CN105023855A - 一种快速生成高熔点接头的芯片键合方法及超声压头设计 - Google Patents

一种快速生成高熔点接头的芯片键合方法及超声压头设计 Download PDF

Info

Publication number
CN105023855A
CN105023855A CN201510288396.9A CN201510288396A CN105023855A CN 105023855 A CN105023855 A CN 105023855A CN 201510288396 A CN201510288396 A CN 201510288396A CN 105023855 A CN105023855 A CN 105023855A
Authority
CN
China
Prior art keywords
mother metal
chip
intermediate layer
pressure head
ultrasonic
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN201510288396.9A
Other languages
English (en)
Other versions
CN105023855B (zh
Inventor
计红军
乔云飞
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Shenzhen Graduate School Harbin Institute of Technology
Original Assignee
Shenzhen Graduate School Harbin Institute of Technology
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Shenzhen Graduate School Harbin Institute of Technology filed Critical Shenzhen Graduate School Harbin Institute of Technology
Priority to CN201510288396.9A priority Critical patent/CN105023855B/zh
Publication of CN105023855A publication Critical patent/CN105023855A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN105023855B publication Critical patent/CN105023855B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L24/00—Arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies; Methods or apparatus related thereto
    • H01L24/93—Batch processes
    • H01L24/95—Batch processes at chip-level, i.e. with connecting carried out on a plurality of singulated devices, i.e. on diced chips
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L24/00—Arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies; Methods or apparatus related thereto
    • H01L24/01—Means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected, e.g. chip-to-package, die-attach, "first-level" interconnects; Manufacturing methods related thereto
    • H01L24/26—Layer connectors, e.g. plate connectors, solder or adhesive layers; Manufacturing methods related thereto
    • H01L24/31—Structure, shape, material or disposition of the layer connectors after the connecting process
    • H01L24/33—Structure, shape, material or disposition of the layer connectors after the connecting process of a plurality of layer connectors
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K20/00—Non-electric welding by applying impact or other pressure, with or without the application of heat, e.g. cladding or plating
    • B23K20/10—Non-electric welding by applying impact or other pressure, with or without the application of heat, e.g. cladding or plating making use of vibrations, e.g. ultrasonic welding
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L24/00—Arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies; Methods or apparatus related thereto
    • H01L24/80—Methods for connecting semiconductor or other solid state bodies using means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2224/00—Indexing scheme for arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies and methods related thereto as covered by H01L24/00
    • H01L2224/80—Methods for connecting semiconductor or other solid state bodies using means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected
    • H01L2224/83—Methods for connecting semiconductor or other solid state bodies using means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected using a layer connector
    • H01L2224/831—Methods for connecting semiconductor or other solid state bodies using means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected using a layer connector the layer connector being supplied to the parts to be connected in the bonding apparatus
    • H01L2224/83101—Methods for connecting semiconductor or other solid state bodies using means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected using a layer connector the layer connector being supplied to the parts to be connected in the bonding apparatus as prepeg comprising a layer connector, e.g. provided in an insulating plate member

Abstract

本发明提供了一种快速生成高熔点接头的芯片键合方法及超声压头设计。本发明设计一种特殊振动压头结构，可以实现在芯片周围施加振动，而芯片不施加压力的情况下完成Sn基钎料在Cu基板快速润湿，并且能够强化接头和提高接头服役温度。与其他形成高温互连接头的芯片的键合方法相比，该方法能够在对芯片不施加压力、较短键合时间条件下获得高焊合率、高熔点、高强度(60～80MPa)、高热导率(50～80W/(m·K))、宽服役温度范围的效果。因此，该方法获得的芯片键合接头可以在高服役温度、高强度等恶劣环境下应用，尤其适用于宽带隙半导体器件的封装工艺中。

