CN102263042A - 晶片级回焊设备和焊料球体与倒装芯片组装体的制造 - Google Patents

晶片级回焊设备和焊料球体与倒装芯片组装体的制造 Download PDF

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Abstract

本发明揭示晶片级回焊设备和焊料球体与倒装芯片组装体的制造方法。所述晶片级回焊设备包括多个受热区及一传输带将一晶片传送至各受热区。各受热区包括一加热盘具有同心圆配置的多个加热体，一红外线温测装置，及一控制器分别控制各加热体的输出，其中该红外线温测装置监测该晶片表面的多个区域的温度，并即时回馈此温度至该控制器使晶片的表面的焊料凸块受热温度均匀。本发明可有效地改善具有晶片和不具有晶片状态下的介金属化合物结构以及不具有晶片状态下的焊料凸块的高度均匀性。另外，由于需重新回焊的比率很低，因此晶片整体的高度差。另外，因形成焊料凸块桥接与不规则的凸块较少，因而可提升焊料凸块良率。

Description

晶片级回焊设备和焊料球体与倒装芯片组装体的制造
技术领域
本发明涉及一种晶片级回焊设备及半导体芯片封装体的制造方法，尤其涉及晶片级回焊设备及焊料球体与倒装芯片组装体的制造方法。
背景技术
传统倒装芯片(Flip Chip)封装技术将芯片翻转后，以面朝下的方式通过金属导体与积层基板(laminated substrate)进行接合，广泛地运用在高性能、高速与高密度，以及小尺寸封装的元件上。倒装芯片接合是先在IC芯片的接触垫上形成焊料凸块(Solder Bump)，再将IC芯片反转覆置于构装基板上并完成接触垫对位后，以回焊(Reflow)热处理配合焊料熔融时的表面张力效应，使焊料成球并完成IC芯片与构装基板的接合。而在倒装芯片焊接过程中，凸块底层金属(UBM)与凸块界面间的黏结性、元素扩散障碍效果、润湿能力及所导致的介金属化合物(IMC)结构，都是影响长期可靠度测试的重要因素。由于晶片面积增大且使用高密度焊料球体连接，晶片上焊料球体熔融与芯片接合的回焊热处理的均匀性即变得非常重要，当主要负责传递信号的几个焊料球体失效，即会让电子元件产生损坏，所以回焊热处理均匀性的重要性确实不容忽视。
一般回焊设备包括热风式回焊炉、氮气回焊炉、激光回焊炉、红外线回焊炉等。单片式回焊炉以美国SEMIgear公司的回焊炉为典型，借由转盘依序将晶片表面上的焊料凸块进行回焊。另一方面，连续式回焊炉以SIKAMA公司的回焊炉为典型，借由移动式的履带传送晶片，沿着传送带有多个加热/冷却区，各区的主要工程目的包括：a.预热区，主要目的是将焊料膏体中的溶剂挥发。b.均温区，主要目的是将助焊剂活化，以去除氧化物，并蒸发多余水分。c.回焊区，主要目的是将焊料熔融。d.冷却区，主要目的是将焊料接合，使倒装芯片与封装基板成一体。
然而，传统回焊设备缺乏良好的温度调整及控制机能，因此在进行回焊步骤时，加热板上负载晶片会造成加热延迟的效应。尤其是，在升温及/或降温过程时晶片在受热区会经历焊料熔点(例如约183℃)，晶片表面温度不均匀现象尤其显著，跨越晶片表面的最大温差可达约30℃，造成的焊料熔融延迟时间可达约8-14秒，进而导致焊料球体阵列微观结构差异、焊料凸块高度不均、以及相邻焊料凸块桥接等问题。
有鉴于此，业界急需一种晶片级回焊设备，能各别地控制加热盘上的温度，以改善晶片表面焊料凸块的良率、介金属化合物(IMC)及焊料凸块的可靠度。
发明内容
为了解决现有技术的问题，根据本发明的一实施例，提供一种晶片级回焊设备包括：多个受热区及一传输带将一晶片传送至各受热区。各受热区包括：一加热盘具有同心圆配置的多个加热体；一红外线温测装置；及一控制器分别控制各加热体的输出，其中该红外线温测装置监测该晶片表面的多个区域的温度，并即时回馈此温度至该控制器使该晶片表面的焊料凸块受热温度均匀。
