防止焊接點中形成空洞的方法

2023-05-02 05:46:16 1

專利名稱：防止焊接點中形成空洞的方法
技術領域：
本發明系大致屬於接合金屬表面的技術領域。詳言之，本發明系屬於接合金屬表 面之焊接點形成的技術領域。
背景技術：
焊接點系廣泛使用在連接兩個金屬材料，以提供具有電子傳導性、低熱阻抗、與機 械耐久性之接合。舉例而言，依據所使用的特殊用途，焊接點可依靠其容納熱膨脹應力之能 力、而形成例如在橫跨一溫度範圍之穩定的機械健全接點、抵抗溼氣、以及提供低熱阻抗。 在半導體裝置的應用中，可使用焊接點以連接主動裝置(例如微處理器半導體晶片)至均 熱片(heat spreader) 0在這些用途使用時，低熱阻抗與均勻散熱(heat dissipation)是 能否令人滿意之焊接點效能的關鍵。
用於在金屬表面之間形成焊接點的習知方法典型上包含在金屬表面上沉積焊劑 (flux)，將焊料材料置於表面之間，而接著加熱焊料材料以形成焊接點。在習知的方法中， 隨著加熱焊料而產生氣體的焊劑可散發氣體至焊料材料並形成「空洞」，所述空洞例如將降 低焊接點之機械強度。在半導體裝置應用中的更多問題為在焊接點中之空洞可扮演有效的 局部絕緣體，導致在空洞附近突然地增加熱阻抗。舉例而言，用以接合主動半導體裝置至均 熱片的在焊接點中之絕緣空洞的存在可導致裝置之過熱、損害、與最終的故障。因此，空洞 可非期望地減少焊接點的效用。

發明內容
根據本發明的一個態樣，本發明提供一種用於防止形成在兩個金屬表面之間的焊 接點中形成空洞的方法，所述方法包括在焊料層中形成至少一個狹縫以形成狹縫焊料層； 將所述狹縫焊料層置於兩個金屬表面之間；以及加熱所述狹縫焊料層以形成所述焊接點， 其中，所述至少一個狹縫在所述狹縫焊料層形成除氣通道以防止在所述焊接點中形成空 洞。此外，本發明提供一種用於防止焊接點中形成空洞的方法，實質上系與至少一圖 式有關而顯示與/或描述，而將在申請專利範圍中更完整地提出。


圖1系根據本發明之一實施例，描述位在兩個示範金屬表面之間的示範狹縫焊料 層之截面圖；圖2系描述在圖1中狹縫焊料層之頂部剖視圖；圖3系根據本發明之一實施例，描述藉由實質上無空洞之焊接點而連接之兩個示 範金屬表面之截面圖；圖4系顯示描述採取之典型步驟之流程圖以執行本發明之實施例；圖5系根據本發明之一實施例，描述位在示範半導體晶片與示範均熱片之間的示範狹縫焊料層之截面圖；以及圖6系根據本發明之一實施例之示範電子系統之圖式，所述示範電子系統包含藉 由使用狹縫焊料層而附著至均熱片之示範晶圓片或晶片。
具體實施例方式本發明系針對一種用於防止焊接點中形成空洞的方法。以下之描述包含有關本發 明實作的特定信息。在本技術領域具有通常知識者將了解到可以不同於本說明書特定討論 的方式執行本發明。此外，本發明的一些特定細節沒有被討論是為了避免混淆本發明。沒 有描述在本說明書中的特定細節是本領域具有通常知識者的常識。本說明書的圖式與其伴隨的詳細描述僅是針對本發明的示範實施例。為了維持簡 潔，使用本發明原理之其它實施例沒有特別描述在本說明書中且沒有特別藉由圖式說明。圖1系根據本發明之一個實施例，顯示準備藉由焊接點於附著之兩個金屬表面之 截面圖。圖1中之結構100顯示具有金屬表面104的金屬層102，以及具有金屬表面108的 金屬層106。舉例而言，描述在結構100中的焊接點結合可對應兩個金屬片之接合或連結均 熱片至形成在半導體晶片上之背金屬層(back metallization layer)。金屬層102與金屬 層106可包括任何可焊接的金屬，包含但不限制於銅、鋁、與金。結構100也存在有焊劑層(flux layer) 110與112。焊劑層110可沉積在金屬層 102上以便在金屬層104與金屬層108之間形成焊接點之前，從金屬表面104移除氧化。