專利名稱：底部填充膠包覆的半導(dǎo)體上焊料凸塊的暴露方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及在連接于基板前，將無(wú)溶劑底部填充膠(solvent-free underfill)應(yīng)用于半導(dǎo)體晶片或芯片的方法。該方法通常被稱為預(yù)先應(yīng)用的底部填充(pre-applied underfill)。
背景技術(shù)：
在半導(dǎo)體組件的構(gòu)造中，半導(dǎo)體晶片或芯片既被電連接又被機(jī)械連接到基板。在一種連接方法中，含有電接線焊盤和電路的芯片正面，即有效面(active face)，突出有焊料堆積物。這些焊料凸塊(solderbumps)與基板上相應(yīng)的接線端子(terminals)對(duì)齊并與之接觸，將焊料加熱到它的熔點(diǎn)或“回流(reflow)”溫度，形成焊接接頭，使得半導(dǎo)體芯片和基板之間形成機(jī)械支撐和電互連。
芯片和基板之間熱膨脹系數(shù)(CTE)的差異經(jīng)常要求將增強(qiáng)材料填充于芯片和基板之間的空隙——這種增強(qiáng)材料即為公知的底部填充膠(underfill)——以便消減因熱膨脹系數(shù)差異引起的應(yīng)力。該種底部填充材料可以用至少三種不同的方法使用。
在被稱為“毛細(xì)管流動(dòng)(capillary flow)”的方法中，半導(dǎo)體芯片通過(guò)焊料互連與基板連接，之后，將底部填充材料在半導(dǎo)體芯片和基板間存在的空隙邊緣四周進(jìn)行分配。該底部填充膠由于毛細(xì)管作用被吸入空隙，然后固化。
在被稱為“無(wú)流動(dòng)(no flow)”的方法中，底部填充材料被分配于基板上，而半導(dǎo)體芯片或電路小片放置于該基板上。放置要使芯片上焊料凸塊與基板上相應(yīng)的焊盤(pads)接觸，然后通過(guò)焊料回流連接。典型地，底部填充膠在焊料回流步驟期間固化，盡管有時(shí)需要一個(gè)附加的固化步驟。無(wú)流動(dòng)組裝也可采用熱壓鍵合的方法進(jìn)行。在該方法中，無(wú)流動(dòng)底部填充膠被分配于基板上，將芯片放置于該基板上，對(duì)芯片和/或基板施以熱和壓力，以實(shí)現(xiàn)回流和互連。當(dāng)施以熱和壓力時(shí)，底部填充膠流出，形成角焊縫(fillets)，并也使焊料凸塊與焊盤形成互連。底部填充膠可能需要一個(gè)附加的固化步驟。
毛細(xì)管流動(dòng)底部填充與無(wú)流動(dòng)底部填充方法都由于它們?cè)谛酒?jí)上操作而耗時(shí)。無(wú)流動(dòng)系統(tǒng)的另一個(gè)主要缺陷是，如果無(wú)流動(dòng)底部填充是充滿的系統(tǒng)，則填充物將干擾焊接。此外，為了支持所需要的熱壓鍵合，無(wú)流動(dòng)方法需要新的工業(yè)基礎(chǔ)設(shè)備取代目前標(biāo)準(zhǔn)的表面貼裝技術(shù)。
已知為“預(yù)先應(yīng)用(pre-applied)”的方法涉及將底部填充膠應(yīng)用在已具有焊料凸塊的整個(gè)硅晶片的有效面上，以及在該階段將晶片分割成各個(gè)單獨(dú)的芯片?！邦A(yù)先應(yīng)用”方法的一個(gè)重要優(yōu)勢(shì)在于其采用標(biāo)準(zhǔn)的“拾取和放置(pick and place)”設(shè)備來(lái)連接芯片和基板的能力。
