接合方法和接合裝置的製作方法
2023-06-02 02:56:31 2
專利名稱：接合方法和接合裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種接合方法和一種接合裝置。
背景技術：
近年來，作為在封裝襯底上高密度地安裝半導體晶片的方法，利用凸起(bump)接合半導體晶片和封裝襯底的方法正受到有興趣地關注。利用上面的方法製造半導體器件時，通過例如在封裝襯底上設置與封裝襯底相對的在其上形成凸起的半導體晶片，並通過加熱該半導體晶片和封裝襯底熔化凸起，利用凸起接合半導體晶片和封裝襯底。
同時，具有微型化高性能LSI的半導體晶片具有多層布線結構，並且具有低介電常數的層間絕緣膜和例如銅的低阻抗的金屬布線用於半導體晶片。但是，具有低介電常數的層間絕緣膜的硬度低，其機械強度(彈性模量)是常規採用的氧化矽膜的1/10或更小，並且其與另一種絕緣膜材料或金屬材料的粘附性差。
因此，當通過上述方法利用凸起將具有高性能LSI的半導體晶片接合到封裝襯底時，產生這樣的問題，其中在凸起的底部及其周邊發生高度熱變形，並且通過多層布線發生膜的裂紋或剝落。
特別地，電容率小於4.0的低介電常數層間絕緣膜材料的粘附性也較差，並且考慮到環境問題，構成凸起的金屬從基於鉛(Pb)的材料改變為基於錫(Sn)的材料，以致凸起材料的熔點從120℃升高至225℃，並且易於發生上述問題。
因此，有必要減輕具有多層布線的半導體晶片與封裝襯底接合時的熱變形，其中該多層布線包括低介電常數層間絕緣膜。還有一種已知的方法，即通過將在其上形成凸起的半導體晶片置於加熱的封裝襯底上以熔化凸起，利用凸起接合半導體晶片和封裝襯底。但是，該方法沒有提供減輕熱變形的有效措施，因為上述大的熱變形是由於封裝襯底的冷卻過程中的收縮在凸起底部及其周邊引起的。
還公開了一種方法，即通過利用紅外線或例如雷射束的光加熱凸起與封裝襯底之間的接觸部分以熔化凸起，同時防止從半導體晶片加熱器件產生的熱量散逸到封裝襯底，利用凸起接合半導體晶片和封裝襯底。但是，該方法具有這樣的問題，因為光變得難以到達半導體晶片中心，該方法極大地依賴於凸起的布局。
發明內容
根據本發明的一個方面，提供了一種接合方法，包括以下步驟在第一主體上設置第二主體，其中在所述第一主體與所述第二主體之間插入凸起；以及通過使加熱元件在所述第一主體與所述第二主體之間通過，以通過所述加熱元件熔化所述凸起，利用所述凸起電和機械地接合所述第一主體和所述第二主體，其中所述加熱元件被加熱到構成所述凸起的材料的熔點或熔點之上。
根據本發明的另一個方面，提供了一種接合裝置，包括加熱元件，設置成熔化在被接合的第一主體與被接合的第二主體之間插入的凸起；以及移動機構，設置成移動所述加熱元件，以使所述加熱元件在所述第一主體與所述第二主體之間通過。
圖1是根據第一實施例的接合裝置的示意性側面圖；
圖2是根據第一實施例的接合裝置的示意性平面圖；圖3A是示意性地示出了根據第一實施例的凸起的排列狀態的平面圖，以及圖3B示意性地示出了加熱絲的移動速度和施加的電力；以及圖4A和圖4B示意性地示出了根據第一實施例接合封裝襯底和半導體晶片的狀態。
具體實施例方式
(第一實施例)下面將說明本發明的第一實施例。圖1是根據該實施例的接合裝置的示意性側面圖，圖2是根據該實施例的接合裝置的示意性平面圖，圖3A是示意性地示出了根據該實施例的凸起的排列狀態的平面圖，以及圖3B是示意性地示出了加熱絲的移動速度和施加的電力。
