一種基于鎳和銅微針錐異種結(jié)構(gòu)的固態(tài)超聲鍵合方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于鎳和銅微針錐異種結(jié)構(gòu)的固態(tài)超聲鍵合方法，包括步驟為：選擇具有相互匹配的電互連焊盤的兩個(gè)或多個(gè)待鍵合元件，兩兩形成一待鍵合偶；在待鍵合偶的其中一側(cè)的焊盤上形成鎳微針錐；在待鍵合偶的另一側(cè)的焊盤上形成銅微針錐；將待鍵合偶的一側(cè)元件吸附在鍵合裝置壓頭表面；將所述待鍵合偶的兩側(cè)焊盤對(duì)準(zhǔn)，使所述鎳微針錐與所述銅微針錐匹配接觸，向所述待鍵合偶一側(cè)施加鍵合壓力和超聲振動(dòng)并保持一定時(shí)間，使得所述鎳微針錐與所述銅微針錐互連鍵合。本發(fā)明的工藝過程簡(jiǎn)單，無需加熱及助焊劑，可避免熱損傷，提高產(chǎn)品可靠性；微針錐結(jié)構(gòu)縮短了超聲鍵合的時(shí)間，提高了互連的有效性和鍵合密度。
【專利說明】一種基于鎳和銅微針錐異種結(jié)構(gòu)的固態(tài)超聲鍵合方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及半導(dǎo)體芯片封裝領(lǐng)域，具體是通過表面微針錐金屬層的使用，實(shí)現(xiàn)元 件間超聲互連鍵合的方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 目前電子封裝向小型化、高密度化和多芯片化發(fā)展，電互連技術(shù)是電子封裝技術(shù) 中的核心技術(shù)，傳統(tǒng)的熔融鍵合通過高溫使得焊料在焊點(diǎn)處融化潤濕，冷卻后使得鍵合點(diǎn) 固化，從而獲得較好的連接。如傳統(tǒng)的再流焊工藝需要將溫度加熱到焊料熔點(diǎn)以上，高的溫 度環(huán)境對(duì)芯片本身會(huì)產(chǎn)生惡劣的影響，大大降低產(chǎn)品的可靠性。為了達(dá)到理想的焊接強(qiáng)度， 常常使用助焊劑等有機(jī)物，焊接完成后需除去相應(yīng)殘留物，這需要耗費(fèi)大量的生產(chǎn)時(shí)間，進(jìn) 而降低了生產(chǎn)效率。
[0003] 尋求低焊接溫度、高焊接強(qiáng)度的工藝已經(jīng)成為互連技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)?，F(xiàn)今有大量 文獻(xiàn)及專利描述使用非熔融方法實(shí)現(xiàn)互連，其中非常重要的途徑是利用納米材料對(duì)鍵合偶 表面進(jìn)行處理，從而降低鍵合所需的溫度。例如利用納米級(jí)金、銀等材料的高表面能，降低 再結(jié)晶溫度，從而在壓力輔助下產(chǎn)生低溫?zé)Y(jié)現(xiàn)象，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)低溫焊接。對(duì)于直徑為l〇〇nm 的納米銀顆粒而言，鍵合可在300° C以下溫度、25MPa壓力下進(jìn)行，獲得剪切強(qiáng)度在lOMPa 以上。又例如，一些金屬在低溫下可相互作用形成高熔點(diǎn)金屬間化合物，如銦-銀，銦-錫 等都可以用來實(shí)現(xiàn)低溫互連。
[0004] 超聲鍵合是利用超聲波發(fā)生器產(chǎn)生的能量，通過換能器在超高頻率磁場(chǎng)感應(yīng)下迅 速伸縮而產(chǎn)生彈性震動(dòng)，然后經(jīng)變幅桿傳給劈刀，使其震動(dòng)，同時(shí)在劈刀上施加一定壓力。 劈刀在二種合力的共同作用下是焊區(qū)二個(gè)金屬面緊密接觸，達(dá)到原子間的"鍵合"，形成牢 固的焊接。
