CN102672296A - 多层堆叠芯片低温超声键合形成单金属间化合物焊点的方法 - Google Patents

多层堆叠芯片低温超声键合形成单金属间化合物焊点的方法 Download PDF

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Abstract

一种多层堆叠芯片低温超声键合形成单金属间化合物焊点的方法，属于电子制造技术领域，涉及一种多层堆叠芯片的低温键合方法。为了实现叠层封装中堆叠芯片的低温高可靠互连，本发明所述方法为打孔→填充导电金属及焊盘平整化→制备钎料层→夹持对中→超声键合→成品，其中超声键合具体步骤如下：精密对准和对中后，采用超声焊接机进行超声键合。本发明适用于叠层封装中芯片厚度100μm以下的2～5层硅通孔芯片的低温键合，互连焊点厚度小于10μm。本发明采用超声键合方法，键合温度50～200℃，有效降低温度对芯片的影响；可以快速实现叠层芯片间单金属间化合物连接，提高封装可靠性。

Description

多层堆叠芯片低温超声键合形成单金属间化合物焊点的方法
技术领域
本发明属于电子制造技术领域，涉及一种多层堆叠芯片的低温键合方法。
背景技术
多层堆叠芯片互连是三维电子封装中的核心技术。随着叠层封装中器件节点尺寸的日益减小，急需开发低温键合技术避免对芯片性能的损害。在温度高于260℃进行键合时，将会影响封装中敏感芯片的性能。键合过程中由于各层材料热膨胀系数的不匹配造成晶圆或芯片翘曲，在高密度细间距封装互连中影响精度。低温键合技术尤其在光学、微电子机械系统及生物芯片应用中具有潜在的优势。
叠层封装中芯片堆叠至少两层芯片，且芯片极薄，通常为50μm~100μm，非常容易产生裂纹。比如芯片在高键合压力或夹具力作用下极易出现裂纹。目前用于叠层封装中的芯片互连技术包括：粘结键合、金属-金属（Cu-Cu 或Au-Au）热压键合、凸点键合（钎料凸点或Au凸点）、共晶键合、硅直接键合等。这些键合方法都具有工艺上的局限性，如高温、高压等，容易损伤芯片性能。
叠层封装中芯片互连焊点通常只有3~6μm大小，焊点内部几乎全部由金属间化合物组成，而金属间化合物是互连接头中的脆性物质，严重影响接头性能。如果焊点内部金属间化合物种类繁多，那么后续封装加热过程中焊点组织将更加复杂，严重影响可靠性。另外，电子产品使用过程中焊点内部电流通过也将驱动金属间化合物的继续生长，导致封装中各个部分的热失配而产生失效。如果使焊点组成为单一种类金属间化合物，则焊点屈服强度和抗蠕变性能都将提高，可表现出优异的互连点可靠性。但上述连接方法中若想实现堆叠芯片的单一种类金属间化合物互连，除了加热温度高以外，加热时间长达几个小时，不符合高效电子制造的特点。
发明内容
为了实现叠层封装中堆叠芯片的低温高可靠互连，本发明提供一种多层堆叠芯片低温超声键合形成单金属间化合物焊点方法，采用超声键合方法，键合温度50～200℃，有效降低温度对芯片的影响；该方法可以快速实现叠层芯片间单金属间化合物连接，提高封装可靠性。
本发明按照下述步骤超声键合多层堆叠硅通孔芯片：打孔→填充导电金属→制备钎料层→夹持对中→超声键合→成品，其中超声键合具体步骤如下：精密对准和对中后，采用超声焊接机进行超声键合，控制超声频率20～65kHz，键合时间5秒～5分钟，键合温度为50～200℃。
超声能够促进金属原子的扩散，能够加速实现单一种类金属间化合物焊点的形成，将金属间化合物的完整生长时间缩短到几十秒到几分钟。该方法产生的金属间化合物焊点不但可以承受后封装过程中较高的无铅再流焊温度，还可以解决堆叠芯片互连工艺及材料不兼容等问题，大大提高效率和可靠性。本发明适用于堆叠封装中芯片厚度100μm以下的2层或多层硅通孔芯片的低温键合，互连焊点厚度小于10μm。
附图说明
图1为本发明键合方法示意图，图2为焊点部位6的局部放大图，图3为焊点形成后10的局部放大图。
具体实施方式
具体实施方式一：如图1～3所示，本实施方式按照下述步骤超声键合多层堆叠硅通孔芯片：
（1）打孔：将芯片1进行钻孔，具体方法为：通过刻蚀或激光打孔在硅晶体中形成通孔2，然后采用等离子体增强化学气相沉积（PECVD）、物理气相沉积（PVD）或金属有机化合物化学气相沉积（MOCVD）的方法依次淀积金属粘附层Ti或Ta/ 阻挡层TiN或TaN/ 种子层（Cu、Ag或Ag），获得叠层封装硅通孔芯片，所述芯片厚度为100μm以下； 
（2）填充导电金属及焊盘平整化：采用电镀的方法对叠层封装硅通孔芯片进行通孔导电金属填充3，所述金属为Cu、Au、Ag中的一种，确保通孔填满并在芯片两侧各露出一个凸台；然后采用化学机械抛光或研磨使表面上的凸台金属即焊盘平坦化；
（3）钎料层制备：采用电镀方法在焊盘金属上制备低温钎料层4，所述钎料金属为Sn、Sn基合金、In或In基合金；
（4）夹持对中：采用精密拾放设备拾取芯片，将其与下芯片精密对准，得到对中堆叠后的多层芯片5，然后将其多层芯片5封装到基板材料7上；
（5）超声键合：精密对准和对中后，采用超声焊接机进行超声键合。超声键合过程中有加热平台8进行50～200℃的加热，超声振动头进行水平或垂直方向的振动，超声频率20～65kHz；键合时间5秒～5分钟。超声键合过程如下：开启超声，超声振动头9与芯片背面接触，并施加1～15N键合力，同时对焊点施加100～500ws超声波能量，由于键合力和超声振动的存在，超声振动头与芯片及焊点之间存在摩擦力，此超声振动得以在界面间传递。同时，低温钎料熔化，扩散开始发生，由于超声具有促进原子扩散的作用，加速了金属间化合物焊点11的形成过程。关闭超声，超声振动头抬起，撤走键合力，完成超声键合全过程。
具体实施方式二：本实施方式按照下述步骤超声键合多层堆叠硅通孔芯片：
（1）打孔：通过刻蚀在硅晶体中形成通孔，然后采用等离子体增强化学气相沉积（PECVD）的方法依次淀积金属粘附层/ 阻挡层/ 种子层，获得硅通孔芯片，所述芯片厚度为50μm； 
（2）填充导电金属及焊盘平整化：采用电镀的方法对堆叠封装硅通孔芯片进行通孔导电金属Cu填充，然后采用化学机械抛光使表面上的凸台金属即焊盘平坦化；
（3）钎料层制备：采用电镀方法在焊盘金属上制备低温Sn钎料层；
（4）夹持对中：采用精密拾放设备拾取芯片，将其与下芯片精密对准，得到对中堆叠后的三层芯片；
（5）超声键合：开启超声焊接机，超声振动头与芯片背面接触，超声振动头进行水平或垂直方向的振动，并施加5N键合力，同时对焊点施加300ws超声波能量，控制超声频率40kHz，键合时间2分钟，加热温度为150℃，关闭超声，超声振动头抬起，撤走键合力，完成超声键合全过程。
本实施方式的互连焊点厚度为8μm。

