專利名稱：一種使用錐面焊盤進(jìn)行熱超聲倒裝焊的芯片封裝方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種芯片互連封裝方法，特別是涉及一種使用錐面悍 盤進(jìn)行熱超聲倒裝焊的芯片封裝方法。
背景技術(shù)：
近年來，隨著計(jì)算機(jī)、通訊等電子消費(fèi)品更新?lián)Q代的加速，高性 能、便攜化及低成本成為人們對電子產(chǎn)品的新需求，迫使相關(guān)的半導(dǎo) 體封裝技術(shù)朝著小型、輕便、高密度、高可靠性和低成本方向發(fā)展。 這樣，芯片鍵合難度進(jìn)一步增大，鍵合技術(shù)成為業(yè)界關(guān)注的重點(diǎn)。開 發(fā)高精度、高效率、高可靠性的鍵合技術(shù)成為封裝設(shè)備制造業(yè)的當(dāng)務(wù) 之急。而引進(jìn)國外先進(jìn)技術(shù)、學(xué)習(xí)并掌握先進(jìn)鍵合工藝則是廣大科研 工作者面臨的首要任務(wù)。
超聲波焊接，另稱"鍵合"，是利用16 120kHz的超聲頻率的機(jī) 械振動能量，連接同種或異種金屬、半導(dǎo)體、塑料及陶瓷等的一種特 殊的焊接方法。超聲波焊接現(xiàn)已廣泛地應(yīng)用于集成電路、電容器、超 高壓變壓器屏蔽構(gòu)件、微電機(jī)、電子元器件及電池、塑料零件的封裝 等生產(chǎn)中。與傳統(tǒng)的焊接技術(shù)相比，超聲波焊接技術(shù)具有高速、高效 和高自動化等優(yōu)點(diǎn)，成為半導(dǎo)體封裝內(nèi)互連的基本技術(shù)。在批量生產(chǎn) 中具有加工工藝重復(fù)性好、生產(chǎn)效率高的特點(diǎn)，是一種快速、清潔、 應(yīng)用范圍廣泛的焊接方法，焊接制品表觀狀況優(yōu)良。 在應(yīng)用超聲波焊接的集成電路封裝中，有三種方法可以實(shí)現(xiàn)芯片的電 氣互連引線鍵合(wire bonding,簡稱WB)、載帶自動鍵合(tape automated bonding,簡稱TAB)禾口倒裝焊(flip chip technology,簡稱 FC)。引線鍵合(絲焊)是發(fā)展最早和最為成熟的互連方法，引線鍵合 工藝具有操作簡單、工藝成熟、成本低、可靠性比較高等優(yōu)點(diǎn)，但也 存在著致命的弱點(diǎn)，就是無法保證用于封裝的芯片都是合格的芯片。 載帶自動焊也是一種比較成熟的方法，載帶自動焊是用金屬載帶代
替管殼，載帶既可作為芯片的I/O引線，又可作為芯片的承載體， 同樣載帶自動鍵合也有其不足之處封裝集成度不如裸芯片引線鍵合 高，載帶制作所需要的設(shè)備較為復(fù)雜、昂貴，因此成本較高。
倒裝焊是與引線鍵合和載帶自動鍵合相似的一種互連技術(shù)，是封 裝面積最小的一種方法，由于倒裝焊是在芯片上做凸點(diǎn)，然后將芯片 倒扣在基板上，倒裝焊的封裝面積只是芯片的面積，所以倒裝焊是封裝密度最大的互連方式。其次，通過在集成電路芯片的輸入輸出端
(1/0)用平面工藝制成焊料凸點(diǎn)焊球?qū)⒙阈酒娉轮苯淤N裝在基板 (如FR4印刷電路板)上，利用再流焊工藝使芯片焊球和基板焊盤間形 成焊點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)芯片與基板的電熱和機(jī)械連接。因?yàn)槭÷粤诵酒突?間的引線和"器件封裝"的這一中間環(huán)節(jié)，所以倒裝焊的焊點(diǎn)路徑是 最短的，減少了電阻、電感的干擾，具有封裝密度高，信號處理速度 快，寄生電容電感小，高頻性能好等優(yōu)點(diǎn)，有利于提高信號的傳輸速 度和完整性。此外，凸點(diǎn)倒裝焊技術(shù)的應(yīng)用還為集成電路的設(shè)計(jì)工作 提供了方便，不必再將所有的壓焊點(diǎn)引出到芯片的四周，而是可以隨 意放置，這樣有利于提高芯片本身的集成度。雖然倒裝焊在封裝領(lǐng)域 中有明顯的優(yōu)勢，但其缺點(diǎn)和它的優(yōu)點(diǎn)同樣的明顯。首先，在芯片上 制作凸點(diǎn)所需的設(shè)備、材料的價(jià)格較為昂貴，工藝又很復(fù)雜，使封裝 的成本高。其次，倒裝焊同絲焊一樣存在著無法保證用于封裝的芯片 都是合格芯片的問題，如何能對做完凸點(diǎn)的芯片進(jìn)行老化、篩選、考 核，從而保證芯片的質(zhì)量，是倒裝焊應(yīng)首先考慮的問題之一。
