專利名稱：多層堆疊芯片低溫超聲鍵合形成單金屬間化合物焊點的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于電子制造技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種多層堆疊芯片的低溫鍵合方法。
背景技術(shù)：
多層堆疊芯片互連是三維電子封裝中的核心技術(shù)。隨著疊層封裝中器件節(jié)點尺寸的日益減小，急需開發(fā)低溫鍵合技術(shù)避免對芯片性能的損害。在溫度高于260°C進行鍵合時，將會影響封裝中敏感芯片的性能。鍵合過程中由于各層材料熱膨脹系數(shù)的不匹配造成晶圓或芯片翹曲，在高密度細間距封裝互連中影響精度。低溫鍵合技術(shù)尤其在光學(xué)、微電子機械系統(tǒng)及生物芯片應(yīng)用中具有潛在的優(yōu)勢。
疊層封裝中芯片堆疊至少兩層芯片，且芯片極薄，通常為50 U nTlOO U m,非常容易產(chǎn)生裂紋。比如芯片在高鍵合壓力或夾具力作用下極易出現(xiàn)裂紋。目前用于疊層封裝中的芯片互連技術(shù)包括粘結(jié)鍵合、金屬-金屬(Cu-Cu或Au-Au)熱壓鍵合、凸點鍵合(釬料凸點或Au凸點)、共晶鍵合、硅直接鍵合等。這些鍵合方法都具有工藝上的局限性，如高溫、高壓等，容易損傷芯片性能。疊層封裝中芯片互連焊點通常只有!Teym大小，焊點內(nèi)部幾乎全部由金屬間化合物組成，而金屬間化合物是互連接頭中的脆性物質(zhì)，嚴(yán)重影響接頭性能。如果焊點內(nèi)部金屬間化合物種類繁多，那么后續(xù)封裝加熱過程中焊點組織將更加復(fù)雜，嚴(yán)重影響可靠性。另夕卜，電子產(chǎn)品使用過程中焊點內(nèi)部電流通過也將驅(qū)動金屬間化合物的繼續(xù)生長，導(dǎo)致封裝中各個部分的熱失配而產(chǎn)生失效。如果使焊點組成為單一種類金屬間化合物，則焊點屈服強度和抗蠕變性能都將提高，可表現(xiàn)出優(yōu)異的互連點可靠性。但上述連接方法中若想實現(xiàn)堆疊芯片的單一種類金屬間化合物互連，除了加熱溫度高以外，加熱時間長達幾個小時，不符合高效電子制造的特點。

發(fā)明內(nèi)容
為了實現(xiàn)疊層封裝中堆疊芯片的低溫高可靠互連，本發(fā)明提供一種多層堆疊芯片低溫超聲鍵合形成單金屬間化合物焊點方法，采用超聲鍵合方法，鍵合溫度50 200°C，有效降低溫度對芯片的影響；該方法可以快速實現(xiàn)疊層芯片間單金屬間化合物連接，提高封裝可靠性。本發(fā)明按照下述步驟超聲鍵合多層堆疊硅通孔芯片打孔一填充導(dǎo)電金屬一制備釬料層一夾持對中一超聲鍵合一成品，其中超聲鍵合具體步驟如下精密對準(zhǔn)和對中后，采用超聲焊接機進行超聲鍵合，控制超聲頻率20 65kHz，鍵合時間5秒 5分鐘，鍵合溫度為 50 200°C。超聲能夠促進金屬原子的擴散，能夠加速實現(xiàn)單一種類金屬間化合物焊點的形成，將金屬間化合物的完整生長時間縮短到幾十秒到幾分鐘。該方法產(chǎn)生的金屬間化合物焊點不但可以承受后封裝過程中較高的無鉛再流焊溫度，還可以解決堆疊芯片互連工藝及材料不兼容等問題，大大提高效率和可靠性。本發(fā)明適用于堆疊封裝中芯片厚度100 i! m以下的2層或多層硅通孔芯片的低溫鍵合，互連焊點厚度小于10 u m。


圖I為本發(fā)明鍵合方法示意圖，圖2為焊點部位6的局部放大圖，圖3為焊點形成后10的局部放大圖。
具體實施例方式具體實施方式
