一种基于铜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铜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：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的焊盘上形成铜微针锥；在待键合偶的另一侧的焊盘上形成相同形貌的铜微针锥；将待键合偶的一侧元件吸附在键合装置压头表面；将待键合偶的两侧的焊盘对准，使两侧的所述铜微针锥匹配接触，向待键合偶的一侧施加键合压力和超声振动并保持一定时间，使得两侧的所述铜微针锥互连键合。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。 一种基于铜微针锥同种结构的固态超声键合方法
【背景技术】
[0002] 随着电子互连技术的发展，封装密度和集成化不断提高。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。如传统的再流焊工艺需要将温度 加热到焊料熔点以上，高的温度环境对芯片本身会产生恶劣的影响，大大降低产品的可靠 性。
[0003] 出于对增强器件可靠性和降低制造成本这两个因素的考量，尽可能低的芯片互连 温度成为目前互连技术研究的焦点。国内外大量学者都在研究新型低温互连技术，但是这 些新技术通常伴有比较苛刻的工艺条件，所以其应用范围非常有限。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l〇〇nm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l〇MPa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] 通过改变键合偶的表面形貌，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] 本发明针对上述现有技术中存在的问题，提出一种铜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。
[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铜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铜微针锥； 3) 在待键合偶的另一侧的电互连焊盘上形成相同形貌的铜微针锥； 4) 将待键合偶的一侧元件吸附在键合装置压头表面； 5) 将待键合偶的两侧的电互连焊盘对准，使所述铜微针锥匹配接触，向待键合偶的一 侧施加键合压力和超声振动并保持一定时间，使得所述铜微针锥互连键合。
[0008] 优选地，所述铜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，控制所述铜针锥的针锥高度在200纳米至2000纳米之间，所述 铜微针锥的锥底直径在100纳米至1000纳米之间。
[0009] 优选地，同一焊盘的所述铜微针锥高度基本一致。
[0010] 优选地，形成所述铜微针锥后，在所述铜微针锥表面制备防氧化层。
[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，不改变铜微针锥的形貌结构。
[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，键合时间为0. 04-5S。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： 本发明中铜微针锥与铜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为本发明的铜微针锥与铜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，本发明提供一种基于铜微针锥同种结构的固态超声键合方法，包括以 下步骤： 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铜微针锥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铜微针锥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，使所述铜微针锥120与所述铜微针锥130匹 配接触，向待键合偶的一侧施加键合压力和超声振动并保持一定时间，使得所述铜微针锥 120与所述铜微针锥130互连键合。
[0020] 实施例1 (1)铜微针锥制备：在带有I/O焊盘的裸芯片上制备铜微针锥，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铜针锥，所 用电解液成分为：l〇〇g/L的CuS04*5H 20、40g/L的!^04、0. 2g /L的添加剂、40 g /L的 络合剂，其中添加剂的作用是使铜微针锥垂直生长。电沉积条件为20° C，pH=3,电流密度 为1. 2A/dm2,沉积时间为3min。制备的铜微针锥高度大约800nm，锥体直径为约300nm? 400nm〇
[0021] (2)将2个含有铜微针锥的芯片面对面放置对准，其中一侧芯片放到压头附近，压 头通过真空力将芯片吸附在表面，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15MPa，键合时间0. 5s，完成键合。键合后 关闭压头110的真空，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铜微针 锥120和表面防氧化层Ag层，铜微针锥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铜微 针锥130和表面防氧化层Ag层。将2个相同的待键合芯片面对面放置对准，其中一个待 键合芯片放到压头110附近，压头110通过真空力将芯片吸附在表面，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，取下芯片。
[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铜微针锥120和防氧化层Ag层， 整体厚度约为5 μ m，铜微针锥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铜微 针锥130和防氧化层Au层，，整体厚度约为5 μ m，铜微针锥130的针锥高度约为1 μ m，Au 层厚度为l〇nm。将两倒装基片面对面对准，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，铜微针锥120以及铜微针锥130的形成可以通过电沉积法实现，通过控 制添加剂浓度、时间、电沉积温度、电流密度等参数，控制铜针锥120以及铜微针锥130的针 锥高度在200纳米至2000纳米之间，铜微针锥120以及铜微针锥130的锥底直径在100纳 米至1000纳米之间；同一焊盘的铜微针锥的针锥高度基本一致；形成铜微针锥120以及铜 微针锥130后，在铜微针锥120以及铜微针锥130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，不改变铜微针锥的 形貌结构。
[0025] 进一步地，压头110为中空结构，通过真空负压方式吸附待键合元件，键合过程结 束后压头110复位并脱离元件。
[0026] 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 装置传导至压头110及待键合元件；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。
[0027] -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，由于超声振动 摩擦而产生的局部温度升高不影响本方法的效果；键合压力一般在〇. l_30MPa之间，依据 键合超声功率而定；键合时间一般在0.04-5S之间，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。
[0028] 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. 一种基于铜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铜微针锥； 3) 在待键合偶的另一侧的电互连焊盘上形成相同形貌的铜微针锥； 4) 将待键合偶的一侧元件吸附在键合装置压头表面； 5) 将待键合偶的两侧的电互连焊盘对准，使两侧的所述铜微针锥匹配接触，向待键合 偶的一侧施加键合压力和超声振动并保持一定时间，使得两侧的所述铜微针锥互连键合。
2. 根据权利要求1所述的基于铜微针锥同种结构的固态超声键合方法，其特征在于， 所述铜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，控制所述铜针锥的针锥高度在200纳米至2000纳米之间，所述铜微针锥的锥底 直径在100纳米至1000纳米之间。
3. 根据权利要求2所述的基于铜微针锥同种结构的固态超声键合方法，其特征在于， 同一焊盘的所述铜微针锥高度基本一致。
4. 根据权利要求3所述的基于铜微针锥同种结构的固态超声键合方法，其特征在于， 形成所述铜微针锥后，在所述铜微针锥表面制备防氧化层。
5. 根据权利要求4所述的基于铜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，不改变铜微针锥的形貌结构。
6. 根据权利要求5所述的基于铜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所述的基于铜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所述的基于铜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任一项所述的基于铜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任一项所述的基于铜微针锥同种结构的固态超声键合方法，其 特征在于，键合压力为〇· l_30MPa，键合时间为0· 04-5s。
【文档编号】H01L21/603GK104112683SQ201410313881
【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