專利名稱：用于為焊料凸塊形成柱狀晶粒結構的熱梯度回流的制作方法
技術領域：
本發明涉及集成電路領域，更具體地，涉及用于為焊料凸塊形成柱狀晶粒結構的熱梯度回流的技術。
背景技術：
焊料凸塊廣泛用于集成電路元件的接合。為了接合集成電路元件，焊料凸塊置于集成電路元件之間，并且與該集成電路元件的接合焊盤電連接。然后，實施回流使電路元件熔化。可以通過例如使用加熱器將集成電路元件加熱到高于集成電路凸塊熔化溫度的溫度，進而實施回流。接著，通過向集成電路吹冷空氣，從而使焊料凸塊凝固，其中，可以從集成電路元件的相對方向吹冷空氣。焊料凸塊的回流通常用在倒裝接合中。焊料凸塊通常會由于，例如，熱循環，而發生開裂。焊料凸塊的開裂會導致集成電路的性能和可靠性降低。
發明內容
為了解決上述問題，本發明提供了一種方法，包括將包含第一工件和第二工件的封裝結構加熱，以熔化第一工件和第二工件之間的多個焊料凸塊；以及在加熱步驟之后，將多個焊料凸塊凝固，其中，方法進一步包括在凝固步驟期間，將封裝結構的第一側保持在第一溫度，第一溫度高于多個焊料凸塊的熔化溫度，其中，利用加熱源實施保持步驟；以及在凝固步驟期間，利用冷卻源將封裝結構的第二側保持在第二溫度，第二溫度低于熔化溫度，其中，第二側與第一側相對。其中，在將多個焊料凸塊凝固的步驟期間，在多個焊料凸塊中的每一個中都建立溫度梯度，并且，其中，溫度梯度的方向基本上垂直于第一工件和第二工件的主表面。其中，第一溫度高于大約200°C。其中，第二溫度低于大約0°C。其中，第二溫度低于大約_20°C。其中，加熱源配置為吹熱空氣，冷卻源配置為吹冷空氣。其中，加熱源配置為吹熱空氣，冷卻源包含在傳送帶中，傳送帶配置為傳送封裝結構。該方法進一步包括利用隔熱板在封裝結構的頂側和底側之間形成隔離，其中，力口熱源配置為從頂側和底側中的一個中吹熱空氣，以及其中，冷卻源配置為從頂側和底側中的另一個中吹冷空氣。該方法進一步包括在凝固步驟期間，將磁場施加到多個焊料凸塊。該方法進一步包括在凝固步驟之后，施加交變磁場，以將多個焊料凸塊、第一工件和第二工件消磁。其中，磁場大于大約2特斯拉。此外，還提供了一種方法，包括將第一工件堆疊在第二工件的正上方，其中，焊料凸塊置于第一工件和第二工件之間；將第一工件和第二工件加熱，以熔化焊料凸塊；在加熱步驟之后以及焊料凸塊凝固之前，在傳送帶上傳送第一工件和第二工件，其中，傳送帶處在第一溫度，第一溫度不高于室溫；以及在加熱步驟之后以及焊料凸塊凝固之前，將熱空氣從第一工件和第二工件的頂側吹到第一工件和第二工件上，其中，熱空氣處在第二溫度，第二溫度高于焊料凸塊的熔化溫度。
其中，傳送帶的第一溫度低于大約0°C。其中，向第一工件和第二工件吹冷空氣，直到焊料凸塊凝固。其中，隨著傳送帶上的第一工件和第二工件的傳送步驟的進行，熱空氣的第二溫度逐漸下降。其中，隨著傳送帶上的第一工件和第二工件的傳送步驟的進行，傳送帶的第一溫度逐漸上升。該方法進一步包括在加熱步驟之后以及焊料凸塊凝固之前，在焊料凸塊上施加磁場。該方法進一步包括在焊料凸塊凝固之后，施加交變磁場，以將焊料凸塊消磁。
為了全面理解本公開及其優點，現在結合附圖進行以下描述作為參考，其中圖I至圖4B是在接合工藝中焊料凸塊回流的中間階段的橫截面圖，其中，在焊料凸塊凝固期間，建立了熱梯度，并且還可以施加磁場；圖5示出了利用回流工藝將被接合的集成電路元件消磁；以及圖6A至圖6G示出了回流和底部填充施加(underfill dispensing)工藝的示例性流程。