如圖1和圖2所示，接合裝置1包括支撐機構2、加熱/冷卻機構3和4、作為加熱元件的加熱絲5、張力機構6、移動機構7以及控制器8。
支撐機構2支撐在被接合的第一主體與被接合的第二主體之間的凸起。在該實施例中將說明利用封裝襯底101作為第一主體並利用半導體晶片102作為第二主體的實例。第一主體可以是半導體晶片，且第二主體可以是半導體晶片。並且，第一主體可以是安裝襯底，且第二主體可以是封裝襯底。
在封裝襯底101的表面上的規定位置形成封裝襯底101，該封裝襯底101由玻璃環氧樹脂或AlN，以及電極焊盤(未示出)形成。
半導體晶片102由例如Si晶片構成，並具有多層布線結構，該多層布線結構包括電容率小於4.0的低介電常數層間絕緣膜和銅等低阻抗金屬布線。半導體晶片102具有電極焊盤(未示出)，並且在電極焊盤上形成至少一個凸起，在該實施例中形成多個凸起103。凸起103由例如基於Sn的焊料的無鉛焊料構成，並形成為基本上球形或圓柱形。圖1和圖2示出了具有基本上球形形狀的凸起103。
可以在封裝襯底101上形成凸起103，或者不依賴於封裝襯底101和半導體晶片102形成凸起103。不依賴於封裝襯底101和半導體晶片102設置凸起103時，希望在封裝襯底101的電極焊盤和半導體晶片102的電極焊盤上實施例如塗覆焊劑的預處理，以改善熔化凸起時的潤溼性。
當半導體晶片102的凸起103與封裝襯底101的電極焊盤接觸時，在封裝襯底101與半導體晶片102之間的距離近似於凸起103的高度，例如約為100μm。
支撐機構2包括用於支撐封裝襯底101的支撐構件2A和設置成與支撐構件2A相對並通過吸附支撐半導體晶片102的支撐構件2B。支撐構件2B設置為垂直可移動，並能夠通過凸起103將半導體晶片102推向封裝襯底101。
加熱/冷卻機構3、4獨立地加熱或冷卻封裝襯底101和半導體晶片102。加熱/冷卻機構3加熱或冷卻封裝襯底101，並設置在支撐構件2A上。加熱/冷卻機構4加熱或冷卻半導體晶片102，並設置在支撐構件2B上。加熱/冷卻機構3、4由例如加熱器的加熱機構和例如珀爾帖裝置的冷卻機構構成。
加熱絲5用於熔化凸起103，並設置成當施加電力時產生熱量。具體地說，加熱絲5由例如W絲的金屬等形成。在該實施例中，說明了利用加熱絲5作為加熱元件的實例，但可以利用加熱板替代加熱絲5。利用加熱板的優點是加熱板具有便於支撐的大面積且容易平行移動。
可將加熱絲5加熱到構成凸起103的材料(凸起材料)的熔點或熔點之上。優選將加熱絲5加熱到約高於凸起材料的熔點約10℃或更高的溫度，但為了平穩地熔化凸起103，有必要考慮例如凸起材料的熔點、比熱及凸起數量等。因此，希望通過例如利用上述事項作為要素進行實驗或模擬，確定加熱絲5的最佳溫度。為了減少處理時間，將加熱絲5設定到明顯高於凸起材料的熔點的溫度，考慮到熔化凸起時由於熱輻射導致的封裝襯底101和半導體晶片102的溫度升高以及由於凸起103的高的溫度升高導致的凸起材料的蒸氣的產生，希望冷卻封裝襯底101和半導體晶片102。
對加熱絲5施加的電力可以是DC電力或AC電力，但希望通過電力控制加熱絲5。這是因為，當重複進行處理時，由於加熱絲5的拉伸及加熱絲5與凸起103的合金化，加熱絲5的阻抗值可能顯著變化，但對於熔化凸起103需要電力。
