具有介質(zhì)橋的芯片倒裝共晶鍵合方法及獲得的產(chǎn)物的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬微電子封裝領(lǐng)域，具體涉及具有介質(zhì)橋的芯片倒裝共晶鍵合方法及獲得的產(chǎn)物。
【背景技術(shù)】
[0002]微電子封裝技術(shù)中芯片組裝主要通過導(dǎo)電膠粘接和共晶鍵合等兩種主流工藝方法來實現(xiàn)，于前者相比，共晶鍵合具有電阻率低、導(dǎo)熱性能優(yōu)異和微波損耗小等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于高功率和微波芯片的組裝和封裝，為軍用混合集成電路提供了高可靠組裝方法。
[0003]芯片共晶鍵合是實現(xiàn)微電子器件集成化、微型化和輕量化的實現(xiàn)途徑，在微波組件應(yīng)用又具有應(yīng)用頻率高、傳輸速率快和帶寬大等特點。共晶鍵合主要通過鑷子手動共晶、半自動共晶、全自動共晶和真空燒結(jié)等方法實現(xiàn)。
[0004]手動鑷子共晶對操作人員要求較高，組裝一致性差，同時多芯片共晶鍵合，芯片受熱時間長，焊料易氧化，降低組件的電性能和可靠性。半自動和全自動共晶設(shè)備需通過吸嘴對芯片進(jìn)行拾取且需要施加一定的壓力，對具有介質(zhì)橋的芯片極易損傷，成品率低。
[0005]真空燒結(jié)爐可實現(xiàn)高功率芯片的共晶鍵合，通過爐腔內(nèi)抽真空-充保護(hù)氣氛的多次循環(huán)，降低爐腔內(nèi)氧含量，降低甚至消除焊料氧化，排除焊料中包裹的氣體，提高焊透率，實現(xiàn)芯片共晶鍵合。對于表面圖形存在介質(zhì)橋等敏感部位的芯片只能通過頂針或者無壓塊的狀態(tài)下進(jìn)行，當(dāng)需要進(jìn)行多芯片共晶鍵合時，各芯片的位置精度難以保證。同時，采用頂針對芯片施加壓力時，各個頂針的壓力難以精確控制，頂針與芯片接觸點受力不均勻，受壓部分易損傷。當(dāng)無壓塊共晶鍵合時，焊透率難以保證。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]針對【背景技術(shù)】所提到的上述不足，本發(fā)明是提供一種具有介質(zhì)橋的芯片倒裝共晶鍵合方法及獲得的產(chǎn)物，具體如下:
具有介質(zhì)橋的芯片倒裝共晶鍵合方法，按如下步驟進(jìn)行:
步驟一:底座成型。
[0007]取一塊石墨，通過采用高純石墨精密加工工藝制作出一塊底座4。
[0008]在該底座4上加工臺階腔體，獲得具有臺階腔體的底座4。底座4上的臺階腔體用以實現(xiàn)實現(xiàn)芯片3、襯底2和壓板1相對于底座4的定位。所述臺階腔體具有4級，且位于上一級的面積均大于下一級的面積。即臺階腔體為自上而下逐級縮小的腔體結(jié)構(gòu)，自上而下地依次稱為:第一級臺階、第二級臺階、第三級臺階、第四級臺階。
[0009]通過粘接或者沉積方式，在具有臺階腔體的底座4的腔體底面和側(cè)面附著一層聚酰亞胺或者聚四氟乙烯，并對附著在具有臺階腔體的底座4的表面的聚酰亞胺或者聚四氟乙烯進(jìn)行軟化處理，獲得裝配有經(jīng)過軟化處理的底座4。其中，對經(jīng)過軟化處理的底座4表面的聚酰亞胺或者聚四氟乙烯層進(jìn)行軟化處理的厚度范圍在10-50μπι。通過劃片或者激光加工的方式在保芯片3的底面和側(cè)面開槽，并確保將芯片3切割尺寸與臺階腔體的第三級臺階的尺寸相匹配。
[0010]步驟二:襯底預(yù)處理。