一如圖I 3所示，本實施方式按照下述步驟超聲鍵合多層堆疊硅通孔芯片
(1)打孔將芯片I進行鉆孔，具體方法為通過刻蝕或激光打孔在硅晶體中形成通孔2，然后采用等離子體增強化學(xué)氣相沉積(PECVD)、物理氣相沉積(PVD)或金屬有機化合物化學(xué)氣相沉積(MOCVD)的方法依次淀積金屬粘附層Ti或Ta/阻擋層TiN或TaN/種子層(Cu、Ag或Ag),獲得疊層封裝娃通孔芯片,所述芯片厚度為IOOiim以下；
(2)填充導(dǎo)電金屬及焊盤平整化采用電鍍的方法對疊層封裝硅通孔芯片進行通孔導(dǎo)電金屬填充3,所述金屬為Cu、Au、Ag中的一種,確保通孔填滿并在芯片兩側(cè)各露出一個凸臺；然后采用化學(xué)機械拋光或研磨使表面上的凸臺金屬即焊盤平坦化；
(3)釬料層制備采用電鍍方法在焊盤金屬上制備低溫釬料層4，所述釬料金屬為Sn、Sn基合金、In或In基合金；
(4)夾持對中采用精密拾放設(shè)備拾取芯片，將其與下芯片精密對準(zhǔn)，得到對中堆疊后的多層芯片5，然后將其多層芯片5封裝到基板材料7上；
(5)超聲鍵合精密對準(zhǔn)和對中后，采用超聲焊接機進行超聲鍵合。超聲鍵合過程中有加熱平臺8進行50 200°C的加熱，超聲振動頭進行水平或垂直方向的振動，超聲頻率20 65kHz ;鍵合時間5秒 5分鐘。超聲鍵合過程如下開啟超聲，超聲振動頭9與芯片背面接觸，并施加I 15N鍵合力，同時對焊點施加100 500ws超聲波能量，由于鍵合力和超聲振動的存在，超聲振動頭與芯片及焊點之間存在摩擦力，此超聲振動得以在界面間傳遞。同時，低溫釬料熔化，擴散開始發(fā)生，由于超聲具有促進原子擴散的作用，加速了金屬間化合物焊點11的形成過程。關(guān)閉超聲，超聲振動頭抬起，撤走鍵合力，完成超聲鍵合全過程。
具體實施方式
二 本實施方式按照下述步驟超聲鍵合多層堆疊硅通孔芯片
(1)打孔通過刻蝕在硅晶體中形成通孔，然后采用等離子體增強化學(xué)氣相沉積(PECVD)的方法依次淀積金屬粘附層/阻擋層/種子層，獲得硅通孔芯片，所述芯片厚度為 50 u m ;
(2)填充導(dǎo)電金屬及焊盤平整化采用電鍍的方法對堆疊封裝硅通孔芯片進行通孔導(dǎo)電金屬Cu填充，然后采用化學(xué)機械拋光使表面上的凸臺金屬即焊盤平坦化；
(3)釬料層制備采用電鍍方法在焊盤金屬上制備低溫Sn釬料層；
(4)夾持對中采用精密拾放設(shè)備拾取芯片，將其與下芯片精密對準(zhǔn)，得到對中堆疊后的三層芯片；
(5)超聲鍵合開啟超聲焊接機，超聲振動頭與芯片背面接觸，超聲振動頭進行水平或垂直方向的振動，并施加5N鍵合力，同時對焊點施加300ws超聲波能量，控制超聲頻率40kHz，鍵合時間2分鐘，加熱溫度為150°C，關(guān)閉超聲，超聲振動頭抬起，撤走鍵合力，完成超聲鍵合全過程。 本實施方式的互連焊點厚度為8 ilm。
權(quán)利要求
1.一種多層堆疊芯片低溫超聲鍵合形成單金屬間化合物焊點的方法，其特征在于所述方法為打孔一填充導(dǎo)電金屬及焊盤平整化一制備釬料層一夾持對中一超聲鍵合一成品，其中超聲鍵合具體步驟如下精密對準(zhǔn)和對中后，采用超聲焊接機進行超聲鍵合，控制超聲頻率20 65kHz，鍵合時間5秒 5分鐘，鍵合溫度為50 200°C。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的多層堆疊芯片低溫超聲鍵合形成單金屬間化合物焊點方法，其特征在于所述超聲鍵合過程如下開啟超聲焊接機，超聲振動頭與芯片背面接觸，超聲振動頭進行水平或垂直方向的振動，并施加I 15N鍵合力，同時對焊點施加100 500ws超聲波能量，控制超聲頻率20 65kHz，鍵合時間5秒 5分鐘，加熱溫度為50 200°C，關(guān)閉超聲，超聲振動頭抬起，撤走鍵合力，完成超聲鍵合全過程。