专利名称：快速升降温覆晶方法
技术领域：
本发明涉及一种覆晶方法，尤其是利用定位治具及快速升降温系统以达成快速升降温覆晶的方法。
背景技术：
在现有技术中，覆晶封装制程一般采用炉管或回焊炉(reflow)对晶片、接合材料件及封装基材同时进行长时间的均勻加热，利用提高温度至接合材料件的熔点，进而接合晶片与封装基材，以完成覆晶封装制程。然而，上述现有技术的缺点在于热处理时间太长， 在晶片与基板间产生过多的热量累积，导致各层材料因热膨胀系数不同而产生焊点错位、 差排、残留应力等负面效应，使得产品的电性质量不佳，噪声过大；且炉管所需的加热与冷却时间冗长，不仅增加热预算与生产所需成本，产量亦无法大幅提升。此外，随着未来对高封装密度需求的技术趋势，如进一步缩减晶片封装尺寸，势必会因不同材料间不同热膨胀系数的影响而更加难以达成结合目的，尤其是，晶片与封装基板间的热残留应力所产生的几何不对称，将导致晶片与封装基材中用以进行贴合的焊点发生差排、短路、空接或接合材料件的接着力不足的问题。因此，需要一种能产生所需温度温差梯度以使晶片与基板在升温与降温状态下， 皆具相同的热胀冷缩变形量而不会发生应力残留或致使产品弯曲形变的快速升降温覆晶的方法，以解决上述现有技术的问题。
发明内容
本发明的主要目的在提供一种快速升降温覆晶方法，所述方法步骤包括安置至少一晶片、至少一接合材料件及定位治具中的封装基材；将定位治具传送至快速升降温装置的反应腔体中；利用快速升降温装置的加热源分别对晶片、接合材料件及封装基材进行加热，使得晶片、接合材料件及封装基材产生不同温度差异，使得晶片、接合材料件及封装基材在加热温度下的热膨胀量差异小于默认值，其中接合材料件可在加热温度下熔化并用以黏接晶片及封装基材；进行冷却过程，使得晶片、接合材料件与封装基材相互接合，以完成覆晶制程。由于可在晶片、接合材料及封装基材形成适当的温度梯度与差异，因此，可缩小不同热膨胀系数材料间的变形量差异，以解决晶片与封装基材间可能的错位、差排、短路、空接与材料接着力不足的问题，进一步改善晶片与封装基材间的电性质量。
图1为本发明的快速升降温覆晶方法的流程图。图2为本发明的快速升降温覆晶方法的定位治具的示意图。图3为本发明的快速升降温覆晶方法的快速升降温装置的示意图。图4A为SOP模式下各层材料的温度随时间变化的曲线图。
图4B为SPIKE模式下各层材料的温度随时间变化的曲线图。图5为现有技术加热时因热膨造成差排、短路的示意图。图6为现有技术在冷却后因基材内缩导致挠曲、空接的示意图。图7为本发明的较佳实施例示意图。
具体实施例方式以下配合说明书附图对本发明的实施方式做更详细的说明，以使本领域技术人员在研读本说明书后能据以实施。参阅图1，为本发明的快速升降温覆晶方法的流程图。此外，为清楚说明本发明的特征，请配合参阅图2，为本发明的快速升降温覆晶方法的定位治具的示意图。如图1所示，本发明的快速升降温覆晶方法由步骤SlO开始，将至少一晶片10、至少一接合材料件20及封装基材30安置于定位治具40中，其中定位治具40的结构如图2 所示，且定位治具40包括治具底座41、定位辅助装置43及治具上盖45。封装基材30安置于治具底座41与定位辅助装置43之间而固定。定位辅助装置43具有至少一穿孔44，当作晶片10与接合材料件20间的定位孔44，每个定位孔44用以容置相对应的接合材料件20。 每个晶片10安置于相对应的接合材料件20上。治具上盖45覆盖住晶片10及定位辅助装置43。