CN105655260A - 一种微互连凸点制备方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种微互连凸点制备装置，包括液滴喷射装置和凸点形成装置，所述液滴喷射装置包括腔体、坩埚、压电陶瓷、传动杆和加热带等，坩埚的底部设有中心孔，坩埚底部还连有设有喷射孔的薄片，机械泵和扩散泵安装在腔体侧部且与坩埚及腔体相连；其特征在于：坩埚通过三维运动控制器与腔体上部相连，腔体中部两侧还设有腔体温度控制器；凸点形成装置包括用于承接液滴喷射装置喷射出的液滴的基板和基板承载部。本发明还公开了应用上述装置制备微互连凸点的方法。本发明可制备均一液滴且频率可控，可实现液滴成分均匀、尺寸精度高，具有结构简单实用性强，制备工艺温度低，避免基板损烧或发生变形，可自动化生产等优点。
Description
技术领域
本发明属于电子制造领域，具体地说是一种涉及球栅阵列(BallGridArray，BGA)封装和芯片堆叠封装技术中的微互连凸点制备方法及装置。
背景技术
在摩尔定律的驱动下，电子器件持续向高性能和小体积方向发展，要求电子封装技术提供更高的互连密度和更短的互连路径。目前，球栅阵列封装和芯片堆叠封装已成为最重要的两种技术解决方案。在上述两种技术中，芯片与基板之间以及芯片与芯片之间的互连主要采用凸点来实现，互连凸点通常由Sn基钎料(如Sn、Sn-Ag、Sn-Cu、Sn-In、Sn-Ag-Cu等)、纯金属(Cu、Ag、Au等)或上述材料组成的多层结构所构成，并为芯片提供电气连接、机械支撑和导热通道等功能。因此，互连凸点的制备成为封装互连的关键技术，互连凸点的质量决定着电子器件的服役性能及可靠性。
现有的互连凸点制备方法包括溅射(蒸发)沉积、丝网印刷、电镀、植球、打球、液滴喷射等。
溅射沉积法通常采用光刻工艺或金属掩膜来形成凸点图形，这种方法沉积速率慢，生成效率低而成本高，不适合大批量生产，在焊盘上形成的钎料溅射层需经过回流重熔以形成球形凸点，较高的回流温度(250℃以上)产生较大的热应力并造成基板损伤。
丝网印刷法是利用带有凸点图形的金属模板，通过涂刷器将焊膏刷在焊盘上，这种方法虽然工艺简单、成本低，但受限于不能均匀分配焊膏体积，尺寸精度不高，影响模板印刷工艺质量的因素很多，不适合窄节距凸点制备，焊膏印刷完成后同样要经历高温回流处理，且凸点中易形成气孔。
电镀法是先通过光刻工艺形成凸点图形，再将所需金属分步或者共沉积电镀到焊盘上，工艺成熟、可批量生产，但光刻及电镀工艺易造成环境污染，电镀钎料凸点不易精确控制合金成分，电镀纯金属凸点高度一致性差、表面平整度低，制备窄节距凸点受限于光刻设备和工艺。
植球法通过掩膜或者转移等方式将微焊球放置在焊盘上，再经钎焊回流后形成互连凸点，此方法工作效率不高，易形成漏植或多植，且需预先制备尺寸一致的微焊球。打球法形成凸点的过程与引线键合在芯片侧的连接类似，不同之处在于金属丝球型前端键合在焊盘上之后将其后端断开，获得形状多为蘑菇状或钉头状的凸点，该方法需要施加一定的压力，易造成碎片，且生产效率低下。
上述方法的一个共同缺点还在于焊锡(球)制备和凸点制备需要分步进行，若能开发一次性的凸点成型工艺，无疑会节省工艺流程和成本。
