一種快速生成高熔點(diǎn)接頭的芯片鍵合方法及超聲壓頭設(shè)計(jì)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬材料技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種快速生成高熔點(diǎn)接頭的芯片鍵合方法及超聲壓頭設(shè)計(jì)。
【背景技術(shù)】
[0002]在科學(xué)技術(shù)迅速發(fā)展的今天，半導(dǎo)體器件變得更小、更薄、集成度變得更高，功能性變得更多，工作環(huán)境也變得更加惡劣。此外，隨著能源產(chǎn)業(yè)和航空航天產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展，越來越多的微電子器件被要求在惡劣環(huán)境下穩(wěn)定服役，尤其是要在高溫的環(huán)境下良好工作。如在能源產(chǎn)業(yè)中應(yīng)用于鉆探機(jī)械上的MEMS傳感器，其服役的環(huán)境溫度高于300°C，
[0003]又如航天設(shè)備中使用的一些高溫功率電子系統(tǒng)，其使用溫度甚至達(dá)到400°C，這些微電子設(shè)備應(yīng)用的新趨勢推動(dòng)了對(duì)高熔點(diǎn)互連接頭的研究。
[0004]芯片鍵合作為IC封裝中極為關(guān)鍵的工藝步驟。而芯片鍵合釬料是功率半導(dǎo)體器件必需的封裝材料，起到固定芯片、散熱等功能，因此這類材料必須具有優(yōu)越的導(dǎo)熱性能、抗熱電循環(huán)性以及承受較高溫工作環(huán)境的能力。
[0005]從芯片鍵合發(fā)展歷程來講，芯片與引線框架或芯片與基板連接常用的材料可以分為兩類:導(dǎo)熱膠和釬料合金。工業(yè)中使用的銀填充導(dǎo)熱膠在200°C左右失效，并且這些金屬填充的導(dǎo)熱膠在熱導(dǎo)率和電導(dǎo)率方面的性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于釬料合金。由于常用的釬料合金的熔點(diǎn)都在200°C左右，使得這些低熔點(diǎn)的釬料合金并不能成為高溫工作器件的良好連接材料。
[0006]高鉛釬料曾經(jīng)廣泛作為高溫下使用的芯片鍵合中間層(界面)材料之一，然而，高鉛釬料的熔點(diǎn)溫度低于300°C，而且在SiC等寬帶隙半導(dǎo)體器件使用過程中穩(wěn)定性差。新型半導(dǎo)體器件服役環(huán)境條件苛刻，要求其封裝材料尤其是芯片鍵合使用的封裝材料必須具有十分優(yōu)越的性能。一般獲得高熔點(diǎn)互連焊點(diǎn)的方法是使用較高熔點(diǎn)的釬料合金，例如高熔點(diǎn)高Pb釬料、B1-Ag基高溫?zé)o鉛釬料、Au基無鉛釬料(AuSn)等。但由于Pb具有毒性以及易造成環(huán)境污染，以及其它釬料互連可靠性差或者成本高等原因，這些高溫釬料的應(yīng)用受到了限制。
[0007]因此，近來有學(xué)者提出借助于熔化釬料與金屬焊盤的冶金反應(yīng)生成高溫化合物，通過延長反應(yīng)時(shí)間，制備出高熔點(diǎn)金屬間化合物的互連焊點(diǎn)。而為了得到高熔點(diǎn)金屬間化合物接頭，使用傳統(tǒng)的焊接工藝需要相當(dāng)長的時(shí)間，這樣既降低了生產(chǎn)效率，同時(shí)也會(huì)導(dǎo)致熱應(yīng)力的產(chǎn)生，并且嚴(yán)重影響了整個(gè)封裝系統(tǒng)的可靠性。因此迫切需要一種能夠在低溫下快速形成高熔點(diǎn)金屬間化合物接頭的焊接方法。
[0008]超聲互連技術(shù)在微電子封裝領(lǐng)域的應(yīng)用由來已久，最早主要應(yīng)用在引線鍵合工藝上，即將芯片粘結(jié)到引線框架的芯片粘結(jié)區(qū)、層壓塑料或?qū)訅禾沾苫宓那皇覂?nèi)或上表面后，使用金絲通過熱超聲、熱壓或超聲技術(shù)，或使用鋁絲通過超聲技術(shù)對(duì)IC進(jìn)行引線鍵合。近年來，一些研究者把目光轉(zhuǎn)向了超聲互連技術(shù)，提出了在面陣封裝中實(shí)現(xiàn)超聲互連的技術(shù)設(shè)想，但是超聲互連技術(shù)在芯片的鍵合這一領(lǐng)域并未得到應(yīng)用，最主要的原因是由于芯片本身易碎，難以承受壓力，當(dāng)超聲直接施加在芯片表面時(shí)會(huì)使芯片破裂，造成惡劣后果。
