CN115424947B - 一种半导体芯片贴片工艺及设备 - Google Patents

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Abstract

本申请涉及半导体封装的技术领域，尤其是涉及一种半导体芯片贴片工艺及设备。该一种半导体芯片贴片工艺，先将导电胶涂覆或点滴在基板的基岛上，再将背面镀有金属层的晶片吸取并放置到基岛上，使得金属层与导电胶接触，最后将晶片和基板一起加热至预设的固化温度，使得导电胶固化将晶片和基岛粘结，固化温度小于200℃。本申请提供的一种半导体芯片贴片工艺，相比于传统贴片工艺，大大降低了贴片所需温度，改善了芯片产品因材料热膨胀系数的差异产生的易分层问题，减少了高温对芯片的热损伤，有利于获得性能更加优异的产品并提高生产效率。

Description

一种半导体芯片贴片工艺及设备
技术领域
本申请涉及半导体封装的技术领域，尤其是涉及一种半导体芯片贴片工艺及设备。
背景技术
随着半导体技术的发展，半导体在集成电路、消费电子、通信系统、光伏发电、照明、大功率电源转换等领域被广泛应用。大部分的电子产品，如计算机、移动电话、打印机或是电动汽车等都和半导体有着极为密切的关联。半导体材料需要被制作成芯片等半导体元件，才能在各电子产品中发挥其作用，而芯片的制作成型都需要经历封装过程。
半导体封装是指将通过测试的晶圆按照产品型号及功能需求加工得到独立芯片的过程。封装过程为：来自晶圆前道工艺的晶圆通过划片工艺后被切割为晶片，然后将切割好的晶片贴装到相应基板的基岛上，再利用超细的金属导线或者导电性树脂将晶片的接合焊盘与基板的引脚连接,再将晶片、基板以及部分引脚用树脂等封装保护，封装完成后进行产品测试，最后入库出货。在封装过程中，将晶片贴装到基板上的步骤是尤为重要的一步，对芯片的电学性能和散热性能都影响极大。
晶片的贴装一般采用共晶工艺，将背面镀有金属层（金属层可以为Au、Sn等）的晶片金属层朝下放置到基板的基岛（基岛为金属基岛或表面镀有金属的基岛）上，高温加热，利用共晶反应使得晶片与基岛固化粘结。共晶贴片的方式可靠性较高、热阻较低，但同时共晶贴片方式所需的温度也较高（280-450℃），且生产效率低、不适于高速自动化生产。
发明内容
第一方面，为了改善上述背景技术中提出的共晶贴片所需温度高、生产效率低的的问题，本申请提供一种半导体芯片贴片工艺。
本申请提供的一种半导体芯片贴片工艺采用如下的技术方案：
一种半导体芯片贴片工艺，包括以下步骤：
S1:将导电胶涂覆或点滴在基板的基岛上；
S2:将背面镀有金属层的晶片吸取并放置到所述基岛上，使得所述金属层与所述导电胶接触；
S3:将所述晶片和所述基板一起加热至预设的固化温度，使得所述导电胶固化将所述晶片和所述基岛粘结，所述固化温度小于200℃。
通过采用上述技术方案，利用导电胶固化将晶片贴装到基岛上，所需的固化温度小于200℃，远低于共晶贴片所需的温度（280-450℃），减小了过高的温度对晶片和基板造成热损伤的可能；由于晶片和基板材质的热膨胀系数有着较大差异，在温度变化发生热胀冷缩时，晶片和基板内部存在一定应力，容易使得晶片和基板容易发生变形翘曲的情况，导致芯片分层、晶片在基板上的附着力降低，因此更低的工艺温度有利于改善因晶片和基板的热膨胀系数差异导致的芯片分层现象，有利于提高产品质量，也有利于节约加热成本并提高生产效率。较低的温度所需的固化时间较长，固化粘结的牢固性稍差，适用于不便高温处理的芯片，较高的温度所需的固化时间较短，有利于提高生产效率。
