CN108054108A - 一种基于快速局域电沉积的引线键合方法 - Google Patents

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Abstract

一种基于快速局域电沉积的引线键合方法，属于引线连接技术领域。所述方法如下：选择待键合的新型引线材料，并对其改性；通过微纳操作平台将引线材料放置于焊盘表面，保证引线与焊盘表面有良好的接触；选择局域电沉积精密移液滴加管口径及滴加管内阳极金属种类，确保电镀阴极端探针与焊盘良好接触；通过局域电沉积方法在焊盘表面形成完全包覆引线材料的金属镀层；完成所有焊盘表面电沉积引线键合后，对整体器件进行清洗。本发明相对于传统引线键合工艺，可以实现新型引线材料的可靠引线键合，整个键合过程无需加热连接，无热损伤和机械损伤，具有工艺流程简单，键合速度快，适用于各种焊盘材料，连接层金属种类选择范围大等优点。

Description

一种基于快速局域电沉积的引线键合方法
技术领域
本发明属于引线连接技术领域，它涉及一种电子封装技术引线键合的方法，具体的说，是一种使用电沉积方法实现新型引线材料键合的方法，从而实现新型引线键合材料与焊盘在固态下互连的新型引线键合方法。
背景技术
随着电子封装技术不断发展革新，IC集成密度越来越高，引线键合技术中传统金属引线的使用带来了高电阻和电迁移的问题，严重影响了电子器件的功率密度和可靠性。使用新型高导电性高可靠的引线材料（如碳基、碳表面增强金属基、碳复合金属基引线材料等）代替传统的金、铝、铜、银等良导体材料，可以有效降低互连电阻，提高电子器件的可靠性。新引线材料中大量使用的碳材料（如碳纳米管、石墨烯等）与IC焊盘金属铝、铜、金等属于弱润湿/弱连接的材料对，不能采取目前金丝、铝丝、银丝、铜丝键合采用的热压键合、超声键合及热超声键合的方法。同时传统引线键合封装过程由于引线材料和焊盘材料不同，在连接和服役过程中在界面处会形成金属间化合物层，进而导致一系列的可靠性问题，如果选择与焊盘金属相同的材料作为引线封装互连材料，可以大大减少界面问题，提高电子产品的可靠性。为此，需要开发新型的引线键合技术以适应引线材料和封装技术可靠性发展的需要。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有引线键合技术不可靠的问题，提供一种基于快速局域电沉积的引线键合方法，用于引线材料（如碳基、碳表面增强金属基、碳复合金属基引线材料等）与焊盘的引线键合。本发明能够解决使用热压键合、超声键合及热超声键合等方法无法实现引线材料与焊盘互连的问题，通过局域电沉积方法，实现引线材料与焊盘之间快速选择性互连，整个键合过程无需加热连接，无热损伤和机械损伤，具有工艺流程简单，键合速度快，适用于各种焊盘材料，连接层金属种类选择范围大等优点。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案如下：
一种基于快速局域电沉积的引线键合方法，所述方法具体步骤如下：
步骤一：选择待键合的引线材料；
步骤二：对步骤一所选择的引线材料进行表面改性；
步骤三：将表面改性后的引线材料，通过微纳操作平台放置于焊盘表面，保证引线两端位于焊盘表面的中心处，并保证引线两端与焊盘表面有良好的接触；
步骤四：选择局域电沉积精密移液滴加管口径，滴加管口孔径的选择范围为大于需加工焊盘面积的1/5，小于焊盘面积的2/3；根据电沉积金属种类选择局域电沉积溶液滴加管内阳极金属种类，确保电镀阴极端探针与焊盘良好接触；