希望加熱絲5的直徑小於等於30μm，以抑制加熱絲5與封裝襯底101或半導體晶片102接觸，因為封裝襯底101與半導體晶片102之間的距離約為100μm。更希望加熱絲5的直徑大於等於10μm並小於等於30μm，以便於對加熱絲5施加電力。當加熱板用作加熱元件時，由於與上述相同的原因，希望加熱板的厚度小於等於30μm，優選大於等於10μm並小於等於30μm。並且，考慮到凸起103熔化後立即固化，希望加熱板的寬度小於凸起103之間的距離。換句話說，加熱板具有這樣的尺寸，當移動加熱板時加熱板不會伸展超過兩排凸起103。
希望加熱絲5具有抗氧化性，因為如果被氧化，加熱絲可能斷裂。具有抗氧化性的加熱絲5的實例包括鍍敷Au的W絲和由Ni合金形成的絲。如果加熱絲5不具有抗氧化性，希望在惰性或還原氣體氣氛中接合封裝襯底101和半導體晶片102。即使當加熱絲5具有抗氧化性時，也可以在惰性或還原氣體氣氛中接合封裝襯底101和半導體晶片102。
如果加熱絲5具有與凸起材料的高潤溼性，隨著加熱絲5的移動，熔化的凸起103可能跟隨加熱絲5的移動而伸展，所以希望加熱絲5由具有與凸起材料的低潤溼性的材料構成。由於相同的原因，加熱絲5可以由，例如，用潤溼性低於芯絲的材料包覆的W等芯絲構成。當芯絲由W形成時，例如，TiN、SiN、SiC等可用作潤溼性低於芯絲的材料。如果其潤溼性低於芯絲，也可以利用其它絕緣材料。
張力機構6牽拉加熱絲5的兩個端部，以對加熱絲5施加適當的張力。因此，基本上可完全消除加熱絲5的松垂。當加熱板用作加熱元件時，不需要設置張力機構6。
移動機構7移動加熱絲5，以使加熱絲5在封裝襯底101與半導體晶片102之間通過。移動機構7設置成使加熱絲5基本上平行地移動穿過封裝襯底101與半導體晶片102之間的空間。
考慮到例如凸起材料的熔點和比熱以及凸起103的數量時，有必要確定加熱絲5的移動速度。因此，希望通過例如利用上述事項作為因素進行實驗或模擬，確定加熱絲5的最佳移動速度。
控制器8電連接到加熱/冷卻機構3、4和移動機構7，並控制加熱/冷卻機構3、4和移動機構7，以使封裝襯底101和半導體晶片102具有希望的溫度，且加熱絲5具有希望的移動速度。控制器8設置成控制加熱/冷卻機構3、4和移動機構7，且總體上控制接合裝置1的操作。
這裡，如果按照位置凸起103的排列密度不同，如圖3A所示，希望根據排列密度改變加熱絲5的移動速度或對加熱絲5施加的電力。具體地說，如圖3B所示，在凸起103的排列密度高的位置，減小加熱絲5的移動速度或增大對加熱絲5施加的電力。並且，在凸起103的排列密度低的位置，增大加熱絲5的移動速度或減小對加熱絲5施加的電力。
控制器8具有輸入部分8A和存儲部分8B，並設置成根據輸入到輸入部分8A的信息控制加熱/冷卻機構3、4和移動機構7。輸入部分8A設置成允許輸入封裝襯底101和半導體晶片102的溫度、加熱絲5的移動速度、加熱絲5的溫度、對加熱絲5施加的電力以及凸起103的布局。
