这一焊接 工艺的采用克服了横向焊接方式存在的平行问题，进一步提高了芯片 的焊接合格率，并简化了焊接工具的设计要求，使焊接过程中压力施 加更加均匀，芯片夹持更加牢靠，焊接更加稳定。
图1是凸点及其锥面焊盘的制作示意图； 图2是芯片下压示意图； 图3是超声波加热示意图4是焊接完成之后释放真空吸力，使夹具提升示意图。
具体实施例方式
下面结合附图和具体实施方式
对本发明作进一步说明。
1. 凸点的制作
参见图1，在完成集成电路的芯片上将凸点植入到芯片I/O 口的 过程即为凸点的制作。这一过程可以通过通用引线键合机很容易的实 现，而且得到相当不错的效果，这里不再详细说明。
2. 基板及其锥面焊盘的制作
参见图1，热超声倒装焊的基板可以选用陶瓷或铝材料，其面积和厚度一般都比芯片大。在本发明中，首先要在准备好的基板上做出 与芯片凸点大小相当的锥形凹坑，然后在凹坑的锥面上涂上金、钛或 钨形成锥面焊盘，以提高凸点连接的质量。
3.芯片和基板的连接
参见图2、图3和图4，在完成凸点植入和锥面焊盘制作的前提 下，即可进行芯片和基板连接，其过程主要包括以下几个步骤
(3. l)把基板固定在加热台上，加热台采用恒温加热，温度为 140 160°C ;
(3.2)利用真空吸头通过夹具夹持芯片，并利用光学系统实现芯 片凸点与基板锥面焊盘的对准；
(3. 3)带有芯片的夹具头缓慢下降，直到芯片凸点和基板锥面焊 盘相互接触，并施加焊接压力为38 42g/每个凸点，焊接压力最佳为 40g/每个凸点；
(3.4)对芯片施加纵向即基板法向的超声波能量，使凸点发生变 形并与锥面焊盘逐渐相结合，焊接时间为0. 15 0.25ms，焊接时间最 佳为0. 2ms，超声功率为35 45mW/每个凸点，超声功率最佳为40mW/ 每个凸点；
(3.5)焊接完成之后释放真空吸力，使夹具提升。
权利要求
1、一种使用锥面焊盘进行热超声倒装焊的芯片封装方法，其特征是包括如下步骤(1)、凸点的制作通过通用引线键合机在完成集成电路的芯片上将凸点植入到芯片I/O口；(2)、基板及其锥面焊盘的制作首先在准备好的基板上做出与芯片凸点大小相当对应的锥形凹坑，然后在锥形凹坑的锥面上涂上金、钛或钨形成锥面焊盘，基板选用陶瓷或铝材料，其面积和厚度一般都比芯片大；(3)、芯片和基板的连接(3.1)把基板固定在加热台上，加热台采用恒温加热，温度为140～160℃；(3.2)利用真空吸头通过夹具夹持芯片，并利用光学系统实现芯片凸点与基板锥面焊盘的对准；(3.3)带有芯片的夹具头缓慢下降，直到芯片凸点和基板锥面焊盘相互接触，并施加焊接压力为38～42g/每个凸点；(3.4)对芯片施加纵向即基板法向的超声波能量，使凸点发生变形并与锥面焊盘逐渐相结合，焊接时间为0.15～0.25ms，超声功率为35～45mW/每个凸点；(3.5)焊接完成之后释放真空吸力，使夹具提升。
全文摘要
本发明公开了一种使用锥面焊盘进行热超声倒装焊的芯片封装方法，将热超声倒装焊所使用基板上的传统平面焊盘改为锥面，将焊盘方向及超声波作用方向进行整体转换。这样，超声波就可沿纵向，即基板法向作用，改变了以往横向热超声焊接的方式。这一焊接工艺的采用克服了横向焊接方式存在的平行问题，进一步提高了芯片的焊接合格率，并简化了焊接工具的设计要求，使焊接过程中压力施加更加均匀，芯片夹持更加牢靠，焊接更加稳定。
文档编号H01L21/60GK101527271SQ200910043139
公开日2009年9月9日 申请日期2009年4月17日 优先权日2009年4月17日
发明者唐华平, 姜永正, 磊 杜, 郝长千 申请人:中南大学