专利名称：一种使用镍微针锥的固态热压缩低温键合方法
技术领域：
本发明涉及半导体芯片封装领域，具体是通过表面特殊针锥形貌金属层的使用， 实现元件间固态互连接合的方法。
背景技术：
半导体芯片封装的微互连技术正不断的革新，现在芯片制造中互连技术主要有 引线框架型；引线键合；球珊阵列；QFN ；芯片倒装；凸点键合；带载；3D封装等技术。电互连技术的革新是微电子技术发展的关键，传统的熔融键合技术是通过温度的控制使得键合点处的金属熔化打湿键合点两侧，冷却后键合点固化，从而得到良好的焊接，例如再流焊。传统的再流焊等工艺需要将焊接温度提高到焊料的熔点以上，高的温度环境会对某些芯片或基板产生恶劣的影响，降低产品的可靠性。在芯片到封装基板的倒装焊工艺中沿用至今的高铅凸点需要用到对环境产生危害的铅，而替代的无铅焊料尚无法达到与之相同或更低的焊接温度。熔融焊料的方法同时需要防止焊点之间发生的连桥现象。为了达到理想的结合强度，有时需要使用助焊剂，粘结剂等有机物。助焊剂需要加在被结合的至少一个表面上，助焊剂包括媒液和活化剂。焊剂媒液起到在第二次回流期间将焊料的表面与大气隔离开，减少焊料高温氧化的风险，活化剂通常是有机酸或无机酸，用来去除焊料表面的氧化膜，以提高润湿性。在焊接完成后，需要清除焊剂或焊剂残留物，通常包括用溶剂清洗封装件，或者经过烘烤工艺，以挥发残余的溶剂或低沸点的焊剂或焊剂残留物。助焊剂的使用和除去残留物要耗费一定的生产时间，而当芯片和芯片间，或芯片和基片间的空隙越小的时候，焊剂残留物就越难完全去除。寻求低的焊接温度已是芯片互连技术的发展的一大趋势。现如今有诸多相关文献和专利，描述非熔融方法实现的芯片到基片或芯片到芯片叠层的互连工艺。其中包括利用低熔点的单金属或合金(如铟系合金等)、机械方法嵌入金属块或金属凸点、活性反应层、纳米颗粒低温烧结等多种技术。一般而言，固态电互连因为避免了熔融焊接而得以显著提高互连密度，无需助焊剂，并可消除熔融过程中焊料与基片上焊盘之间发生的对结合强度和可靠性产生不利影响的过度界面反应，且由于工艺温度的降低，工艺流程和开销也得以缩减。铜-铜固态键合已有多种报道，其中，表面活化键合(SAB)技术能够实现温度低至室温下的多种金属之间的原子级连接。用于实现表面活化键合的铜表面一般经过精细的化学机械抛光以达到纳米级平整度，获得高度活化的金属表面的途径包括氩原子、离子、等离子体处理等。当表面氧化物和污染被清除后，完成活化的芯片或晶圆表面需要真空保护以控制再次氧化的速率，并在更高的真空度下完成直接键合。包括铜-铜固态键合在内的一系列基于表面活化的高平整度金属-金属直接键合技术对晶圆的加工工艺有相当高的要求，并往往用于圆片级互连。针对某些器件高工作温度的特点，亦有新的键合材料和技术体系开发以取代无法承受高温的锡基焊料，例如，金属铟由于具有较低的熔点而被认为是一种有前途的低温焊接金属，目前对封装领域铟的使用主要研究体现在利用铟和其他焊料金属层，如银、锡、铜、 金等，反应产生较高熔点的金属间化合物。例如利用多层结构的银和锡薄膜在约180°C下辅以接触压力，银在液相的铟中过饱和而生成等固相产物，从而实现工艺温度低于传统无铅焊料的焊接。使用纳米金属颗粒实现的键合技术也有广泛的报道，最常使用的是纳米银颗粒， 由于金属颗粒在直径达到纳米级时，烧结温度随尺寸缩小和表面能的增大而明显降低，亦可在大大低于熔融焊的温度，甚至低至室温的条件下烧结键合，获得具有高温稳定性的焊点。纳米银颗粒的制备可通过烘干凝胶中的溶剂来得到，对于直径约为100 nm的银颗粒而言，键合可在300°C的温度、25 MI^a的压力下进行，获得的剪切强度在10 MPa以上。这种方法因为焊点具有相当高的电导率和热导率，在大功率元件和大面积芯片阵列型封装中具有较广的使用前景。
