專利名稱：使用模板印刷高分子導電材料的低溫倒裝焊方法
技術領域：
本發明屬于集成電路和微機電系統(MEMS)器件封裝中倒裝焊領域，特別適合不能進行 高溫處理的器件。
背景技術：
IC設計、芯片制造和封裝測試并稱為半導體工業的三大產業。統計數據顯示，中國將成 為世界的IC封裝基地之一。因此對于封裝技術的研究，對中國的半導體工業的發展具有重要 的意義。封裝的作用就是給管芯(芯片)和印刷電路板(PCB)之間提供電互連、機械支撐、 機械和環境保護及散熱通道。隨著集成電路特征尺寸的減小，要求封裝密度越來越高，從而 對封裝的可靠性提出更高的要求。同時，隨著集成電路芯片成本的不斷降低，導致封裝的成 本在元器件成本中的比例不斷上升。因此，半導體產業對于低成本高可靠性的封裝技術提出 了更高的要求。傳統上，用細小的金、銅或鋁鍵合引線進行芯片的連接，該鍵合引線從半導體芯片表面 周邊附近設置的接觸焊盤引到塑料或陶瓷封裝的引線鍵合焊盤上，實現芯片與外界的電連接。 由于引線鍵合成本低、效率高，目前在工業界仍然廣泛應用。然而，隨著集成電路特征尺寸 的縮小，芯片的引出端越來越多，只能使用周邊焊盤的引線鍵合技術受到挑戰。同時，即使 在相對短的距離上，細鍵合引線也必然會將不需要的電感和電容引入互連中，并由此減小電 子器件的帶寬和操作速率。隨著更快的微處理器和更高頻率的信號處理和通信裝置的發展， 引線鍵合的缺陷變得越來越明顯。倒裝焊技術就是為了解決芯片引出端數越來越多、工作頻率越來越高等問題而發展起來 的一種互連技術。相對于傳統的引線鍵合技術，倒裝焊技術使用焊球陣列實現芯片之間或芯 片與襯底之間的互連。倒裝焊技術密度高、節距小且是面陣列，大大增加引出端數，并且具 有短的互連通路(大約50至l」100微米)，可以大大減小互連電感和電容，在高頻率的器件里有較好的應用。倒裝焊常規的工藝過程是這樣的。首先，在芯片的焊盤上制作凸點下金屬化層。其次， 在芯片的焊盤或制備了凸點下金屬化層的焊盤上制備凸點。最后，實現芯片之間或芯片與襯 底之間的倒裝互連。芯片的焊盤通常是鋁、銅或其他的金屬材料，按照一定的規律分布在芯片的表面。凸點 材料通常為各種導電材料，如金、焊料等。 一般凸點材料不能直接制作在焊盤上，并且為了 防止凸點材料和焊盤之間發生擴散、反應生成金屬間化合物從而降低凸點和焊盤金屬連接的 可靠性，需要制作一層凸點下金屬化層。常見凸點下金屬化層有Cr-CuCr-Cu、 TiW-Cu、 Al-NiV-Au、 TiW-Au、 Ni(P)-Au等，其相應的制作方法包括蒸發、濺射、化學鍍鎳加浸金等。凸點制備技術已經開發出很多種，如蒸發、SBB (Stud Bump Bonding)技術、電鍍、印 刷等。蒸發工藝需采用金屬掩模，成本高，工藝復雜，應用限制較多。SBB技術采用已有的 引線鍵合設備和技術實現單個鍵合區的凸點，以金凸點為主，但是生產效率相對較低。電鍍 技術制備的凸點質量較好，可以實現窄節距的凸點制備，但由于需要蒸發或濺射工藝制備凸 點下金屬化層，而且需要厚膠光刻工藝形成電鍍掩模和電鍍圖形，導致成本高、工藝復雜等 問題。模板印刷技術制備倒裝凸點，由于和現有的表面貼裝技術具有較好的工藝兼容性，因 此生產效率高，成本較低。但是由于目前對模板印刷過程中眾多工藝參數的研究還不成熟， 導致模板印刷制備的凸點存在各種缺陷，如均一性較差、出現孔洞或橋接、可靠性較差等問 題，使得模板印刷在倒裝焊特別是窄節距的倒裝焊技術中的應用受到限制。