用加強冷卻方法在晶粒-基板焊接過程降低精密半導體裝置的金屬堆棧中的機械應力的製作方法

2023-04-30 00:44:01 2

專利名稱：用加強冷卻方法在晶粒-基板焊接過程降低精密半導體裝置的金屬堆棧中的機械應力的製作方法
技術領域：
本發明是關於集成電路，更特別地，是關於精密金屬化系統，包含敏感介電材料與無鉛凸塊或金屬柱，用於將晶片連接至封裝。
背景技術：
半導體裝置，例如微處理器、SRAMs、ASICs (應用特殊IC)、晶片上系統(SoC)與類似物，典型是形成在適當的基板材料，例如矽與類似物上，其中個別的集成電路配置在晶圓上的數組中，因而在基板上的所有晶片區域進行大部分的製程步驟，涉及幾在精密集成電路中百個或更多個別工藝步驟，除了在切割基板之後的微影蝕刻工藝、度量工藝與個別裝置的封裝。因此，經濟限制驅使半導體製造者持續增加基板尺寸，因而也增加用於產生實際半導體裝置的面積，以及增加產率。除了增加基板面積之外，也很重要的是優化給定基板尺寸的基板面積利用，用以儘可能使用半導體裝置的基板面積與/或用於工藝控制的測試結構。在嘗試將給定基板尺寸的可使用表面積最大化的過程中，電路組件的尺寸穩定縮小。由於縮小高精密半導體裝置的需求，銅結合低k介電材料已經成為常用的替代品，用於形成所謂的互連結構，包括金屬線層與中間通道層，包含金屬線作為層內連接以及通道作為層間連接，共同連接個別電路組件，提供集成電路所需要的功能性。典型地，需要多個金屬線層與信道層堆棧在彼此頂部，用來實行所有內部電路組件與1/0(輸入/輸出)、電路設計的電源與接地墊之間的連接。對於極度規模化的集成電路，信號傳輸延遲不再受限於電路組件，例如場效電晶體與類似物，但是由於電路組件密度增加需要更多的電連接數目，所以受限於金屬線的近端，橫切面積減小造成線對線電容增加以及線的傳導性降低。因此，傳統的介電質，例如二氧化矽(k > 4)與氮化矽(k > 7)被具有較低介電常數的介電材料取代，也指具有3或更小介電常數的低k介電材料。然而，相較於已知的介電二氧化矽與氮化矽，低k材料的密度與機械穩定性或強度明顯較低。結果，在形成金屬化系統與集成電路任何後續製造工藝的過程中，產率取決於這些敏感介電材料與他們附著到其他材料的機械特性。除了具有介電常數3或更小的介電材料降低機械穩定性的問題之外，在最後組裝精密半導體裝置的過程中，由於不同材料對應熱膨脹的熱錯配造成晶片與封裝之間的交互作用，這些材料影響裝置的可靠度。例如，在製造複雜集成電路過程中，可使用連接技術， 已知是覆晶包裝技術(flip chip packaging technique)，將封裝載體連接至晶片。相較於已經建立的打線接合技術，其中適當的接合墊定位在晶片最後金屬層的周圍，通過通道可連接至封裝的對應終端，在覆晶技術中，可在最後的金屬化層上形成個別的凸塊結構，連接封裝的個別接觸墊，有焊接材料形成在接觸墊上。因此，在回流凸塊材料之後，可在最後金屬化層上的終端金屬與封裝載體的接觸墊之間，形成可靠的電性與機械連接。在這方法中，可提供非常多的電連接，以較低的接觸電阻與寄生電容，通過最後金屬化層的整個晶片
4面積，因而提供10(輸入/輸出)電容，這是複雜集成電路，例如CPU、儲存內存與類似物所需要的。在連接凸塊結構與封裝載體的對應工藝順序過程中，可施加某程度的壓力與熱至組合裝置，用來建立晶片上各個凸塊與封裝基板上凸塊或墊之間可靠的連接。然而，熱或機械誘導的壓力可作用在較下方的金屬化層，可典型地誘導低k介電或甚至超低k(ULK)介電材料，由於機械穩定性與對其他材料的附著降低，因而明顯增加產生破裂、分層缺陷的可能性。特別地，當回流焊接材料而後將焊接材料固化，將封裝基板實際連接至半導體晶粒(die)，在半導體晶粒的凸塊結構與封裝基板的凸塊結構之間形成金屬間連接時，有一個明顯的錯誤機制。在這個過程中，半導體晶粒與封裝基板彼此機械耦合，並且加熱至焊接材料的熔點以上，因而回流焊接材料以及形成金屬間連接。而後，冷卻組合裝置，亦即半導體晶粒與封裝基板，然而造成產量損失，詳細說明參考圖Ia至圖li。圖Ia圖示說明半導體晶粒150的俯視圖，此裝置包括適當的載體材料，例如矽基板、絕緣基板與類似物，它的內部與上方可提供電路組件，例如電晶體與類似物。如上所述， 當考慮複雜半導體裝置時，為了建立個別半導體電路組件之間的連接，半導體晶粒150典型包括金屬化系統，包含多個金屬化層。