專利名稱：封裝空腔的清潔和密封的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總體涉及集成電路封裝領(lǐng)域，更具體地涉及封裝空腔的清潔和密封。
背景技術(shù)：
制造集成電路(IC)的越來越重要的方面是將半導(dǎo)體管芯安裝到襯底上。隨著單 個IC中多種功能的集成的增大，輸入/輸出(IO)端子的數(shù)目也增大。隨著IO接口的數(shù)目 的顯著增大，開發(fā)了倒裝鍵合以提供半導(dǎo)體管芯與襯底之間的互連的高密度。在倒裝鍵合中，焊料凸塊被布置到半導(dǎo)體管芯的每個IO端子上。然后將半導(dǎo)體管 芯翻轉(zhuǎn)以使焊料凸塊與位于襯底上的相應(yīng)鍵合焊盤配對。然后將半導(dǎo)體管芯和襯底加熱以 使焊料凸塊回流。一旦回流，每個焊料凸塊就在半導(dǎo)體管芯IO端子與襯底焊盤之間形成鍵 合，這起到了電連接和物理連接的雙重作用。在許多應(yīng)用中，需要將連接密封在位于半導(dǎo)體管芯與襯底之間的空腔中，以保護(hù) 互連并使用空腔壁在半導(dǎo)體管芯與襯底之間提供比互連提供的鍵合更強(qiáng)的物理鍵合。例 如，密封的空腔用于保護(hù)互連，所述互連專用于縮短在一個組件的功能與對另一個組件上 的其他功能的I/O端子的重新分布之間的距離。此外，空腔用于保護(hù)特定應(yīng)用所需的嚴(yán)格 敏感材料、結(jié)構(gòu)或器件，如，MEMS、BAff或SAW。密封按照以下組裝步驟提供了空腔保護(hù)并且 提供了最終產(chǎn)品。不幸地，提供密封的現(xiàn)有過程有多種缺點，如，需要附加的處理步驟以及提供附加 的材料，例如在焊接壁的情況下需要焊劑；當(dāng)采用無焊劑技術(shù)時，將包圍在空腔中的IO互 連外露給由于焊劑或酸的使用而產(chǎn)生的殘渣；提高了由于潤濕條件差導(dǎo)致不適當(dāng)?shù)暮附訌?而導(dǎo)致電連接弱或沒有電連接的風(fēng)險；以及由于空洞而導(dǎo)致提供不適當(dāng)?shù)拿芊?；或上述?點的各種組合。

發(fā)明內(nèi)容
非常需要克服這些缺陷并提供一種清潔和密封封裝空腔的方法。根據(jù)本發(fā)明，提供了一種密封封裝空腔的方法。將第一鍵合材料的第一環(huán)沉積到 第一組件的表面上。第一環(huán)具有描繪空腔周緣(circumference)輪廓的預(yù)定的形狀以及預(yù) 定的厚度。將第二鍵合材料的第二環(huán)沉積到第二組件的表面上。第二環(huán)具有與第一環(huán)的形 狀相對應(yīng)的預(yù)定的形狀以及預(yù)定的厚度。第二環(huán)還包括預(yù)定的凸起圖案，使得在第二鍵合 材料的回流之前能在空腔內(nèi)的氣氛與空腔外的氣氛之間交換氣態(tài)材料。在臨時鍵合第一鍵 合材料和第二鍵合材料之后提供氣態(tài)脫氧材料。然后在使第二鍵合材料回流以與第一鍵合 材料鍵合以前，實質(zhì)上去除氣態(tài)脫氧材料。根據(jù)本發(fā)明，還提供了 一種存儲介質(zhì)，在所述存儲介質(zhì)中存儲有用于在處理器上 執(zhí)行的可讀指令。所述處理器在執(zhí)行所述指令時執(zhí)行以下密封封裝空腔的方法。將第一鍵 合材料的第一環(huán)沉積到第一組件的表面上。第一環(huán)具有描繪空腔周緣輪廓的預(yù)定的形狀以 及預(yù)定的厚度。將第二鍵合材料的第二環(huán)沉積到第二組件的表面上。第二環(huán)具有與第一環(huán)的形狀相對應(yīng)的預(yù)定的形狀以及預(yù)定的厚度。第二環(huán)還包括預(yù)定的凸起圖案，使得在第二 鍵合材料的回流之前能在空腔內(nèi)的氣氛與空腔外的氣氛之間交換氣態(tài)材料。在第一鍵合材 料和第二鍵合材料的臨時鍵合期間提供氣態(tài)脫氧材料。然后在使第二鍵合材料回流以與第 一鍵合材料鍵合以前，實質(zhì)上去除氣態(tài)脫氧材料。