具體實施例方式下面，詳細討論本發明各實施例的制造和使用。然而，應該理解，本發明提供了許多可以在各種具體環境中實現的可應用的概念。所討論的具體實施例僅僅是說明性的，而不用于限制本發明的范圍。根據實施例，提出了一種新式的用于接合集成電路元件的實施回流的方法。還論述了實施例的變化。在各個視圖和所示實施例中，相似的參考標號用于表示相似的部件。圖IA和圖IB示出了根據實施例的回流工藝的橫截面圖。例如，通過倒裝接合將工件10和工件12接合。在整個描述中，工件10稱為器件管芯，工件12稱為封裝基板。然而，在可選實施例中，工件10或工件12中可以是其中包含有諸如晶體管的集成電路器件的器件管芯、封裝基板、中介層、印刷電路板(PCB)、Oi倒裝封裝、芯片級封裝(CSP)等等。焊料凸塊14置于工件10和工件12之間，并且在后續工藝中進行回流。在下文中，工件10、工件12和焊料凸塊14結合在一起稱為封裝結構。在實施例中，當實施回流工藝時，在工件10和工件12之間施加(dispense)底部填充72。在可選實施例中，在實施下文所描述的回流工藝時，不施加底部填充72。圖IA示出了連續的回流工藝，其中，工件10和工件12通過傳送帶16進行傳送，傳送帶16如所示從左向右移動。因此，工件10和工件12的主表面15可以平行于傳送帶16的移動方向。在回流工藝的第一步驟中，焊料凸塊14被加熱到高于焊料凸塊14的熔化溫度的溫度。在實施例中，可以通過以下方式實施加熱使用加熱源17和/或加熱源20，將加熱源17置于工件10和工件12的正上方，并且將加熱源20置于工件10和工件12的正下方。在示例性實施例中，工件10、工件12和熔化的焊料凸塊14的溫度達到，例如，大約235°C，然而，也可以是其他不同的溫度。在可選實施例中，利用加熱的空氣(用箭頭表示)來加熱工件10、工件12和焊料凸塊14。在焊料凸塊14熔化之后，將工件10和工件12從熱磁隔離墻22的左側傳送到右偵牝其中，熱磁隔離墻22用于隔離左側和右側的熱場和/或磁場。在整個描述中，熱磁隔離墻22的左側和右側也可以分別稱 為腔室100和腔室200。焊料凸塊14在腔室200中凝固。在實施例中，加熱源18位于工件10和工件12的正上方，并且保持在高于焊料凸塊14的熔化溫度的溫度，從而向工件10和工件12提供熱量。冷卻源24位于工件10和工件12的正下方，并且處于低于焊料凸塊14的熔化溫度的溫度。在整個描述中，當加熱源/冷卻源被稱為特定溫度時，既表示該加熱源/冷卻源本身處于該溫度，還表示該加熱源/冷卻源所吹出的空氣處于該溫度。冷卻源24可以安裝在傳送帶16中，如圖I所示。因此，在從上到下的方向上，為每個焊料凸塊14建立熱梯度，在該方向上，溫度逐漸降低。由于焊料凸塊14相對較小，因此，為了達到足夠的溫度梯度，冷卻源24可以處于等于或者低于室溫(例如，大約21°C )的溫度。冷卻源24的溫度也可以低于大約0°C，或者低于大約-20°C。可以通過在冷卻源24中的冷卻管中引導甲醇，從而降低冷卻源的溫度。因此，通過接觸傳送帶16，工件10和工件12將熱量傳導到傳送帶16。另一方面，加熱源18的溫度可以高于大約200°C，或者處在大約235°C。可選地，加熱源18將熱空氣吹到工件10和工件12，其中，熱空氣處于較高的溫度。在焊料凸塊14部分地，或者基本上完全地凝固之前，可以保持溫度梯度。在實施例中，在每個焊料凸塊14內部，溫度梯度可以大于大約5°C/μ m、大于大約IO0C / μ m、或者甚至大于大約2(TC / μ m,隨著溫度梯度的建立，對于每個焊料凸塊14而言，底部的溫度最低，頂部的溫度最高。因此，首先會在焊料的底部發生焊料的成核現象，進而焊料凸塊14的底部上的核子開始向上發生焊料的枝晶(dendrite)生長。