金屬化系統(未顯示)典型包括最終金屬化結構或接觸結構151，它包括多個接觸組件，例如焊料凸塊、金屬柱與類似物，可連接至封裝基板 (未顯示)的互補接觸結構，如上所述。半導體晶粒150可具有任何適當的尺寸，容納一或多個功能電路部分，用於獲得所需要的運作。如上所述，接觸組件例如焊料凸塊、金屬柱與類似物典型可分布通過接觸結構151的整體表面區域。因此，可在晶粒150的任何周圍區域150P與中心區域150C，提供對應的接觸組件。圖Ib圖標說明周圍區域150P的放大圖，圖標多個接觸組件，例如銅柱形式的金屬柱、焊料凸塊與類似物，在精密應用中，可為無鉛焊接材料與類似物。同樣地，圖Ic說明中心區域150C的放大圖，其中也有多個焊料凸塊、金屬柱與類似物152。例如，在精密應用中，凸塊或柱152的側向尺寸可為100微米或更小，取決於半導體晶粒150中對應電路的10(輸入/輸出)需求。圖Id圖標說明半導體裝置100的橫切面，組合半導體裝置包括半導體晶粒150與互補封裝基板160。在所示的製造階段中，晶粒150與封裝基板160可通過任何適當的外部設備(未顯示)而機械耦合，因而機械連接接觸結構151的凸塊或柱152至封裝基板160 的接觸結構161的互補焊料凸塊162。封裝基板160可包括任何適當的互連結構165，連接不同凸塊162至任何其他的接觸特徵(未顯示)，用於連接組合半導體裝置100與周圍，例如接觸腳與類似物。為了達到這個目的，適當的傳導線(未顯示)可通過適當架構的接觸頭163而連接至不同的焊料凸塊162。同樣地，半導體晶粒150可包括基板156，包含一或多個半導體層，在它的內部與上方形成電路組件(未顯示)，例如電晶體、電阻、電容與類似物。再者，包括多個金屬化層 (未顯示)的金屬化系統155典型形成在基板156的「上方」，並且包含金屬特徵，例如金屬線與信道，建立個別電路組件之間的電連接。如上所述，金屬化系統155可包括敏感低k介電材料或ULK材料，結合高傳導金屬，例如銅，形成金屬化層的堆棧，具有較低的機械強度。 因此，施加至接觸結構151的任何機械力也可被轉換至系統155的任何下方的金屬化層，因而當機械應力超過某程度，會產生任何嚴重的破壞。
可用已知的工藝方法形成半導體晶粒150，其中精密的電路組件，例如尺寸50nm 或更小的電晶體，可結合含有多個敏感堆棧金屬化層接收成為最終層的複雜金屬化系統， 包括任何適當介電材料的接觸結構151結合焊料凸塊或金屬柱152。通常，由於需要避免半導體工藝過程中的問題材料，例如鉛，已經發展例如銀、錫、銅或類似物的焊接材料，避免使用鉛，然而，其中這些焊接材料通常具有不同的機械特性，並且典型具有比鉛焊接材料更高的熔點。例如，相較於較軟的含鉛焊接材料，無鉛焊接材料通常較硬。因此，在施加機械力至接觸結構151之後，無鉛焊接材料或任何其他凸塊材料可將所得的機械力「更有效率」轉換至下方的金屬化層155。同樣地，可使用銅柱，它的硬度更高，因此造成接觸特徵152附近的機械應力增加。在分割個別半導體晶粒150之後，為了在凸塊152、晶粒150與封裝基板160的凸塊之間建立金屬間連接，將封裝基板160附貼至晶粒150以及施加熱與機械力。為了達到這個目的，組合裝置100加熱至高於焊接材料，例如焊料凸塊162，的熔點溫度，其中如上所述，需要比已知含鉛焊接材料更高的溫度。圖Ie圖示說明在第一工藝相形成晶粒150不同結構與基板160之間金屬間連接過程中的裝置100(參閱圖Id)。為達這個目的，可進行熱處理110，其中將裝置100加熱至溫度T，溫度T高於焊接材料的熔點Tmeu，其中裝置100是在平衡狀態，亦即在裝置100內任何位置的溫度實質相同，對於裝置100中的任何焊料凸塊，開始焊接材料的回流。為了達到這個目的，裝置100可有效熱耦合至工藝環境，如110所指，其中例如在含有裝置100的工藝腔室內調整適當的工藝溫度，可均勻加熱裝置100。例如，可提供適當的熱媒介，例如氣體與類似物，至裝置100，用以得到通過裝置100完整體積的均勻溫度。因此，在這個加熱步驟中，熱能從任何外部的溫度儲存器流至裝置100，如圖Ie箭頭所指。在達到所要的回流溫度之後，可保持固定溫度，達某時間間隔，建立適當的工藝條件，用於對任何焊料凸塊回流焊接材料並且形成金屬間連接。高於焊料凸塊熔點溫度的實質固定溫度是如圖Ie裝置 100表面陰影線所指狀態。圖If圖標說明裝置100的溫度在縱軸，工藝時間顯示在橫軸。