步骤五：通过局域电沉积方法在焊盘表面形成完全包覆引线材料的金属镀层；
步骤六：完成所有焊盘表面电沉积引线键合后，对整体器件进行清洗，除去表面残留电沉积溶液。
本发明相对于现有技术的有益效果是：本发明针对未来引线键合技术的发展趋势，提出了使用局域电沉积实现引线键合的新方法。相对于传统金属引线材料，新型碳基、碳包覆或碳复合引线材料具有高导电、低电迁移等优良特性，但是由于其特殊的物理性质和表面特性，无法使用传统的引线键合工艺进行封装加工。本发明利用电沉积加工方法的特性，无需加热条件下，在引线材料和焊盘接触位置进行局域电沉积加工，形成可选金属的连接层，完成引线键合工艺。相对于传统引线键合工艺，可以实现引线材料的可靠引线键合，整个键合过程无需加热连接，无热损伤和机械损伤，具有工艺流程简单，键合速度快，适用于各种焊盘材料，连接层金属种类选择范围大等优点。使用具有高导电性的碳纳米管、石墨烯等为互连引线，取代传统引线键合工艺中金，铜、铝等金属材料，可以大幅度降低互连电阻，提高电路速度和效率。该方法可以广泛应用于各种非金属表面引线材料的引线键合工艺，选择与焊盘金属相同的局域电沉积金属方法，可以实现引线材料与焊盘的无金属间化合物连接，大大提高接头的使用可靠性。
附图说明
图1是放置碳纳米管纤维引线后芯片结构图；
图2是移液器管结构图；
图3是逐一焊盘完成局域电沉积铜过程图；
图4是局域电沉积铜完成后芯片结构侧视图；
图5是放置表面包覆石墨烯铜箔引线后芯片结构图；
图6是多个焊盘同时完成局域电沉积铜过程图；
图7是局域电沉积铜完成后芯片结构图；
图8是放置碳纳米管复合铝引线后芯片结构图；
图9是氩气保护多个焊盘同时完成局域电沉积铝过程图；
图10是局域电沉积铝完成后芯片结构图；
图11是多个焊盘同时完成局域电沉积铜过程示意图；
图12是局域电沉积铜完成后芯片结构图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的保护范围中。
本发明提供了一种通过局域电沉积技术快速实现碳基、碳表面增强金属基及碳复合金属基引线材料引线键合的方法，包括引线材料的表面活化改性，使用电沉积技术实现新型碳基、碳表面增强金属基及碳复合金属基引线材料与焊盘表面的连接；取代传统引线键合技术，实现新型引线材料与焊盘材料的室温快速互连，达到非金属/复合材料表面引线与金属焊盘的紧密键合，解决了由于碳基材料的特殊物理特性，无法使用传统的超声热压等键合方法进行有效的键合连接的问题。
具体实施方式一：本实施方式记载的是一种基于快速局域电沉积的引线键合方法，使用局域电沉积的方法，将不能使用传统引线键合技术的新型引线材料与焊盘表面实现连接，所述方法具体步骤如下：
步骤一：选择待键合的引线材料；
步骤二：对步骤一所选择的引线材料进行表面改性，使局域电沉积溶液在其表面能够良好润湿；
步骤三：根据位置要求，将表面改性后的引线材料，通过微纳操作平台放置于焊盘表面，保证引线两端位于焊盘表面的中心处，并保证引线两端与焊盘表面有良好的接触；
步骤四：根据焊盘的尺寸，选择局域电沉积精密移液滴加管口径，滴加管口孔径的选择范围为大于需加工焊盘面积的1/5，小于焊盘面积的2/3；根据电沉积金属种类选择局域电沉积溶液滴加管内阳极金属种类，确保电镀阴极端探针与焊盘良好接触；
步骤五：通过局域电沉积方法在焊盘表面形成完全包覆引线材料的金属镀层；
步骤六：完成所有焊盘表面电沉积引线键合后，对整体器件进行清洗，除去表面残留电沉积溶液，进行干燥并进行性能测试。
