焦平面阵列探测器倒装焊对接方法与流程

本发明属于半导体技术领域，具体涉及一种焦平面阵列探测器倒装焊对接方法。

背景技术：

倒装焊是一种高性能的半导体芯片装配技术，该技术是根据焦平面探测器芯片PDA(Photo-Diode Array，光电二极管阵列)上探测单元的分布情况，为每个探测单元上的电极制备球形焊料，从而在焦平面探测器芯片和读出电路芯片上分别形成凸点阵列，通过专用倒装焊机对焦平面探测器芯片PDA和对应读出电路芯片ROIC(Read out integrated circuit，读出集成电路)进行对位焊接，形成焦平面器件FPA(Focal plane array，焦平面阵列)。焦平面探测器芯片PDA与读出电路芯片ROIC之间的凸点阵列在焊接互连后形成若干个独立的信号传输通道，从而实现焦平面探测器芯片PDA上各个探测单元电信号向读出电路芯片ROIC的独立传输。

InGaAs(砷镓铟)焦平面阵列探测器是典型的倒装焊结构芯片，制约焦平面阵列探测器倒装焊工艺的因素有：

(1)焦平面器件FPA像元规模数的增加和芯片总体尺寸的减小两方面的需求，使得焦平面器件FPA上单个像元的尺寸被不断压缩，从而需要微米级的对准精度来实现焦平面探测器芯片PDA与读出电路芯片ROIC上对应像元的对准。在工艺过程中，容易出现像元错位引起器件短路。

(2)焦平面探测器芯片PDA为背面进光的结构，为了提高焦平面探测器芯片PDA的响应度，需要通过背面减薄工艺降低背面衬底厚度。减薄后的焦平面探测器芯片PDA容易发生翘曲变形，在倒装焊接过程中造成应力分布不均，造成局部像元的焊点脱焊。

技术实现要素：

本发明提供一种焦平面阵列探测器倒装焊对接方法，以解决目前倒装焊对位准确度较低的问题。

根据本发明实施例的第一方面，提供一种焦平面阵列探测器倒装焊对接方法，包括：

在焦平面探测器芯片和读出电路芯片两芯片中的一个上形成定位柱阵列，另一个上形成与所述定位柱阵列对应的定位孔阵列，所述两芯片上都设置有凸点阵列，所述定位柱阵列和定位孔阵列环绕对应的凸点阵列，所述定位柱阵列中定位柱的底面截面积和定位孔阵列中定位孔的表面截面积大于所述凸点阵列中凸点的底面截面积；

利用倒装焊机使所述定位柱阵列与定位孔阵列对齐，并将定位柱推到对应定位孔内，从而实现预对准；

加热所述两芯片，使所述凸点阵列熔化，在凸点液态表面张力作用下，所述两芯片朝着对齐方向相对移动，实现了对位偏差的修正，并且凸点液态冷却后重回固态，将所述两芯片焊接为一体；以及移除所述定位柱阵列。

在一种可选的实现方式中，所述定位柱阵列按照以下步骤制作：在对应芯片上涂覆光刻胶，通过曝光显影的方式移除多余光刻胶，保留定位柱区域的光刻胶；高温烘烤对应芯片，使光刻胶液化，在液体张力作用下，在对应芯片上收缩形成球冠状的多个定位柱，从而构成定位柱阵列。

在另一种可选的实现方式中，所述定位孔阵列按照以下步骤制作：在对应芯片上制备钝化层；通过光刻的方式，在除定位孔以外的区域用光刻胶进行保护；采用湿法腐蚀的方法，在对应芯片上形成倒梯形方孔，从而构成定位孔阵列。

在另一种可选的实现方式中，所述利用倒装焊机使所述定位柱阵列与定位孔阵列对齐包括：将所述两芯片分别置于倒装焊机的上下两个焊臂上，通过所述倒装焊机的双画面合成显微镜对所述定位柱阵列和定位孔阵列的相对位置进行观察，移动对应焊臂，以使所述定位柱阵列与定位孔阵列对齐。

在另一种可选的实现方式中，所述将定位柱推到对应定位孔内包括：在对齐后移动对应焊臂，以使所述两芯片接触，在接触后由压力传感器向所述倒装焊机发送启动信号，所述倒装焊机对所述两芯片施加垂直压力，以将定位柱进一步推到对应定位孔内。

在另一种可选的实现方式中，所述移除所述定位柱阵列包括：将所述两芯片放置于丙酮溶液中浸泡，以使光刻胶形成的各个定位柱溶解。

在另一种可选的实现方式中，在使光刻胶形成的各个定位柱溶解后，还包括：将所述两芯片放置于乙醇和水溶液中进行清洗，并烘干。

在另一种可选的实现方式中，在移除所述定位柱阵列之后，还包括对所述两芯片进行底部填充：沿着所述两芯片的一侧点涂底部填充胶，直至底部填充胶从另一相对侧溢出，在细微缝隙的毛细作用下，所述两芯片内部将填满底部填充胶。

