DE102014106714A1

DE102014106714A1 - Bolzenkontakthügel und Packungsstruktur desselben sowie Verfahren zur Herstellung derselben

Info

Publication number: DE102014106714A1
Application number: DE102014106714.2A
Authority: DE
Inventors: Tung-Han Chuang; Hsing-Hua TSAI; Jun-Der LEE
Original assignee: WIRE Tech CO Ltd
Current assignee: WIRE Tech CO Ltd
Priority date: 2014-01-03
Filing date: 2014-05-13
Publication date: 2015-07-09
Anticipated expiration: 2034-05-14
Also published as: US20150194409A1; JP2015130502A; CN104766849B; US9425168B2; JP6050308B2; CN104766849A; KR20150081223A; TWI538762B; DE102014106714B4; TW201527029A

Abstract

Es werden eine Kontakthügelstruktur, eine Packungsstruktur derselben und ein Verfahren zur Herstellung dieser Packungsstruktur geschaffen. Die Kontakthügelstruktur umfasst einen ersten Chip (202), und einen Silberlegierungs-Bolzenkontakthügel (208), der auf dem ersten Chip (202) angeordnet ist, wobei der Chipauflage-Silberlegierungs-Bolzenkontakthügel (208) Pd zu 0,1 bis 10 Gewichts-% enthält, mit Ag als Ausgleichsmaterial. Die Packungsstruktur umfasst ferner ein Substrat (616) mit einem Substratauflage-Bondkontaktblock (618), der elektrisch mit dem Chipauflage-Silberlegierungs-Bolzenkontakthügel (208) durch Flip-Chip-Bonding verbunden ist.

