專利名稱：多芯片組件同質(zhì)鍵合系統(tǒng)質(zhì)量一致性改進(jìn)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明創(chuàng)造涉及多芯片組件(簡稱MCM)，具體來說，涉及陶瓷厚膜型多芯片組件(簡稱MCM -C),更進(jìn)一步來說，涉及同質(zhì)鍵合系統(tǒng)陶瓷厚膜型多芯片組件。
背景技術(shù)：
原有的多芯片組件集成技術(shù)中，是在厚膜低溫多層共燒陶瓷基片(簡稱LTCC基片)上，采用絲網(wǎng)印刷的方式，將金漿、銀漿或鈀-銀漿料等導(dǎo)體漿料、釕系電阻漿料，按頂層布圖設(shè)計的要求，在LTCC基片上形成導(dǎo)帶、阻帶圖形，經(jīng)高溫?zé)Y(jié)后成型。在導(dǎo)帶的端頭、或指定的地方，形成鍵合區(qū)域、半導(dǎo)體芯片組裝區(qū)域、或其它片式元器件組裝區(qū)域，其余區(qū)域(包括厚膜阻帶)用玻璃鈾絕緣層進(jìn)行表面保護(hù)。在基片上進(jìn)行半導(dǎo)體芯片、其他片式元器件的組裝，芯片(通常為鋁鍵合區(qū))、導(dǎo)帶(通常為金或銀鍵合區(qū))、管腳(通常為金或鎳鍵合區(qū))之間采用金絲或硅-鋁絲進(jìn)行鍵合聯(lián)接，形成完整的電路連接，由此形成的鍵合系統(tǒng)為金-鋁(Au-Al)、銀-鋁(Ag-Al)或鎳-鋁(N1-Al)異質(zhì)鍵合系統(tǒng)。原有技術(shù)存在的主要問題是:①銀導(dǎo)帶、鈀銀導(dǎo)帶中，銀容易氧化，且在長期通電情況下，容易產(chǎn)生電遷移現(xiàn)象，嚴(yán)重影響器件的可靠性，通常表現(xiàn)為鍵合強(qiáng)度的衰退；②金導(dǎo)帶在大電流情況下，在Au-Al鍵合系統(tǒng)中，鍵合接觸區(qū)域金層電遷移現(xiàn)象明顯，在Au-Al間容易形成“紫斑”，其產(chǎn)物成份為AuAl2，造成Au-Al鍵合時形成的合金點疏松和空洞化，最終鍵合力大幅下降；③金-鋁鍵合系統(tǒng)在高溫下，由于金向鋁中擴(kuò)散，Au-Al間形成“白斑”，其產(chǎn)物為Au2A1、Au5Al2, Au5Al,形成一層脆而絕緣的金屬間化合物(即金鋁化合物)，這種產(chǎn)物可以使合金點電導(dǎo)率大幅降低，嚴(yán)重時可以形成開路；④芯片(表面金屬層為鋁層)、導(dǎo)帶(金導(dǎo)帶或銀導(dǎo)帶)、引線柱(鍍金或鍍鎳)、引線(金絲或硅鋁絲)之間，在鍵合工藝中很難兼容各自的要求；⑤厚膜導(dǎo)帶、厚膜鍵合區(qū)表面的粗糙度較大，鍵合系統(tǒng)鍵合拉力和長期可靠性等質(zhì)量一致性較差的問題。經(jīng)檢索，涉及多芯片組件的專利申請件有20余件，但沒有改善多芯片組件同質(zhì)鍵合系統(tǒng)質(zhì)量一致性的申請件。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種多芯片組件同質(zhì)鍵合系統(tǒng)質(zhì)量一致性改進(jìn)方法，以克服原有多芯片組件集成技術(shù)的缺陷，解決多芯片組件同質(zhì)鍵合系統(tǒng)的質(zhì)量一致性問題，提高可靠性，使其能夠廣泛應(yīng)用于高端產(chǎn)品。發(fā)明人研究發(fā)現(xiàn)由于LTCC基片本身表面較為粗糙，加上厚膜漿料顆粒大及絲網(wǎng)印刷網(wǎng)孔有一定厚度，厚膜導(dǎo)帶/鍵合區(qū)表面比較粗糙，表面平整度較差，其粗糙度通常在2 5 μ m，而薄膜厚度通?？刂圃贗 5 μ m，因此，直接在其表面直接形成的薄膜厚度均勻性、薄膜質(zhì)量均勻性比較差，會導(dǎo)致鋁-鋁(A1-A1)鍵合質(zhì)量的一致性較差，從而造成每個同質(zhì)鍵合系統(tǒng)鍵合拉力、可靠性的一致性比較差。因此必須解決鍵合區(qū)域表面的平整度問題。