晶片与基板的粘结主要是依靠导电胶的胶黏作用，导电胶对二者的粘结牢固、可靠性高，有利于解决小芯片的推力不足风险；导电胶中的导电物质在晶片和基板之间形成导电通路，有助于保证芯片正常的电学性能；在被切割好的晶片的背面镀上金属层，可使得晶片与基岛之间的导电和导热性能大大提高，有利于获得性能更加优良的芯片产品。
优选的，所述导电胶为导电银胶。
通过采用上述技术方案，导电银胶中的银粉具有优良的导电性能，能够保证晶片、金属层与基板之间的电流流通，也使得电流流过时的热效应较小，有利于减少对芯片的热损伤，同时银粉还具有良好的导热性能，能够快速将热量传导并散发。
优选的，S3步骤中所述导电银胶固化后在所述晶片和所述基岛之间形成粘结胶层，所述粘结胶层的厚度为5-25μm。
通过采用上述技术方案，粘结胶层的厚度为5-25μm时，导电银胶的粘结效果较好且粘接胶层的电阻不会太大；若粘结胶层的厚度过小，即导电银胶的用量较小，会导致晶片在基岛上的附着力不足，粘结不牢固，极大地影响了芯片的产品质量；若粘结胶层的厚度过大，会使得粘结胶层的电阻较大，电流通过时的热效应相应变大，对芯片的热损伤也更为严重。
优选的，S1步骤中导电胶的涂覆或点滴方式为一点式、十字式、圆圈式或全涂式。
通过采用上述技术方案，一点式操作简单，适合小微型芯片，十字式、圆圈式也较为简单，涂布范围更大，适合稍大的芯片，全涂式则使得晶片和基岛的粘结更为牢固，适用于对粘结牢固性有较高要求的芯片。
优选的，S2步骤中所述金属层为Sn层、Au层、V+Ni+AuGeSb+Ag复合层或Ti+Ni+Ag+Sn复合层。
通过采用上述技术方案，Sn层作为晶片和导电银胶之间的过渡层，有利于提高芯片的导热和导电性能；锡金属层若采用共晶贴片方式，所需的温度为280-320℃，而采用导电胶贴片的方式所需的固化温度小于200℃，有利于改善芯片分层现象并提高生产效率。
Au金属层的导电性能和导热性能都很优良，有利于改善芯片的电热性能；V+Ni+AuGeSb+Ag组成复合金属层，V层与硅晶片浸润性好，热膨胀系数相近，适于作为硅晶片的直接接触层，Ni层作为过渡层，AuGeSb层和Ag层具有良好的导电性和导热性，可作为导电胶的直接接触层，V+Ni+AuGeSb+Ag组成的复合金属层与晶片粘接性良好，并且具有优异的导电导热能力；Ti+Ni+Ag+Sn组成复合金属层，Ti层与硅晶片热膨胀系数相近且浸润性好，作为硅晶片的直接接触层，Ni层作为过渡层，Ag层和Sn层热膨胀系数接近，且导电和导热性能良好；Au、V+Ni+AuGeSb+Ag和Ti+Ni+Ag+Sn金属层若采用共晶贴片方式，需要加热到420-450℃才能达到较好的粘结效果，而采用导电胶贴片的方式所需的固化温度小于200℃，大大降低了加热温度，有利于改善芯片分层现象、减少热损伤，有利于提高产品质量和生产效率。
优选的，所述吸取方式采用真空吸附。
通过采用上述技术方案，能够将晶片快速吸附并放置到基岛上，在实际生产中容易实现，有利于芯片封装工艺的自动化发展。
优选的，真空吸附采用橡胶吸嘴或电木吸嘴。
通过采用上述技术方案，用导电胶贴装芯片的方式所需的固化温度相比于共晶方式较低，对橡胶吸嘴和电木吸嘴的损耗小，橡胶吸嘴和电木吸嘴具有耐高温、防静电的优点，有利于延长吸嘴的使用寿命。
优选的，S3步骤中加热时所述晶片、所述基岛和所述导电胶处于保护气氛中。
通过采用上述技术方案，晶片背面的金属层、导电胶中的金属导电物质和基岛上的金属物质都有可能在高温下被氧化，从而对芯片质量产生影响，保护气体的存在则使得氧化不易发生。
第二方面，本申请提供一种半导体芯片贴片设备。
本申请提供的一种半导体芯片贴片设备采用如下的技术方案：