具体实施方式二：具体实施方式一所述的一种基于快速局域电沉积的引线键合方法，所述的引线材料为碳基引线材料、碳表面增强金属基引线材料或碳复合金属基引线材料，
所述的碳基引线材料为碳纤维、碳纳米管纤维或石墨烯片层；所述的碳表面增强金属基引线材料为表面定向生长碳纳米管金属引线、表面定向生长石墨烯金属引线或表面包覆石墨烯金属箔片；所述的碳复合金属基引线材料为碳纳米管复合金属引线或石墨烯复合金属引线；所述的金属为铜、镍、金或铝中的一种。
具体实施方式三：具体实施方式一所述的一种基于快速局域电沉积的引线键合方法，步骤二中，所述的表面改性包括表面活性剂吸附改性、激光及等离子刻蚀改性或表面纳米化改性，改性后保证电沉积溶液在引线材料上可以良好铺展，引线材料的表面润湿角小于10°。
具体实施方式四：具体实施方式一所述的一种基于快速局域电沉积的引线键合方法，步骤五具体为：电沉积溶液通过安装在微纳操作平台上的精密移液器滴加在焊盘与引线材料的结合处，保证移液器管头没于焊盘表面电沉积溶液液面之下，移液器滴加电沉积溶液应完全包覆焊盘与引线结合处，同时保证电沉积溶液面积应小于整个焊盘面积的三分之二。
具体实施方式五：具体实施方式四所述的一种基于快速局域电沉积的引线键合方法，通过向电沉积溶液中添加表面活性剂或改变焊盘表面结构，使得电沉积溶液在焊盘表面的润湿角大于45°，保证电沉积溶液在焊盘表面保持良好的液滴状态。
具体实施方式六：具体实施方式四所述的一种基于快速局域电沉积的引线键合方法，所述的精密移液器内放置沉积金属片或金属丝，作为后续电沉积加工的阳极材料。
具体实施方式七：具体实施方式六所述的一种基于快速局域电沉积的引线键合方法，使用精密电镀电源进行金属沉积引线键合时，其中电源阳极端能够与精密移液器滴加管内放置的沉积金属片或金属丝连接，电源阴极端探针能够与金属焊盘相连接，同时保证阴极端金属探针不与电沉积溶液接触；电沉积气氛根据沉积金属的不同而不同，即
当使用水基溶液沉积铜、镍、金时，无需保护气氛；当使用离子液体沉积铝金属时，需在惰性气体保护下进行。
具体实施方式八：具体实施方式六所述的一种基于快速局域电沉积的引线键合方法，步骤五中，通过电沉积法在焊盘表面进行金属电沉积，电沉积金属层要完全覆盖引线材料，电沉积电流密度为0.1~5 A/dm2，电沉积时间在10~600s之间。具体由沉积金属层种类，电沉积溶液温度，电沉积时间的的最优化结果决定。
具体实施方式九：具体实施方式一所述的一种基于快速局域电沉积的引线键合方法，其特征在于：步骤五中，根据加工芯片与电路板的结构和焊盘的位置，进行逐一单个焊盘电沉积引线键合，或者多个焊盘同时电沉积进行引线键合；所述的多个焊盘同时进行电沉积引线键合时，需根据加工需要选择多个微纳操作平台、精密移液滴加装置和精密电镀电源；所述的单个焊盘电沉积引线键合完成后，精密移液滴加装置吸取剩余在焊盘上的电沉积溶液，移动到下一焊盘进行加工；全部焊盘完成电沉积引线键合后，对芯片和电路板进行整体清洗，去除残留的电沉积溶液残留，对清洗后的芯片和电路板进行干燥处理。
实施例1：
步骤一：选择碳纳米管纤维作为引线材料，引线直径范围为1~50微米。
步骤二：选择等离子刻蚀方式对碳纳米管纤维进行表面改性，使用氧或者氩等离子等对碳纳米管纤维进行刻蚀，刻蚀时间为5~30分钟，使电沉积溶液在碳纳米管纤维表面的润湿角小于10°。
步骤三：使用微纳操作平台将表面改性后的碳纳米管纤维放置到铜焊盘（这里指基板焊盘与芯片焊盘的材料均为铜）（100微米×100微米）表面，保证碳纳米管纤维的端头位于铜焊盘的中心，确定碳纳米管纤维与金属铜焊盘良好接触，结构如图1所示。