相100可包括升溫間隔，最後達到所要的工藝溫度T，而後維持固定達一段時間，達到在回流焊接材料之後， 裝置100任何點的平衡溫度，以及穩定建立金屬間連接。應理解在達到平衡狀態之前，裝置100中的局部溫度會改變，這是由於例如在工藝相110過程中，周圍區域加熱比中心區域快，這取決於工藝相110過程中，工藝環境與裝置100之間的交互作用。在相110之後，改變溫度儲存器的工藝溫度，可冷卻裝置100，例如可提供降溫的熱媒介、簡單去活化任何加熱組件或類似方法。圖Ig圖示說明冷卻相111過程中的溫度定性發展，其中可根據在加速加熱或冷卻裝置100建立的產量標準與整體熱壓力，選擇溫度改變的速度。然而，結果證明在使用無鉛焊接材料、半導體晶粒中柱結構結合低k介電材料的精密金屬化系統，加熱與冷卻裝置10 會造成產率損失。不需要將本申請限制在以下解釋說明，假設增加的內部溫度梯度會造成金屬化系統中明顯的錯誤，這是由於施加在半導體晶粒的周圍區域處接觸組件的機械應力增加。圖Ih圖標說明冷卻相111中的裝置100，其中裝置100將熱能轉換至工藝環境，如圖Ih所示。由於裝置100的周圍區域100P可集中耦合至工藝環境，例如由於相較於中心區域100C，整體表面積增加，Tp所指的周圍區域100P的溫度可改變得更快，因而可低於中心區域100C的溫度T。。因此，周圍區域100P的焊接材料可更早硬化，因而在半導體晶粒與封裝基板之間建立強的機械連接，其中基板與半導體晶粒之間熱膨脹係數的差會額外貢獻至對應的機械應力，被轉換至周圍區域100P中半導體晶粒的敏感金屬化系統內。圖Ii圖示說明冷卻工藝111另一相中的裝置100，其中裝置100的平均溫度可低於圖Ih中的平均溫度，而同時在中心區域100C與周圍區域100P之間，已經建立TG所指的溫度梯度，因而更增加機械應力，特別是相較於裝置100的任何內部區域，中心區域100P 中的焊料凸塊已經被固化了一段較長的時間間隔。圖Ij圖示說明冷卻相111(參閱圖Ii)另一階段中裝置100的橫切面，其中至少在周圍區域100P中，達到接觸特徵152與凸塊162之間的金屬間連接162i，其中明顯的溫度梯度TG造成明顯應力組件155C、155T在接觸特徵152附近形成壓縮與拉伸應變的形式， 如上所述，這是由於相較於含鉛的焊料凸塊，這些特徵通常拉伸較小。因此，明顯應力組件 155T、155C可造成金屬化系統155中明顯的破壞，例如通過誘導破裂與斷層155S，特別是在敏感的低k介電材料中。在一些習知方法中，提供金屬化系統155較佳的機械特性，例如使用較硬的介電材料，可造成介電常數增加以及寄生電容值較高，因而造成金屬化系統155的電效能明顯降低。再者，考慮環境問題，使用含鉛焊接材料並不可行。再者，冷卻相過程中溫度變化的明顯減少可造成整體工藝產量明顯減少，這是在量產方法中所不樂見的。考慮上述情況，本申請揭露內容是關於製造技術與系統，用於以回流工藝形成組合半導體裝置，同時避免或至少減少上述一或多個問題的效應。

發明內容
一般而言，本申請揭露內容提供製造方法與系統，其中在半導體晶粒與封裝基板上進行回流工藝用於形成組合半導體裝置，因而在冷卻相過程中達到減小的溫度梯度，而不需要過度影響整體工藝時間。為了達到這個目的，可在冷卻相過程中建立適當工藝控制， 通過額外耦合組合半導體裝置至溫度儲存器，在組合半導體裝置的周圍和中心之間提供較好的溫定平衡，在本申請的一些實施例中，可在短時間間隔耦合至組合半導體裝置，並不明顯影響整體工藝時間，然而會明顯減少中心與周圍區域之間的實際溫度差。在其他實施例中，溫度儲存器可有效耦合至組合半導體裝置的局部限制區域，因而提供有效減少內部溫度差的可能性，而不增加整體工藝時間或甚至減少總工藝時間。因此，由於回流工藝冷卻相過程中的主動溫度控制，可使用以低k介電材料與無鉛焊接材料為基礎的精密金屬化系統，並不實質影響整體工藝時間與產量，同時避免敏感金屬化系統中機械應力造成的額外產率損失。本申請揭露的一種方法是關於在封裝基板中組合半導體晶粒。所述方法包括加熱包括半導體晶粒與封裝基板的組合裝置至焊接材料的熔點溫度之上，所述焊接材料是形成在封裝結構的接觸結構與半導體晶粒的接觸結構之間。所述方法更包括使用第一冷卻間隔，開始所述焊接材料的固體化。除此之外，所述方法包括在使用第一冷卻間隔之後，使用至少一中間加熱步驟。再者，所述方法包括在至少一中間加熱步驟之後，使用第二冷卻間隔。