焊 劑層110可包括任何本技術領域已知的適合的焊劑，且舉例而言，可從指定為溫和、適中、 積極之焊劑中選擇。相似地，焊劑層112可包括任何適合的焊劑，且可選擇使從金屬層108 移除氧化層之作用最佳化者。進一步如圖1所示，結構100包含焊料層，其中狹縫(slit) 118已形成在所述焊料 層中以形成狹縫焊料層114。狹縫焊料層114可包括任何適合特定焊接點形成之材料與環 境的焊料。更特別地，狹縫焊料層114可包括諸如銦的低熔點焊料、中熔點焊料、或諸如金 的高熔點焊料。狹縫焊料層114也可包括任何習知使用於連接電子組件的焊料，諸如錫鉛 焊料。狹縫焊料層114具有厚度116，所述厚度可依據特定用途的需求而假設一範圍值。例 如，狹縫焊料層114的厚度116可大約為12毫米(mm)。在圖1中之在狹縫焊料層114中的狹縫118形成除氣通道(outgasalley)以在加 熱狹縫焊料層114時，提供用於焊劑層110與112所產生的氣體之逃脫的通道以形成焊接 點。圖1也包含壓力線120，代表可在加熱期間選擇地施加至狹縫焊料層114的外部力量。 藉由在加熱期間施加外部壓力120，可控制焊接點寬度122 (金屬表面104與108之間距離) 使得最後的焊接點寬度達到特定用途之預期規格。接著參照圖2，圖2之結構200顯示沿著圖1中線2-2之狹縫焊料層114的頂部剖 視圖。在圖2中之狹縫焊料層214與狹縫218各自對應於圖1中之狹縫焊料層114與狹縫 118。狹縫焊料層214具有中央區域230與狹縫218、224、226、和228。很明顯的從圖1之 線2-2的位置可知，圖2中之結構200描述採用狹縫焊料層114大約中間位置的片段。同 樣地，圖1中之狹縫焊料層114之截面圖對應於圖2中沿著狹縫焊料層214之狹縫226與 228之截面圖。在圖2之本發明之實施例中，在狹縫焊料層214中形成狹縫218、224、226、和228
4以形成除氣通道以提供用於使焊劑所產生之氣體逃脫用之出口。可藉由使用蝕刻製程或其 它適合的方法形成狹縫218、224、226、和228以移除焊料材料之適當部分。在狹縫焊料層 214中，中央區域230保持完整，俾使其(也就是狹縫焊料層214)作成為單一層處理。在其 它實施例中，本發明的狹縫焊料層可具有小於或多於四個的狹縫，或可藉由一個或多個狹 縫分割成兩個或多個離散的部分。在一個實施例中，形成在狹縫焊料層中的狹縫可共同地 形成星爆(starburst)的形狀。因此根據本發明，可形成在狹縫焊料層中的狹縫之數目與 組態是很多且多變的。 如圖2所示，本發明在狹縫焊料層214中形成狹縫218、224、226、和228以在從金 屬表面之氧化層揮發移除期間提供用於形成氣體之除氣通道。形成除氣信道(諸如藉由在 結構200中之狹縫218、224、226、和228形成除氣通道)以防止焊接點空洞的形成，焊接點 空洞(特別是形成在大金屬表面之間的焊接點)正是困擾習知方法的問題。在形成焊接點期間，加熱焊料以形成焊接點。當加熱焊料時，藉由焊接點連接之在 焊料與金屬層之間沉積的焊劑系揮發的，因此形成氣體。藉由提供逃脫用通道於指引氣體 遠離焊接點之焊劑層，本發明的方法減少氣體穿過焊接點並形成空洞之可能性，所述空洞 系在焊接點中之氣袋(air pocket)，而所述氣袋即藉由焊料材料填充。空洞典型為在藉由 習知方法製造之焊接點中，習知方法不包含創造除氣通道為用於焊劑氣體之出口。相對於 習知形成焊接點的方法，本發明之重要的優點是防止形成空洞。因為在焊接點中之空洞的存在會導致在焊接點中之不同質(inhomogeneity)並 產生熱特性之局部不規則而不宜。這些特性可包含例如，機械強度、膨脹與收縮的能力、電 子傳導性、與熱阻抗。因為某些特性的存在或不存在可構成用於使用在焊接點中的材料之 選擇標準，這些預期特性的改變可妥協或甚至完全的破壞焊接點的效用。