專利名稱：用于建立芯片一襯底－連接的設備和方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種用于特別是通過把半導體芯片焊接在襯底上建立芯片-襯底-連接的設備和方法，該設備具有一個在其上或其旁暫時支承該襯底的一個支架和一個配屬于芯片-襯底-連接的加熱裝置。
在把半導體芯片的背面連接到襯底上時，這種情況一般被稱為芯片-或模片鍵合，根據(jù)具體的應用場合，涉及充分的、機械的牢固性及良好的導熱和導電性能的要求必須單項地或全部地被滿足。芯片和襯底的相容性，即兩個待連接的構件在其遇有熱負荷時的膨脹特性方面匹配的相容性具有特殊的意義。目前，通常用于固定芯片的方法主要分為三種合金(硬焊)、焊接(軟焊)和粘結。本發(fā)明優(yōu)選采用的是焊接(軟焊)，在該方法原理中，與譬如用于固定芯片的低共熔的硅/金硬焊不同，芯片中沒有硅進入熔體。在大大低于450℃的溫度下并從而又再次在遠遠低于參與金屬的熔點下軟焊時，被金屬化了的連接構件通過熔化的焊劑被浸潤并被連接。在軟焊時出現(xiàn)的溫度雖可使該方法用到所有的、通常的襯底上，但該方法最好被用到金屬的結構支架(所謂的引線框架)上或陶瓷的殼座上。總的說來，在用軟焊法固定芯片時，要求連接構件能在熱膨脹特性方面相互適配，但在軟焊時所要求的限度要寬于熔成合金時要求的限度。
未經(jīng)處理的芯片背面通常不能用軟焊劑浸潤，芯片背面須被金屬化。除了也適用于軟焊要求的在半導體上有良好的附著能力和要求無阻擋層的過渡之外，還附加地要求具有良好的可焊性，即可浸潤性。為了無阻擋層地過渡，在n-si層上主要有金屬Ti、NiSi和AuSb是行之有效的，在P-Si層上主要有金屬Al、Cr和Au是行之有效的。襯底表面通常是化學鍍鎳的。如果需要低的焊接溫度，則還可考慮電鍍銀。
迄今，電阻加熱的焊接卡座或加熱線圈被用作加熱待連接的材料和半導體芯片的熱源。但這些熱源具有如下缺點其加熱至焊接溫度所需的時間過長(通常遠長于1秒)，據(jù)此，焊劑會發(fā)生氧化并且從而須采用保護氣體或還原氣氛。
發(fā)明的任務在于提供一種用于特別是通過把一個半導體芯片固定在一個襯底上，譬如一個金屬的結構支架或陶瓷的殼座上建立芯片-襯底-連接的設備和方法，在該設備或者在該方法中，為了建立焊接連接，在很短的時間內(nèi)，即約一秒或短于一秒的時間內(nèi)，可加熱到高于典型的350℃，并且同時使相關的半導體芯片所承受的熱負荷保持在盡可能低的水平上。
對設備而言，解決以上任務的技術方案在于權利要求1，對方法而言，解決以上任務的技術方案在于權利要求10。
按照發(fā)明，規(guī)定加熱裝置具有一個輻射源，并且用于支承襯底的支架作為加熱裝置的構成部分具有一個配屬于芯片-襯底-連接的、在設備運行中可被輻射源以電磁輻射加熱的熱載體。按照發(fā)明的原理，輻射源是一個在紅外波長范圍內(nèi)發(fā)出激光輻射的激光器。
與迄今在為了固定芯片的軟焊中采用的加熱源相比，本發(fā)明具有特別是如下優(yōu)點-通過采用典型的為950納米左右的紅外波長范圍內(nèi)的激光輻射，半導體芯片和襯底的焊料連接處可在很短的時間內(nèi)，即約一秒或短于一秒的時間內(nèi)被加熱至約350℃以上，其中，所用的激光器功率根據(jù)被熱輻射加熱的熱載體適配地被選擇，使熱載體為了把紅外光能轉(zhuǎn)換成熱能，具有足夠高的激光輻射吸收能力，并且從另一方面考慮，激光器的功率又不可大得使待連接的半導體芯片處于過高的熱負荷之下。
-通過以極高的速度加熱至焊接溫度，焊劑的氧化被避免，據(jù)此，也可在不用保護氣體或還原氣氛的情況下作業(yè)。基于加熱至焊接溫度只需很短時間，可不用助焊劑。
-短時間的加熱可近似點狀地和從而單芯片地進行，據(jù)此，只有那個相關的、用于建立焊接連接的半導體芯片可控地被加熱，而與之相鄰的半導體芯片尚未經(jīng)過顯著升溫。
概念“芯片-襯底-連接”應不僅被理解為對單個的從晶片復合體切割出的或鋸開的芯片的連接，而且還應理解為對多個出自晶片復合體的，所謂的芯片條的、尚且連在一起的半導體芯片的連接。