Description

一种快速生成高熔点接头的芯片键合方法及超声压头设计
技术领域
本发明属材料技术领域，特别涉及一种快速生成高熔点接头的芯片键合方法及超声压头设计。
背景技术
在科学技术迅速发展的今天，半导体器件变得更小、更薄、集成度变得更高，功能性变得更多，工作环境也变得更加恶劣。此外，随着能源产业和航空航天产业的迅猛发展，越来越多的微电子器件被要求在恶劣环境下稳定服役，尤其是要在高温的环境下良好工作。如在能源产业中应用于钻探机械上的MEMS传感器，其服役的环境温度高于300℃，
又如航天设备中使用的一些高温功率电子系统，其使用温度甚至达到400℃，这些微电子设备应用的新趋势推动了对高熔点互连接头的研究。
芯片键合作为IC封装中极为关键的工艺步骤。而芯片键合钎料是功率半导体器件必需的封装材料，起到固定芯片、散热等功能，因此这类材料必须具有优越的导热性能、抗热电循环性以及承受较高温工作环境的能力。
从芯片键合发展历程来讲，芯片与引线框架或芯片与基板连接常用的材料可以分为两类：导热胶和钎料合金。工业中使用的银填充导热胶在200℃左右失效，并且这些金属填充的导热胶在热导率和电导率方面的性能远远低于钎料合金。由于常用的钎料合金的熔点都在200℃左右，使得这些低熔点的钎料合金并不能成为高温工作器件的良好连接材料。
高铅钎料曾经广泛作为高温下使用的芯片键合中间层(界面)材料之一，然而，高铅钎料的熔点温度低于300℃，而且在SiC等宽带隙半导体器件使用过程中稳定性差。新型半导体器件服役环境条件苛刻，要求其封装材料尤其是芯片键合使用的封装材料必须具有十分优越的性能。一般获得高熔点互连焊点的方法是使用较高熔点的钎料合金，例如高熔点高Pb钎料、Bi-Ag基高温无铅钎料、Au基无铅钎料(AuSn)等。但由于Pb具有毒性以及易造成环境污染，以及其它钎料互连可靠性差或者成本高等原因，这些高温钎料的应用受到了限制。
因此，近来有学者提出借助于熔化钎料与金属焊盘的冶金反应生成高温化合物，通过延长反应时间，制备出高熔点金属间化合物的互连焊点。而为了得到高熔点金属间化合物接头，使用传统的焊接工艺需要相当长的时间，这样既降低了生产效率，同时也会导致热应力的产生，并且严重影响了整个封装系统的可靠性。因此迫切需要一种能够在低温下快速形成高熔点金属间化合物接头的焊接方法。
超声互连技术在微电子封装领域的应用由来已久，最早主要应用在引线键合工艺上，即将芯片粘结到引线框架的芯片粘结区、层压塑料或层压陶瓷基板的腔室内或上表面后，使用金丝通过热超声、热压或超声技术，或使用铝丝通过超声技术对IC进行引线键合。近年来，一些研究者把目光转向了超声互连技术，提出了在面阵封装中实现超声互连的技术设想，但是超声互连技术在芯片的键合这一领域并未得到应用，最主要的原因是由于芯片本身易碎，难以承受压力，当超声直接施加在芯片表面时会使芯片破裂，造成恶劣后果。
现有技术CN103133465A提供了一种硬质材料在大气环境下实现可控间隙的随模加热及冷却连接的方法和该方法使用的模具，被连接硬质材料包括：陶瓷、玻璃及其他硬质材料。该方法在键合过程中会将作用力直接施加在焊接结构的上方，假如应用于芯片键合时，由于芯片易碎，键合过程中施加压力以及高频振动会造成器件破坏的严重后果。并且，由于芯片键合是芯片-中间层-基板(引线框架)的结构，芯片的尺寸小于基板(引线框架)的尺寸，该模具不适合芯片的键合的应用。同时技术CN101362240A提供了一种镁合金及其复合材料精密超声波辅助钎焊设备及方法属于金属材料焊接设备制造工程领域，为了实现焊接效果，该方法同样需要将作用力通过振动压头施加到工件上。如果将该技术用于芯片键合中，振动压头直接作用于芯片，由于高频振动以及压力会造成芯片破裂，器件损坏。因此，需要一种既能实现高频机械振动的效果，并且对芯片不施加作用力的特殊结构的装备。
发明内容
为了解决现有技术中问题，本发明首先提供一种快速生成高熔点接头的芯片键合方法及超声压头设计，本发明的振动压头能够避免键合过程中对芯片的损害，并且该键合方法尤其适用于高功率、高集成度、高强度的电子封装连接。
一种快速生成高熔点接头的芯片键合方法，连接材料包括母材一(1)、中间层二(2)和母材三(3)，其特征在于：包括以下步骤：
I、被连接材料进行表面处理：对母材一(1)、中间层二(2)和母材三(3)进行轻微打磨去除氧化层以及表面有机物，之后进行超声清洗；
II、将母材三(3)置于下层，母材一(1)置于上层及中间层(2)在中间构成一种三明治结构；
III、用加热装置对母材三(3)进行加热，通过热传导使中间层二(2)达到预定熔化温度；