存儲部分8B存儲使凸起103的各種布局與加熱絲5的移動速度或對加熱絲5施加的電力相關聯的信息。具體地說，通過實驗或模擬預先確定適於凸起103的每種布局的加熱絲5的移動速度或對加熱絲5施加的電力，並且在存儲部分8B中存儲得到的信息。由於在存儲部分8B中存儲得到的信息，將凸起103的布局輸入到輸入部分8A，並從存儲部分8B讀取適於凸起103的輸入布局的加熱絲5的移動速度或對加熱絲5施加的電力，並根據讀取的移動速度或施加的電力，可以通過控制器8控制移動機構7和對加熱絲5施加的電力。即使如上所述凸起103按照位置排列密度不同，當在存儲部分8B中存儲凸起103的排列密度不同的布局以及根據排列密度變化的加熱絲5的移動速度與對加熱絲5施加的電力時，通過僅僅輸入凸起103的布局，加熱絲5的移動速度和對加熱絲5施加的電力可以根據凸起103的排列密度變化。
下面將詳細說明封裝襯底101和半導體晶片102的接合。圖4A和圖4B示意性地示出了根據該實施例接合封裝襯底和半導體晶片的狀態。
首先，將封裝襯底101和半導體晶片102的溫度等輸入到輸入部分8A。在該實施例中，將說明將溫度輸入到輸入部分8A的實例，接合時將封裝襯底101和半導體晶片102冷卻至這些溫度。當將這些溫度輸入到輸入部分8A時，根據輸入信息在控制器8的控制下，通過加熱/冷卻機構3、4冷卻封裝襯底101和半導體晶片102，並且將加熱絲5加熱到希望的溫度。
然後，通過支撐構件2A支撐封裝襯底101，並通過支撐構件2B吸附並支撐在其上形成凸起103的半導體晶片102。對準半導體晶片102，以在封裝襯底101的電極焊盤上設置凸起103，降低支撐構件2B，以使凸起103與封裝襯底101的電極焊盤接觸。從而，利用封裝襯底101與半導體晶片102之間的凸起103，將半導體晶片102置於封裝襯底101上。
然後，如圖4A所示，移動加熱絲5使其在封裝襯底101與半導體晶片102之間通過，其中通過張力機構6適當拉緊加熱絲5。這裡，通過控制器8控制加熱絲5的移動速度。當加熱絲5與凸起103接觸時，通過由加熱絲5產生的熱量加熱並熔化凸起103。因為在熔化凸起103的同時移動，加熱絲5移動通過凸起103。從而，凸起103的溫度急劇降低，導致凸起103立即固化，利用凸起103將封裝襯底101和半導體晶片102互相接合。並且，凸起103連續熔化和固化，從而利用凸起103將封裝襯底101和半導體晶片102接合為整體。
在該實施例中，被加熱到構成凸起103的材料的熔點或熔點之上的加熱絲5在封裝襯底101與半導體晶片102之間通過，以通過加熱絲5熔化凸起103。從而，不論凸起103的布局如何，凸起103都可以被熔化。並且，利用凸起103可以電和機械地接合封裝襯底101和半導體晶片102，而不加熱封裝襯底101和半導體晶片102。因此，可以減輕接合時在凸起103中和在凸起103的附近產生的熱變形，並且可提供高度可靠的半導體器件。
在該實施例中，在冷卻封裝襯底101和半導體晶片102的同時，加熱絲5在封裝襯底101與半導體晶片102之間通過，所以可以抑制由熱輻射導致的封裝襯底101和半導體晶片102的溫度升高。當加熱絲5的移動速度較低或對加熱絲5施加的電力較高時，易於出現由熱輻射導致的封裝襯底101和半導體晶片102的溫度升高。即使在這種情況下，在該實施例中通過冷卻封裝襯底101和半導體晶片102，可以抑制封裝襯底101和半導體晶片102的溫度升高。
在該實施例中，使加熱絲5移動穿過封裝襯底101與半導體晶片102之間的空間，其中對加熱絲5施加適當的張力。所以，可以防止加熱絲5與封裝襯底101或半導體晶片102接觸。因而，可以防止由加熱絲5與封裝襯底101或半導體晶片102的接觸導致的封裝襯底101和半導體晶片102的溫度升高。