為達(dá)到上述發(fā)明目的，發(fā)明人是從提高每個同質(zhì)鍵合系統(tǒng)質(zhì)量一致性的角度出發(fā)，采用對每個鍵合區(qū)逐個局部化學(xué)機(jī)械拋光(CMP)的方法來實現(xiàn)的，具體做法是:選擇合適的貴金屬拋光液，通過局部拋光機(jī)對每個鍵合區(qū)進(jìn)行拋光，使其表面平整度< 0.Ιμπι，之后采用機(jī)械掩模的方法，在高真空濺射臺或蒸發(fā)臺中，在已拋光的鍵合區(qū)表面形成一層鋁薄膜、鎳-鉻-鋁或鉻-銅-鋁復(fù)合薄膜；最后，按常規(guī)混合集成電路集成工藝，將半導(dǎo)體芯片和片式元器件集成在處理后的厚膜基片上，半導(dǎo)體芯片的鍵合采用硅-鋁絲鍵合，管腳與基片之間采用金絲鍵合，即可實現(xiàn)質(zhì)量一致性好、可靠性高的金-金(Au-Au)、鋁-鋁(Al-Al)同質(zhì)鍵合。上述貴金屬拋光液的磨粒硬 度在5GPa 50GPa、粒子直徑≤lOOnm。上述鋁薄膜、或鎳-鉻-鋁復(fù)合薄膜或鉻-銅-鋁復(fù)合薄膜的厚度通常控制在I 5 μ m0上述片式元器件不包括半導(dǎo)體芯片。本發(fā)明方法有以下特點:①通過局部化學(xué)機(jī)械拋光，使LTCC基片上的所有鍵合區(qū)表面的平整度控制在< 0.1 μ m，提高在鍵合區(qū)表面制備鋁薄膜厚度和質(zhì)量的一致性、均勻性，提高同質(zhì)鍵合系統(tǒng)的質(zhì)量一致性，從而提高多芯片組件的可靠性和成品率；②改善厚膜金導(dǎo)帶鍵合區(qū)與硅-鋁絲的鍵合性能，形成高可靠同質(zhì)鍵合系統(tǒng)。提高了多芯片組件長期充分可靠工作的能力通過改變金屬掩模通孔尺寸的大小，可以在同一金導(dǎo)帶鍵合區(qū)上形成局部鋁鍵合區(qū)，可同時兼容金絲鍵合(鍵合區(qū)與鍍金管腳之間)、硅-鋁絲鍵合(基片鍵合區(qū)與芯片鍵合區(qū)之間)，形成高可靠完美鍵合系統(tǒng)。此類器件廣泛應(yīng)用于航天、航空、船舶、精密儀器、通訊、工業(yè)控制等領(lǐng)域，特別適用于大功率、高可靠、宇航級等應(yīng)用領(lǐng)域，具有廣闊的市場前景和應(yīng)用空間。


以下附圖用以比較本發(fā)明與原有技術(shù)的區(qū)別，并進(jìn)一步說明本發(fā)明方法。圖1為原有集成技術(shù)示意圖，圖2為原有技術(shù)的金導(dǎo)帶/金鍵合區(qū)放大示意圖，圖3為本發(fā)明的局部(鍵合區(qū))化學(xué)機(jī)械拋光放大示意圖，圖4為本發(fā)明的局部(鍵合區(qū))拋光后淀積鋁膜放大示意圖，圖5為本發(fā)明的集成技術(shù)示意圖，圖6為原有的工藝流程圖，圖7為本發(fā)明的工藝流程圖。圖中，I為底座，2為管腳鍍鎳端面，3為金導(dǎo)帶/金鍵合區(qū)，4為半導(dǎo)體芯片，5為硅鋁絲內(nèi)引線，6為阻帶，7為片式元器件，8為LTCC基片，9為管腳，10為內(nèi)層通孔，11為內(nèi)層導(dǎo)帶，12為管腳鍍金端面，13為金絲內(nèi)引線，14為淀積的鋁薄膜。LTCC基片中的陶瓷片為多層，至少二層。
