一種基于銅微針錐同種結構的固態(tài)超聲鍵合方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于銅微針錐同種結構的固態(tài)超聲鍵合方法，其特征在于，包括步驟如下：選擇具有相互匹配的電互連焊盤的兩個或多個待鍵合元件，兩兩形成一待鍵合偶；在待鍵合偶的其中一側的焊盤上形成銅微針錐；在待鍵合偶的另一側的焊盤上形成相同形貌的銅微針錐；將待鍵合偶的一側元件吸附在鍵合裝置壓頭表面；將待鍵合偶的兩側的焊盤對準，使兩側的所述銅微針錐匹配接觸，向待鍵合偶的一側施加鍵合壓力和超聲振動并保持一定時間，使得兩側的所述銅微針錐互連鍵合。本發(fā)明的工藝過程簡單，無需加熱及助焊劑，可以避免對器件產(chǎn)生熱損傷，提高產(chǎn)品可靠性；微針錐結構的使用縮短了超聲鍵合的時間，提高了互連的有效性和鍵合密度。
【專利說明】
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及半導體芯片封裝領域，具體是通過表面微針錐金屬層的使用，實現(xiàn)元 件間超聲互連鍵合的方法。 一種基于銅微針錐同種結構的固態(tài)超聲鍵合方法

【背景技術】
[0002] 隨著電子互連技術的發(fā)展，封裝密度和集成化不斷提高。電互連技術的革新是微 電子技術發(fā)展的關鍵所在。傳統(tǒng)的熔融鍵合通過高溫使得焊料在焊點處融化潤濕，冷卻后 使得鍵合點固化，從而獲得較好的連接。然而對于一些高度集成化的芯片，高溫互連的過程 可能會影響器件的可靠性，同時伴隨著較大的能量消耗。如傳統(tǒng)的再流焊工藝需要將溫度 加熱到焊料熔點以上，高的溫度環(huán)境對芯片本身會產(chǎn)生惡劣的影響，大大降低產(chǎn)品的可靠 性。
[0003] 出于對增強器件可靠性和降低制造成本這兩個因素的考量，盡可能低的芯片互連 溫度成為目前互連技術研究的焦點。國內(nèi)外大量學者都在研究新型低溫互連技術，但是這 些新技術通常伴有比較苛刻的工藝條件，所以其應用范圍非常有限。例如利用納米級金、銀 等材料的高表面能，降低再結晶溫度，從而在壓力輔助下產(chǎn)生低溫燒結現(xiàn)象，進而實現(xiàn)低溫 焊接。對于直徑為l〇〇nm的納米銀顆粒而言，鍵合可在300° C以下溫度、25MPa壓力下進 行，獲得剪切強度在l〇MPa以上。又例如，一些金屬在低溫下可相互作用形成高熔點金屬間 化合物，如銦-銀，銦-錫等都可以用來實現(xiàn)低溫互連。
[0004] 超聲鍵合是利用超聲波發(fā)生器產(chǎn)生的能量，通過換能器在超高頻率磁場感應下迅 速伸縮而產(chǎn)生彈性震動，然后經(jīng)變幅桿傳給劈刀，使其震動，同時在劈刀上施加一定壓力。 劈刀在二種合力的共同作用下是焊區(qū)二個金屬面緊密接觸，達到原子間的"鍵合"，形成牢 固的焊接。
[0005] 通過改變鍵合偶的表面形貌，也可以達到降低鍵合溫度的效果。微針錐陣列材料 由于其針尖結構可以破壞焊料氧化層，被運用在熱壓鍵合中，鍵合后形成嵌入式的界面，在 160-200° C可獲得較為理想的鍵合強度，然而該技術由于諸多瓶頸難以實際應用。例如界 面存在的空洞使得鍵合質(zhì)量不佳，因此需要后期對焊接點持續(xù)加熱以提高界面強度；空洞 的存在使得鍵合需要較長的時間，這嚴重影響了其實際應用范圍。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明針對上述現(xiàn)有技術中存在的問題，提出一種銅微針錐同種結構的固態(tài)超聲 鍵合方法，該方法能夠克服以往工藝存在的一些缺陷，避免回流焊工藝溫度高對器件造成 的熱損傷，同時避免了微針錐熱壓焊的界面空洞問題和鍵合時間過長問題。