一般情況下，預(yù)先應(yīng)用的底部填充膠依賴于溶劑型膠粘劑系統(tǒng)，其中溶劑必須被除去和/或底部填充膠被部分固化，形成固化層。這個(gè)過(guò)程，即除去溶劑或部分固化的過(guò)程被稱為B階段過(guò)程(B-staging)。在對(duì)底部填充膠進(jìn)行B階段過(guò)程后，晶片被切割成各個(gè)單獨(dú)的芯片。某些操作中，在進(jìn)行切割之前，可能進(jìn)行背磨過(guò)程(backgrinding process)，以磨薄硅晶片，達(dá)到一個(gè)受控制的厚度。將有效面上的焊球與基板上的接線端子對(duì)齊，并將芯片置于基板上。焊料回流，形成電互連。如果在焊料回流的過(guò)程中底部填充膠未完全固化，則之后可能進(jìn)行一個(gè)單獨(dú)的底部填充膠固化步驟。
目前用晶片級(jí)底部填充膠組裝芯片的工藝如

圖1所示。盡管該晶片級(jí)工藝比毛細(xì)管流動(dòng)法和無(wú)流動(dòng)法具有一些優(yōu)勢(shì)，但它也確實(shí)存在一些缺陷。如果B階段條件非最優(yōu)，則在晶片級(jí)底部填充膠中的殘留溶劑可能在回流期間逸出氣體，從而形成了空隙(空隙最終可能導(dǎo)致不合格的器件)，妨礙了優(yōu)良的焊接(冷焊接接頭)或者形成未與底部填充膠接觸的區(qū)域(非潤(rùn)濕型(non-wets))。進(jìn)一步，當(dāng)?shù)撞刻畛淠z層厚度增加到200微米以上時(shí)，底部填充膠中溶劑的去除變得異常困難。在回流期間殘余溶劑逸出氣體，導(dǎo)致空隙和非潤(rùn)濕。在該工藝中，溶劑去除是一個(gè)額外的步驟，去除的溶劑必須以環(huán)境意識(shí)的方式進(jìn)行處理。
臨時(shí)美國(guó)專利申請(qǐng)?zhí)?0/638,337所述的發(fā)明提供了一種晶片級(jí)無(wú)溶劑底部填充的方法和組合物，其能夠包覆大于200微米，如圖2所示。所述的方法要求去除底部填充膠層，以便暴露焊料凸塊，并能夠用標(biāo)準(zhǔn)的拾取和放置設(shè)備進(jìn)行芯片連接和電互連。可以用許多方法去除底部填充膠，包括機(jī)械研磨法或化學(xué)蝕刻法。然而，該底部填充膠層的去除可能存在問題。機(jī)械研磨一定是相當(dāng)劇烈的，并且必須使用濕法工藝(wet process)，使產(chǎn)生的熱最少，產(chǎn)生的熱可能熔化和涂污焊球。該工藝步驟產(chǎn)生了必須進(jìn)行處理的污水，并將濕氣引入對(duì)濕氣敏感的工藝?；瘜W(xué)蝕刻法產(chǎn)生廢溶劑，這些溶劑必須以環(huán)境敏感的方式予以處理。
在某些情況下，如果采用熱壓鍵合的方法，芯片可以與基板連接而不需去除焊料凸塊上的底部填充膠層。然而，該法需要購(gòu)買工業(yè)中非標(biāo)準(zhǔn)的特殊設(shè)備，而且它的使用將降低采用預(yù)先應(yīng)用底部填充膠包覆的凈成本效益。
發(fā)明概要 本發(fā)明提供解決上述問題的方案，通過(guò)提供下述方法實(shí)現(xiàn)，即，使用柔性材料(compliant material)擠壓底部填充膠，從而暴露底部填充膠包覆的半導(dǎo)體上的焊料凸塊。該方法可在晶片或者芯片級(jí)上使用。
該法最主要的優(yōu)點(diǎn)在于，其形成的被暴露的焊料凸塊能夠通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)的“拾取和放置”設(shè)備進(jìn)行連接操作，直接與基板上接線端子連接。這消除了使用熱壓鍵合的需要或消除了去除包覆的半導(dǎo)體上多余底部填充膠的需要。
附圖簡(jiǎn)述 圖1描述了目前的預(yù)先應(yīng)用組裝過(guò)程。圖2描述了熱熔印制工藝以及去除底部填充膠以暴露焊料凸塊的過(guò)程。圖3描述了本發(fā)明的底部填充膠應(yīng)用過(guò)程。圖4描繪了實(shí)施例1的剖面，熱印制法。圖5描繪了實(shí)施例2的剖面，熱粉末包覆法。圖6描繪了實(shí)施例3的剖面，本發(fā)明方法。圖7描述了實(shí)施例4的剖面，與基板連接的本發(fā)明方法。
