用于低温接合的结构和方法与流程

背景技术：

1、本发明关于微电子封装、关于用于制造微电子封装的构件以及关于制造所述封装和构件的方法。

2、微电子装置通常包括半导体材料的薄片，例如通常称为晶粒或半导体晶片的硅或砷化镓。半导体晶片通常作为单独的预包装单元而被提供。在一些单元设计中，所述半导体晶片被安装到基板或晶片载体，所述基板或晶片载体又被安装在例如印刷电路板的电路面板上。

3、在半导体晶片的一面制作主动电路。为了便于与主动电路的电连接，所述晶片在同一面上设有接合衬垫。所述接合衬垫通常以规则的阵列或者围绕晶粒的边缘而放置，或者对于许多记忆体装置则是放置于晶粒中心。所述接合衬垫通常由0.5μm厚的传导金属例如铜、金或铝所制成。所述接合衬垫的尺寸将随着装置类型而改变，但通常在一侧上测量几十到几百微米。

4、覆晶互连是用于将半导体晶片上的接合衬垫传导性地连接到基板上的接触衬垫或一个或多个其他半导体晶片的常用方式。在覆晶互连中，通常将金属块放置或形成在每个接合衬垫上。然后倒置晶粒，使得金属块提供接合衬垫和基板之间的电通路以及晶粒与基板的机械连接。

5、覆晶制程有许多变化，但是一种常见的配置是使用作为金属块的焊料以及焊料的熔化以将其焊接到接合衬垫和基板的方法。当金属块熔化时，焊料流动形成截断的球体。

6、以覆晶方式封装半导体晶片变得越来越困难，其中晶片的接触点朝向封装基板的相应接触点。晶片接触点的密度增加导致接触点之间的间距减小。因此，可用于将每个晶片接触点结合到相应封装接触点的焊料的体积减小。使用相对小体积的焊料进行接触点连接的风险在于，整个焊料体积可能会与接触点的金属转换成脆性的金属间化合物(inter-metallic compound)，这可能会损害焊接点的可靠性。

7、再者，较小的焊接点使得接触承载晶片表面与封装基板的相邻表面之间的隔离高度(stand-off height)降低。然而，当接触密度非常高时，为了在晶片和封装基板的相邻表面之间形成适当的底部填充，隔离高度可能需要大于简单焊接点的高度。此外，为了使封装基板的接触点相对于晶片的接触点稍微移动，以便补偿晶片和基板之间的不同的热膨胀，可能有必要要求最小的隔离高度。

8、已经提出的解决这些问题的一种方法涉及借由使用覆盖在晶片前表面上的光阻遮罩直接在晶片接触点上电镀金属(例如铜)来形成金属柱，以定义柱的位置和高度。然后可以将具有从其上的接合衬垫延伸的柱的晶片接合到封装基板的对应接触点。或者，可以采取类似的方法在基板的曝露衬垫上形成金属柱。然后可以将具有从其上的接触点延伸的柱的所述基板连接到晶片的相应接触点。

9、然而，当在大面积上同时执行时，借由电镀形成柱的过程可能是有问题的，所述大面积例如晶圆的整个区域(具有约200毫米到约300毫米的直径)或在基板面板的整个区域(通常具有约500平方毫米的尺寸)。很难在整个基板上实现高度、尺寸和形状均匀的金属柱。当柱的尺寸和高度非常小时，例如柱直径约75微米或更小，柱高约50微米或更小时，所有这些都很难实现。光阻遮罩厚度的变化、图案布局的均匀性、衬垫密度的局部变化、电解质的质量传输的局部变化、电镀电流分布的局部变化或者图案的形状尺寸的变化诸如晶片或基板面板的区域可能对于获得具有统一高度、尺寸和形状的柱有影响。

10、在另一种方法中，可以将焊膏或其他金属填充的焊膏的凸块模印到基板面板的曝露表面上的传导衬垫上。然后可以借由随后的压印使凸起变平，以提高平面度。然而，可能需要严格的制程控制来形成具有均匀焊料体积的凸块，特别是当间距非常小时，例如约50微米或更小时。当间距非常小，例如大约50微米或更小时，消除凸块之间焊料桥接的可能性也是非常困难的。

