一种基于镍微针锥同种结构的固态超声键合方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于镍微针锥同种结构的固态超声键合方法，包括步骤如下：选择具有相互匹配的电互连焊盘的两个或多个待键合元件，两两形成一待键合偶；在待键合偶的其中一侧焊盘上形成镍微针锥；在待键合偶的另一侧焊盘上形成相同形貌的镍微针锥；将待键合偶一侧元件吸附在键合装置压头表面；将待键合偶两侧的焊盘对准，使两侧镍微针锥匹配接触，向待键偶一侧施加键合压力和超声振动并保持一定时间，使得两侧镍微针锥互连键合。本发明的工艺过程简单，无需加热及助焊剂，可以避免对器件产生热损伤，提高产品可靠性；微针锥结构的使用缩短了超声键合的时间，提高了互连的有效性和键合密度。
【专利说明】
【技术领域】
[0001] 本发明涉及半导体芯片封装领域，具体是通过表面微针锥金属层的使用，实现元 件间超声互连键合的方法。 一种基于镍微针锥同种结构的固态超声键合方法
【背景技术】
[0002] 目前电子封装向小型化、高密度化和多芯片化发展，电互连技术的革新是微电子 技术发展的关键所在。传统的熔融键合通过高温使得焊料在焊点处融化润湿，冷却后使得 键合点固化，从而获得较好的连接。然而对于一些高度集成化的芯片，高温互连的过程可能 会影响器件的可靠性，同时伴随着较大的能量消耗。如Cu-Cu热压键合往往需要较高的键 合温度，典型值约在350 - 400°C将给封装带来很大的技术障碍。
[0003] 寻求低焊接温度、高焊接强度的工艺已经成为互连技术的发展趋势。现今有大量 文献及专利描述使用非熔融方法实现互连，其中非常重要的途径是利用纳米材料对键合元 件表面进行处理，从而降低键合所需的温度。例如利用纳米级金、银等材料的高表面能， 降低再结晶温度，从而在压力辅助下产生低温烧结现象，进而实现低温焊接。对于直径为 100nm的纳米银颗粒而言，键合可在300° C以下温度、25MPa压力下进行，获得剪切强度在 lOMPa以上。又例如，一些金属在低温下可相互作用形成高熔点金属间化合物，如铟-银， 铟-锡等都可以用来实现低温互连。
[0004] 超声键合是利用超声波发生器产生的能量，通过换能器在超高频率磁场感应下迅 速伸缩而产生弹性震动，然后经变幅杆传给劈刀，使其震动，同时在劈刀上施加一定压力。 劈刀在二种合力的共同作用下是焊区二个金属面紧密接触，达到原子间的"键合"，形成牢 固的焊接。
[0005] 通过改变键合元件的表面形貌，也可以达到降低键合温度的效果。微针锥阵列材 料由于其针尖结构可以破坏焊料氧化层，被运用在热压键合中，键合后形成嵌入式的界面， 在160-200° C可获得较为理想的键合强度，然而该技术由于诸多瓶颈难以实际应用。例如 界面存在的空洞使得键合质量不佳，因此需要后期对焊接点持续加热以提高界面强度；空 洞的存在使得键合需要较长的时间，这严重影响了其实际应用范围。
【发明内容】
[0006] 本发明的目的在于提供一种镍微针锥同种结构的固态超声键合方法，该方法能够 克服以往工艺存在的一些缺陷，避免回流焊工艺温度高对器件造成的热损伤，同时避免了 微针锥热压焊的界面空洞问题和键合时间过长问题，通用性强，连接效率高，可靠性好。
[0007] 为解决上述技术问题，本发明是通过如下技术方案实现的： 本发明提供一种基于镍微针锥同种结构的固态超声键合方法，包括步骤如下： 1) 选择具有相互匹配的电互连焊盘的两个或多个待键合元件，两两形成一待键合偶； 2) 在待键合偶的其中一侧的电互连焊盘上形成镍微针锥； 3) 在待键合偶的另一侧的电互连焊盘上形成相同形貌的镍微针锥； 4) 将待键合偶一侧元件吸附在键合装置压头表面； 5) 将待键合偶两侧的电互连焊盘对准，使两侧镍微针锥匹配接触，向待键偶一侧施加 键合压力和超声振动并保持一定时间，使得两侧镍微针锥互连键合。
[0008] 优选地，所述镍微针锥的形成通过电沉积法实现，通过控制添加剂浓度、时间、电 沉积温度、电流密度等参数，控制所述镍微针锥的针锥高度在500纳米至2000纳米之间，所 述镍微针锥的锥底直径在200纳米至1000纳米之间。
[0009] 优选地，所述待键合偶的所述镍微针锥的针锥高度基本一致。
[0010] 优选地，形成所述镍微针锥后，在所述镍微针锥的表面制备防氧化层。
[0011] 优选地，所述防氧化层为高温下抗氧化的Au、Pt、Ag、Pd、Sn等金属单质或合金，厚 度为数纳米至数十纳米，不改变所述镍微针锥的形貌结构。
[0012] 优选地，所述压头为中空结构，通过真空负压方式吸附所述待键合元件，键合过程 结束后压头复位并脱尚兀件。
