CN100397602C - 半导体铜键合焊点表面保护 - Google Patents

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Abstract

保护铜电路的非绝缘部分的表面免受环境污染对该表面到另一金属表面的连接的损害的方法，所述方法的特征在于用厚度适合于不用助熔剂的焊接的陶瓷材料层涂敷该表面的步骤，并且当该表面被接合以获得表面之间的金属对金属的接触时容易拆卸。还公开了被涂敷的包括半导体晶片的电子封装件。

Description

半导体铜键合焊点表面保护
本申请是申请日为1999年10月5日、申请号为99814138.0、发明名称为“半导体铜键合焊点表面保护”的发明专利申请的分案申请。
技术领域
本发明涉及到用陶瓷涂层保护半导体铜键合焊点表面的方法，该陶瓷涂层在球形、楔形或倒装片键合期间，对于在键合表面和键合到上面的引线之间获得金属对金属的接触来说是容易拆卸的。在持续暴露于水和水溶液的过程中，比如在切片期间，本方法保护铜键合焊点。
背景技术
在半导体器件上使用铜键合焊点来替代铝，如果不是因为铜表面的空气污染，使迅速氧化形成一层膜，用标准金属丝键合机不能去除这层膜，并且要求在焊料型互连，例如倒装片键合中使用助熔剂的话，将会成为有吸引力的一种变通方法。目前克服这个问题的尝试涉及保护气体的使用，保护气体不可避免是昂贵和复杂的，并限制键合头和工件夹具的移动，或者使用贵重金属或用更昂贵的惰性金属涂镀，都会导致在键合焊点界面上形成不想要的金属间化合物。
美国专利No.5771157在粘合形成后，用树脂包封铝线到铜键合焊点之间的楔形键合。楔形键合之前，对铜键合焊点没有提供防止氧化的保护。
美国专利No.5785236用铝表面层保护铜键合焊点，防止氧化。这贬低了寻求用铜键合焊点代替铝键合焊点获得的优点。
在引线键合或倒装片焊接之前，仍保留有对可以防止铜键合焊点表面氧化的方法的需要。
发明内容
这个需要能被本发明满足。陶瓷涂层现在已经被开发，用于铜键合焊点的键合表面，该表面在球形、楔形或倒装片键合期间，对于在键合表面和键合到其上的引线之间获得金属对金属的接触，以及获得适合于不用助熔剂的键合表面来说是容易拆卸的。
也已经发现同样的陶瓷涂层一般能被用于保护电子封装件的铜表面。那就是说，本发明提供陶瓷涂层，用于保护有机基底封装件、金属基底封装件、陶瓷基底封装件等等的铜表面。
按照本发明，提供一种保护在电子封装基底表面上所形成的铜电路的非绝缘部分免受对所述铜电路的非绝缘部分到另一个金属表面的接合有害的环境污染的方法，所述方法的特征在于用由陶瓷材料构成的一个单层直接涂镀在此电子封装基底表面上已形成具有非绝缘部分的铜电路的该电子封装基底表面的步骤，所述单层陶瓷材料有一定厚度，适合于不用助熔剂的焊接，并且当铜电路的非绝缘部分被连接到另一个金属表面以获得他们二者之间的金属对金属接触时，该涂层是容易拆卸的。
其中，所述陶瓷材料涂镀在上述铜电路的铜键合焊点的键合表面，且所述陶瓷材料的厚度使其在球形或楔形引线键合以获得键合表面和键合其上的引线之间的金属对金属的接触期间容易拆卸。
所述陶瓷层的厚度为所述层提供大于38的络氏硬度。
所述陶瓷层的厚度在10到1000埃之间。
所述陶瓷材料选自氮化硅、碳化硅、氮化钛、氮化钽、氧化铝、氧化镁、二氧化硅、二氧化钛、氧化锆、碳化钽、碳化钨、碳化钛、碳化硼、立方氮化硼和金刚石。