發(fā)明詳述 本方法施用一種無(wú)溶劑底部填充膠(solvent-free underfill)于表面含有焊料凸塊陣列的半導(dǎo)體上。本方法包括(a)在半導(dǎo)體上提供具可壓縮狀態(tài)的底部填充膠；(b)將底部填充膠與柔性表面接觸并施予足夠的壓力以暴露焊料凸塊；(c)任選地，使底部填充膠硬化為固態(tài)；和(d)去除該柔性表面。
在一個(gè)實(shí)施方案中，底部填充膠作為固體被沉積于半導(dǎo)體上。該固體形式必須能夠在半導(dǎo)體整個(gè)表面上形成厚度和組成基本均勻的包覆層，例如，可以采用粉末、顆粒、膜和薄片來(lái)實(shí)現(xiàn)。之后，通過(guò)傳統(tǒng)的加熱方法如熱接觸、熱對(duì)流或者紅外加熱進(jìn)行熔融，將固體底部填充膠轉(zhuǎn)化成可壓縮狀態(tài)。取決于所采用的方法，半導(dǎo)體可以處于室溫下，或者可以被加熱到介于室溫和膠粘劑應(yīng)用溫度之間的溫度。
在第二個(gè)實(shí)施方案中，底部填充膠以液體的形式沉積在半導(dǎo)體上。這種液體的狀態(tài)可以通過(guò)使用室溫下為液態(tài)的底部填充膠或者預(yù)加熱室溫下為固態(tài)的底部填充膠至其熔點(diǎn)以上而獲得。該使用的液態(tài)應(yīng)用方法必須能夠在半導(dǎo)體上以厚度和組成基本均勻的層，分布液態(tài)底部填充膠。該均勻的液態(tài)底部填充膠層的應(yīng)用可以通過(guò)一種或多種技術(shù)完成。常規(guī)技術(shù)包括漏板印刷、絲網(wǎng)印刷、“熱熔”印刷、噴射、旋轉(zhuǎn)涂布、注塑成型以及轉(zhuǎn)移成型。取決于所采用的方法，半導(dǎo)體可以處于室溫下，或者可以被加熱到介于室溫和膠粘劑應(yīng)用溫度之間的溫度。
在底部填充膠沉積于半導(dǎo)體上并成液態(tài)之后，可以對(duì)包覆的半導(dǎo)體應(yīng)用真空，以除去底部填充膠的任何俘獲的空氣。這是一步任選工藝步驟，它的采用取決于如下因素，例如所使用的具體底部填充膠、沉積方法以及焊料凸塊排列方式和高度。所需的真空度取決于底部填充膠的粘度和俘獲的空氣的量，并可以由專業(yè)人員無(wú)需過(guò)多的試驗(yàn)加以確定。
本發(fā)明的柔性表面(compliant surface)包括任何具下述特征的材料，即，可以使半導(dǎo)體上的焊料凸塊不變平地進(jìn)入該材料，并且能夠擠壓焊料凸塊頂面以下和頂面周圍的底部填充膠。所選擇的柔性材料應(yīng)適于所使用的具體操作條件，并取決于如下因素，例如焊料凸塊冶金學(xué)硬度、所采用的處理溫度和底部填充膠的流變能力。肖氏A級(jí)硬度為45-80的材料是合適的，然而，根據(jù)組裝結(jié)構(gòu)和制造條件，更硬或者更軟的材料亦可起作用。
柔性材料層的厚度可以是任何厚度，只要它比所需的焊料凸塊暴露高度厚即可。所需焊料凸塊暴露量為焊料凸塊高度的3-20％，并應(yīng)該足夠使拾取和放置設(shè)備上的攝像機(jī)識(shí)別焊料凸塊，以便對(duì)齊，這樣，足夠的焊料凸塊金屬被暴露，以進(jìn)行回流并形成具有接合焊盤的焊接接頭。最優(yōu)的焊料凸塊暴露量由進(jìn)行具體操作的專業(yè)人員確定而無(wú)需過(guò)多的試驗(yàn)。
柔性材料也必須耐具體制造環(huán)境下的處理溫度，并且它的選擇在專業(yè)人員的能力范圍內(nèi)，無(wú)需過(guò)多的試驗(yàn)。在一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施方案中，柔性材料是天然地可與底部填充膠和焊料凸塊分離的，然而，可以使用用于柔性材料的輔助材料例如硅酮?jiǎng)冸x覆層，以防止底部填充膠與柔性材料粘結(jié)。在一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施方案中，柔性材料與半導(dǎo)體分開后恢復(fù)其原始形狀，從而實(shí)現(xiàn)同一種材料的重復(fù)使用。硅酮橡膠是一種具有這種性質(zhì)的典型的柔性材料。然而，如有必要，可使用不恢復(fù)其形狀的柔性材料，并在一次使用后丟棄。典型的不可重復(fù)使用的柔性材料包括但不僅限于聚酯薄膜或聚乙烯薄片。