IV、超声振动压头作用于母材三(3)；
V、超声装置对母材三(3)施加高频率的横向超声振动，超声振动的频率为20kHz～40kHz、振幅为4μm～16μm，超声振动时间为0～10秒；
VI、超声振动结束后，将超声振动压头抬起并停止对母材三(3)施压以及停止加热，使连接接头部位冷却至室温。
上述步骤I中所述的打磨优选机械打磨，通过打磨去除表面氧化物和油污，并且将处理后母材置于无水乙醇中保存；所述超声清洗时间为1～5分钟；
上述步骤II所述母材三(3)可装卡在底部固定尺寸卡具和电阻加热板4上，本发明默认为母材三(3)装卡在固定尺寸卡具4上，限制母材三(3)不能前后左右移动。母材一(1)通过芯片拾取装置实现与母材三(3)配合，使二者的连接面相对并将中间层(2)置于所需被连接界面之间，构成芯片-中间层-基板的“三明治”结构。
作为本发明的进一步改进，所述的母材一(1)为背面镀有Ni/Ag或镀Ni/Au的芯片，包括工业生产的Si芯片和SiC、GaN等宽带隙半导体材料，所述的母材一(1)的形状为片状或块状；所述的中间层二(2)为纯锡、锡-铜、锡-银-铜、锡-银等锡基钎料中的一种或多种，所述中间层(2)的形状为片状或箔状；所述母材三(3)为工业生产中使用的高纯的金属基板或者引线框架，包括工业生产的铜基板、铜引线框架和其他金属基板，所述母材三(3)的形状为块状、片状或板状。
上述中间层(2)材料及尺寸优选方案为：
1、为获得最合适的化合物接头，优选纯锡；如为了降低键合温度，并且增加强度，优选锡-铜、锡-银、锡-银-铜等锡基合金中的一种或几种。
2、为获得最佳的连接效果，防止钎料溢出，所述中间层(2)的尺寸应比被连接母材一(1)、母材三(3)接头界面的横截面尺寸在一个方向上小5μm～15μm，并位于接头界面的中间区域。如果钎料尺寸过大或者大于被连接母材一(1)、母材三(3)接头界面的横截面尺寸，会造成钎料溢出，并且会造成母材一(1)的污染。
3、为缩短连接时间以及获得完美的化合物接头，所选中间层(2)的厚度为10μm～50μm，当中间层(2)的厚度大于50μm时，要想形成完全高熔点的接头需要较长的时间，甚至难以形成完全化合物的接头；并且，在键合过程中高频振动会致使钎料溢出造成母材一(1)的污染。
4、中间层(2)的尺寸、形状可根据母材尺寸而优化确定，为了实现中间层的快速熔化以及润湿，所述中间层(2)的形状为片状、箔状。
上述步骤III中所述加热目的是为了使得中间层金属熔化，依靠液态钎料润湿力和表面张力作用将芯片固定。
上述步骤IV中，超声振动压头对母材三(3)的作用是为了提前将振动压头与工件接触，便于后续步骤V高频超声振动的施加。
作为本发明的进一步改进，上述步骤IV将连接界面温度升至预定温度0～5秒后，在此恒定温度下将振动压头作用于母材三(3)，并施加所属步骤V的高频超声振动。
作为本发明的进一步改进，上述被连接的母材三(3)可以为片状、块状和板状；超声振动压头以及高频超声振动作用于母材三(3)。
所述加热装置可以为加热板、加热台和感应加热。
所述超声键合设备为横向超声设备。
所述超声压头(5)设计为超声振动压头端部的下侧具有圆形或方形的凹槽，凹槽直径或边长为5～20mm，具体尺寸根据以下原则确定，比母材一(1)的尺寸大，而小于母材三(3)的尺寸，以保证键合过程中超声振动压头和超声波作用于母材三(3)，母材一(1)不承受压力；凹槽的深度为5～10mm，大于母材一(1)的高度，振动压头在气压装置作用下实现与母材三(3)接触和施压，振动压头材料优选是钛合金或铝合金。
作为本发明的进一步改进，实际操作中实时监测加热温度，上述步骤III的加热装置可以配备包括测温装置与温控装置，所述测温装置可以为红外测温或热电偶测温装置，通过所属温控装置对中间层部位实时温度控制。
上述超声振动压头可直接对母材三(3)施加压力以及高频超声振动，但必须防止由于热传导而导致振动压头过热损伤。
本发明是基于下属原理实现的：超声波是一种在弹性介质中的机械振荡，在本发明中设计了特殊结构的振动压头，能够将高频振荡直接作用于母材三(3)，之后高频振荡传递至液态钎料，会引起一系列的超声效应。首先是超声空化效应，高频振荡在液态钎料传播时会形成小气泡，液体中的微气核空化泡在声波的作用下振动，当声压达到一定值时发生的生长和崩溃，它在急剧崩溃时可释放出巨大的能量，并产生局部高温高压和有强大冲击力的微射流。当气泡崩溃位于母材三(3)附近时会发生大量母材原子进入液态钎料，发生冶金反应，加速化合物的生成。其次是超声声流效应，超声波在液体内传播时会形成一定声压梯度，导致液体的流动，加速了液态钎料与母材之间摩擦，提高液态钎料对母材的润湿性。在高频振荡期间产生了大量的母材原子进入钎料，声流的搅拌作用使这些母材原子分布均匀，这些有益效果加快了金属间化合物的形成，从而实现较短时间形成完全金属间化合物接头。
