專利名稱：電子元件鍵合方法
技術領域：
本發(fā)明涉及功率電子領域。特別是涉及電子元件鍵合方法。
背景技術：
在文獻(Silver-Indium joints produced at low temperature for high temperature devices by Chuang et al., IEEE Transactions on components and packaging technologies vol. 25， 2002, p. 453 - 458)中，描述了一種鍵合硅 芯片到硅襯底的方法。在真空度約為O.lmPa的熱蒸鍍腔內，在硅芯片和 硅襯底上蒸鍍形成多層膜。首先在襯底上形成0.03微米的鉻層以提高粘 接性，然后是0.05微米的金層，之后是5.0微米的銀層并在其頂部蒸鍍 0.06微米的金層。硅芯片上的銀層被作為其下面銦層的保護層。在硅芯片 上形成0.025微米的鉻層，之后形成1.9微米的銦層以及0.21微米的銀層。 所述芯片和襯底相互相對排列，金屬層相互面對。然后，對所述芯片和襯 底以及之間的多層結構組成的裝置施加0.5Mpa的靜態(tài)壓力，以保證芯片 和襯底之間的緊密接觸。放置所述裝置到管式爐中。首先在爐中充填氮氣， 之后利用氫氣沖洗清除所述裝置中的氧。然后爐管在氫氣氣氛中在7分鐘 內加熱到206i:，以抑制在高溫下氧化銦的形成，因為在如此周圍環(huán)境中， 僅僅只有銀層并不能有效的保護以防止氧化銦形成。然后溫度降低到低于 145。C的退火溫度保持26小時。銀-銦接合轉化為富含銀的銀-銦合金，形 成接合的熔融溫度為765'C到78(TC。所述接合近似無空隙。然而，這種 方法比較復雜，需要惰性氣體以及專用于在里面使用惰性氣體的爐子。另 外，通常由夾具負載來施加為了達到緊密接觸所需要的高壓力，這樣需要 非常精確的機器容差，否則就會導致空隙以及不完全鍵合。芯片和襯底之 間的多層結構相互相對排列需要利用高精密的夾具。如果硅芯片或襯底沒 有平坦的表面，則很難對裝置施加所需要的壓力而不使元件破裂。
在EP0416847中也描述了一種利用釬焊焊接硅芯片到鉬或鎢元件的 方法，其中利用銀層和銦層作為釬焊材料。在壓力為0.3Mpa的真空爐中保持175。C兩小時以實施該鍵合工序。
在文獻(A fluxless process of producing tin-rich gold-tin joints in air by Chuang et al., IEEE Transactions on components and packaging technologies vol. 27, 2004, p. 177-181)中，描述了一種利用錫-金接合鍵合硅晶片到硅 襯底的方法。硅晶片具有一層鉻金屬化層，之后為金金屬化層，而硅襯底 上首先形成絡金屬化層，之后是錫以及上邊的錫-金金屬化層。對所述晶 片和襯底以及之間的金屬層施加0.6Mpa的壓力。所述裝置插入爐中并保 持100(TC。測量金屬層的溫度。當金屬層中溫度到達鍵合溫度22(TC時， 冷卻所述裝置，其中溫度到達所述鍵合溫度大約需要30秒。由于熱要到 達金屬層則必須穿透襯底和晶片，因此在這種方法中必須將襯底和晶片加 熱到很高的溫度。爐子所保持的高溫必須具有非常高的升溫速率，由此得 到短的鍵合時間。這種方法并不太實用，因為敏感電子元件被加熱到比鍵 合溫度更高的溫度。即使測量點的微小變化，如溫度測量與冷卻步驟開始 之間的時間延遲、或電子元件和/或金屬層厚度的變化均對中心鍵合溫度 具有很大影響，因此很可能造成熱分布的不均勻，并導致不均勻熔融，并 且鍵合中很有可能帶有空隙。