一种半导体芯片贴片设备，包括机架、点胶机构和贴片机构，所述机架上设置有工作台和运动机构，所述运动机构与所述点胶机构以及所述贴片机构固定连接，所述点胶机构和所述贴片机构位于所述工作台的上方；所述点胶机构包括固定盘、步进电机和多个点胶头，多个所述点胶头在圆周上等距地设置于所述固定盘上，所述步进电机的输出轴固定连接于所述固定盘的中心，所述步进电机的输出轴与竖直方向之间存在夹角，所述步进电机和所述点胶头位于所述固定盘的相对两侧；所述固定盘上设置有储胶筒，所述储胶筒与所述点胶头连通。
通过采用上述技术方案，运动机构可辅助点胶机构和贴片机构移动并进行点胶和贴片操作，步进电机可调节固定盘，选择进行点胶操作的点胶头，实现了对出胶口形状和尺寸不同的点胶头的选择，以满足不同尺寸芯片的贴片需求，提高设备的适用性。
优选的，所述贴片机构包括吸嘴和悬臂，所述吸嘴设置于所述悬臂上，所述悬臂安装在所述运动机构上，所述吸嘴连接于真空发生装置。
通过采用上述技术方案，吸嘴可采用真空吸附的方式吸取晶片，并在运动机构的辅助下将晶片放置到基板上。
综上所述，与相关技术相比，本发明具有以下有益效果：
1.本发明采用导电胶贴片的工艺，相比于共晶贴片工艺，大大降低了贴片所需温度，改善了芯片产品因材料热膨胀系数的差异产生的易分层问题，减少了高温对芯片的热损伤，有利于获得性能更加优异的产品并提高生产效率。
2.本发明中的工艺可用于较大型芯片的贴装，由于热胀冷缩产生的应力会使得由共晶贴片制得的芯片易分层和开裂，芯片的面积越大芯片和各层材料之间越易产生较大缝隙，进而使得各层材料之间的接触热阻变大，在工作时容易造成局部过热和热损伤，而采用导电胶贴装的方式主要是利用导电胶的胶黏作用，导电胶具有一定流动性，可减小各层材料之间的缝隙，进而减小各层材料之间的接触热阻，提高芯片内部的导热性能。
3.本发明使用导电胶粘结晶片和基岛，粘结稳定牢固，可靠性高，有利于解决小芯片推力不足的风险，提高芯片的产品质量。
4.本发明利用步进电机驱动固定盘转动，可实现对出胶口形状和尺寸不同的点胶头的选择，以满足不同尺寸芯片的贴片需求，提高设备的适用性。
附图说明
图1是贴片设备的整体结构示意图。
图2是贴片设备突出点胶机构的部分结构示意图。
图3是图1中A部分的局部放大图。
图4是图2中B部分的局部放大图。
图5 是贴片设备几种点胶头的出胶口形状示意图。
图6是半导体芯片贴片工艺流程图。
图7（a）是经半导体芯片贴片工艺得到的贴装完毕的芯片结构俯视图。
图7（b）是经半导体芯片贴片工艺得到的贴装完毕的芯片结构侧视图。
附图标记说明：
1、机架；2、工作台；21、供料区；22、贴片区；3、运动机构；31、x向运动组件；311、龙门架；312、第二滑轨；313、第二滑块；314、第二电机；315、第二丝杆；316、支撑架；32、y向运动组件；321、第一滑轨；322、第一滑块；323、第一电机；324、第一丝杆；33、z向运动组件；331、气缸座；332、导杆；333、滑台；334、固定台；4、贴片机构；41、吸嘴；42、悬臂；5、点胶机构；51、固定盘；52、安装座；53、步进电机；54、连接臂；55、点胶头；551、胶嘴；5511、出胶口；56、储胶筒；
100、基板；200、基岛；300、晶片；400、Sn层；500、粘结胶层。
具体实施方式
以下结合说明书附图对本申请作进一步详细说明。
实施例1
参照图1，本申请实施例1公开了一种半导体芯片贴片设备，包括机架1、工作台2、运动机构3、控制模块、点胶机构5和贴片机构4。
