CN104157595A - 基于电化学生长的微电子封装引线互连方法与装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于电化学生长的微电子封装引线互连方法与装置，该装置包括用于电化学反应的电解槽(6)及电解液、具有多通道输出的电沉积电源(5)、用于为芯片焊盘通电的芯片微电极阵列、用于为基板焊盘通电的基板微电极阵列、用于对准微电极与芯片/基板焊盘的机器视觉系统和整机控制系统(12)；芯片微电极阵列分别接电沉积电源的阴极；基板微电极阵列分别接电沉积电源的阳极；微电极阵列的底座位于最低位时，所有的探针与所有的焊盘接触，从而为焊盘通电，在通电的焊盘之间基于电解沉积模式生长出引线。本发明采用简单的机构和控制，能并行实现微电子芯片与基板的引线互连。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于电化学生长的微电子封装引线互连方法与装置。
背景技术
裸芯片(die)电路制作完毕后，必须在芯片和基板之间制造一些引线，将芯片电路与基板电路连接起来，实现信号分配、电源分配和散热等功能，这就是微电子封装引线互连。引线互连是从芯片到器件的桥梁，完成了互连引线后，芯片才能成为可应用的器件。
目前主要的互连引线方法主要方法是超声引线键合(Wire/Ball bonding)和超声楔焊(Ultrasonic wedge bonding)，全球每年采用这些方法制造的互连引线多达6×1012条。这些方法的特点是采用超声将事先制造好的金属丝焊接在芯片和基板焊盘上，实现互连引线的制造。其缺点是：1)互连引线必须事先制造好，直径仅25微米的引线制造极其复杂，直接推高了引线互连的成本；2)引线必须逐条焊接，焊接过程中焊头的复杂机械运动，使得引线互连设备的机械结构和运动控制系统十分复杂，使得该类设备的价格昂贵；3)互连引线键合完成后，还必须经过严格的导通测试，以确保每一条引线都牢固地焊接在焊盘中，实现了焊盘间的互连，确保没有虚焊或脱焊。
上述复杂的超声引线互连方法，使得引线互连成为微电子制造过程中最费时费力的工序。因此，有必要设计一种新型的微电子封装引线互连方法与装置，用于避免复杂的引线制造与逐条焊接过程、避免互连之后的测试，实现互连引线的并行制造。现有技术中，未检索到与基于电化学生长的微电子封装引线互连方法与装置相关的方案。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对超声引线键合需要实现制造引线、焊接设备的焊头运动复杂、控制系统复杂、设备昂贵、互连后还需要单独进行导通性测试的缺点，提供一种基于电化学生长的微电子封装引线互连方法与装置，该基于电化学生长的微电子封装引线互连方法与装置采用简单的机构和控制，能并行实现微电子芯片与基板的引线互连。
发明的技术解决方案如下：
一种基于电化学生长的微电子封装引线互连装置，包括用于电化学反应的电解槽(6)及电解液、具有多通道输出的电沉积电源(5)、用于为芯片焊盘通电的芯片微电极阵列、用于为基板焊盘通电的基板微电极阵列、用于对准微电极与芯片/基板焊盘的机器视觉系统和用于控制整个引线过程的整机控制系统(12)；
芯片微电极阵列分别接电沉积电源的阴极(负极)；基板微电极阵列分别接电沉积电源的阳极(正极)；
芯片微电极阵列和基板微电极阵列均包括底座和在底座上设置的多个探针，每一根探针即为一个微电极；底座为具有升降功能的底座；芯片微电极阵列和基板微电极阵列上的探针设置位置分别与芯片焊盘和基板焊盘的布置对应，使得底座位于最低位时，所有的探针与所有的焊盘接触，从而为焊盘通电，在通电的焊盘之间基于电解沉积模式生长出引线；电镀完毕后，底座抬起，探针脱离焊盘。
所述的基于电化学生长的微电子封装引线互连装置还包括用于驱动基板微电极阵列和基板微电极阵列的运动平台及其控制系统(10)。
所述的微电极采用金属、合金材料或者导电惰性电极材料制成；金属为钨、铼或铂；微电极的端面面积小于焊盘面积的1/2。