目前在工業界應用較為廣泛、研究比較多的是使用焊膏的模板印刷。常用的焊膏通常又 可以分為有鉛焊膏(如鉛錫共晶焊膏)和無鉛焊膏GnSn4%Ag0.5%Cu、 Sn3.5%Ag)。由于歐 盟及其他國家已經出臺相關規定要求電子器件實現無鉛化，因此使用模板印刷技術實現無鉛 凸點的制備，得到廣泛的研究和應用。授予陳正豪等人的"鉛/錫及無鉛焊料的小間距倒裝焊 凸點模板印刷制備技術"的中國專利03142416. 3中敘述了使用模板印刷制備倒裝凸點的工 藝。該工藝包括如下步驟采用鎳一釩合金和浮脫工藝制備凸點下金屬層和回流引導金屬層; 根據焊球尺寸和工藝要求，設計制備印刷模板；使用印刷機印制焊膏在晶片上；根據焊膏材 料要求，在一定溫度下回流形成焊球。由于焊膏回流成球，因此凸點的均一性較好，可靠性 較高，并且通過優化工藝參數可以實現小節距的凸點制備。在Dionysios Manessis等人在 2004年出版的IMAPS 2004 Long Beach的會議論文集的題目為"Acco即lishments in Lead-FreeFlip Chip Wafer Bumping using Stencil Printing Technology"論文中披露了使用化學鍍 鎳和模板印刷制備了節距為120微米面陣列的無鉛凸點，其高度分布為41.6±2.8微米，達 到了較好的均一性。同時，剪切力實驗顯示Sn4%AgO. 5%Cu凸點的剪切強度為4. 26g/mil2， Sn3. 5%Ag凸點剪切強度為3. 07g/mil2，可靠性較好。但是由于無鉛焊膏的熔點較高，如Indium 公司SAC系列無鉛焊膏熔點約為217 218°C，給無鉛焊膏的應用帶來限制。發明內容本發明的目的是采用模版印刷技術和高分子導電材料實現低溫的倒裝焊。本發明的特征在于所述方法依次含有以下步驟 步驟(1)制作開孔的印刷模板；開孔的位置和芯片上的焊盤、以及襯底上的焊盤的位置要逐個分別對應， 開孔的面積比大于0.6，所述面積比二S/S側，S是開孔的面積，S側是開孔的側壁面積， 開孔的寬度比W/t要大于1.5，對于方 L， W是開孔的邊長，對于圓孔，W是開孔的直徑， t是模板的厚度，開孔的面積小于焊盤的面積；步驟(2)清洗所述需要倒裝的芯片和襯底，去除所述芯片和襯底焊盤表面的有機污染物； 步驟(3)使用所述模板在所述芯片表面的焊盤上印刷高分子導電材料，形成凸點，所述高分子導電材料是由熱塑性或熱固性的樹脂混合導電顆粒組成的各向同性導電材料，導電顆粒可以是銀粉顆粒；步驟(4)把印刷有所述高分子導電材料的芯片放入保溫爐中固化，固化溫度小于15(TC; 步驟(5)使用所述模板在所述襯底上印刷所述高分子導電材料形成凸點；步驟(6)把經過步驟(4)固化后的芯片和步驟(5)印刷有所述高分子導電材料但尚未固化的襯底對準后組裝在一起；步驟(7)把經過步驟(6)倒裝后的芯片和襯底放入所述保溫爐中固化，固化溫度< 150。C;步驟(8)使用不導電的高分子材料從底部去填充已經通過步驟(7)固化的倒裝芯片；步驟(9)把步驟(8)中底部填充后的倒裝芯片放入所述保溫爐中固化，固化溫度小于 150°C，形成最后的系統。在模板印刷時所述模版的印刷速度在7mm/s至25mm/s之間。在模板印刷時所述模板的底部和被印刷凸點的芯片面，或者襯底的上表面的距離為零。 