[0005] 通過改變鍵合偶的表面形貌，也可以達(dá)到降低鍵合溫度的效果。微針錐陣列材料 由于其針尖結(jié)構(gòu)可以破壞焊料氧化層，被運(yùn)用在熱壓鍵合中，鍵合后形成嵌入式的界面，在 160-200° C可獲得較為理想的鍵合強(qiáng)度，然而該技術(shù)由于諸多瓶頸難以實(shí)際應(yīng)用。例如界 面存在的空洞使得鍵合質(zhì)量不佳，因此需要后期對(duì)焊接點(diǎn)持續(xù)加熱以提高界面強(qiáng)度；空洞 的存在使得鍵合需要較長的時(shí)間，這嚴(yán)重影響了其實(shí)際應(yīng)用范圍。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明的目的在于提供一種鎳和銅微針錐異種結(jié)構(gòu)的固態(tài)超聲鍵合方法，該方 法能夠克服以往工藝存在的一些缺陷，避免回流焊工藝溫度高對(duì)器件造成的熱損傷，同時(shí) 避免了微針錐熱壓焊的界面空洞問題和鍵合時(shí)間過長問題，通用性強(qiáng)，連接效率高，可靠性 好。
[0007] 為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明是通過如下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的： 本發(fā)明提出一種基于鎳和銅微針錐異種結(jié)構(gòu)的固態(tài)超聲鍵合方法，包括步驟如下： 1)選擇具有相互匹配的電互連焊盤的兩個(gè)或多個(gè)待鍵合元件，兩兩形成一待鍵合偶； 2) 在待鍵合偶的其中一側(cè)的電互連焊盤上形成鎳微針錐； 3) 在待鍵合偶的另一側(cè)的電互連焊盤上形成銅微針錐； 4) 將待鍵合偶的一側(cè)元件吸附在鍵合裝置壓頭表面； 5) 將待鍵合元件的兩側(cè)的電互連焊盤對(duì)準(zhǔn)，使所述鎳微針錐與所述銅微針錐匹配接 觸，向所述待鍵合偶一側(cè)施加鍵合壓力和超聲振動(dòng)并保持一定時(shí)間，使得所述鎳微針錐與 所述銅微針錐互連鍵合。
[0008] 優(yōu)選地，所述鎳微針錐及所述銅微針錐的形成通過電沉積法實(shí)現(xiàn)，通過控制添加 劑濃度、時(shí)間、電沉積溫度、電流密度等參數(shù)，控制所述鎳微針錐的高度在500納米至2000 納米之間，所述鎳微針錐的錐底直徑在200納米至1000納米之間，所述銅微針錐的高度在 200納米至2000納米之間，所述銅微針錐的錐底直徑在100納米至1000納米之間；同一焊 盤的所述鎳微針錐或者所述銅微針錐的針錐高度基本一致。
[0009] 優(yōu)選地，形成所述鎳微針錐和所述銅微針錐后，在所述鎳微針錐和所述銅微針錐 表面制備防氧化層；所述防氧化層為高溫下抗氧化的Au、Pt、Ag、Pd、Sn等金屬單質(zhì)或合金， 厚度為數(shù)納米至數(shù)十納米，不改變所述鎳微針錐和所述銅微針錐的形貌結(jié)構(gòu)。
[0010] 優(yōu)選地，所述壓頭為中空結(jié)構(gòu)，通過真空負(fù)壓方式吸附所述待鍵合元件，鍵合過程 結(jié)束后壓頭復(fù)位并脫尚兀件。
[0011] 優(yōu)選地，所述超聲振動(dòng)由超聲波發(fā)生器產(chǎn)生，超聲頻率一般為10-150kHz，通過機(jī) 械裝置傳導(dǎo)至所述壓頭及所述待鍵合元件；鍵合過程在壓力及超聲振動(dòng)下保持?jǐn)?shù)百至數(shù)千 微秒，保持時(shí)間由金屬種類、鍵合壓力、超聲功率及頻率要求的最優(yōu)化結(jié)果決定。
[0012] 一般，鍵合過程在室溫下進(jìn)行，操作溫度為15攝氏度至40攝氏度；施加的鍵合壓 力為0. l-30MPa，鍵合時(shí)間為0.04-5S。操作溫度低，鍵合時(shí)間短，更易于操作，可廣泛應(yīng)用。
[0013] 相較于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)： 本發(fā)明中鎳微針錐與銅微針錐有良好的機(jī)械咬合作用，同時(shí)其良好的表面活性導(dǎo)致的 互擴(kuò)散強(qiáng)化機(jī)制會(huì)增強(qiáng)鍵合效果，明顯地防止鍵合過程空洞的發(fā)生，進(jìn)而有效地降低鍵合 溫度，提高鍵合質(zhì)量。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0014] 下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的實(shí)施方式作進(jìn)一步說明： 圖1為本發(fā)明的鎳微針錐與銅微針錐在鍵合之前的剖面圖。