枝晶生長導致在焊料凸塊14中形成柱狀晶粒結構。所產生的柱狀晶粒具有長邊和短邊，其中，長邊在溫度梯度方向上延伸，該溫度梯度垂直于所形成的封裝結構的主表面15。由于平行于主表面15的方向是開裂傳播最可能產生的方向，其中，柱狀晶粒的縱向方向垂直于主表面15，焊料凸塊14可能產生的開裂很有可能被柱狀晶粒阻擋住，從而不太可能在平行于主表面15的方向上傳播。在所有焊料凸塊14凝固之前，都會發生枝晶生長。在該工藝期間，工件10和工件12由于傳送帶16的移動而向右移動。因此，在實施例中，加熱源18可以包括不同部分(如18AU8B等等所示)。加熱源18在右側的部分所處的溫度可以低于加熱源18在左側的部分的溫度，從左到右，加熱源18的不同部分的溫度可以逐漸降低，比如235°C、225°C、200°C等等，直到最后，加熱源18的最右側的部分的溫度低于，例如，大約100°C。溫度的下降可以是連續的，也可以是階梯式的(by steps)。例如,加熱源18的部分18A可以處于235°C,力口熱源18的部分18B可以處于225°C。加熱源18可以具有兩個、三個、四個、或者更多處于不同溫度的部分。在實施例中，冷卻源24的各個部分的溫度可以基本相同。可選地，冷卻源24在右側的部分的溫度可以高于在左側的部分。因此，從左側到右側，冷卻源24的各個部分的溫度可以從0°C以下逐漸增加到室溫。
可以了解，在焊料凸塊的晶粒中，在焊料凸塊的不同結晶方向(晶粒方向)上的熱膨脹系數(CTEs)不同。例如，在焊料凸塊的〈001〉方向上的CTE是所有方向中最高的。因此，〈001〉方向不應當與垂直于工件10和工件12的主表面15的方向一致。否則，發生開裂的可能性較高。為了將具有最大CTE的晶粒方向(指的是在下文中的C軸)移動到遠離垂直于工件10和工件12的主表面的方向，在焊料凸塊14的成核現象和枝晶生長期間，可以施加磁場，其中，所不出的磁力線32代表了磁場。磁場32可以由磁體36產生，該磁體36可以置于傳送帶16的正上方和正下方。為了防止磁場影響傳送帶16、加熱源18A和加熱源18B (圖1A)，傳送帶16、加熱源18A和加熱源18B可以使用碳棒，而不是鎢絲，作為電阻加熱源。在實施例中，磁場32可以垂直施加，例如，可以在從上到下的方向上，如圖IA所示，也可以在從下到上的方向上(未示出)。磁場32也可以在平行于主表面15的水平方向上施力口，如圖2所示。在其他實施例中，磁場可以在除垂直和水平以外的其他方向上使用，例如，圖IB中所示的如箭頭43所表示的方向。在圖IA到圖4B中所示的每個實施例中，可以通過實驗找到磁場32的最佳方向。由于施加了磁場32，可以將所得到的C軸調整為遠離垂直于主表面15的方向，該所得到的C軸是具有最大CTE的焊料凸塊的晶粒的軸。C軸可以平行于主表面15，或者可以與表面15所在的平面夾一個小于大約45度的斜角(off-angle)。C軸的調整可以通過調整磁場32的方向，和/或通過調整磁場32的振幅實現。在實施例中，磁場32大于大約I特斯拉或者高于大約2特斯拉，并且可以小于大約9特斯拉。圖IB示出了根據可選實施例的回流工藝的橫截面圖。除非另有說明，下文所描述的實施例中的參考標號代表了與圖IA中所示的實施例中相似的部件，從而不再對這些部件的細節進行重復描述。該實施例類似于圖IA中所示的實施例，除了冷卻源24置于工件10和工件12正上方，從而可以將冷空氣25吹至工件10和工件12。例如，加熱源18置于工件10和工件12的正下方，從而可以包括熱線圈。