Description

QUERVERWEIS ZU VERWANDTEN ANMELDUNGEN
Die vorliegende Anmeldung beansprucht die Priorität der taiwanesischen Patentanmeldung Nr. 103100145 , eingereicht am 03. Januar 2014, die in diese Anmeldung in ihrer Gesamtheit durch Bezugnahme eingeschlossen wird.
ERFINDUNGSHINTERGRUND
Erfindungsgebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Bolzenkontakthügelstruktur, eine Packungsstruktur derselben und ein Verfahren zur Herstellung der Packungsstruktur, und insbesondere eine Silberlegierungs-Bolzenkontakthügelstruktur, eine Packungsstruktur derselben und ein Verfahren zur Herstellung der Packungsstruktur.
Beschreibung des Standes der Technik
Die Vorteile einer Flip-Chip-Anordnung können darin liegen, dass viele Verbindungspunkte vorhanden sind, die Abstände zwischen jeweiligen Verbindungspunkten klein sind, die Packungsflächen klein sind, die Leistung bei hohen Frequenzen gut ist, die Zuverlässigkeit hoch ist und eine gute Widerstandsfähigkeit gegen elektromagnetische Interferenzen gewährleistet wird. Daher wurden Flip-Chip-Anordnungen verbreitet in Packungsprozessen für elektronische Bauteile eingesetzt, wie etwa in integrierten Schaltkreisen (ICs) oder Licht emittierenden Dioden (LEDs). Die Herstellung und Verpackung eines Kontakthügels spielen eine wichtige Rolle in dem Prozess der Flip-Chip-Anordnung. Die meisten der Flip-Chip-Hügel werden aus Lötmetall-Legierungen hergestellt, wie etwa Sn-37PB, Sn-9Zn, Sn-0.7Cu, Sn-3.5Ag, Sn-511n, Sn-58Bi, Sn-3-Ag-0.5Cu, Sn-9Zn-3Bi oder dergleichen. Verfahren zur Herstellung eines Lötmetallkontakthügels können Galvanisierung und Schablonendruck umfassen. Das Herstellen eines Lötmetallkontakthügels durch Galvanisieren ist jedoch gewöhnlich umweltschädlich, und seine spezifische Legierungszusammensetzung ist gewöhnlich schwer zu steuern. Ferner ist es darüber hinaus schwierig, eine geeignete Galvanisierungslösung und einen Galvanisierungsprozess zur Bildung eines Pb-freien Lötmetallkontakthügels zu finden. Falls beispielsweise ein Kontakthügel aus einer Legierung wie etwas Sn-3.5Ag, Sn-0.7Cu oder Ag-0.5Cu gebildet werden soll, ist die Zusammensetzung der Legierung gewöhnlich schwer zu steuern. Falls ein Lötmetallkontakthügel aus einer Legierung wie etwa Sn-51In, Sn-58Bi oder Sn-9Zn-Bi gebildet werden soll, ist es gewöhnlich sehr schwierig, eine geeignete Galvanisierungslösung zu finden.
Daher ist heute der Schablonendruck von Lötpaste ein wichtiges Verfahren in Flip-Chip-Packungsprozessen geworden. Ein Schlüsselmaterial für Flip-Chip-Lötpaste ist ein Lötpulver. Im allgemeinen beträgt die Partikelgröße (Durchmesser) eines Lötpulvers in einer Oberflächentechnik (SMT) zwischen 30 μm und 50 μm, wobei das Lötpulver dieser Größe leichter herzustellen ist. Da jedoch die Größe eines Flip-Chip-Kontakthügels gewöhnlich kleiner ist als 120 μm, muss die Größe des Lötpulvers kleiner sein als 10 μm und Lötpulver mit einer derart kleinen Größe ist sehr schwer herzustellen. Wenn ferner die Größe des Flip-Chip-Kontakthügels auf weniger als 100 μm verkleinert ist, oder sogar auf 50 μm, kann jeder Hügel lediglich einige Lötkörner enthalten, selbst wenn die Größe des Lötpulvers kleiner ist als 10 μm. Daher tritt die Schwierigkeit einer Koplanarität verstärkt nach einem Rückflussprozess auf. Andere Probleme bei der Herstellung eines Flip-Chip-Kontakthügels durch Lötpaste umfasst Löcher, die durch Fluss nach einem Rückflussprozess gebildet werden, und Herstellungsfehler beim Schablonendruck, die stark zunehmen, wenn der Abstand zwischen jedem Verbindungspunkt kleiner ist als 100 μm.
Ein elektrogalvanisierter Goldkontakthügel oder Goldbolzenkontakthügel, der durch Gold verbinden unter Verwendung eines Golddrahtes durchgeführt werden, kann auch als Flip-Chip-Kontakthügel zur elektrischen Verbindung verwendet werden. Es tritt jedoch das Problem einer Brüchigkeit einer Verbindungsfläche aufgrund einer schnellen Bindung der Zwischenmetallverbindungen auf, wenn entweder der elektrogalvanisierte Goldkontakthügel oder der Goldbolzenkontakthügel als Flip-Chip-Kontakthügel verwendet werden. Falls ferner konventionelle Löttechniken zur Montage des Substrats mit einem elektrogalvanisierten Goldkontakthügel oder Goldbolzenkontakthügel verwendet werden, wird eine große Menge Gold von dem elektrogalvanisierten Goldkontakthügel oder Goldbolzenkontakthügel in das Lötmaterial diffundieren und eine große Menge brüchiger AuSn₄-Zwischenmetallverbindungen wird aufgrund der extrem schnellen Diffusion von Gold in das Lötmittel gebildet. Dies führt dazu, das Kleben unter Verwendung eines elektrischen leitenden Klebstoffs gewöhnlich der einzige Weg ist, einen Chip und ein Substrat durch den elektrogalvanisierten Goldkontakthügel oder Goldbolzenkontakthügel zu verbinden. Einer der Nachteile der Klebeverbindung ist die Tatsache, dass die elektrische Leitfähigkeit schlechter ist als bei einer Lötbindung. Ferner werden zwei große Vorteile der Lötbindung, nämlich Selbstausrichtung und Nacharbeitbarkeit, nicht länger gewährleistet, wenn eine Klebstoffbindung verwendet wird. Ferner sind ein elektrogalvanisierter Goldkontakthügel oder Goldbolzenkontakthügel beide kostspielig bei der Herstellung und bezüglich der Materialkosten.
Deshalb werden in der Industrie bei der Herstellung elektronischer Packungen ein elektrogalvanisierter Kupferkontakthügel oder eine Kupfersäule oder ein Kupferbolzenkontakthügel, hergestellt durch eine Kupferbindung unter Verwendung eines Kupferdrahtes, als ein alternatives Material zur Verwendung in dem Lötverbindungsprozess in Betracht gezogen. Die Probleme einer fließenden Verbindung an Verbindungsflächen aufgrund einer langsamen Bildung der Zwischenmetallverbindungen kann jedoch potentiell auftreten, wenn ein elektrogalvanisierter Kupferkontakthügel, eine elektrogalvanisierte Kupfersäule oder ein Kupferbolzenkontakthügel als Flip-Chip-Kontakthügel verwendet werden. Darüber hinaus neigt Kupfer zur Oxidation und zur Korrosion, und daher ist die Zuverlässigkeit der hergestellten Packungsprodukte gering. Noch schwerwiegender ist der Umstand, dass Kupfer zu hart für die Packungstechnologie ist, und es tritt verstärkt eine Kraterbildung auf dem Chip unter der Kontaktplatte während der Herstellung der Kupferkontakthügel auf, und es tritt auch ein Problem der Koplanarität während des Zusammensetzens der Kupferkontakthügel mit dem Substrat auf. Das Problem der Koplanarität ist ferner für Packungen mit ultrafeinen Abständen und in 3D-IC-Packungen schädlich.
KURZE ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung schafft eine Bolzenkontakthügelstruktur, umfassend einen ersten Chip und einen Silberlegierungs-Bolzenkontakthügel. Der Silberlegierungs-Bolzenkontakthügel ist auf dem ersten Chip aufliegend angeordnet. Eine Zusammensetzung des Silberlegierungs-Bolzenkontakthügels ist aus der folgenden Gruppe ausgewählt: eine erste Zusammensetzung aus 0,01 bis 10 Gewichts-% Palladium und Silber als Ausgleichsmaterial; eine zweite Zusammensetzung aus 0,01 bis 10 Gewichts-% Palladium, 0,01 bis 10 Gewichts-% Platin und Silber als Ausgleichsmaterial; eine dritte Zusammensetzung aus 0,01 bis 10 Gewichts-% Palladium, 0,01 bis 10 Gewichts-% Platin, 0,01 bis 10 Gewichts-% Gold und Silber als Ausgleichsmaterial; eine vierte Zusammensetzung aus 0,01 bis 10 Gewichts-% Palladium, 10 bis 80 ppm eines Spurenmetalls und Silber als Ausgleichsmaterial, wobei das Spurenmetall zumindest eines der folgenden enthält: 10 bis 600 ppm Beryllium; 10 bis 100 ppm Cer; und 10 bis 100 ppm Lanthan; eine fünfte Zusammensetzung aus 0,01 bis 10 Gewichts-% Palladium, 0,01 bis 10 Gewichts-% Platin, 10 bis 800 ppm eines Spurenmetalls und Silber als Ausgleichsmaterial, wobei das Spurenmetall zumindest eines der folgenden enthält: 10 bis 600 ppm Beryllium; 10 bis 100 ppm Cer; und 10 bis 100 ppm Lanthan; eine sechste Zusammensetzung aus 0,01 bis 10 Gewichts-% Palladium, 0,01 bis 10 Gewichts-% Gold, 10 bis 800 ppm eines Spurenmetalls und Silber als Ausgleichsmaterial, wobei das Spurenmetall zumindest eines der folgenden enthält: 10 bis 600 ppm Beryllium, 10 bis 100 ppm Cer; und 10 bis 100 ppm Lanthan; und eine siebte Zusammensetzung aus 0,01 bis 10 Gewichts-% Palladium, 0,01 bis 10 Gewichts-% Platin, 0,01 bis 10 Gewichts-% Gold, 10 bis 800 ppm eines Spurenmetalls und Silber als Ausgleichsmaterial, wobei das Spurenmetall zumindest eines der folgenden enthält: 10 bis 600 ppm Beryllium; 10 bis 100 ppm Cer; und 10 bis 100 ppm Lanthan.
Eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung schafft eine Packungsstruktur, umfassend einen ersten Chip, einen Chipauflage-Silberlegierungs-Bolzenkontakthügel und ein Substrat. Der erste Chip umfasst einen Chipauflage-Bondkontaktblock. Der Chipauflage-Silberlegierungs-Bolzenkontakthügel wird auf dem Chipauflage-Bondkontaktblock des ersten Chips aufliegend angeordnet. Das Substrat umfasst einen Substratauflage-Bondkontaktblock, der elektrisch mit dem Chipauflage-Silberlegierungs-Bolzenkontakthügel durch Flip-Chip-Bonden mit dem ersten Chip verbunden ist. Eine Zusammensetzung des Chipauflage-Silberlegierungs-Bolzenkontakthügels ist aus der folgenden Gruppe ausgewählt: eine erste Zusammensetzung aus 0,01 bis 10 Gewichts-% Palladium und Silber als Ausgleichsmaterial; eine zweite Zusammensetzung aus 0,01 bis 10 Gewichts-% Palladium, 0,01 bis 10 Gewichts-% Platin und Silber als Ausgleichsmaterial; eine dritte Zusammensetzung aus 0,01 bis 10 Gewichts-% Palladium, 0,01 bis 10 Gewichts-% Platin, 0,01 bis 10 Gewichts-% Gold und Silber aus Ausgleichsmaterial; eine vierte Zusammensetzung aus 0,01 bis 10 Gewichts-% Palladium, 10 bis 800 ppm eines Spurenmetalls und Silber als Ausgleichsmaterial, wobei das Spurenmetall zumindest eines der folgenden enthält: 10 bis 600 ppm Beryllium; 10 bis 100 ppm Cer; und 10 bis 100 ppm Lanthan; eine fünfte Zusammensetzung aus 0,01 bis 10 Gewichts-% Palladium, 0,01 bis 10 Gewichts-% Platin, 10 bis 800 ppm eines Spurenmetalls und Silber als Ausgleichsmaterial, wobei das Spurenmetall zumindest eines der folgenden enthält: 10 bis 600 ppm Beryllium; 10 bis 100 ppm Cer; und 10 bis 100 ppm Lanthan; eine sechste Zusammensetzung aus 0,01 bis 10 Gewichts-% Palladium, 0,01 bis 10 Gewichts-% Gold, 10 bis 800 ppm eines Spurenmetalls und Silber als Ausgleichsmaterial, wobei des Spurenmetall zumindest eines folgenden enthält: 10 bis 600 ppm Beryllium; 10 bis 100 ppm Cer und 10 bis 100 ppm Lanthan; und eine siebte Zusammensetzung aus 0,01 bis 10 Gewichts-% Palladium, 0,01 bis 10 Gewichts-% Platin, 0,01 bis 10 Gewichts-% Gold, 10 bis 800 ppm eines Spurenmetalls und Silber als Ausgleichsmaterial, wobei das Spurenmetall zumindest eines der folgenden enthält: 10 bis 600 ppm Beryllium; 10 bis 100 ppm Cer; und 10 bis 100 ppm Lanthan.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung einer Packungsstruktur geschaffen. Zunächst wird Silberlegierungsdraht bereit gestellt. Anschließend wird ein Ende des Silberlegierungsdrahts geschmolzen, um eine freie Luftkugel zu bilden. Als nächstes wird die freie Luftkugel auf einen Chipauflage-Bondkontaktblock eines ersten Chips geklebt, um eine Kugelbindung zu schaffen. Ferner wird der Silberlegierungsdraht abgeschnitten, so dass die Kugelbindung auf dem Chipauflage-Bondkontaktblock verbleibt, zur Bildung eines Chipauflage-Silberlegierungs-Bolzenkontakthügels. Schließlich wird der erste Chip elektrisch mit einem Substratauflage-Bondkontaktblock eines Substrats durch den Chipauflage-Silberlegierungs-Bolzenkontakthügel unter Verwendung einer Flip-Chip-Verbindung verbunden. Darüber hinaus wird eine Zusammensetzung des Chipauflage-Silberlegierungs-Bolzenkontakthügels aus der folgenden Gruppe ausgewählt: eine erste Zusammensetzung aus 0,01 bis 10 Gewichts-% Palladium und Silber aus Ausgleichsmaterial; eine zweite Zusammensetzung aus 0,01 bis 10 Gewichts-% Palladium, 0,01 bis 10 Gewichts-% Platin und Silber als Ausgleichsmaterial; eine dritte Zusammensetzung aus 0,01 bis 10 Gewichts-% Palladium, 0,01 bis 10 Gewichts-% Platin, 0,01 bis 10 Gewichts-% Gold und Silber als Ausgleichsmaterial; eine vierte Zusammensetzung aus 0,01 bis 10 Gewichts-% Palladium, 10 bis 88 ppm eines Spurenmetalls und Silber als Ausgleichsmaterial, wobei das Spurenmetall zumindest eines der folgenden enthält: 10 bis 600 ppm Beryllium; 10 bis 100 ppm Cer; und 10 bis 100 ppm Lanthan; eine fünfte Zusammensetzung aus 0,01 bis 10 Gewichts-% Palladium, 0,01 bis 10 Gewichts-% Platin, 10 bis 800 ppm eines Spurenmetalls und Silber als Ausgleichsmaterial, wobei das Spurenmetall zumindest eines der folgenden enthält: 10 bis 600 ppm Beryllium; 10 bis 100 ppm Cer; und 10 bis 100 ppm Lanthan; eine sechste Zusammensetzung aus 0,01 bis 10 Gewichts-% Palladium, 0,01 bis 10 Gewichts-% Gold, 10 bis 800 ppm eines Spurenmetalls und Silber als Ausgleichsmaterial, wobei das Spurenmetall zumindest eines der folgenden enthält: 10 bis 600 ppm Beryllium; 10 bis 100 ppm Cer; und 10 bis 100 ppm Lanthan; und eine siebte Zusammensetzung aus 0,01 bis 10 Gewichts-% Palladium, 0,01 bis 10 Gewichts-% Platin, 0,01 bis 10 Gewichts-% Gold, 10 bis 800 ppm eines Spurenmetalls und Silber als Ausgleichsmaterial, wobei das Spurenmetall zumindest eines der folgenden enthält: 10 bis 600 ppm Beryllium; 10 bis 100 ppm Cer; und 10 bis 100 ppm Lanthan.