所述模板的形狀是方形、圓形之中的任何一種。 所述模板上開孔的面積小于焊盤的面積。相對于使用焊膏的模板印刷技術來說，使用高分子導電材料的模板印刷技術具有如下優點無須制作凸點下金屬化層。高分子導電材料和大多數焊盤金屬如鋁、銅、金等有較好的 浸潤性，結合較好，不需要象印刷焊膏一樣先制備凸點下金屬化層，因而簡化工藝過程，降 低成本。固化溫度低。對于大多數的高分子導電材料，固化溫度〈15(TC，可以減少高溫對半導體 芯片帶來的損傷，特別適用于一些半導體探測器的封裝。由于整個工藝溫度較低，產生的熱 應力相對較小，提高了系統的可靠性。機械性能好。高分子導電材料通常由熱塑性或熱固性樹脂和導電金屬顆粒如銀粉混合制 成。由于樹脂材料韌性較好，抗熱應力、機械應力較好，疲勞壽命高。對于由熱固性樹脂組成的高分子導電材料，印刷固化后不能流動，后處理過程可靠性更 好，同時也可以減少或取消后處理的清洗殘留物設備。無鉛等有害金屬，可以更好的保護環境。隨著模板制作技術的進步，使用高分子導電材料的模板印刷技術可以實現窄節距凸點陣 列，滿足芯片引出端數越來越多的要求。
圖1是實施例中要倒裝在一起的芯片和襯底的剖面圖。 圖2是印刷模板的俯視圖。圖3是使用圖2中的模板在圖1中芯片上印刷高分子導電材料時的剖面圖。圖4是取走模板后的印刷有高分子導電材料并固化后的芯片剖面圖。圖5是圖1中的襯底印刷了高分子導電材料后的剖面圖。圖6是圖4和圖5對準后準備組裝在一起的示意圖。圖7是對準后的芯片和襯底組裝在一起并固化后的剖面圖。圖8是固化后的芯片和襯底使用高分子非導電材料底部填充后的剖面圖,其中，圖中各個數字標識所代表的含義為1:半導體芯片，3:半導體芯片正表面的鈍化層， 5:襯底正表面上的鈍化層， 7:高分子導電材料， 9:印刷用的模板，2:半導體芯片正表面的焊盤 4:襯底6:襯底正表面上制作的焊盤 8:底部填充使用的高分子非導電材料 10:模板上的開孔具體實施方式
本特選實施例具體工藝實施步驟為 1， 設計制造印刷模板9;2， 清洗需要倒裝的芯片1和襯底4，去除焊盤2、 6表面上有機物等沾污；3， 使用模板9在芯片1表面的焊盤2上印刷高分子導電材料7，形成凸點；4， 將印刷有高分子導電材料的芯片1放入保溫爐中固化；5， 使用模板9在襯底4上印刷高分子導電材料7，形成凸點；6， 將固化后的芯片1和印刷有高分子導電材料但沒有固化的襯底4倒裝在一起；7， 將倒裝后的芯片1和襯底4放入保溫爐中固化；8， 使用不導電的高分子材料8底部填充已經固化的倒裝芯片；9, 底部填充后的倒裝芯片放入保溫爐中固化，形成最后的系統；芯片l是一種電子器件，特別是不能承受高溫處理工藝的電子器件，如特殊的半導體探測器。在芯片1的正表面制作有多個焊盤2，焊盤2以外的位置可以覆蓋有一層鈍化層3。襯 底4可以是FR-4、陶瓷、硅襯底或是其他的半導體芯片，同時在其正表面與芯片1上焊盤2 對應位置制作有接觸焊盤6，接觸焊盤6以外的地方也可以覆蓋有鈍化層5。芯片1和襯底4 上的焊盤通常為鋁、銅、金或銀等金屬。在開始倒裝前，須將芯片1和襯底4清洗干凈，去 除焊盤2、 6表面的有機物等沾污，提高倒裝芯片的機械性能和電學性能。模板9是本發明中的關鍵，模板9的設計和印刷的高分子導電凸點的質量有密切聯系。 同時模板9的設計也受到高分子導電材料的物理性能的影響。 