一种基于电化学生长的微电子封装引线互连方法，采用前述的基于电化学生长的微电子封装引线互连装置，包括以下步骤：
步骤1：将芯片与基板固定在电镀槽中，然后在机器视觉系统辅助下，将芯片微电极阵列与基板微电极阵列分别与芯片焊盘和基板焊盘对齐并接触；在需要实现互连的芯片焊盘与基板焊盘之间形成至少一对电沉积电极；【解释：如果多条引线同时生长，则需要先同时形成多对电沉积电极；任两个焊盘之间最多只能有一条引线】；
步骤2：将电镀液导入电镀槽(6)中，接通电沉积电源；通过微电极向芯片焊盘和基板焊盘供电；芯片焊盘与基板焊盘将作为电沉积的阴极与阳极发生电化学反应，并在芯片焊盘(阴极)上沉积出金属；随着时间的推移，金属向基板焊盘方向生长，最终形成芯片与基板焊盘之间的引线；引线生成时，停止供电；
所有的引线可以分批或者同时用上述方法制造；所有的电极对之间的引线制造完成后，芯片微电极阵列和基板微电极阵列均升起离开焊盘，以便将互连完成后的芯片和基板拿走，并将下一个需要互连的芯片和基板放入电解槽中，并重复上述电化学引线键合过程，从而实现连续的工业生产。
所述步骤2中，当生长的金属将芯片基板焊盘连接在一起的时候，电解沉积的阴极与阳极之间电阻急剧下降，导致电沉积系统的电流将发生突然增加；在此过程中，监视每一对微电极的电流变化，当电流增量达到一定阂值后，认为引线已经在该对电极间生成，焊盘间已经形成了可靠的互连，并停止供电，完成相应引线的制造。
所述的阂值为15mA。
电解液中含有铜、银、金或铝离子中的任一种。
温度应该控制在120℃以下，电解液为硫酸铜溶液，硫酸铜溶液溶度应该控制在1mol/L以下。
每根探针的电流控制在0.5-5微安，以实现2-5nm/s的沉积速率。
所有的电极对之间的引线制造完成后，再通过电极对之间的电流检测确定互连引线的导电性能；即通过监测微电极对之间的电流来判断焊盘间的引线是否连接成功，以及连接的电性能如何，因此可以在互连引线的同时完成连接可靠性测试。【因为引线未连接时，焊盘间的电阻极大，而引线为可靠连接状态时，焊盘间的电阻极小，焊盘之间相当于短接，焊盘连接后，若2个焊盘之间未形成可靠连接，则具有一定的接触电阻，故而可以通过监控电流来检测连接状态；这种监控为现有成熟技术】
有益效果：
本发明的基于电化学生长的微电子封装引线互连方法与装置所具有的有益效果有：
1)由于采用电化学沉积并行制造引线，因此引线的效率和速度可以数倍高于采用超声引线的方法；
2)由于没有焊头的复杂运动及其控制过程，因此引线设备的成本和复杂程度大大降低。
3)由于引线过程中不需要给焊盘施加键合力，因此特别适合于三维堆叠芯片中悬臂芯片的互连引线、MEMS器件中芯片的互连引线等不能承受大的力载荷的互连引线场合。
4)由于引线是实时沉积形成，无需事先制造，并且可以采用铜或者锌等非贵金属(超声引线键合一股采用贵金属)，因此引线的成本可以大大降低。
5)由于可以通过监测微电极对之间的电流大小来判断焊盘间的引线是否连接成功，以及连接的电性能如何，因此可以在互连引线的同时完成连接可靠性测试。
综上所述，本发明综合了机械、电子、材料、化学、控制等领域的技术，形成了一种可以利用电化学沉积方法实现微电子互连引线的方法及其装备。与现有超声引线键合方法相比，具有明显的成本和效率优势。
本发明采用简单的机构和控制，并行实现微电子芯片与基板的引线互连，并在完成互连引线的同时完成对焊盘间互连性能的测试，以解决上述超声引线键合所面临的问题。
本发明能避免复杂的引线制造与逐条焊接过程、避免互连之后的测试，实现互连引线的并行制造，对微电子封装具有重要的现实意义。
附图说明
图1为微电极与焊盘的布置与对接示意图；
图2芯片焊盘与基板焊盘之间形成一对电沉积电极
图3电沉积引线系统的总体机构示意图。
具体实施方式
以下将结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明：
实施例1：