在US4810672中展示了一種在上邊設置銀層的半導體閘流管，以及襯 底，在襯底上邊設置鋁和鈦層，之后設置銀層。所述元件相互相對排列， 然后將裝置插入到加壓夾具。施加至少15Mpa的壓力，并在23(TC的溫度 下保持不到1分鐘。在空氣環(huán)境下實施加壓燒結。該方法在加壓燒結之前 將銀漿涂敷在電子元件上。

發(fā)明內容
本發(fā)明目的是提供一種可靠穩(wěn)健的電子元件鍵合方法，其易于實施且
可以避免在惰性氣體環(huán)境中實施鍵合工序。
所述目的通過權利要求1所述的電子元件鍵合方法來實現(xiàn)。 根據本發(fā)明的電子元件鍵合方法中，第一電子元件，特別是半導體芯
片，以及第二電子元件，特別是襯底，在鍵合工序中相互貼合。每一電子
元件具有主表面，所述方法包括以下步驟
-在所述電子元件的每一主表面上施加至少一層包含銦層的金屬層， -第一和第二電子元件的主表面相互面對排列，第一和第二電子元件
5以及之間的至少一層金屬層形成裝置，以及 -將所述裝置放入加壓工具。
所述方法特征在于，在加壓工具中以10到35Mpa的壓力對所述裝置 施加壓力，并在23(TC到275t:的范圍內加熱。加壓工序是在其中為含氧 氣體氣氛的加壓工具中實施的。在鍵合過程中，也就是在對裝置的加壓和 加熱過程中，在加壓工具中利用氧氣，即不用實施特別預防措施以避免所 述裝置在鍵合過程中與氧氣接觸。
在如此高溫高壓下實施的包括加熱和加壓步驟的鍵合工序中，不必在 惰性氣體環(huán)境中實施。由于高溫高壓，縮短了加壓和加熱處理的時間，金 屬層在銦的氧化層形成之前形成了穩(wěn)定的接合。所述鍵合方法可以在空氣 環(huán)境中實施，即，更通常是在含氧氣氛中實施，因此不需要非常復雜的、 內部使用惰性氣體環(huán)境的鍵合設備，而可以使用內部為含氧氣氛特別是空 氣氣氛的標準鍵合設備。因此提供了一種形成堅固且?guī)缀鯚o空隙焊接接點 的穩(wěn)健方法。只要材料可被金屬化并且可以忍受鍵合工序中必須的溫度和 壓力，則可以鍵合各種不同材料。被加熱的裝置各部分都不會超過與鍵合 溫度相應的施加到所述裝置上的溫度。
在一個優(yōu)選實施例中，至少一個電子元件由在被壓縮之前設置在至少 一個電子元件主表面相反側的彈性變形的保護層所保護。有利的保護層包 括橡膠，橡膠為一種柔性材料，且具有很好的彈性以及壓縮特性。這樣的 保護層很便宜而且不必根據裝置的外部形狀而預先形成。因為彈性變形保 護層可以自適應于裝置的外部形狀，因此降低了破裂的危險，甚至可以補 償裝置外部形狀的各種變化。
由從屬權利要求中則顯而易見根據本發(fā)明的其它優(yōu)點。


參考附圖，本發(fā)明的主題將在以下文字中得到更為詳細的說明，在附 圖中
圖1示出根據本發(fā)明的鍵合電子元件方法的第一實施例； 圖2示出在加壓工序之前根據本發(fā)明的鍵合電子元件方法的另一實 施例；
圖3示出處于加壓狀態(tài)下的圖2所示實施例；和圖4示出根據本發(fā)明的鍵合電子元件方法的又一實施例。 通常地，相同的或具有相同功能的部分利用相同的參考標記。該具體 實施例只是作為實例而不是對本發(fā)明的限制。
