CN108288591B - 一种倒装芯片及其焊接方法 - Google Patents

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Abstract

本申请公开了一种倒装芯片及其焊接方法,涉及电子元器件技术领域。所述方法包括:提供设置有金属凸点的芯片,该金属凸点能够在交变磁场作用下产生感应电流;将芯片倒装于基板上;将贴装后的芯片与基板置于交变磁场中,以使金属凸点内产生感应电流,并利用感应电流的热效应使金属凸点融化形成焊接。通过上述方式,本申请焊接过程中,加热升温过程迅速,所用时间短;并且只在预定位置产生电流来加热,节约大量能源。

Description

一种倒装芯片及其焊接方法
技术领域
本申请涉及电子元器件技术领域,特别是涉及一种倒装芯片及其焊接方法。
背景技术
随着集成电路集成度的增加,芯片的封装技术也越来越多样化,因为芯片倒装技术具有缩短封装内的互连长度,进而能够更好地适应高度集成的发展需求,目前已广泛应用于芯片封装领域。芯片倒装技术一般是在芯片的正面制作焊点阵列作为输入、输出端子并以倒扣方式焊接于封装基板上,请参阅图1,图1是现有技术中回流焊接的应用示意图。现有的焊接一般使用热风回流工艺,如图1所示,将芯片11与基板12贴装后,通过电阻丝加热产生的热风14融化焊锡球13,使其芯片11通过焊锡球13与基板12产生电连接。本申请的发明人在长期的研发过程中,发现回流焊接工艺还有一定的问题,如在回流加热过程中,整个基板都会被加热,造成资源的浪费,还有可能损坏其他元件;另还需要较大的回流循环设备,大量的保护性气体等。
发明内容
本申请主要解决的技术问题是提供一种倒装芯片及其焊接方法,能够快速、高效、节能的实现倒装芯片的焊接。
为解决上述技术问题,本申请采用的一个技术方案是:提供一种倒装芯片的焊接方法,该方法包括:提供设置有金属凸点的芯片,该金属凸点能够在交变磁场作用下产生感应电流;将芯片倒装于基板上;将贴装后的芯片与基板置于交变磁场中,以使金属凸点内产生感应电流,并利用感应电流的热效应使金属凸点融化形成焊接。
为解决上述技术问题,本申请采用的另一个技术方案是:提供一种倒装芯片,该倒装芯片通过上述的倒装芯片的焊接方法焊接所得。
本申请的有益效果是:区别于现有技术的情况,本申请所提供的倒装芯片的焊接方法,利用电磁感应原理,使芯片上的金属凸点在交变磁场中感应电流,并利用感应电流的热效应使金属凸点融化形成焊接。通过这种方式,焊接过程中,加热升温过程迅速,所用时间短;并且只在预定位置产生电流来加热,节约大量能源。
附图说明
图1是现有技术中回流焊接的应用示意图;
图2是本申请倒装芯片的焊接方法第一实施方式的流程示意图;
图3是本申请倒装芯片的焊接方法第二实施方式的应用示意图;
图4是本申请金属凸点在交变磁场中产生电流的示意图;
图5是本申请倒装芯片第一实施方式的结构示意图。
具体实施方式
为使本申请的目的、技术方案及效果更加清楚、明确,以下参照附图并举实施例对本申请进一步详细说明。
本申请提供一种倒装芯片及其焊接方法,至少可以应用于倒装芯片的焊接工艺中,该方法根据电磁感应原理,利用感应电流的热效应加热使焊点融化形成焊接。请参阅图2,图2是本申请倒装芯片的焊接方法第一实施方式的流程示意图。如图1所示,在该实施方式中,倒装芯片的焊接方法包括如下步骤:
S201:提供设置有金属凸点的芯片,其中,所述金属凸点能够在交变磁场作用下产生感应电流。
具体地,根据电磁感应原理,放在变化磁通量中的导体会产生电动势,若将此导体闭合成一回路,则该电动势会驱使电子流动,形成感应电流。而在芯片倒装技术中,一般是在芯片的正面制作金属凸点(即焊点)阵列作为输入、输出端子。该金属凸点作为具有闭合回路的导体,放在交变磁场中时能够产生感应电流。
S202:将芯片倒装于基板上。
将正面设置有金属凸点的芯片以倒扣方式贴装于基板上,其中金属凸点与基板上相对应的焊盘配合连接。在一实施方式中,基板可以是适配于某种芯片的特制基板,其焊盘与金属凸点的数量一致,且对应设置;在其他实施方式中,基板也可以是用于芯片封装体制备工艺中的通用型基板,且基板上可同时装配多个芯片(这些芯片可以以并排的方式设置,也可以以堆叠的方式设置),以同时对多个芯片进行快速封装。因此基板上的焊盘数量可以多于芯片上的金属凸点的数量,只要能够保证芯片上的金属凸点均有对应的焊盘与之匹配连接即可。
S203:将贴装后的芯片与基板置于交变磁场中,以使金属凸点内产生感应电流,并利用感应电流的热效应使金属凸点融化形成焊接。
具体地,根据电磁感应原理,因为交变磁场的磁通量变化,金属凸点内能够产生感应电流,该感应电流的热效应使金属凸点融化形成焊接。通过这种方式,焊接过程中,加热升温过程迅速,所用时间短;并且只在预定位置产生电流来加热,节约大量能源。