[0009]現(xiàn)有技術(shù)CN103133465A提供了一種硬質(zhì)材料在大氣環(huán)境下實(shí)現(xiàn)可控間隙的隨模加熱及冷卻連接的方法和該方法使用的模具，被連接硬質(zhì)材料包括:陶瓷、玻璃及其他硬質(zhì)材料。該方法在鍵合過程中會(huì)將作用力直接施加在焊接結(jié)構(gòu)的上方，假如應(yīng)用于芯片鍵合時(shí)，由于芯片易碎，鍵合過程中施加壓力以及高頻振動(dòng)會(huì)造成器件破壞的嚴(yán)重后果。并且，由于芯片鍵合是芯片-中間層-基板(引線框架)的結(jié)構(gòu)，芯片的尺寸小于基板(引線框架)的尺寸，該模具不適合芯片的鍵合的應(yīng)用。同時(shí)技術(shù)CN101362240A提供了一種鎂合金及其復(fù)合材料精密超聲波輔助釬焊設(shè)備及方法屬于金屬材料焊接設(shè)備制造工程領(lǐng)域，為了實(shí)現(xiàn)焊接效果，該方法同樣需要將作用力通過振動(dòng)壓頭施加到工件上。如果將該技術(shù)用于芯片鍵合中，振動(dòng)壓頭直接作用于芯片，由于高頻振動(dòng)以及壓力會(huì)造成芯片破裂，器件損壞。因此，需要一種既能實(shí)現(xiàn)高頻機(jī)械振動(dòng)的效果，并且對(duì)芯片不施加作用力的特殊結(jié)構(gòu)的裝備。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010]為了解決現(xiàn)有技術(shù)中問題，本發(fā)明首先提供一種快速生成高熔點(diǎn)接頭的芯片鍵合方法及超聲壓頭設(shè)計(jì)，本發(fā)明的振動(dòng)壓頭能夠避免鍵合過程中對(duì)芯片的損害，并且該鍵合方法尤其適用于高功率、高集成度、高強(qiáng)度的電子封裝連接。
[0011]—種快速生成高熔點(diǎn)接頭的芯片鍵合方法，連接材料包括母材一(I)、中間層二
(2)和母材三(3)，其特征在于:包括以下步驟:
[0012]1、被連接材料進(jìn)行表面處理:對(duì)母材一(I)、中間層二(2)和母材三(3)進(jìn)行輕微打磨去除氧化層以及表面有機(jī)物，之后進(jìn)行超聲清洗；
[0013]I1、將母材三(3)置于下層，母材一(I)置于上層及中間層(2)在中間構(gòu)成一種三明治結(jié)構(gòu)；
[0014]II1、用加熱裝置對(duì)母材三(3)進(jìn)行加熱，通過熱傳導(dǎo)使中間層二(2)達(dá)到預(yù)定熔化溫度；
[0015]IV、超聲振動(dòng)壓頭作用于母材三(3);
[0016]V、超聲裝置對(duì)母材三(3)施加高頻率的橫向超聲振動(dòng)，超聲振動(dòng)的頻率為20kHz?40kHz、振幅為4 μπι?16 μm，超聲振動(dòng)時(shí)間為O?10秒；
[0017]V1、超聲振動(dòng)結(jié)束后，將超聲振動(dòng)壓頭抬起并停止對(duì)母材三(3)施壓以及停止加熱，使連接接頭部位冷卻至室溫。
[0018]上述步驟I中所述的打磨優(yōu)選機(jī)械打磨，通過打磨去除表面氧化物和油污，并且將處理后母材置于無水乙醇中保存；所述超聲清洗時(shí)間為I?5分鐘；
[0019]上述步驟II所述母材三(3)可裝卡在底部固定尺寸卡具和電阻加熱板4上，本發(fā)明默認(rèn)為母材三(3)裝卡在固定尺寸卡具4上，限制母材三(3)不能前后左右移動(dòng)。母材一 (I)通過芯片拾取裝置實(shí)現(xiàn)與母材三(3)配合，使二者的連接面相對(duì)并將中間層(2)置于所需被連接界面之間，構(gòu)成芯片-中間層-基板的“三明治”結(jié)構(gòu)。
[0020]作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述的母材一(I)為背面鍍有Ni/Ag或鍍Ni/Au的芯片，包括工業(yè)生產(chǎn)的Si芯片和SiC、GaN等寬帶隙半導(dǎo)體材料，所述的母材一(I)的形狀為片狀或塊狀；所述的中間層二⑵為純錫、錫-銅、錫-銀-銅、錫-銀等錫基釬料中的一種或多種，所述中間層(2)的形狀為片狀或箔狀；所述母材三(3)為工業(yè)生產(chǎn)中使用的高純的金屬基板或者引線框架，包括工業(yè)生產(chǎn)的銅基板、銅引線框架和其他金屬基板，所述母材三
(3)的形狀為塊狀、片狀或板狀。
[0021]上述中間層(2)材料及尺寸優(yōu)選方案為:
[0022]1、為獲得最合適的化合物接頭，優(yōu)選純錫；如為了降低鍵合溫度，并且增加強(qiáng)度，優(yōu)選錫-銅、錫-銀、錫-銀-銅等錫基合金中的一種或幾種。
[0023]2、為獲得最佳的連接效果，防止釬料溢出，所述中間層⑵的尺寸應(yīng)比被連接母材一(I)、母材三⑶接頭界面的橫截面尺寸在一個(gè)方向上小5 μπι?15μηι，并位于接頭界面的中間區(qū)域。如果釬料尺寸過大或者大于被連接母材一(1)、母材三(3)接頭界面的橫截面尺寸，會(huì)造成釬料溢出，并且會(huì)造成母材一(I)的污染。
[0024]3、為縮短連接時(shí)間以及獲得完美的化合物接頭，所選中間層⑵的厚度為10 μ???50 μ??，當(dāng)中間層(2)的厚度大于50 μm時(shí)，要想形成完全高恪點(diǎn)的接頭需要較長的時(shí)間，甚至難以形成完全化合物的接頭；并且，在鍵合過程中高頻振動(dòng)會(huì)致使釬料溢出造成母材一(I)的污染。
[0025]4、中間層(2)的尺寸、形狀可根據(jù)母材尺寸而優(yōu)化確定，為了實(shí)現(xiàn)中間層的快速熔化以及潤濕，所述中間層⑵的形狀為片狀、箔狀。
[0026]上述步驟III中所述加熱目的是為了使得中