本發(fā)明涉及一種微銅柱間銅銅直接倒裝鍵合的方法，特別是涉及一種微銅柱間銅銅直接熱超聲倒裝鍵合方法。本發(fā)明還涉及一生中實(shí)現(xiàn)該微銅柱間銅銅直接熱超聲倒裝鍵合方法的裝置。
背景技術(shù)：
集成電路(IC)產(chǎn)業(yè)是現(xiàn)代高科技和信息產(chǎn)業(yè)的核心，也是金融、國防、航空、航天、互連網(wǎng)等各行業(yè)的基礎(chǔ)。完整的集成電路由裸芯片(晶圓片)與封裝體(封裝基板、固封材料、互連引線/焊球等)組合而成。封裝作為集成電路制造的重要環(huán)節(jié)，為芯片提供信號(hào)和電源互連、機(jī)械支撐和散熱通道，以及環(huán)境防護(hù)等。隨著晶體管集成密度隨摩爾定律迅速增加，IC芯片的計(jì)算速度和信號(hào)傳輸速度也快速提高，封裝技術(shù)在IC制造中的作用日益突出，封裝成本在IC制造中的比重也越來越大。在普通IC產(chǎn)品中，封裝成本約為5～10％，在高頻高速IC產(chǎn)品中，封裝成本達(dá)到30～50％，有些甚至超過60％。封裝已成為集成電路產(chǎn)業(yè)的重要組成。
近年來，由于移動(dòng)計(jì)算的快速發(fā)展，對IC產(chǎn)品提出了“更輕、更薄、更小、更多功能”的新要求，使得IC封裝迅速向三維封裝方向發(fā)展。三維封裝是在高度方向上通過堆疊、互連各種邏輯、存儲(chǔ)、模擬等器件，實(shí)現(xiàn)多種器件異質(zhì)集成的方法，與傳統(tǒng)二維封裝相比，三維封裝具有尺寸小重量輕、硅片使用效率高、縮短信號(hào)延遲等優(yōu)點(diǎn)。
為實(shí)現(xiàn)單位面積內(nèi)更多電路的集成，新一代高密度三維封裝要求互連點(diǎn)的間距和直徑都進(jìn)一步縮小。根據(jù)ITRS預(yù)測，微凸點(diǎn)直徑將縮小到1～10μm，每平方毫米的微凸點(diǎn)數(shù)量增加100倍以上。互連點(diǎn)尺寸的急劇縮小和數(shù)量的急劇增加，給現(xiàn)有的先進(jìn)封裝倒裝凸點(diǎn)制造與倒裝互連技術(shù)帶來了新挑戰(zhàn)。
為實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)，業(yè)界提出采用微銅柱(micro-copper pillar)取代焊錫球的方法。它是采用前道/中道的方法，首先在芯片/基板焊盤上通過光刻形成微凸點(diǎn)圖案，再通過電鍍的方法，在光刻圖案中制備出高密度微銅柱陣列。由于采用了精密的光刻、電鍍技術(shù)，因此，可以獲得直徑為1μm、高度誤差小于50nm的高密度微銅柱陣列。微銅柱可以實(shí)現(xiàn)芯片與基板、芯片與芯片之間的高密度I/O倒裝互連。
目前，微銅柱頂部都有一層厚度為數(shù)微米的Sn，形成Sn帽。一方面是保護(hù)銅柱表面不被氧化；另一方面是因?yàn)楝F(xiàn)有的回流倒裝或者熱壓倒裝互連技術(shù)，無法把銅柱與銅柱直接鍵合在一起，必須增加過渡金屬，才能形成Cu-Sn-Cu的“三明治”互連結(jié)構(gòu)。但是，Sn帽的引入帶來的了諸多問題：①在回流倒裝互連時(shí)，在高溫加熱(超過250℃)融化Sn的過程中，由于Sn的含量有限，往往最后形成的基本都是脆性的金屬間化合物(IMC)Cu3Sn，而不是傳統(tǒng)回流所期盼形成的Cu6Sn5，從而大大降低了互連的可靠性。②在熱壓倒裝時(shí)，雖然可以降低鍵合溫度到230℃以下、縮短時(shí)間，并減少金屬間化合物(IMC)Cu3Sn的含量，但是卻帶來了壓力下的互連界面Sn擠出現(xiàn)象，Sn擠壓溢出導(dǎo)致鍵合短路風(fēng)險(xiǎn)大大提高，特別是在高密度、細(xì)間距的三維集成封裝中；同時(shí)，過大的壓力也容易將減薄到100μm甚至50μm的芯片壓碎。
因此，需要發(fā)展新的、沒有Sn帽的Cu-Cu直接鍵合新方法，以避免上述界面IMC脆化、Sn擠出、硅片開裂等問題。