11、尽管覆晶互连有了进展，但仍需要进一步改进。

技术实现思路

1、一种制造组件的方法，其包含形成第一传导元件在第一构件的基板的第一表面，所述第一传导元件在远离所述第一表面的方向上延伸，以及借由曝露于无电电镀槽而形成传导纳米粒子在所述传导元件的表面，所述传导纳米粒子具有的长度尺寸是小于100纳米。所述方法亦可包含将第一传导元件的所述表面与第二传导元件的对应表面并置于第二构件的基板的主要表面处，且所述传导纳米粒子被设置在所述第一传导元件和所述第二传导元件的该些表面之间。所述方法可进一步包含在所述经并置的第一传导元件和第二传导元件的界面处提高温度到一结合温度，在所述结合温度时，所述些传导纳米粒子造成冶金结合形成于所述经并置的第一传导元件和第二传导元件之间。

2、在一个实施例中，所述第一传导元件可为位在所述第一表面处的多个第一传导元件中的一个，且所述第二传导元件可为位在所述主要表面处的多个第二传导元件中的一个，所述第一传导元件和所述第二传导元件的对应表面是彼此并置。所述方法亦可包含，在所述并置期间中，借由在经并置的所述第一传导元件以及所述第二传导元件中的不同者之间的不同距离挤压所述接合区域的所述厚度，所述接合区域的所述厚度在经并置的所述第一传导元件和所述第二传导元件中不同的传导元件之间变化高达3微米，以迁就至少一些第一传导元件的顶表面的非共平面性。

3、在特别的实施例中，所述第一传导元件可为实质上刚性杆，并且所述实质上刚性杆的表面可为顶表面，所述顶表面突出高于所述第一构件的所述第一表面一高度，使得所述顶表面是远离所述第一表面，所述杆具有远离所述顶表面以大角度(substantialangle)延伸的边缘表面。所述传导纳米粒子的形成可以沉积所述传导纳米粒子于所述杆的所述边缘表面上，所述传导纳米粒子实质上完全覆盖所述杆的顶表面和边缘表面。

4、在一实施例中，在提高温度步骤之后，经并置的所述第一传导元件和第二传导元件的界面可包含微通孔，每个微通孔具有小于0.5微米的最大宽度。在一特定实施例中，所述第一构件和所述第二构件中的至少一个可以是包含主动半导体装置的微电子元件，并且所述结合温度可以不高于150℃。在一范例性实施例中，所述第一传导元件和所述第二传导元件中的至少一个可包含电性传导衬垫、电性传导迹线或电性传导的实质上刚性杆。

5、制造组件之另外的方法可包含形成传导纳米粒子于第一构件的基板的第一表面处的第一传导元件的表面，其借由在大于所述电解槽的质量传输限制电流密度的一电流密度的情况之下，将所述第一传导元件曝露于电解槽，所述传导纳米粒子具有的长度尺寸是小于100纳米。所述方法亦可包含将所述第一传导元件的表面与在第二构件的基板的主要表面处的第二传导元件的对应表面并置，且具有所述传导纳米粒子被设置在所述第一传导元件和所述第二传导元件的该些表面之间。所述方法可进一步包含至少在经并置的所述第一传导元件和第二传导元件的界面处提高温度到一结合温度，在所述结合温度时，所述些传导纳米粒子造成冶金结合形成于经并置的所述第一传导元件和第二传导元件之间。

6、在一范例中，所述方法亦可包含，在形成所述传导纳米粒子之前，借由沉积一种子层于所述第一构件的所述基板的所述第一表面上以形成多个第一传导元件并且从所述种子层延伸形成所述第一传导元件。在特定实施例中，所述方法也可以包含在形成所述传导纳米粒子之后，形成介电质遮罩来覆盖所述传导纳米粒子并且从相邻于所述第一传导元件的所述第一表面移除所述种子层的一部分。在一实施例中，所述方法也可以包含，在形成所述传导纳米粒子之前，将所述第一传导元件形成在所述第一构件的基板的所述第一表面上，所述第一传导元件从所述第一表面朝远离的方向延伸。

