专利名称：通过形成共价键粘合聚酰亚胺表面的方法
概括地说，本发明涉及半导体装置；更具体地说，涉及通过形成共价键粘合聚酰亚胺表面。
半导体装置广泛用于许多产品。半导体装置一个重要特征是半导体装置和任何有关的组件外壳的尺寸小。由于使用半导体装置的产品逐渐小型化，半导体装置和组件外壳的尺寸尽可能小是很重要的。不过，与这种较小尺寸的需要相竟争的是半导体装置的用户要求的功能化的日益需要。功能化的提高往往会增大半导体装置的尺寸和复杂程度以及每个组件的半导体装置的数目。
另一重要因素是尽管半导体装置复杂度和密度增大但仍要维持低成本生产。生产半导体装置的一个显著费用是引线框。对于各类费用高且耗时的半导体装置，必须制造定制的引线框。因此，直接晶片连接(DCA)型组件很普及。在DCA中，半导体装置直接连到基底如印刷电路板(PCB)上。DCA涉及直接偶合半导体装置到PCB上的触点上，无需引线框。因而消除了半导体装置专用包装的成本和尺寸。
通过在半导体装置焊盘上设置隆起的金属凸出物并将该装置凸出物向下安装到PCB或其它类型的基材上来制造DCA。为了防止基底和半导体装置之间的连接点在热循环变化过程中发生疲劳和环境保护半导体装置本身，在半导体装置和基底之间经常施加介电材料。介电材料一般是聚合物，典型的是环氧树脂，它在半导体装置连接点和基底之间形成键合力。
在先有技术中，当半导体装置和/或基底的表面钝化采用聚酰亚胺时，任何聚合物密封材料对聚酰亚胺表面粘合都显示了在热循环变化过程中分离的倾向。虽然试图用化学偶合剂、机械粗化和等离子蚀刻的方法改善粘接作用，但粘合问题持续造成半导体装置过早分离和失效。
所以，需要改善对聚酰亚胺表面的粘合性。
唯一的附图
示出了粘接到基底上的半导体装置。
参见附图，基底10示为平台，采用直接芯片连接技术连接一个或多个半导体管芯。基底10也可以是印刷电路板，如FR4 PCB品种。半导体管芯12包括金属互连14作为在半导体管芯12的焊接区11上形成的隆起的金属凸出物。互连14是用焊锡或其它能回流跟基底10电连的材料制成的。半导体管芯12通过将互连14与基底10上的匹配焊接区粘接而连到基底10上。连接方法取决于互连14的材料，如于215℃回流15秒在半导体管芯12和基底10之间形成电连接的焊锡型互连14。一种或多种类似于12的半导体管芯连到基底10上并根据具体应用情况互连成化组件。
在半导体管芯12和基底10之间引入不满的(underfill)密封材料16并固化，在组件之间形成粘合体和环境密封接。密封材料16是用聚合物如环氧树脂形成的高达约100微米厚的介电层。密封材料16也可以是非环氧型，如碳化硅树脂(SYCAR)。半导体管芯12的底面包括用于钝化和物理保护的聚酰亚胺层18。聚酰亚胺层18的厚度典型地是5—15微米。
本发明的关键特征是用有机碱溶液(如羟胺)在高温下预处理聚酰亚胺层18以产生官能化学基团，如氨基—酯和酰胺，这些化学基团与不满的密封材料16反应，在固化过程中，在聚酰亚胺层和密封材料之间形成共价键。固化过程是加热过程，根据温度的不同(如100—200℃)为约2—4小时。密封材料设置在预处理的聚酰亚胺表面上，所得组件固化，在密封材料和提供改进的粘合性的聚胺亚胺表面之间形成共价键。例如，密封材料16中的环氧树脂在其固化过程中有效地与官能团如羟基、胺基和羟酸反应。
在先有技术中，用强碱如氢氧化钾(KOH)处理，可将一些聚酰亚胺转化成聚酰胺酸(polyamic，acid)。不过，强无机碱氢氧化钾也可与互连反应造破坏，这可能有碍对基底的连接或严重降低连接的可靠性。连到聚酰亚胺层上的任何大的有机基团提供了足够的位阻，从而防止了在焊接过程中聚酰胺酸转化成聚酰亚胺。因此，需要不与互连反应并提供足够的位阻的有机碱试剂。另外，需要使用能溶胀聚酰亚胺层的溶剂。溶胀作用使得试剂更有效地与聚酰亚胺反应生成所需官能团。