所述方法还包括通过拆掉所述陶瓷层后进行键合或焊接到所述铜电路的非绝缘部分的步骤。
其中，所述陶瓷材料通过气相淀积被涂镀在所述铜电路的非绝缘部分上。
本发明还提供了一种电子封装件，其特征在于，形成于该封装件表面上的铜电路的非绝缘部分被由陶瓷材料组成的单层所直接涂镀，该单层涂层具有一个厚度，并适合于不用助熔剂的焊接，并且当铜电路的所述非绝缘部分被连接到另一个金属表面以获得他们二者之间的金属对金属的接触时，该涂层容易拆卸。
所述陶瓷材料选自铜-稀土金属络合物的氢化物、铜-非混溶金属形成的氢化物、氮化硅、碳化硅、氮化钛、氮化钽、氧化铝、氧化镁、二氧化硅、二氧化钛、氧化锆、碳化钽、碳化钨、碳化钛、碳化硼、立方氮化硼和金刚石。
所述封装件包括有机基底封装件、金属基底封装件或陶瓷基底封装件。
所述封装件中的半导体晶片包括至少一个具有用陶瓷层涂镀的非绝缘铜键合焊点的器件，在球形或楔形引线键合以获得每一个键合表面和键合其上的引线之间金属对金属的接触期间，该陶瓷层容易拆卸。
其中，至少有一条被球形或楔形键合到所述晶片器件的所述键合焊点的引线。
本发明还提供了一种保护铜半导体键合焊点的键合表面免受氧化的方法，所述方法的特征在于用含有氮化硅、氧化硅、或碳化硅的单层的表面层涂镀所述键合焊点的键合表面的步骤，该表面层的厚度适合于不用助熔剂的焊接，并且该表面层在被球形或楔形键合以获得键合表面和键合其上的引线之间金属对金属的接触期间，是容易拆卸的。
所述方法还包括通过所述表面层将引线键合或焊接到所述键合焊点上。
本发明还提供了一种用于获得引线与铜半导体键合焊点的键合表面之间的金属对金属的接触的方法，该方法包括：用含有氮化硅、氧化硅、或碳化硅的单层的表面层涂镀所述键合焊点的键合表面，该表面层的厚度适合于不用助熔剂的焊接，并且该表面层在被球形或楔形键合以获得键合表面和键合其上的引线之间金属对金属的接触期间，是容易拆卸的；以及通过所述表面层将引线键合或焊接到所述键合焊点上。
本发明还提供了一种半导体晶片，包括含有至少一个键合焊点的器件，所述键合焊点用含有氮化硅、氧化硅、或碳化硅的单层的表面层涂镀，所述具有一定厚度的表面层适合于不用助熔剂的焊接，该表面层在被球形或楔形键合以获得键合表面和键合其上的引线之间金属对金属的接触期间，它是容易拆卸的。
该晶片至少包括一条被球形或楔形键合到所述晶片器件的所述键合焊点的引线。
其中所述器件可以是倒装片，其中至少一条引线被焊接到所述键合焊点。
本发明还提供了一种用于在电子封装基底表面上形成的铜电路的非绝缘部分和另一个金属表面之间获得金属对金属的接触的方法，该方法包括：用由陶瓷材料构成的单层直接涂镀在此电子封装基底表面上已形成具有非绝缘部分的铜电路的该电子封装基底表面，该陶瓷材料层具有一定厚度，适合于不用助熔剂的焊接，并且当所述铜电路的非绝缘部分被键合到另一个金属表面以获得表面之间的金属对金属的接触时，容易拆卸；而且，通过所述陶瓷层将另一个金属表面键合或焊接到所述铜电路的非绝缘部分上。
所述陶瓷材料选自氮化硅、碳化硅、氮化钛、氮化钽、氧化铝、氧化镁、二氧化硅、二氧化钛、氧化锆、碳化钽、碳化钨、碳化钛、碳化硼、立方氮化硼和金刚石。