要注意的是，在图2中，治具上盖45覆盖住二个晶片10及部分的定位辅助装置 43，只是用以方便说明本发明特点的实例而已，并非用以限定本发明的范围，因此，本发明可包括使用较小面积的治具上盖45以覆盖住单一晶片10，或使用较大面积的治具上盖45 以覆盖住二个以上晶片10。上述的接合材料件20可包括铅锡合金，比如63%铅与37%锡，或高铅锡合金，比如含铅量大于90%，或不含铅的锡银铜合金，用以降低所需制程温度。配合参阅图3，为本发明的快速升降温覆晶方法的快速升降温装置的示意图，以显示本发明快速升降温覆晶方法所使用的快速升降温装置50，其中快速升降温装置50包括反应腔体51、承载推送装置52、加热源53、气体供应源55及收集装置57。反应腔体51为用以容置定位治具40的空腔，且承载推送装置52用以推送定位治具40并密闭住反应腔体51。加热源53具有快速瞬间加热作用，可包括红外线或超音波或无线电(RF)变频波，气体供应源55提供反应腔体51所需的气体并导入反应腔体51中，比如惰性气体，而收集装置57用以收集反应腔体51中的气体。接着进入步骤S20，利用快速升降温装置50以容置包含有晶片10、接合材料件20 及封装基材30的定位治具40，亦即定位治具40传送至快速升降温装置50的反应腔体51 中，并藉承载推送装置52以密闭住反应腔体51。在步骤S30中，利用快速升降温装置50的加热源53对定位治具40进行加热， 藉以加热晶片10、接合材料件20及封装基材30，以使接合材料件20熔化并黏接或贴合 (bonding)晶片10及封装基材30而结合成一体。在本实施例中，接合材料件20位于晶片10与封装基材30之间。可藉由加热源53 所产生的辐射能直接穿透晶片10，加热接合材料件20 ；或使用振动摩擦热能对晶片10进行加热，接着晶片10将热传导至接合材料件20使其达到液相熔点温度后开即始进行冷却，因此，晶片10的温度高于接合材料件20的温度，而接合材料件20的温度又高于封装基材30 的温度，藉以形成温度梯度。由于加热源53具瞬间加热作用，可使得晶片10、接合材料件 20及封装基材30维持所需的温度梯度，进而使接合材料件20瞬间达到熔点，比如260°C， 并熔化而黏接晶片10及封装基材30，而且封装基材30仍保持相对较低温。参阅图4A及图4B，分别为浸泡(SOP)、尖刺(SPIKE)模式下各层材料的温度随时间变化的曲线图，并配合参阅图5及图6，其中图5为现有技术加热时因热膨造成差排、短路的示意图，图6为现有技术在冷却后因基材内缩导致挠曲、空接的示意图。一般晶片10的热膨胀大于封装基材30的热膨胀，图5的加热温度为300°C，图6的温度为冷却至25°C常温，且组件符号Al代表晶片大小，组件符号δ Al代表晶片变形量，组件符号Β2代表封装基材大小，组件符号S Β2代表封装基材变形量。因此利用上述的温度梯度，可保持晶片10、及封装基材30的热膨胀在预设范围内，比如0. 1 %，使得晶片10与封装基材30的相对连接位置保持对齐，以避免因热膨胀系数不同而在晶片10与封装基材30加热及冷却时产生错位， 差排、短路、空接与接着力不足的问题。最后在步骤S40中，冷却晶片10、接合材料件20及封装基材30，以完成藉接合材料件20连接晶片10与封装基材30的覆晶制程处理。配合参阅图7，本发明的快速升降温覆晶方法的特点在于，利用晶片10、接合材料件20及封装基材30之间适当的温度梯度，使各层热胀冷缩变形量几乎相同，以降低晶片及封装基材之间的热膨胀差异，避免发生应力残留或产品弯曲变形，因而使晶片与封装基材能确实对齐而连接或贴合，藉以提高良率。以上所述仅为用以解释本发明的较佳实施例，并非企图据以对本发明做任何形式上的限制，因此，凡有在相同的创作精神下所作有关本发明的任何修饰或变更，皆仍应包括在本发明意图保护的范畴。