Es folgt eine detaillierte Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die vorliegende Erfindung wird besser anhand der folgenden detaillierten Beschreibung und der Ausführungsbeispiele mit Bezug auf die folgenden beigefügten Zeichnungen deutlich.
1 ist ein Flussdiagramm eines Herstellungsprozesses für eine Bolzenkontakthügelstruktur und eine Packungsstruktur derselben, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
2 zeigt schematisch eine Seitenansicht eines Schritts oder einer Stufe eines Herstellungsverfahrens einer Bolzenkontakthügelstruktur gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
3 zeigt schematisch eine Seitenansicht eines Schritts oder einer Stufe eines Herstellungsverfahrens einer Bolzenkontakthügelstruktur gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
4 zeigt schematisch eine Seitenansicht eines Schritts oder einer Stufe eines Herstellungsverfahrens einer Bolzenkontakthügelstruktur gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
5 zeigt schematisch eine Seitenansicht eines Schritts oder einer Stufe eines Herstellungsverfahrens einer Bolzenkontakthügelstruktur gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
6 zeigt schematisch eine Seitenansicht eines Schritts oder einer Stufe eines Herstellungsverfahrens einer Packungsstruktur unter Verwendung eines Klebstoffs gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
7 zeigt schematisch eine Seitenansicht eines Schritts oder einer Stufe eines Herstellungsverfahrens einer Packungsstruktur unter Verwendung eines Lötmaterials gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und
8 zeigt schematisch eine Seitenansicht eines Schritts oder einer Stufe eines Herstellungsverfahrens einer Verpackungsstruktur unter Verwendung von Heißpressverbinden gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Die folgende Beschreibung bezieht sich auf am besten erachtete Art und Weise zur Ausführung der Erfindung. Diese Beschreibung dient der Darstellung der allgemeinen Erfindungsprinzipien und soll nicht als beschränkend verstanden werden. Der Umfang der Erfindung wird am besten durch die beigefügten Ansprüche festgelegt.
Darüber hinaus kann die Ausbildung eines ersten Merkmals über und auf einem zweiten Merkmal im Sinne der folgenden Beschreibung Ausführungsformen umfassen, in welchen die ersten und zweiten Merkmale in unmittelbarem Kontakt ausgebildet sind und kann auch Ausführungsformen umfassen, in denen zusätzliche Merkmale zwischen den ersten und zweiten Merkmalen ausgebildet sind, derart, dass die ersten und zweiten Merkmale nicht in unmittelbarem Kontakt stehen.
In der nachfolgenden Beschreibung, welche die beanspruchten Erfindungen umfasst, bezeichnet der Ausdruck ppm die Abkürzung von „parts per million” und bezeichnet einen Gewichtsanteil eines Elements in einer Zusammensetzung eines Merkmals. Ferner kann der Ausdruck „integrierter Schaltkreis” und dessen Abkürzung, IC, aus einer beliebigen oder einer Kombination von zwei oder mehr logischen Schaltkreisen und deren Umgebungsschaltkreisen, flüchtigen Speicherschaltkreisen und deren Peripherieschaltkreisen, nicht flüchtigen Speicherschaltkreisen und deren Peripherieschaltkreisen, Licht emittierenden Elementen und deren dazugehörigen Schaltkreisen mit deren Peripherieschaltkreisen, lichtempfindliche Elemente und die damit verbundenen Schaltkreise mit deren Peripherieschaltkreisen, Bauteile mikroelektromechanischer Systeme (MEMS) und deren Schaltkreise mit deren Peripherieschaltkreisen, Testschaltkreise oder dergleichen ausgewählt sein.
1 stellt ein Flussdiagramm eines Herstellungsverfahrens einer Bolzenkontakthügelstruktur und deren Packungsstruktur gemäß einer Ausführungsform dar. In Schritt 102 wird ein Silberlegierungsdraht zur Verfügung gestellt. In Schritt 104 wird ein Ende des Silberlegierungsdrahts geschmolzen, um eine freie Luftkugel zu bilden. In Schritt 106 wird die freie Luftkugel auf einen ersten Chip geklebt, um eine Kugelbindung zu bilden. In Schritt 108 wird der Silberlegierungsdraht abgeschnitten, derart, dass die Kugelbindung auf dem ersten Chip verbleibt und einen Chipauflage-Silberlegierungs-Bolzenkontakthügel bildet. In Schritt 110 wird der erste Chip, auf welchem der Chipauflage-Silberlegierungs-Bolzenkontakthügel auf dem ersten Chip aufliegend gebildet ist, umgedreht und mit einem Substratauflage-Bondkontaktblock verbunden, der auf einem Substrat aufliegt.
2 bis 5 zeigen schematische Seitenansichten von Schritten oder Stufen eines Herstellungsverfahrens einer Bolzenkontakthügelstruktur gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
Gemäß 1 und 2 wird in Schritt 102 ein Silberlegierungsdraht 200 zur Verfügung gestellt. Ferner wird ein erster Chip 202 zur Verfügung gestellt, der einen Chipauflage-Bondkontaktblock 204 umfasst. Der Silberlegierungsdraht 200 wird oberhalb des Bondkontaktblocks 204 gezogen, die auf dem Substrat 202 aufliegt. Gemäß dieser Ausführungsform ist eine Zusammensetzung des Silberlegierungsdrahts 200 Silber mit 0,01 bis 10 Gewichts-% Palladium, das hinzugefügt ist. Alternativ kann ferner 0,01 bis 10 Gewichts-% Gold und/oder Platin zu dem Silber zusammen mit den beschriebenen 0,01 bis 10 Gewichts-% Palladium hinzugefügt werden. Optional können 10 bis 800 ppm von einer oder mehreren Mischungen aus Beryllium, Cer und Lanthan zu den beschriebenen Zusammensetzungen hinzugefügt werden. Ein Drahtdurchmesser des Silberlegierungsdrahts 200 kann zwischen 10 μm und 50 μm liegen, doch der Silberlegierungsdraht 200 kann in verschiedenen Anwendungen auch verschiedene geeignete Durchmesser aufweisen. Der erste Chip 202 kann ein geteilter einziger Halbleiterchip (d. h. ein Silizium-Chip) nach der Vervollständigung eines Herstellungsprozesses eines integrierten Schaltkreises sein, oder einer aus einer Mehrzahl ungeteilter Chips in einem Halbleiter-Wafer (d. h. einem Silizium-Wafer) nach der Vervollständigung eines Herstellungsprozesses eines integrierten Schaltkreises. Beispiele für einen Chipauflage-Bondkontaktblock 204 können in nicht beschränkender Weise umfassen: eine Kupferblock, einen Aluminiumblock, einen Goldblock, einen Silberblock, einen Nickelblock oder andere geeignete oberflächenbehandelte Blöcke.
Im einzelnen ist die Zusammensetzung des Silberlegierungsdrahts aus der folgenden Gruppe ausgewählt, bestehend aus: einer ersten Zusammensetzung aus 0,01 bis 10 Gewichts-% Palladium und Silber als Ausgleichsmaterial; einer zweiten Zusammensetzung aus 0,01 bis 10 Gewichts-% Palladium, 0,01 bis 10 Gewichts-% Platin und Silber als Ausgleichsmaterial; einer dritten Zusammensetzung aus 0,01 bis 10 Gewichts-% Palladium, 0,01 bis 10 Gewichts-% Platin, 0,01 bis 10 Gewichts-% Gold und Silber als Ausgleichsmaterial; einer vierten Zusammensetzung aus 0,01 bis 10 Gewichts-% Palladium, 10 bis 800 ppm eines Spurenmetalls und Silber als Ausgleichsmaterial, wobei das Spurenmetall zumindest eines der folgenden enthält: 10 bis 600 ppm Beryllium; 10 bis 100 ppm Cer; und 10 bis 100 ppm Lanthan; eine fünfte Zusammensetzung aus 0,01 bis 10 Gewichts-% Palladium, 0,01 bis 10 Gewichts-% Platin, 10 bis 800 ppm eines Spurenmetalls und Silber als Ausgleichsmaterial, wobei das Spurenmetall zumindest eines der folgenden enthält: 10 bis 600 ppm Beryllium; 10 bis 100 ppm Cer; und 10 bis 100 ppm Lanthan; eine sechste Zusammensetzung aus 0,01 bis 10 Gewichts-% Palladium, 0,01 bis 10 Gewichts-% Gold, 10 bis 800 ppm eines Spurenmetalls und Silber als Ausgleichsmaterial, wobei das Spurenmetall zumindest eines der folgenden enthält: 10 bis 600 ppm Beryllium; 10 bis 100 ppm Cer; und 10 bis 100 ppm Lanthan; und eine siebte Zusammensetzung aus 0,01 bis 10 Gewichts-% Palladium, 0,01 bis 10 Gewichts-% Platin, 0,01 bis 10 Gewichts-% Gold, 10 bis 800 ppm eines Spurenmetalls und Silber als Ausgleichsmaterial, wobei das Spurenmetall zumindest eines der folgenden enthält: 10 bis 600 ppm Beryllium; 10 bis 100 ppm Cer; und 10 bis 100 ppm Lanthan.
Gemäß den 1 und 3 wird ein Ende des Silberlegierungsdrahts 200 geschmolzen, um eine freie Luftkugel 206 in Schritt 104 zu bilden. Gemäß der vorliegenden Ausführungsform kann die freie Luftkugel 206 durch elektrisches Abflammen („electric flame off”, EFO) gebildet werden. Gemäß einiger Ausführungsformen kann die freie Luftkugel 206 jedoch durch andere Verfahren während eines Drahtklebevorgangs gebildet werden. Gemäß den 1 und 4 wird die freie Luftkugel 206 auf den ersten Chip 202 gebondet, um eine Kugelbindung 208 in Schritt 106 zu bilden. Gemäß der vorliegenden Ausführungsform wird die freie Luftkugel 206 auf den Chipauflage-Bondkontaktblock 204, die auf dem ersten Chip 202 aufliegt, durch Heißpressen oder Ultraschall-Heißpressen gebondet. Gemäß einiger Ausführungsformen kann die freie Luftkugel 206 auf den ersten Chip 202 zur Bildung der ersten Kugelbindung 208 durch andere Verfahren während eines Drahtbondingprozesses gebondet werden.
Gemäß den 1 und 5 wird der Silberlegierungsdraht 200 in Schritt 108 abgeschnitten, so dass die erste Kugelbindung 208 auf den Chipauflage-Bondkontaktblock 204 des ersten Chips 202 verbleibt, um einen Chipauflage-Silberlegierungs-Bolzenkontakthügel 208 zu bilden. Gemäß der vorliegenden Ausführungsform kann die Bolzenkontakthügelstruktur umfassen: den ersten Chip 202, und den Chipauflage-Silberlegierungs-Bolzenkontakthügel 208, der auf dem Chipauflage-Bondkontaktblock 204 des ersten Chip 202 aufliegend angeordnet ist. Ein Durchmesser des Chipauflage-Silberlegierungs-Bolzenkontakthügels 208 kann zwischen 20 μm und 100 μm liegen, doch der Chipauflage-Silberlegierungs-Bolzenkontakthügel 208 kann andere geeignete Durchmesser in unterschiedlichen Anwendungen aufweisen, wenn ein Silberlegierungsdraht 200 mit einem Durchmesser dicker als 50 μm verwendet wird.
Gemäß den 1 und 6 wird der erste Chip 202 umgedreht, und der Chipauflage-Silberlegierungs-Bolzenkontakthügel 208, der auf dem Chipauflage-Bondkontaktblock 204 aufliegt, wird auf einem Substratauflage-Bondkontaktblock 618 angeordnet, die auf einem Substrat 616 aufliegt. Anschließend wird der Chipauflage-Silberlegierungs-Bolzenkontakthügel 208 auf den Substratauflage-Bondkontaktblock 618 mittels eines Klebstoffs 614 aufgeklebt, um eine erste Flip-Chip-Packung zu bilden. Bei dieser Ausführungsform ist eine Zusammensetzung des Chipauflage-Silberlegierungs-Bolzenkontakthügels 208 Silber, welchem 0,01 bis 10 Gewichts-% Palladium hinzugefügt ist. Alternativ können ferner 0,01 bis 10 Gewichts-% Gold und/oder Platin dem Silber mit dem geschriebenen Anteil von 0,01 bis 10 Gewichts-% Palladium hinzugefügt werden. Optional können 10 bis 800 ppm Beryllium, Cer oder Lanthan oder eine Mischung derselben den beschriebenen Zusammensetzungen hinzugefügt werden. Das Substrat 616 kann beispielsweise eine keramische Zwischenlageschicht mit Durchgängen darin sein, eine bedruckte Leiterplatte oder ein zweiter Chip, der sich von dem ersten Chip 202 unterscheidet, wie etwa ein Chip mit einem kristallinen Siliziumsubstrat, umfassend eine Silizium-Zwischenlageschicht mit Silizium-Durchgängen TSVs („through silicon vias”) darin. Für den Chipauflage-Bondkontaktblock 204 und die Substratauflage-Bondkontaktblock 618 können unabhängig voneinander in nicht beschränkender Weise verwendet werden: eine Kupferplatte; eine Aluminiumplatte; eine Goldplatte; eine Silberplatte; eine Nickelplatte; oder andere geeignete oberflächenbehandelte Platten. Der Klebstoff 614 kann beispielsweise eine isotrop elektrisch leitender Klebstoff oder ein anisotrop elektrisch leitender Klebstoff sein. In anderen Ausführungsformen kann alternativ ein elektrisch nicht leitender Klebstoff verwendet werden. Der elektrisch nicht leitende Klebstoff füllt den Raum zwischen einer Mehrzahl von Chipauflage-Silberlegierungs-Bolzenkontakthügeln 208. Das Volumen des elektrisch nicht leitenden Klebstoffs schrumpft während des Abkühlens, was dazu führt, dass der Chipauflage-Silberlegierungs-Bolzenkontakthügel 208 in direktem und unmittelbarem Kontakt mit dem Substratauflage-Bondkontaktblock 608 steht und elektrisch mit dieser verbunden ist, so dass zwischen ihnen ein elektrischer Strom geleitet wird. Nach dem Abkühlen trägt der elektrisch nicht leitende Klebstoff weiter den Chipauflage-Silberlegierungs-Bolzenkontakthügel 208 und den Substratauflage-Bondkontaktblock 618 und hält sie in unmittelbarem und direktem Kontakt miteinander.
