一种基于铜微针锥的固态超声键合方法技术

本发明专利技术公开了一种基于铜微针锥的固态超声键合方法，包括步骤为：选择具有相互匹配的电互连焊盘的两个或多个待键合元件，两两形成一待键合偶；在待键合偶的其中一侧的焊盘上形成凸点，所述凸点底部为第一金属，表面设有低硬度第二金属；在待键合偶的另一侧的焊盘上形成铜微针锥；将待键合偶的一侧元件吸附在键合装置压头表面；将待键合偶的两侧的焊盘对准，使所述凸点与所述铜微针锥匹配接触，向待键合偶的一侧施加键合压力和超声振动并保持一定时间，使得所述凸点与所述铜微针锥互连键合。本发明专利技术中铜微针锥与固态焊料有良好的机械咬合作用，增强了键合效果；超声振动能可以软化焊料，明显地防止键合过程空洞的发生，提高键合质量。

【技术实现步骤摘要】
【专利摘要】本专利技术公开了，包括步骤为：选择具有相互匹配的电互连焊盘的两个或多个待键合元件，两两形成一待键合偶；在待键合偶的其中一侧的焊盘上形成凸点，所述凸点底部为第一金属，表面设有低硬度第二金属；在待键合偶的另一侧的焊盘上形成铜微针锥；将待键合偶的一侧元件吸附在键合装置压头表面；将待键合偶的两侧的焊盘对准，使所述凸点与所述铜微针锥匹配接触，向待键合偶的一侧施加键合压力和超声振动并保持一定时间，使得所述凸点与所述铜微针锥互连键合。本专利技术中铜微针锥与固态焊料有良好的机械咬合作用，增强了键合效果；超声振动能可以软化焊料，明显地防止键合过程空洞的发生，提高键合质量。【专利说明】
本专利技术涉及半导体芯片封装领域，具体是通过表面微针锥金属层的使用，实现元 件间超声互连键合的方法。
技术介绍
目前电子封装向小型化、高密度化和多芯片化发展，电互连技术是电子封装技术 中的核心技术，传统的熔融键合通过高温使得焊料在焊点处融化润湿，冷却后使得键合点 固化，从而获得较好的连接。如传统的再流焊工艺需要将温度加热到焊料熔点以上，高的温 度环境对芯片本身会产生恶劣的影响，大大降低产品的可靠性。为了达到理想的焊接强度， 常常使用助焊剂等有机物，焊接完成后需除去相应残留物，这需要耗费大量的生产时间，进 而降低了生产效率。 寻求低焊接温度、高焊接强度的工艺已经成为互连技术的发展趋势。现今有大量 文献及专利描述使用非熔融方法实现互连，其中非常重要的途径是利用纳米材料对键合偶 表面进行处理，从而降低键合所需的温度。例如利用纳米级金、银等材料的高表面能，降低 再结晶温度，从而在压力辅助下产生低温烧结现象，进而实现低温焊接。对于直径为l〇〇nm 的纳米银颗粒而言，键合可在300° C以下温度、25MPa压力下进行，获得剪切强度在lOMPa 以上。又例如，一些金属在低温下可相互作用形成高熔点金属间化合物，如铟-银，铟-锡 等都可以用来实现低温互连。 通过改变键合偶的表面形貌，也可以达到降低键合温度的效果。微针锥阵列材料 由于其针尖结构可以破坏焊料氧化层，被运用在热压键合中，键合后形成嵌入式的界面，在 160-200° C可获得较为理想的键合强度，然而该技术由于诸多瓶颈难以实际应用。例如界 面存在的空洞使得键合质量不佳，因此需要后期对焊接点持续加热以提高界面强度；空洞 的存在使得键合需要较长的时间，这严重影响了其实际应用范围。
技术实现思路
本专利技术针对上述现有技术中存在的问题，提出一种基于铜微针锥的固态超声键合 方法，该方法能够克服以往工艺存在的一些缺陷，避免回流焊工艺温度高对器件造成的热 损伤，同时避免了铜微针锥热压焊的界面空洞问题和键合时间过长问题。 为解决上述技术问题，本专利技术是通过如下技术方案实现的： 本专利技术提供，包含以下步骤： 1) 选择具有相互匹配的电互连焊盘的两个或多个待键合元件，两两形成一待键合偶； 2) 在待键合偶的其中一侧的电互连焊盘上形成凸点，所述凸点底部为第一金属，表面 设有低硬度第二金属； 3) 在待键合偶的另一侧的电互连焊盘上形成铜微针锥； 4) 将待键合偶的一侧元件吸附在键合装置压头表面； 5) 将待键合偶的两侧的电互连焊盘对准，使所述凸点与所述铜微针锥匹配接触，向待 键合元件施加键合压力和超声振动并保持一定时间，使得所述凸点与所述铜微针锥互连键 合。 优选地，所述铜微针锥的形成通过电沉积法实现，通过控制添加剂浓度、时间、电 沉积温度、电流密度等参数，控制针锥高度在200纳米至2000纳米之间，所述铜微针锥的锥 底直径在100纳米至1000纳米之间。 优选地，同一焊盘的所述铜微针锥的针锥高度基本一致。 优选地，形成铜微针锥后，在所述铜微针锥表面制备防氧化层。 