[0011]取一塊合金板材，通過機(jī)械加工工藝將該合金板材加工成襯底2。優(yōu)選的方案是，襯底2為高導(dǎo)熱的MoCu或CuW。通過機(jī)械將襯底2加工成所需尺寸外形。對襯底2的表面鍍覆一層Au/Ni鍍層，獲得含有Au/Ni鍍層的襯底2。其中，Ni層的厚度范圍為1_6 Mm，Au層的厚度范圍為2.54-5.08 Mm。
[0012]在含有Au/Ni鍍層的襯底2的待鍵合面預(yù)置共晶焊料，獲得含有共晶焊料的襯底2。
[0013]步驟三:壓塊成型。
[0014]蓋板1為氧化鋁陶瓷板。通過粘接或者沉積方式，在蓋板1表面附著一層聚酰亞胺或者聚四氟乙烯。
[0015]隨后，對表面附著有聚酰亞胺或者聚四氟乙烯的蓋板1進(jìn)行軟化處理，獲得經(jīng)過軟化處理的蓋板1。
[0016]其中，蓋板1表面的聚酰亞胺或者聚四氟乙烯的軟化處理層厚度范圍為10-50Mm。通過劃片或者激光加工將其切割成相應(yīng)尺寸。
[0017]步驟四:裝配。
[0018]通過貼片機(jī)將芯片3、由步驟二獲得的含有共晶焊料的襯底2、由步驟三獲得的經(jīng)過軟化處理的蓋板1自下而上地置于由步驟一獲得的經(jīng)過軟化處理的底座4的腔體中，獲得半成品。
[0019]隨后，將將前述半成品置于共晶燒結(jié)爐的熱板上，并關(guān)上共晶燒結(jié)爐的爐門。
[0020]步驟五:共晶鍵合。
[0021]設(shè)定共晶燒結(jié)爐的的焊接溫度曲線和工藝氣氛，對共晶燒結(jié)爐腔體內(nèi)部進(jìn)行抽真空和充保護(hù)氣體，抽真空和充保護(hù)氣體的工藝執(zhí)行2次以上循環(huán)，同時逐步升高熱板溫度。
[0022]待共晶燒結(jié)爐的腔體內(nèi)部溫度將含有共晶焊料的襯底2上的焊料開始融化時，向共晶燒結(jié)爐的腔體內(nèi)部通入3-9slm流量的還原介質(zhì)或者保護(hù)氣體，以提高加熱效果，還原介質(zhì)還起著去除焊料表面氧化層的作用。
[0023]待含有共晶焊料、且經(jīng)過軟化處理的襯底2上的焊料完全熔化后，將此刻共晶燒結(jié)爐的爐溫保溫5-30 s，并持續(xù)對爐腔內(nèi)抽真空。
[0024]待半成品完成共晶鍵合后，向共晶燒結(jié)爐的腔體內(nèi)部沖入冷卻氣體，獲得芯片模塊。該芯片模塊即為成品。
[0025]采用本發(fā)明所述的具有介質(zhì)橋的芯片倒裝共晶鍵合方法獲得的產(chǎn)物，包括蓋板1、襯底2、芯片3和底座4。
[0026]在蓋板1的下表面設(shè)有蓋板軟化處理層6。
[0027]在襯底2的下表面設(shè)有焊料層8。
[0028]在芯片3的下表面設(shè)有介質(zhì)橋10。
[0029]底座4為矩形塊。在底座4的頂面開有一個壓板定位槽I，在壓板定位槽I的底部開有一個襯底定位槽II，在襯底定位槽II的底部開有芯片定位槽III，在芯片定位槽III的底部開有介質(zhì)橋避讓孔IV。介質(zhì)橋避讓孔IV的數(shù)量與介質(zhì)橋10的數(shù)量相同，且介質(zhì)橋避讓孔IV的開設(shè)位置與介質(zhì)橋10的開設(shè)位置相對應(yīng)。
[0030]在芯片定位槽III的底面、芯片定位槽III的側(cè)壁、襯底定位槽II的底面和襯底定位槽II的側(cè)面附著有一層底座軟化處理材料。所述底座軟化處理材料的材質(zhì)為聚酰亞胺或者聚四氟乙烯，附著方法為粘接或者沉積，附著厚度為10-50Mffl。
[0031]芯片3的底面壓在芯片定位槽III的底面上。芯片3底部的介質(zhì)橋10位置與介質(zhì)橋避讓孔IV的位置相對應(yīng)。芯片3水平輪廓與芯片定位槽III的水平輪廓相對應(yīng)。芯片3的高度大于芯片定位槽III的厚度。即芯片3的頂部延伸至襯底定位槽II中。