熱超聲倒裝是解決上述問題的一種方案。熱超聲倒裝是在熱壓鍵合的基礎(chǔ)上，引入超聲，以降低鍵合壓力、鍵合溫度、縮短鍵合時(shí)間、提高鍵合強(qiáng)度的一種方法。由于其獨(dú)特的技術(shù)優(yōu)勢，熱超聲倒裝鍵合已經(jīng)在硬盤讀寫頭、通信領(lǐng)域中的SAW元件、手機(jī)芯片、高功率LED等具有極高性能要求的微電子/光電子器件封裝中使用，實(shí)現(xiàn)了Au-Au、Au-Ag、Cu-Ag、Cu-Sn等多種金屬之間的固態(tài)直接倒裝鍵合。但是，還沒有在微銅柱Cu-Cu直接鍵合的研究報(bào)道。
實(shí)現(xiàn)高密度三維集成封裝中微銅柱間的Cu-Cu直接熱超聲倒裝鍵合，至少將面臨以下幾個(gè)方面的問題：
1)傳統(tǒng)熱超聲倒裝鍵合所用材料多為Au，或者SnAg合金凸點(diǎn)，不易氧化，凸點(diǎn)表面的氧化污染層僅為幾十納米，對鍵合界面原子擴(kuò)散、強(qiáng)度形成過程影響有限；但是，三維集成封裝中微銅柱一般為電鍍銅，極易氧化，厚度可達(dá)數(shù)微米，而微銅柱直徑僅為5～10微米，微銅柱橫截面僅有數(shù)個(gè)晶粒，氧化層在微銅柱中的占比超過20％，將嚴(yán)重影響鍵合界面微結(jié)構(gòu)的形成以及鍵合后的強(qiáng)度和可靠性。
2)傳統(tǒng)熱超聲倒裝鍵合的凸點(diǎn)一般為釘頭金/銅凸點(diǎn)(Stud bump)或球形焊錫凸點(diǎn)(Solder bump)，直徑超過50微米，直徑一般大于高度；振幅數(shù)微米的高頻超聲振動(dòng)在凸點(diǎn)中的傳播不會(huì)給凸點(diǎn)帶來宏觀的疲勞破壞；但是，對于直徑僅為5～10微米、高度大于直徑的垂直生長微銅柱，振幅數(shù)微米的超聲振動(dòng)在凸點(diǎn)中傳播所產(chǎn)生的應(yīng)力集中可高達(dá)數(shù)百M(fèi)Pa，很容易將致凸點(diǎn)根部與焊盤互連位置的破壞。傳統(tǒng)熱超聲倒裝鍵合的凸點(diǎn)一般為釘頭金/銅凸點(diǎn)(Stud bump)或球形焊錫凸點(diǎn)(Solder bump)，直徑超過50微米，直徑一般大于高度；振幅數(shù)微米的高頻超聲振動(dòng)在凸點(diǎn)中的傳播不會(huì)給凸點(diǎn)帶來宏觀的疲勞破壞；但是，對于直徑僅為5～10微米、高度大于直徑的垂直生長微銅柱，振幅數(shù)微米的超聲振動(dòng)在凸點(diǎn)中傳播所產(chǎn)生的應(yīng)力集中可高達(dá)數(shù)百M(fèi)Pa，很容易將致凸點(diǎn)根部與焊盤互連位置的破壞。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
本發(fā)明所要解決的第一個(gè)技術(shù)問題是提供一種能保證鍵合界面微結(jié)構(gòu)的形成以及鍵合后的強(qiáng)度和可靠性的微銅柱間銅銅直接熱超聲倒裝鍵合方法。
本發(fā)明所要解決的第二個(gè)技術(shù)問題是提供一種既能夠提供微銅柱之間的原子擴(kuò)散所需的能量，又能夠避免凸點(diǎn)根部與焊盤之間的脫層的實(shí)現(xiàn)微銅柱間銅銅直接熱超聲倒裝鍵合方法的裝置。
為了解決上述第一個(gè)技術(shù)問題，本發(fā)明提供的微銅柱間銅銅直接熱超聲倒裝鍵合方法，將上芯片和下芯片之間的微銅柱對準(zhǔn)，將上芯片和下芯片加熱到倒裝鍵合所需的溫度60℃～220℃；將上芯片壓在下芯片上，當(dāng)施加在芯片上的壓力達(dá)到預(yù)期的壓力10MPa～30MPa時(shí)，開啟超聲電源并輸出大功率1W～6W，并持續(xù)時(shí)間10ms～200ms；之后再將壓力增大到20MPa～80MPa，超聲輸出功率降低到1W～3W，并保持時(shí)間100ms～2000ms，完成了上下芯片微銅柱之間銅銅直接熱超聲倒裝鍵合。
將上芯片和下芯片加熱到倒裝鍵合所需的溫度160℃。