Im Einzelnen kann die Zusammensetzung des Chipauflage-Silberlegierungs-Bolzenkontakthügels 208 in 6 die gleiche sein wie diejenige des Silberlegierungsdrahts 200. D. h., die Zusammensetzung des Chipauflage-Silberlegierungs-Bolzenkontakthügels 208 kann aus der ersten bis siebten Zusammensetzung von des Zusammensetzungsoptionen ausgewählt sein, die oben für den Silberlegierungsdraht 200 aufgelistet sind.
Gemäß den 1 und 7 wird der erste Chip 202 umgedreht, und der Chipauflage-Silberlegierungsdraht 208, der auf dem Chipauflage-Bondkontaktblock 204 aufliegt, wird auf einem Substratauflage-mBondkontaktblock 618 angeordnet, die auf einem Substrat 616 liegt. Anschließend wird der Chipauflage-Silberlegierungs-Bolzenkontakthügel 208 alternativ mit dem Chipauflage-Bondkontaktblock 618 durch ein Lötmaterial 615 verbunden, um eine zweite Flip-Chip-Packung zu bilden. Bei dieser Ausführungsform ist eine Zusammensetzung des Chipauflage-Silberlegierungs-Bolzenkontakthügels 208 Silber, welchem 0,01 bis 10 Gewichts-% Palladium hinzugefügt sind. Alternativ können ferner 0,01 bis 10 Gewichts-% Gold und/oder Platin zu dem Silber mit dem beschriebenen Anteil von 0,01 bis 10 Gewichts-% Palladium hinzugefügt werden. Optional können 10 bis 800 ppm Beryllium, Cer oder Lanthan oder eine Mischung derselben zu den beschriebenen Zusammensetzungen hinzugefügt werden. Das Substrat 616 kann beispielsweise eine keramische Zwischenlage mit darin ausgebildeten Durchgängen sein, eine bedruckte Leiterplatte, oder ein zweiter Chip, der sich von dem ersten Chip 202 unterscheidet, wie etwa ein Chip mit einem kristallinen Silizium-Substrat, umfassend eine Silizium-Zwischenlage mit darin ausgebildeten Silizium-Durchgängen (TSVs). Beispiele für den Chipauflage-Bondkontaktblock 204 und den Substratauflage-Bondkontaktblock 618 können unabhängig voneinander in nicht beschränkender Weise umfassen: einen Aluminiumblock; einen Goldblock; einen Silberblock; einen Nickelblock; oder andere geeignete oberflächenbehandelte Blöcke. Das Lötmaterial 615 kann reines Zinn, reines Indium oder eine Legierung sein, wie etwa Sn-37Pb, Sn-9Zn, Sn-0.7Cu, Sn-3.5Ag, Sn-51In, Sn-58Bi, Sn-3-Ag-0.5Cu, Sn-9Zn-3Bi oder dergleichen. Bei dieser Ausführungsform ist das Lötmaterial 615 ein Füllmetall mit einer Dicke von 10 μm oder größer, und Teile des Lötfüllmetalls reagieren mit dem Substratauflage-Bondkontaktblock 618 während des Bondens des Chipauflage-Silberlegierungs-Bolzenkontakthügels 208 und des Substratauflage-Bondkontaktblocks 618, während die verbleibenden Teile des Lötfüllmetalls, dargestellt als das Lötmaterial 615 in 7, an einem Übergang zwischen dem Chipauflage-Silberlegierungs-Bolzenkontakthügel 208 und dem Substratauflage-Bondkontaktblock 618 verbleiben. In einer alternativen Ausführungsform ist das Lötmaterial 615 eine dünne Schicht mit einer Dicke kleiner als 10 μm, und die resultierende Struktur ähnelnd derjenigen in 8. Der Unterschied besteht darin, dass die Lötschicht an dem Übergang zwischen dem Chipauflage-Silberlegierungs-Bolzenkontakthügel 208 und dem Substratauflage-Bondkontaktblock 618 auf dem Substrat 616 mit dem Substratauflage-Bondkontaktblock 618 während des Erhitzens reagiert und während des Bondens des Chipauflage-Silberlegierungs-Bolzenkontakthügels 208 und dem Substratauflage-Bondkontaktblock 618 vollständig aufgebraucht wird, während eine zinnhaltige Zwischenmetallschicht an einer Grenzfläche zwischen dem Chipauflage-Silberlegierungs-Bolzenkontakthügel 208 und dem Substratauflage-Bondkontaktblock 618 gebildet wird. In einer Ausführungsform wird ein Klebeschritt unter Verwendung einer Lötschicht in einer Vakuum-Atmosphäre zwischen 10^–3 Torr und 10^–6 Torr unter Heißpressbonden bei einer Temperatur höher als der Schmelzpunkt der Lötschicht mit einer Differenz von über 10°C bei einem Druck zwischen 0,1 Kg/mm² und 1 Kg/mm² auf den Chipauflage-Silberlegierungs-Bolzenkontakthügel 208 und den Substratauflage-Bondkontaktblock 618 für fünf bis dreißig Minuten durchgeführt. Die Zwischenmetallverbindungen können unterschiedliche Zusammensetzungen haben, wie etwa Ag₃Sn, Cu₆Sn₅, Cu₃Sn, Ni₃Sn₄ oder dergleichen, abhängig von den verschiedenen Arten und/oder den Zusammensetzungen des Substratauflage-Bondkontaktblocks 618. Diese Zwischenmetallverbindungen haben alle Schmelzpunkte höher als derjenige des Lötmaterials und bieten den Vorteil, dass die betreffenden Strukturen bei niedrigeren Temperaturen entsprechend den Schmelzpunkten üblicher Lötmaterialien zusammengesetzt werden können, doch die resultierende Bindung kann Temperaturen widerstehen, die höher sind als die Schmelzpunkte der gewöhnlichen Lötmaterialien.
Im Einzelnen kann die Zusammensetzung des Chipauflage-Silberlegierungs-Bolzenkontakthügels 208 in 7 die Gleiche sein wie diejenige des Silberlegierungsdrahts 200. D. h., die Zusammensetzung des Chipauflage-Silberlegierungs-Bolzenkontakthügels 208 kann aus den ersten bis siebten Zusammensetzungen der Zusammensetzungsoptionen ausgewählt sein, die oben für den Silberlegierungsdraht 200 aufgelistet sind.
Gemäß den 1 und 8 wird der erste Chip 202 umgedreht, und der Chipauflage-Silberlegierungs-Bolzenkontakthügel 208, der auf dem Chipauflage-Bondkontaktblock 204 aufliegt, wird auf einen Substratauflage-Bondkontaktblock 618 aufgebracht, der auf einem Substrat 616 liegt. Anschließend wird der Chipauflage-Silberlegierungs-Bolzenkontakthügel 208 auf den Substratauflage-Bondkontaktblock 618 alternativ durch Anwendung von Hitze und Druck unmittelbar auf den ersten Chip 202, den Chipauflage-Silberlegierungs-Bolzenkontakthügel 208 oder den Substratauflage-Bondkontaktblock 618 des Substrats 618 unter Verwendung von Heißpressbonden aufgebracht, zur Bildung einer zweiten Flip-Chip-Packung. In einer Ausführungsform wird das Heißpressbonden unter einer Atmosphärenbedingung bei einer Temperatur zwischen 300°C und 600°C bei einem Druck zwischen 0,5 Kg/mm² und 3 Kg/mm² auf den Chipauflage-Silberlegierungs-Bolzenkontakthügel 208 und den Substratauflage-Bondkontaktblock 618 für drei bis sechzig Sekunden ausgeführt. Bei dieser Ausführungsform ist eine Zusammensetzung des Chipauflage-Silberlegierungs-Bolzenkontakthügels 208 Silber, dem ein Anteil von 0,01 bis 10 Gewichts-% Palladium hinzugefügt ist. Alternativ können ferner 0,01 bis 10 Gewichts-% Gold und/oder Platin zu dem Silber mit beschriebenen Anteil von 0,01 bis 10 Gewichts-% Palladium hinzugefügt werden. Optional können 10 bis 800 ppm Beryllium, Cer oder Lanthan oder eine Mischung derselben zu den beschriebenen Zusammensetzungen hinzugefügt werden. Das Substrat 616 kann beispielsweise eine keramische Zwischenlage mit darin ausgebildeten Durchgängen sein, eine bedruckte Leiterplatte oder ein zweiter Chip, der sich von dem ersten Chip 202 unterscheidet, wie etwa ein Chip mit einem kristallinen Silizium-Substrat, umfassend eine Silizium-Zwischenschicht mit darin ausgebildeten Silizium-Durchgängen (TSVs). Beispiele für den Chipauflage-Bondkontaktblock 204 und den Substratauflage-Bondkontaktblock 218 können unabhängig voneinander in nicht beschränkender Weise umfassen: einen Kupferblock; einen Aluminiumblock; einen Goldblock; einen Silberblock; eine Nickelblock oder andere geeignete oberflächenbehandelte Blöcke.
Im Einzelnen kann die Zusammensetzung des Chipauflage-Silberlegierungs-Bolzenkontakthügels 208 gemäß 8 die Gleiche sein wie diejenige des Silberlegierungsdrahts 200. D. h., die Zusammensetzung des Chipauflage-Silberlegierungs-Bolzenkontakthügels 208 kann aus einer der ersten bis siebten Zusammensetzungen der Zusammensetzungsoptionen ausgewählt sein, die für den Silberlegierungsdraht 200 weiter oben aufgelistet sind. In einer Ausführungsform ist die Zusammensetzung des Chipauflage-Silberlegierungs-Bolzenkontakthügels 208, die in 5 gezeigt ist, Silber, welchem 0,01 bis 10 Gewichts-% Palladium hinzugefügt sind. Alternativ können 0,01 bis 10 Gewichts-% Gold und/oder Platin ferner dem Silber mit dem beschriebenen Anteil von 0,01 bis 10 Gewichts-% Palladium hinzugefügt werden. Optional können 10 bis 800 ppm Beryllium, Cer oder Lanthan oder eine Mischung derselben den beschriebenen Zusammensetzungen hinzugefügt werden. Im Einzelnen kann die Zusammensetzung des Chipauflage-Silberlegierungs-Bolzenkontakthügels 208 in 5 die Gleiche sein wie diejenige des Silberlegierungsdrahts 200. D. h., die Zusammensetzung des Chipauflage-Silberlegierungs-Bolzenkontakthügels 208 kann aus einer der ersten bis siebten Zusammensetzungen der Zusammensetzungsoptionen ausgewählt sein, die weiter oben für den Silberlegierungsdraht 200 aufgelistet sind. Es wurde herausgefunden, dass dann, wenn ein Kontakthügel aus reinem Silber (Ag) gebildet wird, dieser Silberkontakthügel Problemen wie Elektromigration, zu großer Weichheit, leichter Oxidation und Korrosion aufgrund von Feuchtigkeit unterliegt. Falls jedoch eine geeignete Menge von Palladium (Pd) dem Silberlegierungs-Bolzenkontakthügel hinzugefügt wird, verbessert dies nicht nur die Stabilität, den Korrosionswiderstand bei Feuchtigkeit und den Oxidationswiderstand des Silberlegierungs-Bolzenkontakthügels, sondern unterdrückt auch die Elektromigration von Silber. Zusätzlich kann ferner die übermäßige Bildung von Zwischenmetallverbindungen aufgrund der niedrigen Diffusionsrate von Palladium unterdrückt werden. Falls andererseits zuviel Palladium dem Silberlegierungs-Bolzenkontakthügel hinzugefügt wird und der Palladiumgehalt den genannten Bereich überschreitet, wird der Silberlegierungs-Bolzenkontakthügel möglicherweise zu starr und zu brüchig, was seine Anwendbarkeit einschränkt. Ferner kann eine angemessene Menge von Gold (Au), Platin (Pt) oder beiden dem Silberlegierungs-Bolzenkontakthügel hinzugefügt werden, um die Stabilität, den Korrosionswiderstand bei Feuchtigkeit und den Oxidationswiderstand des Silberlegierungs-Bolzenkontakthügels weiter zu verbessern. Ferner kann ein Spurenmetall, welches Beryllium, Cer, Lanthan oder eine Kombination derselben enthält, optional dem Silberlegierungs-Bolzenkontakthügel hinzugefügt werden, um die Korngröße des Silberlegierungs-Bolzenkontakthügels zu verringern und die Stabilität, die Zähigkeit und den Widerstand gegenüber Hochtemperaturfliessen des Silberlegierungs-Bolzenkontakthügels zu verbessern. Falls andererseits zuviel Gold oder Platin dem Silberlegierungs-Bolzenkontakthügel hinzugefügt wird und der Gehalt den beschriebenen Bereich überschreitet, kann die Grenzfläche zwischen dem Silberlegierungs-Bolzenkontakthügel und dem Chipauflage-Bondkontaktblock (d. h. dem Aluminiumblock) Zwischenmetallverbindungen enthalten, die zu dick sind, was zu einer Brüchigkeit des Verbindungspunkts, einem Zuwachsen des elektrischen Widerstands und einem Zuwachs der Prozesskosten führt. Falls ferner zuviel Spurenmetall mit Beryllium, Cer, Lanthan oder einer Kombination derselben dem Silberlegierungs-Bolzenkontakthügel hinzugefügt wird und der Gehalt den vorgeschriebenen Bereich überschreitet, vergrößert sich auch der elektrische Widerstand des Silberlegierungs-Bolzenkontakthügels, und der Verbindungspunkt wird brüchig, und ferner wird die Widerstandsfähigkeit gegenüber Oxidation und Korrosion des Silberlegierungs-Bolzenkontakthügels möglicherweise schlechter.