发明内容
本发明针对上述现有技术中存在的技术问题，提出一种使用镍微针锥的固态热压缩低温键合方法，这种方法能够克服以往工艺在新的封装技术应用中的一些缺陷，避免回流焊工艺温度对器件产生的热损伤，以及熔融焊中焊料铺展和固液相快速反应的问题。为达到上述目的，本发明所采用的技术方案如下 一种使用镍微针锥的固态热压缩低温键合方法，包含以下步骤
1)、选择具有相互匹配的电互连焊盘的待键合元件；
2)、在待键合偶的其中一侧焊盘上形成表面部分由软性第一金属，底部由第二金属组成的凸块；
3)、在待键合偶的另一侧的焊盘上制备镍微针锥层；
4)、接合待键合元件，包括将待键合偶表面焊盘对准，使得多个带有软性金属的凸块与另一侧表面上各个镍微针锥区域匹配；以及把接触区域加热到第一温度，并使两侧接触以完成焊盘区域的电互连键合。采用电沉积法(包括但不限于化学镀、气相沉积等方法)在元件电互连区域金属块 (如倒装焊的基板，或球栅阵列型封装的PCB侧焊盘，利用光刻图形化、化学腐蚀等方法形成)上制备镍微针锥层；通过控制包括时间、电流密度、添加剂浓度在内的电沉积参数，控制针锥高度由200纳米到2000纳米不等。制备镍微针锥薄膜后，在表面制备防氧化层，防氧化层是高温下抗氧化的金属或合金，厚度约为数纳米到数十纳米，并且不改变针锥的表面形貌，包括但不限于电镀、气相沉积方法；
此贵金属可以是Au，Pt，Ag，Pd ；
使用接合器对准待键合偶，使得形状吻合的针锥薄膜区域与焊料凸块区域一一匹配并对准；
加热已对准的键合偶至合适温度，施加一个键合压力，其中键合压力需要在第一温度期间保持数秒到数分钟，然后释放键合压力，保持时间由焊料金属种类、温度、键合压力要求的最优化结果决定。按照具体使用场合，在低于焊料金属熔点5-100°C的范围内选择此温度； 键合压力一般在1 - 20 MI^a之间，根据键合温度决定；
时间一般在5 s - 20 min之间，根据键合压力和键合温度决定； 凸点下层的第二金属通过电沉积法制备； 其中凸点表面的第一金属帽具有较低熔点，通过电沉积法制备； 其中加热到第一温度可以通过接触式或者非接触式的加热方式，第一温度不超过第一金属和焊料金属的熔点，第一温度由第一金属种类和键合压力要求的最优化结果决定；
将待键合偶分别放置于热压缩接合器第一和第二固定装置中，保持温度低于第一温度，通过第一或第二固定装置之一或二者彼此的移动，使得一侧多个软性金属凸块和另一侧表面制备有微针锥的焊盘金属块互相接触，通过加热装置使得温度快速达到第一温度并保持，同时第一和第二固定装置之间施加压力并保持，直至接触点处实现键合，从接合器上取下键合完成的元件；
在第二温度下，经过一段时间t的热处理，提高接合性能此温度一般低于键合过程工艺温度。由于镍微针锥结构具有真实表面积大、在微纳米尺度下的高反应活性以及特殊的尖锐结构和阵列形态等特点，而具有许多新的功能特性，并可在电子封装行业得到应用。本发明利用它与较高温度下大幅软化的固态无铅焊料帽获得良好的机械咬合，巨大的真实表面积能够促进结合界面的互扩散从而提高结合力等。本发明所公开的使用镍微针锥的固态热压缩键合方法，是通过在低于焊料熔点的温度并施加一定压力的条件下，使得焊料层与镍微针锥薄膜层产生机械咬合和扩散反应而实现的。该方法的优点和积极效果在于工艺过程中焊料不熔化，固态键合能够提高互连密度和产品可靠性，具有可控的界面反应特性，无需助焊剂等有机物因而简化了工艺流程。