权利要求
1.一种快速升降温覆晶方法，藉一定位治具及一快速升降温装置以进行覆晶制程，该定位治具包括一治具底座、一定位辅助装置及至少一治具上盖，该快速升降温装置至少包括一反应腔体、一承载推送装置及一加热源，其特征在于，该快速升降温覆晶方法包括以下步骤将至少一晶片、至少一接合材料件及一封装基材安置于该定位治具中，其中，该封装基材夹于该治具底座及该定位辅助装置之间，且该至少一晶片位于该治具底座上，该定位辅助装置具有至少一穿孔，用以容置该至少一接合材料件，该至少一晶片安置于该至少一接合材料件上，该至少一治具上盖覆盖住该至少一晶片及该定位辅助装置；利用该承载推送装置将该定位治具传送至该反应腔体中，以使得该承载推送装置至该反应腔体；利用该加热源加热该定位治具，藉以加热该至少一晶片、该至少一接合材料件及该封装基材，以使得该至少一晶片、该至少一接合材料件及该封装基材具不同的温度差异而形成一温度梯度，且使该至少一接合材料件熔化而黏接该至少一晶片及该封装基材以结合成一体；以及冷却该定位治具，藉以冷却该至少一晶片、该至少一接合材料件及该封装基材，以完成覆晶制程。
2.如权利要求1所述的快速升降温覆晶方法，其特征在于，该至少一接合材料件包括铅锡合金、高铅锡合金及不含铅的锡银铜合金或无铅合金的其中之一，且该高铅锡合金的含铅量大于90%。
3.如权利要求1所述的快速升降温覆晶方法，其特征在于，该加热源包括红外线、超音波及感应高周波的其中之一。
4.如权利要求1所述的快速升降温覆晶方法，其特征在于，该快速升降温装置进一步包括一气体供应源及一收集装置，该气体供应源提供该反应腔体所需的气体并导入该反应腔体中，而该收集装置用以收集该反应腔体中的气体。
5.如权利要求1所述的快速升降温覆晶方法，其特征在于，该接合材料件亦可为锡球或电铸金属等结合材料，用以接合晶片与基板的方式，皆为本专利之实施例。
6.如权利要求4所述的快速升降温覆晶方法，其特征在于，该反应腔体所需的气体包括惰性气体或制程气体。
7.如权利要求1所述的快速升降温覆晶方法，其特征在于，该反应腔体为可提供真空、 常压或正压的密闭或开放式环境，使其符合不同材质反应特性者。
8.如权利要求1所述的快速升降温覆晶方法，其特征在于，所述制程条件包括反应腔体于制程前先抽真空，于制程中或制程后破真空，利用大气压力来增加晶片接合力者。
9.如权利要求1所述的快速升降温覆晶方法，其特征在于，定位治具可仅包括一治具底座、一定位辅助置，直接利用加热源加热晶片，来达到接点接合的目的者。
10.如权利要求1所述的快速升降温覆晶方法，其特征在于，所述制程条件，可依照材料特性选择浸泡模式或尖刺模式。
全文摘要
本发明公开了一种快速升降温覆晶方法，包括安置至少一晶片、至少一接合材料件及定位治具中的封装基材；将定位治具传送至快速升降温装置的反应腔体中；利用快速升降温装置的加热源对晶片、接合材料件及封装基材进行加热，并藉由该装置的温度分区、分层控制特性，使晶片、接合材料件及封装基材产生不同温度，晶片、接合材料件及封装基材在加热温度下的热膨胀差异小于默认值，接合材料件可在加热温度下熔化并黏接晶片及封装基材；冷却晶片、接合材料件及封装基材，以完成覆晶制程。藉适当的温度梯度，解决原子差排及因不同热变形量导致的焊点错位问题。
文档编号H01L21/50GK102315134SQ201010221208
公开日2012年1月11日 申请日期2010年7月8日 优先权日2010年7月8日
发明者林武郎, 洪水斌, 石玉光, 郑煌玉, 郭明伦, 黄文泰 申请人:技鼎股份有限公司