為了降低成本，需要研究采用廉價(jià)的有機(jī)FR4基板下的倒扣焊技 術(shù)。而FR4的熱膨脹系數(shù)為16 24ppm廣C，與芯片熱膨脹系數(shù)相差較 大，這樣在服役(芯片工作發(fā)熱，不工作冷卻)過程中，芯片和基板間 的熱膨脹失配就顯得十分嚴(yán)重，導(dǎo)致焊點(diǎn)內(nèi)產(chǎn)生很大的周期性塑性應(yīng) 力及形變，裂縫萌生并擴(kuò)展，使焊點(diǎn)很快疲勞失效。為了減小芯片和 基板之間熱膨脹失配，緩解封裝體系在芯片服役時(shí)產(chǎn)生的熱應(yīng)力熱形 變，提高焊點(diǎn)的熱疲勞壽命， 一種底充膠(under fill)的方法已廣泛 應(yīng)用于倒裝焊技術(shù)中。但采用底充膠的方法也有填充困難，或填充不 滿導(dǎo)致可靠性差等不足之處。
因此，熱超聲倒裝焊仍然存在著很多問題，阻礙了這一新技術(shù)的 進(jìn)一步發(fā)展。例如，由于在熱超聲倒裝焊這種高效率的封裝技術(shù)中， 一個芯片上一般會利用引線鍵合機(jī)一次性制作十幾個甚至幾十個凸 點(diǎn)，同時(shí)在基板上制作相應(yīng)的焊盤。美國Colorado大學(xué)的TangQing 和Zhang Wenge指出，以往的橫向熱超聲焊接方式存在很大的缺陷， 即很難保證同一芯片上所有凸點(diǎn)都焊接合格。由于存在橫向，即平行 于基板的超聲波作用，而待焊凸點(diǎn)又都在同一芯片平面內(nèi)，故在焊接 新凸點(diǎn)的同時(shí)，也有可能破壞其他已焊好的凸點(diǎn)，因此焊接合格率不 是很理想。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種芯片的焊接合格率高，焊 接工具的設(shè)計(jì)要求簡化，焊接過程中壓力施加更加均勻，芯片夾持更 加牢靠，焊接更加穩(wěn)定的使用錐面焊盤進(jìn)行熱超聲倒裝焊的芯片封裝方法。
為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供的使用錐面焊盤進(jìn)行熱超聲 倒裝焊的芯片封裝方法，包括如下步驟
(1) 、凸點(diǎn)的制作
通過通用引線鍵合機(jī)在完成集成電路的芯片上將凸點(diǎn)植入到芯 片I/O 口 ；
(2) 、基板及其錐面焊盤的制作
首先在準(zhǔn)備好的基板上做出與芯片凸點(diǎn)大小相當(dāng)對應(yīng)的錐形凹 坑，然后在錐形凹坑的錐面上涂上金、鈦或鎢形成錐面焊盤，基板選 用陶瓷或鋁材料，其面積和厚度一般都比芯片大；
(3) 、芯片和基板的連接
(3. l)把基板固定在加熱臺上，加熱臺采用恒溫加熱，溫度為 140 160°C ;
(3.2) 利用真空吸頭通過夾具夾持芯片，并利用光學(xué)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)芯 片凸點(diǎn)與基板錐面焊盤的對準(zhǔn)；
(3.3) 帶有芯片的夾具頭緩慢下降，直到芯片凸點(diǎn)和基板錐面焊 盤相互接觸，并施加一定焊接壓力為38 42g/每個凸點(diǎn)；
(3.4) 對芯片施加縱向即基板法向的超聲波能量，使凸點(diǎn)發(fā)生變 形并與錐面焊盤逐漸相結(jié)合，焊接時(shí)間為0. 15 0.25ms，超聲功率為 35 45mW/每個凸點(diǎn)；
(3.5) 焊接完成之后釋放真空吸力，使夾具提升。 采用上述技術(shù)方案的使用錐面焊盤進(jìn)行熱超聲倒裝焊的芯片封