現(xiàn)在將結(jié)合以下附圖來描述本發(fā)明的示例實施例，其中圖1是根據(jù)本發(fā)明的密封封裝空腔的方法的簡化流程圖；圖2a和2b示出了使用圖1所示的方法產(chǎn)生的封裝空腔的簡化框圖；圖3a至3c以透視圖形式示出了根據(jù)本發(fā)明的凸起圖案的簡化框圖；圖4a至4c以投影到組件表面的形式示出了根據(jù)本發(fā)明的凸起圖案的簡化框圖； 以及圖5示出了隨著預(yù)熱和回流步驟的溫度曲線的簡圖。
具體實施例方式提供了以下描述以使得本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠制造和使用本發(fā)明，以下描述是關(guān)于 具體應(yīng)用及其需要而提供的。在不脫離本發(fā)明的范圍的前提下，對于本領(lǐng)域技術(shù)人員來說 對所公開的實施例的各種修改是顯而易見的，本文所限定的一般原則可以應(yīng)用于其他實施 例和應(yīng)用。因此，本發(fā)明不旨在限于所公開的實施例，而是可以符合與本文所公開的原理和 特征一致的最寬的范圍。參考圖1，示出了根據(jù)本發(fā)明的密封封裝空腔的方法的簡化流程圖。參考圖2a和 2b所示，示出了封裝空腔100的橫截面的簡化框圖。在10，提供第一組件102和第二組件 104，所述第一組件102和第二組件104鍵合，使得第一組件102的表面106與第二組件的 相應(yīng)表面108鍵合，并且空腔100被包圍在這兩者之間。例如，第一組件102和第二組件 104是用于與襯底鍵合的半導(dǎo)體管芯、用于鍵合在一起的兩個半導(dǎo)體管芯、或用于與半導(dǎo)體 管芯鍵合以保護(hù)半導(dǎo)體管芯有源表面區(qū)域的罩。當(dāng)然，本領(lǐng)域技術(shù)人員容易想到用于鍵合 各種半導(dǎo)體組件以及其他組件的各種其他應(yīng)用。在12，將第一鍵合材料的第一環(huán)110布置 到第一組件的表面106上。例如，第一環(huán)110包括用在標(biāo)準(zhǔn)集成電路工業(yè)工藝中的鋁以及 沉積的錫焊料，錫焊料通過電解過程可回流，其中，Al與Sn之間的Cu用作凸塊下冶金層，并 且根據(jù)圖5所示溫度曲線，沉積在110和114上的Sn預(yù)先回流。在16，將第二鍵合材料的 第二環(huán)116和凸塊120沉積到第二組件104的表面108上。例如，第二環(huán)包括多層ENIG材 料。在18，使在步驟12和16之一中沉積的焊料回流。然后在20使用熱壓工藝來臨時鍵合 第一環(huán)110和第二環(huán)116以及沉積在接觸焊盤114和120上的焊料凸塊。在22，在組件周 圍的氣氛中提供氣態(tài)脫氧材料。為了避免焊接工藝之后的殘渣，應(yīng)用無焊劑焊接工藝，其中 使用例如諸如甲酸蒸汽之類的酸蒸汽作為脫氧材料。以下將描述熱壓工藝。在24，例如使 用真空泵將氣氛排空。通過為第二環(huán)116提供預(yù)定的凸起圖案，在臨時鍵合的環(huán)110和116 之間留下開口，以便使得可以將處于空腔內(nèi)的氣氛排空，從而從空腔中去除脫氧材料?？蛇x 地，提供實質(zhì)上惰性的氣體(例如，氮)或惰性氣體(例如，氬)以包圍在空腔100中。在 去除脫氧材料之后，在26，通過使第二鍵合材料回流將第一鍵合材料與第二鍵合材料鍵合，
5同時鍵合環(huán)110和116以及被布置在接觸焊盤上的焊料凸塊。在冷卻之后，第一組件102 與第二組件104鍵合，在第一組件102與第二組件104之間有包圍的空腔100。例如，假定第二組件是襯底，則可回流焊料環(huán)被布置在第一組件或第二組件上，其 中，通過在環(huán)的下方進(jìn)行布線，來自第一組件的電輸入重新分布在環(huán)外。通過在特定的環(huán)位置提供更大的厚度，將基于焊料的材料的表面張力特性與第二 環(huán)的凸起形狀相結(jié)合，從而在第一環(huán)110與第二環(huán)116之間形成開口。圖3a至3c以透視 圖形式示出了第二環(huán)116的三種不同的凸起圖案。這里，第二環(huán)包括具有第一高度的直線 部分以及布置在拐角處具有比第一高度大的第二高度的第二部分(如，凸塊)(圖3a和3b) 或在拐角區(qū)域中具有第二高度的凸起外環(huán)部分(圖3c)。圖4a至4c示出了投影到第二表 面108上的相應(yīng)投影。