Es wird angemerkt, dass trotz der Tatsache, dass die zuvor beschriebene Bolzenkontakthügelstruktur bestimmte Hauptzusammensetzungen aus Silber und Palladium und spezifische optionale Zusammensetzungen aus Gold, Platin, Beryllium, Cer und Lanthan enthält, der Umfang der vorliegenden Erfindung nicht hierauf beschränkt ist. Gemäß einiger Ausführungsformen kann die Bolzenkontakthügelstruktur auch andere Metallelemente, Nicht-Metallelemente oder einige Verunreinigungen enthalten. Diese zusätzlichen Elemente sollten in Abhängigkeit von verschiedenen Anwendungen verwendet werden, und die Leistungsfähigkeit der Bolzenkontakthügelstruktur sollte die Gleiche bleiben.
Im Vergleich zu Bolzenkontakthügelstrukturen aus anderen Metallen, wie etwa Goldhügeln, einem Kupferhügel oder einer Kupfersäule), kann die Silberhügelstruktur gemäß der verschiedenen Ausführungsformen breite Anwendung in verschiedenen Anwendungsfällen finden und eine bessere Stabilität aufweisen. Falls beispielsweise ein Kontakthügel aus Gold (Au) verwendet wird, kann eine große Menge von Gold in dem Goldkontakthügel sich in dem schmelzenden Lötmaterial auflösen, um eine Zwischenmetallverbindung AuSn₄ zu bilden, wenn der Kontakthügel-Chip mit einem Substrat während des Lötvorgangs verbunden wird. Falls ferner das Bauteil betrieben wird oder der Zuverlässigkeitstest durchgeführt wird, kann eine große Menge brüchiger Zwischenmetallverbindungen, Au_xAl_y, oder Kirkendall-Hohlräume an der Grenzschicht zwischen dem Goldkontakthügel und der Aluminiumplatte gebildet werden, was zu einem Bruch der Verbindungspunkte, einem Zuwachs des elektrischen Widerstands und einer Abnahme der Zuverlässigkeit des elektronischen Produkts führt. Daher wird im allgemeinen der Goldkontakthügel mittels eines leitenden Polymerklebstoffs verbunden. Die elektrischen und thermischen Leitfähigkeiten eines leitenden Polymerklebstoffs sind jedoch viel schlechter als bei einer metallischen Lötbindung, und der leitende Polymerklebstoff weist auch nicht den Vorteil einer Selbstausrichtung und Nacharbeitbarkeit auf, die durch eine Lötbindung gewährleistet wird.
Falls hingegen ein Kupferkontakthügel zum Flip-Chip-Bonden verwendet werden, können unzureichende Zwischenmetallverbindungen an der Grenzschicht zwischen dem Kupferkontakthügel und der Aluminiumplatte ausgebildet werden, was zu dem Problem des Fliesens des Lötmetalls führt, und daher ist es schwierig zu entscheiden, ob die Verbindung erfolgreich hergestellt worden ist oder nicht. Ferner neigen die hergestellten Produkte zum Versagen, wenn ein Metallrückstandstest durchgeführt wird. Darüber hinaus ist Kupfer anfällig für Oxidation und Korrosion, und die Zuverlässigkeit der hergestellten elektronischen Vorrichtungen ist gewöhnlich niedrig. Da ferner die Steifigkeit und Härte von Kupfer hoch sind, kann der unter der Platte angeordnete Chip während des Kupferkontakthügelherstellungsprozesses zerstört werden. Daher ist es schwierig, in dem oben beschriebenen Prozess einen Kupferhügel zu verwenden. In letzter Zeit nutzen Packungen aus dreidimensionalen (3-D) IC- und 2.5-D IC Kupfersäulen als Flip-Chip-Leitungshügel. Die Kupfersäulen sind jedoch hart und steif, und daher ist es schwierig, den festen Kontakt zwischen den Kupfersäulen und den Bondkontaktblöcken während des Herstellungsprozesses unter Verwendung von Heißpressbonden plastisch zu verformen, was zu vielen Hohlräumen dazwischen führt, oder sogar zu einem Versagen der Bindung. Somit kann ein Problem von Fehlern in der gleichen Ebene in der Matrix von Kupfersäulen in der Packung auftreten. Dieses Problem verschlimmert sich aufgrund der Entwicklung zur Verringerung der Größe der Packungskontakte.
Hingegen sind die Silberlegierungs-Bolzenkontakthügel gemäß der verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung weicher und daher leichter plastisch zu verformen, um den festen Kontakt zwischen den Silberlegierungs-Bolzenkontakthügeln und den Bondkontaktblöcken während des Zusammensetzungsprozesses unter Verwendung von Heißpressbonden zu bilden, was zu einer Verringerung oder sogar Beseitigung des Problems koplanarer Fehlstellen in den Kupfersäulen führt. Daher sind die Silberlegierungs-Bolzenkontakthügel gemäß den verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung besonders geeignet zur Verwendung in der Chip-Anordnung von Packungsprodukten gemäß 3D-IC und/oder 2.5D-IC. Ferner sind die Silberlegierungs-Bolzenkontakthügel gemäß den verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung weicher, und daher werden Beschädigungen des Chips vermieden, wenn die freie Kugel darauf geklebt wird. Es existieren nicht so viele brüchige Zwischenmetallverbindungen wie bei dem Goldhügel während des Bondingprozesses. Gegenüber dem Kupferhügel werden immer noch genügend Zwischenmetallverbindungen gebildet, was zu einer ausreichenden Bindung führt. Darüber hinaus bestehen die resultierenden Produkte den Metallrückstandstest. Entsprechend verschiedener Ausführungsformen kann der Silberlegierungs-Bolzenkontakthügel durch Löten, leitenden Klebstoff oder Heißpressen gebondet werden, doch auch andere Bondingverfahren können in Abhängigkeit von den jeweiligen Anwendungen verwendet werden. Hingegen ist bekannt, dass herkömmliche elektrogalvanisierte Goldhügel oder Goldkontakthügel nicht in einem Herstellungsprozess unter Verwendung einer Lötbindung aufgrund der hohen Löslichkeit von Gold in geschmolzenem Lötmetall verwendet werden können, und das Heißpressverfahren kann in dem Herstellungsprozess nicht unter Verwendung von Kupferhügeln oder Kupfersäulen aufgrund des Problems der Koplanarität verwendet werden.
Ferner kann der beschriebene Silberlegierungs-Bolzenkontakthügel auf einem Chip aufliegend ausgebildet werden oder unmittelbar auf einem ungeteilten Wafer aufliegend ausgebildet werden, um eine spezielle Packungstechnologie auf Wafer-Basis durchführen zu können. Ein Vorteil der Bildung der Silberlegierungs-Bolzenkontakthügel auf einem Wafer umfasst unmittelbar eine Reduktion der Herstellungskosten durch Ausbildung einer großen Zahl von Silberlegierungs-Bolzenkontakthügeln vor dem Schneiden des Wafers. In einem Packungsverfahren auf Wafer-Basis können mehr als 10.000 Hügel auf einem einzigen Wafer vor dem Schneiden ausgebildet werden. Mit anderen Worten, der Wafer wird kontinuierlich während des Heißpressverfahrens zur Bildung der Hügel erhitzt. Wenn daher der letzte Hügel schließlich auf dem Wafer ausgebildet ist, kann der erste Hügel, der zu Beginn des Prozesses geformt worden ist, mit dem Wafer für eine lange Zeit erhitzt werden, wie etwa einigen Dutzend Minuten. Für die früh gebondeten Goldkontakthügel besteht daher die Befürchtung, dass eine große Menge von Zwischenmetallverbindungen nach der Vervollständigung des Packungsprozesses auf Wafer-Basis anwachsen kann. In diesem Fall kein ein Goldkontakthügel, der zu Anfang des Prozesses ausgebildet wird, aufgrund einer Brüchigkeit des Verbindungspunkts und der Verbindungsstärke (d. h. Bondingkraft) der Verbindungspunkte geschwächt werden. Daher bestehen bei Goldkontakthügel ernsthafte Probleme für die Anwendung bei der Packungsbildung auf Wafer-Basis. Wenn die elektrogalvanisierten Goldhügel oder Goldkontakthügel verwendet werden, können diese gewöhnlich lediglich auf Chips gebildet werden, die aus Wafern herausgeteilt werden, und sie können nicht auf dem Wafer selbst vor dem Aufteilen des Wafers in Chips gebildet werden. Hingegen können Kupferkontakthügel zu unzureichenden Zwischenmetallverbindungen an dem Übergang zwischen Hügel und Platte führen, und sie sind auch nicht für eine Packungsbildung auf Wafer-Basis geeignet. Darüber hinaus ist Kupfer so starr, dass der Wafer während des Bondingverfahrens beschädigt werden kann. Noch gravierender ist, dass Kupfer dazu neigt, bei hohen Temperaturen oxidiert zu werden, insbesondere bei solchen Hügeln, die zu Beginn des Prozesses gebildet werden und zusammen mit dem Wafer für einen langen Zeitraum während der Packungsbildung auf Wafer-Basis erhitzt werden. Wenn Kupfersäulen in der Packungstechnologie auf Wafer-Basis für 3D-IC oder 2.5D-IC verwendet werden, werden einige der Kupfersäulen nicht in Kontakt mit den Bondkontaktblöcken während des Heißpressschritts aufgrund unterschiedlicher Höhen geraten, sowie aufgrund des sogenannten Koplanaritätsproblems, was zur Bildung von Hohlräumen am Bindungsübergang oder sogar zum Versagen der Bindung führt.
Andererseits können bei den Silberlegierungs-Bolzenkontakthügeln die Zwischenmetallverbindungen langsam zu einer angemessenen Dicke anwachsen, und die Verbindung kann durch das Auftreten der Zwischenmetallbindungen verstärkt werden. Falls ferner die Silberlegierungs-Bolzenkontakthügel unmittelbar auf einem Wafer während des Packungsprozesses auf Wafer-Basis gebildet werden, treten selbst dann, wenn die Silberlegierungs-Bolzenkontakthügel, die in einer frühen Stufe des Prozesses gebildet worden sind, mit dem Wafer zusammen für einen längeren Zeitraum erhitzt worden sind, keine größere Menge von Zwischenmetallverbindungen auf, die durch das Erhitzen entstehen. Daher kann die Bindungsstärke der Silberlegierungs-Bolzenkontakthügel erhalten werden. Es ist offensichtlich, dass ein Silberlegierungs-Bolzenkontakthügel gemäß der vorliegenden Erfindung des Goldkontakthügeln und den Kupferkontakthügeln bei der Anwendung einer Packungsbildung auf Wafer-Basis überlegen ist.
Gemäß der beschriebenen, verschiedenen Ausführungsformen wird ein neuartiger Silberlegierungs-Bolzenkontakthügel geschaffen, eine Packung desselben und ein Verfahren zur Herstellung desselben. Der Silberlegierungs-Bolzenkontakthügel kann eine ausreichende Menge von Zwischenmetallbindungen mit einer Aluminiumplatte ausbilden, so dass eine ausreichende Bindungsgrenzfläche entsteht. Das Problem des Fliesens des Lötmetalls, wie bei der Verwendung von Kupferkontakthügeln oder Kupfersäulen, kann vermieden werden. Da andererseits die Zwischenmetallverbindungen des Silberlegierungs-Bolzenkontakthügels sehr langsam wachsen, wird die Grenzfläche der Verbindungspunkte nicht brüchig, und die Zuverlässigkeit des Silberlegierungs-Bolzenkontakthügels und des entstehenden Produkts kann verbessert werden. Darüber hinaus ist der Silberlegierungs-Bolzenkontakthügel weicher und kann sich während des Heißpressens plastisch verformen, um in festem Kontakt mit dem Substratauflage-Bondkontaktblock zu kommen, so dass eine perfekte Bindung vervollständigt werden kann, ohne dass das Koplanaritätsproblem auftritt, das bei der Verwendung von Kupfersäulen auftritt. Im Vergleich zu galvanisierten Lötmetallhügeln ist der Silberlegierungs-Bolzenkontakthügel umweltverträglicher (was zu geringerer Umweltverschmutzung führt), und die Zusammensetzung der Silberlegierung kann genauer gesteuert werden. Darüber hinaus kann die Schwierigkeit der Koplanarität aufgrund des Schablonendrucks von Lötmetallpaste vermieden werden. Schließlich kann der Silberlegierungs-Bolzenkontakthügel in einem Packungsprozess auf Wafer-Basis verwendet werden.
Nachfolgend werden mehrere detaillierte Beispiele und Vergleichsbeispiele beschrieben, die nicht als beschränkend für den Umfang der Erfindung betrachtet werden sollen.
Vergleichsbeispiel 1
Ein Ende eines reinen Golddrahts (Durchmesser: 17,4 μm) wurde durch Bogenentladung geschmolzen, zur Bildung einer freien Luftkugel aufgrund von Oberflächenspannung. Die freie Luftkugel wurde an einen Aluminiumblock eines Siliziumchips geklebt, um eine Kugelbindung durch Ultraschall-Heißpressen einer Drahtbindungstechnologie zu bilden. Anschließend wurde der Golddraht abgeschnitten, um einen Goldkontakthügel zu bilden. Die Einzelheiten der Herstellung sind in Tabelle 1 dargestellt. Die Größe des resultierenden Goldkontakthügels ist in Tabelle 2 dargestellt. Die Adhäsionskraft der resultierenden Goldkontakthügels ist in Tabelle 3 dargestellt.
Vergleichsbeispiel 2
Ein Ende eines reinen Kupferdrahts (Durchmesser 17,4 μm) wurde durch Bogenentladung geschmolzen, um aufgrund von Oberflächenspannung eine freie Luftkugel zu bilden. Die freie Luftkugel wurde an einen Aluminiumblock eines Siliziumchips gebunden, um eine Kugelbindung durch Ultraschall-Heißpressen einer Drahtbindungstechnologie zu bilden. Anschließend wurde der Kupferdraht abgeschnitten, um einen Kupferkontakthügel zu bilden.
Beispiel 1: Kontakthügelherstellung