柔性表面可以通過(guò)正壓或負(fù)壓被擠壓到底部填充膠和焊料凸塊上。所需的壓力大小取決于如下因素，例如焊料凸塊冶金學(xué)硬度和底部填充膠的流變能力。50-350kPa的范圍被通常地使用。
在使用柔性表面過(guò)程中，包覆的半導(dǎo)體可以處于室溫下或被加熱，這根據(jù)所采用的具體底部填充膠組成的要求而定。
在一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施方案中，底部填充膠在壓力去除之前被硬化為固態(tài)。這通常提供了更加均勻的底部填充膠表面并使底部填充膠與柔性層之間的粘附最小化。底部填充膠的固化優(yōu)選地通過(guò)將包覆的半導(dǎo)體暴露于周圍環(huán)境或冷卻環(huán)境，使其冷卻到底部填充膠熔點(diǎn)以下而實(shí)現(xiàn)。固化也可以通過(guò)部分固化底部填充膠或者對(duì)底部填充膠進(jìn)行B階段過(guò)程(B-Staging)而實(shí)現(xiàn)?？蛇x地，柔性層可以在底部填充膠固化之前除去。
在以這樣的方式施用底部填充膠之后，在暴露的焊料凸塊上可能仍存在一層很薄的底部填充膠。取決于所使用的冶金學(xué)性質(zhì)及處理設(shè)備，在很多情況下，這層薄的底部填充膠不會(huì)妨礙與基板上端子焊盤合適地形成焊接接頭。然后，半導(dǎo)體可通過(guò)常規(guī)的倒裝片芯片連接法進(jìn)行處理。然而，在一些情況下，可能期望或要求除去這層薄的底部填充材料，而這可以通過(guò)溫和的機(jī)械研磨或者化學(xué)蝕刻法實(shí)現(xiàn)。
本發(fā)明的底部填充過(guò)程如圖3所示。
實(shí)施例 包覆的半導(dǎo)體晶片通過(guò)三種不同的方法產(chǎn)生，以進(jìn)行比較。在所有實(shí)施例中，晶片為直徑8英寸、厚度為750毫米的硅片，具有高為350-400毫米的低共熔(Sn63Pb37)焊料凸塊，焊料凸塊以1.3mm間距排列。所有實(shí)施例中使用的底部填充膠均為環(huán)氧型組合物，其在室溫下為固體，并在90℃-110℃之間熔融。
實(shí)施例1為比較實(shí)施例，采用標(biāo)準(zhǔn)的熱印制法包覆晶片，其中將膠粘劑預(yù)加熱到120℃，并使用刮板(squeegee)和350-400毫米厚的不銹鋼模板將其印制于晶片上。然后，將晶片暴露于周圍環(huán)境中，直至底部填充膠固化，并在光學(xué)顯微鏡下檢查包覆的晶片的剖面。如圖4所示，剖面顯示了焊料凸塊頂部之上清晰可測(cè)的底部填充膠層。另一塊以相同的方式包覆的晶片被分割成各個(gè)單獨(dú)的芯片，以便連接到基板上。然而，當(dāng)在標(biāo)準(zhǔn)的拾取和放置設(shè)備，Metcal 1500返修工作臺(tái)(rework station)上使用時(shí)，該設(shè)備的光學(xué)識(shí)別系統(tǒng)不能檢測(cè)芯片上的焊球，因而芯片不能被對(duì)準(zhǔn)和被置于基板上。覆蓋焊球的底部填充膠層太厚，以至于無(wú)法使用拾取和放置設(shè)備將芯片與基板連接。
