CN104112682A - 一种基于镍微针锥同种结构的固态超声键合方法 - Google Patents

一种基于镍微针锥同种结构的固态超声键合方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于镍微针锥同种结构的固态超声键合方法，包括步骤如下：选择具有相互匹配的电互连焊盘的两个或多个待键合元件，两两形成一待键合偶；在待键合偶的其中一侧焊盘上形成镍微针锥；在待键合偶的另一侧焊盘上形成相同形貌的镍微针锥；将待键合偶一侧元件吸附在键合装置压头表面；将待键合偶两侧的焊盘对准，使两侧镍微针锥匹配接触，向待键偶一侧施加键合压力和超声振动并保持一定时间，使得两侧镍微针锥互连键合。本发明的工艺过程简单，无需加热及助焊剂，可以避免对器件产生热损伤，提高产品可靠性；微针锥结构的使用缩短了超声键合的时间，提高了互连的有效性和键合密度。

Description

一种基于镍微针锥同种结构的固态超声键合方法
技术领域
本发明涉及半导体芯片封装领域，具体是通过表面微针锥金属层的使用，实现元件间超声互连键合的方法。
背景技术
目前电子封装向小型化、高密度化和多芯片化发展，电互连技术的革新是微电子技术发展的关键所在。传统的熔融键合通过高温使得焊料在焊点处融化润湿，冷却后使得键合点固化，从而获得较好的连接。然而对于一些高度集成化的芯片，高温互连的过程可能会影响器件的可靠性，同时伴随着较大的能量消耗。如Cu-Cu热压键合往往需要较高的键合温度，典型值约在350 - 400℃将给封装带来很大的技术障碍。
寻求低焊接温度、高焊接强度的工艺已经成为互连技术的发展趋势。现今有大量文献及专利描述使用非熔融方法实现互连，其中非常重要的途径是利用纳米材料对键合元件表面进行处理，从而降低键合所需的温度。例如利用纳米级金、银等材料的高表面能，降低再结晶温度，从而在压力辅助下产生低温烧结现象，进而实现低温焊接。对于直径为100nm的纳米银颗粒而言，键合可在300°C以下温度、25MPa压力下进行，获得剪切强度在10MPa以上。又例如，一些金属在低温下可相互作用形成高熔点金属间化合物，如铟-银，铟-锡等都可以用来实现低温互连。
超声键合是利用超声波发生器产生的能量，通过换能器在超高频率磁场感应下迅速伸缩而产生弹性震动，然后经变幅杆传给劈刀，使其震动，同时在劈刀上施加一定压力。劈刀在二种合力的共同作用下是焊区二个金属面紧密接触，达到原子间的“键合”，形成牢固的焊接。
通过改变键合元件的表面形貌，也可以达到降低键合温度的效果。微针锥阵列材料由于其针尖结构可以破坏焊料氧化层，被运用在热压键合中，键合后形成嵌入式的界面，在160-200°C可获得较为理想的键合强度，然而该技术由于诸多瓶颈难以实际应用。例如界面存在的空洞使得键合质量不佳，因此需要后期对焊接点持续加热以提高界面强度；空洞的存在使得键合需要较长的时间，这严重影响了其实际应用范围。
发明内容
本发明的目的在于提供一种镍微针锥同种结构的固态超声键合方法，该方法能够克服以往工艺存在的一些缺陷，避免回流焊工艺温度高对器件造成的热损伤，同时避免了微针锥热压焊的界面空洞问题和键合时间过长问题，通用性强，连接效率高，可靠性好。
为解决上述技术问题，本发明是通过如下技术方案实现的：
本发明提供一种基于镍微针锥同种结构的固态超声键合方法，包括步骤如下：
1）选择具有相互匹配的电互连焊盘的两个或多个待键合元件，两两形成一待键合偶；
2）在待键合偶的其中一侧的电互连焊盘上形成镍微针锥；
3）在待键合偶的另一侧的电互连焊盘上形成相同形貌的镍微针锥；
4）将待键合偶一侧元件吸附在键合装置压头表面；
5）将待键合偶两侧的电互连焊盘对准，使两侧镍微针锥匹配接触，向待键偶一侧施加键合压力和超声振动并保持一定时间，使得两侧镍微针锥互连键合。
优选地，所述镍微针锥的形成通过电沉积法实现，通过控制添加剂浓度、时间、电沉积温度、电流密度等参数，控制所述镍微针锥的针锥高度在500纳米至2000纳米之间，所述镍微针锥的锥底直径在200纳米至1000纳米之间。
优选地，所述待键合偶的所述镍微针锥的针锥高度基本一致。
优选地，形成所述镍微针锥后，在所述镍微针锥的表面制备防氧化层。
优选地，所述防氧化层为高温下抗氧化的Au、Pt、Ag、Pd、Sn等金属单质或合金，厚度为数纳米至数十纳米，不改变所述镍微针锥的形貌结构。
优选地，所述压头为中空结构，通过真空负压方式吸附所述待键合元件，键合过程结束后压头复位并脱离元件。
优选地，所述超声振动由超声波发生器产生，超声频率一般为10-150kHz，通过机械装置传导至所述压头及所述待键合元件。
优选地，键合过程在压力及超声振动下保持数百至数千微秒，保持时间由金属种类、键合压力、超声功率及频率要求的最优化结果决定。
一般，键合过程在室温下进行，操作温度为15摄氏度至40摄氏度；键合压力为0.1-30MPa，依据键合超声功率而定；键合时间为0.04-5s，依据键合压力和键合超声功率而定。操作温度低，键合时间短，更易于操作，可广泛应用。
相较于现有技术，本发明具有以下优点：