舉例而言，因為形 成在焊接點中的空洞是較差之電子與熱導體，在焊接點中空洞的存在可妨礙焊接點達到為 其建立的電子傳導性或散熱規格。在焊接點中的空洞也降低其機械強度，因而造成其缺乏 所設計之強度條件。舉例而言，藉由提供均勻的散熱連同散熱座或均熱片，當使用焊接點作用為熱接 口材料以保護主動半導體裝置遠離過熱時，焊接點的熱特性尤其是重要的。在本文中，空洞 的存在可實質上提高焊接點的熱阻抗，導致半導體裝置之過熱、損害、與故障。本發明藉由 提供用於製造實質上無空洞(void-free)焊接點，預防藉由在焊接點中空洞的存在所導致 的問題。在圖3中，根據本發明之實施例，結構300顯示藉由實質上無空洞之焊接點連接兩 個示範金屬表面之截面圖。結構300包含金屬層302與306，其各自對應於圖1中的金屬層 102與106。同樣顯示在圖3中的焊接點332，具有焊接點寬度334。焊接點332可包括焊 料材料之汞齊(amalgam)，其中從所述焊料材料形成在圖1中之狹縫焊料層114，並以在圖 1中的金屬表面104與金屬表面108在其接口處製造合金(alloy)。藉由使用本發明之狹縫焊料層114之實施例以形成焊接點332，本發明造成焊接 點332實質上沒有不想要的空洞。在想要焊接點寬度334達到某些尺寸標準的例子中，在 如圖1所示之焊接點形成期間可施加外部的壓力以控制焊接點寬度334。 茲參照圖4，圖4為顯示根據本發明的一實施例，而描述用於防止在焊接點中空洞 形成之示範方法的流程圖。流程圖400中省略了對於本領域具有通常知識者而言是明顯的某些細節與特徵。舉例而言，步驟可包括一個或多個次步驟或可包含本領域已知之特定的 裝備或材料。雖然在流程圖400中之步驟410至450已足夠描述本發明的一個實施例，但 本發明之其它實施例可使用不同於流程圖400中所示步驟之步驟。在圖4中之步驟410，形成在焊料層中之至少一狹縫以形成狹縫焊料層，例如在圖 1中之狹縫焊料層114。如之前所討論，狹縫的創造形成除氣通道，允許在加熱狹縫焊料層 期間產生揮發焊劑氣體的逃脫。在圖4中之步驟420，第一焊劑層(例如焊劑層110)沉積 在第一金屬表面(例如金屬表面104)上用以準備製造焊接點。設置第一焊劑層以在形成 焊接點之前從第一金屬表面移除氧化層。在步驟430，第二焊劑層(例如焊劑層112)沉積 在第二金屬表面(例如金屬表面108)上以製備第二金屬表面用於形成焊接點。在圖4中之步驟440，狹縫焊料層(例如狹縫焊料層114)系位於第一金屬表面與第二金屬表面之間。參考圖1，可看見流程圖400的步驟440對應於將狹縫焊料層114夾在 金屬表面104與108之間，且各金屬表面接觸各自的焊劑層110與112用以準備結合。在圖4中之步驟450，加熱狹縫焊料層(例如狹縫焊料層114)以形成焊接點(例 如焊接點332)。當加熱焊料時，在步驟420與430之各自沉積在第一與第二金屬表面的第 一與第二焊劑層開始產生氣體。形成在狹縫焊料層中之除氣通道在形成焊接點期間提供用 於形成氣體逃脫之準備好的通道。結果，空洞較少可能形成在結果的焊接點中，並產生實質 上的無空洞焊接點。作為一可選擇的步驟，在步驟440，加熱狹縫焊料層期間，可施加外部壓 力至狹縫焊料層。可使用在加熱期間外部壓力的施加以控制焊接點寬度，其控制是可期望 的。參考圖5，根據本發明一實施例，在圖5中之結構500顯示位在均熱片506與半導 體晶片552之間的狹縫焊料層514之截面圖。圖5中之結構500包含具有金屬表面504之 背金屬層502、焊劑層510、具有金屬表面508之均熱片506、與焊劑層512，各自對應於在圖 1中之具有金屬表面104的金屬層102、焊劑層110、具有金屬表面108的金屬層106、與焊 劑層112。