具體實施例方式
圖1示出根據本發(fā)明方法的第一實施例。第一電子元件1具有主表面，
在其上設置至少一層金屬層3，特別是與第一電子元件的主表面相鄰來設 置鉻層，之后設置銦層以及上邊的銀層。第二電子元件2具有主表面，在 其上設置至少一層金屬層3'，特別是與第二電子元件的主表面相鄰來設 置鉻層，之后設置金層、銀層和另一金層。鉻層用來提高接合的粘附力。 所述第一和/或第二電子元件l、 2可以由任何能被金屬化的材料構成，所 述金屬化可以通過例如蒸鍍或濺射來實現(xiàn)，且所述材料能夠承受在鍵合過 程中所施加的溫度和壓力。這些電子元件特別是半導體芯片、襯底、金屬 層、硅層、金屬化復合材料或金屬基體材料。
在電子元件1、 2上施加金屬層3、 3'，所述施加是通過將第一電子 元件1放置在熱蒸發(fā)腔內，然后在第一電子元件1的主表面上蒸鍍至少一 層金屬層3。然后將第二電子元件2放置在熱蒸發(fā)腔內，在第二電子元件 2的主表面上蒸鍍至少一層金屬層3'?？商鎿Q地，金屬層3、 3'可以通過 濺射方式施加在電子元件l、 2的主表面上。
在第一電子元件1的主表面上配置的至少一層金屬層3與在第二電子 元件2的主表面上配置的至少一層金屬層3'可互換。也可以利用其它金屬 層3、 3'以形成接合。
在圖1所示的本發(fā)明方法的實施方式中，第一和第二電子元件1、 2 的主表面相互面對而相互相對排列，且金屬層3、 3'配置在電子元件1、 2 之間。所述裝置被放入壓塑壓機或壓縮夾具的頂部壓板和底部壓板4、 5 之間，在第一電子元件1和頂部壓板4之間放置彈性變形保護層6和/或 在第二電子元件2和底部壓板5之間放置彈性變形保護層6'。由此，電子 元件1和/或2在加壓過程中得到保護。如圖1所示，所述底部壓板，包 括壓板51和壓板52以及以三明治結構形成在兩壓板51和52之間的熱板 53。以這種方式來構造壓板52，則可以很容易地從熱板53通過壓板52 向所述裝置進行熱傳輸，因此加熱裝置中的金屬層。通過將熱板53配置在兩壓板51和52之間，以使得熱均勻分布，因此所述裝置被均勻加熱。 底部壓板5也可以構造為其頂部包括熱板53的一塊壓板，以簡化壓板構 造。同樣熱板也可以配置在頂部壓板中以加熱所述裝置。然后對所述裝置施加10到35Mpa的靜態(tài)壓力。在一個優(yōu)選實施例中 施加壓力范圍為30到35Mpa。施加如此大的壓力以保證在第一和第二電 子元件1、 2的金屬層3、 3'之間的整個表面上形成良好接觸。然后通過加 熱熱板53來對所述裝置進行加熱。熱穿透壓板52并且被傳輸?shù)降谝缓偷?二電子元件l、 2主表面上的金屬層3、 3'，金屬層3、 3'通過熱被鍵合。 該加熱處理實施的溫度范圍為230。C到275°C，優(yōu)選是對所述裝置施加 23(TC到25(TC范圍的熱。如果溫度太低，則鍵合時間變長而增加了銦層 被氧化的可能性。同時在低溫下不均勻的熱分布會導致不均勻熔融以及帶 有空隙的鍵合。如果溫度過高，由于來自熔融金屬層的擠壓以及銦層的氧 化則會造成鍵合不規(guī)則和接合不良。對所述裝置施加3到5分鐘的熱，加熱時間由所施加的溫度以及電子 元件l、 2和金屬層3、 3'的尺寸和厚度所決定。然后將所述裝置冷卻到環(huán) 境溫度。