本申請揭露的另一方法包括回流半導體晶粒的接觸結構與封裝基板的接觸結構之間形成的焊接材料，用以形成組合半導體裝置。所述方法更包括通過冷卻所述組合半導體裝置至環境溫度，使得回流的焊接材料固化。所述方法更包括主動控制所述冷卻，以減少組合半導體裝置的中心與周圍之間的溫度差。本申請揭露一回流系統，用於連接半導體晶粒至封裝基板。所述回流系統包括基板支持物，用於接收所述半導體晶粒與封裝基板。再者，所述回流系統包括工藝區域，用以建立加熱區，用於將所述半導體晶粒與封裝基板之間形成的焊接材料加熱至所述焊接材料的熔點之上，用以形成組合半導體裝置。所述工藝區域更用以建立冷卻區，用於固化所述焊接材料，其中所述冷卻區包括可控制的溫度儲存器，用以減少所述組合半導體裝置的中心與周圍之間的溫度差。


本申請揭露內容的其他實施例定義在權利要求書中，參考附隨圖式予以下詳細說明即可了解。圖Ia至圖Ic圖標說明複雜半導體裝置的半導體晶粒與對應凸塊結構的俯視圖。圖Id圖示說明在回流焊接材料之前，包括半導體晶粒與封裝基板的組合半導體裝置的橫切面。圖Ie與Ig分別說明習知回流工藝的加熱相與冷卻相過程中的組合半導體裝置。圖If圖示說明依習知方法包含冷卻相的回流工藝的溫度圖。圖Ih與Ii根據習知方法，說明冷卻步驟另一相過程中組合半導體裝置的俯視圖。圖Ij圖標說明組合半導體裝置的橫切面，其中明顯的機械應力可在半導體晶粒的敏感金屬化系統中造成破壞。圖加圖標說明回流工藝的溫度圖，用於連接半導體晶粒與封裝基板，具有較好的冷卻相用於周圍與中心裝置之間改善的平衡溫度。圖2b至2d根據實施例，說明在回流相與初始冷卻相過程中組合半導體裝置的俯視圖。圖2e圖示說明在短加熱步驟過程中的組合半導體裝置，用以提供周圍與中心區域之間減少的溫度差。圖2f與2g根據實施例，說明在進一步工藝過程中的組合半導體裝置，具有額外的加熱步驟，用於更進一步減少溫度差。圖池是根據其他實施例，分別說明中心區域與周圍區域的溫度圖，其中在冷卻相過程中，可局部限制耦合至溫度儲存器。圖2i與2j圖標說明組合半導體裝的俯視圖，其中中心區域可耦合至溫度儲存器， 用於中心區域更好的冷卻效果。圖業圖標說明組合半導體裝置的橫切面，其中中心部分接觸溫度儲存器，例如熱媒介的噴口、放射與類似物。圖21至2ο是根據實施例，說明冷卻相進一步階段過程中半導體裝置的俯視圖。圖3a至3c是根據實施例，說明回流系統，所述回流系統包括建立加熱與冷卻區域的工藝區，在冷卻相過程中，具有較好的溫度平衡。
具體實施例方式雖然本申請揭露內容描述在以下詳細說明，並參考實施例與圖式，但是應理解以下詳細說明與圖式不是用來將本申請的揭露內容限制在特定實施例，而所描述的實施例僅舉例說明本申請揭露內容的不同方面，本申請的範圍如權利要求書所定義。本申請揭露內容提供製造方法與回流系統，其中精密半導體晶粒與封裝基板可連接高工藝產量，而避免敏感金屬化系統的過度破壞，所述敏感金屬化系統是形成在低k 介電材料結合無鉛凸塊或柱結構的基礎上。為了達到這個目的，可控制回流工藝的冷卻相， 因而減少組合半導體裝置周圍區域與中心區域之間的溫度差，可具有不同的散熱作用，由於周圍區域的表面與體積的比例高於組合半導體裝置的中心區域，所以周圍區域與工藝環境的交互作用更有效率。局部「冷卻」周圍區域，完成溫度差減少與固化回流焊接材料後的最終溫度梯度，不會明顯影響整體工藝時間。為了達到這個目的，在一些實施例中，可建立組合半導體裝置與溫度儲存器，例如放射源、熱轉換媒介與類似物，的全面交互作用短時間周期，其中由於周圍與溫度儲存器較好的交互作用，周圍的效果增加，可造成局部溫度上升或是溫度較少下降，因而得到周圍溫度某程度接近中心溫度。另一方面，在冷卻相過程中， 可使用額外的短加熱步驟，相較於冷卻相的總長度，這是很短的時間間隔，因而不實質貢獻至整體增加的工藝時間。在一些實施例中，在後來的冷卻時間過程中，甚至可增加溫度改變，這是由於組合半導體裝置內的不同位置間減少的溫度差可使得冷卻相「加速」，因而相較於習知方法，可達到實質相同的整體工藝時間或是甚至較短的工藝時間。在其他實施例中，可導入一或多個短加熱步驟，用來減少或補償在其他冷卻相過程中產生的任何其他溫度差。在其他實施例中，可用局部限制方式，把溫度儲存器偶和至組合半導體裝置，例如將熱轉換媒介引入組合半導體裝置的中心部分，而主動控制冷卻相，其中熱轉換媒介的溫度低於中心區域的目前溫度。在這個方法中，可在中心區域局部促進冷卻效果，因而也在組合半導體裝置的周圍與中心之間貢獻減少溫度差。