1)如图1所示。首先，按照芯片(1)与基板(2)引线互连的需求，设计出对应的芯片微电极阵列(做阵列的目的是给相应的焊盘通电，以便进行电解沉积。)(2-1，2-2，2-3，2-4，2-5，2-6)与基板微电极阵列(4-1，4-2，4-3，4-4，4-5，4-6)，上述两种阵列的布局排列方式分别与芯片焊盘(1-1，1-2，1-3，1-4，1-5，1-6)与基板焊盘(3-1，3-2，3-3，3-4，3-5，3-6)的布局阵列一致；
2)芯片微电极阵列分别接电沉积电源5的阴极(负极)；对应的基板微电极阵列分别接电沉积电源5的阳极(正极)；
3)将芯片与基板固定在电镀槽6中，然后在机器视觉系统辅助下，将芯片微电极阵列与基板微电极阵列分别与芯片焊盘和基板焊盘对齐并接触；在需要实现互连的芯片焊盘与基板焊盘之间形成至少一对电沉积电极。如：芯片焊盘(1-4)与基板焊盘(3-4)形成一对电沉积电极，如图2所示；
4)将电镀液导入电镀槽6中，接通电沉积电源。通过微电极2-4及4-4向芯片焊盘和基板焊盘供电。此时，芯片焊盘1-4与基板焊盘3-4将作为电沉积的阴极与阳极发生电化学反应，并在芯片焊盘(阴极)上沉积出金属。按照电镀液的配方不同，可以生长铜、银、金、铝等各种所需的金属。如：生长铜引线可以采用硫酸铜溶液。随着时间的推移，生长金属的长度将增加，并向基板焊盘方向生长，最终形成芯片与基板焊盘之间的引线7；
5)当生长的金属将芯片基板焊盘连接在一起的时候，电解沉积的阴极与阳极之间电阻急剧下降，导致电沉积系统5的电流将发生突然增加。在此过程中，监视每一对微电极的电流变化，当电流达到一定阂值后(在形成引线的电沉积过程中，每一对微电极的电流一股小于5mA，当电流增加15mA以上时，可认为达到阂值)，认为引线已经在该对电极间生成，焊盘间已经形成了可靠的互连，并停止供电，完成相应引线的制造；
6)检测这种突变，同时也确定互连引线的通断。
7)所有的引线可以分批或者同时用上述方法制造。所有的电极对之间的引线制造完成后，并通过电极对之间的电流确定互连引线的导电性能后，微电极阵列可以升起离开焊盘，以便将互连完成后的芯片和基板拿走，并将下一个需要互连的芯片和基板放入电解槽中，并重复上述电化学引线键合过程，从而实现连续的工业生产。所有的探针阵列安装在一个底座上，当底座升起当时候，探针就与焊盘分离，不再为焊盘供电、停止电镀沉积互连引线当过程。
实现上述过程的主要装备包括：一套与芯片焊盘和基板焊盘相匹配的微电极阵列(2-X与4-X)、一套具有多通道输出的电沉积电源5、用于电化学反应的电解槽6及电解液、一套用于安装微电极系统的精密运动平台13，14及其控制系统10、一套用于对准微电极与芯片/基板焊盘的机器视觉系统11、以及用于控制上述部件和整个引线过程的整机控制系统12。它们之间的关系如图3所示。
所述的微电极可以是钨、铼、铂等金属或者合金材料或者碳纤维等导电惰性电极材料制成；其端面面积小于焊盘面积的1/2，以确保电化学沉积过程中，引线是在对应的焊盘之间生长，而不会在微电极间生长。
所述硫酸铜溶液、添加剂的浓度以及沉积电解槽的温度需要加以控制【抑制剂、加速剂(统称添加剂)是电镀行业通用的药水，浓度的使用也有规范，虽然配比与成分会有稍微差别，但不是本发明的重点，而且具体的加入量和配置均为现有成熟技术；比如：添加剂(5％-10％的聚乙二醇和聚乙烯醇其中之一或其不同分子量的混合物；0.001％-0.5％的烷基酚聚氧乙烯醚或脂肪醇聚氧乙烯醚系列表面活性剂的异构体；溶剂为水】以调节焊盘间生成引线的形状，减小引线中枝晶的长度和数量。通常情况下，温度应该控制在120℃以下，硫酸铜溶液溶度应该控制在1mol/L以下，以避免快速沉积导致生长的引线结构疏松。
所述微电极的电流需要结合电解液的浓度和温度、连接焊盘之间的距离加以控制，以调节焊盘间生成引线的形状，减小引线中枝晶的长度和数量。电流的大小可以通过实验确定，并通过电沉积电源来控制(典型的电流参数为：每探针为0.5-5微安，以实现2-5nm/s的沉积速率)；需要结合同极性电极之间的距离判断是分组次序供电还是同时供电，以避免焊盘间互连引线短路，如果焊盘间距离小于由实验确定的安全距离，可以分组次序供电。通过分组次序供电，可以减少不同电极对之间的串扰，避免不同电极对之间沉积生长出不希望产生的引线。