發(fā)明還有利地規(guī)定，加熱裝置的配屬于芯片-襯底-連接的熱載體具有一種對輻射源的熱輻射透明的或至少透射的材料。石英作為用于熱載體的優(yōu)選材料基于其小的膨脹率具有如下優(yōu)點短時的、局部出現(xiàn)的溫度波動不導致裂紋或斷裂。
按照發(fā)明的原理，還規(guī)定熱載體在其面對芯片-襯底-連接的一側(cè)具有一種對由輻射源輸送的光輻射的吸收率高的材料。具有高的吸收率的材料作為薄的金屬層，尤其是作為薄的鉻層特別有利地敷在熱載體的面對芯片-襯底-連接的表面上。在采用透明的熱載體，例如是石英的情況下，只要鉻層會沒有問題地、充分地附著在熱載體上，鉻敷層的厚度有利地為幾百個納米，最多達約幾微米或以上。按照發(fā)明，熱載體上的具有高激光吸收率的材料的優(yōu)點首先在于，為了把紅外光能轉(zhuǎn)換成熱能，可達到對激光輻射足夠高的吸收率。同時，通過該材料的良好的吸收率，可選用較小的激光器功率，據(jù)此，為了按照發(fā)明建立芯片-襯底-連接，已可提供使用的、特別好地適宜的激光源，特別是半導體激光二極管的應用被進一步開辟。
在熱載體上覆有激光吸收材料的情況下，熱載體本身本應是一個壞的熱導體并且對激光輻射本應是理想地透明的，或者在導熱性能好的情況下應具有足夠小的熱容量。據(jù)此，在兩種情況下，不用于加熱原始材料的能量可占少的份額。從該意義上，也優(yōu)選由石英構成的，其上覆有一層用作能量吸收體的鉻層的熱載體。
可特別有利地規(guī)定，高吸收率的材料的展開范圍被限定在芯片-襯底-連接的直接相關的半導體芯片的待加熱的截面范圍。據(jù)此，為在對相鄰的芯片不進行不必要的加熱的情況下單個地鍵合芯片提供了可能性。
下面借助一個在附圖中示出的實施例繼續(xù)說明本發(fā)明。附圖所示具體為
圖1用于在應用一個紅外-激光源的情況下，通過軟焊一個半導體芯片建立芯片-襯底-連接的設備的斷面示意圖。
在圖1中示出的實施例，包括一個發(fā)明的用于通過把一個單個的半導體芯片2軟焊到襯底3上建立芯片-襯底-連接1的設備。出于簡化原因，標號4示意地表示所有的在半導體芯片2的背面上為建立芯片-襯底-連接所需的材料，即軟焊劑和視情況所需的、其它可焊的覆層。在圖1中也僅僅示意地、部分地示出了用作用于固定半導體芯片的襯墊的襯底3。在圖1中示出了預制的、金屬的結構支架(所謂的引線框架)，該結構支架特別是用在塑料殼中時是一個很普及的襯底構形。襯底3通常以一條金屬帶的連續(xù)的方式被輸往用于建立芯片-襯底-連接的設備，一個單個的半導體芯片借助一個專門成型的吸持凸塊5從(圖中未示出的)粘附薄膜上取下晶片為了切割成芯片粘附到該薄膜上，并被定位和放到襯底3的為此規(guī)定的位置(如圖1所示)上。隨后，借助發(fā)明的設備，通過軟焊對半導體芯片2和襯底3進行連接。發(fā)明的設備包括一個固定在一個臺子6上的、其上暫時支承有襯底3的支架7及一個配屬于芯片-襯底-連接1的加熱裝置8。
按照發(fā)明，加熱裝置8包括一個紅外-激光輻射源9，最好是一個半導體激光二極管，紅外-激光輻射源9是借助一個電氣連接的控制裝置10受到控制的，并其具有約950納米波長的激光輻射經(jīng)由一個光導體11和光學的聚焦透鏡12、13被導至一個用光輻射14加熱的熱載體15上。熱載體15由一塊石英板構成，該石英板在其面對芯片-襯底-連接1的表面16上覆有100納米至約300納米厚的鉻層17。其中，鉻層17用作吸收饋入的激光輻射15的吸收層，把輻射入的、紅外光能轉(zhuǎn)換成熱能并把該熱能轉(zhuǎn)到與熱載體15在熱的方面緊密相連的襯底3上并從而轉(zhuǎn)到焊劑4上。據(jù)此，按照發(fā)明的一個基本的構思，支承襯底3的支架7同時為加熱裝置8的構成部分結構，這就是說，該支架是用激光輻射源9的熱輻射加熱的熱載體15。用發(fā)明的設備可在極短的時間內(nèi)，即在典型的短于1秒的時間內(nèi)只把待連接的構成部分，即半導體芯片2和襯底3加熱至所需的約高于350℃的焊接溫度。其中，激光器9的能量中的不用于加熱待連接的構成部分的份額可保持盡可能地小，為了預熱，作為輔助，可設有一個預先已知結構的、但在圖中未示出的加熱源。
權利要求