將上芯片壓在下芯片上，當(dāng)施加在芯片上的壓力達(dá)到預(yù)期的壓力20MPa，開啟超聲電源并輸出大功率3W，并持續(xù)一段時(shí)間優(yōu)選100ms；之后再將壓力增大到60MPa，超聲輸出功率降低到1.5W，并保持時(shí)間400ms。
為了解決上述第二個(gè)技術(shù)問題，本發(fā)明提供的實(shí)現(xiàn)微銅柱間銅銅直接熱超聲倒裝鍵合方法的裝置，底座平臺(tái)上設(shè)有加熱與運(yùn)動(dòng)臺(tái)和上下運(yùn)動(dòng)平臺(tái)，所述的加熱與運(yùn)動(dòng)臺(tái)上設(shè)有下芯片真空吸附固定裝置；所述的上下運(yùn)動(dòng)平臺(tái)上設(shè)有超聲換能器，所述的超聲換能器連接有超聲電源，所述的上下運(yùn)動(dòng)平臺(tái)上設(shè)有力傳感器，所述的超聲換能器上設(shè)有劈刀和上芯片真空吸附裝置，一個(gè)上芯片識(shí)別攝像頭對準(zhǔn)吸附在上芯片真空吸附裝置上的上芯片，一個(gè)下芯片識(shí)別攝像頭對準(zhǔn)吸附在下芯片真空吸附固定裝置上的下芯片，所述的加熱與運(yùn)動(dòng)臺(tái)、上下運(yùn)動(dòng)平臺(tái)、下芯片識(shí)別攝像頭、下芯片真空吸附固定裝置、上芯片識(shí)別攝像頭、超聲電源和力傳感器的控制端均與控制計(jì)算機(jī)通信連接。
所述的上芯片識(shí)別攝像頭為上芯片識(shí)別CCD攝像頭。
所述的下芯片識(shí)別攝像頭為下芯片識(shí)別CCD攝像頭。
采用上述技術(shù)方案的微銅柱間銅銅直接熱超聲倒裝鍵合方法及其裝置，將上芯片和下芯片之間的微銅柱對準(zhǔn)，將上芯片和下芯片加熱到倒裝鍵合所需的溫度60℃～220℃；將上芯片壓在下芯片上，當(dāng)施加在芯片上的壓力達(dá)到預(yù)期的壓力10MPa～30MPa時(shí)，開啟超聲電源并輸出大功率1W～6W，并持續(xù)時(shí)間10ms～200ms；之后再將壓力增大到20MPa～80MPa，超聲輸出功率降低到1W～3W，并保持時(shí)間100ms～2000ms，完成了上下芯片微銅柱之間銅銅直接熱超聲倒裝鍵合。完成上述鍵合后，關(guān)閉超聲輸出；關(guān)閉上芯片真空，釋放上芯片；關(guān)閉下芯片真空，釋放下芯片；然后取走完成鍵合的上下芯片組，完成一組芯片之間的鍵合；重復(fù)以上步驟，進(jìn)行下一組芯片微銅柱之間銅銅直接熱超聲倒裝鍵合。
本發(fā)明的有益效果是：
1)、在鍵合初期(0-100ms以內(nèi))，采用小壓力/大功率(以尺寸為10*10mm，有12000個(gè)微銅柱芯片間互連為例，可以采用<20MPa、>3W的工藝參數(shù))，解決了微銅柱表面的氧化層去除問題；在鍵合后期(100以后)，采用大壓力/小功率(以尺寸為10*10mm，有12000個(gè)微銅柱芯片間互連為例，可以采用>20MPa、<3W的工藝參數(shù))。既能夠提供微銅柱之間的原子擴(kuò)散所需的能量，又能夠避免凸點(diǎn)根部與焊盤之間的脫層。
2)利用熱超聲倒裝鍵合新方法實(shí)現(xiàn)微銅柱之間的銅銅直接鍵合互連，避免了傳統(tǒng)Sn帽結(jié)構(gòu)及其鍵合互連帶來的界面IMC脆化、Sn擠出、硅片開裂等問題。
綜上所述，本發(fā)明是一種能保證鍵合界面微結(jié)構(gòu)的形成以及鍵合后的強(qiáng)度和可靠性的微銅柱間銅銅直接熱超聲倒裝(Thermosonic Flip chip)鍵合方法。其裝置既能夠提供微銅柱之間的原子擴(kuò)散所需的能量，又能夠避免凸點(diǎn)根部與焊盤之間的脫層。
附圖說明
圖1是本發(fā)明的裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖中：1-控制計(jì)算機(jī)；2-超聲換能器；3-力傳感器；4-超聲電源；5-上芯片真空吸附裝置；6-上芯片識(shí)別CCD攝像頭；7-劈刀；8-上芯片；9-下芯片；10-下芯片真空吸附固定裝置；11-加熱與運(yùn)動(dòng)臺(tái)；12-下芯片識(shí)別CCD攝像頭；13-底座平臺(tái)；14-上下運(yùn)動(dòng)平臺(tái)。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步說明。