请结合参阅图3和图4,图3是本申请倒装芯片的焊接方法第二实施方式的应用示意图;图4是本申请金属凸点在交变磁场中产生电流的示意图。在该实施方式中,金属凸点33的材料选用焊锡,形状选用圆环形,即金属凸点33为环形焊锡凸点。通过选用环形凸点,能够较准确的计算融化金属凸点所需要的磁通量变化率,有效控制焊接过程中产生的热量,既能够高效完成焊接,还能够尽可能的节约能源;同时在形成焊接后可以增大焊点与芯片的接触面积,增加电连接的稳定性;另外,环形凸点所占体积较小,有利于应用于窄间隙,更精密的芯片中。金属凸点33的大小可以根据芯片的不同而适应性设置,如可以设置环形凸点的外径为40~60μm,内径为20~40μm,厚度为10~30μm。在其他实施方式中,金属凸点也可以包括共晶焊锡、锡铅焊料、银焊料、铜焊料等;金属凸点也可以根据需要选用球形、圆柱形等。在制备带有金属凸点的芯片时,根据金属凸点的形状在芯片的底层金属上刻蚀形成对应的图样,然后电镀预定金属形成对应的金属凸点。
如图3和图4所示,将贴装后的芯片31与基板32置于交变磁场中,金属凸点33在变化的磁场中能够产生感应电流,通过调整磁通量的变化率,调整感应电流的大小,进而调控其热效应产生的热量,最终使金属凸点33融化形成焊接。
在一实施方式中,以环形金属凸点的外径r1=50um,内径r2=30um,厚度h=20um为例,计算融化金属凸点所需热量及磁通量变化率。
首先,利用公式R=ρL/S计算环形导体的电阻,其中,R为电阻、S为截面积、L为长度、ρ为电阻率。
L=2π[(r1+r2)/2]=2*3.14*[(50um+30um)/2]/1000000m=2.512*10-4m
S=(r1-r2)*h=(50um-30um)*10-6m*20*10-6m=4*10-10m2
R=1.1*×10-7(Ω*m)*2.512*10-4m/(4*10-10m2)≈0.069Ω
其次,计算要产生足够融化金属凸点的热量,假设时间为60s,从室温20摄氏度度升温至240摄氏度,使用公式:Q=C*m*▽t+m*熔化潜热,计算所需热量,其中,C为比热容,m为质量,▽t为温度差。
m=ρV=ρS*L=7.28*103kg/m3*2.512*10-4m*4*10-10m2≈7.3110-10kg
Q=C*m*▽t+m*熔化潜热
=0.22kj/kg*7.31*10-10kg*(240℃-20℃)+7.31*10-10kg*59.36kj/kg
=3.538*10-8J+4.339*10-8J
=7.8773*10-8J
根据法拉第电磁感应定律:E=nΔΦ/Δt(普适公式)其中,E:感应电动势(V),n:感应线圈匝数,ΔΦ/Δt:磁通量的变化率。在该实施方式中n=1。
假设吸热效率为0.6,即60%产生的热被金属凸点吸收用于升温,根据电能内能转换公式:Q=(E2/R)*t=(ΔΦ/Δt)2*t/R,其中,E为感应电动势,即电压,结合融化所需热量,得出:
0.6*(ΔΦ/Δt)2*60s/0.069Ω=7.8773*10-8J
ΔΦ/Δt=1.22*10-5V电流为1.22*10-5V/0.069Ω=1.77*10-4A
目前工业用的交变磁场发生器ΔΦ/Δt可以轻松达到1KV以上,因此,本申请所提供的方法是可行的。根据金属凸点的形状大小,可以适应性调整交变磁场的磁通量变化率为0.5*10-5V~2.0*10-5V。
在一实施方式中,为提高焊接的可靠性,在将芯片与基板贴装前可以通过浸泡、印刷涂覆或喷涂的方式在金属凸点上形成助焊剂层。还可以在焊接过程中对芯片施加压力,以压合芯片与基板,提高焊接的稳定性。在其他实施方式中,还可以将助焊剂涂覆在基板侧的焊盘上。
通过这种方式,不仅能够提高加热效率,还可以减小加热设备,如现有的风回流炉需要数米的长度来完成焊接,产生交变磁场的设备占用更少占地面积,可以有更小的炉膛,减少能耗以及保护性气体(如防氧化的N2)的用量。
请参阅图5,图5是本申请倒装芯片第一实施方式的结构示意图。本申请还提供一种倒装芯片50,该倒装芯片50在制备过程中利用上述的焊接方法制得,具体焊接过程请参阅上述实施方式的描述,在此不再赘述。
以上方案,本申请所提供的倒装芯片的焊接方法,利用电磁感应原理,使芯片上的金属凸点在交变磁场中感应电流,并利用感应电流的热效应使金属凸点融化形成焊接。通过这种方式,焊接过程中,加热升温过程迅速,所用时间短;并且只在预定位置产生电流来加热,节约大量能源。同时还可以减小加热设备,占用更少占地面积,可以有更小的炉膛,减少能耗以及保护性气体(如防氧化的氮气)的用量。
以上所述仅为本申请的实施方式,并非因此限制本申请的专利范围,凡是利用本申请说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换,或直接或间接运用在其他相关的技术领域,均同理包括在本申请的专利保护范围内。