液滴喷射法是在装有熔融钎料的坩埚和喷射腔室之间形成压力差，利用压电陶瓷驱动传动杆振动，促使钎料液滴喷出并落在基板焊盘上形成凸点的技术。申请号为2007100598956的发明专利，使用惰性气体注入坩锅与真空密闭腔室中，在坩锅与真空密闭腔室之间形成稳定压差，使金属熔体从坩锅底部喷嘴中以层流射流的形式喷出，利用压电振荡器产生的振动扰动使金属射流断裂为液滴，并下落到基板焊盘上。该方法虽然可以形成大小、形状和热力学条件均一化的颗粒，但在植球前需要通过摄像装置拍摄液滴图形，计算机图像分析液滴直径，再反馈控制振动器的频率，调试过程繁琐、复杂，且利用偏转极板控制带电液滴的下落轨迹，植球精度存在较大问题，同时无法实现液滴的逐点下落，即喷出的金属射流将形成多个时间间隔极短的液滴，难以实现放置基板的水平传动台的快速协调响应且不能自动化生产。
发明内容
根据上述提出的技术问题，而提供一种微互连凸点制备方法及装置。本发明主要利用液滴喷射装置和凸点形成装置配合制备出频率可控的均一液滴，从而实现焊球制备和互连凸点制备一次性完成，凸点成分均匀、尺寸精度高，制备工艺温度低，避免基板烧损或发生变形，可自动化生产。
本发明采用的技术手段如下：
一种微互连凸点制备装置，包括液滴喷射装置和凸点形成装置，所述液滴喷射装置包括用于液滴喷射的腔体、设置在所述腔体上部的坩埚和与设置在所述坩埚顶部的压电陶瓷相连的且深入所述坩埚及其中熔体内部的传动杆，所述坩埚的底部设有中心孔，所述坩埚底部还连有与所述中心孔相通的薄片，所述薄片上设有喷射孔，所述坩埚外侧设有加热带所述坩埚顶部开有坩埚进气口和坩埚排气口，所述腔体一侧开有腔体进气口和腔体排气口，机械泵与扩散泵安装在所述腔体侧部且与所述坩埚及所述腔体相连；
其特征在于：
所述坩埚通过三维运动控制器与所述腔体上部相连，所述腔体中部两侧还设有维持腔体温度的腔体温度控制器；
所述传动杆底部的直径小于所述中心孔的直径，所述喷射孔全部位于所述传动杆底部的正下方；
所述凸点形成装置包括用于承接所述液滴喷射装置喷射出的液滴的基板和用于放置所述基板的基板承载部且对所述基板施加超声振动的基板承载部；
所述喷射孔与所述基板之间的垂直距离D与所述基板的温度T之间满足以下关系，T≥100+(D-5)×5。
上述的压电陶瓷振动频率在0.1Hz～200Hz范围内，上述的三维运动控制器与计算机相连，在装置工作前，设定好预先的程序，通过三维运动控制器控制坩埚在腔体上部的移动与凸点形成装置的基板配合完成喷射液滴和凸点形成。
进一步地，当所述基板承载部为基板放置平台时，所述凸点形成装置置于所述腔体底部，工作时，所述机械泵与所述扩散泵对所述腔体和所述坩埚抽真空；
当所述基板承载部为传送带时，所述传送带位于所述腔体下方，所述腔体下部无底；或者将所述腔体下部两侧侧壁开设对称的可供所述传送带穿过的开口，所述坩埚与所述传送带之间还设有保护气体喷射装置，所述保护气体喷射装置可提供惰性气体，如He、Ar，基板承载部为传送带工作时，所述机械泵与所述扩散泵仅对所述坩埚抽真空。
本发明中，所述坩埚及所述薄片与钎料合金原料熔体的润湿角大于90°。
进一步地，所述坩埚内置有热电偶，所述坩埚用于盛放钎料合金原料，所述喷射孔的直径范围为0.01mm-0.5mm。
进一步地，所述基板上制作有金属焊盘阵列图形，金属焊盘的直径小于所述喷射孔的直径。
进一步地，所述喷射孔为单孔、单列孔或与金属焊盘阵列图形相同的全阵列孔。
本发明还公开了一种应用上述装置制备微互连凸点的制备方法，其特征在于包括如下步骤：
S1、基板放置及设置三维运动控制器参数：将基板放置在基板放置平台或传送带上，当放置在传送带上时，需将基板传送至工作区域后再根据基板上金属焊盘的位置及液滴喷射距离设定三维运动控制器参数，并编写相应的程序；
