專利名稱：一種面陣封裝電子元件的室溫超聲波軟釬焊方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及到微電子及光電子器件的封裝和組裝互連方法，尤其涉及到一種面陣
封裝電子元件的室溫超聲波軟釬焊方法。
背景技術(shù)：
隨著電子封裝器件向高密度化方向發(fā)展，出現(xiàn)了球柵陣列封裝(BGA :BallGrid Assembly)、芯片級封裝(CSP :Chip Scale Packaging)、晶片多層三維封裝等面陣封裝技 術(shù)。面陣封裝技術(shù)是芯片以凸臺陣列結(jié)構(gòu)與基板直接安裝互連的一種方法，其封裝互連結(jié) 構(gòu)如圖1所示。倒裝焊接工藝可進(jìn)一步分為再流焊，熱壓、熱超聲焊和導(dǎo)電膠互連。采用導(dǎo) 電膠互連時，金屬凸臺被導(dǎo)電膠替代，此時存在著接頭強(qiáng)度低、易老化、電阻率高等問題。采 用熱壓、熱超聲焊時，需要采用金球凸臺，存在著成本高、工藝復(fù)雜等問題。而采用再流焊 時，不存在上述問題。 目前，常用的再流焊方法主要有(l)熱風(fēng)爐再流焊；(2)紅外再流焊；(3)氣相再 流焊；(4)激光再流焊；(5)高頻電磁感應(yīng)再流焊。前三種方法屬于對電子封裝器件整體熱 傳導(dǎo)加熱互連方法，會導(dǎo)致焊裝結(jié)構(gòu)產(chǎn)生殘余應(yīng)力甚至焊點(diǎn)微裂紋，并對熱敏材料造成熱 沖擊，給電子封裝器件的可靠性帶來隱患。激光再流焊能實現(xiàn)局部快速加熱形成可靠互連， 但是激光只能加熱顯式互連接頭，不能加熱BGA、 CSP等面陣封裝器件中的隱式互連接頭。 采用高頻電磁感應(yīng)再流焊，能夠?qū)λ械娘@式和隱式接頭實現(xiàn)局部加熱，提高互連接頭可 靠性，但是電磁感應(yīng)的范圍較難控制，容易感應(yīng)加熱周邊的金屬化層，影響組件的可靠性。
基于上述現(xiàn)有流焊方法的不足之處，本發(fā)明人研發(fā)了"一種面陣封裝電子元件的 室溫超聲波軟釬焊方法"。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對上述現(xiàn)有技術(shù)的不足所要解決的技術(shù)問題是提供一種用橫向振動的
超聲波進(jìn)行面陣封裝芯片互連的超聲波軟釬焊新方法。
本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是 (1)準(zhǔn)備面陣封裝器件； (2)準(zhǔn)備對應(yīng)焊盤； (3)面陣封裝器件和焊盤位置相對準(zhǔn)； (4)用橫向振動超聲波振子對面陣封裝器件施加一定的超聲振動和縱向壓力，釬 料凸臺與對應(yīng)的焊盤表面產(chǎn)生高頻摩擦，并逐漸下塌，同時與基板焊盤之間形成冶金連接。
所述的步驟(三)中的超聲振動頻率為20KHz-100KHz，振動時間為0. ls-6s，鍵合 壓力為0. 1-6. 5bar。 所述的超聲振動頻率為20KHz，振動時間為3s。
所述的對應(yīng)焊盤在上焊前不涂抹釬劑。 本發(fā)明是基于下述原理實現(xiàn)的在超聲波振動的作用下，具有低屈服強(qiáng)度的釬料
3凸臺內(nèi)的錯位滑移機(jī)構(gòu)被激發(fā)，而焊接接頭的其他部位則處于彈性擾動狀態(tài)。此時，在正向 壓力的作用下，凸臺和下焊盤接觸界面上發(fā)生大程度的塑性變形去除了表面氧化膜，同時 在接觸界面發(fā)生元素擴(kuò)散(或在接觸界面微米級區(qū)域內(nèi)發(fā)生釬料熔化)，從而形成連接。采 用橫向振動的超聲波進(jìn)行面陣封裝芯片的互連，實現(xiàn)室溫下焊接界面氧化膜的機(jī)械去除； 可實現(xiàn)無釬劑軟釬焊；在室溫下進(jìn)行焊接，避免了焊接接頭的再加熱過程，不會產(chǎn)生熱應(yīng) 力，抑制界面金屬間化合物的形成，可提高電子封裝器件的可靠性；焊接過程在大氣條件下 進(jìn)行，不需要保護(hù)氣氛。 本發(fā)明一種面陣封裝電子元件的室溫超聲波軟釬焊方法的有益效果是 在室溫條件下利用切向振動超聲波進(jìn)行面陣封裝器件釬料合金焊點(diǎn)的互連，避免
了焊接結(jié)構(gòu)經(jīng)歷再熱循環(huán)的過程，不僅消除了熱應(yīng)力的形成，而且抑制了金屬間化合物的
形核和晶粒生長，提高了接頭的可靠性和電氣性能。此外，本發(fā)明還具有工序簡單、速度快、
無釬劑、不用進(jìn)行嚴(yán)格的表面清潔處理等優(yōu)點(diǎn)。


下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明進(jìn)一步說明。 圖1為面陣封裝結(jié)構(gòu)示意圖； 圖2為本發(fā)明的器件準(zhǔn)備狀態(tài)示意圖； 圖3為本發(fā)明的焊盤準(zhǔn)備狀態(tài)示意圖； 圖4為面陣封裝器件的對準(zhǔn)貼裝狀態(tài)示意圖； 圖5為本發(fā)明的室溫超聲軟釬焊原理圖； 圖6為本發(fā)明的完成鍵合時狀態(tài)示意圖。