具体实施例方式下面结合具体实施方式
对本发明作进一步详细说明 实施例1
在带有I/O焊盘的裸芯片上通过标准光刻图形化、溅射沉积和电化学沉积等工艺形成凸点下金属层(UBM)、铜柱凸点、镍阻挡层和凸点表面的锡层，典型的铜柱凸点尺寸为直径 60 μ m、高度40 μπι。典型的镍阻挡层厚度约为1 μ m。典型的锡层厚度为5 μ m，高度差异小于0.5 μπι。在倒装基片的焊盘区域通过化学沉积或电化学沉积制备镍微针锥层和表面防氧化金层，整体厚度约为5 ym，表面针锥高度约1 ym，金厚度约10 nm。此厚度的金镀层不会对针锥形貌产生影响。将用酸洗去凸点表面氧化层的芯片，和基片面对面固定于芯片倒装键合机上并对准，迅速升温至180°C的键合温度，并同时由键合机施加10 MPa的等效静压，保持5min，完成初步键合。在初步键合的过程中，硬度较高的镍微针锥刺入锡块， 锡焊层在高温下硬度显著下降，蠕变速率加快，通过塑性变形与针锥形成镶嵌，形成机械结合。此过程中热压缩产生的变形约在1 - 3 μπι之间。完成初步键合后，将芯片置于140°C 保护气氛中热处理他，在此过程中紧密贴合的镍与锡发生界面反应形成一定厚度的金属间化合物层，同时在初步键合过程中残留的孔洞通过扩散得以消除。
实施例2
在正面带有I/O焊盘、背面带有通过硅通孔互连(TSV)至器件面的裸芯片正面I/O焊盘形成凸点下金属层(UBM)和锡层，典型的锡层厚度为2 - 5 ym，高度差异小于0.5 μπι。 芯片通常已减薄至100 μ m以下，在背面磨平并裸露的TSV填充金属表面制备镍微针锥层和表面防氧化金层，整体厚度约为5 ym，表面针锥高度约1 ym，金厚度约10 nm。使用等离子清除表面氧化层和沾污颗粒后，将两片或多片制备有此结构的硅片堆叠固定于键合机中，升温至180°C的键合温度，并同时由键合机施加7. 5 MPa的等效静压，保持5min完成初步的堆叠键合。完成初步键合后，将芯片置于140°C保护气氛中热处理他以提高键合强度。实施例3
在印刷线路板(PCB)用于球栅阵列(BGA)型表面贴装的焊盘区域金属块上制备镍微针锥层和表面防氧化金层，整体厚度约为5-10 μ m，表面针锥高度约1 -2 μ m，金厚度约10 nm。将植有尺寸在300 - 800 μ m锡合金焊球的BGA封装体进行酸洗处理以清除焊球表面氧化层，并与PCB在键合机内固定并对准，升温至180°C的键合温度，并同时由键合机施加 10 MPa的等效静压，保持5min完成初步的堆叠键合。完成初步键合后，将芯片置于140°C 保护气氛中热处理他。在以上的描述中，为了说明起见而阐述的许多具体的细节，但本发明的保护范围并不限于此，可以不完全按照这里提供的工序或工具的细节而实施本发明。例如，柱形凸点材料可以是电沉积的镍而不限于铜，焊料帽材料则可以选用铟等低熔点金属，或其他具有较低熔点的合金。对于芯片到基片的倒装互连和多芯片堆叠垂直互连，凸点侧和针锥侧的位置可以互换。甚至不使用热压键合机，而使用其它设备来实现本发明权利要求的内容，对本领域的技术人员来说是轻而易举的。同样，在键合过程中温度要求和压力的配合的顺序，也可以根据实际操作的需要进行调整例如。
权利要求