在另一种可选的实现方式中，所述定位孔的表面截面内切于所述定位柱的底面截面，并且所述定位孔的表面形状与所述定位柱的底面形状不同。

在另一种可选的实现方式中，所述定位柱为球冠状，其底面直径为300μm，所述定位孔为倒梯形方孔，其表面边长为200μm，所述凸点为铟柱凸点，且其底面直径为10μm。

本发明的有益效果是：

1、在探测器芯片和载体上设计预对准结构后，摆脱了倒装焊自对准能力受限于凸点直径的制约，通过所设计的预对位结构，改善倒焊过程中的错位修复能力。倒装焊的工艺容差提高后，使原本必须在高精度设备上完成的倒装焊工艺，也可在精度较低的高效贴装设备上完成。该方法减小了对高精度设备的依赖性，削减了设备成本。由于可以在生产效率更高的设备上进行工艺，缩短了工艺周期，使批量化生产具有可行性。

2、在器件上设计预对准结构所涉及的工艺均来源于已有的焦平面光电探测器工艺，无需额外添加工艺配置，实现成本低，可操作性强。

3、在焊接过程中预对准结构增加了凸点接触第一时间时的接触面积，对内部凸点以及凸点下面的PN结起到了缓冲保护的作用，降低了机械应力对芯片外延层结构损伤的概率，提高了倒焊方案的可靠性，有利于批量生产。

4、在预对准结构的设计上采用了对称分布，保证焊接面上的所有凸点均匀受力，使焊接过程始终保持压力垂直作用于FPA表面，避免因压力的切向作用力造成凸点开裂甚至芯片与基板发生错位，提高了器件倒焊的可靠性。

5、采用芯片上的凹坑结构，可代替了原来倒焊过程中使用的对准工具进行芯片定位，避免配备高精度夹具产生的昂贵加工费用。

附图说明

图1是本发明焦平面阵列探测器倒装焊对接方法的一个实施例流程图；

图2是形成有定位柱阵列的焦平面探测器芯片的一个实施例结构示意图；

图3是图2中焦平面探测器芯片的另一种放置状态示意图；

图4是形成有定位孔阵列的读出电路芯片的一个实施例结构示意图；

图5是图4中读出电路芯片的另一种放置状态示意图；

图6是焦平面探测器芯片和读出电路芯片倒装焊对接后的一个实施例结构示意图；

图7是图6中焦平面探测器芯片和读出电路芯片倒装焊对接后的另一个放置状态透视图；

图8是图6中焦平面探测器芯片和读出电路芯片倒装焊对接后的正透视图；

图9是图6中焦平面探测器芯片和读出电路芯片倒装焊对接后的侧视图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明实施例中的技术方案，并使本发明实施例的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明实施例中技术方案作进一步详细的说明。

在本发明的描述中，除非另有规定和限定，需要说明的是，术语“连接”应做广义理解，例如，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

参见图1，为本发明焦平面阵列探测器倒装焊对接方法的一个实施例流程图。焦平面阵列探测器倒装焊对接方法可以包括以下步骤：

步骤S110、在焦平面探测器芯片和读出电路芯片中的一个上形成定位柱阵列，另一个上形成与所述定位柱阵列对应的定位孔阵列，所述焦平面探测器芯片和读出电路芯片上都设置有凸点阵列，所述定位柱阵列和定位孔阵列环绕对应的凸点阵列，所述定位柱阵列中定位柱的底面截面积和定位孔阵列中定位孔的表面截面积大于所述凸点阵列中凸点的底面截面积。

本实施例中，以在焦平面探测器芯片100上形成定位柱阵列，读出电路芯片上形成定位孔阵列为例，结合图2和图3所示，焦平面探测器芯片100的尺寸可以为10600μm×8680μm×300μm，位于焦平面探测器芯片100中间的为In(铟)柱凸点阵列101，定位柱阵列由位于凸点阵列101四个角上的球冠状定位柱102组成，其中凸点阵列101中凸点的底面直径为10μm，间距为10μm，定位柱102的底面直径为300μm，由此使定位柱102的底面截面积大于凸点的底面截面积。结合图4和图5所示，读出电路芯片200的尺寸可以为13600μm×9680μm×400μm，位于读出电路芯片200中间的为In(铟)柱凸点阵列201，定位孔阵列由位于凸点阵列201四角上的四个倒梯形方孔202(即水平截面为方形且朝着凹陷的方向水平截面积辐射变小)组成，其中凸点阵列201中凸点的底面直径为10μm，间距10μm，倒梯形方孔202的表面边长为200μm，由此使定位孔的表面截面积大于凸点的底面截面积。