[0013] 优选地，所述超声振动由超声波发生器产生，超声频率一般为10-150kHz，通过机 械装置传导至所述压头及所述待键合元件。
[0014] 优选地，键合过程在压力及超声振动下保持数百至数千微秒，保持时间由金属种 类、键合压力、超声功率及频率要求的最优化结果决定。
[0015] 一般，键合过程在室温下进行，操作温度为15摄氏度至40摄氏度；键合压力为 0. l-30MPa，依据键合超声功率而定；键合时间为0. 04-5S，依据键合压力和键合超声功率 而定。操作温度低，键合时间短，更易于操作，可广泛应用。
[0016] 相较于现有技术，本发明具有以下优点： 本发明提出了一种基于镍微针锥同种结构的固态超声键合方法，本发明中的镍微针锥 与镍微针锥有良好的机械咬合作用，同时其良好的表面活性导致的互扩散强化机制会增强 键合效果，明显地防止键合过程空洞的发生，进而有效地降低键合温度，提高键合质量。
【专利附图】
【附图说明】
[0017] 下面结合附图对本发明的实施方式作进一步说明： 图1为本发明的镍微针锥与镍微针锥在键合之前的剖面图。
【具体实施方式】
[0018] 下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行 实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施 例。
[0019] 请参阅图1，本发明提出一种基于镍微针锥同种结构的固态超声键合方法，包括步 骤如下： 1) 选择具有相互匹配的电互连焊盘的两个或多个待键合元件，两两形成一待键合偶； 2) 在待键合偶的其中一侧的电互连焊盘上形成镍微针锥120 ; 3) 在待键合偶的另一侧的电互连焊盘上形成相同形貌的镍微针锥130 ; 4) 将待键合偶的一侧元件吸附在键合装置压头110表面； 5) 将待键合偶的两侧的电互连焊盘对准，使所述镍微针锥120与所述镍微针锥130匹 配接触，向待键合偶一侧施加键合压力和超声振动并保持一定时间，使得镍微针锥120与 镍微针锥130互连键合。
[0020] 实施例1 (1)镍微针锥制备：在带有I/O焊盘的裸芯片上制备镍微针锥，先通过电化学除油处理 清洁表面，随后浸入20wt. %硫酸中活化以提高表面活性。使用电沉积方法制备镍针锥，所 用电解液成分为：120g/L的NiCl2、40g/L的!^0 4、200g/L的结晶调整剂。电沉积条件 为60° C，pH=4,电流密度为2A/dm2,沉积时间为20min。制备的镍针锥高度大约lOOOnm，锥 体直径为约300nm?500nm。
[0021] (2)将2个含有镍微针锥的芯片面对面放置对准，放到压头附近，压头通过真空力 将铜片吸附在表面，调节键合压力参数，调节超声功率及频率，调节时间控制器，打开开关 后，压头以超声功率20W，等效静压力5MPa，键合时间1.5s，完成键合。键合后关闭压头真 空，取下芯片。
[0022] 实施例2 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120和表面防氧化层Ag层，镍微针锥120的针锥高度约1 μ m，Ag层厚度约10nm。以同样 方法在印刷线路板（PCB)用于球栅阵列（BGA)型表面贴装的焊盘区域金属块上制备将镍微 针锥130和表面防氧化层Ag层，镍微针锥120的针锥高度约1 μ m，Ag层厚度约10nm。将 2个相同的待键合元件面对面放置对准，将用酸洗去表面氧化层的待键合元件放到压头附 近，压头通过真空力将待键合元件吸附在表面，调节键合压力参数，调节超声功率及频率， 调节时间控制器，打开开关后，压头以超声功率20W，等效静压力lOMPa，键合时间1. 2s，完 成键合。键合后关闭压头110的真空，取下元件。
[0023] 实施例3 在倒装基片的焊盘区域通过化学沉积或电沉积法制备镍微针锥120和防氧化层Au层， 整体厚度约为5 μ m，镍微针锥120的针锥高度约为1 μ m，Au层厚度为10nm，此厚度的Au 不会对针锥结构产生影响。另一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130和防氧化层Au层，，整体厚度约为5 μ m，镍微针锥130的针锥高度约为1 μ m，Au 层厚度为l〇nm。两倒装基片面对面放置对准，将用酸洗去表面氧化层的基片放到压头110 附近，压头110通过真空力将基片吸附在表面，调节键合压力参数，调节超声功率及频率， 调节时间控制器，打开开关后，压头110以超声功率20W，等效静压力lOMPa，键合时间1. 2s， 完成键合。键合后关闭压头110的真空，取下基片。