本发明提出了一种基于镍微针锥同种结构的固态超声键合方法，本发明中的镍微针锥与镍微针锥有良好的机械咬合作用，同时其良好的表面活性导致的互扩散强化机制会增强键合效果，明显地防止键合过程空洞的发生，进而有效地降低键合温度，提高键合质量。
附图说明
下面结合附图对本发明的实施方式作进一步说明：
图1为本发明的镍微针锥与镍微针锥在键合之前的剖面图。
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
请参阅图1，本发明提出一种基于镍微针锥同种结构的固态超声键合方法，包括步骤如下：
1）选择具有相互匹配的电互连焊盘的两个或多个待键合元件，两两形成一待键合偶；
2）在待键合偶的其中一侧的电互连焊盘上形成镍微针锥120；
3）在待键合偶的另一侧的电互连焊盘上形成相同形貌的镍微针锥130；
4）将待键合偶的一侧元件吸附在键合装置压头110表面；
5）将待键合偶的两侧的电互连焊盘对准，使所述镍微针锥120与所述镍微针锥130匹配接触，向待键合偶一侧施加键合压力和超声振动并保持一定时间，使得镍微针锥120与镍微针锥130互连键合。
实施例1
（1）镍微针锥制备：在带有I/O焊盘的裸芯片上制备镍微针锥，先通过电化学除油处理清洁表面，随后浸入20wt.% 硫酸中活化以提高表面活性。使用电沉积方法制备镍针锥，所用电解液成分为: 120g/L 的NiCl2、40g/L 的H3BO4 、200g/L的结晶调整剂。电沉积条件为60°C，pH=4，电流密度为2A/dm2，沉积时间为20min。制备的镍针锥高度大约1000nm，锥体直径为约300nm～500nm。
（2）将2个含有镍微针锥的芯片面对面放置对准，放到压头附近，压头通过真空力将铜片吸附在表面，调节键合压力参数，调节超声功率及频率，调节时间控制器，打开开关后，压头以超声功率20W，等效静压力5MPa，键合时间1.5s，完成键合。键合后关闭压头真空，取下芯片。
实施例2
在印刷线路板（PCB）用于球栅阵列（BGA）型表面贴装的焊盘区域金属块上制备镍微针锥120和表面防氧化层Ag层，镍微针锥120的针锥高度约1μm，Ag层厚度约10nm。以同样方法在印刷线路板（PCB）用于球栅阵列（BGA）型表面贴装的焊盘区域金属块上制备将镍微针锥130和表面防氧化层Ag层，镍微针锥120的针锥高度约1μm，Ag层厚度约10nm。将2个相同的待键合元件面对面放置对准，将用酸洗去表面氧化层的待键合元件放到压头附近，压头通过真空力将待键合元件吸附在表面，调节键合压力参数，调节超声功率及频率，调节时间控制器，打开开关后，压头以超声功率20W，等效静压力10MPa，键合时间1.2s，完成键合。键合后关闭压头110的真空，取下元件。
实施例3
在倒装基片的焊盘区域通过化学沉积或电沉积法制备镍微针锥120和防氧化层Au层，整体厚度约为5 μm，镍微针锥120的针锥高度约为1 μm，Au层厚度为10nm，此厚度的Au不会对针锥结构产生影响。另一倒装基片的焊盘区域通过化学沉积或电化学沉积制备镍微针锥130和防氧化层Au层，，整体厚度约为5 μm，镍微针锥130的针锥高度约为1 μm，Au层厚度为10nm。两倒装基片面对面放置对准，将用酸洗去表面氧化层的基片放到压头110附近，压头110通过真空力将基片吸附在表面，调节键合压力参数，调节超声功率及频率，调节时间控制器，打开开关后，压头110以超声功率20W，等效静压力10MPa，键合时间1.2s，完成键合。键合后关闭压头110的真空，取下基片。
进一步地，镍微针锥120以及镍微针锥130的形成通过电沉积法实现，通过控制添加剂浓度、时间、电沉积温度、电流密度等参数，控制镍微针锥120以及镍微针锥130的针锥高度在500纳米至2000纳米之间，镍微针锥120及镍微针锥130的锥底直径在200纳米至1000纳米之间；待键合偶的所述镍微针锥120与镍微针锥130的针锥高度基本一致。
进一步地，形成所述镍微针锥120及镍微针锥130后，在镍微针锥120及镍微针锥130的表面制备防氧化层；防氧化层为高温下抗氧化的Au、Pt、Ag、Pd、Sn等金属单质或合金，厚度为数纳米至数十纳米，不改变所述镍微针锥120及镍微针锥130的形貌结构。
进一步地，压头110为中空结构，通过真空负压方式吸附所述待键合元件，键合过程结束后压头复位并脱离元件。
进一步地，超声振动由超声波发生器产生，超声频率一般为10-150kHz，通过机械装置传导至所述压头及所述待键合元件；键合过程在压力及超声振动下保持数百至数千微秒，保持时间由金属种类、键合压力、超声功率及频率要求的最优化结果决定。
一般，键合过程在室温下进行，操作温度为15摄氏度至40摄氏度；键合压力为0.1-30MPa，依据键合超声功率而定；键合时间为0.04-5s，依据键合压力和键合超声功率而定。操作温度低，键合时间短，更易于操作，可广泛应用。
此处公开的仅为本发明的优选实施例，本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，并不是对本发明的限定。任何本领域技术人员在说明书范围内所做的修改和变化，均应落在本发明所保护的范围内。