[0032]底部連接有焊料層8的襯底2壓在芯片3的上方。焊料層8的底面不與襯底定位槽II上方的底座軟化處理材料相接觸。襯底2的水平輪廓、焊料層8的水平輪廓均與襯底定位槽II的水平輪廓相對應(yīng)。
[0033]襯底定位槽II和第三級臺階III的深度之和小于芯片3和襯底2的厚度之和。即襯底2的上半部延伸至壓板定位槽I中。
[0034]底部連接有蓋板軟化處理層6的蓋板1壓在襯底2的上方部。蓋板1的底面不與壓板定位槽I上方的底座軟化處理材料相接觸。
[0035]本發(fā)明的優(yōu)勢在于:
本發(fā)明通過芯片倒扣放置、工裝表面的軟化處理和托盤開腔的精密加工，避免了芯片表面介質(zhì)橋等敏感區(qū)域的損傷，實現(xiàn)了芯片與襯底之間的高精度定位。保證了模塊組裝的一致性。通過共晶焊料在襯底上的預(yù)置和真空燒結(jié)工藝的應(yīng)用，實現(xiàn)了焊料量的精確控制，提高共晶鍵合的焊透率，通過排布多個芯片放置腔體，實現(xiàn)了多芯片的一次性共晶鍵合，解決了多芯片模塊共晶鍵合時的位置精度、芯片過燒等問題。通過陣列式排布共晶鍵合腔，可實現(xiàn)高效率批量組裝。
[0036]本發(fā)明避免了吸嘴、鑷子、壓塊或頂針對芯片正面介質(zhì)橋的損傷，通過底座精密成型和軟化處理，避免了芯片的污染和損傷，提高組件成品率。將焊料直接預(yù)置在襯底上，避免了焊料的污染和氧化，減少了焊料使用量，提高經(jīng)濟(jì)效益，通過對底座進(jìn)行開腔，可一次進(jìn)行多個芯片及不同高度多個器件的共晶鍵合，提高了共晶鍵合效率和一致性，該方法還可以通過陣列方法實現(xiàn)大批量組裝，提高組裝的一致性和效率。
[0037]本發(fā)明的技術(shù)優(yōu)點突出體現(xiàn)在如下方面:1通過精密加工的托盤底面開孔和芯片倒扣裝配，避免了組裝過程對裸芯片圖形層上介質(zhì)橋的損傷。2在托盤底部通過耐高溫柔性材料的附著，避免了托盤對芯片表面圖形的污染和損傷。3利用托盤上開腔，實現(xiàn)了芯片和襯底之間的高精度定位。4實現(xiàn)了多個裸芯片同時進(jìn)行共晶鍵合，避免了多芯片模塊共晶鍵合過程中存在的過燒和焊料氧化，提供了組件的可靠性。5通過將焊料預(yù)置在襯底上，提高了裝配效率，降低了組裝失效率。(6)采用還原氣氛共晶爐和托盤內(nèi)陣列式開槽，可實現(xiàn)高可靠和高效率多芯片模塊的批量組裝。
【附圖說明】
[0038]圖1為本發(fā)明的裝配示意圖。
[0039]圖2為本發(fā)明結(jié)構(gòu)的剖視圖。
[0040]圖3為本發(fā)明的陣列式批量多芯片模塊組裝底座結(jié)構(gòu)示意圖。
[0041 ] 圖4為本發(fā)明實施例1的X-Ray檢測圖。
【具體實施方式】
[0042]現(xiàn)結(jié)合附圖詳細(xì)說明本發(fā)明的結(jié)構(gòu)特點。
[0043]參見圖1，有介質(zhì)橋的芯片倒裝共晶鍵合方法，按如下步驟進(jìn)行:
步驟一:底座成型。
[0044]取一塊石墨，通過采用高純石墨精密加工工藝制作出一塊底座4。
[0045]在該底座4上加工臺階腔體，獲得具有臺階腔體的底座4。底座4上的臺階腔體用以實現(xiàn)實現(xiàn)芯片3、襯底2和壓板1相對于底座4的定位。所述臺階腔體具有4級，且位于上一級的面積均大于下一級的面積。即臺階腔體為自上而下逐級縮小的腔體結(jié)構(gòu)，自上而下地依次稱為:第一級臺階、第二級臺階