從而，在從下到上的方向上建立了溫度梯度，焊料凸塊14的底部的溫度最高，焊料凸塊14相應的頂部的溫度最低。因此，首先會在焊料凸塊14的頂部發生成核現象，枝晶生長發生在從上到下的方向上。圖3A示出了根據另一實施例的回流工藝的橫截面圖。在該實施例中，首先，加熱焊料凸塊14，例如，利用如圖IA中的腔體100的設置。在加熱焊料凸塊14之后，工件10和工件12被傳送到腔體200，以進行凝固。在可選實施例中，焊料凸塊14的熔化和凝固可以在相同的腔室200中實施。封裝結構包括工件10和工件12，置于隔熱板42的開口 44中，封裝結構的一側通過開口 44暴露到隔熱板42的底側。在實施例中，隔熱板42還起到了支撐工件10和工件12的作用，從而，如果存在傳送帶16，則使得工件10和工件12與傳送帶16分隔開。封裝基板12的尺寸可以大于管芯10，封裝基板12可以置于隔熱板42上，管芯10通過焊料凸塊14懸掛在封裝基板12下方。完全填充到基板12和管芯10之間的空間的底部填充提供了作用力，從而將管芯與封裝基板12保持連接。將熱空氣吹到工件10和工件12的第一側上(而不吹到第二側)，并且將冷空氣吹到第二側上(而不吹到第一側)，第二側相對于第一側，其中，箭頭48和箭頭50代表了熱空氣/冷空氣。第一側或第二側選自頂側和底側中的一個。熱空氣和冷空氣可以分別由加熱源和冷卻源(未示出)吹出。在實施例中，熱空氣50從工件10和工件12的頂側吹出，冷空氣48從底側吹出。在可選實施例中，熱空氣48從工件10和工件12的底側吹出，冷空氣50從頂側吹出。從而，可以在從上到下的方向上或者從下到上的方向上建立溫度梯度。磁場32也可以用來影響凝固了的焊料凸塊14中C軸的形成。磁場32所施加的方向和大小可以與圖IA或者圖2中所示的實施例類似。圖3B示出了可選實施例，其中，除了支撐件51置于傳送帶16上用來支撐工件10和工件12，該實施例與圖3A中所示的實施例類似。此外，隔熱板42置于傳送帶16的正上方，從而使得冷空氣吹到工件10和工件12的一側，而熱空氣吹到工件10和工件12的另一偵U。此外，由于熱空氣和冷空氣(由箭頭48和箭頭50表示)都吹到了工件10和工件12 的一側，而沒有吹到工件10和工件12的另一側，因此，在從上到下的方向上或者從下到上的方向上建立了溫度梯度，具體的方向取決于所提供的熱空氣和冷空氣的方向。從而，可以在從下到上的方向上或者從上到下的方向上發生成核現象和枝晶生長。圖IA到圖3B示出了連續的回流工藝，其中，工件10和工件12—個接一個地傳送到腔體200，并且從腔體200中傳送出。圖4A和圖4B示出了成批回流工藝，其中，將多個工件10/12組成的對同時接合。參考圖4A，多個工件10中的每一個都接合到多個工件12之一。實施加熱步驟，從而熔化焊料凸塊14。在實施例中，如圖4A中所示，將熱空氣(由箭頭49表示)吹到每個工件對10/12的頂側和底側，以熔化焊料凸塊14。接下來，如圖4B中所示，在焊料凸塊14凝固期間，熱空氣吹到工件IO和工件12的一側，冷空氣吹到工件10和工件12的另一側，其中，箭頭48和箭頭50用于表示熱空氣和冷空氣。為了確保熱空氣和冷空氣都只從吹到包含工件10和工件12的封裝的一側，而不會影響另一側，利用隔熱板42將封裝結構的頂側和底側熱隔離，此時，封裝結構置于隔熱板42的開口上。此外，熱空氣或冷空氣48/50都可以從封裝結構的頂側和底側之一吹出，但是不能從兩側同時吹出。利用這種設置，可以在焊料凸塊14中建立溫度梯度，并且可以在凝固了的焊料凸塊14中形成柱狀晶粒結構。在焊料凸塊14中的成核現象和枝晶生長期間,還可以施加磁場32。