Claims (10)

1.一种多层堆叠芯片低温超声键合形成单金属间化合物焊点的方法，其特征在于所述方法为打孔→填充导电金属及焊盘平整化→制备钎料层→夹持对中→超声键合→成品，其中超声键合具体步骤如下：精密对准和对中后，采用超声焊接机进行超声键合，控制超声频率20～65kHz，键合时间5秒～5分钟，键合温度为50～200℃。
2.根据权利要求1所述的多层堆叠芯片低温超声键合形成单金属间化合物焊点方法，其特征在于所述超声键合过程如下：开启超声焊接机，超声振动头与芯片背面接触，超声振动头进行水平或垂直方向的振动，并施加1～15N键合力，同时对焊点施加100～500ws超声波能量，控制超声频率20～65kHz，键合时间5秒～5分钟，加热温度为50～200℃，关闭超声，超声振动头抬起，撤走键合力，完成超声键合全过程。
3.根据权利要求1所述的多层堆叠芯片低温超声键合形成单金属间化合物焊点方法，其特征在于所述芯片厚度为100μm以下。
4.根据权利要求1所述的多层堆叠芯片低温超声键合形成单金属间化合物焊点方法，其特征在于所述打孔具体步骤为：将芯片进行钻孔，并依次淀积金属粘附层、阻挡层、种子层，获得硅通孔芯片。
5.根据权利要求4所述的多层堆叠芯片低温超声键合形成单金属间化合物焊点方法，其特征在于通过刻蚀或激光打孔在硅晶体中形成通孔。
6.根据权利要求4所述的多层堆叠芯片低温超声键合形成单金属间化合物焊点方法，其特征在于采用等离子体增强化学气相沉积、物理气相沉积或金属有机化合物化学气相沉积的方法依次淀积金属粘附层/ 阻挡层/ 种子层，获得硅通孔芯片。
7.根据权利要求1所述的多层堆叠芯片低温超声键合形成单金属间化合物焊点方法，其特征在于采用电镀的方法对硅通孔芯片进行通孔导电金属填充，然后通过化学机械抛光或研磨使表面上的金属焊盘平坦化。
8.根据权利要求7所述的多层堆叠芯片低温超声键合形成单金属间化合物焊点方法，其特征在于所述金属为Cu、Au或Ag。
9.根据权利要求1所述的多层堆叠芯片低温超声键合形成单金属间化合物焊点方法，其特征在于采用电镀方法在焊盘金属上制备低温合金钎料层。
10.根据权利要求1所述的多层堆叠芯片低温超声键合形成单金属间化合物焊点方法，其特征在于所述钎料金属为Sn、Sn基合金、In或In基合金。
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