例如，通過提供寬度為30 μ m的第二環(huán)116以及半徑為45 μ m的凸塊 (圖4a和4b)或通過提供如圖4c所示的內(nèi)半徑130為200 μ m、平均半徑132為50 μ m，并 且環(huán)寬度為50μπι的圖案，實現(xiàn)了不同的高度。另外備選地，例如，通過提供寬度比拐角部 分大的直線環(huán)部分，使得直線部分的高度大于拐角部分。使用上述尺寸，實現(xiàn)了大約15 μ m 的高度變化。例如，經(jīng)驗上針對環(huán)的形狀和尺寸、所使用的焊料材料之類的各種參數(shù)組合， 來確定凸起圖案。臨時鍵合通常基于所使用的液體焊劑的粘合效果。液體焊劑的使用添加了附加 的處理步驟并且需要提供附加的材料。此外，液體焊劑的使用導(dǎo)致在回流并冷卻之后在空 腔中包圍了有害固體殘渣，以及與被捕獲到具有這種特性效果的空腔中的氣體有關(guān)的風(fēng)險 過程，如，質(zhì)量因子下降或頻率應(yīng)用改變。通過與氣態(tài)脫氧材料(例如，甲酸蒸汽)的使用 一起采用熱壓，克服了焊劑的缺點。熱壓是在兩種材料的界面處的施加的力、時間和溫度的 組合，以便于促進(jìn)擴(kuò)散機(jī)制。參考圖2a和2b所示的示例，擴(kuò)散發(fā)生在來自ENIG的金和來 自環(huán)的錫以及相對的金屬位置的凸塊之間。例如通過在專用拾取和放置設(shè)備上向第二組件 104按壓第一組件102來施加力。例如，經(jīng)驗上針對不同應(yīng)用來確定所施加的力、溫度和時 間。在預(yù)熱期間提供例如甲酸蒸汽之類的酸蒸汽可以實現(xiàn)與使用液體焊劑提供的功能相同 的功能，但是防止沉積固體殘渣和氣體俘獲。例如使用標(biāo)準(zhǔn)密封箱加熱爐來實現(xiàn)使用熱壓的臨時鍵合，所述標(biāo)準(zhǔn)密封箱加熱爐 用在半導(dǎo)體制造中，使得可以在預(yù)定的溫度范圍內(nèi)以預(yù)定的時間間隔來實現(xiàn)受控的加熱， 以及使得可以提供不同的氣氛以及該氣氛的排空。在回流之前，從空腔100外部和內(nèi)部的 氣氛中實質(zhì)上去除酸蒸汽，以便使能適當(dāng)潤濕相對的金屬表面。不去除酸蒸汽會導(dǎo)致較 差的潤濕條件以及例如導(dǎo)致接觸焊盤114和120之間的開路。去除蒸汽還導(dǎo)致了無氣體 空腔，所述無氣體空腔適于產(chǎn)生針對靈敏應(yīng)用的特性。此外，真空是空腔中的一種特殊情 況，也可以將其作為特定應(yīng)用的目標(biāo)。在去除酸蒸汽之后，使溫度上升到焊料材料的熔點 (220-230° )以上以提供回流條件，接下來是冷卻階段。例如，在真空條件下或在包括實質(zhì) 上惰性氣體(例如，氮、氙或氬)在內(nèi)的氣氛中執(zhí)行回流。使用共熔鍵合，可以將兩種電鍍金屬(例如，錫和銅)相結(jié)合，這兩種電鍍金屬具 有作為金屬添加物(227° )相對于另一種材料Hf^nJtSUBMWENIG)的百分比的函數(shù) 的低熔點(在215到235°范圍內(nèi))。這種結(jié)合基于固體液體互擴(kuò)散(SLID)工藝形成了高 強(qiáng)度的金屬間化合物?？梢詫㈠a與各種UMB相結(jié)合。使用鎳層來限制Cu3Sn的形成，其中， 由于Kirkendall空洞，Cu3Sn易損壞。最初的堆疊結(jié)構(gòu)Ni/Cu/Sn形成了 Ni、Cu6Sn5，這是優(yōu)選的金屬間化合物。在回流期間施加壓力防止在金屬間化合物生長過程中形成大的空 洞?？梢允褂冒雽?dǎo)體制造技術(shù)中的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備來實現(xiàn)根據(jù)本發(fā)明的密封封裝空腔的方 法。例如，使用處理器來控制各個處理步驟的參數(shù)，所述處理器執(zhí)行存儲在存儲介質(zhì)中的可 執(zhí)行指令。例如，以查找表的形式來存儲確定環(huán)的形狀和凸起圖案的各種參數(shù)組合以及用 于熱壓和回流的控制參數(shù)。在不脫離所附權(quán)利要求所限定的本發(fā)明的精神和范圍的前提下，本發(fā)明的多種其 他實施例對于本領(lǐng)域技術(shù)人員來說是顯而易見的。