根据本发明另一实施例，提供一种焊料球体的制造方法，包括：提供一晶片级基板结构，该基板结构表面具有多个焊接垫；形成多个焊料凸块于所述多个焊接垫上；以及借由一晶片级回焊设备将所述多个焊料凸块熔成高度均一的焊料球体。该晶片级回焊设备包括：多个受热区及一传输带将一晶片传送至各受热区。各受热区包括：一加热盘具有同心圆配置的多个加热体；一红外线温测装置；及一控制器分别控制各加热体的输出，其中该红外线温测装置监测该晶片表面的多个区域的温度，并即时回馈此温度至该控制器使该晶片表面的焊料凸块受热温度均匀。
根据本发明又一实施例，提供一种倒装芯片组装体的制造方法，包括：提供一具有焊料球体阵列的芯片；将该芯片反转覆置于一封装基板上；借由一晶片级回焊设备将该反转覆置的芯片焊接贴附于该封装基板上，其中该晶片级回焊设备包括：多个受热区及一传输带将一晶片传送至各受热区。各受热区包括：一加热盘具有同心圆配置的多个加热体；一红外线温测装置；及一控制器分别控制各加热体的输出，其中该红外线温测装置监测该晶片表面的多个区域的温度，并即时回馈此温度至该控制器使该晶片表面的焊料凸块受热温度均匀。
本发明借由具有温度均匀控制的回焊设备进行回焊步骤的优点在于可有效地改善具有晶片和不具有晶片状态下的介金属化合物(IMC)结构以及不具有晶片状态下的焊料凸块的高度均匀性。另外，由于需重新回焊的比率很低，因此晶片整体的高度差。另外，因形成焊料凸块桥接与不规则的凸块较少，因而可提升焊料凸块块良率。
为使本发明能更明显易懂，下文特举实施例，并配合所附附图，作详细说明如下：
附图说明
图1显示根据本发明实施例的具有多重受热区的晶片级回焊设备的示意图
图2A显示根据本发明实施例的各受热区内的加热盘示意图。
图2B显示传统回焊设备的受热区内加热盘的示意图。
图3显示根据本发明实施例的多个同心圆配置的加热体的示意图。
图4A-图4F显示根据本发明的一实施例的焊接凸块回焊工艺的示意图。
图5A-图5D显示根据本发明的另一实施例的倒装芯片组装体回焊工艺的示意图。
其中，附图标记说明如下：
10～晶片级回焊设备；
10a-10l～多个受热区；
20～受热区；
20’～传统的受热区；
22～氮气导入口；
24～支撑柱；
26～加热盘；
26a、26b、26c～加热板；
27～孔洞；
28～氮气；
30a、30b～红外线温测装置；
32～控制器；
35～热电偶；
40a-40c～第一、第二、第三组加热体；
101～基板；
103～焊垫；
105～保护层；
107～凸块底层金属(UBM)层；
109～光致抗蚀剂层；
111～开口区域；
113～电镀凸块底层金属(UBM)层；
115～焊料凸块；
117～焊料球体；
120～倒装芯片；
122～助焊剂；
130～槽体；
132～助焊剂溶液；
140～封装基板；
142～接合垫。
具体实施方式
以下以各实施例详细说明并伴随着附图说明的范例，作为本发明的参考依据。在附图或说明书描述中，相似或相同的部分均使用相同的附图标记。且在附图中，实施例的形状或是厚度可扩大，并以简化或是方便标示。另外，附图中各元件的部分将以分别描述说明，值得注意的是，图中未示出或描述的元件，为本领域普通技术人员所知的形式，另外，特定的实施例仅为揭示本发明使用的特定方式，其并非用以限定本发明。
图1显示根据本发明实施例的具有多重受热区的晶片级回焊设备的示意图。晶片级回焊设备10包括多个受热区10a-10l及一传输带将晶片传送至各受热区。上述多个受热区包括预热区10a-10b、均温区10c-10e、回焊区10f-10i、及冷却区10k-10l，其中回焊区10f-10i的温度必须经过精确地控制，使各回焊区内的最大温差小于约1.3℃以内。
图2A显示根据本发明实施例的各受热区内的加热盘示意图。于图2A中，各受热区20包括一加热盘26具有多个同心圆配置的加热体，一红外线温测装置30a、30b，接收红外线以测量晶片各区域的温度，及一控制器32分别控制各加热体的输出，其中该红外线温测装置30a、30b监测晶片表面的多个区域的温度，并即时回馈此温度至控制器32使晶片的表面温度均匀。加热盘26设置于支撑柱24上。一氮气导入口22将氮气导入加热盘26中。于一实施例中，加热盘26包括一底加热板26a、一中加热板26b、及一上加热板26c，其中各加热板具有多个孔洞27供氮气28流通使该受热区内的温度均匀。图2A显示根据本发明实施例的各受热区内的加热盘示意图。相较于传统的受热区20’使用热电偶35作为测量温度，并且借由长条状的加热体置入加热板26a、26b、26c中，所得到的温度均匀性较差。