参照图1，机架1作为支撑主体和安装基体，位于贴片设备的下部。工作台2安装在机架1上表面上，提供进行点胶和贴片工艺的操作区域。运动机构3包括x向运动组件31、y向运动组件32和z向运动组件33，x向运动组件31、y向运动组件32和z向运动组件33均电连接于控制模块，控制模块使得三者分别驱使点胶机构5以及贴片机构4在x轴、y轴和z轴方向上移动。点胶机构5安装在z向运动组件33上，用于在基板100的基岛200上涂覆或点滴导电胶。贴片机构4也安装在z向运动组件33上，用于将晶片300移动并放置到基岛200上实现贴片。
参照图2，工作台2的表面为光滑洁净的平面，工作台2上设置有供料区21和贴片区22。供料区21可放置承装盒，承装盒内装有待贴片的背面镀有金属层的晶片300。贴片区22用于放置成批规则排列的基板100，贴片区22平行地设置在供料区21的附近，便于贴片机构4将晶片300从供料区21移动到贴片区22进行贴装。
参照图1和图3，y向运动组件32有两个，两个y向运动组件32平行地安装在机架1上表面，且两个y向运动组件32分别位于工作台2的相对两侧。y向运动组件32包括第一滑轨321、第一滑块322、第一电机323以及第一丝杆324，第一滑轨321固定焊接在机架1上，第一滑轨321与机架1的宽度方向平行。第一滑块322与第一滑轨321滑动配合，第一电机323的输出轴同轴固定连接于第一丝杆324，第一丝杆324与第一滑块322螺纹连接，使得第一电机323能够带动第一丝杆324转动，进而带动第一滑块322在第一滑轨321上沿y轴方向滑动。
参照图2，x向运动组件31固定在y向运动组件32的上方，x向运动组件31包括平行于机架1长度方向的龙门架311，龙门架311的端部通过螺栓固定连接在第一滑块322上，使得龙门架311与第一滑轨321处于相互垂直状态。龙门架311的长度方向安装有第二滑轨312，第二滑轨312上设置有与之滑动配合的第二滑块313。龙门架311上还安装有第二电机314和第二丝杆315，第二电机314的输出轴与第二丝杆315同轴固定连接，第二丝杆315与第二滑块313螺纹连接。第二电机314的输出轴转动能够驱动第二丝杆315发生转动，从而驱动第二滑块313在第二滑轨312上沿x轴方向滑动。第二滑块313上安装有竖直的支撑架316，z向运动组件33固定在支撑架316上。
参照图2，z向运动组件33为滑台气缸，滑台气缸包括气缸座331、导杆332、滑台333以及固定台334。气缸座331有两个，分别固定安装在支撑架316一侧面的两端，两个气缸座331位于同一竖直线上。导杆332的两端分别固定于两个气缸座331上，滑台333套设于导杆332外并与导杆332滑动连接。固定台334安装在滑台333上，并从滑台333延伸到工作台2的上方。点胶机构5和贴片机构4均安装在固定台334上，滑台333沿着导杆332在竖直方向上进行升降运动，带固定台334运动，以实现点胶机构5和贴片机构4的升降运动。
参照图2，点胶机构5包括固定盘51、安装座52、步进电机53、连接臂54、点胶头55和储胶筒56。连接臂54安装在固定台334上，安装座52与连接臂54通过螺栓固定，步进电机53设置在安装座52上，步进电机53的输出轴穿过安装座52并与固定盘51固定连接，步进电机53的输出轴与安装座52可发生相对转动。固定盘51为圆柱形，固定盘51的中轴线与电机输出轴的中轴线在同一直线上，并且固定盘51的中轴线与竖直方向之间存在夹角α。点胶头55为圆柱形且有多个，点胶头55的上端螺纹连接于固定盘51，电机和点胶头55位于固定盘51的相对两侧。在本实施例中，点胶头55的数量为四个，在其他实施例中，点胶头55的数量可以根据实际需求设置为两个、三个、五个、六个、七个、八个、九个、十个等。