本发明相对于现有技术所取得的有益效果包括：
1、本发明的芯片-引线框架及芯片-基板的键合方法采用快速的电阻加热台与功率超声辅助相结合，能够够有效提高连接效率，在数秒的时间内形成高熔点完全化合物的连接接头，有效的克服了由过渡液相连接过程中需要长时间的难题。一方面高频振动能够有效增强铜基板在连接过程中的润湿性，能够很好地固定住芯片；另一方面高频振动施加过程中会引起超声效应，包括超声空化作用和超声声流效应。由于超声空化作用促使大量铜基板的铜原子进入中间层，加快化合物形成速率，实现较短时间形成完全金属间化合物连接接头。与此同时，超声波的声流效应能够有效地去除接头中气孔缺陷，从而快速形成高质量的接头。
2、本发明设计一种特殊振动压头结构，可以在实现超声振动作用的同时，并不对芯片施加压力的情况下实现超声辅助芯片键合。
3、本方法在大气环境下即可进行连接，克服了过渡液相连接形成化合物接头需要的高真空、高温以及长时间的难点，并且简化了工艺，提高了生产效率，降低了生产成本，使生产效益更好。
4、本方法克服了超声波辅助焊接中对上侧工件施加压力的问题，能够很好地避免因压力造成的芯片损坏。
5、本方法在键合过程中超声振动压头对铜基板的压力小，能够避免铜基板因压力作用导致的变形问题。
6本方法在键合过程中由于超声能量的输入，促使接头中发生Cu6Sn5晶粒的吞并与长大，从而形成贯穿上下界面的Cu6Sn5晶粒。
7、本方法能够在超声波辅助作用下，在芯片-引线框架或者芯片-基板的连接结构中，通过超声空化作用使得基板上大量铜原子进入液态钎料，加速Cu6Sn5金属间化合物的形成，能够在数秒的时间内生成高熔点完全金属间化合物接头。与传统过渡液相连接生成完成完全金属间化合物接头需要数小时的时间相比，本方法数秒即可实现，并且获得接头组织中存在部分连接上下界面的化合物晶粒，接头具有高强度(60～80MPa)、高热导率(50～80W/m·K)、宽服役温度区间的优异性能，是宽带隙半导体芯片键合的一种解决方案，从而满足长时间高服役温度，高强度的特殊应用场合。
附图说明
图1是本发明被连接材料的装配原理图；
图2是本发明结构组件装夹示意图；
图3是本发明电阻加热-超声连接装置示意图；
图4是再流焊工艺得到的芯片键合接头截面图；
图5是本方法键合后得到完全金属间化合物接头截面图；
图中各部件名称如下：母材一(1)，中间层(2)，母材三(3)，电阻加热台4，超声振动压头5。
具体实施方式：
下面结合附图对本发明做进一步说明，但本发明不局限于此。
实施例一：
参见附图1、2、3所示，一种快速生成高熔点接头的芯片键合方法，连接材料包括母材一(1)、中间层二(2)和母材三(3)，该键合方法包括以下步骤：
I、对被连接材料进行表面处理：对母材一(1)、中间层(2)和母材三(3)进行机械打磨，以保证去除表面油污和附着物，并对打磨后原材料超声清洗1～5分钟；
II、将母材三(3)置于下层，母材一(1)置于上层及中间层(2)在中间构成一种“三明治”结构；
III、用加热装置对母材三(3)进行加热，通过热传导使中间层二(2)达到预定熔化温度240～260℃；
IV、超声振动压头5作用于母材三(3)，压力大小为0.2MPa～0.4MPa；
V、超声装置对母材三(3)施加高频率的横向超声振动，超声振动的频率为20kHz～40kHz、振幅为4μm～16μm，超声振动时间为0～10秒；
VI、超声振动结束后，将超声振动压头抬起并停止对母材三(3)施压以及停止加热，使连接接头部位冷却至室温。
上述被连接材料具体为：所述母材一(1)为芯片，芯片为工业生产镀有镍/银的Si芯片、SiC芯片和GaN等芯片；母材三(3)为工业生产的铜引线框架。
上述步骤II中所述，母材三(3)装夹在加热装置和底部固定尺寸卡具4上，母材一(1)通过芯片拾取装置使两者连接面相对，并将中间层(2)置于所需被连接界面之间，构成芯片-中间层-引线框架或者芯片-中间层-基板的“三明治”结构。
上述中间层(2)材料优选纯锡：为获得最佳的连接效果，防止钎料溢出，所述中间层(2)的尺寸应比被连接母材一(1)、母材三(3)接头界面的横截面尺寸在一个方向上小5μm～15μm，并位于接头界面的中间区域。为缩短连接时间及更大程度增强连接效果提高接头热导率，所选中间层(2)的厚度为10μm～50μm，所述中间层(2)的形状为片状。