Claims (9)

1.一种倒装芯片的焊接方法,其特征在于,所述方法包括:
提供设置有金属凸点的芯片,其中,所述金属凸点能够在交变磁场作用下产生感应电流;
将所述芯片倒装于基板上;
将贴装后的芯片与基板置于交变磁场中,以使所述金属凸点内产生感应电流,并利用所述感应电流的热效应使所述金属凸点融化形成焊接;所述金属凸点为环形凸点。
2.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述环形凸点的外径为40~60μm,内径为20~40μm,厚度为10~30μm。
3.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述金属凸点为环形焊锡凸点。
4.根据权利要求3所述的方法,其特征在于,所述提供设置有金属凸点的芯片包括:在所述芯片的底层金属上蚀刻形成环形图样,电镀锡形成所述环形焊锡凸点。
5.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述交变磁场的磁通量变化率为0.5*10-5V~2.0*10-5V。
6.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述将芯片倒装于基板上之前还包括:在所述金属凸点上形成助焊剂层。
7.根据权利要求6所述的方法,其特征在于,所述在金属凸点上形成助焊剂层包括:通过浸泡、印刷涂覆或喷涂的方式形成所述助焊剂层。
8.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述方法还包括:在形成焊接的过程中对所述芯片施加压力,以压合所述芯片与基板。
9.一种倒装芯片,其特征在于,所述倒装芯片通过如权利要求1~8任一项所述的倒装芯片的焊接方法焊接所得。
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