在其他例子中，溫度儲存器可建立在直接與半導體裝置材料接觸，其中可提供適當的溫度分布，例如通過使用可控制的加熱組件， 因而施加所要的降低溫度至組合半導體裝置的中心部分。參考圖加至2p與圖3a至3c，更詳細描述其他實施例，其中視需要，例如當參考架構的半導體晶粒、封裝基板與組合半導體裝置時，請參考圖Ia至lj。圖加描述溫度狀況，用於進行回流工藝，使用包含焊接材料的適當接觸結構，將封裝基板附著至半導體晶粒。在圖加中，橫軸代表工藝時間，而縱軸代表工藝溫度T，這是任何適當溫度儲存器的溫度，與組合半導體裝置全面交互作用。在這方面，「全面交互作用」 被理解為工藝狀態，其中實質固定能量密度可施家在組合半導體裝置的表面。然而，應理解例如相較於組合半導體裝置的中心區域，在周圍處，溫度儲存器提供的工藝溫度可造成組合半導體裝置內局部溫度變化，這是由於不同的表面與體積比例。如上所述，215所指的回流工藝可包括加熱相210，其中工藝溫度上升或保持固定，最後完成組合半導體裝置的焊料凸塊區域中焊接材料的回流。在實施例中，可使用實質線性溫度上升與實質固定溫度相，用於得到平衡且均勻回流焊接材料。然而，應理解可使用任何其他回流焊接材料的其他方法。再者，工藝215通常包括冷卻相211，具有第一冷卻間隔211A，其中工藝溫度可下降至某溫度，不會發生固化以及組合半導體裝置的中心區域與周圍區域之間的溫度梯度。接著，第一中間加熱步驟211B可具有一至數秒的適度短時間，其中工藝溫度可明顯上升，然而如上所述，組合半導體裝置中的實際溫度可不需要上升，其中可減少任何局部差別。而後，在一些實施例中，可於工藝溫度中，使用具有任何想要降低的另一冷卻間隔211C。在其他例子中，在工藝溫度中，可使用具有增加改變的冷卻間隔 211D，接著是另一個中間加熱步驟211E，而後使用另一個冷卻間隔211G。如上所述，由於可選擇間隔211D、211G的溫度改變更快，在較短的工藝時間中可完成組合半導體裝置較好的溫度分布。在其他例子中，如中間加熱步驟211F與後續冷卻間隔211H所述，可實現稍增加的工藝時間，得到組合半導體裝置中較好溫度條件的優勢。應理解可基於實驗，決定冷卻相211過程中溫度改變的適當速度，亦即圖加中溫度變化的適當斜率值，其中可使用已知的功率方法作為開始值。例如，曲線2111代表給定架構的回流系統與組合半導體裝置的習知冷卻相與習知工藝時間。圖2b圖標說明組合半導體裝置200的俯視圖，可具有任何適當的架構，可包括半導體晶粒與封裝基板，通過適當的凸塊結構而機械接觸。當描述半導體晶粒150、封裝基板 160與組合半導體裝置100時，組合半導體裝置200基本上架構與圖Ia至Id所顯示的相同。因此，此處省略這些組件的詳細說明。組合半導體裝置200可用上述定義的方式熱耦合至溫度儲存器220，因而提升組合半導體裝置200的溫度，例如圖加所示。溫度儲存器220 可例如具有理想的溫度，高於焊接材料的熔點，所述焊接材料例如無鉛焊接材料，如前所述且參閱裝置100。儲存器220的溫度可維持固定在想要的目標溫度，因而避免裝置200中， 例如在周圍處，任何的過度溫度。然而，應理解在升高裝置200溫度的過程中，根據整體工藝需求，可施加高溫，用以調整溫度變化的斜率。應理解由於半導體晶粒的凸塊結構與封裝基板只是彼此機械耦合但尚未形成金屬間連接，例如圖Id所述組合裝置100，所以在升高裝置200的溫度後建立的任何溫度梯度較不重要。另一方面，當在半導體裝置200內周圍位置達到融化溫度時，焊料凸塊會熔化以及保持熔化狀態，只要裝置200達到平衡狀態，其中所有焊料凸塊被回流並且在非常「有彈力的」狀態。圖2c圖示說明在圖加所示冷卻相211初始狀態的組合半導體裝置200。例如， 溫度儲存器220可具有低於焊接材料熔點的任何適當溫度，用以在冷卻間隔211A(參閱圖 2a)過程中，開始將熱從裝置200轉換至溫度儲存器200。如前所述，由於相較於中心區域 200C，周圍區域200P可通過較大的表面積而耦合至儲存器220，因此周圍區域200溫度Tp 小於中心區域200C的溫度Tc。圖2d圖示說明冷卻間隔211A過程中另一階段的裝置200，其中由於熱耦合至溫度儲存器220，中心區域200C與周圍區域200P之間有更明顯的溫度差。例如，在圖2d的相中，周圍區域200P中焊接材料可開始固化，以及周圍區域200P中「彈力」逐漸降低。圖2e圖標說明耦合至溫度儲存器221的組合裝置200，相較於周圍部分200P的目前溫度，溫度儲存器221可具有較高的溫度。