优选地，所述防氧化层为高温下抗氧化的Au、Pt、Ag、Pd等金属单质或合金，厚度 为数纳米至数十纳米，并且不改变铜微针锥的形貌结构。 优选地，所述压头为中空结构，通过真空负压方式吸附所述待键合元件，键合过程 结束后压头复位并脱尚兀件。 优选地，所述超声振动由超声波发生器产生，超声频率一般为10-150kHz，通过机 械装置传导至所述压头及所述待键合元件。 优选地，键合过程在压力及超声振动下保持数百至数千微秒，保持时间由焊料金 属种类、键合压力、超声功率及频率要求的最优化结果决定。 优选地，所述凸点表面的低硬度第二金属材质包括锡、铟、锡合金或铟合金。 优选地，所述凸点表面的低硬度第二金属层通过电沉积法、化学沉积法、气相沉积 法或涂覆法设置在所述凸点表面。 一般，键合过程在室温下进行，操作温度为15摄氏度至40摄氏度，由于超声振动 摩擦而产生的局部温度升高不影响本方法的效果；键合压力一般在〇. l-30MPa之间，依据 键合超声功率而定；键合时间一般在0.04-5S之间，依据键合压力和键合超声功率而定。操 作温度低，键合时间短，更易于操作，可广泛应用。 相较于现有技术，本专利技术具有以下优点： 本专利技术中铜微针锥与固态焊料有良好的机械咬合作用，同时其良好的表面活性导致的 互扩散强化机制会增强键合效果；本专利技术中的超声振动能可以软化焊料，明显地防止键合 过程空洞的发生，进而有效地降低键合温度，提高键合质量。 【专利附图】【附图说明】 下面结合附图对本专利技术的实施方式作进一步说明： 图1为本专利技术的铜微针锥与凸点在键合之前的剖面图。 【具体实施方式】 下面对本专利技术的实施例作详细说明，本实施例在以本专利技术技术方案为前提下进行 实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本专利技术的保护范围不限于下述的实施 例。 请参阅图1，本专利技术的基于铜微针锥的固态超声键合方法，包括以下步骤： 1) 选择具有相互匹配的电互连焊盘的两个或多个待键合元件，两两形成一待键合偶； 2) 在待键合偶的其中一侧的电互连焊盘上形成凸点120,凸点120的底部为第一金属， 表面设有低硬度第二金属； 3) 在待键合偶的另一侧的电互连焊盘上形成铜微针锥130 ; 4) 将待键合偶的一侧元件吸附在键合装置压头110表面； 5) 将待键合偶的两侧的电互连焊盘对准，使所述凸点120与所述铜微针锥130匹配接 触，向待键合偶的一侧施加键合压力和超声振动并保持一定时间，使得凸点120与铜微针 锥130互连键合。 实施例1 (1) 凸点120制备：在印刷线路板（PCB)用于球栅阵列（BGA)型表面贴装的焊盘区域 金属块上制备300 - 800 μ m的锡合金焊球； (2) 铜微针锥130制备：在另一印刷线路板（PCB)用于球栅阵列（BGA)型表面贴装的 焊盘区域金属块上制备铜微针锥130,先通过电化学除油处理清洁表面，随后浸入20wt. % 硫酸中活化以提高表面活性。使用电沉积法制备铜微针锥，所用电解液成分为：l〇〇g/L的 CuS04*5H20、40g/L的驶04、0. 2g /L的添加剂、40 g /L的络合剂，其中添加剂的作用是使 铜微针锥垂直生长。电沉积条件为20° C，pH=3,电流密度为1. 2A/dm2,沉积时间为3min。 制备的铜微针锥高度大约800nm，锥体直径为约300nm?400nm。 本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于铜微针锥的固态超声键合方法，其特征在于，包括步骤如下：1）选择具有相互匹配的电互连焊盘的两个或多个待键合元件，两两形成一待键合偶；2）在待键合偶的其中一侧的电互连焊盘上形成凸点，所述凸点底部为第一金属，表面设有低硬度第二金属；3）在待键合偶的另一侧的电互连焊盘上形成铜微针锥；4）将待键合偶的一侧元件吸附在键合装置压头表面；5）将待键合偶的两侧的电互连焊盘对准，使所述凸点与所述铜微针锥匹配接触，向待键合偶的一侧施加键合压力和超声振动并保持一定时间，使得所述凸点与所述铜微针锥互连键合。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：胡安民，李明，胡丰田，王浩哲，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：上海;31