由于工件10和工件12可能會由于磁場32而被磁化(圖IA到圖4B)，因此，在焊料凸塊14的回流和凝固之后，可以實施消磁步驟，如圖5所示。經過接合的工件10和工件12置于快速交變磁場60中，其中，磁場60的方向以一定頻率倒轉，例如，頻率為大約50MHz。磁場的振幅可以是大約O. 3特斯拉，并且可以逐漸減小到O特斯拉。在每個實施例中，當還沒有施加底部填充時，可以使用回流工藝(圖IA至圖5)來連接工件10和工件12。在可選實施例中，在已經施加了底部填充，并且已經實施了回流來接合工件10和工件12之后，可以實施回流工藝。因此，該回流工藝可以利用其上施加的底部填充來實施。圖6A到圖6G示出了示例性的回流和底部填充施加工藝。參考圖6A，將焊劑(flux)施加到工件之一，比如工件12。接著，焊料凸塊14置于工件12上，隨后放置工件10，從而使得工件10和工件12中的接合焊盤(未示出)接觸焊料凸塊14。接著，如圖6C所示，實施回流，例如，在腔體200內，并且利用圖I到圖5中所示的實施例。圖6D表示出從腔體70中所得到的封裝結構中清除焊劑。在圖6E中，將底部填充72施加到工件10和工件12之間的間隙中，從而保護封裝結構不會受到由于封裝結構中不同材料之間的熱膨脹系數中的不匹配而產生的應力的影響。圖6F示出了底部填充72的固化，其中，所述固化可以是腔室74中的熱固化。在圖6G中，實施二次回流，從而將已經經過回流的焊料凸塊14進行回流，該焊料凸塊14通過底部填充72而得到保護。在實施例中，圖I到圖5中所示的回流工藝可以是圖6C中所示的回流工藝，和/或可以是圖6G中所示的回流工藝。可以了解，在制造和/或測試封裝結構期間，可以對焊料凸塊實施多個回流工藝。最后的回流工藝(在該最后的回流工藝之后再沒有附加的回流工藝來熔化焊料凸塊)可以采用本發明的回流工藝，從而使得凸塊焊盤中的柱狀結構可以通過任意附加的回流工藝來保持完好無損。通過使用該實施例，可以形成柱狀晶粒，該柱狀晶粒的縱軸方向垂直于工件10和工件12的主表面15 (圖1A)。因此，如果在焊料凸塊中存在開裂，在平行于主表面15的方向上的開裂的傳播就會被阻擋住。此外，通過在焊料凸塊的成核現象階段和枝晶生長階段中施加磁場，還降低了發生開裂的可能性。根據實施例，一種方法，包括將包含第一工件和第二工件的封裝結構加熱，以熔化第一工件和第二工件之間的多個焊料凸塊；以及在加熱步驟之后，將多個焊料凸塊凝固；在凝固步驟期間，將封裝結構的第一側保持在第一溫度，第一溫度高于多個焊料凸塊的熔化溫度，其中，利用加熱源實施保持步驟；在凝固步驟期間，利用冷卻源將封裝結構的第二側保持在第二溫度，第二溫度低于熔化溫度，其中，第二側與第一側相對。根據其他實施例，一種方法，包括將第一工件堆疊在第二工件的正上方，其中，焊料凸塊置于第一工件和第二工件之間；以及將第一工件和第二工件加熱，以熔化焊料凸塊；在加熱步驟之后以及焊料凸塊凝固之前，將第一工件和第二工件在傳送帶上傳送，其中，傳送帶處在第一溫度，第一溫度不高于室溫；以及在加熱步驟之后以及焊料凸塊凝固之前，將熱空氣從第一工件和第二工件的頂側吹到第一工件和第二工件上，其中，熱空氣處在第二溫度，第二溫度高于焊料凸塊的熔化溫度。根據其他實施例，根據其他實施例，一種方法，包括將第一工件堆疊在第二工件的正上方，其中，焊料凸塊置于第一工件和第二工件之間；將第一工件和第二工件加熱，以熔化焊料凸塊；在加熱步驟之后，凝固焊料凸塊；以及在加熱步驟之后和焊料凸塊完全凝固之前，在焊料凸塊上施加磁場。