上述步骤III中所述加热目的是为了使得中间层金属熔化，依靠液态钎料润湿力和表面张力作用将芯片固定。
上述步骤IV中，超声振动压头对母材三(3)的作用是为了提前将振动压头与工件接触，便于后续步骤V高频超声振动的施加。
在上述步骤IV将连接界面温度升至预定温度0～5秒，在此步骤基础上进行步骤V的高频超声振动。
上述步骤I～VI中母材一(1)与母材三(3)均横向水平放置。
其中，所述超声压头设计为超声振动压头端部的下侧具有圆形或方形的凹槽，凹槽直径或边长为5～20mm，具体尺寸根据以下原则确定，比母材一(1)的尺寸大，而小于母材三(3)的尺寸，以保证键合过程中超声振动压头和超声波作用于母材三(3)，母材一(1)不承受压力；凹槽的深度为5～10mm，大于母材一(1)的高度，振动压头在气压装置作用下实现与母材三(3)接触和施压，振动压头材料是钛合金或铝合金。
本方法能够在超声波辅助作用下，在芯片-引线框架或者芯片-基板的连接结构中，通过超声空化作用使得基板上大量铜原子进入液态钎料，加速Cu6Sn5金属间化合物的形成，能够在数秒的时间内生成高熔点完全金属间化合物接头。与传统过渡液相连接生成完成完全金属间化合物接头需要数小时的时间相比，本方法数秒即可实现，并且获得接头组织中存在部分连接上下界面的化合物晶粒，接头具有高强度(60～80MPa)、高热导率(50～80W/m·K)、宽服役温度区间的优异性能，是宽带隙半导体芯片键合的一种解决方案，从而满足长时间高服役温度，高强度的特殊应用场合。
实施例二：
参见附图1、2、3所示，一种快速生成高熔点接头的芯片键合方法及超声压头设计，连接材料包括母材一(1)、中间层二(2)和母材三(3)，，该键合方法包括以下步骤：
I、对被连接材料进行表面处理：对母材一(1)、中间层(2)和母材三(3)进行机械打磨，以保证去除表面油污和附着物，并对打磨后原材料超声清洗1～5分钟；
II、将母材三(3)置于下层，母材一(1)置于上层及中间层(2)在中间构成一种“三明治”结构；
III、用加热装置对母材三(3)进行加热，通过热传导使中间层二(2)达到预定熔化温度240～260℃；
IV、超声振动压头5作用于母材三(3)，压力大小为0.2MPa～0.4MPa；
V、超声装置对母材三(3)施加高频率的横向超声振动，超声振动的频率为20kHz～40kHz、振幅为4μm～16μm，超声振动时间为0～10秒；
VI、超声振动结束后，将超声振动压头抬起并停止对母材三(3)施压以及停止加热，使连接接头部位冷却至室温。
上述被连接材料具体为：所述母材一(1)为芯片，芯片为工业生产镀镍的Si芯片、SiC芯片和GaN等芯片；母材三(3)为工业生产的铜基板。
上述步骤II中所述，母材三装夹在加热装置和底部固定尺寸卡具4上，母材一(1)通过芯片拾取装置使两者连接面相对，并将中间层(2)置于所需被连接界面之间，构成芯片-中间层-引线框架或者芯片-中间层-基板的“三明治”结构。
上述中间层(2)材料优选锡-铜共晶钎料：为获得最佳的连接效果，防止钎料溢出，所述中间层(2)的尺寸应比被连接母材一(1)、母材三(3)接头界面的横截面尺寸在一个方向上小5μm～15μm，并位于接头界面的中间区域。为缩短连接时间及更大程度增强连接效果提高接头热导率，所选中间层(2)的厚度为10μm～50μm，所述中间层(2)的形状为片状。
上述步骤III中所述加热目的是为了使得中间层金属熔化，依靠液态钎料润湿力和表面张力作用将芯片固定。
上述步骤IV中，超声振动压头对母材三(3)的作用是为了提前将振动压头与工件接触，便于后续步骤V高频超声振动的施加。
在上述步骤IV将连接界面温度升至预定温度0～5秒，在此步骤基础上进行步骤V的高频超声振动。
上述步骤I-VI中母材一(1)与母材三(3)均横向水平放置。
其中，所述超声压头设计为超声振动压头端部的下侧具有圆形或方形的凹槽，凹槽直径或边长为5～20mm，具体尺寸根据以下原则确定，比母材一(1)的尺寸大，而小于母材三(3)的尺寸，以保证键合过程中超声振动压头和超声波作用于母材三(3)，母材一(1)不承受压力；凹槽的深度为5～10mm，大于母材一(1)的高度，振动压头在气压装置作用下实现与母材三(3)接触和施压，振动压头材料是钛合金或铝合金。
实际操作过程中为了精确观测与控制加热温度，上述步骤III中电阻加热装置可以配备温度监控装置，从而实现实时温度控制。