【具體實(shí)施方式】
[0015] 下面對(duì)本發(fā)明的實(shí)施例作詳細(xì)說明，本實(shí)施例在以本發(fā)明技術(shù)方案為前提下進(jìn)行 實(shí)施，給出了詳細(xì)的實(shí)施方式和具體的操作過程，但本發(fā)明的保護(hù)范圍不限于下述的實(shí)施 例。
[0016] 請(qǐng)參閱圖1，本發(fā)明的基于鎳和銅微針錐異種結(jié)構(gòu)的固態(tài)超聲鍵合方法，包括步驟 如下： 1) 選擇具有相互匹配的電互連焊盤的兩個(gè)或多個(gè)待鍵合元件，兩兩形成一待鍵合偶； 2) 在待鍵合偶的其中一側(cè)的電互連焊盤上形成鎳微針錐120 ; 3) 在待待鍵合偶的另一側(cè)的電互連焊盤上形成銅微針錐130 ; 4) 將待鍵合偶的一側(cè)元件吸附在鍵合裝置壓頭110表面； 5) 將待鍵合偶的兩側(cè)的電互連焊盤對(duì)準(zhǔn)，使所述鎳微針錐120與所述銅微針錐130匹 配接觸，向所述待鍵合偶的一側(cè)施加鍵合壓力和超聲振動(dòng)并保持一定時(shí)間，使得所述鎳微 針錐120與所述銅微針錐130互連鍵合。
[0017] 實(shí)施例1 (1)鎳微針錐制備：在帶有I/O焊盤的裸芯片上制備鎳微針錐，先通過電化學(xué)除油處理 清潔表面，隨后浸入20wt. %硫酸中活化以提高表面活性。使用電沉積方法制備鎳針錐，所 用電解液成分為：120g/L的NiCl2、40g/L的!^0 4、200g/L的結(jié)晶調(diào)整劑。電沉積條件 為60° C，pH=4,電流密度為2A/dm2,沉積時(shí)間為20min。制備的鎳針錐高度大約lOOOnm，錐 體直徑為約300nm?500nm。
[0018] (2)銅微針錐制備：在另一帶有I/O焊盤的裸芯片上制備銅微針錐，先通過電化學(xué) 除油處理清潔表面，隨后浸入20wt. %硫酸中活化以提高表面活性。使用電沉積方法制備 銅針錐，所用電解液成分為：l〇〇g/L的CuS04,5H 20、40g/L的駛04、0. 2g /L的添加劑、 40 g /L的絡(luò)合劑，其中添加劑的作用是使銅微針錐垂直生長。電沉積條件為20° C，pH=3， 電流密度為1. 2A/dm2,沉積時(shí)間為3min。制備的銅微針錐高度大約800nm，椎體直徑由約 300nm ?400nm。
[0019] (3)將2個(gè)分別含有鎳微針錐和銅微針錐的芯片面對(duì)面放置對(duì)準(zhǔn)，其中一側(cè)芯片 放到壓頭附近，壓頭通過真空力將銅片吸附在表面，調(diào)節(jié)鍵合壓力參數(shù)，調(diào)節(jié)超聲功率及頻 率，調(diào)節(jié)時(shí)間控制器，打開開關(guān)后，壓頭以超聲功率20W，等效靜壓力5MPa，鍵合時(shí)間1. 5s， 完成鍵合。鍵合后關(guān)閉壓頭110的真空，取下芯片。
[0020] 實(shí)施例2 在倒裝基片的焊盤區(qū)域通過化學(xué)沉積或電化學(xué)沉積制備鎳微針錐120和防氧化層Ag 層，整體厚度約為5 μ m，鎳微針錐120的針錐高度約為1 μ m，Ag層厚度為10nm，此厚度的 Ag不會(huì)對(duì)針錐結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響。另一倒裝基片的焊盤區(qū)域通過化學(xué)沉積或電沉積制備銅微針 錐130和防氧化層Ag層，整體厚度約為5 μ m，銅微針錐130的針錐高度約為1 μ m，Ag層 厚度為10nm。兩倒裝基片面對(duì)面對(duì)準(zhǔn)，將用酸洗去表面氧化層的芯片放到壓頭110附近，壓 頭110通過真空力將芯片吸附在表面，調(diào)節(jié)鍵合壓力參數(shù)，調(diào)節(jié)超聲功率及頻率，調(diào)節(jié)時(shí)間 控制器，打開開關(guān)后，壓頭110以超聲功率20W，等效靜壓力lOMPa，鍵合時(shí)間1.2s，完成鍵 合。鍵合后關(guān)閉壓頭110的真空，取下基片。