本发明还提供了一种用于获得引线与铜半导体键合焊点的键合表面之间的金属对金属的接触的方法，该方法包括：用选自铜-稀土金属络合物和铜-非混溶金属的材料构成的单层的氢化物形成层涂镀所述的铜键合焊点的键合表面；以及，将所述氢化物形成层暴露于到含氢的还原环境中，以形成一个金属氢化物表面层；其中，所述氢化物形成层具有一个形成金属氢化物表面层的厚度，该表面层适合于不用助熔剂的焊接，在被球形或楔形键合以获得键合表面和键合其上的引线之间金属对金属的接触期间，它是容易拆卸的；通过所述金属氢化物表面层将引线键合或焊接到所述键合焊点上。
本发明用于保护铜电路的未绝缘部分的表面，防止有害于接合该表面到另一个金属表面的环境污染，其中该方法包括用一层陶瓷材料涂镀该表面的步骤，该层陶瓷材料具有的厚度适合于不用助熔剂的焊接，并且当这些表面被连接以获得表面之间金属对金属的接触时，该陶瓷材料是容易拆卸的。
本发明特别适合于保护铜键合焊点的键合表面。因此，在本发明的优选实施方案中，铜电路的未绝缘部分是指铜半导体键合焊点的键合表面。
本发明因此提供具有未绝缘铜电路表面的电子封装件，它具有能够在键合或焊接处被去除的涂层。
本发明也包括具有铜电路的未绝缘部分的电子封装件，该未绝缘部分具有保护性陶瓷金属氢化物涂镀。因此，按照本发明的另一个方面，提供了电子封装件，它含有铜电路的未绝缘部分，用金属氢化物表面层涂镀，该金属氢化物从铜-稀土金属络合物的金属氢化物和铜-非混溶金属的金属氢化物中选择，其中表面层的厚度适合于不用助熔剂的焊接，并提供具有前面提到的硬度的层。优选电子封装件再次是具有至少一个铜键合焊点的半导体。
本发明的方法提供了使用现有设备将引线键合到铜电路的能力，不用改变引线键合机，并且没有附加费用和没有对保护气体技术和硬件的限制。本发明的前述和其他目的、特点和优点，从结合附图的优选实施方案的下列详细描述中更容易理解。
附图说明
唯一的附图是按照本发明的一种方法的示意图，其中按照本发明的半导体器件也被描述，该器件有铜键合焊点，其键合表面用氢化物形成材料和金属氢化物涂镀。
具体实施方式
本发明在电子封装件的铜电路键合表面上形成保护性陶瓷涂层，其厚度适合于不用助熔剂的焊接。在每一个键合表面和键合在上面的引线之间获得金属对金属的接触的键合期间，陶瓷层厚度的选择应能够提供这一层容易拆卸所要求的至少最小硬度。
陶瓷涂层，而不是金属涂层被采用，因为金属层是可延展的和在冲击下发生塑性变形。因为陶瓷材料不能在塑性区变形，冲击打碎陶瓷层，并允许它在引线键合期间被推开。
基本上所有通常使用的陶瓷材料具有的硬度都适合于本发明使用。陶瓷硬度的一种测度是洛氏表面硬度度量(45-N)，由Somiya在Advanced Technical Ceramics(Prentice Hall，Englewood Cliffs，NJ 1996)中定义。适合用于本发明的陶瓷材料具有大于大约38的洛氏硬度(N-45)。
为本发明的目的，名词陶瓷材料的意义采用Callister在MaterialsScience and Engineering，An Introduction(3rd Ed.，John Wiley &Sons，New York 1994)第4页中定义的意思。CaIIister定义陶瓷材料为金属和非金属元素之间的化合物，最常见的是氧化物、氮化物和碳化物。这个分类中的陶瓷材料包括粘土矿物、胶粘剂和玻璃的复合材料。陶瓷材料是绝缘和绝热的，并且比金属和聚合物更能承受高温和苛刻的环境。至于力学性能，陶瓷材料是硬的，但非常脆。