Claims (10)

1.一种基于镍微针锥同种结构的固态超声键合方法，其特征在于，包括步骤如下：
1）选择具有相互匹配的电互连焊盘的两个或多个待键合元件，两两形成一待键合偶；
2）在待键合偶的其中一侧的电互连焊盘上形成镍微针锥；
3）在待键合偶的另一侧的电互连焊盘上形成相同形貌的镍微针锥；
4）将待键合偶一侧元件吸附在键合装置压头表面；
5）将待键合偶两侧的电互连焊盘对准，使两侧镍微针锥匹配接触，向待键偶一侧施加键合压力和超声振动并保持一定时间，使得两侧镍微针锥互连键合。
2.根据权利要求1所述的基于镍微针锥同种结构的固态超声键合方法，其特征在于，所述镍微针锥的形成通过电沉积法实现，通过控制添加剂浓度、时间、电沉积温度、电流密度等参数，控制所述镍微针锥的针锥高度在500纳米至2000纳米之间，所述镍微针锥的锥底直径在200纳米至1000纳米之间。
3.根据权利要求2所述的基于镍微针锥同种结构的固态超声键合方法，其特征在于，同一待键合元件的所述镍微针锥的针锥高度基本一致。
4.根据权利要求3所述的基于镍微针锥同种结构的固态超声键合方法，其特征在于，形成所述镍微针锥后，在所述镍微针锥的表面制备防氧化层。
5.根据权利要求4所述的基于镍微针锥同种结构的固态超声键合方法，其特征在于，所述防氧化层为高温下抗氧化的Au、Pt、Ag、Pd、Sn等金属单质或合金，厚度为数纳米至数十纳米，不改变所述镍微针锥的形貌结构。
6.根据权利要求5所述的基于镍微针锥同种结构的固态超声键合方法，其特征在于，所述压头为中空结构，通过真空负压方式吸附所述待键合元件，键合过程结束后压头复位并脱离元件。
7.根据权利要求6所述的基于镍微针锥同种结构的固态超声键合方法，其特征在于，所述超声振动由超声波发生器产生，通过机械装置传导至所述压头及所述待键合元件。
8.根据权利要求7所述的基于镍微针锥同种结构的固态超声键合方法，其特征在于，键合过程在压力及超声振动下保持数百至数千微秒，保持时间由金属种类、键合压力、超声功率及频率要求的最优化结果决定。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的基于镍微针锥同种结构的固态超声键合方法，其特征在于，键合过程在室温下进行，操作温度为15摄氏度至40摄氏度。
10.根据权利要求1至8中任一项所述的基于镍微针锥同种结构的固态超声键合方法，其特征在于，键合压力为0.1-30MPa，键合时间为0.04-5s。
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