CN102184875B - 一种钉头金凸点的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种钉头金凸点的制备方法，通过建立准确的金丝与金球之间关系的能量方程，在第一焊点完成后，劈刀垂直向上运动，打开的线夹使得金丝在劈刀内滑动并到达所期望的高度，即金凸点焊接完成后的高度，劈刀以一定的速度迅速向右移动，保留金丝与金球的轻微连接，劈刀向上运动一段距离，然后关闭线夹，劈刀再继续向上运动，将金丝拉断，劈刀运动到下一个键合点的上方放电成球，进行下一个键合循环过程。本发明通过控制成球大小，从而提高凸点的共面性，防止键合点失效，从而获得金凸点的高速高精度制作工艺。

Description

一种钉头金凸点的制备方法

技术领域

本发明涉及一种微电子封装中的焊接的方法，尤其涉及一种钉头金凸点的制备方法。

背景技术

目前，金、铜、铝是集成电路封装中实现芯片级互连的技术的优良材料。金凸点键合中使用的金属引线最多、最成功的是金丝。金具有电导率大、耐腐蚀、韧性好等优点，而且技术成熟，工艺稳定性好。但金凸点焊接技术也具有一定的局限性：不适于高密度封装；材料成本非常昂贵；在高温条件下金键合点与铝金属化层之间容易产生金属间化合物。这些金属间化合物接触电阻大，脆性大，在有振动或者弯曲的情况下容易发生断裂。此外，由于金属互扩散的缘故，键合界面处会生成柯肯德尔空洞或裂纹，导致键合点失效。

另外，对倒装芯片应用来说，金凸点的共面性是一个特别重要的指标。所谓共面性是指芯片上所有凸点顶端位置都在同一个几何平面上的特性。由于芯片上每个凸点都要传输信号，为了保证芯片的功能正常，所有的凸点都必须连接良好。如果非共面现象显着(例如某些凸点比其它凸点高)，倒装芯片键合时那些较低的凸点就会接触不到封装基板，将需要极大增加键合力和键合时间，这样才能将所有凸点键合成功，但是凸点高度的起伏会导致凸点加载力分布不均匀、芯片断裂或断路，反之，凸点共面性的提高将会降低芯片和基板所受的应力。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的状况，提供一种制备出共面性好，可防止键合点失效的钉头金凸点的制备方法。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种制备金球大小为2mil的钉头金凸点的方法，包括以下工艺过程：(1)通过图像处理系统，劈刀被精确地定位到焊盘的上方，电子放电系统在电子打火杆和上一键合周期完成后形成的金丝线尾间产生3kV的高电压，形成的电弧产生高温将金丝底端熔化，先熔化的金丝在表面张力的作用下使得液体金球往上翻滚形成金球，成球时的放电电流为30mA，放电时间为0.8ms，所述金球在成形时的大小取决于能量的大小，能量大小取决于温度高低，金球的大小决定了金凸点的共面性，为了提高金凸点的共面性，采用如下方程控制所述金球大小：

$\mathrm{\ρ}{C}_p\frac{\∂T}{\∂t}=\frac{1}{A\left(z\right)}\frac{\∂}{\∂z}\left(\mathrm{kA}\left(z\right)\frac{\∂T}{\∂z}\right)-\frac{P\left(z\right)}{\mathrm{kA}}[h(T-T_a)+\mathrm{\ϵ\σ}(T^4-T_a^4)]$

式中ρ——金的密度，在此取1.93×10⁴kg/m³；

C_p——焓随温度的变化率；

z——从金丝底端算起沿着金丝的距离；

T——金球温度；

T_a——环境温度；

A(z)——金球横截面积；

P(z)——金球周长；

k——热传导率(导热系数)；

ε——辐射系数；

σ——斯特藩-波尔兹曼常数；

初始条件为：

T(z，0)＝T_a；

边界条件为：

${\left(\frac{\∂T}{\∂z}\right)}_{z=z_{\mathrm{tip}}}=-\frac{q^{\′\′}}{k};$

T(z_w，t)＝T_a；

式中q″——传递到金丝上的热通量；

z_w——线夹距金丝底端的距离；

将金丝的底端z_tip设置为0，并一直保持到金丝开始熔化时，随着热量的持续输入，金丝开始熔化并形成金球，z_tip的值开始增加，线夹作为散热片，线夹处的金丝的温度为环境温度，在放电的初期，金丝的温度为环境温度，随着热量传递到金丝的底端，金丝的温度开始增长，在温度达到金的熔点时开始熔化，z_tip，A(z))和P(z)均为时间的函数，在实际的传热过程中，金的热传导率是随着温度的升高而降低的，将金的热传导率作为温度的函数：