本发明的一种方法和装置在唯一的附图中被描述，其中半导体器件(未示出)的铜键合焊点10的键合表面12被清洁(阶段I)。如果该铜表面是干净的，没有被暴露到污染的空气中，则不需要阶段I的净化。在所描述的实施方案中，键合表面12用铜-不混溶金属形成的氢化物或铜-稀土金属络合物形成的氢化物层14涂镀(阶段II)。为了表面层14的恰当涂镀，必须还原键合焊点10的表面12上形成的氧化物、氢氧化物和硫化物。只有在这个还原完成之后，才能执行恰当的表面涂镀。表面12能通过暴露到还原气体中而被还原，比如含有氢的气体，或基本上通过任何其他常规表面还原工艺，包括净化技术比如等离子体净化。
完全不混溶于铜的金属的例子包括Ta，V和Nb，但不限定于这些。与铜络合的稀土金属的例子包括La，Y和Ce，但不限定于这些。
铜键合焊点10的表面12用金属层14通过常规汽相淀积或类似工艺覆盖。为了形成铜络合物，稀土金属可能在淀积之后需要加热步骤。
铜-不混溶的氢化物形成金属的表面层能通过可选择的途径形成。铜-不混溶的金属可以与铜伴随淀积，与铜键合焊点在晶片制造期间的形成一样。通过在晶片制造之后加热晶片，伴随淀积的不混溶的金属将迁移到铜键合焊点的表面，形成氧化保护层。无电镀或电镀技术也可以被采用。
层14淀积的厚度应该能够形成易拆卸的氢化物层。那就是，得到的陶瓷层应该具有厚度足以提供洛氏硬度(N-45)大于约38的层。适合的陶瓷层具有的厚度在大约10和1000埃之间，优选厚度在大约25到500埃之间。
当稀土金属被采用时，它最好被淀积在一薄层内，薄得足以形成基本上纯的铜络合物。使用厚度从大约10到1000埃的稀土金属层能实现这一点。
铜-不混溶的金属层最好薄到足以有成本竞争力和允许简化制造。为了这些目的，层14应该不厚于键合焊点10和层14总厚度的1/10。从大约10到1000埃的厚度是优选的。
通过用氢还原，或者在含氢的气体中加热键合焊点，或者通过暴露键合焊点到含氢的等离子体中，例如等离子体净化操作，层14然后被转变成氢化物层(阶段III)。一旦形成，氢化物层16在室温是稳定的。层14的淀积或氢转变没有必要在晶片制造时进行。两种处理能在后面的时间进行。如上所述，为了层14的恰当淀积，键合焊点10的表面12必须在淀积之前净化。
氢化物形成步骤能发生在引线键合或倒装片键合之前的任一阶段，只要还原环境十分有活性，足以使层14还原以去除任何空气污染。适合的还原条件能被本领域普通技术人员容易地确定而不用过多的试验。
氢化物层16为键合焊点10的表面12提供抗氧化能力。然而，因为氢化物层是易拆卸的，常规的球形或楔形引线键合能被实现，以获得表面12和键合在其上的引线(未示出)之间的金属对金属接触，也提供为焊接操作制备的表面。
氢化物由于两种机制而在引线键合或焊接期间迅速分解。一种机制是力学的，来自于氢化物层的脆性。氢化物也会在键合期间受热分解，形成氢气覆盖在键合焊点本身上，也防止了氧化。
氢化工艺不必须在晶片制造时进行。氢化处理能在引线键合或焊接之前的任一阶段进行，只要含氢的气氛十分活化，足以从表面层还原任何污染物，并随后使表面层氢化。
本发明也包括单步工艺，其中易拆卸的陶瓷涂层不是金属氢化物。改为用一层陶瓷材料涂镀清洁的铜键合焊点，陶瓷材料的厚度适合于不用助熔剂的焊接，并提供洛氏硬度(N-45)大于大约38的层，使得该层在球形或楔形引线键合期间容易拆卸，以获得在每一个键合表面和键合在其上的引线之间的金属对金属接触。