權(quán)利要求
一種方法，包括 提供第一組件和第二組件，第一組件的表面與第二組件的相應(yīng)表面鍵合，使得第一組件的表面與第二組件的相應(yīng)表面之間包圍空腔； 將第一鍵合材料的第一環(huán)沉積到第一組件的表面上，第一環(huán)具有描繪空腔周緣輪廓的預(yù)定的形狀以及預(yù)定的厚度； 將第二鍵合材料的第二環(huán)沉積到第二組件的表面上，第二環(huán)具有與第一環(huán)的形狀相對應(yīng)的預(yù)定的形狀以及預(yù)定的厚度，第二環(huán)包括預(yù)定的凸起圖案，使得在第二鍵合材料的回流之前能在空腔內(nèi)的氣氛與空腔外的氣氛之間交換氣態(tài)材料； 提供氣態(tài)脫氧材料； 臨時鍵合第一鍵合材料和第二鍵合材料； 實質(zhì)上去除氣態(tài)脫氧材料；以及 使第二鍵合材料回流以與第一鍵合材料鍵合。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，包括確定凸起圖案，使得第二環(huán)的預(yù)定的第一部分具 有在第二組件的表面以上的預(yù)定的第一高度，第二環(huán)的預(yù)定的第二部分具有在第二組件的 表面以上的預(yù)定的第二高度，其中，第二高度大于第一高度。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其中，確定凸起圖案，使得第二環(huán)包括至少兩個第一部 分以及至少兩個第二部分。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其中，確定第二環(huán)的形狀，使得第二環(huán)實質(zhì)上是矩形。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其中，具有第二高度的部分實質(zhì)上位于矩形的拐角處。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其中，具有第二高度的部分在第二組件的表面上具有 實質(zhì)上環(huán)形的投影。
7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其中，具有第一高度的部分實質(zhì)上位于矩形的拐角處。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，包括-將第一鍵合材料沉積到被布置在第一組件表面上的接觸焊盤上；以及 _將第二鍵合材料沉積到被布置在第二組件表面上的相應(yīng)接觸焊盤上。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其中，將第一鍵合材料和第二鍵合材料沉積到被布置 在第一環(huán)和第二環(huán)所包圍的相應(yīng)表面區(qū)域上的接觸焊盤上。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其中，提供氣態(tài)脫氧材料包括提供酸蒸汽。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其中，提供酸蒸汽包括提供甲酸蒸汽。
12.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其中，臨時鍵合第一環(huán)和第二環(huán)包括熱壓。
13.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其中，沉積第一鍵合材料包括沉積鎳然后沉積金。
14.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其中，沉積第一鍵合材料包括化學(xué)鎳金工藝。