此外，結構500進一步包含具有寬度516之狹縫焊料層514，其中狹縫518已建 立在其中，各自對應於圖1中之具有寬度116之狹縫焊料層114與狹縫118。在圖5中，以 本領域已知的方法，可形成金屬層502在相對於主動表面554之半導體晶片552的背表面 上。舉例而言，半導體晶片552可以是微處理器半導體晶片或需要均熱片用於散熱之其它 類型之半導體晶片。在圖5顯示之示範實施例中，使用藉由狹縫焊料層514形成之焊接點以附著均熱 片506至形成在半導體晶片552上的金屬層502。在此作用下，將依賴焊接點以從半導體芯 片552提供均勻的散熱至均熱片506以防止半導體晶片過熱。藉由使用狹縫焊料層514， 本發明的實施例可形成在半導體晶片552上的金屬層502與均熱片506之間的焊接點，其 中所述均熱片506系實質上沒有由焊劑層510與/或焊劑層512所產生之氣體所造成的空 洞。由於使用狹縫焊料層514而在焊接點中形成空洞的可靠預防，形成在半導體晶片552 與均熱片506之間的焊接點可在晶片與均熱片之間有利地提供均勻的散熱。由於本發明用於防止在焊接點中空洞的形成的方法是(其描述於本說明書提出 的示範實施例中)，所以半導體晶片系設置有均勻的散熱。舉例而言，藉由使用本發明的方 法防止在焊接點中空洞的形成設置均勻散熱之製造與熱保護的半導體晶片可被使用在電 路板上。如本領域已知的技術，半導體晶片可被封裝，也就是可封閉與/或密封在適合的半導體封裝件中。圖6系根據本發明之一個或多個實施例之示範電子系統之圖式，系包含由於本發明的方法防止在焊接點中空洞形成之設置有均勻散熱之示範的晶圓片或晶片。電子系統 600包含示範的模塊602、604、與606、IC晶圓片608、離散組件(discret components)610 與612，存在於電路板614並與電路板614互連。在一個實施例中，電子系統600可包含多 於一個的電路板。IC晶圓片608可以是包含均熱片的半導體晶片，可根據本發明的實施例 藉由使用實質上形成無空洞之焊接點附著在晶片上的金屬層。舉例而言，IC晶圓片608包 含可以是微處理器之電路616。如圖6所示，模塊602、604、與606系安裝在電路板614上，且舉例而言，各自可以 是中央處理器(CPU)、圖形控制器、數位訊號處理器(DSP)、特定應用集成電路(ASIC)、視訊 處理模塊、音訊處理模塊、RF接收器、RF傳送器、影像感應模塊、電源控制模塊、電機械馬達 控制模塊、現場可程序化閘極數組(FPGA)、或使用在現代電子電路板之任何其它種類之模 塊。電路板614可包含許多互連接觸線(trace)(未圖示於圖6中)用於互連模塊602、604、 與606、離散組件610與612、與IC晶圓片608。同樣顯示在圖6中，IC晶圓片608系安裝在電路板614上且可包括，舉例而言，任 何包含均熱片的半導體晶片，所述均熱片系藉由本發明的方法而實質上形成無空洞之焊接 點附著至晶片。在一個實施例中，IC晶圓片608可以不安裝於電路板614上，且可以在不同 電路板上與其它模塊互連。進一步顯示在圖6中，離散組件610與612系安裝在電路板614 上，且舉例而言，各自可以是離散過濾器(諸如包含BAW或SAW過濾器等之離散過濾器)、電 源放大器或運算放大器、半導體裝置(諸如電晶體、二極體等)、天線組件、電感器、電容器、 或電阻。舉例而言，電子系統600可利用在有線通訊裝置、無線通訊裝置、手機、切換裝置、 路由器、中繼器、編解碼器、區域網路(LAN)、無線區域網路(WLAN)、藍芽致能裝置、數字攝 影機、數字音訊撥放器與/或紀錄器、數字視訊撥放器與/或紀錄器、計算機、監視器、電視 機、衛星機上盒、纜線數據機(cable modem)、數字汽車控制系統、數字控制家庭用具、 印表機、複印機、數字音訊或視訊接收器、RF收發器、個人數字助理(PDA)、數字遊戲裝置、 數字測試與/或測量裝置、數字航空電子裝置、醫學裝置、或數字控制醫學設備、或使用在 現代電子應用中之任何其它種類的系統、裝置、組件或模塊。