在如此短時間進行加熱，同時施加高壓高溫，即使在含氧氣氛中， 特別是在空氣氣氛中實施鍵合工序，即加壓和加熱處理，也能產生幾乎無 空隙的銀-銦接合且避免銦層被氧化的危險。在無圖示的一個優(yōu)選實施例中，所述裝置在加壓和加熱處理之前，被 放置在預型體中，所述預型體具有由一個或多個定位工具預先確定的所述 裝置元件的相對位置。所述預型體有助于避免元件無意的位移，特別是橫 向位移。所述預型體可以由剛性材料或彈性變形材料構成。如果預型體由 剛性材料構成，所述預型體可以被非常精確地構建，因此當元件l、 2被 放置在預型體中時，可以很好地定義元件l、 2的相對位置。如果預型體 由彈性變形材料形成，則可以補償升高溫度所造成的膨脹、元件外形的偏 差或錯誤。所述預型體同樣可以包括頂部和/或底部層，優(yōu)選是彈性變形 材料如橡膠，因此所述裝置的不同部分均得到保護，避免在鍵合工序中施 加壓力時可能導致的橫向位移以及元件破裂。圖2和3示出了本發(fā)明方法的另一實施例。在圖2中具有電子元件1、 2的裝置由兩彈性變形保護層6、 6'所保護，所述保護層6、 6'分別設置在電子元件l、 2主表面的相反側。所述裝置被放入壓塑壓機或壓縮夾具。
圖2示出在非壓力狀態(tài)下的所述裝置以及保護層6、 6'，分別由指向壓塑 壓機或壓縮夾具的壓板4和5的長箭頭描述。圖3示出加壓狀態(tài)下的所述 裝置以及保護層6、 6'，由短箭頭描述。在一個優(yōu)選實施例中，所述兩個 保護層6、 6'在加壓狀態(tài)下相互接觸并形成緊密封裝。在加壓狀態(tài)下，殘 留在所述裝置和保護層6、 6'之間的空氣也被壓縮，并形成流體壓縮方式，
由此提高所述裝置的壓縮性。
同樣可以用凹槽預先形成至少一保護層6、 6，，來替代利用至少一平 坦的保護層6、 6'，其中可以將所述裝置放置在所述凹槽內，以在鍵合過 程中可以對所述裝置的各部分施加更為均勻的壓力，也避免所述裝置各部 分的橫向位移，即避免任意電子元件l、 2和/或任意金屬層3、 3'之間的 位移。如果利用兩保護層6、 6'，則這些層也可以是一種通用保護層，以 U-形將該通用保護層設置在所述裝置周圍，或者這些層也可以是一種通用 保護袋，該通用保護袋在一側開口并在該側將所述裝置放入。
如果利用兩層單獨的保護層6、 6'，從兩相反側將其嵌入所述裝置， 保護層6、 6'的厚度和彈性可以通過這種方式進行選擇，使得在被壓縮階 段保護層6、 6'相互接觸(如圖3所示)，由此限制可能施加在所述裝置 上的最大壓力，并降低破裂的危險性。
圖4示出本發(fā)明方法的又一實施例。圖4示出處于被壓縮狀態(tài)的所述 裝置和保護層，由箭頭描述。在加壓處理之前，所述裝置由彈性變形保護 層所保護，在圖4中所述保護層具有封裝7的形式，該封裝7至少在兩相 反側保護所述裝置，所述兩相反側為與電子元件的主表面相反的兩側。所 述封裝7可以由例如橡膠或其它任何能忍受鍵合溫度和壓力的材料構成。 所述封裝7以及插入其中的所述裝置被放入具有均衡壓力的加壓室8。在 升溫時利用壓縮空氣的方法對所述封裝7以及插入其中的所述裝置加壓， 如圖4中箭頭所示。也可以利用其它流體(氣體或液體)來壓縮所述裝置。 所述流體在所述裝置上形成均勻的壓力，以避免機械應力的危險，該應力 可能導致電子元件l、 2的破裂。另外，在所述裝置被放入封裝7之前， 所述裝置被放置在預型體中由一個或多個定位工具在加壓和加熱處理之 前預先確定的所述裝置元件的相對位置。也可以將所述裝置插入到彈性蓋中，并密封所述彈性蓋以避免所述液體與所述裝置直接接觸。 附圖標記表1第一電子元件2第二電子元件3、3，金屬層4頂部壓板5底部壓板51、52壓板53熱板6、6,保護層7彈性變形封裝8加壓室10