實(shí)施例2為比較實(shí)施例，采用熱粉末包覆法包覆晶片。在這個(gè)實(shí)施例中，晶片被加熱至120℃，粉末狀底部填充膠被緩慢地撒于晶片表面。繼續(xù)這一實(shí)施過(guò)程，直至足夠的材料沉積，以致底部填充膠完全覆蓋焊料凸塊。使包覆的晶片冷卻至周圍溫度，并用光學(xué)顯微鏡檢查包覆的晶片的剖面。如圖5所示，剖面顯示了焊料凸塊頂面上清晰可測(cè)的底部填充膠層。另一塊以相同的方式包覆的晶片被分割成各個(gè)單獨(dú)的芯片，以便與基板連接。然而，當(dāng)在標(biāo)準(zhǔn)的拾取和放置設(shè)備，Metcal 1500返修工作臺(tái)上使用時(shí)，該設(shè)備的光學(xué)識(shí)別系統(tǒng)不能檢測(cè)芯片上的焊球，因而芯片不能被對(duì)準(zhǔn)和被置于基板上。覆蓋焊球的底部填充膠層太厚，以至于無(wú)法使用拾取和放置設(shè)備將芯片與基板連接。
實(shí)施例3中，晶片用本發(fā)明的方法包覆。本實(shí)施例所使用的柔性材料是玻璃纖維增強(qiáng)硅酮橡膠薄片，1/16″(英寸)厚，肖氏A硬度測(cè)定計(jì)測(cè)量的硬度為60-80。將柔性材料薄片附著于滾筒(platen)上，并作為擠壓裝置。采用上述的熱粉末包覆法，將底部填充膠施用于晶片上。將包覆的晶片保持在90℃-120℃的同時(shí)，柔性材料通過(guò)擠壓裝置以約50kPa的壓力被擠壓在包覆晶片上7分鐘。冷卻該組裝物至周圍溫度，然后移去該擠壓裝置。用光學(xué)顯微鏡檢查該包覆晶片剖面。如圖6所示，剖面顯示，焊料凸塊凸出底部填充膠，其上僅有很微小的殘留層。
實(shí)施例4中，晶片以本發(fā)明的方法包覆，如實(shí)施例3所述。在除去擠壓裝置之后，包覆的晶片被分割成7×7mm的芯片，將該芯片與基板連接，以測(cè)定它們?cè)跊]有底部填充膠去除步驟的情況下形成焊接接頭的能力。本測(cè)試使用的基板是銅板，其具有與測(cè)試芯片的焊料凸塊排列方式相同的低共熔焊料焊盤。將一種商業(yè)可得的助熔劑以焊盤的高度印制于基板上，焊盤高度大約為180-220毫米。然后，將芯片與基板上的焊盤對(duì)齊放置，并在室溫下用Metcal 1500返修工作臺(tái)進(jìn)行連接。然后，采用220℃峰值溫度曲線，將組裝物在焊料液相線以上進(jìn)行回流60-90秒。然后，將得到的組裝物橫切，并在光學(xué)顯微鏡下進(jìn)行檢查。從圖7可見連接的裝配件、回流后的焊球以及與基板上接合焊盤形成的冶金焊接接頭的剖面。
權(quán)利要求
1.一種將無(wú)溶劑底部填充膠施用于表面具有焊料凸塊陣列的半導(dǎo)體上的方法，包括i.在半導(dǎo)體上提供具可壓縮狀態(tài)的底部填充膠；ii.將所述底部填充膠與柔性表面接觸，并施予足夠的壓力，以暴露焊料凸塊；iii.任選地，將所述底部填充膠硬化為固態(tài)；和iv.去除所述柔性表面。
2.權(quán)利要求1所述的方法，其中所述底部填充膠通過(guò)以固體粉末的形式沉積于半導(dǎo)體上而被提供，并通過(guò)熔融，轉(zhuǎn)化成可壓縮的狀態(tài)。
3.權(quán)利要求1所述的方法，其中所述底部填充膠以液體的形式被沉積于半導(dǎo)體上。
4.權(quán)利要求1所述的方法，其中所述底部填充膠是可固化的環(huán)氧樹脂。
5.權(quán)利要求1所述的方法，其中所述柔性表面是硅酮橡膠。
6.權(quán)利要求1所述的方法，其中所述半導(dǎo)體是硅芯片。
7.權(quán)利要求1所述的方法，其中所述半導(dǎo)體是硅晶片。
全文摘要
一種將無(wú)溶劑底部填充膠施用于含有焊料凸塊的半導(dǎo)體上的方法，包括在半導(dǎo)體上提供具可壓縮狀態(tài)的底部填充膠；將底部填充膠與柔性表面接觸，并施予足夠的壓力，以暴露焊料凸塊；任選地，使底部填充膠硬化為固態(tài)；和去除柔性表面。
文檔編號(hào)H01L21/28GK1901150SQ20061010630
公開日2007年1月24日 申請(qǐng)日期2006年7月19日 優(yōu)先權(quán)日2005年7月22日
發(fā)明者R·沙瓦里, C·多米尼克 申請(qǐng)人:國(guó)家淀粉及化學(xué)投資控股公司