步骤四：使用精密移液装置将电沉积铜溶液滴加在铜焊盘与碳纳米管纤维的结合处，电沉积铜溶液的主要组成为：硫酸铜，硫酸，表面张力调节剂等。控制表面张力调节剂的浓度，使电沉积铜溶液在铜焊盘表面的润湿角大于60°。
步骤五：控制电沉积铜溶液滴加量，保证镀铜液完全包覆焊盘与引线结合处，且镀铜液面积应小于整个铜焊盘面积的三分之二。使用微纳操作平台保证移液器管口没于电沉积铜溶液液滴液面之下，移液器管结构如图2所示，铜片置于移液器管内壁。
步骤六：使用精密电镀电源进行铜的电沉积，电源阳极端与移液器内壁铜片相连，电源阴极端探针与铜焊盘保持接触，保证阴极端探针不与电沉积铜溶液相接触。
步骤七：进行电沉积铜液滴内电沉积铜加工，电流密度为0.2~1.5A/dm2。
步骤八：根据引线直径，选择电镀时间，电镀时间为10~600s。
步骤九：逐一铜焊盘使用局域电沉积方法完成碳纳米管纤维与铜焊盘的引线键合，加工过程如图3所示。
步骤十：单个铜焊盘表面的引线键合完成后，使用精密移液管吸取剩余电沉积铜溶液，尽可能减少铜焊盘表面镀铜电解液残留。
步骤十一：引线键合完成后，使用去离子水清洗芯片器件两遍，使用高纯乙醇清洗芯片一遍。
步骤十二：使用冷风干燥技术对芯片器件进行干燥处理，完成局域电沉积碳纳米管纤维引线芯片结构侧视图如图4所示。
实施例2：
步骤一：选择表面包覆石墨烯的铜箔作为引线材料，厚度为10~100微米，宽度为10~50微米。
步骤二：选择等离子刻蚀方式对表面包覆石墨烯的铜箔进行表面改性，使用氧或者氩等离子等对表面包覆石墨烯的铜箔引线进行刻蚀，刻蚀时间为5~20分钟，使水溶液在表面包覆石墨烯的铜箔表面的润湿角小于10°。
步骤三：使用微纳操作平台将表面改性后的表面包覆石墨烯的铜箔放置到铜焊盘（200微米×200微米）表面，保证表面包覆石墨烯的铜箔的端头位于铜焊盘的中心，确定表面包覆石墨烯的铜箔与金属铜焊盘良好接触，结构如图5所示。
步骤四：使用精密移液装置将电沉积铜溶液滴加在铜焊盘与表面包覆石墨烯的铜箔的结合处，电沉积铜溶液的主要组成为：焦磷酸铜，焦磷酸盐，表面张力调节剂等。控制表面张力调节剂的浓度，使电沉积铜溶液在铜焊盘表面的润湿角大于65°。
步骤五：控制电沉积铜溶液滴加量，保证镀铜液完全包覆焊盘与引线结合处，且镀铜液面积应小于整个铜焊盘面积的三分之二。使用微纳操作平台保证移液器管口没于电沉积铜溶液液滴液面之下，移液器管结构如图2所示，铜片置于移液器管内壁。
步骤六：使用精密电镀电源进行铜的电沉积，电源阳极端与移液器内壁铜片相连，电源阴极端探针与铜焊盘保持接触，保证阴极端探针不与电沉积铜溶液相接触。
步骤七：进行电沉积铜液滴内电沉积铜加工，电流密度为0.1~1.0 A/dm2。
步骤八：根据引线直径，选择电镀时间，电镀时间为10~800 s。
步骤九：多个铜焊盘使用局域电沉积方法完成表面包覆石墨烯的铜箔与铜焊盘的引线键合，加工过程如图6所示。
步骤十：每个铜焊盘表面的引线键合完成后，使用精密移液管吸取剩余电沉积铜溶液，尽可能减少铜焊盘表面镀铜电解液残留。
步骤十一：引线键合完成后，使用去离子水清洗芯片器件两遍，使用高纯乙醇清洗芯片一遍。
步骤十二：使用冷风干燥技术对芯片器件进行干燥处理，完成局域电沉积表面包覆石墨烯的铜箔引线芯片结构如图7所示。
实施例3：
步骤一：选择碳纳米管复合铝引线作为引线材料，引线直径范围为1~50微米。
步骤二：选择等离子刻蚀方式对碳纳米管复合铝引线进行表面改性，使用氧或者氩等离子等对碳纳米管复合铝引线进行刻蚀，刻蚀时间为5~15分钟，使水溶液在碳纳米管纤维表面的润湿角小于10°。