图3显示根据本发明实施例的同心圆配置的多个加热体的示意图。于一实施例中，此加热盘26具有同心圆配置的多个加热体，包括第一组加热体40a设置于加热盘26的外围区域，第三组加热体40c设置于加热盘的中央区域，及第二组加热体40b设置于第一组加热体40a和第三组加热体40c之间。例如，加热盘的尺寸例如是，但并不限定于，一8英寸或12英寸的圆盘，其中第一组加热体40a设置于距加热盘外缘90mm处，第二组加热体40b设置于距加热盘外缘125mm处，第三组加热体40c设置于距加热盘外缘150mm处。此外，于另一实施例中，第一组加热体40a具有三个同心圆加热体，第二组加热体40b具有两个同心圆加热体、及第三组加热体40c具有两个同心圆加热体。当红外线温测装置测量到晶片表面的某区域低于预期时，可即时回馈控制器，并借由增加对应该区域的加热体的输出，使晶片表面的焊料凸块受热温度均匀。
图4A-图4F显示根据本发明的一实施例的焊接凸块回焊工艺的示意图。请参阅图4A，提供一基板101具有一焊垫103，一保护层105设置于焊垫103的两端，露出中央置焊料球体的区域。形成(例如以溅镀法)一凸块底层金属(UBM)层107，设置于基板101之上，覆盖保护层105和焊垫的中央置焊料球体的区域。
请参阅图4B，依序实施涂布光致抗蚀剂层109、光掩模曝光、及显影等步骤，以形成图案化的光致抗蚀剂层109，露出欲形成焊料球体的开口区域111。接着，依序沉积一电镀凸块底层金属(UBM)层113(例如5μm的Cu层和3μm的Ni层)和焊料凸块115(例如110μm的锡膏)于开口区域111中，如图4C所示。
接着，请参阅图4D，移除光致抗蚀剂层109，然后进行蚀刻步骤以移除凸块底层金属层107，如图4E所示。借由本发明实施例所提供具有温度均匀控制的回焊设备，将晶片级基板101上的焊料凸块115回焊，以形成形状均一的焊料球体117，如图4F所示。应注意的是，上述实施例的焊料凸块回焊工艺仅用以举例说明本发明实施例具有多重受热区的晶片级回焊设备的应用，然并非用以限定本发明的范围，也可替代地应用于其他焊料凸块的工艺。
图5A-图5D显示根据本发明的另一实施例的倒装芯片组装体回焊工艺的示意图。请参阅图5A，将已形成焊料球体117阵列的芯片120，翻转覆置于，浸润于含助焊剂溶液132的槽体130中，以沾附助焊剂122于焊料球体117阵列上，如图5B所示。
请参阅图5C，将已沾附助焊剂的芯片120贴附于一封装基板140上，并对准封装基板的接合垫142。应注意的是，可选择性地施以去除助焊剂及清洗步骤。借由本发明实施例所提供具有温度均匀控制的回焊设备进行回焊步骤，以形成接合性均匀且良好的晶片级倒装芯片组装体，如图5D所示。应注意的是，上述实施例的倒装芯片组装体回焊工艺仅用以举例说明本发明实施例具有多重受热区的晶片级回焊设备的应用，然并非用以限定本发明的范围，也可替代地应用于其他芯片组装体的工艺。
根据本发明的实施例，借由具有温度均匀控制的回焊设备进行回焊步骤的优点在于可有效地改善具有晶片和不具有晶片状态下的介金属化合物(IMC)结构以及不具有晶片状态下的焊料凸块的高度均匀性。另外，由于需重新回焊的比率很低，因此晶片整体的高度差。另外，因形成焊料凸块桥接与不规则的凸块较少，因而可提升焊料凸块块良率。例如，相较于传统具有长条状加热体及热电偶控制的回焊炉所制造的焊料凸块，借由使用本发明实施例具有同心圆加热体的回焊设备，可有效地降低焊料凸块短路、不规则的焊料凸块、和UBM残留等问题，而焊料凸块的良率也显著地从87％提升至92％。
本发明虽以各种实施例揭示如上，然其并非用以限定本发明的范围，任何本领域普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可做些许的更动与润饰。本发明的保护范围当视所附的权利要求所界定的范围为准。

