使用加热键合头的直接晶粒装配制造技术

本发明专利技术公开了一种键合包含有焊料层的晶粒的方法，焊料层具有熔点Ｔｍ，该方法包含有以下步骤：将键合头加热到键合头设定温度Ｔ１，Ｔ１高于Ｔｍ；将衬底加热到衬底设定温度Ｔ２，Ｔ２低于Ｔｍ；使用键合头拾取晶粒，并朝向温度Ｔ１加热晶粒，以便于熔化焊料层；将晶粒的焊料层按压在衬底上，以便于键合晶粒到衬底上；其后将键合头与晶粒分开，以便于焊料层朝向温度Ｔ２冷却并固化。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及半导体晶粒(dice)或芯片，如发光二极管LEDs (light-emitting diodes)在衬底上的键合。
技术介绍
对于电子封装件装配过程中的晶粒键合，结实耐用的晶粒装配工艺对实现低 阻抗、低热阻和良好的机电一体化而言是关键的。现有的用于高亮度LED(HBLED:High Brightness LED)器件的晶粒键合工艺通常包括银(Ag)环氧树脂键合、金-锡(gold-tin) (AuSn)共晶键合(eutectic bonding)、用于倒装芯片键合的金(Au)球(goldstuds)的 热超声键合(TS :thermosonic bonding)或焊料凸块(solderbumps)的回流焊接(solder reflow)。虽然银环氧树脂键合是简单而又成熟的工艺，但是它的低热传导能力限制了它在 大功率场合的应用。倒装芯片结构具有用于有效散热的接触区域相对小的缺点。在这些晶 粒键合方法中，金_锡共晶键合提供了低热阻和接触区域相对大的优点，这些优点特别有 益于功率器件的应用场合。在芯片构造过程中，80%金/20%锡的共晶金属层沉积在芯片的 底部。该金属层的熔化温度通常大约为28(TC。 关于金-锡共晶晶粒装配，目前存在两种可能的方法，即助焊剂共晶晶粒装配 (flux eutectic die attach)禾口直接共晶晶粒装配(direct eutectic die attach)。在助 焊剂共晶晶粒装配过程中，少量的助焊剂被放置在封装件衬底上，而LED放置在助焊剂上。 此后，带有多个安装其上的LED的衬底将会被放入回焊炉(reflow oven)中完成键合。在整 个工艺过程中没有施加外力。这种方法的好处是不会发生晶粒装配金属的挤出效应。然而， 存在一些难题妨碍该工艺的有效性。其中最相关之一的是助焊剂残留(flux residue)，由 于湿气腐蚀(moisture corrosion)这可能导致封装件可靠性问题。而且，由于助焊剂滴涂 体积和精度一致性的控制难度，包括晶粒倾斜和晶粒转动的芯片移动不能得以避免。不充 足的助焊剂引起金-锡材料的不沾锡(nonietting)，但是使用太多的助焊剂会导致金-锡 材料的沾锡不良(poorietting)和影响放置精度。 直接共晶晶粒装配包括在带有保护气体的环境腔室(ambientchamber)内将衬 底预热至300-32(TC，然后通过键合头夹体拾取LED并使用压力将其放置在加热的衬底 上。经过特定的时间(大约100-200ms)之后，接触力被释放。起初在这个工艺中，衬底 上金-锡共晶层将会处于熔融状态。在衬底键合盘材料(金、银、钯等)在熔融的金-锡 共晶层中熔化，并达到在该温度下的饱和极限(saturationlimit)之后，由于偏共晶成分 (off-eutectic composition)的高熔点凝固将会出现。结果，通过金_锡共晶材料LED被 键合在衬底上。由于在所述的LED晶粒装配过程中使用了外力，且在该工艺中不需要助焊 剂，所以可以发现其键合性能和助焊剂共晶晶粒装配相比更加令人鼓舞。 但是，在制造HBLED器件的过程中，直接晶粒装配近来出现了两个问题。首先，由 于厚的金_锡层凝固速率缓慢，在键合头从芯片表面移离之后被挤出的焊料趋于回流，键 合之后孔洞(voids)可能出现在LED和衬底之间的接合处。这些孔洞是不可以接受的，因为电子封装的可靠性严重依赖于晶粒装配的质量，任何的孔洞或细小的分层(delamination) 可能导致晶粒中快速的温度提升，迟早导致封装件故障。更重要的是，随着衬底尺寸的增 加，在每个衬底上待键合的单元数量达到几百个或者甚至超过一千多个单元。在整个衬底 上完成LEDs键合将会花费显著多的时间，已键合的LEDs将在加热的衬底上忍受更长的退 火时间(annealing time)，这将降低LED的性能。 充分地加快焊料凝固的速度以控制孔洞在接合处的出现是令人期望的。避免已经 键合在加热的衬底上的LEDs的退火而导致的毁坏，这也是令人期望的。
技术实现思路
因此，本专利技术的目的在于提供一种直接晶粒装配的晶粒键合方法，其避免了现有 的晶粒键合方法的至少部分的前述不足。 于是，本专利技术提供一种键合包含有焊料层的晶粒的方法，焊料层具有熔点Tm，该方 法包含有以下步骤将键合头加热到键合头设定温度Tl， Tl高于Tm ;将衬底加热到衬底设 定温度T2，T2低于Tm ;使用键合头拾取晶粒，并朝向温度Tl加热晶粒，以便于熔化焊料层； 将晶粒的焊料层按压在衬底上，以便于键合晶粒到衬底上；其后将键合头与晶粒分开，以便 于焊料层朝向温度T2冷却并固化。 参阅后附的描述本专利技术实施例的附图，随后来详细描述本专利技术是很方便的。附图 和相关的描述不能理解成是对本专利技术的限制，本专利技术的特点限定在权利要求书中。附图说明 根据本专利技术较佳实施例所述的晶粒键合方法的实例现将参考附图加以详细描述，其中 图1 (a)-图1 (d)所示为本专利技术较佳实施例所述晶粒键合操作的侧视示意图，其连 续地演示了用于装配晶粒于衬底上的处理步骤。 图2是根据本专利技术较佳实施例所述的包含于直接晶粒键合操作中的控制步骤的 流程图。 图3所示为在图1和图2所描述的各个处理步骤中表明金_锡共晶层不同温度的 曲线图。具体实施例方式图1 (a)-图1 (d)所示为本专利技术较佳实施例所述晶粒键合操作的侧视示意图，其连 续地演示了用于装配晶粒于衬底上的处理步骤。 在1 (a)中，首先将键合头10加热到键合头设定温度Tl。在本实施例中的键合头 10具有加热元件12和与其相连的真空系统。该真空系统(图中未示)被用来在晶粒夹体 16的吸附孔14中保持负压。该吸附孔14的尺寸小于晶粒18的大小，该晶粒可以是高亮 度或其他LED芯片。当键合头IO通过夹体吸附夹持晶粒18的时候，键合头10的加热元件 12所产生的热量被传导到晶粒夹体16，并接着传导到晶粒18。 晶粒18包含有位于其底部的焊料层，如共晶层20，其具有熔点Tm。键合头设定温 度Tl高于共晶层20的熔点Tm。较合适地，Tl高于Tm5-5(TC。所以，加热晶粒18的键合头温度可以设定为285-330°C以便于熔化金_锡共晶层20，这里该金-锡共晶层通常具有大 约为28(TC的熔化温度。 拾取臂将会从晶圆平台上的黏结片(adhesive sheet)，可能是聚脂薄膜纸(mylar P即er)处拾取晶粒18。较合适地晶粒18是共晶层20朝下安装在聚脂薄膜纸上。然后在不 加热晶粒18的情形下，拾取臂如此将晶粒18放置在台体22上以便于共晶层20朝下。加 热的键合头10从台体22处拾取晶粒。该台体22用作为将晶粒18从晶圆平台移送到加热 的键合头10的媒介。加热的键合头10不应直接接触聚脂薄膜纸，因为热量将会破坏支撑 晶圆的聚脂薄膜纸，并负面影响其他没有被拾取的晶粒的支撑结构。可供选择地，拾取臂也 可以使用来从晶圆平台上的聚脂薄膜纸处拾取晶粒18，而被装配的晶粒18的共晶层20朝 上。然后，拾取臂倒置该晶粒以便于共晶层20朝下，而加热的键合头IO直接从拾取臂处拾 取晶粒18。 在图1 (b)中，衬底30基本上被封闭在包括加热通道36的腔室中。衬本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种键合包含有焊料层的晶粒的方法，焊料层具有熔点Ｔｍ，该方法包含有以下步骤：将键合头加热到键合头设定温度Ｔ１，Ｔ１高于Ｔｍ；将衬底加热到衬底设定温度Ｔ２，Ｔ２低于Ｔｍ；使用键合头拾取晶粒，并朝向温度Ｔ１加热晶粒，以便于熔化焊料层；将晶粒的焊料层按压在衬底上，以便于键合晶粒到衬底上；其后将键合头与晶粒分开，以便于焊料层朝向温度Ｔ２冷却并固化。