1.用于特別是通過把半導體芯片(2)焊接在襯底(3)上建立芯片-襯底-連接(1)的設備，該設備具有一個在其上或在其旁暫時支承有襯底(3)的支架(7)和一個配屬于芯片-襯底-連接(1)的加熱裝置(8)，其特征在于，加熱裝置(8)具有一個輻射源(9)，并且支架(7)作為加熱裝置(8)的構成部分，具有一個可被輻射源(9)的電磁輻射，特別是激光輻射加熱的熱載體(15)。
2.按照權利要求1所述的設備，其特征在于，輻射源(9)是一個在紅外波長范圍內(nèi)進行激光輻射的激光器。
3.按照權利要求2所述的設備，其特征在于，激光輻射的波長為約950納米。
4.按照權利要求1至3之一所述的設備，其特征在于，加熱裝置(8)的配屬于芯片-襯底-連接(1)的熱載體(15)具有一種對輻射源(9)的熱輻射透明的或至少透射的材料。
5.按照權利要求4所述的設備，其特征在于，熱載體(15)具有石英。
6.按照權利要求1至5之一所述的設備，其特征在于，熱載體(15)在其面對芯片-襯底-連接(1)的一側(cè)具有一種對由輻射源(9)輸送的光輻射(14)的吸收率高的材料(4)。
7.按照權利要求6所述的設備，其特征在于，熱載體(15)的面對芯片-襯底-連接(1)的表面覆有對由輻射源(9)發(fā)出的光輻射(14)具有高的吸收率的材料(4)。
8.按照權利要求6或7所述的設備，其特征在于，熱載體(15)在其面對芯片-襯底-連接(1)的表面(16)上具有薄的鉻層(17)。
9.按照權利要求6至8之一所述的設備，其特征在于，具有高的吸收率的材料(4)的展開范圍被限定在芯片-襯底-連接(1)的直接相關的半導體芯片(2)的待加熱的截面范圍。
10.用于特別是通過把半導體芯片(2)焊接到襯底(3)上建立芯片-襯底-連接(1)的方法，應用一個在其上或在其旁暫時支承有襯底(3)的支架(7)和應用一個配屬于芯片-襯底-連接(1)的加熱裝置(8)，其特征在于，一個輻射源(9)被用作加熱裝置(8)，并且支架(7)具有一個熱載體(15)作為加熱裝置(8)的構成部分，該熱載體(15)借助輻射源(9)的電磁輻射，特別是激光輻射被加熱。
11.按照權利要求10所述的方法，其特征在于，一個具有在紅外波長范圍內(nèi)激光輻射的激光器被用作輻射源(9)。
12.按照權利要求11所述的方法，其特征在于，激光輻射的波長為約950納米。
13.按照權利要求10至12之一所述的方法，其特征在于，加熱裝置(8)的配屬于芯片-襯底-連接(1)的熱載體(15)具有一種對輻射源(9)的熱輻射透明的或至少透射的材料(4)。
14.按照權利要求13所述的方法，其特征在于，熱載體(15)具有石英。
15.按照權利要求10至14之一所述的方法，其特征在于，熱載體(15)在其面對芯片-襯底-連接(1)的一側(cè)具有一種對由輻射源(9)輸送的光輻射(14)的吸收率高的材料(4)。
16.按照權利要求15所述的方法，其特征在于，熱載體(15)的面對芯片-襯底-連接(1)的表面覆有對由輻射源(9)發(fā)出的光輻射(14)具有高的吸收率的材料(4)。
17.按照權利要求15或16所述的方法，其特征在于，熱載體(15)在其面對芯片-襯底-連接(1)的表面上具有薄的鉻層(17)。
18.按照權利要求15至17之一所述的方法，其特征在于，具有高的吸收率的材料(4)的展開范圍被限定到芯片-襯底-連接(1)的直接相關的半導體芯片(2)的待加熱的截面范圍。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于特別是通過把半導體芯片(2)焊接在襯底(3)上建立芯片－襯底－連接(1)的設備,該設備具有一個在其上或在其旁暫時支承有襯底(3)的支架(7)和一個配屬于芯片－襯底－連接(1)的加熱裝置(8)。加熱裝置(8)具有一個激光器形式的、在紅外一波長范圍內(nèi)的輻射源(9)。支架(7)是通過一個配屬于芯片－襯底－連接(1)的、被輻射源(9)以熱輻射加熱的熱載體(15)構成的,其中,熱載體(15)的表面覆有對由輻射源(9)發(fā)出的光輻射(14)有高的吸收率的材料(4),特別是覆有鉻。
文檔編號H01L21/52GK1265226SQ98807568
公開日2000年8月30日 申請日期1998年7月20日 優(yōu)先權日1997年7月23日
發(fā)明者S·格雷特施, H·L·阿爾陶斯, W·斯佩斯, G·波格納 申請人:因芬尼昂技術股份公司