7、在特定的范例中，所述第一传导元件可以是实质上刚性杆，并且所述第一传导元件的所述表面可以是一顶表面，所述顶表面突出超过所述第一构件的所述第一表面一高度，使得所述顶表面是远离所述第一表面，所述杆具有以大角度从其之顶表面向外延伸的边缘表面。在一范例性实施例中，所述第二传导元件可以是实质上刚性杆，并且所述第二传导元件的所述表面可以是一顶表面，所述顶表面突出超过所述第二构件的所述主要表面一高度，使得所述顶表面是远离所述主要表面，所述第二构件的所述杆具有以大角度从其之顶表面向外延伸的边缘表面。在一范例中，所述第一传导元件和所述第二传导元件中的至少一个可以包含电性传导衬垫、电性传导迹线或电性传导的实质上刚性杆。

8、一种组件，其可包含第一构件，所述第一构件包含具有第一表面的基板以及在所述第一表面处的多个实质上刚性的第一杆，所述第一杆在第一方向上从所述第一表面向外延伸，每个第一杆具有顶表面，所述顶表面通常面向所述第一方向，每个所述第一杆的顶表面突出超过所述第一表面一高度，使得所述顶表面从所述第一表面远离，每个第一杆具有以大角度从其之顶表面向外延伸的边缘表面。所述组件也可以包含第二构件，所述第二构件包含具有主要表面的基板以及在所述主要表面处的多个第二传导元件，每个第二传导元件具有顶表面，所述顶表面通常面向第二方向。

9、所述第一杆可以与所述第二传导元件结合，使得所述第一杆的顶表面至少部分地面对所述第二传导元件的顶表面。至少一些所述第一杆的顶表面可以互相之间不共平面。每个第一杆可借由包含杂质的接合区域而被电性互连至所述第二传导元件中对应的一个，所述杂质显示在接合制程中使用长度小于100纳米的金属纳米颗粒的结构证据。每个接合区域可至少部分地渗透到所述第一杆和所述第二传导元件中。每个接合区域可包含多个微通孔。每个微通孔可具有小于0.5微米的最大宽度。不同的所述接合区域的厚度变化高达3微米，如此以迁就至少一些所述第一杆的不共平面的该些顶表面。

10、在一范例中，所述组件也可包含阻障层，所述阻障层实质上完全地覆盖每个第一杆的所述顶表面和所述边缘表面，每个接合区域是位于个别的第一杆的所述阻障层和对应的所述第二传导元件的顶表面之间。在特定实施例中，所述多个第二传导元件可以是实质上刚性的第二杆，所述第二杆从所述主要表面在所述第二方向上向外延伸，并且每个所述第二杆的所述顶表面可突出超过所述第二构件的所述主要表面一高度，使得所述顶表面是远离所述主要表面，每个第二杆具有以大角度从其之顶表面向外延伸的边缘表面。在一实施例中，每个所述第一杆和第二杆的所述边缘表面可具有至少3纳米的表面粗糙度。在特定的范例中，所述第一或第二构件中的至少一个可以是包含主动半导体装置的微电子元件。

11、在一范例性实施例中，所述第一杆和所述第二传导元件可各自由实质上相同的材料所组成，并且所述接合区域可包含从下列群组中选择的至少一个金属：铜、金、银、镍、锡、铝、含有银的合金、含有铟的合金、含有锡的合金。在一范例中，所述第一杆和第二传导元件中的至少一者可包含电性传导衬垫、电性传导迹线或电性传导的实质上刚性杆。在特定实施例中，所述第一构件可以是微电子元件晶圆，其包含多个微电子元件部份，每个微电子元件部份包含在所述第一表面处的所述第一杆的相应子集，并且所述第二构件可以是基板面板的至少一部份，所述基板面板包含多个基板部分，每个基板部份包含在所述主要表面处的所述第二传导元件的相应子集。

12、另一种制造组件的方法包含将在第一基板的第一表面处的第一传导元件的顶表面与在第二基板的主要表面处的第二传导元件的顶表面并置。其中为下列中之一者：所述第一传导元件的所述顶表面可以是下凹至所述第一基板的所述第一表面之下，或所述第二传导元件的所述顶表面可以是下凹至所述第二基板的主要表面之下。电性传导纳米粒子可以被设置在所述第一传导元件和所述第二传导元件的所述顶表面之间。所述传导纳米粒子可具有的长度尺寸是小于100纳米。所述方法也可以包含在经并置的第一和第二传导元件的界面处提高温度到一结合温度，在所述结合温度时，所述传导纳米粒子可造成冶金结合形成于所述经并置的第一传导元件和第二传导元件之间。