Eine Ende eines Silberlegierungsdrahts (96 Gewichts-% Ag-4 Gewichts-% Pd-600 ppm Be-100 ppm Ce-100 ppm La; Durchmesser: 17,4 μm) wurde durch Bogenentladung geschmolzen, um aufgrund von Oberflächenspannung eine freie Luftkugel zu bilden. Die freie Luftkugel wurde an einen Aluminiumblock auf einem Siliziumchip gebunden, um eine Kugelbindung durch Ultraschall-Heißpressen einer Drahtbindungstechnologie zu bilden. Anschließend wurde der Silberlegierungsdraht abgeschnitten, um einen Silberlegierungs-Bolzenkontakthügel zu bilden. Die Einzelheiten der Herstellung sind in Tabelle 1 dargestellt. Die Größe der resultierenden Silberlegierungs-Bolzenkontakthügel ist in Tabelle 2 dargestellt. Die Adhäsionskraft der resultierenden Silberlegierungs-Bolzenkontakthügel ist in Tabelle 3 dargestellt. Gemäß Tabelle 2 war die Größe des Silberlegierungs-Bolzenkontakthügels kleiner als die Größe des Goldkontakthügels, obwohl die Drähte, die zur Bildung der Kontakthügel verwendet wurden, den gleichen Durchmesser aufwiesen. Die kleinere Größe des Silberlegierungs-Bolzenkontakthügels bietet den Vorteil, dass sie in einer hochdichten Packung mit kleinen Verbindungsabständen verwendet werden kann. Ferner wurde ein Kugelschertest (wie in Tabelle 3 dargestellt) an dem resultierenden Silberlegierungs-Bolzenkontakthügel aus Beispiel 1 und an dem Goldkontakthügel in Vergleichsbeispiel 1 durch einen Bindungstester DAGE4000 durchgeführt, und das Ergebnis zeigte, dass die Adhäsionskraft des Silberlegierungs-Bolzenkontakthügels 1528% höher war als die Adhäsionskraft des Goldkontakthügels. Tabelle 1: Einzelheiten der Herstellung