参照图2和图4，四个点胶头55在固定盘51的底面圆周上等距地设置，并且四个点胶头55成放射状分布，点胶头55的中轴线与固定盘51的中轴线之间存在夹角β，夹角α的角度和夹角β的角度相等，使得通过步进电机53可以调节使一个点胶头55处于竖直方向上，而另外三个点胶头55不会处于竖直方向上，便于根据实际作业情况选择适合的点胶头55。点胶头55远离固定盘51的一端设置有胶嘴551，胶嘴551远离固定盘51的一端开设有出胶口5511。
参照图5，四个点胶头55的出胶口5511可以制作成不同形状，例如圆形(a)、三角形(b)、圆圈形(c)、十字形(d)等，四个点胶头55的出胶口5511也可以制作成不同尺寸，便于适用在不同的晶片300点胶过程中。对于尺寸较小的晶片300，可使用出胶口5511较小且为圆形的出胶头进行点胶，有利于节约导电胶并且不易出现溢胶现象。对于尺寸较大的晶片300，可使用出胶口5511为十字形或圆圈形的点胶头55，也可以使用出胶口5511的尺寸较大的点胶头55，便于将导电胶涂覆在更大的范围内，进而使得晶片300的边缘能够被更牢固地粘结在基板100上。
参照图2，固定盘51远离点胶头55的一端开设有安装槽，储胶筒56嵌设在安装槽中，储胶筒56的数量与与点胶头55的数量相同，储胶筒56与对应点胶头55之间设置有胶阀，储胶筒56还外连有高压装置。储胶筒56内的导电胶在高压作用下通过胶阀流动到点胶头55处，并从出胶口5511流出。步进电机53电连接于控制模块，通过控制模块可控制步进电机53正转或反转一定角度，而不是一直沿同一个方向转动，有利于避免储胶筒56与高压装置之间的连接管路在转动时发生变形而影响储胶筒56内的高压环境。步进电机53转动带动固定盘51转动，进而使得所需的点胶头55转动到处于竖直方向的状态，此时通过z向运动组件33的调节，点胶头55便能够进行竖直方向上的点胶操作。
参照图2，贴片机构4包括吸嘴41和悬臂42，吸嘴41安装在悬臂42上，悬臂42与固定台334通过焊接、螺栓等方式固定连接。吸嘴41连接于真空发生装置，使得吸嘴41能够通过真空吸附的方式快速吸取晶片300并将晶片300平稳地移动到基板100上，有利于提高生产效率。吸嘴41为橡胶吸嘴或电木吸嘴，用导电胶贴装芯片的方式所需的固化温度相比于共晶方式较低，对橡胶吸嘴和电木吸嘴的损耗小，橡胶吸嘴和电木吸嘴具有耐高温、防静电的优点，有利于延长吸嘴41的使用寿命。
此外，滑台333上还可安装红外线定位仪或CCD自动定位器，用于确定基岛200的位置，提高点胶和贴片的位置精度。
本实施例1的实施原理为：利用x向运动组件31、y向运动组件32和z向运动组件33驱动点胶机构5以及贴片机构4在x轴、y轴和z轴方向上移动，进行点胶和贴片工序。利用步进电机53驱动固定盘51转动，从而实现对出胶口5511形状和尺寸不同的点胶头55的选择，满足不同尺寸芯片的贴片需求，提高设备的适用性。
实施例2
参照图6，基于实施例1中公开的一种半导体芯片贴片设备，本申请实施例2公开了一种半导体芯片贴片工艺，包括以下步骤：
首先，用传送带等运输装置将成批规则排列的基板100运送到工作台2的贴片区22，并在供料区21放置承装盒，承装盒内装有背面镀有Sn层400的晶片300，晶片300有序地排列在承装盒内，Sn层400朝下放置。基板100作为晶片300的固定基体，基板100的中部设置有基岛200，晶片300需要被贴装在基岛200上，最终基岛200也会跟随晶片300一起被封装成为芯片产品的一部分。