裝方法，為了解決以往橫向熱超聲焊接方式存在的很難保證同一芯片 上所有凸點(diǎn)都焊接合格這一缺陷，本發(fā)明提出了縱向即沿基板法向作 用超聲波的新思路。但是，根據(jù)熱超聲焊的作用機(jī)理，超聲波的作用 方向必須是沿焊盤的切向，在焊盤與焊點(diǎn)接觸面切向超聲波作用下實(shí) 現(xiàn)焊盤與焊點(diǎn)的互連。因此，本發(fā)明就提出了錐面焊盤這一構(gòu)想。然 后在一定的壓力和溫度下，對芯片的凸點(diǎn)施加基板法向的超聲波能 量，通過焊盤錐面把沿基板法向作用超聲波轉(zhuǎn)換成凸焊點(diǎn)與焊盤錐面 之間的切向運(yùn)動，在一段時(shí)間內(nèi)，凸點(diǎn)將與基板上的錐面焊盤產(chǎn)生結(jié) 合力，從而實(shí)現(xiàn)芯片與基板的互連。這種將焊盤方向及超聲波作用方 向的整體轉(zhuǎn)換是本發(fā)明的一個核心創(chuàng)新點(diǎn)。
然而詳細(xì)說來，這一方法中凸點(diǎn)界面與錐面焊盤的結(jié)合是一個摩 擦的過程。首先是界面接觸和預(yù)變形，即在給定壓力下，凸點(diǎn)與錐面 焊盤接觸，并在一定程度上受擠壓發(fā)生變形。然后是縱向超聲波的作 用，通過超聲波先除去凸點(diǎn)表面的氧化物和污染層，再使基板溫度劇 烈上升，凸點(diǎn)即發(fā)生進(jìn)一步的變形，此時(shí)凸點(diǎn)與基板上錐形焊盤的原子就可以相互滲透到一定深度，實(shí)現(xiàn)焊接。由此看來，該發(fā)明的關(guān)鍵 工藝參數(shù)是壓力、溫度、超聲波功率和焊接時(shí)間。已證實(shí)，若控制好 這四個工藝參數(shù)，該發(fā)明能很好的克服傳統(tǒng)橫向焊接方式存在的平行
問題。同時(shí)，結(jié)合強(qiáng)度(金凸點(diǎn))至少可達(dá)31g/bump，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于5g/bu即 的焊接強(qiáng)度規(guī)范要求。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)和有益效果
1. 這一焊接工藝的采用克服了傳統(tǒng)橫向焊接方式存在的平行問 題，進(jìn)一步提高了芯片的焊接合格率，并簡化了焊接工具的設(shè)計(jì)要求， 使焊接過程中壓力施加更加均勻，芯片夾持更加牢靠，焊接更加穩(wěn)定。
2. 由于引入了超聲波能量，焊接壓力和溫度都比較低，能對芯片 和基板起到保護(hù)作用，從而保證了芯片的質(zhì)量。
3. 對焊凸點(diǎn)材料要求不是很苛刻，在要求不是很嚴(yán)格的情況下可 以選取鋁凸點(diǎn)或銅凸點(diǎn)代替，效果仍然不錯，進(jìn)一步降低了封裝成本。
4. 封裝面積很小(只是芯片的面積)，密度大，"互連線"短，從 而減小了電阻、電感的干擾，高頻性能好，有利于提高信號的傳輸速 度和完整性，同時(shí)提高了芯片本身的集成度。
5. 由于使用了縱向焊接方式，簡化了工藝過程，而且是一種清潔 的無鉛焊接，對人體和環(huán)境無損害。
本發(fā)明將熱超聲倒裝焊所使用基板上的傳統(tǒng)平面焊盤改為錐面， 將焊盤方向及超聲波作用方向進(jìn)行整體轉(zhuǎn)換。這樣，超聲波就可沿縱 向，即基板法向作用，改變了以往橫向熱超聲焊接的方式。這一焊接 工藝的采用克服了橫向焊接方式存在的平行問題，進(jìn)一步提高了芯片 的焊接合格率，并簡化了焊接工具的設(shè)計(jì)要求，使焊接過程中壓力施 加更加均勻，芯片夾持更加牢靠，焊接更加穩(wěn)定。


圖1是凸點(diǎn)及其錐面焊盤的制作示意圖； 圖2是芯片下壓示意圖； 圖3是超聲波加熱示意圖4是焊接完成之后釋放真空吸力，使夾具提升示意圖。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式
對本發(fā)明作進(jìn)一步說明。
1. 凸點(diǎn)的制作