溫度儲存器221可為任何適當加熱組件形式，例如放射源的燈、雷射、將熱轉換媒介轉換至裝置200的來源，例如氣體、蒸氣與類似物的形式。因此，能量暫時從熱儲存器211轉換至裝置200，因而較佳是在周圍區域200P升高溫度TP或是至少在區域200P減少溫度下降的改變，取決於儲存器221的實際溫度以及裝置200與時間間隔的交互作用。應理解圖加所示的中間加熱步驟211B過程中溫度升高可對應於工藝溫度的改變，因而對應於如圖2d所示儲存器220與圖加中儲存器211的溫度，其中裝置200中的有效溫度Tp可取決於工藝溫度以及與裝置200交互作用的時間。例如，中間加熱步驟211B可進行的時間約0. 1至數秒，以及可明顯短於總冷卻相211的長度， 如圖加所示。例如，當使用熱轉換媒介時，可選擇儲存器221的工藝溫度約200至400°C。 在其他例子中，對應的放射源可具有更高的溫迪，並且通過放射有效耦合組合裝置200，其中可大約選擇放射脈衝的長度，獲得想要的裝置200熱反應，以減少中心區域200C與周圍區域200P之間的溫度差。圖2f圖示說明圖加中冷卻相211更進一步奏中的裝置200。例如，可使用冷卻間隔211D以及由於與溫度儲存器221的交互作用而造成裝置200的平均溫度更進一步下降， 然而，其中相較於習知的工藝方法，仍可減少中心區域200C與周圍區域200P之間的差，取決於圖2e所示進行中間加熱步驟211B的效果。應理解若需要，可將周圍部分200P的溫度調更高，如中心區域200C中的目前溫度，因而在進一步冷卻裝置200的過程中，當相較於中心區域200C，周圍區域200P更快速抵抗開始降溫，可維持減少的溫度差。圖2g是根據其他實施例，說明裝置200，其中額外的中間加熱步驟例如步驟211E、 211F(參閱圖2a)可施加在具有理想工藝溫度的適當溫度儲存器222，為了進一步減少中心部分與周圍部分之間的溫度差，以達到冷卻相，其中組合物半導體裝置20的溫度分布優於習知的工藝方法。如上所述，溫度梯度仍可調整，若需要，可直接從周圍區域200P至中心區域200C。應注意同樣在一或多個額外加熱步驟211E、211F中，可適當選擇儲存器222的工藝溫度與加熱期間，用以得到裝置200中理想的熱分布。例如，儲存器222的工藝溫度可選擇自約80°C至400°C，或甚至更高，工藝時間0. 1至10秒。而後，使用溫度儲存器220，在減少的工藝溫度持續降溫，如前所述，用以最終得到約50°C或更低。因此，在最終階段，組合裝置200可達到平衡狀態，並且具有環境溫度例如約20至25°C，取決於製造環境中的乾淨空間條件。參閱圖池，根據其他實施例說明組合半導體裝置的溫度，其中半導體裝置可用局部受限的方式與溫度儲存器交互作用，亦即熱耦合至溫度儲存器可為不均勻，並且在冷卻相過程中，可在組合介電材料內使用或補償非固定的溫度分布。在所示的實施例中，可在中心區域局部提供熱轉換媒介，加速中心區域的冷卻，或是中心區域直接接觸作為溫度儲存器且具有適當溫度分布的基板支持物。圖池圖標說明曲線A所指中心區域的溫度進程，在相210過程中以下降的斜率升高，如前所述。在另一方面，曲線B所指周圍區域的溫度上升更快，因而達到想要的工藝溫度，相較於曲線A，更早用於回流焊接材料。如前所述，可維持固定工藝溫度的時間間隔，獲得平衡狀態以及可靠地回流組合半導體裝置中的任何焊接材料。而後，通過適當耦合溫度儲存器，開始冷卻相211，如上所述，其中在相211的任何適當階段，例如在開始或是在任何中間階段，組合半導體裝置的中心可局部冷卻，例如在中心區域局部提供熱轉換媒介，因而中心部分與周圍部分達到接近的冷卻時間，其中控制局部溫度儲存器，可有效控制溫度差的程度。圖2i圖標說明裝置200俯視圖，這是在相210過程中當耦合至溫度儲存器220用以達到想要的平衡狀態的裝置200。圖2j圖示說明冷卻相211任何適當階段過程中的裝置200，其中溫度儲存器220可具有任何適當的溫度，開始裝置100的冷卻，結合溫度儲存器223提供局部受限熱耦合至裝置200。應理解局部受限的熱交互作用，因而通過裝置200的交互作用與熱效應不同，相較於裝置200的周圍區域，中心區域可得到增加的冷卻效應。例如，溫度儲存器220可由環境代表，而局部受限作用的溫度儲存器223可由熱轉換媒介代表，例如氣體、液體、蒸氣、直接機械接觸等等，其中亦可在裝置200的周圍達到熱效應，然而效應量明顯降低。