S1:控制x向运动组件31和y向运动组件32的运动，并通过CCD自动定位器确定基岛200的位置，使得点胶机构5移动至贴片区22上方的合适位置。通过控制步进电机53正转或反转选择所需的点胶头55，使得点胶头55处于竖直方向上。再通过控制z向运动组件33带动点胶头55上下移动，将导电银胶点滴在基岛200上。选用出胶口5511为圆形的点胶头55，可进行操作简单、适合小微型芯片的一点式点滴；选用出胶口5511为圆形、十字形的点胶头55，点滴操作简单，导电银胶的涂布范围更大，适合稍大的芯片；还可通过控制x向运动组件31横向移动，使得导电银胶能够被涂覆在基岛200上，晶片300和基岛200的粘结更为牢固，适用于对尺寸较大的晶片300进行贴装。
S2:在将导电银胶涂覆或点滴在基岛200上后，控制x向运动组件31横向运动使得贴片机构4移动至供料区21的上方，再控制z向运动组件33带动吸嘴41吸取晶片300，然后再控制x向运动组件31横向运动至贴片区22的上方，在z向运动组件33的带动下吸嘴41将晶片300放置到基岛200上涂有导电银胶的位置，使得金属层与导电胶充分接触。
S3:由于导电银胶材质较软，晶片300并没有完全固定在基岛200上，因此还需要对导电银胶进行加热处理使其固化。将贴装好晶片300的基板100送入烘烤炉中进行银胶固化工序，固化时用氮气进行保护。设置烘烤程序为：常温加热至80℃（1min），80℃恒温10min，80℃加热至175℃（1min），175℃恒温1h，175℃降温至90℃（30min）。氮气流量控制在30-50LPM范围内。
参照图7（a）和图7（b），经过银胶固化工序后，晶片300与基岛200之间形成粘结胶层500，粘结胶层500的厚度为15μm，具有较好的粘结力和导电导热性能。完成银胶固化工序后，可将晶片300和基板100一起送入下一步的焊线工序，继续完成封装。
本实施例2的实施原理为：利用导电银胶固化将晶片300贴装到基岛200上，极大地降低了贴片所需的温度，减小了过高的温度对晶片300和基板100造成热损伤的可能，改善了因晶片300和基板100的热膨胀系数差异导致的芯片分层现象，有利于提高产品质量，也有利于节约加热成本并提高生产效率。
以上均为本申请的较佳实施例，并非依此限制本申请的保护范围，故：凡依本申请的结构、形状、原理所做的等效变化，均应涵盖于本申请的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种半导体芯片贴片设备，其特征在于：包括机架(1)、点胶机构(5)和贴片机构(4)，所述机架(1)上设置有工作台(2)和运动机构(3)，所述运动机构(3)与所述点胶机构(5)以及所述贴片机构(4)固定连接，所述点胶机构(5)和所述贴片机构(4)位于所述工作台(2)的上方；所述点胶机构(5)包括固定盘(51)、步进电机(53)和多个点胶头(55)，多个所述点胶头(55)在圆周上等距地设置于所述固定盘(51)上，所述步进电机(53)的输出轴固定连接于所述固定盘(51)的中心，所述步进电机(53)的输出轴与竖直方向之间存在夹角，所述步进电机(53)和所述点胶头(55)位于所述固定盘(51)的相对两侧；所述固定盘(51)上设置有储胶筒(56)，所述储胶筒(56)与所述点胶头(55)连通；所述点胶机构(5)利用导电胶固化将背面镀有金属层的晶片贴装到基板（100）的基岛（300）上，且固化温度小于 200℃。
2.根据权利要求1所述的一种半导体芯片贴片设备，其特征在于：所述贴片机构(4)包括吸嘴(41)和悬臂(42)，所述吸嘴(41)设置于所述悬臂(42)上，所述悬臂(42)安装在所述运动机构(3)上，所述吸嘴(41)连接于真空发生装置。
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