本方法提供了一种快速生成高熔点接头的芯片键合方法及超声压头设计，具有低成本、高生产效率、高应用前景等特点。所获得的接头具有高密封性、高强度(60～80MPa)、宽服役温度范围等优异性能，是新型半导体器件电子封装中一种新型的键合方法。
实施例三：
参见附图1、2、3所示，一种快速生成高熔点接头的芯片键合方法及超声压头设计，连接材料包括母材一(1)、中间层二(2)和母材三(3)，该键合方法包括以下步骤：
I、对被连接材料进行表面处理：对母材一(1)、中间层(2)和母材三(3)进行机械打磨，以保证去除表面油污和附着物，并对打磨后原材料超声清洗1～5分钟；
II、将母材三(3)置于下层，母材一(1)置于上层及中间层(2)在中间构成一种“三明治”结构；
III、用加热装置对母材三(3)进行加热，通过热传导使中间层二(2)达到预定熔化温度240～260℃；
IV、超声振动压头5作用于母材三(3)，压力大小为0.2MPa～0.4MPa；
V、超声装置对母材三(3)施加高频率的横向超声振动，超声振动的频率为20kHz～40kHz、振幅为4μm～16μm，超声振动时间为0～10秒；
VI、超声振动结束后，将超声振动压头抬起并停止对母材三(3)施压以及停止加热，使连接接头部位冷却至室温。
上述被连接材料具体为：所述母材一(1)为芯片，芯片为工业生产镀Ni/Ag的Si芯片、SiC芯片和GaN等芯片；母材三(3)为工业生产的具有银镀层的基板，银具有优异的抗氧化性能。
上述步骤II中所述，母材三装夹在加热装置和底部固定尺寸卡具4上，母材一(1)通过芯片拾取装置使两者连接面相对，并将中间层(2)置于所需被连接界面之间，构成芯片-中间层-引线框架或者芯片-中间层-基板的“三明治”结构。
上述中间层(2)材料优选纯锡钎料：为获得最佳的连接效果，防止钎料溢出，所述中间层(2)的尺寸应比被连接母材一(1)、母材三(3)接头界面的横截面尺寸在一个方向上小5μm～15μm，并位于接头界面的中间区域。为缩短连接时间及更大程度增强连接效果提高接头热导率，所选中间层(2)的厚度为10μm～30μm，所述中间层(2)的形状为片状。
上述步骤III中所述加热目的是为了使得中间层金属熔化，依靠液态钎料润湿力和表面张力作用将芯片固定。
上述步骤IV中，超声振动压头对母材三(3)的作用是为了提前将振动压头与工件接触，便于后续步骤V高频超声振动的施加。
在上述步骤IV将连接界面温度升至预定温度0～5秒，在此步骤基础上进行步骤V的高频超声振动。
上述步骤I-VI中母材一(1)与母材三(3)均横向水平放置。
其中，所述超声压头设计为超声振动压头端部的下侧具有圆形或方形的凹槽，凹槽直径或边长为5～20mm，具体尺寸根据以下原则确定，比母材一(1)的尺寸大，而小于母材三(3)的尺寸，以保证键合过程中超声振动压头和超声波作用于母材三(3)，母材一(1)不承受压力；凹槽的深度为5～10mm，大于母材一(1)的高度，振动压头在气压装置作用下实现与母材三(3)接触和施压，振动压头材料是钛合金或铝合金。
上述操作过程中需要使用热电偶对超声振动压头进行温度测量，防止因热传导而导致超声振动压头过热损伤。
实际操作过程中为了精确观测与控制加热温度，上述步骤III中电阻加热装置可以配备温度监控装置，从而实现实时温度控制。
综上，本方法提供了一种快速生成高熔点接头的芯片键合方法及超声压头设计。由于超声作用能够提高Ag原子与钎料的冶金反应，加速金属间化合物的生成，该连接材料和连接结构中可以获得高熔点完全Ag3Sn化合物的接头，服役温度高达330℃，能够很好解决新型半导体器件高温服役这一难题。所获得接头具有高密封性、高强度、宽服役温度范围的特点，能够应用于需要高服役温度、高强度的特殊场合。
其中，再流焊工艺得到的芯片键合接头截面如图4所示；本方法键合后得到完全金属间化合物接头截面图如图5所示，接头截面有明显的改善和优异的效果。
对比实施例1
技术CN103133465A提供了一种硬质材料在大气环境下实现可控间隙的随模加热及冷却连接的方法和该方法使用的模具，该方法在焊接过程中作用力直接作用于连接结构的上方。如果将该方法用于芯片键合工艺中会造成以下不良影响：
1.芯片易碎，在键合过程中当压力和纵向的高频振动作用于母材一(1)时，会造成芯片破碎，器件损坏。
2.芯片键合属于芯片位于上方的芯片-中间层-基板(引线框架)三明治结构，而且芯片尺寸小于基板或引线框架的尺寸，不能控制间隙。
3.该技术设计的连接方法属于纵向的高频振动，键合过程中会致使芯片脱离连接界面，造成键合失败。
4.该技术涉及的键合方法使用的为纵向高频振动，当运用于芯片键合时效果差。短时间不能形成高熔点的互连接头。