圖業圖標說明組合半導體裝置200的橫切面，包括半導體晶粒250與封裝基板沈0，可與裝置100具有類似的架構。再者，可在組件250、260之間，提供固化的或固化焊接材料沈2，如前所述。再者，溫度儲存器223，可由任何適當熱轉換媒介的噴口表示，例如氣體、蒸氣等等，具有適當溫度低於中心區域200C的目前溫度。應理解溫度儲存器223也可與周圍區域200P交互作用，然而，由於局部使用熱轉換媒介或直接機械接觸，中心區域200C 與周圍區域200P之間可達到溫度差減少。例如，適當溫度的氣體與所選的氣體流速可導引至中心區域200C，並且可開始有效的熱轉換，因而改變，亦即降低中心區域的溫度以及改變，亦即提高熱轉換媒介的溫度，因而流至周圍區域200P，達到周圍區域200P中降低的冷卻效應，最後造成中心區域200C與周圍區域200P之間某程度的溫度平衡。應理解溫度儲存器223可耦合至裝置200任何側上的中心區域200C，這可與任何適當回流系統中的裝置 200比較。圖21至2η圖示說明冷卻相211其他階段過程中的裝置200，其中裝置200的平均下降，而同時中心區域與周圍區域之間的差可維持在所要的範圍內，例如啟動溫度儲存器223 —次或數次，或是永久啟動溫度儲存器223。應理解可控制溫度儲存器223，例如控制實際溫度與/或控制流速，如上所述，使溫度儲存器223的「均等」效應適應裝置200的目前狀態。圖2η說明冷卻相211最終階段中的裝置200，其中可得到減少的溫度梯度Tc， 從中心區域200C點到周圍區域200P。圖2ο是根據其他實施例說明裝置200，其中可倒轉溫度梯度TC，例如控制溫度儲存器223，因而相較於冷卻相211此階段中的周圍區域200Ρ，中心區域200C可具有更低的溫度。因此，在固化焊接凸塊材料之後，以上述機制為基礎，在整個冷卻過程中，可降低裝置200的中心區域與周圍區域之間的溫度差，也減少裝置200的敏感金屬化系統中的機械應力，因而可使用精密材料系統例如低k材料、ULK材料與類似物結合無鉛焊接方法。在另一方面，可達到所要較短的工藝時間用於回流與固化凸塊材料。參閱圖3a至3c，描述回流系統，用以進行上述的回流工藝方法。圖3a圖標說明回流系統30包括工藝區382在工藝腔室中，可用以建立一或多個加熱區383。應理解加熱區是適當的工藝環境，用以耦合組合半導體裝置，例如裝置200或具有溫度儲存器的裝置100，用於開始升高裝置200、100的溫度，並且得到想要的平衡狀態，用於回流裝置200、100中的焊接材料。再者，系統380可包括基板支持物31，用以接收裝置200、100，並且允許在加熱區383內的有效熱接觸。基板支持物381可具有任何適當的架構，若有需要，本身可做為溫度儲存器。應理解工藝區382可用以提供一或多個加熱區 383而不移除基板支持物381，然而在其他例子中，可由基板支持物381順序提供一或多個加熱區，其中各個加熱區383可具有適當的工藝溫度。圖北圖標說明系統380，其中工藝區382具有冷卻區384，用以起始裝置200、100
12的溫度下降，其中在實施例中，可提供其他機制，例如燈、雷射、氣體流來源與類似物384A， 用以提供一或多個加熱步驟或是中間步驟，如圖加所示。應理解冷卻區384也可具有兩個或多個加熱區，可由基板支持物384順序傳送，然而在其他例子中，可使用單一工藝環境， 提供包含加熱機制384A的冷卻區384。圖3c是根據實施例說明系統380，其中冷卻區384包括局部受限的冷卻機制 384B,例如氣體流來源，基板支持物381中的熱分布系統與類似物，用以較佳將裝置200、 100的中心區域耦合至適當的溫度儲存器，如圖池所示。應理解系統380的任何硬體組件，例如氣體流來源，提供受控制留宿的氣體流與溫度，提供加熱組件在基板支持物381中，用以提供局部變化的溫度以及習知技藝已知可用於系統380中的類似物。因此，本申請揭露內容提供製造方法與回流系統，其中半導體晶粒包括由低k介電材料、ULK材料或類似物形成的敏感金屬化系統，通過無鉛接觸方法，降低溫度梯度或是組合半導體裝置的中心區域與周圍區域之間的溫度差，將半導體晶粒連接至封裝基板，而不過度增加整體工藝時間。在其他例子中，可甚至減少有效的工藝時間，例如對組合半導體裝置的中心區域提供局部受限的冷卻效應。對於熟知此技藝的人士而言，在參考本申請內容之後，本申請揭露內容的其他實施例與變化是明顯的。因此，本申請的描述是用以解釋且教導熟知此技藝的人士進行本申請揭露內容。應理解本案所述的內容是作為較佳實施例。