步骤三：使用微纳操作平台将表面改性后的碳纳米管复合铝引线一端放置到铝焊盘（100微米×100微米）表面，另一端放置到铜焊盘（100微米×100微米）表面，保证碳纳米管复合铝引线的端头位于两个焊盘的中心，确定（100微米×100微米）与金属焊盘良好接触，结构如图8所示。
步骤四：将整个局域电沉积引线键合系统放入氩气保护的操作箱内部，保证操作箱内部水残留和氧残留均小于1mg/L。
步骤五：使用精密移液装置将电沉积铝溶液滴加在铝焊盘与碳纳米管复合铝引线的结合处，电沉积铝溶液的主要组成为：氯化铝，1-甲基-3-乙基咪唑氯化物，表面张力调节剂等。控制表面张力调节剂的浓度，使电沉积铝溶液在铝焊盘表面的润湿角大于60°。
步骤六：控制电沉积铝离子液体的滴加量，保证电沉积铝离子液体完全包覆焊盘与引线结合处，且镀铝液面积应小于整个铝焊盘面积的三分之二。使用微纳操作平台保证移液器管口没于电沉积铝离子液体液滴液面之下，移液器管结构如图2所示，铝片置于移液器管内壁。
步骤七：使用精密电镀电源进行铝的电沉积，电源阳极端与移液器内壁铝片相连，电源阴极端探针与铝焊盘保持接触，保证阴极端探针不与电沉积铝离子液体相接触。
步骤八：进行电沉积铝离子液体液滴内电沉积铝加工，电流密度为0.1~2.5A/dm2。
步骤九：根据引线直径，选择电镀时间，电镀时间为30~600s。
步骤十：使用局域电沉积方法同时完成单个或多个碳纳米管复合铝引线与铝焊盘的引线键合，加工过程如图9所示。
步骤十一：单个铝焊盘表面的引线键合完成后，使用精密移液管吸取剩余电沉积铝离子液体，尽可能减少铝焊盘表面镀铝离子液体残留。
步骤十二：引线键合完成后，从氩气操作箱内拿出引线键合芯片，使用去离子水清洗芯片器件两遍，使用高纯乙醇清洗芯片一遍。
步骤十三：使用冷风干燥技术对芯片器件进行干燥处理，完成局域电沉积碳纳米管复合铝引线键合芯片铝焊盘连接的结构如图10所示。
步骤十四：使用精密移液装置将电沉积铜溶液滴加在铜焊盘与碳纳米管复合铝引线的结合处，电沉积铜溶液的主要组成为：焦磷酸铜，焦磷酸盐，表面张力调节剂等。控制表面张力调节剂的浓度，使电沉积铜溶液在铜焊盘表面的润湿角大于65°。
步骤十五：控制电沉积铜溶液滴加量，保证镀铜液完全包覆焊盘与引线结合处，且镀铜液面积应小于整个铜焊盘面积的三分之二。使用微纳操作平台保证移液器管口没于电沉积铜溶液液滴液面之下，移液器管结构如图2所示，铜片置于移液器管内壁。
步骤十六：使用精密电镀电源进行铜的电沉积，电源阳极端与移液器内壁铜片相连，电源阴极端探针与铜焊盘保持接触，保证阴极端探针不与电沉积铜溶液相接触。
步骤十七：进行电沉积铜液滴内电沉积铜加工，电流密度为0.1~1.0 A/dm2。
步骤十八：根据引线直径，选择电镀时间，电镀时间为10~800 s。
步骤十九：多个铜焊盘使用局域电沉积方法完成碳纳米管复合铝引线与铜焊盘的引线键合，加工过程如图11所示。
步骤二十：每个铜焊盘表面的引线键合完成后，使用精密移液管吸取剩余电沉积铜溶液，尽可能减少铜焊盘表面镀铜电解液残留。
步骤二十一：引线键合完成后，使用去离子水清洗芯片器件两遍，使用高纯乙醇清洗芯片一遍。
步骤二十二：使用冷风干燥技术对芯片器件进行干燥处理，完成局域电沉积碳纳米管复合铝引线键合芯片铜焊盘连接的结构如图12所示。

Claims (9)

1.一种基于快速局域电沉积的引线键合方法，其特征在于：所述方法具体步骤如下：
步骤一：选择待键合的引线材料；
步骤二：对步骤一所选择的引线材料进行表面改性；