而对于技术CN103133465A存在的缺陷以及难点，本发明能够很好地解决。首先设计了具有凹槽的特殊结构的振动压头，使键合过程中作用力和高频振动直接作用于基板(引线框架)避免对芯片造成损坏；其次，本发明在键合过程中中间层润湿力和表面张力作用下固定住芯片，当施加高频振动时不会导致芯片脱离芯片与基板(引线框架)的连接界面；最后，高频横向振动能够在固体中很好传播，要显著优于纵向振动，能够在数秒的时间形成高熔点连接接头。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种快速生成高熔点接头的芯片键合方法，连接材料包括母材一(1)、中间层二(2)和母材三(3)，其特征在于：包括以下步骤：
I、被连接材料进行表面处理：对母材一(1)、中间层二(2)和母材三(3)进行轻微打磨去除氧化层以及表面有机物，之后进行超声清洗；
II、将母材三(3)置于下层，母材一(1)置于上层及中间层(2)在中间构成一种三明治结构；
III、用加热装置对母材三(3)进行加热，通过热传导使中间层二(2)达到预定熔化温度；
IV、超声振动压头(5)作用于母材三(3)；
V、超声装置对母材三(3)施加高频率的横向超声振动，超声振动的频率为20kHz～40kHz、振幅为4μm～16μm，超声振动时间为0～10秒；
VI、超声振动结束后，将超声振动压头抬起并停止对母材三(3)施压以及停止加热，使连接接头部位冷却至室温。
2.根据权利要求1所述的键合方法，其特征在于：上述步骤I中所述的打磨优选机械打磨，通过打磨去除表面氧化物和油污，并且将处理后母材置于无水乙醇或丙酮中保存；所述超声清洗时间为1～5分钟。
3.根据权利要求1所述的键合方法，其特征在于：上述步骤II所述母材三(3)可装卡在底部固定尺寸卡具和电阻加热板4上，母材一(1)通过芯片拾取装置实现与母材三(3)配合，使二者的连接面相对并将中间层(2)置于所需被连接界面之间，构成芯片-中间层-基板的“三明治”结构。
4.根据权利要求1所述的键合方法，其特征在于：所述的母材一(1)为背面镀有Ni/Ag或镀Ni/Au的芯片，包括工业生产的Si芯片和SiC、GaN等宽带隙半导体材料，所述的母材一(1)的形状为片状或块状；所述的中间层二(2)为纯锡、锡-铜、锡-银-铜、锡-银等锡基钎料中的一种或多种，所述中间层(2)的形状为片状或箔状；所述母材三(3)为工业生产中使用的高纯的金属基板或者引线框架，包括工业生产的铜基板、铜引线框架和其他金属基板，所述母材三(3)的形状为块状、片状或板状。
5.根据权利要求1所述的键合方法，其特征在于：所述中间层(2)的尺寸应比母材一(1)和母材三(3)接头横截面尺寸在一个方向上小5μm～15μm，并位于连接界面中间区域；所述中间层(2)的厚度为10μm～50μm。
6.根据权利要求1所述的键合方法，其特征在于：所述设定加热装置的温度应高于中间层(2)的熔点20～50℃。
7.根据权利要求1所述的键合方法，其特征在于：所述加热装置可以为加热板、加热台和感应加热；超声键合设备可以为横向超声设备和纵向超声设备。
8.根据权利要求1所述的键合方法，其特征在于：上述步骤IV将连接界面温度升至预定温度0～5秒后，在此恒定温度下将振动压头作用于母材三(3)，并施加所属步骤V的高频超声振动。
9.根据权利要求1所述的键合方法，其特征在于：所述超声压头(5)设计为超声振动压头端部的下侧具有圆形或方形的凹槽，凹槽直径或边长为5～20mm，具体尺寸根据以下原则确定，比母材一(1)的尺寸大，而小于母材三(3)的尺寸，以保证键合过程中超声振动压头和超声波作用于母材三(3)，母材一(1)不承受压力；凹槽的深度为5～10mm，大于母材一(1)的高度，振动压头在气压装置作用下实现与母材三(3)接触和施压，振动压头材料是钛合金或铝合金。
10.根据权利要求1所述的键合方法，其特征在于：上述步骤III的加热装置可以配备包括测温装置与温控装置，所述测温装置可以为红外测温或热电偶测温装置。
CN201510288396.9A 2015-05-29 2015-05-29 一种快速生成高熔点接头的芯片键合方法及超声压头设计 Active CN105023855B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201510288396.9A CN105023855B (zh) 2015-05-29 2015-05-29 一种快速生成高熔点接头的芯片键合方法及超声压头设计