[0021] 實(shí)施例3 在印刷線路板（PCB)用于球柵陣列（BGA)型表面貼裝的焊盤區(qū)域金屬塊上制備鎳微針 錐120和表面防氧化層Au層，鎳微針錐120的針錐高度約1 μ m，Au層厚度約10nm。以同樣 方法在印刷線路板（PCB)用于球柵陣列（BGA)型表面貼裝的焊盤區(qū)域金屬塊上制備銅微針 錐130和表面防氧化層Au層，銅微針錐130的針錐高度約為1 μ m，Au層厚度為10nm。將分 別制備有鎳微針錐120和銅微針錐130的待鍵合芯片面對(duì)面放置對(duì)準(zhǔn)，其中一個(gè)待鍵合芯 片放到壓頭110附近，壓頭110通過真空力將芯片吸附在表面，調(diào)節(jié)鍵合壓力參數(shù)，調(diào)節(jié)超 聲功率及頻率，調(diào)節(jié)時(shí)間控制器，打開開關(guān)后，壓頭110以超聲功率20W，等效靜壓力lOMPa， 鍵合時(shí)間1. 2s，完成鍵合。鍵合后關(guān)閉壓頭110的真空，取下芯片。
[0022] 進(jìn)一步地，鎳微針錐120以及銅微針錐130的形成可以通過電沉積法實(shí)現(xiàn)，通過控 制添加劑濃度、時(shí)間、電沉積溫度、電流密度等參數(shù)，控制所述鎳微針錐120的高度在500納 米至2000納米之間，所述鎳微針錐120的錐底直徑在200納米至1000納米之間，所述銅微 針錐的高度在200納米至2000納米之間，所述銅微針錐130的錐底直徑在100納米至1000 納米之間；同一焊盤的所述鎳微針錐120或者所述銅微針錐130的針錐高度基本一致。
[0023] 進(jìn)一步地，形成所述鎳微針錐120和所述銅微針錐130后，在鎳微針錐120和銅微 針錐130的表面制備防氧化層；所述防氧化層為高溫下抗氧化的Au、Pt、Ag、Pd、Sn等金屬 單質(zhì)或合金，厚度為數(shù)納米至數(shù)十納米，不改變所述鎳微針錐120和所述銅微針錐130的形 貌結(jié)構(gòu)。
[0024] 進(jìn)一步地，壓頭110為中空結(jié)構(gòu)，通過中間管道以真空負(fù)壓方式吸附待鍵合元件， 鍵合過程結(jié)束后壓頭110復(fù)位并脫離元件。
[0025] 進(jìn)一步地，超聲振動(dòng)由超聲波發(fā)生器產(chǎn)生，超聲頻率一般為10-150kHz，通過機(jī)械 裝置傳導(dǎo)至壓頭110及待鍵合元件；鍵合過程在壓力及超聲振動(dòng)下保持?jǐn)?shù)百至數(shù)千微秒， 保持時(shí)間由焊料金屬種類、鍵合壓力、超聲功率及頻率要求的最優(yōu)化結(jié)果決定。
[0026] -般，鍵合過程在室溫下進(jìn)行，操作溫度為0攝氏度至60攝氏度，由于超聲振動(dòng)摩 擦而產(chǎn)生的局部溫度升高不影響本方法的效果；鍵合壓力在〇. l_30MPa之間，依據(jù)鍵合超 聲功率而定；鍵合時(shí)間一般在〇. 〇4-5s之間，依據(jù)鍵合壓力和鍵合超聲功率而定。操作溫度 低，鍵合時(shí)間短，更易于操作，可廣泛應(yīng)用。
[0027] 此處公開的僅為本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，本說明書選取并具體描述這些實(shí)施例，是 為了更好地解釋本發(fā)明的原理和實(shí)際應(yīng)用，并不是對(duì)本發(fā)明的限定。任何本領(lǐng)域技術(shù)人員 在說明書范圍內(nèi)所做的修改和變化，均應(yīng)落在本發(fā)明所保護(hù)的范圍內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1. 一種基于鎳和銅微針錐異種結(jié)構(gòu)的固態(tài)超聲鍵合方法，其特征在于，包括步驟如 下： 1) 選擇具有相互匹配的電互連焊盤的兩個(gè)或多個(gè)待鍵合元件，兩兩形成一待鍵合偶； 2) 在待鍵合偶的其中一側(cè)的電互連焊盤上形成鎳微針錐； 3) 在待鍵合偶的另一側(cè)的電互連焊盤上形成銅微針錐； 4) 將待鍵合偶的一側(cè)元件吸附在鍵合裝置壓頭表面； 5) 將待鍵合元件的電互連焊盤對(duì)準(zhǔn)，使所述鎳微針錐與所述銅微針錐匹配接觸，向所 述待鍵合偶的一側(cè)施加鍵合壓力和超聲振動(dòng)并保持一定時(shí)間，使得所述鎳微針錐與所述銅 微針錐互連鍵合。