	Silberlegierungs-Bolzenkontakthügel	Goldkontakthügel
Leistung	230 (dac)	230 (dac)
Zeit	10 (ms)	13.5 (ms)
Adhäsionskraft	24 (gf)	24 (gf)
Adhäsionszeit	12 (ms)	12 (ms)
Strom	46 (mA)	40 (mA)
Entladungszeit	0.46 (ms)	0.46 (ms)

Tabelle 2: Größe der resultierenden Legierungshügel

	Silberlegierungs-Bolzenkontakthügel		Goldkontakthügel
	Durchmesser	Dicke	Durchmesser	Dicke
Probenummer	30	30	30	30
Maximum	40.2 μm	16.3 μm	40.7 μm	16.4 μm
Minimum	36.4 μm	15.6 μm	36.5 μm	15.8 μm
Durchschnitt	38.2 μm	15.8 μm	39.1 μm	16.0 μm

Tabelle 3: Adhäsionskraft der resultierenden Kontakthügel

	Silberlegierungs-Bolzenkontakthügel	Goldkontakthügel
Probenummer	30	30
Maximum	25.6 g	22.7 g
Minimum	23.5 g	20.2 g
Durchschnitt	24.8 g	21.1 g

Beispiel 2: Zuverlässigkeitstest
Der Silberlegierungs-Bolzenkontakthügel aus Beispiel 1, der Goldhügel aus Vergleichsbeispiel 1 und der Kupferkontakthügel aus Vergleichsbeispiel, die aus Siliziumchips hergestellt wurden, wurden jeweils auf einen Chip geklebt und anschließend unterfüllt und im Flip-Chip-Verfahren aus Bismaleimid-Triazin-Harz(BT-Harz)-Substrat einer Kugelrasterpackung (BGA) durch einen Lötprozess aufgebracht (Lötzusammensetzung: 96,5 Gewichts-% Pb-3 Gewichts-% Ag-0,5 Gewichts-% Cu). Anschließend wurde die freie Luftkugel auf die Rückseite des BT-Substrats aufgebracht, um die Anordnung eines Flip-Chip-BGA-Packungsprodukts hoher Dichte abzuschließen. Anschließend wurden ein Temperaturzyklustest (TCT), ein Druckkochtest (PCT), und ein Hochtemperatur-Speichertest (THS) an jedem der sich ergebenden Kontakthügelpackungsprodukte durchgeführt, um ihre Zuverlässigkeit zu testen.
Nach diesen Experimenten weist die Zwischenmetallverbindung, die zwischen der Grenzfläche zwischen dem Goldhügel in Vergleichsbeispiel 1 und dem Aluminiumblock auf dem Chip ausgebildet wurde, eine Dicke von 2,1 μm auf. Die Zwischenmetallverbindung war so dick, dass die Verbindungspunkte des Produkts brüchig wurden und zerbrachen, was zu einem Versagen des Produkts führt. Andererseits wies die Zwischenmetallverbindung zwischen der Grenzfläche des Kupferkontakthügels in Vergleichsbeispiel 2 und der Aluminiumplatte eine Dicke von lediglich 0,1 μm auf. Die Größe der Zwischenmetallverbindung war zu klein um festzustellen, ob die Verbindung zuverlässig hergestellt wurde oder nicht. Die Zwischenmetallverbindung an der Grenzfläche zwischen dem Kupferlegierungshügel in Beispiel 1 und der Aluminiumplatte wies jedoch eine Dicke von 0,8 μm auf. Die Zwischenmetallverbindung war dick genug um festzustellen, ob die Verbindung vervollständigt wurde, jedoch nicht zu dick, um leicht zu brechen.
Zusätzlich wurden 500 Zyklen des Temperaturzyklustests an dem Goldhügel in Vergleichsbeispiel 1 durchgeführt, und die Dicke der Zwischenmetallverbindung des Goldkontakthügels wuchs stark auf 3,5 μm an. 3000 Zyklen des Temperaturzyklustests wurden an dem Kupferhügel in Vergleichsbeispiel 2 durchgeführt und die Dicke der Zwischenmetallverbindung des Kupferhügels betrug lediglich 0,3 μm. 3000 Zyklen des Temperaturzyklustests wurden an dem Silberlegierungs-Bolzenkontakthügel in Beispiel 1 durchgeführt und die Dicke der Zwischenmetallverbindung des Silberlegierungs-Bolzenkontakthügels vergrößerte sich auf 1,2 μm.
Ferner vergrößerte sich nach 168 Stunden des Druckkochtests die Dicke der Zwischenmetallverbindung des Goldkontakthügels in Vergleichsbeispiel 1 auf 3,2 μm, die Dicke der Zwischenmetallverbindung des Kupferkontakthügels in Vergleichsbeispiel 2 betrug lediglich 0,4 μm, und die Dicke der Zwischenmetallverbindung des Silberlegierungs-Bolzenkontakthügels in Beispiel 1 vergrößerte sich auf 1,4 μm.
Ferner vergrößerte sich nach 500 Stunden in dem Hochtemperaturspeichertest die Dicke der Zwischenmetallverbindung in dem Goldkontakthügel in Vergleichsbeispiel 1 auf 4,5 μm, derart, dass die Aluminiumplatte auf dem Chip fast vollständig aufgebraucht wurde, die Dicke der Zwischenmetallverbindung des Kupferkontakthügels in Vergleichsbeispiel 2 betrug lediglich 1,1 μm, und die Dicke der Zwischenmetallverbindung des Silberlegierungs-Bolzenkontakthügels in Beispiel 1 vergrößerte sich auf 1,7 μm.
Somit wuchs die Zwischenmetallverbindung des Goldkontakthügels im Vergleichsbeispiel 1 so schnell, dass die Verbindungspunkte brüchig wurden. Hingegen war nicht genügend Zwischenmetallverbindung gewachsen, um festzustellen, ob die Verbindung an dem Kupferkontakthügel in Vergleichsbeispiel 2 vervollständigt wurde oder nicht. Die Zwischenmetallverbindung des Silberlegierungs-Bolzenkontakthügels in Beispiel 1 wies eine Dicke zwischen der Dicke der Zwischenmetallverbindung des Goldkontakthügels und derjenigen des Kupferkontakthügels auf. Mit anderen Worten, die Grenzschicht des Silberlegierungs-Bolzenkontakthügels wurde nicht brüchig, und die Verbindung wurde vervollständigt. Somit wies der Silberlegierungs-Bolzenkontakthügel aus Beispiel 1 eine größere Zuverlässigkeit auf als die Kontakthügel aus den Vergleichsbeispielen 1 und 2.
Beispiel 3: Packungen auf Wafer-Basis
12.000 Silberlegierungs-Bolzenkontakthügel aus Beispiel 1, Goldkontakthügel aus Vergleichsbeispiel 1 und Kupferkontakthügel aus Vergleichsbeispiel 2 wurden jeweils auf einem Silizium-Wafer (6 Zoll) ausgebildet, um eine Packung auf Wafer-Basis zu testen.
Nachdem alle Kontakthügel auf dem Wafer ausgebildet worden waren, wurde die Dicke der darauf ausgebildeten Zwischenmetallverbindung analysiert. Gemäß den Experimenten wies die Zwischenmetallverbindung in dem ersten Goldkontakthügel (Vergleichsbeispiel 1) eine Dicke von 2,1 μm auf, die Zwischenmetallverbindung, die in dem ersten Kupferhügel (Vergleichsbeispiel 2) ausgebildet wurde, wies eine Dicke von 0,2 μm auf, und die Zwischenmetallverbindung, die in dem ersten Silberlegierungs-Bolzenkontakthügel (Beispiel 1) ausgebildet wurde, wies eine Dicke von 0,7 μm auf.
Ferner wurden die Wafer mit den Hügeln mit weiteren Wafern durch Heißpressen zusammengesetzt, und anschließend wurden die entstehenden Produkte 500 Zyklen des bereits beschriebenen Temperaturzyklustests unterzogen. Das Ergebnis zeigte, dass die durchschnittliche Dicke der Zwischenmetallverbindungsschichten in den ersten zehn Goldkontakthügeln (d. h. den ersten zehn Goldkontakthügeln, die in einer anfänglichen Stufe des Prozesses gebildet wurden) und den ersten zehn Kupferkontakthügeln (d. h. den ersten zehn Kupferkontakthügeln, die in einer Anfangsstufe des Prozesses gebildet wurden) jeweils 4,2 μm und 0,5 μm betrugen, während die durchschnittlichen Dicken der Zwischenmetallverbindungsschichten der ersten zehn Silberlegierungs-Bolzenkontakthügel (d. h. der ersten Silberlegierungs-Bolzenkontakthügel, die in einer Anfangsstufe des Prozesses gebildet wurden) 1,6 μm betrug. Die Goldkontakthügel, die zu Beginn des Prozesses gebildet wurden, wurden brüchig und brachen, nachdem alle Hügel gebildet worden waren. Die Kupferkontakthügel waren schlecht verbunden und stark oxidiert, und der Chip zerbrach beinahe. Die Silberlegierungs-Bolzenkontakthügel zeigten jedoch nicht die vorstehend genannten Probleme.
Ferner betrug die Ausbeute der Goldkontakthügel in Vergleichsbeispiel 1 und des Silberlegierungs-Bolzenkontakthügels in Beispiel 1 nahezu 100%. Die Ausbeute der Kupferkontakthügel in Vergleichsbeispiel 2 betrug hingegen etwa 64%.
Darüber hinaus war die durchschnittliche Adhäsionskraft der ersten zehn Goldkontakthügel etwa 10% niedriger als die durchschnittliche Adhäsionskraft der letzten zehn Goldkontakthügel (d. h. der letzten zehn Goldkontakthügel, die in einem abschließenden Schritt des Prozesses gebildet wurden). Eine durchschnittliche Adhäsionskraft der ersten zehn Kupferkontakthügel war etwa 22% geringer als eine durchschnittliche Adhäsionskraft der letzten zehn Kupferkontakthügel (d. h. der letzten zehn Kupferkontakthügel, die in einem abschließenden Schritt des Prozesses gebildet wurden). Eine durchschnittliche Adhäsionskraft der ersten zehn Silberkontakthügel war annähernd die Gleiche wie eine durchschnittliche Adhäsionskraft der letzten zehn Silberlegierungs-Bolzenkontakthügel (d. h. der letzten zehn Silberlegierungs-Bolzenkontakthügel, die einem abschließenden Schritt des Prozesses gebildet wurden).
Beispiel 4: 2,5D-IC-Packungsanwendung
Die Silberlegierungs-Bolzenkontakthügel aus Beispiel 1 und Kupfersäulen mit einem Durchmesser von 40 μm, die durch das gleiche Verfahren wie die Kupferkontakthügel in Vergleichsbeispiel 2 gebildet wurden, wurden jeweils auf eine Aluminiumplatte eines integrierten Schaltkreischips ausgebildet. Ein Heißpresskopf wurde dazu verwendet, die Silberlegierungs-Bolzenkontakthügel und die Kupfersäulen jeweils mit Kupferelektroden auf einem Keramiksubstrat zu verbinden, das eine keramische Zwischenschicht enthielt, mit der Vervollständigung der Ausbildung von Durchgängen. Das Ergebnis zeigte, dass eine große Anzahl von Hohlräumen an den Bindungsgrenzflächen von einigen der Kupfersäulen vorhanden waren. Die Hohlräume entstanden hauptsächlich durch das Koplanaritätsproblem der Kupfersäulen. Hingegen zeigte das Ergebnis, dass alle Silberlegierungs-Bolzenkontakthügel perfekte Grenzflächen ohne bekannte Defekte zeigten. Die entstehenden Produkte der Silberlegierungs-Bolzenkontakthügel wurden durch einen dynamischen Drei-Punkt-Biege-Ermüdungstest in einem Zustand einer Auslenkung von 0,1 mm getestet, und das Ergebnis zeigte, dass die durchschnittliche Lebenszeit der Produkte 14.550 Testzyklen betrug.
Beispiel 5: 3D-IC Packungsanwendungen
Die Silberlegierungs-Bolzenkontakthügel aus Beispiel 1 und Kupfersäulen mit einem Durchmesser von 40 μm, die durch das gleiche Verfahren wie die Kupferkontakthügel in Vergleichsbeispiel 2 hergestellt wurden, wurden jeweils auf einer Aluminiumplatte eines integrierten Schaltkreischips gebildet. Ein Heißpresskopf wurde verwendet, um die Silberlegierungs-Bolzenkontakthügel und die Kupfersäulen jeweils mit Kupferelektroden auf einem kristallinen Siliziumsubstrat mit einer Silizium-Zwischenschicht zu binden, mit der Vervollständigung der Bildung von Silizium-Durchgängen (TSVs) darin. Das Ergebnis zeigte, dass viele Hohlräume an den Bindungsgrenzflächen von einigen der Kupfersäulen vorhanden waren. Die Hohlräume resultierten hauptsächlich aus dem Koplanaritätsproblem der Kupfersäulen. Hingegen zeigte das Ergebnis, dass alle Silberlegierungs-Bolzenkontakthügel perfekte Grenzflächen ohne bekannte Defekte zeigten. Die resultierenden Produkte der Silberlegierungs-Bolzenkontakthügel wurden einem dynamischen Drei-Punkt-Biege-Ermüdungstest einer Auslenkung von 0,1 mm unterzogen, und das Ergebnis zeigte, dass die durchschnittliche Lebensdauer der Produkte 16.280 Testzyklen betrug.
Während die vorliegende Erfindung beispielhaft anhand der vorliegenden Ausführungsformen beschrieben wurde, versteht es sich, dass die Erfindung nicht auf die dargestellten Ausführungsformen beschränkt ist. Es ist vielmehr beabsichtigt, verschiedene Abwandlungen und ähnliche Anordnungen (sofern für den Fachmann offensichtlich) einzuschließen. Daher sollte der Umfang der beigefügten Ansprüche so breit wie möglich interpretiert werden, um alle solche Abwandlungen und ähnliche Anordnungen einzuschließen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