[0007] 為解決上述技術問題，本發(fā)明是通過如下技術方案實現(xiàn)的： 本發(fā)明提供一種基于銅微針錐同種結構的固態(tài)超聲鍵合方法，包括步驟如下： 1) 選擇具有相互匹配的電互連焊盤的兩個或多個待鍵合元件，兩兩形成一待鍵合偶； 2) 在待鍵合偶的其中一側的電互連焊盤上形成銅微針錐； 3) 在待鍵合偶的另一側的電互連焊盤上形成相同形貌的銅微針錐； 4) 將待鍵合偶的一側元件吸附在鍵合裝置壓頭表面； 5) 將待鍵合偶的兩側的電互連焊盤對準，使所述銅微針錐匹配接觸，向待鍵合偶的一 側施加鍵合壓力和超聲振動并保持一定時間，使得所述銅微針錐互連鍵合。
[0008] 優(yōu)選地，所述銅微針錐的形成通過電沉積法實現(xiàn)，通過控制添加劑濃度、時間、電 沉積溫度、電流密度等參數(shù)，控制所述銅針錐的針錐高度在200納米至2000納米之間，所述 銅微針錐的錐底直徑在100納米至1000納米之間。
[0009] 優(yōu)選地，同一焊盤的所述銅微針錐高度基本一致。
[0010] 優(yōu)選地，形成所述銅微針錐后，在所述銅微針錐表面制備防氧化層。
[0011] 優(yōu)選地，所述防氧化層為高溫下抗氧化的Au、Pt、Ag、Pd、Sn等金屬單質(zhì)或合金，厚 度為數(shù)納米至數(shù)十納米，不改變銅微針錐的形貌結構。
[0012] 優(yōu)選地，所述壓頭為中空結構，通過真空負壓方式吸附所述待鍵合元件，鍵合過程 結束后壓頭復位并脫尚兀件。
[0013] 優(yōu)選地，所述超聲振動由超聲波發(fā)生器產(chǎn)生，超聲頻率一般為10-150kHz，通過機 械裝置傳導至所述壓頭及所述待鍵合元件。
[0014] 優(yōu)選地，鍵合過程在壓力及超聲振動下保持數(shù)百至數(shù)千微秒，保持時間由金屬種 類、鍵合壓力、超聲功率及頻率要求的最優(yōu)化結果決定。
[0015] 一般，鍵合過程在室溫下進行，操作溫度為15攝氏度至40攝氏度；鍵合壓力為 0. l-30MPa，鍵合時間為0. 04-5S。操作溫度低，鍵合時間短，更易于操作，可廣泛應用。
[0016] 相較于現(xiàn)有技術，本發(fā)明具有以下優(yōu)點： 本發(fā)明中銅微針錐與銅微針錐有良好的機械咬合作用，同時其良好的表面活性導致的 互擴散強化機制會增強鍵合效果，明顯地防止鍵合過程空洞的發(fā)生，進而有效地降低鍵合 溫度，提高鍵合質(zhì)量。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0017] 下面結合附圖對本發(fā)明的實施方式作進一步說明： 圖1為本發(fā)明的銅微針錐與銅微針錐在鍵合之前的剖面圖。

【具體實施方式】
[0018] 下面對本發(fā)明的實施例作詳細說明，本實施例在以本發(fā)明技術方案為前提下進行 實施，給出了詳細的實施方式和具體的操作過程，但本發(fā)明的保護范圍不限于下述的實施 例。
[0019] 請參閱圖1，本發(fā)明提供一種基于銅微針錐同種結構的固態(tài)超聲鍵合方法，包括以 下步驟： 1) 選擇具有相互匹配的電互連焊盤的兩個或多個待鍵合元件，兩兩形成一待鍵合偶； 2) 在待鍵合偶的其中一側的電互連焊盤上形成銅微針錐120 ; 3) 在待鍵合偶的另一側的電互連焊盤上形成相同形貌的銅微針錐130 ; 4) 將待鍵合偶的一側元件吸附在鍵合裝置壓頭110表面； 5) 將待鍵合偶的兩側的電互連焊盤對準，使所述銅微針錐120與所述銅微針錐130匹 配接觸，向待鍵合偶的一側施加鍵合壓力和超聲振動并保持一定時間，使得所述銅微針錐 120與所述銅微針錐130互連鍵合。