[0024] 进一步地，镍微针锥120以及镍微针锥130的形成通过电沉积法实现，通过控制添 加剂浓度、时间、电沉积温度、电流密度等参数，控制镍微针锥120以及镍微针锥130的针锥 高度在500纳米至2000纳米之间，镍微针锥120及镍微针锥130的锥底直径在200纳米至 1000纳米之间；待键合偶的所述镍微针锥120与镍微针锥130的针锥高度基本一致。
[0025] 进一步地，形成所述镍微针锥120及镍微针锥130后，在镍微针锥120及镍微针锥 130的表面制备防氧化层；防氧化层为高温下抗氧化的Au、Pt、Ag、Pd、Sn等金属单质或合 金，厚度为数纳米至数十纳米，不改变所述镍微针锥120及镍微针锥130的形貌结构。
[0026] 进一步地，压头110为中空结构，通过真空负压方式吸附所述待键合元件，键合过 程结束后压头复位并脱离元件。
[0027] 进一步地，超声振动由超声波发生器产生，超声频率一般为10-150kHz，通过机械 装置传导至所述压头及所述待键合元件；键合过程在压力及超声振动下保持数百至数千微 秒，保持时间由金属种类、键合压力、超声功率及频率要求的最优化结果决定。
[0028] -般，键合过程在室温下进行，操作温度为15摄氏度至40摄氏度；键合压力为 0. l-30MPa，依据键合超声功率而定；键合时间为0. 04-5s，依据键合压力和键合超声功率 而定。操作温度低，键合时间短，更易于操作，可广泛应用。
[0029] 此处公开的仅为本发明的优选实施例，本说明书选取并具体描述这些实施例，是 为了更好地解释本发明的原理和实际应用，并不是对本发明的限定。任何本领域技术人员 在说明书范围内所做的修改和变化，均应落在本发明所保护的范围内。
【权利要求】
1. 一种基于镍微针锥同种结构的固态超声键合方法，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两个或多个待键合元件，两两形成一待键合偶； 2) 在待键合偶的其中一侧的电互连焊盘上形成镍微针锥； 3) 在待键合偶的另一侧的电互连焊盘上形成相同形貌的镍微针锥； 4) 将待键合偶一侧元件吸附在键合装置压头表面； 5) 将待键合偶两侧的电互连焊盘对准，使两侧镍微针锥匹配接触，向待键偶一侧施加 键合压力和超声振动并保持一定时间，使得两侧镍微针锥互连键合。
2. 根据权利要求1所述的基于镍微针锥同种结构的固态超声键合方法，其特征在于， 所述镍微针锥的形成通过电沉积法实现，通过控制添加剂浓度、时间、电沉积温度、电流密 度等参数，控制所述镍微针锥的针锥高度在500纳米至2000纳米之间，所述镍微针锥的锥 底直径在200纳米至1000纳米之间。
3. 根据权利要求2所述的基于镍微针锥同种结构的固态超声键合方法，其特征在于， 同一待键合元件的所述镍微针锥的针锥高度基本一致。
4. 根据权利要求3所述的基于镍微针锥同种结构的固态超声键合方法，其特征在于， 形成所述镍微针锥后，在所述镍微针锥的表面制备防氧化层。
5. 根据权利要求4所述的基于镍微针锥同种结构的固态超声键合方法，其特征在于， 所述防氧化层为高温下抗氧化的Au、Pt、Ag、Pd、Sn等金属单质或合金，厚度为数纳米至数 十纳米，不改变所述镍微针锥的形貌结构。
6. 根据权利要求5所述的基于镍微针锥同种结构的固态超声键合方法，其特征在于， 所述压头为中空结构，通过真空负压方式吸附所述待键合元件，键合过程结束后压头复位 并脱离元件。
7. 根据权利要求6所述的基于镍微针锥同种结构的固态超声键合方法，其特征在于， 所述超声振动由超声波发生器产生，通过机械装置传导至所述压头及所述待键合元件。
8. 根据权利要求7所述的基于镍微针锥同种结构的固态超声键合方法，其特征在于， 键合过程在压力及超声振动下保持数百至数千微秒，保持时间由金属种类、键合压力、超声 功率及频率要求的最优化结果决定。
9. 根据权利要求1至8中任一项所述的基于镍微针锥同种结构的固态超声键合方法， 其特征在于，键合过程在室温下进行，操作温度为15摄氏度至40摄氏度。
10. 根据权利要求1至8中任一项所述的基于镍微针锥同种结构的固态超声键合方法， 其特征在于，键合压力为0. l_30MPa，键合时间为0. 04-5s。
【文档编号】H01L21/603GK104112682SQ201410313879
【公开日】2014年10月22日 申请日期:2014年7月3日 优先权日:2014年7月3日
【发明者】胡安民, 李明, 胡丰田, 王浩哲 申请人:上海交通大学