S2、装料：将钎料合金原料装入坩埚中，其放入量为坩埚容量的1/4-3/4；
S3、抽真空：利用机械泵和扩散泵对坩埚及腔体抽真空至10-3Pa，然后充入高纯度惰性气体，如Ar、He，使腔体内压力达到一个大气压；当腔体与大气连通的情况下，只对坩埚内部进行抽真空及充入保护气体；
S4、加热：利用加热带对钎料合金原料进行加热，待加热温度达到预设温度后保温10min-30min，使钎料合金原料完全熔化，调整传动杆与喷射孔的间距为2cm-5cm，调节腔体温度控制器，使基板温度维持在100℃-200℃；
S5、形成压差与喷射液滴：通过坩埚进气口向坩埚中充入保护气体，并使坩埚与腔体间形成差压0-50kPa，给压电陶瓷输入一定波型的脉冲信号，压电陶瓷带动传动杆往复运动，坩埚中钎料合金熔体在传动杆的运动挤压下从喷射孔处喷出，形成液滴；
S6、形成凸点：三维运动控制器根据预设程序，进行XYZ方向移动坩埚，配合压电陶瓷振动，使喷出液滴落在金属焊盘上形成凸点；
S7、凸点制备完毕取出基板：当基板放置在基板放置平台上时，打开腔体，取出基板；当基板放置在传送带上时，利用传送带将加工完毕的基板传送至腔体外，同时将下一个待加工基板传送至液滴喷射工作区域；或者利用传送带将加工完毕的基板传送至腔体外，同时将下一个待加工基板传送至液滴喷射工作区域，然后利用保护气体喷射装置将保护气体喷向基板处，进而进行下一基板的加工。
进一步地，所述压电陶瓷的振动频率在0.1Hz～200Hz。
进一步地，所述步骤S6中，在喷射液滴时对所述基板进行超声振动。
进一步地，所述步骤S6中，所述金属焊盘上涂覆有助焊剂。
进一步地，所述步骤S6中，在Z方向上调整喷射孔与基板之间的垂直距离D为5cm-25cm，且所述喷射孔与所述基板之间的垂直距离D与所述基板的温度T之间满足以下关系，T≥100+(D-5)×5，以使所述液滴降落在所述金属焊盘上时尚未凝固。优选地，该垂直距离D为10cm-15cm，基板温度T为125℃-150℃。
与现有技术相比，本发明可一次性完成焊球制备和互连凸点制备，主要是使用高纯惰性气体，如He、Ar，通入坩埚与腔体内，并使坩埚与腔体间产生稳定压差，通过实际工作需要预先设定喷射孔与基板间的距离、坩埚和腔体内的压差及温度等，再将一定波形的脉冲信号输入压电陶瓷，继而压电陶瓷驱动传动杆振动，在传动杆振动与压差双重作用下，坩埚中熔体从坩埚底部薄片上的喷射孔中喷出，形成频率可控的均一液滴；同时，本发明将基板上金属焊盘位置参数输入计算机，通过计算机控制三维运动控制器控制腔体内坩埚的运动，与压电陶瓷振动配合，喷出液滴最终落在基板上的金属焊盘相应区域；由于腔体内的温度视喷射孔与基板之间的距离而设定，使得液滴落在金属焊盘上时仍未凝固，且焊盘上的助焊剂可防止液滴散落，液滴在超声振动下与金属焊盘发生界面反应并凝固，最终形成与阵列图形匹配的微互连凸点制备；制备出的微互连凸点成分均匀、尺寸精度高，工艺温度低，避免基板烧损或发生变形，焊球制备和互连凸点制备一次完成，工艺简单，可自动化生产。
基于上述理由本发明可在球栅阵列封装和芯片堆叠封装等领域广泛推广。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1是本发明的结构示意图一。
图2是本发明的结构示意图二。
图3是本发明的结构示意图三。
图4是本发明制备的微互连凸点阵列样品照片。