适合的陶瓷材料的例子包括硅、钛和钽的氮化物和碳化物；铝、镁和锆的氧化物；二氧化硅和二氧化钛；碳化钨和碳化硼；和立方氮化硼和金刚石。
这些涂层材料也使用常规汽相淀积或类似技术来形成。
除了半导体的键合焊点，使用相同的材料和方法步骤，本发明也能被用来涂镀铜电路的非绝缘表面。因此，在键合有机基底封装件的非绝缘铜电路表面之前，同样的陶瓷涂层能被用于保护，这些有机基底封装件比如是聚合物球栅阵列(PBGA)、增强聚合物球栅阵列(EPBGA)、带状球栅阵列(TBGA)等等；金属基底封装件比如是金属四线扁平封装件(MQFP)、金属引线芯片载体(MLCC)、薄小外形封装件(TSOP)等等；而陶瓷基底封装件比如是陶瓷四线扁平封装件(CQFP)、陶瓷双列直插式封装件(CDIP)、无引线陶瓷芯片载体(LCCC)等等。
本发明为电子封装件的非绝缘铜电路部分提供抗氧化表面，该表面能使用常规技术进行球形或楔形引线键合，而对当前球形和楔形引线键合或倒装片键合工艺和设备无需改变或增加。
下述非限定的实例描述了本发明的某些方面，但并不意味着限制本发明的有效范围。所有部分和百分比是指重量，除非另外指出，而且所有温度是指摄氏度。
实例
通过汽相淀积制作了铜厚度至少为2000埃的铜晶片。通过溅射技术制作了厚度在10到1000埃之间的易拆卸氮化硅陶瓷涂层。
使用各种金丝和K&S Model 8020引线键合器进行引线球键合。下面的引线键合工艺条件被采用：
恒定速度＝0.25-1.0mil/msec.
超声波水平＝35-250mAmp或相等的功率或电压设置
键合时间＝5-50msec.
键合力＝10-40g
自由空气球直径＝1.4-3.0mil
各种各样的金丝类型被尝试，并且都被发现是容易键合的：AFW-8，AFW-14，AFW-88，AFW-FP和AFW-FP2。较硬的线AFW-FP和AFW-FP2表现最好。
各种各样的键合工具(毛细管)被使用，并且都被发现在键合球形区产生键合能力，而毛细管是为其设计的。表现最好的毛细管的零件号是414FA-2146-335和484FD-2053-335。
铜引线也被键合到陶瓷涂敷的键合焊点。采用惰性保护气体来形成球。对于键合球尺寸相同的金球，键合参数不完全一样，但是键合参数范围与铜基底上键合金球的范围没有太大不同。
前面优选实施方案的描述应该认为是对权利要求所定义的本发明的描述，而不是限定。上面说明的特征的大量变化和组合能被利用，而不偏离目前要求权利的发明。这样的改变不应该被看作脱离了本发明的构思和范围，并被认为包括在下列权利要求的范围内。

Claims (17)

1.一种保护在电子封装基底表面上所形成的铜电路的非绝缘部分免受对所述铜电路的非绝缘部分到另一个金属表面的接合有害的环境污染的方法，所述方法的特征在于用氮化硅、二氧化硅、或碳化硅的层直接涂镀在其上已经形成有非绝缘部分的铜电路的该电子封装基底表面的步骤，所述层有一定厚度，适合于不用助熔剂的焊接，并且当铜电路的非绝缘部分被连接到另一个金属表面以获得他们二者之间的金属对金属接触时，该层是容易拆卸的。
2.根据权利要求1的方法，其特征在于，所述铜电路的非绝缘部分是铜半导体键合焊点的键合表面，且所述层的厚度使其在球形或楔形引线键合以获得键合表面和键合其上的引线之间的金属对金属的接触期间容易拆卸。