參見圖1，在完成集成電路的芯片上將凸點(diǎn)植入到芯片I/O 口的 過程即為凸點(diǎn)的制作。這一過程可以通過通用引線鍵合機(jī)很容易的實(shí) 現(xiàn)，而且得到相當(dāng)不錯的效果，這里不再詳細(xì)說明。
2. 基板及其錐面焊盤的制作
參見圖1，熱超聲倒裝焊的基板可以選用陶瓷或鋁材料，其面積和厚度一般都比芯片大。在本發(fā)明中，首先要在準(zhǔn)備好的基板上做出 與芯片凸點(diǎn)大小相當(dāng)?shù)腻F形凹坑，然后在凹坑的錐面上涂上金、鈦或 鎢形成錐面焊盤，以提高凸點(diǎn)連接的質(zhì)量。
3.芯片和基板的連接
參見圖2、圖3和圖4，在完成凸點(diǎn)植入和錐面焊盤制作的前提 下，即可進(jìn)行芯片和基板連接，其過程主要包括以下幾個步驟
(3. l)把基板固定在加熱臺上，加熱臺采用恒溫加熱，溫度為 140 160°C ;
(3.2)利用真空吸頭通過夾具夾持芯片，并利用光學(xué)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)芯 片凸點(diǎn)與基板錐面焊盤的對準(zhǔn)；
(3. 3)帶有芯片的夾具頭緩慢下降，直到芯片凸點(diǎn)和基板錐面焊 盤相互接觸，并施加焊接壓力為38 42g/每個凸點(diǎn)，焊接壓力最佳為 40g/每個凸點(diǎn)；
(3.4)對芯片施加縱向即基板法向的超聲波能量，使凸點(diǎn)發(fā)生變 形并與錐面焊盤逐漸相結(jié)合，焊接時(shí)間為0. 15 0.25ms，焊接時(shí)間最 佳為0. 2ms，超聲功率為35 45mW/每個凸點(diǎn)，超聲功率最佳為40mW/ 每個凸點(diǎn)；
(3.5)焊接完成之后釋放真空吸力，使夾具提升。
權(quán)利要求
1、一種使用錐面焊盤進(jìn)行熱超聲倒裝焊的芯片封裝方法，其特征是包括如下步驟(1)、凸點(diǎn)的制作通過通用引線鍵合機(jī)在完成集成電路的芯片上將凸點(diǎn)植入到芯片I/O口；(2)、基板及其錐面焊盤的制作首先在準(zhǔn)備好的基板上做出與芯片凸點(diǎn)大小相當(dāng)對應(yīng)的錐形凹坑，然后在錐形凹坑的錐面上涂上金、鈦或鎢形成錐面焊盤，基板選用陶瓷或鋁材料，其面積和厚度一般都比芯片大；(3)、芯片和基板的連接(3.1)把基板固定在加熱臺上，加熱臺采用恒溫加熱，溫度為140～160℃；(3.2)利用真空吸頭通過夾具夾持芯片，并利用光學(xué)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)芯片凸點(diǎn)與基板錐面焊盤的對準(zhǔn)；(3.3)帶有芯片的夾具頭緩慢下降，直到芯片凸點(diǎn)和基板錐面焊盤相互接觸，并施加焊接壓力為38～42g/每個凸點(diǎn)；(3.4)對芯片施加縱向即基板法向的超聲波能量，使凸點(diǎn)發(fā)生變形并與錐面焊盤逐漸相結(jié)合，焊接時(shí)間為0.15～0.25ms，超聲功率為35～45mW/每個凸點(diǎn)；(3.5)焊接完成之后釋放真空吸力，使夾具提升。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種使用錐面焊盤進(jìn)行熱超聲倒裝焊的芯片封裝方法，將熱超聲倒裝焊所使用基板上的傳統(tǒng)平面焊盤改為錐面，將焊盤方向及超聲波作用方向進(jìn)行整體轉(zhuǎn)換。這樣，超聲波就可沿縱向，即基板法向作用，改變了以往橫向熱超聲焊接的方式。這一焊接工藝的采用克服了橫向焊接方式存在的平行問題，進(jìn)一步提高了芯片的焊接合格率，并簡化了焊接工具的設(shè)計(jì)要求，使焊接過程中壓力施加更加均勻，芯片夾持更加牢靠，焊接更加穩(wěn)定。
文檔編號H01L21/60GK101527271SQ200910043139
公開日2009年9月9日 申請日期2009年4月17日 優(yōu)先權(quán)日2009年4月17日
發(fā)明者唐華平, 姜永正, 磊 杜, 郝長千 申請人:中南大學(xué)