步骤三：将表面改性后的引线材料，通过微纳操作平台放置于焊盘表面，保证引线两端位于焊盘表面的中心处，并保证引线两端与焊盘表面有良好的接触；
步骤四：选择局域电沉积精密移液滴加管口径，滴加管口孔径的选择范围为大于需加工焊盘面积的1/5，小于焊盘面积的2/3；根据电沉积金属种类选择局域电沉积溶液滴加管内阳极金属种类，确保电镀阴极端探针与焊盘良好接触；
步骤五：通过局域电沉积方法在焊盘表面形成完全包覆引线材料的金属镀层；
步骤六：完成所有焊盘表面电沉积引线键合后，对整体器件进行清洗，除去表面残留电沉积溶液。
2.根据权利要求1所述的一种基于快速局域电沉积的引线键合方法，其特征在于：所述的引线材料为碳基引线材料、碳表面增强金属基引线材料或碳复合金属基引线材料，
所述的碳基引线材料为碳纤维、碳纳米管纤维或石墨烯片层；所述的碳表面增强金属基引线材料为表面定向生长碳纳米管金属引线、表面定向生长石墨烯金属引线或表面包覆石墨烯金属箔片；所述的碳复合金属基引线材料为碳纳米管复合金属引线或石墨烯复合金属引线；所述的金属为铜、镍、金或铝中的一种。
3.根据权利要求1所述的一种基于快速局域电沉积的引线键合方法，其特征在于：步骤二中，所述的表面改性包括表面活性剂吸附改性、激光及等离子刻蚀改性或表面纳米化改性。
4.根据权利要求1所述的一种基于快速局域电沉积的引线键合方法，其特征在于：步骤五具体为：电沉积溶液通过安装在微纳操作平台上的精密移液器滴加在焊盘与引线材料的结合处，保证移液器管头没于焊盘表面电沉积溶液液面之下，移液器滴加电沉积溶液应完全包覆焊盘与引线结合处，同时保证电沉积溶液面积应小于整个焊盘面积的三分之二。
5.根据权利要求4所述的一种基于快速局域电沉积的引线键合方法，其特征在于：通过向电沉积溶液中添加表面活性剂或改变焊盘表面结构，使得电沉积溶液在焊盘表面的润湿角大于45°，保证电沉积溶液在焊盘表面保持良好的液滴状态。
6.根据权利要求4所述的一种基于快速局域电沉积的引线键合方法，其特征在于：所述的精密移液器内放置沉积金属片或金属丝，作为后续电沉积加工的阳极材料。
7.根据权利要求6所述的一种基于快速局域电沉积的引线键合方法，其特征在于：使用精密电镀电源进行金属沉积引线键合时，其中电源阳极端能够与精密移液器滴加管内放置的沉积金属片或金属丝连接，电源阴极端探针能够与金属焊盘相连接，同时保证阴极端金属探针不与电沉积溶液接触；电沉积气氛根据沉积金属的不同而不同，即
当使用水基溶液沉积铜、镍、金时，无需保护气氛；当使用离子液体沉积铝金属时，需在惰性气体保护下进行。
8.根据权利要求6所述的一种基于快速局域电沉积的引线键合方法，其特征在于：步骤五中，通过电沉积法在焊盘表面进行金属电沉积，电沉积金属层要完全覆盖引线材料，电沉积电流密度为0.1~5 A/dm2，电沉积时间在10~600s之间。
9.根据权利要求1所述的一种基于快速局域电沉积的引线键合方法，其特征在于：步骤五中，根据加工芯片与电路板的结构和焊盘的位置，进行逐一单个焊盘电沉积引线键合，或者多个焊盘同时电沉积进行引线键合；所述的多个焊盘同时进行电沉积引线键合时，需根据加工需要选择多个微纳操作平台、精密移液滴加装置和精密电镀电源；所述的单个焊盘电沉积引线键合完成后，精密移液滴加装置吸取剩余在焊盘上的电沉积溶液，移动到下一焊盘进行加工；全部焊盘完成电沉积引线键合后，对芯片和电路板进行整体清洗，去除残留的电沉积溶液残留，对清洗后的芯片和电路板进行干燥处理。
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