3.根据权利要求1的方法，其特征在于，所述层的厚度为所述层提供大于38的络氏硬度。
4.根据权利要求1的方法，其特征在于，所述层的厚度在10到1000埃之间。
5.根据权利要求1的方法，其特征在于，该方法还包括通过所述层键合或焊接到所述铜电路的非绝缘部分的步骤。
6.根据权利要求1的方法，其特征在于，所述层通过气相淀积被涂镀在所述铜电路的非绝缘部分上。
7.一种电子封装件，其特征在于，形成于该封装件表面上的铜电路的非绝缘部分被由氮化硅、二氧化硅、或碳化硅的层所直接涂镀，该层具有一定厚度，适合于不用助熔剂的焊接，并且当铜电路的所述非绝缘部分被连接到另一个金属表面以获得他们二者之间的金属对金属的接触时，该层是容易拆卸的。
8.根据权利要求7的封装件，其特征在于，所述封装件包括有机基底封装件、金属基底封装件或陶瓷基底封装件。
9.根据权利要求7的封装件，其特征在于，所述封装件中的半导体晶片包括至少一个具有用一个层涂镀的非绝缘铜键合焊点的器件，所述层在球形或楔形引线键合以获得每一个键合表面和键合其上的引线之间金属对金属的接触期间是容易拆卸的。
10.根据权利要求9的封装件，其特征还在于，至少有一条被球形或楔形键合到所述晶片器件的所述键合焊点的引线。
11.一种保护铜半导体键合焊点的键合表面免受氧化的方法，所述方法包括用氮化硅、氧化硅、或碳化硅的表面层涂镀所述键合焊点的键合表面，该表面层的厚度适合于不用助熔剂的焊接，并且该表面层在球形或楔形引线键合以获得键合表面和键合其上的引线之间金属对金属的接触期间，是容易拆卸的。
12.根据权利要求11的方法，其特征在于，该方法还包括通过所述表面层将引线键合或焊接到所述键合焊点上。
13.一种用于获得引线与铜半导体键合焊点的键合表面之间的金属对金属的接触的方法，该方法包括：
用氮化硅、二氧化硅、或碳化硅的表面层涂镀所述键合焊点的键合表面，该表面层的厚度适合于不用助熔剂的焊接，并且该表面层在球形或楔形引线键合以获得键合表面和键合其上的引线之间金属对金属的接触期间，是容易拆卸的；以及
通过所述表面层将引线键合或焊接到所述键合焊点上。
14.一种半导体晶片，包括含有至少一个键合焊点的器件，所述键合焊点用氮化硅、二氧化硅、或碳化硅的表面层涂镀，所述表面层具有一定厚度，适合于不用助熔剂的焊接，该表面层在球形或楔形键合以获得键合表面和键合其上的引线之间金属对金属的接触期间，是容易拆卸的。
15.根据权利要求14的半导体晶片，其特征在于该晶片至少包括一条被球形或楔形键合到所述晶片器件的所述键合焊点的引线。
16.根据权利要求15的晶片，其特征在于，所述器件是倒装片，其中至少一条引线被焊接到所述键合焊点。
17.一种用于在电子封装基底表面上形成的铜电路的非绝缘部分和另一个金属表面之间获得金属对金属的接触的方法，该方法包括：
用氮化硅、二氧化硅、或碳化硅的的层直接涂镀在其上形成有包括非绝缘部分的铜电路的该电子封装基底表面，该层具有一定厚度，适合于不用助熔剂的焊接，并且当所述铜电路的非绝缘部分被键合到另一个金属表面以获得他们二者之间的金属对金属的接触时，该层是容易拆卸的；而且
通过所述层将另一个金属表面键合或焊接到所述铜电路的非绝缘部分上。
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