因此，在本发明的一个实施方案中，通过将组件在20％有机碱溶液如羟胺中浸渍来预处理具有互连14和聚酰亚胺钝化层18的半导体管芯12。羟胺溶液的一个例子包括在一溶剂〔如N—甲基吡咯烷酮(NMP)〕中溶解一试剂(如2—(2—氨基乙氧基)乙醇，胺或咪唑)，溶时间为60秒，温度为65℃。溶液浓度为10—20％，温度为50—90℃，持续时间为30—60秒。预处理导至在聚酰亚胺层18的表面产生氨基酯和酰胺官能团。在固化过程中，氨基酯和酰胺官能团与在密封材料中的环氧基形成共价键。另外，通过喷涂或汽相淀积，可将羟胺溶液提供在聚酰亚胺层18上。如果密封材料16用SYCAR制成，则聚酰亚胺表面18还必须浸入甲基丙烯酰氯或酸酐，或其它含乙烯基的单体的溶液中。
具有处理的聚酰亚胺层18的半导体管芯12通过标准DCA法连到基底10上(在组件之间留下一间隙)。密封材料16设置在半导体管芯12和基底10之间并固化，在组件之间形成共价键和环境密封。因此，氨基酯和酰胺官能团与不满的密封材料16反应，在处理的聚酰亚胺层和环氧密封材料之间借助共价键形成粘接，在后序热循环变化过程中不会分离。通过顺序渍入去离子水和甲醇浴中除去过量的试剂和溶剂，然后干燥。
可以使用其它羟胺试剂和溶剂。例如，2—(N，N—二甲基乙氧基)乙醇也是合适的试剂，N，N—二甲基甲酰胺或γ—丁内酯是合适的溶剂。所用的具体浓度、温度和时间取决于具体试剂、溶剂和聚酰亚胺层的类型。一般来说，溶液浓度10—20％。温度50—90℃且时间30—60秒便足够了。聚合物固化温度取决于所用的密封材料，但一般于100—140℃固化2—4小时可得到所需结果。
在另一实施方案中，基底10可包括与密封材料16邻接的聚酰亚胺层。为了产生类似的共价键，用相同有机基础的羟胺溶液预处理基底10的聚酰亚胺层。在其上述固化过程中，处理的聚酰亚胺层与密封材料16反应。
应当理解，通过用羟胺溶液预处理半导体管芯的聚酰亚胺层在聚酰亚胺层的表面形成氨基酯和酰胺官能团，本发明提供了粘合面。半导体管芯电偶合到具有金属互连的基底上，在组件间留有间隙。在预处理聚酰亚胺层和基底之间引入不满的密封材料用于粘接和环境密封。在固化过程中，由于预处理聚酰亚胺层，在聚酰亚胺层和不满的密封材料之间形成共价键。预处理改善了材料之间的粘接作用，并提供了环氧密封材料配方更易湿润的表面。
尽管已说明和介绍了本发明的具体实施方案，但本领域专业人员可做出进一步的改进和改型。可以理解，本发明并不限于所示的具体形式，在不背离本发明的精神实质和范围的条件下，所附权利要求书限定了所有的改型。
权利要求
1.一种粘合聚酰胺表面(18)的方法，其特征在于在高温下，在聚酰亚胺表面上提供有机碱溶液，以通过形成氨基酯和酰胺基预处理聚酰亚胺表面。
2.权利要求1的方法，其中所述有机械溶液是羟胺溶液。
3.权利要求2的方法，其进一步包括以下步骤在聚酰亚胺表面上提供密封材料，以及固化所述密封材料以跟聚酰亚胺表面形成共价键。
4.权利要求3的方法，其进一步包括以下步骤将所述羟胺溶液加热到50—90℃，以在聚酰亚胺表面上形成所述氨基酯和酰胺基，与所述密封材料形成共价键。
5.一种粘合聚酰亚胺表面的方法，其特征在于在高温下，在聚酰亚胺表面上提供羟胺溶液，以通过形成氨基酯和酰胺基预处理聚酰亚胺表面，在聚酰亚胺表面上提供环氧材料，以及固化所述环氧材料以跟聚酰亚胺表面形成共价键。
6.权利要求5的方法，进一步包括以下步骤将所述羟胺溶液加热到50—90℃，以在聚酰亚胺表面上形成所述氨基酯和酰胺基，与所述密封材料形成共价键。
7.权利要求6的方法，其中所述羟胺溶液包括2—(2—氨基乙氧基)乙醇，胺和咪唑试剂之一。
8.一种半导体装置，包括在高温下用羟胺溶液预处理以形成氨基酯和酰胺基团的聚酰亚胺表面(18)；以及跟所述粘合面形成共价键的密封材料(16)。
9.权利要求8的半导体装置，其中所述聚酰亚胺表面加热到50—90℃以在聚酰亚胺表面上形成所述氨基—酯和酰胺基，与所述密封材料形成所述共价键。
10.权利要求9的方法，其中所述羟胺溶液包括2—(2—氨基乙氧基)乙醇，胺和咪唑试剂之一。
全文摘要
公开了一种通过形成共价键粘合聚酰亚胺表面的方法和半导体装置。
文档编号H01L21/52GK1121090SQ9510003
公开日1996年4月24日 申请日期1995年3月1日 优先权日1994年4月5日
发明者P·K·穆克吉 申请人:摩托罗拉公司