TW 103100145 [0001]

Claims

Bolzenkontakthügelstruktur, umfassend: einen ersten Chip; und einen Silberlegierungs-Bolzenkontakthügel, der auf dem ersten Chip aufliegend angeordnet ist, wobei eine Zusammensetzung des Silberlegierungs-Bolzenkontakthügels aus der folgenden Gruppe ausgewählt ist: – eine erste Zusammensetzung aus 0,01 bis 10 Gewichts-% Palladium und Silber als Ausgleichsmaterial; – eine zweite Zusammensetzung aus 0,01 bis 10 Gewichts-% Palladium, 0,01 bis 10 Gewichts-% Platin und Silber als Ausgleichsmaterial; – eine dritte Zusammensetzung aus 0,01 bis 10 Gewichts-% Palladium, 0,01 bis 10 Gewichts-% Platin, 0,01 bis 10 Gewichts-% Gold und Silber als Ausgleichsmaterial; – eine vierte Zusammensetzung aus 0,01 bis 10 Gewichts-% Palladium, 10 bis 800 ppm eines Spurenmetalls und Silber als Ausgleichsmaterial, wobei das Spurenmetall zumindest eines der folgenden enthält: 10 bis 600 ppm Beryllium; 10 bis 100 ppm Cer; oder 10 bis 100 ppm Lanthan; – eine fünfte Zusammensetzung aus 0,01 bis 10 Gewichts-% Palladium, 0,01 bis 10 Gewichts-% Platin, 10 bis 800 ppm eines Spurenmetalls und Silber als Ausgleichsmaterial, wobei das Spurenmetall zumindest eines der folgenden enthält: 10 bis 600 ppm Beryllium; 10 bis 100 ppm Cer; und 10 bis 100 ppm Lanthan; – eine sechste Zusammensetzung aus 0,01 bis 10 Gewichts-% Palladium, 0,01 bis 10 Gewichts-% Gold, 10 bis 800 ppm eines Spurenmetalls und Silber als Ausgleichsmaterial, wobei das Spurenmetall zumindest eines der folgenden enthält: 10 bis 600 ppm Beryllium; 10 bis 100 ppm Cer; und 10 bis 100 ppm Lanthan; und – eine siebte Zusammensetzung aus 0,01 bis 10 Gewichts-% Palladium, 0,01 bis 10 Gewichts-% Platin, 0,01 bis 10 Gewichts-% Gold, 10 bis 800 ppm eines Spurenmetalls und Silber als Ausgleichsmaterial, wobei das Spurenmetall zumindest eines der folgenden enthält: 10 bis 600 ppm Beryllium; 10 bis 100 ppm Cer; und 10 bis 100 ppm Lanthan.
Bolzenkontakthügelstruktur gemäß Anspruch 1, bei welcher der erste Chip einen geteilten einzigen Halbleiterchip oder einen ungeteilten Chip in einem Halbleiter-Wafer umfasst.
Bolzenkontakthügelstruktur gemäß Anspruch 1, bei welcher der erste Chip ferner einen Bondkontaktblock umfasst, und der Silberlegierungs-Bolzenkontakthügel auf dem Bondkontaktblock aufliegend angeordnet ist.
Packungsstruktur, umfassend: einen ersten Chip mit einem Chipauflage-Bondkontaktblock, einem Chipauflage-Silberlegierungs-Bolzenkontakthügel, der auf dem Chipauflage-Bondkontaktblock des ersten Chips aufliegend angeordnet ist; und ein Substrat, umfassend einen Substratauflage-Bondkontaktblock, der elektrisch mit dem Chipauflage-Silberlegierungs-Bolzenkontakthügel durch Flip-Chip-Bonden auf den ersten Chip verbunden ist, wobei eine Zusammensetzung des Chipauflage-Silberlegierungs-Bolzenkontakthügels aus der folgenden Gruppe ausgewählt ist: – eine erste Zusammensetzung aus 0,01 bis 10 Gewichts-% Palladium und Silber als Ausgleichsmaterial; – eine zweite Zusammensetzung aus 0,01 bis 10 Gewichts-% Palladium, 0,01 bis 10 Gewichts-% Platin und Silber als Ausgleichsmaterial; – eine dritte Zusammensetzung aus 0,01 bis 10 Gewichts-% Palladium, 0,01 bis 10 Gewichts-% Platin, 0,01 bis 10 Gewichts-% Gold und Silber als Ausgleichsmaterial; – eine vierte Zusammensetzung aus 0,01 bis 10 Gewichts-% Palladium, 10 bis 800 ppm eines Spurenmetalls und Silber als Ausgleichsmaterial, wobei das Spurenmetall zumindest eines der folgenden umfasst: 10 bis 600 ppm Beryllium; 10 bis 100 ppm Cer; und 10 bis 100 ppm Lanthan; – eine fünfte Zusammensetzung aus 0,01 bis 10 Gewichts-% Palladium, 0,01 bis 10 Gewichts-% Platin, 10 bis 800 ppm eines Spurenmetalls und Silber als Ausgleichsmaterial, wobei das Spurenmetall zumindest eines der folgenden umfasst: 10 bis 600 ppm Beryllium; 10 bis 100 ppm Cer; und 10 bis 100 ppm Lanthan; – eine sechste Zusammensetzung aus 0,01 bis 10 Gewichts-% Palladium, 0,01 bis 10 Gewichts-% Gold, 10 bis 800 ppm eines Spurenmetalls und Silber als Ausgleichsmaterial, wobei das Spurenmetall zumindest eines der folgenden umfasst: 10 bis 600 ppm Beryllium; 10 bis 100 ppm Cer, und 10 bis 100 ppm Lanthan; – und eine siebte Zusammensetzung aus 0,01 bis 10 Gewichts-% Palladium, 0,01 bis 10 Gewichts-% Platin, 0,01 bis 10 Gewichts-% Gold, 10 bis 800 ppm eines Spurenmetalls und Silber als Ausgleichsmaterial, wobei das Spurenmetall zumindest eines der folgenden umfasst: 10 bis 600 ppm Beryllium; 10 bis 100 ppm Cer; und 10 bis 100 ppm Lanthan.
Packungsstruktur gemäß Anspruch 4, bei welcher der erste Chip einen geteilten einzigen Halbleiterchip oder einen ungeteilten Chip in einem Halbleiter-Wafer umfasst.
Packungsstruktur gemäß Anspruch 4, wobei das Substrat einen zweiten Chip umfasst, welcher ein Silizium-Zwischenlage-Chip, ein Silizium-Zwischenlage-Wafer, ein Keramik-Zwischenlagesubstrat oder eine Leiterplatine ist.
Packungsstruktur gemäß Anspruch 4, bei welcher der Chipauflage-Silberlegierungs-Bolzenkontakthügel und der Substratauflage-Bondkontaktblock elektrisch durch einen dazwischen liegenden Klebstoff, ein dazwischen liegendes Lötmaterial oder durch direktes Bonden verbunden sind, durchgeführt durch einen Schritt des direkten Heißpressbondens.
Packungsstruktur gemäß Anspruch 7, bei welcher der Klebstoff ein isotrop elektrisch leitender Klebstoff oder ein anisotrop elektrisch leitender Klebstoff ist.
Packungsstruktur gemäß Anspruch 7, bei welcher der Chipauflage-Silberlegierungs-Bolzenkontakthügel und der Substratauflage-Bondkontaktblock durch einen elektrisch nicht leitenden Klebstoff getragen werden und daher in direktem unmittelbarem Kontakt miteinander stehen.
Packungsstruktur gemäß Anspruch 7, bei welcher eine Verbindungsstelle zwischen dem Chipauflage-Silberlegierungs-Bolzenkontakthügel und dem Substratauflage-Bondkontaktblock geschaffen wird durch direktes Erhitzen und Pressen, so dass der Chipauflage-Silberlegierungs-Bolzenkontakthügel plastisch verformt wird und mit Materialien des Substratauflage-Bondkontaktblocks reagiert.
Packungsstruktur gemäß Anspruch 7, bei welcher eine Verbindungsstelle zwischen dem direkt verbundenen Chipauflage-Silberlegierungs-Bolzenkontakthügel und dem Substratauflage-Bondkontaktblock eine Lötlegierung oder eine Zwischenmetallschicht umfasst, die Zinn enthält.
Verfahren zur Herstellung einer Packungsstruktur, umfassend: Bereitstellung eines Silberlegierungsdrahts; Schmelzen eines Endes des Silberlegierungsdrahts zur Bildung einer freien Luftkugel; Verbinden der freien Luftkugel mit einem Chipauflage-Bondkontaktblock eines ersten Chips zur Bildung einer Kugelbindung; Abschneiden des Silberlegierungsdrahts, derart, dass die Kugelbindung auf dem Chipauflage-Bondkontaktblock verbleibt, zur Bildung eines Chipauflage-Silberlegierungs-Bolzenkontakthügels; und elektrisches Verbinden des ersten Chips mit einem Substratauflage-Bondkontaktblock eines Substrats durch den Chipauflage-Silberlegierungs-Bolzenkontakthügel durch eine Flip-Chip-Verbindung; wobei eine Zusammensetzung des Chipauflage-Silberlegierungs-Bolzenkontakthügels aus der folgenden Gruppe ausgewählt ist: – eine erste Zusammensetzung aus 0,01 bis 10 Gewichts-% Palladium und Silber als Ausgleichsmaterial; – eine zweite Zusammensetzung aus 0,01 bis 10 Gewichts-% Palladium, 0,01 bis 10 Gewichts-% Platin und Silber als Ausgleichsmaterial; – eine dritte Zusammensetzung aus 0,01 bis 10 Gewichts-% Palladium, 0,01 bis 10 Gewichts-% Platin, 0,01 bis 10 Gewichts-% Gold und Silber als Ausgleichsmaterial; – eine vierte Zusammensetzung aus 0,01 bis 10 Gewichts-% Palladium, 10 bis 800 ppm eines Spurenmetalls und Silber als Ausgleichsmaterial, wobei das Spurenmetall zumindest eines der folgenden enthält: 10 bis 600 ppm Beryllium; 10 bis 100 ppm Cer; und 10 bis 100 ppm Lanthan; – eine fünfte Zusammensetzung aus 0,01 bis 10 Gewichts-% Palladium, 0,01 bis 10 Gewichts-% Platin, 10 bis 800 ppm eines Spurenmetalls und Silber als Ausgleichsmaterial, wobei das Spurenmetall zumindest eines der folgenden enthält: 10 bis 600 ppm Beryllium; 10 bis 100 ppm Cer; und 10 bis 100 ppm Lanthan; – eine sechste Zusammensetzung aus 0,01 bis 10 Gewichts-% Palladium, 0,01 bis 10 Gewichts-% Gold, 10 bis 800 ppm eines Spurenmetalls und Silber als Ausgleichsmaterial, wobei das Spurenmetall zumindest eines der folgenden enthält: 10 bis 600 ppm Beryllium; 10 bis 100 ppm Cer; und 10 bis 100 ppm Lanthan; und – eine siebte Zusammensetzung aus 0,01 bis 10 Gewichts-% Palladium, 0,01 bis 10 Gewichts-% Platin, 0,01 bis 10 Gewichts-% Gold, 10 bis 800 ppm eines Spurenmetalls und Silber als Ausgleichsmaterial, wobei das Spurenmetall zumindest eines der folgenden enthält: 10 bis 600 ppm Beryllium; 10 bis 100 ppm Cer; und 10 bis 100 ppm Lanthan.
Verfahren zur Herstellung einer Packungsstruktur gemäß Anspruch 12, wobei die Flip-Chip-Verbindung ferner umfasst: Umdrehen des ersten Chips zur Anordnung des Chipauflage-Silberlegierungs-Bolzenkontakthügels aufliegend auf dem Substratauflage-Bondkontaktblock des Substrats; und Verbinden des Chipauflage-Silberlegierungs-Bolzenkontakthügels mit dem Substratauflage-Bondkontaktblock unter Verwendung eines Klebstoffs.
Verfahren zur Herstellung einer Packungsstruktur gemäß Anspruch 12, bei welcher der Klebstoff ein isotrop elektrisch leitender Klebstoff oder ein anisotrop elektrisch leitender Klebstoff ist.
Verfahren zur Herstellung einer Packungsstruktur gemäß Anspruch 13, bei welcher der Klebstoff ein elektrisch nicht leitender Klebstoff ist, und die Flip-Chip-Verbindung ferner umfasst: – nach dem Verbinden des Chipauflage-Silberlegierungs-Bolzenkontakthügels mit dem Substratauflage-Bondkontaktblock unter Verwendung des Klebstoffs, Abkühlen des elektrisch nicht leitenden Klebstoffs zum Schrumpfen des Volumens des elektrisch nicht leitenden Klebstoffs durch Kühlen, derart, dass der Chipauflage-Silberlegierungs-Bolzenkontakthügel in direktem unmittelbarem Kontakt mit dem Substratauflage-Bondkontaktblock gerät und elektrisch damit verbunden ist.
Verfahren zur Herstellung einer Packungsstruktur gemäß Anspruch 12, wobei die Flip-Chip-Verbindung ferner umfasst: – Umdrehen des ersten Chips zur Anordnung des Chipauflage-Silberlegierungs-Bolzenkontakthügels aufliegend auf dem Substratauflage-Bondkontaktblock des Substrats; und – Verbinden des Chipauflage-Silberlegierungs-Bolzenkontakthügels und des Substratauflage-Bondkontaktblocks unter Verwendung eines Lötmaterials.
Verfahren zur Herstellung einer Packungsstruktur gemäß Anspruch 16, bei welcher das Lötmaterial ein Füllmetall mit einer Dicke von 10 μm oder größer ist, und Teile des Lötfüllmetalls mit dem Substratauflage-Bondkontaktblock während des Verbindens des Chipauflage-Silberlegierungs-Bolzenkontakthügels mit dem Substratauflage-Bondkontaktblock reagieren, wobei die verbleibenden Teile des Lötfüllmetalls an einer Grenzfläche zwischen dem Chipauflage-Silberlegierungs-Bolzenkontakthügel und dem Substratauflage-Bondkontaktblock verbleiben.
Verfahren zur Herstellung einer Packungsstruktur gemäß Anspruch 17, bei welcher der Verbindungsschritt unter Verwendung des Lötfüllmetalls unter einer Luft- oder Stickstoffatmosphäre ohne Druck bei einer Temperatur höher als der Schmelzpunkt der Lötfüllung bei einer Differenz von 10°C für eine bis drei Minuten durchgeführt wird.
Verfahren zur Herstellung einer Packungsstruktur gemäß Anspruch 16, bei welcher das Lötmaterial eine dünne Schicht mit einer Dicke kleiner als 10 μm ist, und die Lötschicht mit dem Substratauflage-Bondkontaktblock reagiert und während des Verbindens des Chipauflage-Silberlegierungs-Bolzenkontakthügels und des Substratauflage-Bondkontaktblocks vollständig aufgebraucht wird, während eine Zwischenmetallschicht, die Zinn enthält, an einer Grenzfläche zwischen dem Chipauflage-Silberlegierungs-Bolzenkontakthügel und dem Substratauflage-Bondkontaktblock gebildet wird.
Verfahren zur Herstellung einer Packungsstruktur gemäß Anspruch 19, bei welcher der Verbindungsschritt unter Verwendung der Lötschicht in einer Vakuum-Umgebung zwischen 10^–3 Torr und 10^–6 Torr unter Verwendung von Heißpressbonden bei einer Temperatur höher als der Schmelzpunkt der Lötschicht mit einer Differenz von mehr als 10°C mit einem Druck zwischen 0,1 Kg/mm² und 1 Kg/mm² durchgeführt wird, der auf den Chipauflage-Silberlegierungs-Bolzenkontakthügel und den Substratauflage-Bondkontaktblock für 5 bis 30 Minuten ausgeübt wird.
Verfahren zur Herstellung einer Packungsstruktur gemäß Anspruch 12, bei welcher die Flip-Chip-Verbindung ferner umfasst: – Umdrehen des ersten Chips zur Anordnung des Chipauflage-Silberlegierungshügels aufliegend auf dem Substratauflage-Bondkontaktblock des Substrats; und – Verbinden des Chipauflage-Silberlegierungs-Bolzenkontakthügels mit dem Substratauflage-Bondkontaktblock unter Einwirkung von Hitze und Druck unmittelbar auf den ersten Chip, den Chipauflage-Silberlegierungs-Bolzenkontakthügel und die Substratauflage-Bondkontaktblock des Substrats unter Verwendung von Heißpressbonden.
Verfahren zur Herstellung einer Packungsstruktur gemäß Anspruch 21, bei welcher das Heißpressbonden durchgeführt wird unter Atmosphärenbedingungen bei einer Temperatur zwischen 300°C und 600°C mit einem Druck zwischen 0,5 Kg/mm² und 3 Kg/mm², ausgeübt auf den Chipauflage-Silberlegierungs-Bolzenkontakthügel und den Substratauflage-Bondkontaktblock für 3 bis 60 Sekunden.