图中：1、腔体11、机械泵12、扩散泵13、腔体排气口14、腔体进气口15、腔体温度控制器16、保护气体喷射装置17、开口2、坩埚21、三维运动控制器22、压电陶瓷23、传动杆24、坩埚进气口25、坩埚排气口26、坩埚加热带27、薄片271、喷射孔3、凸点形成装置31、基板放置平台31’、传送带32、基板33、凸点4、液滴。
具体实施方式
如图1所示，一种微互连凸点制备装置，包括液滴喷射装置和凸点形成装置3，所述液滴喷射装置包括用于液滴喷射的腔体1、设置在所述腔体1上部的坩埚2和与设置在所述坩埚2顶部的压电陶瓷22相连的且深入所述坩埚2及其中熔体内部的传动杆23，所述坩埚2的底部设有中心孔，所述坩埚2底部还连有与所述中心孔相通的薄片27，所述薄片27上设有喷射孔271，所述坩埚2内置有热电偶，所述坩埚2用于盛放钎料合金原料，所述喷射孔271的直径范围为0.01mm-0.5mm，所述喷射孔271为单孔、单列孔或与金属焊盘阵列图形相同的全阵列孔。所述坩埚2及所述薄片27与钎料合金原料熔体的润湿角大于90°。所述传动杆23底部的直径小于所述中心孔的直径，所述喷射孔271全部位于所述传动杆23底部的正下方。
所述坩埚2外侧设有加热带26所述坩埚2顶部开有坩埚进气口24和坩埚排气口25，所述腔体1一侧开有腔体进气口14和腔体排气口15，腔体进气口14和腔体排气口15在腔体1为封闭腔体时设计，在腔体1为开放式时省去；机械泵11与扩散泵12安装在所述腔体1侧部且与所述坩埚2及所述腔体1相连，用于对腔体1和坩埚2的抽真空；所述压电陶瓷22振动频率在0.1Hz～200Hz范围内。
所述坩埚2通过与计算机相连的三维运动控制器21与所述腔体1上部相连控制坩埚2的移动，所述腔体中部两侧还设有维持腔体1温度的腔体温度控制器15；所述凸点形成装置3包括用于承接所述液滴喷射装置喷射出的液滴4的基板32和用于放置所述基板32的基板承载部。所述基板32上制作有金属焊盘阵列图形，金属焊盘的直径小于所述喷射孔271的直径，所述喷射孔271与所述基板32之间的垂直距离D与所述基板32的温度T之间满足以下关系，T≥100+(D-5)×5，以使所述液滴4降落在所述金属焊盘上时尚未凝固。。
如图1所示，当所述基板承载部为基板放置平台31时，所述凸点形成装置3置于所述腔体1底部，工作时，所述机械泵11与所述扩散泵12对所述腔体1和所述坩埚2抽真空；
如图2所示，当所述基板承载部为传送带31’，所述传送带31’位于所述腔体1下方，所述腔体1下部无底；如图3所示，将所述腔体1下部两侧侧壁开设对称的可供所述传送带31’穿过的开口17，所述坩埚2与所述传送带31’之间还设有保护气体喷射装置16，保护气体喷射装置16可提供惰性气体，如He、Ar，工作时，所述机械泵11与所述扩散泵12仅对所述坩埚2抽真空。
本发明在喷射液滴时对所述基板32进行超声振动，所述金属焊盘上涂覆有助焊剂。
应用上述的装置制备微互连凸点的制备方法，具体步骤如下：
根据基板32上金属焊盘的位置参数及液滴4喷射距离编写程序；将Sn-3.0Ag-0.5Cu合金原料装入坩埚2内，达到坩埚2容量的1/2；利用机械泵11和扩散泵12对坩埚2、腔体1抽真空至10-3Pa，然后充入高纯度氩气，最后使腔体1内压力达到一个大气压，在腔体1与大气连通的情况下(如图2，图3的结构)，只对坩埚2内部进行抽真空及充入氩气；利用加热带26对Sn-3.0Ag-0.5Cu合金进行加热，达到熔点后继续升温10℃后保温20min，使原料完全熔化，调整传动杆23的位置至传动杆23与喷射孔27间距离为2cm，调节腔体温度控制器15，使基板32温度维持在180℃；通过坩埚进气口24向坩埚2中充入高纯度氩气，并使坩埚2与腔体1间形成差压50kPa，给压电陶瓷22输入方形波脉冲信号，压电陶瓷22带动传动杆23往复运动挤压坩埚2中熔体，熔体从喷射孔271处喷出；三维运动控制器21根据程序设置，进行XYZ方向移动坩埚2，使坩埚2与基板32之间的距离为20cm，配合压电陶瓷22振动，使喷出液滴4落在焊盘上形成凸点33。
如图1-3所示，由于基板承载部的不同，取出基板分为三种情况：如图1所示，打开腔体1，取出位于基板放置平台31上的基板32；如图2所示，在基板32上凸点33制备完毕后，利用传送带31’将加工完毕基板32传送至腔体1外，同时将下一待加工基板32传送至液滴喷射工作区域；如图3所示，利用传送带31’将加工完毕基板32传送至腔体1外，同时将下一个待加工基板32传送至液滴喷射工作区域，然后利用保护气体喷射装置16将高纯度氩气喷向基板32处，进而进行下一基板32的加工。利用上述流程制备出的微互连凸点阵列样品如图4所示。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种微互连凸点制备装置，包括液滴喷射装置和凸点形成装置(3)，所述液滴喷射装置包括用于液滴喷射的腔体(1)、设置在所述腔体(1)上部的坩埚(2)和与设置在所述坩埚(2)顶部的压电陶瓷(22)相连的且深入所述坩埚(2)及其中熔体内部的传动杆(23)，所述坩埚(2)的底部设有中心孔，所述坩埚(2)底部还连有与所述中心孔相通的薄片(27)，所述薄片(27)上设有喷射孔(271)，所述坩埚(2)外侧设有加热带(26)所述坩埚(2)顶部开有坩埚进气口(24)和坩埚排气口(25)，所述腔体(1)一侧开有腔体进气口(14)和腔体排气口(15)，机械泵(11)与扩散泵(12)安装在所述腔体(1)侧部且与所述坩埚(2)及所述腔体(1)相连；
其特征在于：
所述坩埚(2)通过三维运动控制器(21)与所述腔体(1)上部相连，所述腔体中部两侧还设有维持腔体(1)温度的腔体温度控制器(15)；
所述传动杆(23)底部的直径小于所述中心孔的直径，所述喷射孔(271)全部位于所述传动杆(23)底部的正下方；
所述凸点形成装置(3)包括用于承接所述液滴喷射装置喷射出的液滴(4)的基板(32)和用于放置所述基板(32)且对所述基板(32)施加超声振动的基板承载部；
所述喷射孔(271)与所述基板(32)之间的垂直距离D与所述基板(32)的温度T之间满足以下关系，T≥100+(D-5)×5。
2.根据权利要求1所述的微互连凸点制备装置，其特征在于：当所述基板承载部为基板放置平台(31)时，所述凸点形成装置(3)置于所述腔体(1)底部，工作时，所述机械泵(11)与所述扩散泵(12)对所述腔体(1)和所述坩埚(2)抽真空；
当所述基板承载部为传送带(31’)时，所述传送带(31’)位于所述腔体(1)下方，所述腔体(1)下部无底；或者将所述腔体(1)下部两侧侧壁开设对称的可供所述传送带(31’)穿过的开口(17)，所述坩埚(2)与所述传送带(31’)之间还设有保护气体喷射装置(16)，工作时，所述机械泵(11)与所述扩散泵(12)仅对所述坩埚(2)抽真空。
3.根据权利要求1所述的微互连凸点制备装置，其特征在于：所述坩埚(2)内置有热电偶，所述坩埚(2)用于盛放钎料合金原料，所述喷射孔(271)的直径范围为0.01mm-0.5mm。
4.根据权利要求1所述的微互连凸点制备装置，其特征在于：所述基板(32)上制作有金属焊盘阵列图形，金属焊盘的直径小于所述喷射孔(271)的直径。
5.根据权利要求4所述的微互连凸点制备装置，其特征在于：所述喷射孔(271)为单孔、单列孔或与金属焊盘阵列图形相同的全阵列孔。
6.一种应用如权利要求1-5任一权利要求所述的装置制备微互连凸点的制备方法，其特征在于包括如下步骤：
S1、基板(32)放置及设置三维运动控制器(21)参数：将基板(32)放置在基板放置平台(31)或传送带(31’)上，当放置在传送带(31’)上时，需将基板(32)传送至工作区域后再根据基板(32)上金属焊盘的位置及液滴(4)喷射距离设定三维运动控制器(21)参数；
S2、装料：将钎料合金原料装入坩埚(2)中，其放入量为坩埚(2)容量的1/4-3/4；
S3、抽真空：利用机械泵(11)和扩散泵(12)对坩埚(2)及腔体(1)抽真空至10-3Pa，然后充入高纯度惰性气体，使腔体(1)内压力达到一个大气压；当腔体(1)与大气连通的情况下，只对坩埚(2)内部进行抽真空及充入保护气体；
S4、加热：利用加热带(26)对钎料合金原料进行加热，待加热温度达到预设温度后保温10min-30min，使钎料合金原料完全熔化，调整传动杆(23)与喷射孔(271)的间距为2cm-5cm，调节腔体温度控制器(15)，使基板(32)温度维持在100℃-200℃；
S5、形成压差与喷射液滴：通过坩埚进气口(24)向坩埚(2)中充入保护气体，并使坩埚(2)与腔体(1)间形成差压0-50kPa，给压电陶瓷(22)输入一定波型的脉冲信号，压电陶瓷(22)带动传动杆(23)往复运动，坩埚(2)中钎料合金熔体在传动杆(23)的运动挤压下从喷射孔(271)处喷出，形成液滴(4)；
S6、形成凸点(33)：三维运动控制器(21)根据预设程序，进行XYZ方向移动坩埚(2)，配合压电陶瓷(22)振动，使喷出液滴(4)落在金属焊盘上形成凸点(33)；
S7、凸点制备完毕取出基板：当基板(32)放置在基板放置平台(31)上时，打开腔体(1)，取出基板(32)；当基板(32)放置在传送带(31’)上时，利用传送带(31’)将加工完毕的基板(32)传送至腔体(1)外，同时将下一个待加工基板(32)传送至液滴喷射工作区域；或者利用传送带(31’)将加工完毕的基板(32)传送至腔体(1)外，同时将下一个待加工基板(32)传送至液滴喷射工作区域，然后利用保护气体喷射装置(16)将保护气体喷向基板(32)处，进而进行下一基板(32)的加工。
7.根据权利要求6所述的微互连凸点的制备方法，其特征在于：所述步骤S6中，所述压电陶瓷(22)的振动频率在0.1Hz～200Hz。
8.根据权利要求6所述的微互连凸点的制备方法，其特征在于：所述步骤S6中，在喷射液滴时对所述基板(32)进行超声振动。
9.根据权利要求6所述的微互连凸点的制备方法，其特征在于：所述步骤S6中，所述金属焊盘上涂覆有助焊剂。
10.根据权利要求7所述的微互连凸点的制备方法，其特征在于：所述步骤S6中，在Z方向上调整喷射孔(271)与所述基板(32)之间的垂直距离D为5cm-25cm，且所述喷射孔(271)与所述基板(32)之间的垂直距离D与所述基板(32)的温度T之间满足以下关系，T≥100+(D-5)×5，以使所述液滴(4)降落在所述金属焊盘上时尚未凝固。
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