【技术特征摘要】
US 2008-10-27 12/258,675一种键合包含有焊料层的晶粒的方法，焊料层具有熔点Tm，该方法包含有以下步骤将键合头加热到键合头设定温度T1，T1高于Tm；将衬底加热到衬底设定温度T2，T2低于Tm；使用键合头拾取晶粒，并朝向温度T1加热晶粒，以便于熔化焊料层；将晶粒的焊料层按压在衬底上，以便于键合晶粒到衬底上；其后将键合头与晶粒分开，以便于焊料层朝向温度T2冷却并固化。2. 如权利要求1所述的方法，其中键合头设定温度Tl高于Tm5-50°C。3. 如权利要求2所述的方法，其中衬底设定温度T2低于Tm5-50°C 。4. 如权利要求1所述的方法，其中在将晶粒按压在衬底上的步骤中，晶粒的温度下降 到温度T3， T3位于Tl和Tm之间。5. 如权利要求1所述的方法，其中焊料层的熔点Tm大约为280°C。6. 如权利要求1所述的方法，该方法还包含有以下步骤在使用键合头从台体处拾取晶粒的步骤以前，首先将晶粒装配...

【专利技术属性】
技术研发人员：李明，丁颖，屠平亮，罗敬铭，钟国基，
申请(专利权)人：先进自动器材有限公司，
类型：发明
国别省市：HK[中国|香港]