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于鎳和銅微針錐異種結(jié)構(gòu)的固態(tài)超聲鍵合方法，其特征在 于，所述鎳微針錐及所述銅微針錐的形成通過電沉積法實(shí)現(xiàn)，通過控制添加劑濃度、時(shí)間、 電沉積溫度、電流密度等參數(shù)，控制所述鎳微針錐的高度在500納米至2000納米之間，所述 鎳微針錐的錐底直徑在200納米至1000納米之間，所述銅微針錐的高度在200納米至2000 納米之間，所述銅微針錐的錐底直徑在100納米至1000納米之間。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于鎳和銅微針錐異種結(jié)構(gòu)的固態(tài)超聲鍵合方法，其特征在 于，同一焊盤的所述鎳微針錐或者所述銅微針錐的針錐高度基本一致。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于鎳和銅微針錐異種結(jié)構(gòu)的固態(tài)超聲鍵合方法，其特征在 于，形成所述鎳微針錐和所述銅微針錐后，在所述鎳微針錐和所述銅微針錐表面制備防氧 化層。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于鎳和銅微針錐異種結(jié)構(gòu)的固態(tài)超聲鍵合方法，其特征在 于，所述防氧化層為高溫下抗氧化的Au、Pt、Ag、Pd、Sn等金屬單質(zhì)或合金，厚度為數(shù)納米至 數(shù)十納米，不改變所述鎳微針錐和所述銅微針錐的形貌結(jié)構(gòu)。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的基于鎳和銅微針錐異種結(jié)構(gòu)的固態(tài)超聲鍵合方法，其特征在 于，所述壓頭為中空結(jié)構(gòu)，通過真空負(fù)壓方式吸附所述待鍵合元件，鍵合過程結(jié)束后壓頭復(fù) 位并脫離元件。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的基于鎳和銅微針錐異種結(jié)構(gòu)的固態(tài)超聲鍵合方法，其特征在 于，所述超聲振動(dòng)由超聲波發(fā)生器產(chǎn)生，通過機(jī)械裝置傳導(dǎo)至所述壓頭及所述待鍵合元件。
8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的基于鎳和銅微針錐異種結(jié)構(gòu)的固態(tài)超聲鍵合方法，其特征在 于，鍵合過程在壓力及超聲振動(dòng)下保持?jǐn)?shù)百至數(shù)千微秒，保持時(shí)間由金屬種類、鍵合壓力、 超聲功率及頻率要求的最優(yōu)化結(jié)果決定。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1至8任一項(xiàng)所述的基于鎳和銅微針錐異種結(jié)構(gòu)的固態(tài)超聲鍵合方 法，其特征在于，鍵合過程在室溫下進(jìn)行，操作溫度為15攝氏度至40攝氏度。
10. 根據(jù)權(quán)利要求1至8中任一項(xiàng)所述的基于鎳和銅微針錐異種結(jié)構(gòu)的固態(tài)超聲鍵合 方法，其特征在于，鍵合壓力為0. l-30MPa，鍵合時(shí)間為0. 04-5s。
【文檔編號(hào)】H01L21/768GK104112707SQ201410313880
【公開日】2014年10月22日 申請(qǐng)日期:2014年7月3日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月3日
【發(fā)明者】胡安民, 李明, 胡豐田, 王浩哲 申請(qǐng)人:上海交通大學(xué)