在該實施例中，可通過根據凸起103的排列密度，改變至少加熱絲5的移動速度或對加熱絲5施加的電力實現接合，所以即使按照位置凸起103的排列密度不同，也可以對所有凸起103均勻地施加適當的熱量。換句話說，當加熱絲5的移動速度不變或對熱絲5施加的電力不變時，在凸起103的排列密度高的位置，對一個凸起施加的熱量減少，凸起103的溫度很難升高，因此很難熔化凸起103。同時，在凸起103的排列密度低的位置，對一個凸起施加的熱量變得很高，凸起103的溫度急劇升高，導致可能產生凸起材料的蒸氣。同時，在該實施例中，在凸起103的排列密度高的位置，可以減小加熱絲5的移動速度，或者可以增大對加熱絲5施加的電力，從而可以增加對一個凸起施加的熱量。並且，在凸起103的排列密度低的位置，可以增大加熱絲5的移動速度，或者可以減小對加熱絲5施加的電力，從而可以減少對一個凸起施加的熱量。這樣，可以對所有凸起103均勻地施加適當的熱量。
(第二實施例)下面將說明第二實施例。在該實施例中，將說明在使封裝襯底和半導體晶片保持在半導體晶片工作的溫度的同時，使加熱絲在封裝襯底與半導體晶片之間通過的實例。
首先，將封裝襯底101和半導體晶片102的溫度輸入到輸入部分8A。這裡，因為當半導體晶片102工作時封裝襯底101的溫度為60至70℃，封裝襯底101的輸入溫度在60至70℃的範圍內。因為當半導體晶片102工作時半導體晶片102的溫度為85至150℃，半導體晶片102的輸入溫度在85至150℃的範圍內。當將這樣的溫度輸入到輸入部分8A時，控制器8根據輸入信息控制加熱/冷卻機構3、4，使封裝襯底101保持在60至70℃，且使半導體晶片102保持在85至150℃。
然後，在如上所述條件下，以與上述實施例相同的方式對準半導體晶片102，將半導體晶片102置於封裝襯底101上，其中在半導體晶片102與封裝襯底101之間插入凸起103。
然後，通過張力機構6對加熱絲5施加規定程度的張力，移動加熱絲5使其在半導體晶片102與封裝襯底101之間通過，以熔化凸起103。
在該實施例中，在使封裝襯底101和半導體晶片102保持在半導體晶片102的工作溫度的同時，使加熱絲5在封裝襯底101與半導體晶片102之間通過，從而可以減輕半導體晶片102工作時在凸起103中和在凸起103附近產生的熱變形。
應注意，本發明不限於所述實施例，並且只要不脫離本發明的範圍，可對結構、材料、各構件的設置等進行適當地改變和修改。在第一實施例中，在冷卻封裝襯底101和半導體晶片102的同時，使加熱絲5在封裝襯底101與半導體晶片102之間通過，但可以不冷卻封裝襯底101和半導體晶片102。
權利要求
1.一種接合方法，包括以下步驟在第一主體上設置第二主體，其中在所述第一主體與所述第二主體之間插入凸起；以及通過使加熱元件在所述第一主體與所述第二主體之間通過，以通過所述加熱元件熔化所述凸起，利用所述凸起電和機械地接合所述第一主體和所述第二主體，其中所述加熱元件被加熱到構成所述凸起的材料的熔點或熔點之上。
2.根據權利要求1的接合方法，其中在冷卻所述第一主體和所述第二主體的同時，利用所述凸起電和機械地接合所述第一主體和所述第二主體。
3.根據權利要求1的接合方法，其中至少所述第一主體或所述第二主體是半導體晶片，並且在使所述第一主體和所述第二主體保持在所述半導體晶片工作的各溫度範圍的同時，利用所述凸起電和機械地接合所述第一主體和所述第二主體。