15.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其中，沉積第二鍵合材料包括沉積銅然后沉積錫。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，包括在沉積銅之前沉積鎳。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，其中，使用電鍍工藝來沉積第二鍵合材料。
18.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，包括在回流期間在第一鍵合材料和第二鍵合材料上 施加預(yù)定量的壓力。
19.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，包括在回流之前提供以下項目之一實質(zhì)上惰性的氣 體和實質(zhì)上的真空。
20.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，第一組件和第二組件由半導(dǎo)體材料制成。
21.一種存儲介質(zhì)，在所述存儲介質(zhì)中存儲有用于在處理器上執(zhí)行的可讀指令，所述處 理器在執(zhí)行所述指令時執(zhí)行以下操作-控制提供第一組件和第二組件，第一組件的表面與第二組件的相應(yīng)表面鍵合，使得第 一組件的表面與第二組件的相應(yīng)表面之間包圍空腔；-控制將第一鍵合材料的第一環(huán)沉積到第一組件的表面上，第一環(huán)具有描繪空腔周緣 輪廓的預(yù)定的形狀以及預(yù)定的厚度；-控制將第二鍵合材料的第二環(huán)沉積到第二組件的表面上，第二環(huán)具有與第一環(huán)的形 狀相對應(yīng)的預(yù)定的形狀以及預(yù)定的厚度，第二環(huán)包括預(yù)定的凸起圖案，使得在第二鍵合材 料的回流之前能在空腔內(nèi)的氣氛與空腔外的氣氛之間交換氣態(tài)材料； -控制提供氣態(tài)脫氧材料； -控制臨時鍵合第一鍵合材料和第二鍵合材料； -控制實質(zhì)上去除氣態(tài)脫氧材料；以及 -控制使第二鍵合材料回流以與第一鍵合材料鍵合。
22.根據(jù)權(quán)利要求21所述的存儲介質(zhì)，在所述存儲介質(zhì)中存儲有用于在處理器上執(zhí)行 的可執(zhí)行指令，所述處理器在執(zhí)行所述指令時執(zhí)行以下操作-控制將第一鍵合材料沉積到被布置在第一組件表面上的接觸焊盤上；以及 -控制將第二鍵合材料沉積到被布置在第二組件表面上的相應(yīng)接觸焊盤上。
23.根據(jù)權(quán)利要求22所述的存儲介質(zhì)，在所述存儲介質(zhì)中存儲有用于在處理器上執(zhí)行 的可執(zhí)行指令，所述處理器在執(zhí)行所述指令時執(zhí)行以下操作-控制在回流期間在第一鍵合材料和第二鍵合材料上施加預(yù)定量的壓力。
24.根據(jù)權(quán)利要求23所述的存儲介質(zhì)，在所述存儲介質(zhì)中存儲用于在處理器上執(zhí)行的 可執(zhí)行指令，所述處理器在執(zhí)行所述指令時執(zhí)行以下操作-控制在回流之前提供實質(zhì)上惰性的氣體。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種密封封裝空腔的方法。將第一鍵合材料的第一環(huán)沉積到第一組件的表面上。第一環(huán)具有描繪空腔周緣輪廓的預(yù)定的形狀以及預(yù)定的厚度。將第二鍵合材料的第二環(huán)沉積到第二組件的表面上。第二環(huán)具有與第一環(huán)的形狀相對應(yīng)的預(yù)定的形狀以及預(yù)定的厚度。第二環(huán)還包括預(yù)定的凸起圖案，使得在第二鍵合材料的回流之前能在空腔內(nèi)的氣氛與空腔外的氣氛之間交換氣態(tài)材料。在第一環(huán)和第二環(huán)的臨時鍵合期間提供氣態(tài)脫氧材料。然后在使第二鍵合材料回流以與第一鍵合材料鍵合以前，實質(zhì)上去除氣態(tài)脫氧材料。
文檔編號B81C1/00GK101918304SQ200980102527
公開日2010年12月15日 申請日期2009年1月21日 優(yōu)先權(quán)日2008年1月21日
發(fā)明者埃里克·卡德蘭, 斯蒂芬·貝林格爾 申請人:Nxp股份有限公司