13、在特定实施例中，所述方法也可以包含形成所述电性传导纳米粒子，其包含将至少一个接收表面以一电流密度曝露于无电电镀槽或电解槽，其中所述电流密度大于所述电解槽的所述质量传输限制电流密度，且所述至少一个接收表面是所述第一和第二传导元件的所述顶表面中的至少一个。在一范例中，所述第一传导元件和所述第二传导元件中的至少一个可以包含电性传导衬垫、电性传导迹线或电性传导的实质上刚性杆。在一范例性实施例中，所述第一传导元件可以是实质上刚性杆。所述实质上刚性杆的所述顶表面可以是远离所述第一构件的所述第一表面并且可以突出超过所述第一表面一高度。所述实质上刚性杆可具有以大角度从其之顶表面向外延伸的边缘表面。所述第二传导元件的顶表面可被设置在凹槽中，所述凹槽延伸于所述主要表面之下。

14、在一范例中，所述第一传导元件可以是实质上刚性杆。所述实质上刚性杆的所述顶表面可以是远离所述第一构件的所述第一表面并且可突出超过所述第一表面一高度。所述实质上刚性杆具有以大角度从其之顶表面向外延伸的边缘表面。在所述并置之后，所述实质上刚性杆的所述顶表面可被设置在凹槽中，所述凹槽延伸于所述第二基板的所述主要表面之下。

15、在特定的范例中，所述方法也可以包含蚀刻所述第二构件的所述基板的主要表面以形成所述凹槽并且曝露在所述凹槽之中的所述第二传导元件的顶表面。在一实施例中，在所述第一电性传导元件和所述第二电性传导元件的顶表面的并置之前，所述电性传导纳米粒子可被设置在所述第一电性传导元件和所述第二电性传导元件两者的顶表面上。在一范例中，在所述第一电性传导元件和所述第二电性传导元件的顶表面的并置之前，所述电性传导纳米粒子可被设置在所述第一或第二传导元件中的一者的顶表面上。在特定实施例中，在所述第一电性传导元件和所述第二电性传导元件的顶表面的并置之前，所述传导纳米粒子可包含覆盖于每个顶表面的第一层传导纳米粒子和第二层传导纳米粒子。

16、所述第一层传导纳米粒子可被设置在个别的顶表面上并且所述第二层传导纳米粒子可被设置在所述第一层传导纳米粒子上。所述第二层传导纳米粒子可包含至少一种材料，其不同于所述第一层传导纳米粒子所包含的至少一种材料。在一范例中，在所述第一传导元件和所述第二传导元件的顶表面的并置之前，在每个顶表面上的所述传导纳米粒子可包含第三层电性传导纳米粒子，所述第三层电性传导纳米粒子被形成在个别的第二层电性传导纳米粒子上。所述第三层电性传导纳米粒子可包含至少一种材料，其不同于所述第二层电性传导纳米粒子所包含的至少一种材料。所述第二层传导纳米粒子可包含阻障金属，其经配置以避免所述第三层传导纳米粒子的金属渗透到所述第一层传导纳米粒子之中。

17、在一范例性实施例中，所述方法也可以包含在所述温度被升高之前，将焊料沉积于在所述第一传导元件和所述第二传导元件的顶表面中的至少一个上的所述传导纳米粒子之上。在所述温度的升高过程中，所述焊料可经由毛细作用而填充在至少一些所述传导纳米粒子之间的间隙。在特定的范例中，所述第一构件的所述基板的所述第一表面以及所述第二构件的所述基板的所述主要表面可各个包含介电材料。在所述温度的升高过程中，所述第一表面的介电材料可直接地与所述主要表面的介电材料接合。在一实施例中，在所述第一表面以及所述主要表面处的介电材料可各自包含b阶段材料(b-stage material)层，所述b阶段材料层是不会被完全地固化。在所述温度的升高过程中，所述b阶段材料层可被完全地固化。

18、另外的组件可包含第一构件，其包含具有第一表面的基板和在所述第一表面处的多个金属的实质上刚性的第一杆。所述第一杆可在第一方向上从所述第一表面向外延伸。每个第一杆可具有一顶表面，其通常面向所述第一方向。每个所述第一杆的顶表面可突出超过所述第一表面一高度，使得所述顶表面远离所述第一表面。每个第一杆可具有以大角度从其之顶表面向外延伸的边缘表面。所述组件也可以包含第二构件，其包含具有主要表面的基板以及曝露于所述主要表面处的多个第二传导元件。每个第二传导元件可具有顶表面，其通常面向第二方向。