[0020] 實施例1 (1)銅微針錐制備：在帶有I/O焊盤的裸芯片上制備銅微針錐，先通過電化學除油處理 清潔表面，隨后浸入20wt. %硫酸中活化以提高表面活性。使用電沉積方法制備銅針錐，所 用電解液成分為：l〇〇g/L的CuS04*5H 20、40g/L的!^04、0. 2g /L的添加劑、40 g /L的 絡合劑，其中添加劑的作用是使銅微針錐垂直生長。電沉積條件為20° C，pH=3,電流密度 為1. 2A/dm2,沉積時間為3min。制備的銅微針錐高度大約800nm，錐體直徑為約300nm? 400nm〇
[0021] (2)將2個含有銅微針錐的芯片面對面放置對準，其中一側芯片放到壓頭附近，壓 頭通過真空力將芯片吸附在表面，調(diào)節(jié)鍵合壓力參數(shù)，調(diào)節(jié)超聲功率及頻率，調(diào)節(jié)時間控制 器，打開開關后，壓頭以超聲功率20W，等效靜壓力15MPa，鍵合時間0. 5s，完成鍵合。鍵合后 關閉壓頭110的真空，取下芯片。
[0022] 實施例2 在印刷線路板（PCB)用于球柵陣列（BGA)型表面貼裝的焊盤區(qū)域金屬塊上制備銅微針 錐120和表面防氧化層Ag層，銅微針錐120的針錐高度約1 μ m，Ag層厚度約10nm。以同 樣方法在印刷線路板（PCB)用于球柵陣列（BGA)型表面貼裝的焊盤區(qū)域金屬塊上制備銅微 針錐130和表面防氧化層Ag層。將2個相同的待鍵合芯片面對面放置對準，其中一個待 鍵合芯片放到壓頭110附近，壓頭110通過真空力將芯片吸附在表面，調(diào)節(jié)鍵合壓力參數(shù)， 調(diào)節(jié)超聲功率及頻率，調(diào)節(jié)時間控制器，打開開關后，壓頭110以超聲功率20W，等效靜壓力 lOMPa，鍵合時間1. 2s，完成鍵合。鍵合后關閉壓頭110的真空，取下芯片。
[0023] 實施例3 在倒裝基片的焊盤區(qū)域通過化學沉積或電沉積法制備銅微針錐120和防氧化層Ag層， 整體厚度約為5 μ m，銅微針錐120的針錐高度約為1 μ m，Au層厚度為10nm，此厚度的Au 不會對針錐結構產(chǎn)生影響。另一倒裝基片的焊盤區(qū)域通過化學沉積或電化學沉積制備銅微 針錐130和防氧化層Au層，，整體厚度約為5 μ m，銅微針錐130的針錐高度約為1 μ m，Au 層厚度為l〇nm。將兩倒裝基片面對面對準，將用酸洗去表面氧化層的基片放到壓頭110附 近，壓頭110通過真空力將基片吸附在表面，調(diào)節(jié)鍵合壓力參數(shù)，調(diào)節(jié)超聲功率及頻率，調(diào) 節(jié)時間控制器，打開開關后，壓頭110以超聲功率20W，等效靜壓力lOMPa，鍵合時間1. 2s，完 成鍵合。鍵合后關閉壓頭110的真空，取下基片。
[0024] 進一步地，銅微針錐120以及銅微針錐130的形成可以通過電沉積法實現(xiàn)，通過控 制添加劑濃度、時間、電沉積溫度、電流密度等參數(shù)，控制銅針錐120以及銅微針錐130的針 錐高度在200納米至2000納米之間，銅微針錐120以及銅微針錐130的錐底直徑在100納 米至1000納米之間；同一焊盤的銅微針錐的針錐高度基本一致；形成銅微針錐120以及銅 微針錐130后，在銅微針錐120以及銅微針錐130表面制備防氧化層；防氧化層為高溫下抗 氧化的Au、Pt、Ag、Pd、Sn等金屬單質(zhì)或合金，厚度為數(shù)納米至數(shù)十納米，不改變銅微針錐的 形貌結構。
[0025] 進一步地，壓頭110為中空結構，通過真空負壓方式吸附待鍵合元件，鍵合過程結 束后壓頭110復位并脫離元件。
[0026] 進一步地，超聲振動由超聲波發(fā)生器產(chǎn)生，超聲頻率一般為10-150kHz，通過機械 裝置傳導至壓頭110及待鍵合元件；鍵合過程在壓力及超聲振動下保持數(shù)百至數(shù)千微秒， 保持時間由金屬種類、鍵合壓力、超聲功率及頻率要求的最優(yōu)化結果決定。