一般的，由于高分子導電材料 固化時不能象焊膏一樣回流成球，所以模板的開孔10尺寸通常比接觸焊盤2、 6小，以防止出現橋接等缺陷。但是，當芯片1和襯底4上的接觸焊盤2、 6節距比較大時，也可以采用模 板開孔10比接觸焊盤2、 6大，以改善機械性能和電學性能。模板9上的開孔10形狀可以采用圓形、橢圓形或帶有圓角的矩形等。通常圓形開孔，脫 模性能較好；帶有圓角的矩形印刷的凸點體積大；橢圓形開孔則適合于節距較小的凸點陣列 的印刷。假設模板9上的開孔10寬為K長度為乙面積為5;開孔側壁面積為5V，模板9 厚為t，則可以定義如下兩個參數寬厚比=/^/"面積比=5/5^。模板設計時要求寬厚比〉1. 5，面積比〉0.6。模板加工方法主要有三種電化學腐蝕、激光加工和電鑄加工。電化學腐蝕成本最低， 一般使用銅板作為模板，開孔質量較差，對于節距比較大(>1毫米)的情況比較適合。激光加工使用鋼板作為模板，開孔質量較好，適用于節距大于150微米的倒裝焊技術。 當模板開孔數量較多，激光加工成本較高。當開孔節距小于150微米時，開孔側壁質量較差 導致印刷效果較差，因此需要采用電鑄加工模板技術。電鑄加工模板開孔側壁陡直，質量最 好。根據印刷凸點陣列的要求，選擇合適的模板加工技術，設計合理的模板開孔參數，從而 獲得高質量的印刷凸點陣列。高分子導電材料，通常是由熱塑性或熱固性的樹脂混合導電顆粒組成的各向同性導電材 料。導電顆粒通常是銀粉顆粒，質量分數最高達80%。在印刷高分子導電材料時，需要選擇合理的印刷參數來獲得均一性較好、可靠性較高的 凸點陣列。常見的印刷參數包括印刷速度、印刷壓力、離板高度、脫模速度等。印刷速度不 能過快，否則導致模板開孔無法完全填充，印刷速度通常為7mm/s到25mm/s。印刷刮刀的壓 力不能太大，否則造成刮刀和模板的磨損，并且導致印刷材料的向四周流動而造成橋接等缺 陷；印刷刮刀的壓力不能太小，否則刮刀刮動時，印刷材料殘存在模板上。離板高度定義為 印刷時模板的底部和被印刷凸點的芯片或襯底的上表面的距離。印刷高分子導電材料時，離 板高度通常為O。脫模速度影響高分子導電凸點的質量，過快脫模速度降低高分子導電凸點 均一性。為了獲得均一性較好的印刷凸點，盡量減小脫模速度。凸點在芯片和襯底印刷完成后，需要進行組裝，即將芯片和襯底倒裝在一起。由于高分 子導電材料固化以后不能再流動，所以組裝時需要保證較高的對準精度，需要采用的專用的 組裝設備。芯片和襯底采用高分子導電材料倒裝以后，為了增強倒裝的機械性能，采用非導電性的 高分子材料進行底部填充。由于本發明要求工藝溫度不能超過15(TC，因此用于底部填充的高分子材料固化溫度不能超過150°C。本發明的特征在于使用模板印刷高分子導電材料實現低溫倒裝焊技術，而不是使用焊膏 尤其無鉛焊膏的倒裝焊技術。使用焊膏尤其是無鉛焊膏的倒裝焊技術，工藝過程最高溫度不低于24(TC，而本發明整個工藝過程溫度不高于15(TC，適應于一些對于溫度比較敏感的半導 體器件，如特殊的半導體探測器等。為了更好地介紹本發明，結合一特定實施例來說明。需要注意的是，這個實施例并不構 成對發明的限制，其原理和特征可用于各種實施例而不脫離本發明的范圍和實質。
權利要求