Claims (9)

1.一种晶片级回焊设备，包括：
多个受热区，各受热区包括：
一加热盘，具有同心圆配置的多个加热体；
一红外线温测装置；及
一控制器，分别控制各加热体的输出；以及
一传输带，将一晶片传送至各受热区，其中该红外线温测装置的温度测该晶片表面的多个区域，并即时回馈此温度至该控制器使该晶片表面的焊料凸块受热温度均匀。
2.如权利要求1所述的晶片级回焊设备，其中该多个受热区包括一预热区、一均温区、一回焊区、及一冷却区。
3.如权利要求1所述的晶片级回焊设备，其中该红外线温测装置包括多个埋藏式红外线温度感测器。
4.如权利要求1所述的晶片级回焊设备，其中该加热盘包括一上加热板、一中加热板、及一底加热板，其中各加热板具有多个孔洞供氮气流通使该受热区内的温度均匀。
5.如权利要求1所述的晶片级回焊设备，其中该同心圆配置的多个加热体包括一第一组加热体设置于该加热盘的外围区域，一第三组加热体设置于该加热盘的中央区域，及一第二组加热体设置于该第一组加热体和该第三组加热体之间。
6.如权利要求5所述的晶片级回焊设备，其中该加热盘为一12英寸圆盘，其中该第一组加热体设置于距该加热盘外缘90mm处，该第二组加热体设置于距该加热盘外缘125mm处，该第三组加热体设置于距该加热盘外缘150mm处。
7.如权利要求5所述的晶片级回焊设备，其中该第一组加热体具有三个同心圆加热体，该第二组加热体具有两个同心圆加热体、及该第三组加热体具有两个同心圆加热体。
8.一种焊料球体的制造方法，包括：
提供一晶片级基板结构，该基板结构表面具有多个焊接垫；
形成多个焊料凸块于所述多个焊接垫上；以及
借由一晶片级回焊设备将所述多个焊料凸块熔成高度均一的焊料球体，其中该晶片级回焊设备包括：
多个受热区，各受热区包括：
一加热盘，具有同心圆配置的多个加热体；
一红外线温测装置；及
一控制器，分别控制各加热体的输出；以及
一传输带，将一晶片传送至各受热区，其中该红外线温测装置监测该晶片表面的多个区域的温度，并即时回馈此温度至该控制器使该晶片表面的焊料凸块受热温度均匀。
9.一种倒装芯片组装体的制造方法，包括：
提供一具有焊料球体阵列的芯片；
将该芯片反转覆置于一封装基板上；
借由一晶片级回焊设备将该反转覆置的芯片焊接贴附于该封装基板上，其中该晶片级回焊设备包括：
多个受热区，各受热区包括：
一加热盘，具有同心圆配置的多个加热体；
一红外线温测装置；及
一控制器，分别控制各加热体的输出；以及
一传输带，将一晶片传送至各受热区，其中该红外线温测装置监测该晶片表面的多个区域的温度，并即时回馈此温度至该控制器使该晶片表面的焊料凸块受热温度均匀。
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