k＝317.47-0.068T(W/m·K)；

在金丝由固态转变为液态的过程中，C_p为如下形式：

$C_p=\frac{\mathrm{dH}}{\mathrm{dT}}=c\left(T\right)+h_l\mathrm{\δ}(T-T_m);$

式中H——焓；

h_l——熔化过程中的潜热；

T_m——金的熔点；

δ——狄拉克δ函数；

c(T)——比热；

对于液态区域，比热c(T)为一固定的常数112.7，对于固态还未熔化的区域，比热为金球温度T的函数，表示为：

c(T)＝112.7+0.0713T-0.0000814T²+4.28×10^-8T³。

(2)劈刀往下运动，使金球在劈刀顶端的圆锥孔内定位，在劈刀圆锥孔内定位好的金球在劈刀施加键合力时保证键合力沿其几何中心作用，使金球的变形能够按预想的进行；(3)劈刀继续以恒定速度向下运动，当劈刀接触到焊盘后继续向下移动，直到检测到劈刀所受阻力达到设置的键合力大小，使金球发生足够的变形，其中，键合时间为10ms，键合力为20g，键合温度为240℃，在此过程中，超声通过劈刀传递到金球上面同时在焊盘底部加热，金球在劈刀的圆锥孔内被固定，在超声、力和热的作用下，金球被焊接在焊盘上面形成第一焊点；(4)所述第一焊点完成后，劈刀垂直向上运动，打开线夹使得金丝在劈刀内滑动并到达所期望的高度，即金凸点焊接完成后的高度；(5)劈刀以0.3～0.5m/s的速度迅速向右剪切，劈刀横向水平运动剪切金丝，保留金丝与金球的轻微连接；(6)劈刀向上运动一段距离，然后关闭线夹，劈刀再继续向上运动，将金丝拉断，劈刀运动到下一个键合点的上方放电成球，进行下一个键合循环过程。

本发明通过建立准确的金丝与金球之间关系的能量方程，控制成球大小，从而提高凸点的共面性，并防止键合点失效。

具体实施方式

一种制备金球大小为2mil的钉头金凸点的方法，包括以下工艺过程：(1)通过图像处理系统，劈刀被精确地定位到焊盘的上方，电子放电系统在电子打火杆和上一键合周期完成后形成的金丝线尾间产生3kV的高电压，形成的电弧产生高温将金丝底端熔化，先熔化的金丝在表面张力的作用下使得液体金球往上翻滚形成金球，成球时的放电电流为30mA，放电时间为0.8ms，所述金球在成形时的大小取决于能量的大小，能量大小取决于温度高低，金球的大小决定了金凸点的共面性，为了提高金凸点的共面性，采用如下方程控制所述金球大小：

$\mathrm{\ρ}{C}_p\frac{\∂T}{\∂t}=\frac{1}{A\left(z\right)}\frac{\∂}{\∂z}\left(\mathrm{kA}\left(z\right)\frac{\∂T}{\∂z}\right)-\frac{P\left(z\right)}{\mathrm{kA}}[h(T-T_a)+\mathrm{\ϵ\σ}(T^4-T_a^4)]$

式中ρ——金的密度，在此取1.93×10⁴kg/m³；

C_p——焓随温度的变化率；

z——从金丝底端算起沿着金丝的距离；

T——金球温度；

T_a——环境温度；

A(z)——金球横截面积；

P(z)——金球周长；

k——热传导率(导热系数)；

ε——辐射系数；

σ——斯特藩-波尔兹曼常数；

初始条件为：

T(z，0)＝T_a；

边界条件为：

${\left(\frac{\∂T}{\∂z}\right)}_{z=z_{\mathrm{tip}}}=-\frac{q^{\′\′}}{k};$

T(z_w，t)＝T_a；

式中q″——传递到金丝上的热通量；

z_w——线夹距金丝底端的距离；

将金丝的底端z_tip设置为0，并一直保持到金丝开始熔化时，随着热量的持续输入，金丝开始熔化并形成金球，z_tip的值开始增加，线夹作为散热片，线夹处的金丝的温度为环境温度，在放电的初期，金丝的温度为环境温度，随着热量传递到金丝的底端，金丝的温度开始增长，在温度达到金的熔点时开始熔化，z_tip，A(z)和P(z)均为时间的函数，在实际的传热过程中，金的热传导率是随着温度的升高而降低的，将金的热传导率作为温度的函数：