所述停止供电的电流阂值为电解工作电流的3倍以上，具体的数值需要结合具体的焊盘材料、电解液类型、电解液浓度和温度确定，以确保焊盘间互连引线具有足够的有效直径、具有足够的电性能。
Claims (10)
1.一种基于电化学生长的微电子封装引线互连装置，其特征在于，包括用于电化学反应的电解槽(6)及电解液、具有多通道输出的电沉积电源(5)、用于为芯片焊盘通电的芯片微电极阵列、用于为基板焊盘通电的基板微电极阵列、用于对准微电极与芯片/基板焊盘的机器视觉系统和用于控制整个引线过程的整机控制系统(12)；
芯片微电极阵列分别接电沉积电源的阴极；基板微电极阵列分别接电沉积电源的阳极；
芯片微电极阵列和基板微电极阵列均包括底座和在底座上设置的多个探针，每一根探针即为一个微电极；底座为具有升降功能的底座；芯片微电极阵列和基板微电极阵列上的探针设置位置分别与芯片焊盘和基板焊盘的布置对应，使得底座位于最低位时，所有的探针与所有的焊盘接触，从而为焊盘通电，在通电的焊盘之间基于电解沉积模式生长出引线；电镀完毕后，底座抬起，探针脱离焊盘。
2.根据权利要求1所述的基于电化学生长的微电子封装引线互连装置，其特征在于，还包括用于驱动基板微电极阵列和基板微电极阵列的运动平台及其控制系统(10)。
3.根据权利要求1所述的基于电化学生长的微电子封装引线互连装置，其特征在于，所述的微电极采用金属、合金材料或者导电惰性电极材料制成；金属为钨、铼或铂；微电极的端面面积小于焊盘面积的1/2。
4.一种基于电化学生长的微电子封装引线互连方法，其特征在于，采用权利要求1-3任一项所述的基于电化学生长的微电子封装引线互连装置，包括以下步骤：
步骤1：将芯片与基板固定在电镀槽中，然后在机器视觉系统辅助下，将芯片微电极阵列与基板微电极阵列分别与芯片焊盘和基板焊盘对齐并接触；在需要实现互连的芯片焊盘与基板焊盘之间形成至少一对电沉积电极；
步骤2：将电镀液导入电镀槽(6)中，接通电沉积电源；通过微电极向芯片焊盘和基板焊盘供电；芯片焊盘与基板焊盘将作为电沉积的阴极与阳极发生电化学反应，并在芯片焊盘上沉积出金属；随着时间的推移，金属向基板焊盘方向生长，最终形成芯片与基板焊盘之间的引线；引线生成时，停止供电；
所有的引线可以分批或者同时用上述方法制造；所有的电极对之间的引线制造完成后，芯片微电极阵列和基板微电极阵列均升起离开焊盘，以便将互连完成后的芯片和基板拿走，并将下一个需要互连的芯片和基板放入电解槽中，并重复上述电化学引线键合过程，从而实现连续的工业生产。
5.根据权利要求4所述的基于电化学生长的微电子封装引线互连方法，其特征在于，所述步骤2中，当生长的金属将芯片基板焊盘连接在一起的时候，电解沉积的阴极与阳极之间电阻急剧下降，导致电沉积系统的电流将发生突然增加；在此过程中，监视每一对微电极的电流变化，当电流增量达到一定阂值后，认为引线已经在该对电极间生成，焊盘间已经形成了可靠的互连，并停止供电，完成相应引线的制造。
6.根据权利要求5所述的基于电化学生长的微电子封装引线互连方法，其特征在于，所述的阂值为15mA。
7.根据权利要求4所述的基于电化学生长的微电子封装引线互连方法，其特征在于，电解液中含有铜、银、金或铝离子中的任一种。
8.根据权利要求7所述的基于电化学生长的微电子封装引线互连方法，其特征在于，温度应该控制在120℃以下，电解液为硫酸铜溶液，硫酸铜溶液溶度应该控制在1mol/L以下。
9.根据权利要求4所述的基于电化学生长的微电子封装引线互连方法，其特征在于，每根探针的电流控制在0.5-5微安，以实现2-5nm/s的沉积速率。
10.根据权利要求4所述的基于电化学生长的微电子封装引线互连方法，其特征在于，所有的电极对之间的引线制造完成后，再通过电极对之间的电流检测确定互连引线的导电性能。
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