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201510288396.9A CN105023855B (zh) 2015-05-29 2015-05-29 一种快速生成高熔点接头的芯片键合方法及超声压头设计

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN105023855A true CN105023855A (zh) 2015-11-04
CN105023855B CN105023855B (zh) 2018-03-13

Family

ID=54413723

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201510288396.9A Active CN105023855B (zh) 2015-05-29 2015-05-29 一种快速生成高熔点接头的芯片键合方法及超声压头设计

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN105023855B (zh)

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN106271177A (zh) * 2016-09-23 2017-01-04 哈尔滨工业大学深圳研究生院 一种互连钎料及其互连成形方法
CN110026672A (zh) * 2019-04-01 2019-07-19 天津大学 超声空化焊方法
CN111627823A (zh) * 2020-05-13 2020-09-04 哈尔滨工业大学(深圳)(哈尔滨工业大学深圳科技创新研究院) 一种低温快速生成高强度高熔点接头的芯片连接方法

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1644291A (zh) * 2005-01-19 2005-07-27 哈尔滨工业大学 铝基复合材料超声波毛细焊接方法
US20100089980A1 (en) * 2007-02-28 2010-04-15 Shinkawa Ltd. Bonding apparatus and bonding method
CN104551289A (zh) * 2015-01-20 2015-04-29 武汉理工大学 一种异频多触点超声波辅助钎焊方法

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1644291A (zh) * 2005-01-19 2005-07-27 哈尔滨工业大学 铝基复合材料超声波毛细焊接方法
US20100089980A1 (en) * 2007-02-28 2010-04-15 Shinkawa Ltd. Bonding apparatus and bonding method
CN104551289A (zh) * 2015-01-20 2015-04-29 武汉理工大学 一种异频多触点超声波辅助钎焊方法

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN106271177A (zh) * 2016-09-23 2017-01-04 哈尔滨工业大学深圳研究生院 一种互连钎料及其互连成形方法
CN106271177B (zh) * 2016-09-23 2018-10-26 哈尔滨工业大学深圳研究生院 一种互连钎料及其互连成形方法
CN110026672A (zh) * 2019-04-01 2019-07-19 天津大学 超声空化焊方法
CN110026672B (zh) * 2019-04-01 2021-11-26 天津大学 超声空化焊方法
CN111627823A (zh) * 2020-05-13 2020-09-04 哈尔滨工业大学(深圳)(哈尔滨工业大学深圳科技创新研究院) 一种低温快速生成高强度高熔点接头的芯片连接方法

Also Published As

Publication number Publication date
CN105023855B (zh) 2018-03-13

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN102658411B (zh) 高体积分数碳化硅颗粒增强铝基复合材料与低膨胀合金的超声钎焊方法
JP5672324B2 (ja) 接合体の製造方法及びパワーモジュール用基板の製造方法
CN102513636B (zh) 降低陶瓷与金属接头残余应力的钎焊方法
JP6451866B2 (ja) 接合構造体およびその製造方法
TWI548012B (zh) 接合半導體元件的系統及方法
CN105234555A (zh) 一种超声波辅助过渡液相连接方法
JP6621068B2 (ja) 実装構造体
CN105023855A (zh) 一种快速生成高熔点接头的芯片键合方法及超声压头设计
US8317078B1 (en) Method and apparatus for ultrasonic welding or bonding
JP6256176B2 (ja) 接合体の製造方法、パワーモジュール用基板の製造方法
JP2018111868A (ja) 円筒形スパッタリングターゲットの製造方法
CN105965121A (zh) 一种连接镁合金与铝合金的方法
JP6201828B2 (ja) 放熱板付パワーモジュール用基板の製造方法
CN108500411B (zh) 一种基于针式焊头的超声钎焊装置及方法
CN105921839A (zh) 一种可伐合金与陶瓷材料超声钎焊方法
CN111843165A (zh) 一种金刚石微流道的扩散连接方法
CN109836166B (zh) 一种用于SiC陶瓷的电磁超声钎焊方法
JP2013055237A (ja) パワーモジュール用基板の製造方法
JP6020496B2 (ja) 接合構造体およびその製造方法
JP5904257B2 (ja) パワーモジュール用基板の製造方法
Chen et al. Effect of rapid thermal cycles on the microstructure of single solder joint
JP4867042B2 (ja) 金属と金属またはセラミックスとの接合方法
JP6264822B2 (ja) ヒートシンク付パワーモジュール用基板及びその製造方法
Suppiah et al. A short review on thermosonic flip chip bonding
JP5659542B2 (ja) 絶縁基板及びパワーモジュール

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant