CN106847772B - 用于陶瓷外壳的无助焊剂倒装焊方法 - Google Patents

Abstract

本发明揭示了一种用于陶瓷外壳的无助焊剂倒装焊方法，属于集成电路制造技术领域。所述用于陶瓷外壳的无助焊剂倒装焊方法包括：在陶瓷外壳的焊盘上添加焊球，将焊球压平；将倒装芯片的凸点与被压平的焊球进行预焊接；还原倒装芯片的凸点以及陶瓷外壳的被压平的焊球表面的氧化物；加热使被压平的焊球熔融并与陶瓷外壳的焊盘充分浸润、倒装芯片的凸点与陶瓷外壳的焊球充分熔融形成金属间化合物，保持预定时长后降至常温，完成陶瓷外壳的无助焊剂倒装焊。本发明通过预先在陶瓷外壳焊盘植球、回流采用无助焊剂倒装焊工艺的方法，在封装过程可解决陶瓷外壳倒装焊盘位置度及共面性差、助焊剂残留的问题，从而提升了集成电路封装良率及可靠性水平。

Description

用于陶瓷外壳的无助焊剂倒装焊方法

技术领域

本发明涉及集成电路制造技术领域，特别涉及一种用于陶瓷外壳的无助焊剂倒装焊方法。

背景技术

倒装芯片凸点焊料为铜柱结构时，因陶瓷外壳倒装焊盘位置度和共面性差的影响，铜柱结构的陶瓷外壳的倒装焊封装过程易出现虚焊、开路等异常，直接影响了封装良率。

在传统的使用助焊剂的倒装焊工艺过程中，需对倒装芯片与陶瓷外壳回流后的电路进行残留助焊剂的清洗。随着倒装芯片凸点直径、凸点节距及高度不断缩小，残留助焊剂无法彻底清洗去除，造成后续的底部填充工艺过程产生气孔、分层等缺陷，对电路性能及可靠性造成隐患。

发明内容

本发明提供一种用于陶瓷外壳的无助焊剂倒装焊方法。所述技术方案如下：

根据本发明实施例的第一方面，提供一种用于陶瓷外壳的无助焊剂倒装焊方法，所述方法包括：在陶瓷外壳的焊盘上添加焊球，将所述焊球压平；将倒装芯片的凸点与所述被压平的焊球进行预焊接；还原所述倒装芯片的凸点以及所述陶瓷外壳的被压平的焊球表面的氧化物；加热使所述被压平的焊球熔融并与所述陶瓷外壳的焊盘充分浸润、所述倒装芯片的凸点与所述陶瓷外壳的焊球充分熔融形成金属间化合物，保持预定时长后降至常温，完成陶瓷外壳的无助焊剂倒装焊。

通过预先在陶瓷外壳焊盘植球、回流采用无助焊剂倒装焊工艺的方法，在封装过程可解决陶瓷外壳倒装焊盘位置度及共面性差、助焊剂残留的问题，从而提升了集成电路封装良率及可靠性水平。

可选的，所述在陶瓷外壳的焊盘上添加焊球，包括：将植球网板放置在所述陶瓷外壳设置有焊盘的一面，被放置后的所述植球网板的网孔与所述陶瓷外壳上的焊盘一一相对，且相对的网孔与所述焊盘的直径相同；向每个网孔中植入直径与所述网孔对应的焊球。

由于植球网板上的网孔与焊盘的位置和大小相同，且每个网孔植入的焊球的执行与焊盘也相同，从而使得焊球与焊盘的位置和大小匹配，结合后续步骤的还原表面氧化物以及熔融，使得集成电路的共面性较好，封装良率较高。

可选的，在所述将所述焊球压平之前，所述方法还包括：在所述陶瓷外壳未设置焊盘的一面加热至所述焊球固液相温度，移开所述植球网板；停止加热，在所述陶瓷外壳冷却后，执行所述将所述焊球压平的步骤。

可选的，所述将倒装芯片的凸点与所述被压平的焊球进行预焊接，包括：将所述倒装芯片的凸点与所述被压平的焊球对准放置；采用热压方式完成所述倒装芯片的凸点与所述被压平的焊球的预焊接。

可选的，所述还原所述倒装芯片的凸点以及所述陶瓷外壳的被压平的焊球表面的氧化物，包括：将预焊接后的所述倒装芯片以及所述陶瓷外壳放置在密封回流炉中；将所述密封回流炉的温度升至预定温度范围，利用预定类型的气体还原所述密封回流炉中的所述倒装芯片的凸点以及所述陶瓷外壳的焊球表面的氧化物。

由于密封回流炉可以保证预定类型的气体的浓度，在使用密封回流炉时，可以有效地提高预定类型的气体还原凸点以及焊球表面的氧化物的效率。

可选的，所述预定气体为携带甲酸的氮气，所述预定温度范围为150℃～200℃。

可选的，所述加热使所述被压平的焊球熔融并与所述陶瓷外壳的焊盘充分浸润、所述倒装芯片的凸点与所述陶瓷外壳的焊球充分熔融形成金属间化合物，包括：对所述密封回流炉进行升温至所述凸点与所述被压平的焊球液相温度，使所述被压平的焊球熔融并与所述陶瓷外壳的焊盘充分浸润，使所述倒装芯片的凸点与所述陶瓷外壳的焊球充分熔融形成金属间化合物。

可选的，所述焊球为球形。

可选的，所述倒装芯片的凸点为球形，或为底部为半球形的柱体。

可选的，所述焊球材质包括SnAg、SnAgCu或SnPb，所述倒装芯片凸点材质包括Cu+SnAg、SnAg、SnAgCuSnPb。

应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性的，并不能限制本发明。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本发明的实施例，并与说明书一起用于解释本发明的原理。

图1是本发明一个实施例中提供的用于陶瓷外壳的无助焊剂倒装焊方法的流程图；

图2是本发明一个实施例中提供的将网板的网孔与陶瓷外壳焊盘对位并固定的示意图；

图3是本发明一个实施例中提供的焊球填入网板网孔内的示意图；

图4是本发明一个实施例中提供的从陶瓷外壳底部加热至焊球固液相共存的示意图；

图5是本发明一个实施例中提供的移开网板后焊球与外壳焊盘浸润的示意图；

图6是本发明一个实施例中提供的压板压平焊球的示意图；

图7a是本发明一个实施例中提供的具有球形凸点倒装芯片与陶瓷外壳临时固定的示意图；

图7b是本发明一个实施例中提供的具有柱状凸点倒装芯片与陶瓷外壳临时固定的示意图；

图8a是本发明一个实施例中提供的具有球形凸点倒装芯片与陶瓷外壳在回流炉中去氧化并回流的示意图；

图8b是本发明一个实施例中提供的具有柱状凸点倒装芯片与陶瓷外壳在回流炉中去氧化并回流的示意图。

具体实施方式

这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本公开相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本公开的一些方面相一致的装置和方法的例子。

图1是本发明一个实施例中提供的用于陶瓷外壳的无助焊剂倒装焊方法的流程图，该方法包括如下步骤：

步骤101，在陶瓷外壳的焊盘上添加焊球，将焊球压平。

一般来讲，为了可以将陶瓷外壳与倒装芯片焊接，陶瓷外壳上需要设置有焊盘。可选的，陶瓷外壳的焊盘的数量为至少一个。

通常，陶瓷外壳的焊盘的数量与陶瓷外壳的面积成正向相关性，比如陶瓷外壳的面积越大，陶瓷外壳的焊盘的数量也越多。

陶瓷外壳的焊盘设置在陶瓷外壳需要与倒装芯片焊接的一面。

在一种可能的实现方式中，为了能工业化的在陶瓷外壳的焊盘上添加焊球，提高添加焊球的效率，对于相同规格的陶瓷外壳(焊盘的位置和大小相同)，可以设置一种对应的植球网板。这类植球网板设置有至少一个网孔，网孔的数量不低于对应的焊盘的数量，且每个焊盘均对应一个网孔，每个与焊盘对应的网孔的直径与对应的焊盘的直径相同，且网孔在植球网板上的布局与焊盘在陶瓷外壳上的布局对应。

在陶瓷外壳的焊盘上添加焊球时，可以包括如下两个步骤：

首先，可以将植球网板放置在陶瓷外壳设置有焊盘的一面，被放置后的植球网板的网孔与陶瓷外壳上的焊盘一一相对，且相对的网孔与焊盘的直径相同。请参见图2所示，其是本发明一个实施例中提供的将网板的网孔与陶瓷外壳焊盘对位并固定的示意图，在图2中，当植球网板22放置在陶瓷外壳20上之后，植球网板22上的各个网孔221均分别与陶瓷外壳20上的焊盘201一一对应。可选的，相对的网孔221与焊盘201的直径相同。

然后，向每个网孔中植入直径与网孔对应的焊球。请参见图3所示，其本发明一个实施例中提供的焊球填入网板网孔内的示意图，在图3中，每个网孔中均植入了一个焊球202。

可选的，植球网板的厚度可以为60～200μm，具体厚度可以根据实际采用的焊球的直径来确定，比如60μm直径的焊球对应的植球网板的厚度为60μm，200μm直径的焊球对应的植球网板的厚度为200μm。可选的，上述规格的植球网板的制备工艺可以包括但不限于电铸工艺、激光刻蚀等，本实施例不对植球网板的制备工艺进行限定。

进一步地，植球网板的孔径一般为66～220μm，具体厚度根据实际采用的焊球直径来确定，比如60μm直径的焊球对应的植球网板的孔径为66μm，200μm直径焊球对应的植球网板的孔径为220μm。本实施例中不对植球网板的孔径进行限定。

进一步地，植球网板的大小尺寸一般为15mm×15mm～50mm×50mm，与陶瓷外壳的大小尺寸基本一致以便进行植球网板固定及网孔与陶瓷外壳焊盘对准，只要能实现本发明同样的功能达到相同的技术效果即可。本实施例中不对植球网板的尺寸进行限定。

可选的，焊球结构一般为球形。进一步的，焊球的直径可以与网孔的直径相同。在实际实现时，由于焊球需要被植入至网孔中，因此焊球的直径也可以略小于网孔的直径，或者焊球的直径略小于焊盘的直径。进一步地，焊球直径一般为60～200μm，具体采用焊球的直径根据陶瓷外壳焊盘直径来确定，比如60μm直径焊盘对应的焊球直径为60μm，200μm直径焊盘对应的焊球直径为200μm。

可选的，焊球材质包括但不限于SnAg、SnAgCu、SnPb等。

可选的，被植入的焊球在被植入时可以为固态。

在一种可能的实现方式中，被植入的焊球也可以为液态，然后通过某种方式将液态的焊球转变为固态的焊球，使得在移开植球网板时，焊球不至于变形，或者不至于让焊球覆盖至陶瓷外壳的非焊盘区域。

在陶瓷外壳的焊盘上添加焊球之后，可以在陶瓷外壳未设置焊盘的一面加热至焊球固液相温度，移开植球网板。请参见图4所示，其是本发明一个实施例中提供的从陶瓷外壳底部加热至焊球固液相共存的示意图，在图4中，从陶瓷外壳20的下面(即未设置焊盘的一面)进行加热，这样焊球202因温度升高从固态向液态转变。由于后续需要对焊球进行压平处理，而为了保证可以对焊球进行变形，又不至于液态的焊球覆盖至陶瓷外壳的非焊盘区域，因此这里控制加热的温度和时长，使得焊球的温度处于固液相温度。移开植球网板后的示意图可以参见图5所示，陶瓷外壳20上除了有焊盘201之外，每个焊盘201上有焊球202。

焊球的温度处于固液相温度时，停止加热，在陶瓷外壳冷却后，由于焊球为固液相，因此可以将各个焊球进行压平。

可选的，可以利用压板将焊球压平。请参见图6所示，其是本发明一个实施例中提供的压板压平焊球的示意图，在图6中，利用压板24覆盖在焊球202上，对压板24施加压力，当焊球202的形状变成符合的形状要求时，则可以停止对压板24施加压力，移开压板24。