具體實施例方式實施例用來對原有集成技術(shù)和本發(fā)明進(jìn)行比較，以更好地說明本發(fā)明。實施例1:
原有工藝流程如圖6所示，流程簡述如下:
(1)材料準(zhǔn)備:準(zhǔn)備好生瓷片、金導(dǎo)體漿料、釕系電阻漿料、半導(dǎo)體芯片等；
(2)裁片:根據(jù)具體產(chǎn)品LTCC基片的尺寸按要求進(jìn)行裁片；(3)沖孔:各層間通過通孔及導(dǎo)帶進(jìn)行互連。采用機(jī)械沖孔方式，按產(chǎn)品設(shè)計的圖形及孔徑制成LTCC基片各層陶瓷片間的互聯(lián)通路；
(4)填孔及導(dǎo)帶印刷:在陶瓷片上通過絲網(wǎng)印刷的方法，將金屬漿料填充到過孔內(nèi)，按規(guī)定圖形印刷出導(dǎo)帶圖形，并烘干(150°C、IOmin)；
(5)阻帶印刷:在陶瓷片上通過絲網(wǎng)印刷的方法，將電阻漿料按規(guī)定圖形印刷出阻帶圖形，并烘干(150°C、IOmin)；
(6)疊片:將各層陶瓷片按照設(shè)計順序進(jìn)行精確疊放。為使得陶瓷片相互緊密粘連，需把流延時預(yù)置的襯底薄膜揭除；
(7)等靜壓:將已經(jīng)精確疊放的多層陶瓷在機(jī)械 高壓下進(jìn)行貼合，實現(xiàn)緊密接觸；
(8)切割:將靜壓之后的陶瓷片，按照模塊邊界進(jìn)行切割分離；
(9)燒結(jié):陶瓷片切割分離后，在燒結(jié)爐中進(jìn)行排膠和燒結(jié)，使瓷材硬化結(jié)構(gòu)穩(wěn)定；
(10)通過絲網(wǎng)印刷的方法，在燒結(jié)后的LTCC基片表面印刷導(dǎo)帶圖形和阻帶圖形，并烘干(150°C、10min)。在燒結(jié)爐中進(jìn)行排膠和燒結(jié)(850°C、lOmin，總時間35min)；
(11)激光調(diào)阻:使用功率激光對通過絲網(wǎng)印刷制成的電阻進(jìn)行精細(xì)調(diào)節(jié)，以達(dá)到設(shè)計要求；
(12)檢測:對調(diào)阻后的LTCC成膜基片進(jìn)行外觀檢驗和電氣測試；
(13)將LTCC成膜基片采用合金焊接的方式裝貼在管基上，按常規(guī)集成電路組裝工藝，進(jìn)行半導(dǎo)體芯片、其他貼片元器件的組裝，完成內(nèi)引線鍵合；
(14)對功能及外觀按產(chǎn)品要求進(jìn)行檢驗；
(15)在高純氮的保護(hù)下、在150°C左右的爐子中進(jìn)行8h以上的高溫烘烤，將水汽徹底烘干；
(16)封帽:在特定環(huán)境中進(jìn)行封帽，完成整個器件的集成與生產(chǎn)；
(17)按產(chǎn)品工藝文件與檢驗文件，完成器件的測試、篩選、打印與包裝入庫。結(jié)果如圖1所不，鍵合系統(tǒng)為金-招異質(zhì)鍵合系統(tǒng)。實施例2
本發(fā)明的工藝流程如圖7所示，圖中虛線框內(nèi)為改進(jìn)的工藝:
在厚膜電阻修調(diào)、測試完畢后，增加金厚膜鍵合區(qū)表面局部化學(xué)機(jī)械拋光工藝，才能完成LTCC成膜基片的制作，增加部分的工藝描述如下:
(O按需進(jìn)行鋁-鋁(Al-Al)鍵合的鍵合區(qū)圖形，采用不銹鋼片或坡鏌合金片，利用光刻的方法進(jìn)行鍵合區(qū)機(jī)械掩模的制備；
(2)準(zhǔn)備磨粒硬度為25GPa±5GPa、粒子直徑為50nm±10nm的金拋光液；