由于在后续步骤S120中需要利用倒装焊机中双画面合成显微镜对所述定位柱阵列102与定位孔阵列202进行对齐，而双画面合成显微镜采集到的通常是焦平面探测器芯片100和读出电路芯片200表面的画面(包括定位柱102底面形状、定位孔202的表面形状以及凸点的底面形状)，因此操作人员只能根据定位柱102的底面形状和定位孔202的表面形状来对定位柱102与定位孔阵列202进行对齐。本发明通过使定位柱的底面截面积和定位孔的表面截面积大于凸点的底面截面积，操作人员利用较大面积的形状进行对准，可以提高对准准确度。

需要注意的是：本发明中定位柱的形状不限于球冠状且定位孔不限于倒梯形方孔，只要所述定位孔的表面截面内切于所述定位柱的底面截面，且所述定位孔的表面形状与所述定位柱的底面形状不同即可。由于在后续步骤S120中将定位柱阵列与定位孔阵列对齐，定位柱推到对应定位孔内后，还需要对焦平面探测器芯片和读出电路芯片进行步骤S120中的加热以及步骤S130中的定位柱阵列熔化移除等工序，因此本发明通过使所述定位孔的表面形状与所述定位柱的底面形状不同，一方面可以利用定位柱阵列与定位孔阵列之间的配合，降低后续工序加工给对准准确度造成的影响，另一方面定位柱阵列与定位孔阵列抵接后两者之间会存在一定的间隙，这样无论是加热熔化工序，还是移除工序，都可以使热量或者移除溶液快速传导或浸入定位孔内，对定位孔内的定位柱进行加热或者移除，由此可以提高加工效率和效果。此外，本发明通过所述定位孔的表面截面内切于所述定位柱的底面截面，且所述定位孔的表面形状与所述定位柱的底面形状不同，这样在与球冠状定位柱对齐时，只需要将定位孔表面的各个角与定位柱的底面进行对准即可，因此可以提高对准效率和对准准确度。

其中，所述定位柱阵列按照以下步骤制作：在对应芯片(例如焦平面探测器芯片100)上涂覆光刻胶，通过曝光显影的方式移除多余光刻胶，保留定位柱区域的光刻胶；高温烘烤对应芯片(例如在180℃下，高温烘烤7分钟)，使光刻胶液化，在液体张力作用下，在对应芯片(例如焦平面探测器芯片100)上收缩形成球冠状的多个定位柱，从而构成定位柱阵列。所述定位孔阵列按照以下步骤制作：在对应芯片(例如读出电路芯片200)上制备钝化层(例如SiN_x钝化层或SiO₂钝化层)；通过光刻的方式，在除定位孔以外的区域用光刻胶进行保护；采用湿法腐蚀的方法，在对应芯片上形成倒梯形方孔，从而构成定位孔阵列。

步骤S120、利用倒装焊机使所述定位柱阵列与定位孔阵列对齐，并将定位柱推到对应定位孔内，从而实现预对准。

本实施例中，结合图6至图9所示，利用倒装焊机使所述定位柱阵列与定位孔阵列对齐包括：将所述焦平面探测芯片100和读出电路芯片200分别置于倒装焊机的上下两个焊臂上，通过所述倒装焊机的双画面合成显微镜对所述定位柱阵列102和定位孔阵列202的相对位置进行观察，移动对应焊臂，以使所述定位柱阵列102与定位孔阵列202对齐。所述将定位柱推到对应定位孔内包括：在对齐后移动对应焊臂，以使所述焦平面探测器芯片100和读出电路芯片200接触，在接触后由压力传感器向所述倒装焊机发送启动信号，所述倒装焊机对所述焦平面探测器芯片100和读出电路芯片200施加垂直压力，以将定位柱进一步推到对应定位孔内。本发明在焦平面探测器芯片100和读出电路芯片200接触后，仍然向焦平面探测器芯片100和读出电路芯片200施加垂直压力，以将定位柱进一步推到对应定位孔内，同样可以利用定位柱阵列与定位孔阵列之间的紧密配合，降低后续工序加工给对准准确度造成的影响。另外，本发明在焊接过程中预对准结构增加了凸点接触第一时间时的接触面积，对内部凸点以及凸点下面的PN结起到了缓冲保护的作用，降低了机械应力对芯片外延层结构损伤的概率，提高了倒焊方案的可靠性，有利于批量生产。在预对准后，本发明的对位偏差可以降低至±5μm。