19、每个第二传导元件的所述顶表面可被曝露在凹槽中，所述凹槽延伸于所述主要表面之下。所述第一杆可与所述第二传导元件结合，使得所述第一杆的顶表面至少部分地面对所述第二传导元件的顶表面，并且使得至少一些所述第一杆至少部分地延伸到所述第二构件的对应的所述凹槽之中。每个第一杆可借由一接合区域而电性地互连到所述第二传导元件中对应的一者，所述接合区域包含杂质，所述杂质显示在接合制程中使用长度小于100纳米的传导纳米颗粒的结构证据。每个接合区域可至少部分地渗透到所述第一杆和所述第二传导元件之中。

20、在特定实施例中，每个接合区域可包含杂质，所述杂质显示第一层、第二层、第三层电性传导纳米粒子的结构证据。所述第二层电性传导纳米粒子可被设置在所述第一层电性传导纳米粒子和所述第三层电性传导纳米粒子之间并且可包含至少一种材料，其不同于所述第一层电性传导纳米粒子包含的至少一种材料并且不同于所述第三层电性传导纳米粒子包含的至少一种材料。在一范例中，每个接合区域可包含杂质，所述杂质显示第一层、第二层、第三层、第四层、第五层电性传导纳米粒子的结构证据。所述第一层电性传导纳米粒子和所述第五层电性传导纳米粒子可至少部分地分别渗透到所述第一杆和所述第二传导元件之中。

21、所述第二层电性传导纳米粒子和所述第四层电性传导纳米粒子可各自包含至少一种材料，其分别不同于所述第一层电性传导纳米粒子和所述第五层电性传导纳米粒子包含的至少一种材料。所述第二层电性传导纳米粒子和所述第四层电性传导纳米粒子中的每一个可包含阻障金属，所述阻障金属经配置以避免所述第三层电性传导纳米粒子的金属渗透到所述第一层电性传导纳米粒子和所述第五层电性传导纳米粒子之中。在一范例性实施例中，每个接合区域可包含焊料，所述焊料延伸到位在至少一些所述电性传导纳米粒子之间的微通孔之中，每个微通孔具有小于0.5微米的最大宽度。

22、在特定的范例中，所述第一构件的所述基板的所述第一表面以及所述第二构件的所述基板的所述主要表面可各自包含介电材料，并且所述第一表面的所述介电材料可直接地与所述主要表面的所述介电材料接合。在一实施例中，所述第一构件和所述第二构件的所述基板中的至少一个可以具有金属元件，所述金属元件在各别的基板中的在第一和第二横向方向上的各自的平面中延伸。所述金属元件可经配置以提供电磁屏蔽来减少传输于所述第一传导元件和所述第二传导元件之间的讯号的杂讯。

23、在特定实施例中，所述第一构件和所述第二构件的所述基板中的两者具有所述金属元件，所述金属元件在各别的基板中以第一和第二横向方向于各自的平面中延伸。所述第一构件的所述金属元件可包含延伸在所述第一方向上的迹线，并且所述第二构件的所述金属元件可包含延伸在所述第二方向上的迹线。在一范例中，所述金属元件可以是连续的金属片，所述连续的金属片具有在所述第一和第二方向上与所述第一传导元件和所述第二传导元件对准而延伸穿过所述连续的金属片的开口。在一范例性实施例中，所述第一构件或第二构件中之至少一者可以是包含主动半导体装置的微电子元件。

24、在一实施例中，一种系统可包含如上文中所述的组件以及连接到所述组件的一个或多个其他电子构件。在特定的范例中，所述系统也可以包含壳体，所述组件和其它电子构件是被安装在所述壳体。本发明的其他态样可提供系统，所述系统合并了根据本发明前述态样的组件、根据本发明前述态样的复合晶片或是其上有其他电子组件电连接的两者。举例来说，所述系统可被设置在单一壳体中及/或安装在单一壳体，所述单一壳体可以是携带型壳体。根据本发明的此态样中的较佳实施例的系统可以比现有系统更为紧凑。