1.使用模板印刷高分子導電材料的低溫倒裝焊方法，其特征在于，所述方法依次含有以下步驟步驟(1)，制作開孔的印刷模板開孔的位置和芯片上的焊盤、以及襯底上的焊盤的位置要逐個分別對應，開孔的面積比大于0.6，所述面積比＝S/S側，S是開孔的面積，S側是開孔的側壁面積，開孔的寬度比W/t要大于1.5，對于方孔，W是開孔的邊長，對于圓孔，W是開孔的直徑，t是模板的厚度，開孔的面積小于焊盤的面積；步驟(2)，清洗所述需要倒裝的芯片和襯底，去除所述芯片和襯底焊盤表面的有機污染物；步驟(3)，使用所述模板在所述芯片表面的焊盤上印刷高分子導電材料，形成凸點，所述高分子導電材料是由熱塑性或熱固性的樹脂混合導電顆粒組成的各向同性導電材料，導電顆粒可以是銀粉顆粒；步驟(4)，把印刷有所述高分子導電材料的芯片放入保溫爐中固化，固化溫度小于150℃；步驟(5)，使用所述模板在所述襯底上印刷所述高分子導電材料形成凸點；步驟(6)，把經過步驟(4)固化后的芯片和步驟(5)印刷有所述高分子導電材料但尚未固化的襯底對準后相互倒裝在一起；步驟(7)，把經過步驟(6)倒裝后的芯片和襯底放入所述保溫爐中固化，固化溫度＜150℃；步驟(8)，使用不導電的高分子材料從底部去填充已經通過步驟(7)固化的倒裝芯片；步驟(9)，把步驟(8)中底部填充后的倒裝芯片放入所述保溫爐中固化，固化溫度小于150℃，形成最后的系統。
2. 根據權利要求l所述的模板印刷中使用高分子導電材料的低溫倒裝焊方法，其特征在 于，在模板印刷時所述模板的印刷速度在7mm/s至25mra/s之間。
3. 根據權利要求l所述的模板印刷中使用高分子導電材料的低溫倒裝焊方法，其特征在于，在模板印刷時所述模板的底部和被印刷凸點的芯片面，或者襯底的上表面的距離為零。
4. 根據權利要求l所述的模板印刷中使用高分子導電材料的低溫倒裝焊方法，其特征在 于，所述模板的形狀是方形、圓形之中的任何一種。
5. 根據權利要求l所述的模板印刷中使用高分子導電材料的低溫倒裝焊方法，其特征在 于，所述模板上開孔的面積小于焊盤的面積。
6. 根據權利要求l所述的模板印刷中使用高分子導電材料的低溫倒裝焊方法，其特征在 于，在所述焊盤間的節距大于l毫米時，用銅板作模板，通過電化學腐蝕加工形成。
7. 根據權利要求l所述的模板印刷中使用高分子導電材料的低溫倒裝焊方法，其特征在 于，在所述焊盤間的節距大于150微米時，用銅板作模板，通過激光加工技術形成。
8. 根據權利要求l所述的模板印刷中使用高分子導電材料的低溫倒裝焊方法，其特征在 于，在所述焊盤間的節距小于150微米時，所述模板采用電鑄加工模版方法形成。
9. 根據權利要求l所述的模板印刷中使用高分子導電材料的低溫倒裝焊方法，其特征在 于，所述高分子導電材料中的銀粉顆粒質量分數的上限為80%。
全文摘要
使用模板印刷高分子導電材料的低溫倒裝焊方法屬于封裝技術，尤其涉及集成電路和微機電系統(MEMS)器件倒裝焊技術領域，其特征在于用模板在芯片和襯底的焊盤上印刷高分子導電材料而形成凸點，然后把芯片和襯底的焊盤對準后在小于150℃溫度的保溫爐中固化，使所述芯片和襯底之間實現導電連接形成為一體，最后把不導電的高分子材料填充于所述芯片和襯底之間，形成完整的系統。本發明具有無須制作凸點下金屬化層、工藝溫度低、機械性能好的及可靠性高的優點，同時也減少或取消了后處理清洗殘留物的設備。
文檔編號H01L21/02GK101217124SQ20081005639
公開日2008年7月9日 申請日期2008年1月18日 優先權日2008年1月18日
發明者王水弟, 堅 蔡, 琳 薛, 賈松良 申請人:清華大學