4.根據權利要求1的接合方法，其中所述加熱元件形成為具有線性形狀，並且在對所述加熱元件施加張力的同時，利用所述凸起電和機械地接合所述第一主體和所述第二主體。
5.根據權利要求1的接合方法，其中當施加電力時所述加熱元件產生熱量，並且在根據所述凸起的排列密度改變至少所述加熱元件的移動速度或對所述加熱元件施加的所述電力的同時，利用所述凸起電和機械地接合所述第一主體和所述第二主體。
6.根據權利要求1的接合方法，其中所述第一主體是封裝襯底，且所述第二主體是半導體晶片，或者所述第一主體和所述第二主體都是半導體晶片，或者所述第一主體是安裝襯底，且所述第二主體是封裝襯底。
7.根據權利要求1的接合方法，其中在所述第一主體上設置所述凸起，或者不依賴於所述第一主體和所述第二主體設置所述凸起。
8.根據權利要求1的接合方法，其中所述加熱元件被加熱到高於構成所述凸起的材料的熔點10℃或更高的溫度。
9.根據權利要求1的接合方法，其中所述加熱元件是加熱絲或加熱板。
10.根據權利要求9的接合方法，其中所述加熱絲的直徑或所述加熱板的厚度小於等於30μm。
11.根據權利要求10的接合方法，其中所述加熱絲的直徑或所述加熱板的厚度大於等於10μm。
12.根據權利要求9的接合方法，其中所述加熱絲由芯絲和在所述芯絲上包覆且與構成所述凸起的材料的潤溼性低於所述芯絲的材料構成。
13.根據權利要求9的接合方法，其中所述加熱絲具有抗氧化性。
14.根據權利要求1的接合方法，其中在惰性或還原氣體氣氛中利用所述凸起電和機械地接合所述第一主體和所述第二主體。
15.一種接合裝置，包括加熱元件，設置成熔化在被接合的第一主體與被接合的第二主體之間插入的凸起；以及移動機構，設置成移動所述加熱元件，以使所述加熱元件在所述第一主體與所述第二主體之間通過。
16.根據權利要求15的接合裝置，還包括加熱/冷卻機構，設置成獨立地加熱或冷卻所述第一主體和所述第二主體。
17.根據權利要求16的接合裝置，還包括控制器，其中可向所述控制器輸入至少所述第一和第二主體的溫度、所述加熱元件的移動速度、所述加熱元件的溫度、對所述加熱元件施加的電力和所述凸起的布局中的任何一者，並且根據所述輸入信息，所述控制器控制至少所述加熱元件、所述移動機構和所述加熱/冷卻機構中的任何一者。
18.根據權利要求15的接合裝置，還包括支撐機構，所述支撐機構具有設置成支撐所述第一主體的支撐構件和設置成支撐所述第二主體並通過所述凸起將所述第二主體推向所述第一主體的支撐構件。
19.根據權利要求15的接合裝置，其中所述加熱元件被加熱到高於構成所述凸起的材料的熔點10℃或更高的溫度。
20.根據權利要求15的接合裝置，其中所述加熱元件是加熱絲或加熱板。
全文摘要
根據本發明的實施例，公開了一種接合方法，包括以下步驟在第一主體上設置第二主體，其中在所述第一主體與所述第二主體之間插入凸起；以及通過使加熱元件在所述第一主體與所述第二主體之間通過，以通過所述加熱元件熔化所述凸起，利用所述凸起電和機械地接合所述第一主體和所述第二主體，其中所述加熱元件被加熱到構成所述凸起的材料的熔點或熔點之上。
文檔編號B23K101/40GK1835198SQ20061000733
公開日2006年9月20日 申請日期2006年2月9日 優先權日2005年3月15日
發明者金子尚史, 松尾美惠, 江澤弘和 申請人:株式會社東芝