權利要求
1.一種組合半導體晶粒與封裝基板的方法，所述方法包括加熱包括所述半導體晶粒與所述封裝基板的組合裝置至高於焊接材料的熔點溫度，所述焊接材料是形成在所述封裝基板的接觸結構與所述半導體晶粒的接觸結構之間； 使用第一冷卻間隔，用以起始所述焊接材料的固化； 在使用所述第一冷卻間隔之後，使用至少一中間加熱步驟；以及在所述至少一中間加熱步驟之後，使用第二冷卻間隔。
2.如權利要求1所述的方法，其中所述焊接材料是無鉛焊接材料。
3.如權利要求1所述的方法，其中使用至少一中間加熱步驟包括在所述第一冷卻間隔之後，進行第一加熱步驟，使用第三冷卻間隔，以及在所述第三冷卻間隔之後，進行第二加熱步驟。
4.如權利要求1所述的方法，其中所述至少一中間加熱步驟的工藝時間少於所述第一與第二冷卻間隔中的每一個冷卻間隔。
5.如權利要求1所述的方法，其中所述至少一中間加熱步驟的工藝溫度低於所述熔點溫度。
6.如權利要求1所述的方法，其中所述半導體晶粒包括金屬化系統，所述金屬化系統包括低k介電材料。
7.一種方法，包括回流半導體晶粒的接觸結構與封裝基板的接觸結構之間的焊接材料，形成組合半導體裝置；冷卻所述半導體裝置至環境溫度，使得所述回流的焊接材料固化；以及主動控制所述冷卻，減少所述組合半導體裝置的中心與周圍之間的溫度差。
8.如權利要求7所述的方法，其中主動控制所述冷卻包括熱耦合所述組合半導體裝置至熱儲存器，熱儲存器提供局部變化溫度通過所述組合半導體裝置。
9.如權利要求7所述的方法，其中所述主動控制所述冷卻包括引導熱媒介噴口至所述組合半導體裝置的局部受限區域。
10.如權利要求9所述的方法，其中引導熱媒介噴口包括引導所述噴口至所述組合半導體裝置的中心區域，其中所述噴口具有較低溫度作為所述中心區域的目前溫度。
11.如權利要求7所述的方法，其中主動控制所述冷卻包括暫時耦合所述組合半導體裝置的至少一周圍區域與溫度儲存器，所述溫度儲存器的溫度高於所述周圍區域的目前溫度。
12.如權利要求11所述的方法，其中暫時耦合至少一周圍區域與溫度儲存器包括局部弓I導熱媒介的噴口與放射光束至少其中之一至所述周圍區域。
13.如權利要求11所述的方法，其中暫時耦合至少一周圍區域與溫度儲存器包括直接接觸所述周圍區域與加熱組件。
14.如權利要求11所述的方法，其中暫時耦合至少一周圍區域與溫度儲存器包括耦合所述組合半導體裝置與所述溫度儲存器成為一體。
15.如權利要求11所述的方法，其中暫時耦合至少一周圍區域與溫度儲存器包括耦合所述組合半導體裝置與所述溫度儲存器達10秒或更短的時間間隔。
16.如權利要求7所述的方法，其中所述焊接材料是無鉛焊接材料。
17.如權利要求16所述的方法，其中所述半導體晶粒包括銅與低k介電材料為基礎形成的金屬化系統。
18.一種用於連接半導體晶粒至封裝基板的回流系統，所述回流系統包括基板支持物，用以接收所述半導體晶粒與所述封裝基板；以及工藝區域，用以建立加熱區，用於加熱所述半導體晶粒與所述封裝基板之間形成的焊接材料至高於所述焊接材料的熔點，形成組合半導體裝置，所述工藝區域更用以建立冷卻區，用於固化所述焊接材料，所述冷卻區包括可控制的溫度儲存器，用以減少組合半導體裝置的中心與周圍之間的溫度差。
19.如權利要求18所述的回流系統，其中所述冷卻區中的所述溫度儲存器是用以進行加熱步驟。
20.如權利要求18所述的回流系統，其中所述溫度儲存器包括溫度系統，用以在所述組合半導體裝置的受限區域中，提供放射、熱媒介的噴口以及直接機械接觸至少其中之一。
全文摘要
本發明涉及用加強冷卻方法在晶粒-基板焊接過程降低精密半導體裝置的金屬堆棧中的機械應力。在連接半導體晶粒與封裝基板的回流工藝中，在冷卻過程中，減少在半導體晶粒的敏感金屬化系統中溫度梯度與熱誘導機械力。為了達到這個目的，將一或多個加熱間隔導入冷卻相，因而有效減少溫度差。在其他例子中，中心區域可被冷卻，提供適當的局部受限機制，例如局部受限的氣體流與類似物。因此，當以無鉛接觸方法為基礎加工精密金屬化系統，可得到想要的整體工藝時間短，而不造成產率損失增加。
文檔編號B23K35/22GK102248240SQ20111008465
公開日2011年11月23日 申請日期2011年3月31日 優先權日2010年3月31日
發明者M·格裡爾貝格爾, M·萊爾, R·吉丁格凱特 申請人:格羅方德半導體公司, 格羅方德半導體德勒斯登第一模數有限責任及兩合公司