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的多層堆疊芯片低溫超聲鍵合形成單金屬間化合物焊點方法，其特征在于所述芯片厚度為100 μ m以下。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的多層堆疊芯片低溫超聲鍵合形成單金屬間化合物焊點方法，其特征在于所述打孔具體步驟為將芯片進行鉆孔，并依次淀積金屬粘附層、阻擋層、種子層，獲得硅通孔芯片。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的多層堆疊芯片低溫超聲鍵合形成單金屬間化合物焊點方法，其特征在于通過刻蝕或激光打孔在硅晶體中形成通孔。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的多層堆疊芯片低溫超聲鍵合形成單金屬間化合物焊點方法，其特征在于采用等離子體增強化學(xué)氣相沉積、物理氣相沉積或金屬有機化合物化學(xué)氣相沉積的方法依次淀積金屬粘附層/阻擋層/種子層，獲得硅通孔芯片。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的多層堆疊芯片低溫超聲鍵合形成單金屬間化合物焊點方法，其特征在于采用電鍍的方法對硅通孔芯片進行通孔導(dǎo)電金屬填充，然后通過化學(xué)機械拋光或研磨使表面上的金屬焊盤平坦化。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的多層堆疊芯片低溫超聲鍵合形成單金屬間化合物焊點方法，其特征在于所述金屬為Cu、Au或Ag。
9.根據(jù)權(quán)利要求I所述的多層堆疊芯片低溫超聲鍵合形成單金屬間化合物焊點方法，其特征在于采用電鍍方法在焊盤金屬上制備低溫合金釬料層。
10.根據(jù)權(quán)利要求I所述的多層堆疊芯片低溫超聲鍵合形成單金屬間化合物焊點方法，其特征在于所述釬料金屬為Sn、Sn基合金、In或In基合金。
全文摘要
一種多層堆疊芯片低溫超聲鍵合形成單金屬間化合物焊點的方法，屬于電子制造技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種多層堆疊芯片的低溫鍵合方法。為了實現(xiàn)疊層封裝中堆疊芯片的低溫高可靠互連，本發(fā)明所述方法為打孔→填充導(dǎo)電金屬及焊盤平整化→制備釬料層→夾持對中→超聲鍵合→成品，其中超聲鍵合具體步驟如下精密對準(zhǔn)和對中后，采用超聲焊接機進行超聲鍵合。本發(fā)明適用于疊層封裝中芯片厚度100μm以下的2～5層硅通孔芯片的低溫鍵合，互連焊點厚度小于10μm。本發(fā)明采用超聲鍵合方法，鍵合溫度50～200℃，有效降低溫度對芯片的影響；可以快速實現(xiàn)疊層芯片間單金屬間化合物連接，提高封裝可靠性。
文檔編號B23K1/06GK102672296SQ20121018193
公開日2012年9月19日 申請日期2012年6月5日 優(yōu)先權(quán)日2012年6月5日
發(fā)明者劉威, 孔令超, 王春青, 田艷紅 申請人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)