因此，如上述，本發明使用狹縫焊料層以在焊接點形成期間提供用於使焊劑所產 生之氣體的逃脫之既成的通道。因此，本發明有利地防止在焊接點中空洞的形成。因此，根 據本發明製造之焊接點較少受到藉由如此空洞的存在而機械或熱妥協的影響。所以，相較 於習知包含空洞的焊接點，根據本發明製造之焊接點系更有效率。從上面本發明的描述，顯示出可使用各種技術用於執行本發明的概念而不脫離其 範圍。此外，當本發明已描述特定的參考於某些實施例時，本領域具有通常知識者將了解到 可在形式或細節上改變本發明而不脫離本發明之精神與範圍。因此，上述的實施例在所有 方面將被視為用於說明而非用於限制。也應當了解本發明並不限制於描述於此的特定實施 例而可以是許多重新排列、修改、與替換而不脫離本發明之範圍。因此，已描述一種防止焊接點中形成空洞的方法。
權利要求
一種用於防止形成在兩個金屬表面之間的焊接點中形成空洞的方法，所述方法包括在焊料層中形成(410)至少一個狹縫(218)以形成狹縫焊料層(214)；將所述狹縫焊料層置於(440)兩個金屬表面之間；加熱(450)所述狹縫焊料層以形成所述焊接點；其中，所述至少一個狹縫在所述狹縫焊料層形成除氣通道以防止在所述焊接點中形成所述空洞。
2.如權利要求1所述的方法，進一步包括在加熱所述狹縫焊料層之前，在所述兩個金 屬表面的每一個上沉積焊劑層。
3.如權利要求1所述的方法，其中，所述狹縫焊料層包括從下列群組中選擇的焊料，其 中該群組包括低熔點焊料、中熔點焊料、與高熔點焊料。
4.如權利要求1所述的方法，其中，所述狹縫焊料層具有約12毫米的厚度(116)。
5.如權利要求1所述的方法，其中，所述兩個金屬表面的第一金屬表面包括形成在半 導體晶片(552)上的金屬層(502)的表面，以及所述兩個金屬表面的第二金屬表面包括在 均熱片(506)上的表面。
6.一種用於防止形成在兩個金屬表面之間的焊接點中形成空洞的方法，所述方法包括在焊料層中形成(410)至少一個狹縫(218)以形成狹縫焊料層(214)； 將所述狹縫焊料層置於(440)所述兩個金屬表面之間； 加熱(450)並同時施加(450)外部壓力至所述狹縫焊料層以形成所述焊接點； 其中，所述至少一個狹縫在所述狹縫焊料層形成除氣通道以防止在所述焊接點中形成 所述空洞。
7.如權利要求6所述的方法，進一步包括在各所述兩個金屬表面上沉積焊劑層。
8.如權利要求6所述的方法，其中，所述狹縫焊料層包括從下列群組中選擇的焊料，其 中所述群組包括低熔點焊料、中熔點焊料、與高熔點焊料。
9.如權利要求6所述的方法，其中，所述狹縫焊料層具有約12毫米的厚度(116)。
10.如權利要求6所述的方法，其中，使用所述外部壓力以控制所述焊接點的厚度。
全文摘要
在本發明之一個的實施例中提供一種用於防止形成在兩個金屬表面之間的焊接點中形成空洞的方法，所述方法包含在焊料層中形成(410)至少一個狹縫(218)以形成狹縫焊料層(214)；將所述狹縫焊料層置於(440)兩個金屬表面之間；以及，加熱(450)所述狹縫焊料層以形成所述焊接點，其中，所述至少一個狹縫形成除氣通道以防止在所述焊接點中形成所述空洞。當注意到焊接點寬度時，本發明方法包含在加熱(450)的同時施加(450)外部壓力。形成除氣通道之目的在提供在焊接點形成期間製造用於焊劑氣體之既成的逃脫通道。
文檔編號B23K1/00GK101801581SQ200880022425
公開日2010年8月11日 申請日期2008年6月26日 優先權日2007年6月26日
發明者P·塔梅瑞格 申請人:格羅方德半導體公司