(3)通過局部拋光機(jī)對需要進(jìn)行鋁-鋁鍵合的金鍵合區(qū)進(jìn)行化學(xué)機(jī)械拋光，表面平整度控制在≤0.Ιμπι；
(4)去離子水清洗、烘干；
(5)在高真空磁控濺射臺中利用機(jī)械掩模進(jìn)行鎳-鉻-鋁復(fù)合薄膜的制備，掩模套準(zhǔn)精度小于10 μ m,復(fù)合膜厚度:N1-Cr:0.6 μ m、Al:3.0 μ m ；
(6)淀積膜檢查；
(7)進(jìn)入材料檢驗工序。除增加的工序外，其余工序同實施例1。
結(jié)果如圖7所示，實現(xiàn)金-金(Au-Au)、鋁-鋁(Al-Al)同質(zhì)鍵合，通過局部機(jī)械化學(xué)拋光，達(dá)到了鍵合系統(tǒng)質(zhì)量一致性的要求。
權(quán)利要求
1.一種多芯片組件同質(zhì)鍵合系統(tǒng)質(zhì)量一致性改進(jìn)方法，其特征在于該方法從提高每個同質(zhì)鍵合系統(tǒng)質(zhì)量一致性的角度出發(fā)，采用對每個鍵合區(qū)逐個局部化學(xué)機(jī)械拋光的方法來實現(xiàn)的，具體做法是:選擇合適的貴金屬拋光液，通過局部拋光機(jī)對每個鍵合區(qū)進(jìn)行拋光，使其表面平整度< 0.1 μ m，之后采用機(jī)械掩模的方法，在高真空濺射臺或蒸發(fā)臺中，在已拋光的鍵合區(qū)表面形成一層鋁薄膜、鎳-鉻-鋁或鉻-銅-鋁復(fù)合薄膜；最后，按常規(guī)混合集成電路集成工藝，將半導(dǎo)體芯片和片式元器件集成在處理后的成膜基片上，半導(dǎo)體芯片的鍵合采用硅-鋁絲鍵合，管腳與基片之間采用金絲鍵合，即可實現(xiàn)質(zhì)量一致性好、可靠性高的金-金、鋁-鋁同質(zhì)鍵合。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述貴金屬拋光液的磨粒硬度在5GPa 50GPa范圍內(nèi)，粒子直徑在IOOnm以內(nèi)。
3.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述鋁薄膜、或鎳-鉻-鋁復(fù)合薄膜或鉻-銅-鋁復(fù)合薄膜的厚度控制在I 5 μ m以內(nèi)。
全文摘要
本發(fā)明公開了多芯片組件同質(zhì)鍵合系統(tǒng)質(zhì)量一致性改進(jìn)方法，該方法在原有工藝的厚膜電阻修調(diào)并測試完畢后，增加金厚膜鍵合區(qū)表面局部化學(xué)機(jī)械拋光工藝，具體是選擇貴金屬拋光液，通過局部拋光機(jī)對每個鍵合區(qū)進(jìn)行拋光，使其表面平整度≤0.1μm；然后用機(jī)械掩模方法，在高真空濺射臺或蒸發(fā)臺中，在鍵合區(qū)表面形成一層鋁薄膜、或鎳-鉻-鋁或鉻-銅-鋁復(fù)合薄膜；最后，按常規(guī)混合集成電路集成工藝，將半導(dǎo)體芯片和片式元器件集成在成膜基片上，半導(dǎo)體芯片的鍵合采用硅-鋁絲鍵合，管腳與基片之間采用金絲鍵合，實現(xiàn)質(zhì)量一致性好、可靠性高的金-金、鋁-鋁同質(zhì)鍵合。此類器件應(yīng)用領(lǐng)域廣泛，特別適用于大功率、高可靠、宇航級等領(lǐng)域。
文檔編號H01L21/60GK103107105SQ20121053308
公開日2013年5月15日 申請日期2012年12月12日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月12日
發(fā)明者楊成剛, 蘇貴東 申請人:貴州振華風(fēng)光半導(dǎo)體有限公司