盡管已經詳細地描述了本發明及其優勢，但應該理解，可以在不背離所附權利要求限定的本發明主旨和范圍的情況下，做各種不同的改變，替換和更改。而且，本申請的范圍并不僅限于本說明書中描述的工藝、機器、制造、材料組分、裝置、方法和步驟的特定實施例。作為本領域普通技術人員應理解，通過本發明，現有的或今后開發的用于執行與根據本發明所采用的所述相應實施例基本相同的功能或獲得基本相同結果的工藝、機器、制造，材料組分、裝置、方法或步驟根據本發明可以被使用。因此，所附權利要求應該包括在這樣的工藝、機器、制造、材料組分、裝置、方法或步驟的范圍內。此外，每條權利要求構成單獨的實施例，并且多個權利要求和實施例的組合在本發明的范圍內。
權利要求
1.一種方法，包括 將包含第一工件和第二工件的封裝結構加熱，以熔化所述第一工件和所述第二工件之間的多個焊料凸塊；以及 在加熱步驟之后，將所述多個焊料凸塊凝固，其中，所述方法進一步包括 在凝固步驟期間，將所述封裝結構的第一側保持在第一溫度，所述第一溫度高于所述多個焊料凸塊的熔化溫度，其中，利用加熱源實施保持步驟；以及 在凝固步驟期間，利用冷卻源將所述封裝結構的第二側保持在第二溫度，所述第二溫度低于所述熔化溫度，其中，所述第二側與所述第一側相對。
2.根據權利要求I所述的方法，其中，在將所述多個焊料凸塊凝固的步驟期間，在所述多個焊料凸塊中的每一個中都建立溫度梯度，并且，其中，所述溫度梯度的方向基本上垂直于所述第一工件和所述第二工件的主表面。
3.根據權利要求I所述的方法，其中，所述第一溫度高于大約200°C。
4.根據權利要求I所述的方法，其中，所述第二溫度低于大約0°C。
5.根據權利要求4所述的方法，其中，所述第二溫度低于大約-20°C。
6.根據權利要求I所述的方法，其中，所述加熱源配置為吹熱空氣，所述冷卻源配置為吹冷空氣。
7.根據權利要求I所述的方法，其中，所述加熱源配置為吹熱空氣，所述冷卻源包含在傳送帶中，所述傳送帶配置為傳送所述封裝結構。
8.根據權利要求I所述的方法，進一步包括利用隔熱板在所述封裝結構的頂側和底側之間形成隔離，其中，所述加熱源配置為從所述頂側和所述底側中的一個中吹熱空氣，以及其中，所述冷卻源配置為從所述頂側和所述底側中的另一個中吹冷空氣。
9.根據權利要求I所述的方法，進一步包括在凝固步驟期間，將磁場施加到所述多個焊料凸塊。
10.一種方法，包括 將第一工件堆疊在第二工件的正上方，其中，焊料凸塊置于所述第一工件和所述第二工件之間； 將所述第一工件和所述第二工件加熱，以熔化所述焊料凸塊； 在加熱步驟之后以及所述焊料凸塊凝固之前，在傳送帶上傳送所述第一工件和所述第二工件，其中，所述傳送帶處在第一溫度，所述第一溫度不高于室溫；以及 在加熱步驟之后以及所述焊料凸塊凝固之前，將熱空氣從所述第一工件和所述第二工件的頂側吹到所述第一工件和所述第二工件上，其中，所述熱空氣處在第二溫度，所述第二溫度高于所述焊料凸塊的熔化溫度。
全文摘要
一種方法，包括將包含第一工件和第二工件的封裝結構加熱，以熔化第一工件和第二工件之間的多個焊料凸塊；以及在加熱步驟之后，將多個焊料凸塊凝固；在凝固步驟期間，將封裝結構的第一側保持在第一溫度，第一溫度高于多個焊料凸塊的熔化溫度，其中，利用加熱源實施保持步驟；在凝固步驟期間，利用冷卻源將封裝結構的第二側保持在第二溫度，第二溫度低于熔化溫度，其中，第二側于第一側相對。
文檔編號H01L21/60GK102623361SQ201110381718
公開日2012年8月1日 申請日期2011年11月23日 優先權日2010年11月24日
發明者張志鴻, 董志航, 蔡宗甫, 郭彥良 申請人:臺灣積體電路制造股份有限公司