[0027] -般，鍵合過程在室溫下進行，操作溫度為15攝氏度至40攝氏度，由于超聲振動 摩擦而產(chǎn)生的局部溫度升高不影響本方法的效果；鍵合壓力一般在〇. l_30MPa之間，依據(jù) 鍵合超聲功率而定；鍵合時間一般在0.04-5S之間，依據(jù)鍵合壓力和鍵合超聲功率而定。操 作溫度低，鍵合時間短，更易于操作，可廣泛應用。
[0028] 此處公開的僅為本發(fā)明的優(yōu)選實施例，本說明書選取并具體描述這些實施例，是 為了更好地解釋本發(fā)明的原理和實際應用，并不是對本發(fā)明的限定。任何本領域技術人員 在說明書范圍內(nèi)所做的修改和變化，均應落在本發(fā)明所保護的范圍內(nèi)。
【權利要求】
1. 一種基于銅微針錐同種結構的固態(tài)超聲鍵合方法，其特征在于，包括步驟如下： 1) 選擇具有相互匹配的電互連焊盤的兩個或多個待鍵合元件，兩兩形成一待鍵合偶； 2) 在待鍵合偶的其中一側的電互連焊盤上形成銅微針錐； 3) 在待鍵合偶的另一側的電互連焊盤上形成相同形貌的銅微針錐； 4) 將待鍵合偶的一側元件吸附在鍵合裝置壓頭表面； 5) 將待鍵合偶的兩側的電互連焊盤對準，使兩側的所述銅微針錐匹配接觸，向待鍵合 偶的一側施加鍵合壓力和超聲振動并保持一定時間，使得兩側的所述銅微針錐互連鍵合。
2. 根據(jù)權利要求1所述的基于銅微針錐同種結構的固態(tài)超聲鍵合方法，其特征在于， 所述銅微針錐的形成通過電沉積法實現(xiàn)，通過控制添加劑濃度、時間、電沉積溫度、電流密 度等參數(shù)，控制所述銅針錐的針錐高度在200納米至2000納米之間，所述銅微針錐的錐底 直徑在100納米至1000納米之間。
3. 根據(jù)權利要求2所述的基于銅微針錐同種結構的固態(tài)超聲鍵合方法，其特征在于， 同一焊盤的所述銅微針錐高度基本一致。
4. 根據(jù)權利要求3所述的基于銅微針錐同種結構的固態(tài)超聲鍵合方法，其特征在于， 形成所述銅微針錐后，在所述銅微針錐表面制備防氧化層。
5. 根據(jù)權利要求4所述的基于銅微針錐同種結構的固態(tài)超聲鍵合方法，其特征在于， 所述防氧化層為高溫下抗氧化的Au、Pt、Ag、Pd、Sn等金屬單質(zhì)或合金，厚度為數(shù)納米至數(shù) 十納米，不改變銅微針錐的形貌結構。
6. 根據(jù)權利要求5所述的基于銅微針錐同種結構的固態(tài)超聲鍵合方法，其特征在于， 所述壓頭為中空結構，通過真空負壓方式吸附所述待鍵合元件，鍵合過程結束后壓頭復位 并脫離元件。
7. 根據(jù)權利要求6所述的基于銅微針錐同種結構的固態(tài)超聲鍵合方法，其特征在于， 所述超聲振動由超聲波發(fā)生器產(chǎn)生，通過機械裝置傳導至所述壓頭及所述待鍵合元件。
8. 根據(jù)權利要求7所述的基于銅微針錐同種結構的固態(tài)超聲鍵合方法，其特征在于， 鍵合過程在壓力及超聲振動下保持數(shù)百至數(shù)千微秒，保持時間由金屬種類、鍵合壓力、超聲 功率及頻率要求的最優(yōu)化結果決定。
9. 根據(jù)權利要求1至8任一項所述的基于銅微針錐同種結構的固態(tài)超聲鍵合方法，其 特征在于，鍵合過程在室溫下進行，操作溫度為15攝氏度至40攝氏度。
10. 根據(jù)權利要求1至8任一項所述的基于銅微針錐同種結構的固態(tài)超聲鍵合方法，其 特征在于，鍵合壓力為〇· l_30MPa，鍵合時間為0· 04-5s。
【文檔編號】H01L21/603GK104112683SQ201410313881
【公開日】2014年10月22日 申請日期:2014年7月3日 優(yōu)先權日:2014年7月3日
【發(fā)明者】胡安民, 李明, 胡豐田, 王浩哲 申請人:上海交通大學