在一种可能的实现方式中，网板材料可以为镍合金。

步骤102，将倒装芯片的凸点与被压平的焊球进行预焊接。

在将倒装芯片的凸点与被压平的焊球进行预焊接时，可以包括如下步骤：

首先，可以将倒装芯片的凸点与被压平的焊球对准放置。

此时，倒装芯片的凸点分别与被压平的焊球(数量及位置)对应。

然后，采用热压方式完成倒装芯片的凸点与被压平的焊球的预焊接。

一种热压方式的可能实现为：在陶瓷外壳的下方(未设置焊盘的一面)进行加热，对放置好的倒装芯片施压向下的压力。也即在对陶瓷外壳加热的过程中，对放置好的倒装芯片施加指向陶瓷外壳的压力。

可选的，倒装芯片的凸点包括但不限于球形，或底部为半球形的柱体。

当倒装芯片的凸点为球形时，在将倒装芯片26的凸点261a与被压平的焊球202进行预焊接的示意图可以参见图7a所示。当倒装芯片的凸点为底部为半球形的柱体结构时，在将倒装芯片26的凸点261b与被压平的焊球202进行预焊接的示意图可以参见图7b所示。

可选的，倒装芯片的凸点的材质包括但不限于：Cu+SnAg、SnAg、SnAgCu或SnPb等。

步骤103，还原倒装芯片的凸点以及陶瓷外壳的被压平的焊球表面的氧化物。

为了能够精确地去除倒装芯片的凸点以及陶瓷外壳的被压平的焊球表面的残留，在还原所述倒装芯片的凸点以及所述陶瓷外壳的焊球表面的氧化物时，可以将预焊接后的倒装芯片以及陶瓷外壳放置在密封回流炉中；将密封回流炉的温度升至预定温度范围，利用预定类型的气体还原密封回流炉中的倒装芯片的凸点以及陶瓷外壳的焊球表面的氧化物。

这里的预定类型的气体可以与焊球、焊盘以及凸点的材质有关。可选的，预定类型的气体可以为携带甲酸的氮气，为了保证该气体可以还原倒装芯片的凸点以及陶瓷外壳的被压平的焊球表面的的氧化物，可以将密封回流炉升温至150℃～200℃。也即，上述的预定温度范围为150℃～200℃。

以凸点为球形为例，在将具备球形凸点的倒装芯片与陶瓷外壳在回流炉中去氧化并回流的示意图可以参见图8a所示。

以底部为球形的柱体为例，在将具备底部为球形的柱体形状凸点的倒装芯片与陶瓷外壳在回流炉中去氧化并回流的示意图可以参见图8b所示。

步骤104，加热使被压平的焊球熔融并与陶瓷外壳的焊盘充分浸润、倒装芯片的凸点与陶瓷外壳的焊球充分熔融形成金属间化合物，保持预定时长后降至常温，完成陶瓷外壳的无助焊剂倒装焊。

在经过步骤103之后，继续对密封回流炉进行升温，使被压平的焊球熔融并与陶瓷外壳的焊盘充分浸润、倒装芯片的凸点与陶瓷外壳的焊球充分熔融形成金属间化合物。

也就是说，在经过步骤103之后，继续对密封回流炉进行升温，对密封回流炉进行升温至凸点与被压平的焊球液相温度，使被压平的焊球熔融并与陶瓷外壳的焊盘充分浸润，使倒装芯片的凸点与陶瓷外壳的焊球充分熔融形成金属间化合物。

在升温得到上述的结果之后，可以保持预定时长后降至常温，完成陶瓷外壳的无助焊剂倒装焊。

这里的预定时长是保证被压平的焊球熔融并与陶瓷外壳的焊盘充分浸润，使倒装芯片的凸点与陶瓷外壳的焊球充分熔融形成金属间化合物，具体可以根据实际经验设定，比如5分钟、10分钟等，本实施例对预定时长的具体取值不进行限定。