權利要求
1. 一種電子元件鍵合方法，其中第一電子元件(1)，特別是半導體芯片，以及第二電子元件(2)，特別是襯底，在鍵合工序中相互固定，每一個電子元件(1，2)都具有主表面，所述方法包括以下步驟-在所述電子元件(1，2)的每一主表面上設置包含銦層的至少一層金屬層(3，3’)，-所述第一和第二電子元件(1，2)的主表面相互面對，而相互相對排列，第一和第二電子元件(1，2)以及之間的至少一層金屬層(3，3’)形成裝置，以及-將所述裝置放入加壓工具，其特征在于-以10到35Mpa的壓力對所述裝置施加壓力，并且-加壓工序在其中為含氧氣體氣氛的加壓工具中實施，并且-在230℃到275℃的范圍內加熱所述裝置。
2. 如權利要求l所述的方法，其特征在于，所述含氧氣體為空氣。
3. 如權利要求1或2所述的方法，其特征在于，以30到35Mpa的 壓力對所述裝置施加壓力和/或在23(TC到25(TC的范圍內加熱所述裝置。
4. 如權利要求1-3中任一項所述的方法，其特征在于，實施加熱處 理時間為3到5分鐘。
5. 如權利要求1-4中任一項所述的方法，其特征在于，所述至少一 層金屬層(3， 3')包含銀層。
6. 如權利要求1或5所述的方法，其特征在于，通過濺射或蒸鍍方 法在所述電子元件的所述主表面上施加所述至少一層金屬層(3， 3')。
7. 如前述權利要求之一所述的方法，其特征在于，在被加壓之前， 所述電子元件(1， 2)至少其中之一由設置在所述至少一個電子元件(1， 2)所述主表面相反側上的彈性變形保護層(6， 6')所保護，特別是，保 護層(6， 6')包括橡膠。
8. 如前述權利要求之一所述的方法，其特征在于，所述加壓工具為壓塑壓機，特別是壓縮夾具或恒靜壓力機的加壓室。
9. 如前述權利要求之一所述的方法，其特征在于，所述裝置被插入 到預型體中，所述預型體包括一個或多個定位工具，通過所述一個或多個定位工具，預先確定所述第一和第二電子元件(1， 2)的相應位置。
10. 如權利要求l所述的方法，其特征在于，所述電子元件(1， 2) 的至少其中之一包括硅層、金屬層、金屬化陶瓷復合材料層和/或金屬基 體材料層。
全文摘要
第一電子元件(1)，特別是半導體芯片，以及第二電子元件(2)，特別是襯底，每一電子元件均具有主表面，通過在每一主表面上施加至少一層包含銦層的金屬層(3，3’)，使得第一電子元件和第二電子元件相互鍵合。從而半導體芯片以及襯底的主表面相互面對，而相互相對排列。所述芯片、襯底以及兩者之間的金屬層(3，3’)形成裝置，被放入加壓工具。然后在加壓工具中以10到35MPa的壓力對所述裝置施加壓力，并在230℃到275℃的范圍內加熱，在所述溫度和壓力下，電子元件(1，2)被鍵合在一起。加壓過程是在其中為含氧氣氛的加壓工具中實施的。
文檔編號H01L23/492GK101300671SQ200680040725
公開日2008年11月5日 申請日期2006年10月31日 優(yōu)先權日2005年11月2日
發(fā)明者R·澤林格, S·岡圖里, W·納普 申請人:Abb研究有限公司