步骤S130、加热所述焦平面探测器芯片和读出电路芯片，使所述凸点阵列熔化，在凸点液态表面张力作用下，所述焦平面探测器芯片和读出电路芯片朝着对齐方向相对移动，实现了对位偏差的修正，并且凸点液态冷却后重回固态，将所述焦平面探测器芯片和读出电路芯片焊接为一体。

本实施例中，经申请人研究发现，铟等材料制成的凸点阵列在熔化后，其形成的液态所存在的表面张力，会使焦平面探测器芯片100和读出电路芯片200发生相对移动，且该相对移动是朝着对齐方向，使对位偏差有进一步减少的趋势。由此，本发明通过将凸点阵列熔化，利用熔化后液态表面的张力，使焦平面探测器芯片和读出电路芯片发生相对移动，可以进一步提高对位准确度。此时，对位偏差降低至≤±1μm。

步骤S140、移除所述定位柱阵列，并对所述焦平面探测器芯片和读出电路芯片两芯片进行底部填充。

本实施例中，所述移除所述定位柱阵列包括：释放真空，取下焊接为一体的焦平面探测器芯片和读出电路芯片，将两芯片放置于丙酮溶液中浸泡(例如30分钟)，以使光刻胶形成的各个定位柱被丙酮溶解。在使光刻胶形成的各个定位柱溶解后，将两芯片放置于乙醇和水溶液中进行清洗，并烘干(例如在80℃下，烘干1小时)。所述对所述焦平面探测器芯片和读出电路芯片两芯片进行底部填充包括：沿着两芯片的一侧点涂底部填充胶，直至底部填充胶从另一相对侧溢出，在细微缝隙的毛细作用下，所述焦平面探测器芯片和读出电路芯片内部将填满底部填充胶。经过24小时室温自然固化后，填充工艺结束。本发明在对准后将定位柱移除，消除了器件内部热适配的隐患，保证了工艺可靠性。本发明通过对所述焦平面探测器芯片和读出电路芯片两芯片进行底部填充，可以避免焦平面阵列探测器背面减薄后出现的焊点脱焊。

由上述实施例可见，本发明在焦平面探测器芯片和读出电路芯片两芯片上对应设置预对准结构，当两芯片由预对准结构发生接触时，其对准精度在不超过100μm的情况下，定位柱的最前端均落在定位孔的范围内，通过定位孔的限位作用，两芯片的相对位置会自动修正，在倒焊机垂直压力的进一步作用下，定位孔中心与定位柱中心的偏差可缩小到±5μm以内。此时，两芯片上的凸点已经实现基本对准，对位偏差不超过±5μm。在180℃高温的作用下，凸点发生液化，在液体表面张力的作用下，发生凸点的自对准效应，芯片与电路凸点对位偏差将缩小到±1μm，满足焦平面探测器芯片和读出电路芯片倒装焊质量要求。

本发明采用预对准+自对准修正的方式进行焊接，通过特殊的结构设计，使倒焊过程中焦平面探测器芯片PDA与读出电路芯片ROIC的自对准修复能力大幅度提高，提高了高精度对位的准确性；并且预对准结构在焊接初期首先发生接触，起到了压力缓冲作用，对倒焊后器件内应力的均匀分布起到了促进作用，提高了倒焊成品率和器件的可靠性。需要注意的是：芯片预对位结构设计，在芯片铟柱阵列区域外，设计4个球冠状突起，分别位于芯片的4个拐角位置；电路预对位结构设计，在读出电路芯片ROIC芯片上设计4个倒金字塔型凹坑与焦平面探测器芯片PDA相对应，二者位置同心；倒焊预对位原理及倒装集成工艺流程。PDA与ROIC上设计的突起和凹坑起到了位置限定的作用，PDA与ROIC会在重力或微小的垂直压力作用下，产生自对准效果。利用0.5μm光刻工艺的图形精度，保证PDA和ROIC上的预对位结构的位置精度＜1μm，从而确保了预对位结构发生自对准效应后将PDA和ROIC的对位偏差缩小到±5μm以内。突起部分采用可溶性材料设计，可以在倒装集成工艺完成后将其去除，消除了器件内部热适配的隐患，保证了工艺可靠性。图8和图9中倒装焊主要尺寸的数值表如下：

其中，D1表示读出电路芯片的长，D2表示读出电路芯片的宽，D3表示焦平面探测器芯片的长，D4表示焦平面探测器芯片的宽，D5表示定位柱的底面直径，D6表示读出电路芯片的高，D7表示焦平面探测器芯片的高。

本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本发明的其它实施方案。本申请旨在涵盖本发明的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本发明的一般性原理并包括本发明未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本发明的真正范围和精神由下面的权利要求指出。

应当理解的是，本发明并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本发明的范围仅由所附的权利要求来限制。