k＝317.47-0.068T(W/m·K)；

在金丝由固态转变为液态的过程中，C_p为如下形式：

$C_p=\frac{\mathrm{dH}}{\mathrm{dT}}=c\left(T\right)+h_l\mathrm{\δ}(T-T_m);$

式中H——焓；

h_l——熔化过程中的潜热；

T_m——金的熔点；

δ——狄拉克δ函数；

c(T)——比热；

对于液态区域，比热c(T)为一固定的常数112.7，对于固态还未熔化的区域，比热为金球温度T的函数，表示为：

c(T)＝112.7+0.0713T-0.0000814T²+4.28×10^-8T³。

(2)劈刀往下运动，使金球在劈刀顶端的圆锥孔内定位，在劈刀圆锥孔内定位好的金球在劈刀施加键合力时保证键合力沿其几何中心作用，使金球的变形能够按预想的进行；(3)劈刀继续以恒定速度向下运动，当劈刀接触到焊盘后继续向下移动，直到检测到劈刀所受阻力达到设置的键合力大小，使金球发生足够的变形，其中，键合时间为10ms，键合力为20g，键合温度为240℃，在此过程中，超声通过劈刀传递到金球上面同时在焊盘底部加热，金球在劈刀的圆锥孔内被固定，在超声、力和热的作用下，金球被焊接在焊盘上面形成第一焊点；(4)所述第一焊点完成后，劈刀垂直向上运动，打开线夹使得金丝在劈刀内滑动并到达所期望的高度，即金凸点焊接完成后的高度；(5)劈刀以0.3～0.5m/s的速度迅速向右剪切，劈刀横向水平运动剪切金丝，保留金丝与金球的轻微连接；(6)劈刀向上运动一段距离，然后关闭线夹，劈刀再继续向上运动，将金丝拉断，劈刀运动到下一个键合点的上方放电成球，进行下一个键合循环过程。

Claims (1)

1.一种制备金球大小为2mil的钉头金凸点的方法，其特征在于：包括以下工艺过程：(1)通过图像处理系统，劈刀被精确地定位到焊盘的上方，电子放电系统在电子打火杆和上一键合周期完成后形成的金丝线尾间产生3kV的高电压，形成的电弧产生高温将金丝底端熔化，先熔化的金丝在表面张力的作用下使得液体金球往上翻滚形成金球，成球时的放电电流为30mA，放电时间为0.8ms，所述金球在成形时的大小取决于能量的大小，能量大小取决于温度高低，金球的大小决定了金凸点的共面性，为了提高金凸点的共面性，采用如下方程控制所述金球大小：

${\mathrm{\ρC}}_p\frac{\∂T}{\∂t}=\frac{1}{A\left(z\right)}\frac{\∂}{\∂z}\left(\mathrm{kA}\left(z\right)\frac{\∂T}{\∂z}\right)-\frac{P\left(z\right)}{\mathrm{kA}}[h(T-T_a)+\mathrm{\ϵ\σ}(T^4-T_a^4)]$

式中ρ——金的密度，在此取1.93×10⁴kg/m³；

    C_p——焓随温度的变化率；

    z——从金丝底端算起沿着金丝的距离；

    T——金球温度；

    T_a——环境温度；

    A(z)——金球横截面积；

    P(z)——金球周长；

    k——热传导率(导热系数)；

    ε——辐射系数；

    σ——斯特藩-波尔兹曼常数；

初始条件为：

T(z，0)＝T_a；

边界条件为：

${\left(\frac{\∂T}{\∂z}\right)}_{z=z_{\mathrm{tip}}}=-\frac{q^{\′\′}}{k};$

T(z_w，t)＝T_a；

式中q″——传递到金丝上的热通量；

    z_w——线夹距金丝底端的距离；

将金丝的底端z_tip设置为0，并—直保持到金丝开始熔化时，随着热量的持续输入，金丝开始熔化并形成金球，z_tip的值开始增加，线夹作为散热片，线夹处的金丝的温度为环境温度，在放电的初期，金丝的温度为环境温度，随着热量传递到金丝的底端，金丝的温度开始增长，在温度达到金的熔点时开始熔化，z_tip，A(z)和P(z)均为时间的函数，在实际的传热过程中，金的热传导率是随着温度的升高而降低的，将金的热传导率作为温度的函数：

k＝317.47-0.068T(W/m·K)；

在金丝由固态转变为液态的过程中，C_p为如下形式：

$C_p=\frac{\mathrm{dH}}{\mathrm{dT}}=c\left(T\right)+h_1\mathrm{\δ}(T-T_m);$

式中H——焓；

    h_l——熔化过程中的潜热；

    T_m——金的熔点；

    δ——狄拉克δ函数；

    c(T)——比热；

对于液态区域，比热c(T)为一固定的常数112.7，对于固态还未熔化的区域，比热为金球温度T的函数，表示为：

c(T)＝112.7+0.0713T-0.0000814T²+4.28×10^-8T³，

(2)劈刀往下运动，使金球在劈刀顶端的圆锥孔内定位，在劈刀圆锥孔内定位好的金球在劈刀施加键合力时保证键合力沿其几何中心作用，使金球的变形能够按预想的进行；(3)劈刀继续以恒定速度向下运动，当劈刀接触到焊盘后继续向下移动，直到检测到劈刀所受阻力达到设置的键合力大小，使金球发生足够的变形，其中，键合时间为10ms，键合力为20g，键合温度为240℃，在此过程中，超声通过劈刀传递到金球上面同时在焊盘底部加热，金球在劈刀的圆锥孔内被固定，在超声、力和热的作用下，金球被焊接在焊盘上面形成第一焊点；(4)所述第一焊点完成后，劈刀垂直向上运动，打开线夹使得金丝在劈刀内滑动并到达所期望的高度，即金凸点焊接完成后的高度；(5)劈刀以0.3～0.5m/s的速度迅速向右剪切，劈刀横向水平运动剪切金丝，保留金丝与金球的轻微连接；(6)劈刀向上运动一段距离，然后关闭线夹，劈刀再继续向上运动，将金丝拉断，劈刀运动到下一个键合点的上方放电成球，进行下一个键合循环过程。