需要补充说明的时，在实际实现过程中，陶瓷外壳加热至焊球固液相温度时，制备的植球网板与焊球不发生浸润，移开植球网板时不会对焊球造成影响焊接的损伤，加热装置中有保护气氛，可有效防止焊球氧化。

综上所述，本发明实施例提供的用于陶瓷外壳的无助焊剂倒装焊方法，通过预先在陶瓷外壳焊盘植球、回流采用无助焊剂倒装焊工艺的方法，在封装过程可解决陶瓷外壳倒装焊盘位置度及共面性差、助焊剂残留的问题，从而提升了集成电路封装良率及可靠性水平。

本领域技术人员在考虑说明书及实践这里发明的发明后，将容易想到本发明的其它实施方案。本申请旨在涵盖本发明的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本发明的一般性原理并包括本发明未发明的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本发明的真正范围和精神由下面的权利要求指出。

应当理解的是，本发明并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本发明的范围仅由所附的权利要求来限制。

Claims (8)

1.一种用于陶瓷外壳的无助焊剂倒装焊方法，其特征在于，所述方法包括：

在陶瓷外壳的焊盘上添加焊球，将所述焊球压平；

将倒装芯片的凸点与所述被压平的焊球进行预焊接；

还原所述倒装芯片的凸点以及所述陶瓷外壳的被压平的焊球表面的氧化物；

加热使所述被压平的焊球熔融并与所述陶瓷外壳的焊盘充分浸润、所述倒装芯片的凸点与所述陶瓷外壳的焊球充分熔融形成金属间化合物，保持预定时长后降至常温，完成陶瓷外壳的无助焊剂倒装焊；

其中，所述在陶瓷外壳的焊盘上添加焊球，包括：

将植球网板放置在所述陶瓷外壳设置有焊盘的一面，被放置后的所述植球网板的网孔与所述陶瓷外壳上的焊盘一一相对，且相对的网孔与所述焊盘的直径相同，所述植球网板的厚度与所述焊球的厚度相同；

向每个网孔中植入直径与所述网孔对应的焊球；

在所述将所述焊球压平之前，所述方法还包括：

在所述陶瓷外壳未设置焊盘的一面加热至所述焊球固液相温度，移开所述植球网板；

停止加热，在所述陶瓷外壳冷却后，执行所述将所述焊球压平的步骤。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述将倒装芯片的凸点与所述被压平的焊球进行预焊接，包括：

将所述倒装芯片的凸点与所述被压平的焊球对准放置；

采用热压方式完成所述倒装芯片的凸点与所述被压平的焊球的预焊接。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述还原所述倒装芯片的凸点以及所述陶瓷外壳的被压平的焊球表面的氧化物，包括：

将预焊接后的所述倒装芯片以及所述陶瓷外壳放置在密封回流炉中；

将所述密封回流炉的温度升至预定温度范围，利用预定类型的气体还原所述密封回流炉中的所述倒装芯片的凸点以及所述陶瓷外壳的焊球表面的氧化物。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述预定类型的气体为携带甲酸的氮气，所述预定温度范围为150℃~ 200℃。

5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述加热使所述被压平的焊球熔融并与所述陶瓷外壳的焊盘充分浸润、所述倒装芯片的凸点与所述陶瓷外壳的焊球充分熔融形成金属间化合物，包括：

对所述密封回流炉进行升温至所述凸点与所述被压平的焊球液相温度，使所述被压平的焊球熔融并与所述陶瓷外壳的焊盘充分浸润，使所述倒装芯片的凸点与所述陶瓷外壳的焊球充分熔融形成金属间化合物。

6.根据权利要求1-5中任一所述的方法，其特征在于，所述焊球为球形。

7.根据权利要求1-5中任一所述的方法，其特征在于，所述倒装芯片的凸点为球形，或为底部为半球形的柱体。

8.根据权利要求1-5中任一所述的方法，其特征在于，所述焊球材质包括SnAg、SnAgCu或SnPb，所述倒装芯片凸点材质包括Cu+SnAg、SnAg、SnAgCu或SnPb。