1.一种使用镍微针锥的固态热压缩低温键合方法，其特征在于，包括步骤如下1)、选择具有相互匹配的电互连焊盘的待键合元件；2)、在待键合偶的其中一侧焊盘上形成表面部分由软性第一金属，底部由第二金属组成的凸块；3)、在待键合偶的另一侧的焊盘上制备镍微针锥层；4)、接合待键合元件，包括将待键合偶表面焊盘对准，使得多个带有软性金属的凸块与另一侧表面上各个镍微针锥区域匹配；以及把接触区域加热到第一温度，并使两侧接触以完成焊盘区域的电互连键合。
2.如权利要求1所述的使用镍微针锥的固态热压缩低温键合方法，其特征在于，其中镍微针锥薄膜的制备可以通过电沉积法实现，通过控制包括时间、电流密度、添加剂浓度在内的电沉积参数，控制针锥高度由200纳米到2000纳米不等。
3.如权利要求2所述的使用镍微针锥的固态热压缩低温键合方法，其特征在于，制备镍微针锥薄膜后，在表面制备防氧化层，防氧化层是高温下抗氧化的金属或合金，厚度约为数纳米到数十纳米，并且不改变针锥的表面形貌。
4.如利要求1所述的使用镍微针锥的固态热压缩低温键合方法，其特征在于，其中待键合元件的互相接触还包括施加键合压力。
5.如权利要求4所述的使用镍微针锥的固态热压缩低温键合方法，其特征在于，其中键合压力需要在第一温度期间保持数秒到数分钟，然后释放键合压力，保持时间由焊料金属种类、温度、键合压力要求的最优化结果决定。
6.如权利要求1所述的使用镍微针锥的固态热压缩低温键合方法，其特征在于，其中凸点下层的第二金属通过电沉积法制备。
7.如权利要求1所述的使用镍微针锥的固态热压缩低温键合方法，其特征在于，其中凸点表面的第一金属帽具有较低熔点，通过电沉积法制备。
8.如权利要求1所述的使用镍微针锥的固态热压缩低温键合方法，其特征在于，其中加热到第一温度可以通过接触式或者非接触式的加热方式，第一温度不超过第一金属和焊料金属的熔点，第一温度由第一金属种类和键合压力要求的最优化结果决定。
9.如权利要求2所述的使用镍微针锥的固态热压缩低温键合方法，其特征在于，所述待键合元件接合的方法是将待键合偶分别放置于热压缩接合器第一和第二固定装置中，保持温度低于第一温度，通过第一或第二固定装置之一或二者彼此的移动，使得一侧多个软性金属凸块和另一侧表面制备有微针锥的焊盘金属块互相接触，通过加热装置使得温度快速达到第一温度并保持，同时第一和第二固定装置之间施加压力并保持，直至接触点处实现键合，从接合器上取下键合完成的元件；在第二温度下，经过一段时间t的热处理，提高接合性能。
10.如权利要求9所述的使用镍微针锥的固态热压缩低温键合方法，其特征在于，其中温度和接触压力保持数秒到数分钟，是由第一金属种类、温度、压力要求的最优化结果决定。
11.如权利要求9所述的使用镍微针锥的固态热压缩低温键合方法，其特征在于，其中第二温度由第一金属种类和保持时间 的最优化结果决定。
全文摘要
本发明提供一种使用镍微针锥的固态热压缩低温键合方法，在待键合焊点的一侧制备一层布满针锥形貌的金属镍，在另一侧使用焊料，使用结合器用来对准电互连焊点，将焊点加热到不高于焊料帽熔点的某个温度，并施加一个键合压力，保持一定时间使得互连点处实现针锥和焊料的镶嵌键合，在镍微针锥层上电镀一层贵金属的薄层以防止表面在键合之前被氧化，在键合完成后将焊点置于一定温度下热处理一段时间以实现扩散反应并消除孔洞。本发明所提供的方法，能够克服以往工艺在新的封装技术应用中的一些缺陷，避免回流焊工艺温度对器件产生的热损伤，以及熔融焊中焊料铺展和固液相快速反应的问题。
文档编号H01L21/60GK102543784SQ20121008536
公开日2012年7月4日 申请日期2012年3月28日 优先权日2012年3月28日
发明者李明, 胡安民, 陈卓 申请人:上海交通大学