具體實施例方式參照圖2至圖6，本發(fā)明是這樣實施的
本發(fā)明通過步驟實現(xiàn)( — )準(zhǔn)備面陣封裝器件，如圖2所示；(二 )準(zhǔn)備對應(yīng)焊盤，如圖3 ;(三)面陣封 裝器件和焊盤位置對準(zhǔn)，如圖4所示；(四)用橫向振動超聲波振子對面陣封裝器件施加一
定的超聲振動和縱向壓力，釬料凸臺與對應(yīng)的焊盤表面產(chǎn)生高頻摩擦，并逐漸下塌，同時與
基板焊盤之間形成冶金連接，如圖5與圖6所示。 實施方式一 準(zhǔn)備4X4BGA封裝器件，凸臺直徑小10 ii m 小500 ii m，間距 10 ii m 500 ii m ;準(zhǔn)備4X4BGA對應(yīng)焊盤，焊盤材料為Au/Ni/Cu，其厚度分別為(10nm 5iim)/(liim 5iim)/(10iim 100iim);把附有釬料凸臺的電子器件的互連焊盤對準(zhǔn)印 刷電路板上的焊盤進(jìn)行貼裝；采用固定頻率為20 100kHz的切向振動超聲波焊機(jī)進(jìn)行焊 接。設(shè)定焊接壓力(0. 1 6. 5bar)，焊接時間(0. 1 6s)，輸入能量(10 900ws)后，啟 動超聲波焊機(jī)，上聲極在氣缸推動的鍵合壓力F下壓緊在下聲極上面的上焊件表面，然后 觸發(fā)超聲波使釬料凸臺和印刷電路板的焊盤材料連接，最后是將上聲極回撤，工序完成。
實施方式二 實施方式一的第二步驟中，Au/Ni/Cu焊盤改為Sn/Cu焊盤，其尺寸為 (liim 10iim)/(10iim 100 y m)，其余步驟與實施方式一相同； 實施方式三實施方式一的第二步驟中，Au/Ni/Cu焊盤改為Sn基金屬間化合物層/Cu焊盤，其尺寸為(0. liim 10iim)/(10iim 100 y m)，其余步驟與方式一相同；
實施方式四在實施方式一、二、三中，步驟二，三之間增加了焊盤表面涂一層釬劑 工序。 以上所述，僅是本發(fā)明一種面陣封裝電子元件的室溫超聲波軟釬焊方法的較佳實 施例而已，并非對本發(fā)明的技術(shù)范圍作任何限制，凡是依據(jù)本發(fā)明的技術(shù)實質(zhì)對以上的實 施例所作的任何細(xì)微修改、等同變化與修飾，均仍屬于本發(fā)明技術(shù)方案的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
一種面陣封裝電子元件的室溫超聲波軟釬焊方法，其特征是通過下述步驟予以實現(xiàn)的(一)準(zhǔn)備面陣封裝器件；(二)準(zhǔn)備對應(yīng)焊盤；(三)面陣封裝器件和焊盤位置對準(zhǔn)；(四)用橫向振動超聲波振子對面陣封裝器件施加一定的超聲振動和縱向壓力，釬料凸臺與對應(yīng)的焊盤表面產(chǎn)生高頻摩擦，并逐漸下塌，同時與基板焊盤之間形成冶金連接。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的面陣封裝電子元件的室溫超聲波軟釬焊方法，其特征在于 所述的步驟(三)中的超聲振動頻率為20KHz-100KHz，振動時間為0. ls-6s，鍵合壓力為 0. 1_6. 5bar。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的面陣封裝電子元件的室溫超聲波軟釬焊方法，其特征在于所 述的超聲振動頻率為20KHz，振動時間為3s。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的面陣封裝電子元件的室溫超聲波軟釬焊方法，其特征在于所 述的對應(yīng)焊盤在上焊前不涂抹釬劑。
全文摘要
本發(fā)明涉及到微電子及光電子器件的封裝和組裝互連方法，尤其涉及到一種面陣封裝電子元件的室溫超聲波軟釬焊方法。其步驟是1)準(zhǔn)備面陣封裝器件；2)準(zhǔn)備對應(yīng)焊盤；3)面陣封裝器件和焊盤位置相對準(zhǔn)；4)用橫向振動超聲波振子對面陣封裝器件施加一定的超聲振動和縱向壓力，釬料凸臺與對應(yīng)的焊盤表面產(chǎn)生高頻摩擦，并逐漸下塌，同時與基板焊盤之間形成冶金連接。其有益效果是在室溫條件下利用切向振動超聲波進(jìn)行面陣封裝器件釬料合金焊點(diǎn)的互連，避免了焊接結(jié)構(gòu)經(jīng)歷再熱循環(huán)的過程，消除了熱應(yīng)力的形成和抑制了金屬間化合物的形核和晶粒生長，提高接頭的可靠性和電氣性能。本方法還具有工序簡單、速度快、無釬劑、不用進(jìn)行嚴(yán)格的表面清潔處理等優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號H01L21/607GK101728289SQ200810168269
公開日2010年6月9日 申請日期2008年10月10日 優(yōu)先權(quán)日2008年10月10日
發(fā)明者區(qū)大公, 張志能, 李明雨, 漢晶, 王曉林, 計紅軍 申請人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)深圳研究生院;日東電子科技(深圳)有限公司