參見圖1，實(shí)現(xiàn)微銅柱間銅銅直接熱超聲倒裝鍵合方法的裝置，底座平臺(tái)13上設(shè)有加熱與運(yùn)動(dòng)臺(tái)11和上下運(yùn)動(dòng)平臺(tái)14，加熱與運(yùn)動(dòng)臺(tái)11上設(shè)有下芯片真空吸附固定裝置10；上下運(yùn)動(dòng)平臺(tái)14上設(shè)有超聲換能器2，超聲換能器2連接有超聲電源4，上下運(yùn)動(dòng)平臺(tái)14上設(shè)有力傳感器3，超聲換能器2上設(shè)有劈刀7和上芯片真空吸附裝置5，一個(gè)上芯片識(shí)別CCD攝像頭6對準(zhǔn)吸附在上芯片真空吸附裝置5上的上芯片8，一個(gè)下芯片識(shí)別CCD攝像頭12對準(zhǔn)吸附在下芯片真空吸附固定裝置10上的下芯片9，加熱與運(yùn)動(dòng)臺(tái)11、上下運(yùn)動(dòng)平臺(tái)14、下芯片識(shí)別CCD攝像頭12、下芯片真空吸附固定裝置10、上芯片識(shí)別CCD攝像頭6、超聲電源4和力傳感器3的控制端均與控制計(jì)算機(jī)1通信連接。
參見圖1，實(shí)現(xiàn)微銅柱間銅銅直接熱超聲倒裝鍵合方法的裝置的具體實(shí)施方法為：
1.首先，采用翻晶機(jī)械手，將上芯片8翻轉(zhuǎn)(微銅柱朝下)，并傳遞到劈刀7下面，并通過上芯片真空吸附裝置5真空吸附上芯片8，固定在劈刀7下面；
2.采用翻晶機(jī)械手，將下芯片9傳遞到加熱與運(yùn)動(dòng)臺(tái)11上面，微銅柱朝上，下芯片9通過下芯片真空吸附固定裝置10真空吸附固定在加熱與運(yùn)動(dòng)臺(tái)11上；
3.通過上芯片識(shí)別CCD攝像頭6和下芯片真空吸附固定裝置10分別獲取上芯片8和下芯片9的圖像，經(jīng)控制計(jì)算機(jī)1識(shí)別后，確定上芯片8和下芯片9之間的位置與角度差，并通過加熱與運(yùn)動(dòng)臺(tái)11的旋轉(zhuǎn)與平移實(shí)現(xiàn)上芯片8和下芯片9之間的對準(zhǔn)。
4.將加熱與運(yùn)動(dòng)臺(tái)11加熱到倒裝鍵合所需的溫度60℃～220℃，優(yōu)選160℃；
5.控制計(jì)算機(jī)1控制上下運(yùn)動(dòng)平臺(tái)14往下運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)劈刀7和上芯片8向下運(yùn)動(dòng)，并將上芯片8壓在下芯片9上；在這個(gè)過程中控制計(jì)算機(jī)1監(jiān)測力傳感器3的輸出，當(dāng)施加在芯片上的壓力達(dá)到預(yù)期的壓力10MPa～30MPa，優(yōu)選20MPa時(shí)，開啟超聲電源4和超聲換能器2并輸出大功率1W～6W，優(yōu)選3W，并持續(xù)一段時(shí)間10ms～200ms，優(yōu)選100ms；之后再將壓力增大到20MPa～80MPa，優(yōu)選60MPa，超聲換能器2的超聲輸出功率降低到1W～3W，優(yōu)選1.5W，并保持一段時(shí)間100ms～2000ms，優(yōu)選400ms。至此，完成了上芯片8與下芯片9的微銅柱之間銅銅直接熱超聲倒裝鍵合。
6.完成上述鍵合后，關(guān)閉超聲換能器2的超聲輸出；關(guān)閉上芯片真空吸附裝置5的真空，釋放上芯片8；關(guān)閉下芯片真空吸附固定裝置10的真空，釋放下芯片9；然后取走完成鍵合的上下芯片組，完成一組芯片之間的鍵合；
7.重復(fù)以上步驟1-6，進(jìn)行下一組芯片微銅柱之間銅銅直接熱超聲倒裝鍵合。