多層堆疊晶片低溫超聲鍵合形成單金屬間化合物焊點的方法
2023-05-14 22:07:31
專利名稱：多層堆疊晶片低溫超聲鍵合形成單金屬間化合物焊點的方法
技術領域：
本發明屬於電子製造技術領域，涉及一種多層堆疊晶片的低溫鍵合方法。
背景技術：
多層堆疊晶片互連是三維電子封裝中的核心技術。隨著疊層封裝中器件節點尺寸的日益減小，急需開發低溫鍵合技術避免對晶片性能的損害。在溫度高於260°C進行鍵合時，將會影響封裝中敏感晶片的性能。鍵合過程中由於各層材料熱膨脹係數的不匹配造成晶圓或晶片翹曲，在高密度細間距封裝互連中影響精度。低溫鍵合技術尤其在光學、微電子機械系統及生物晶片應用中具有潛在的優勢。
疊層封裝中晶片堆疊至少兩層晶片，且晶片極薄，通常為50 U nTlOO U m,非常容易產生裂紋。比如晶片在高鍵合壓力或夾具力作用下極易出現裂紋。目前用於疊層封裝中的晶片互連技術包括粘結鍵合、金屬-金屬(Cu-Cu或Au-Au)熱壓鍵合、凸點鍵合(釺料凸點或Au凸點)、共晶鍵合、矽直接鍵合等。這些鍵合方法都具有工藝上的局限性，如高溫、高壓等，容易損傷晶片性能。疊層封裝中晶片互連焊點通常只有!Teym大小，焊點內部幾乎全部由金屬間化合物組成，而金屬間化合物是互連接頭中的脆性物質，嚴重影響接頭性能。如果焊點內部金屬間化合物種類繁多，那麼後續封裝加熱過程中焊點組織將更加複雜，嚴重影響可靠性。另夕卜，電子產品使用過程中焊點內部電流通過也將驅動金屬間化合物的繼續生長，導致封裝中各個部分的熱失配而產生失效。如果使焊點組成為單一種類金屬間化合物，則焊點屈服強度和抗蠕變性能都將提高，可表現出優異的互連點可靠性。但上述連接方法中若想實現堆疊晶片的單一種類金屬間化合物互連，除了加熱溫度高以外，加熱時間長達幾個小時，不符合高效電子製造的特點。
發明內容
為了實現疊層封裝中堆疊晶片的低溫高可靠互連，本發明提供一種多層堆疊晶片低溫超聲鍵合形成單金屬間化合物焊點方法，採用超聲鍵合方法，鍵合溫度50 200°C，有效降低溫度對晶片的影響；該方法可以快速實現疊層晶片間單金屬間化合物連接，提高封裝可靠性。本發明按照下述步驟超聲鍵合多層堆疊矽通孔晶片打孔一填充導電金屬一製備釺料層一夾持對中一超聲鍵合一成品，其中超聲鍵合具體步驟如下精密對準和對中後，採用超聲焊接機進行超聲鍵合，控制超聲頻率20 65kHz，鍵合時間5秒 5分鐘，鍵合溫度為 50 200°C。超聲能夠促進金屬原子的擴散，能夠加速實現單一種類金屬間化合物焊點的形成，將金屬間化合物的完整生長時間縮短到幾十秒到幾分鐘。該方法產生的金屬間化合物焊點不但可以承受後封裝過程中較高的無鉛再流焊溫度，還可以解決堆疊晶片互連工藝及材料不兼容等問題，大大提高效率和可靠性。本發明適用於堆疊封裝中晶片厚度100 i! m以下的2層或多層矽通孔晶片的低溫鍵合，互連焊點厚度小於10 u m。
圖I為本發明鍵合方法示意圖，圖2為焊點部位6的局部放大圖，圖3為焊點形成後10的局部放大圖。
具體實施例方式具體實施方式
一如圖I 3所示，本實施方式按照下述步驟超聲鍵合多層堆疊矽通孔晶片
(1)打孔將晶片I進行鑽孔，具體方法為通過刻蝕或雷射打孔在矽晶體中形成通孔2，然後採用等離子體增強化學氣相沉積(PECVD)、物理氣相沉積(PVD)或金屬有機化合物化學氣相沉積(MOCVD)的方法依次澱積金屬粘附層Ti或Ta/阻擋層TiN或TaN/種子層(Cu、Ag或Ag),獲得疊層封裝娃通孔晶片,所述晶片厚度為IOOiim以下；
(2)填充導電金屬及焊盤平整化採用電鍍的方法對疊層封裝矽通孔晶片進行通孔導電金屬填充3,所述金屬為Cu、Au、Ag中的一種,確保通孔填滿並在晶片兩側各露出一個凸臺；然後採用化學機械拋光或研磨使表面上的凸臺金屬即焊盤平坦化；
(3)釺料層製備採用電鍍方法在焊盤金屬上製備低溫釺料層4，所述釺料金屬為Sn、Sn基合金、In或In基合金；
(4)夾持對中採用精密拾放設備拾取晶片，將其與下晶片精密對準，得到對中堆疊後的多層晶片5，然後將其多層晶片5封裝到基板材料7上；
(5)超聲鍵合精密對準和對中後，採用超聲焊接機進行超聲鍵合。超聲鍵合過程中有加熱平臺8進行50 200°C的加熱，超聲振動頭進行水平或垂直方向的振動，超聲頻率20 65kHz ;鍵合時間5秒 5分鐘。超聲鍵合過程如下開啟超聲，超聲振動頭9與晶片背面接觸，並施加I 15N鍵合力，同時對焊點施加100 500ws超聲波能量，由於鍵合力和超聲振動的存在，超聲振動頭與晶片及焊點之間存在摩擦力，此超聲振動得以在界面間傳遞。同時，低溫釺料熔化，擴散開始發生，由於超聲具有促進原子擴散的作用，加速了金屬間化合物焊點11的形成過程。關閉超聲，超聲振動頭抬起，撤走鍵合力，完成超聲鍵合全過程。
具體實施方式
二 本實施方式按照下述步驟超聲鍵合多層堆疊矽通孔晶片
(1)打孔通過刻蝕在矽晶體中形成通孔，然後採用等離子體增強化學氣相沉積(PECVD)的方法依次澱積金屬粘附層/阻擋層/種子層，獲得矽通孔晶片，所述晶片厚度為 50 u m ;
(2)填充導電金屬及焊盤平整化採用電鍍的方法對堆疊封裝矽通孔晶片進行通孔導電金屬Cu填充，然後採用化學機械拋光使表面上的凸臺金屬即焊盤平坦化；
(3)釺料層製備採用電鍍方法在焊盤金屬上製備低溫Sn釺料層；
(4)夾持對中採用精密拾放設備拾取晶片，將其與下晶片精密對準，得到對中堆疊後的三層晶片；
(5)超聲鍵合開啟超聲焊接機，超聲振動頭與晶片背面接觸，超聲振動頭進行水平或垂直方向的振動，並施加5N鍵合力，同時對焊點施加300ws超聲波能量，控制超聲頻率40kHz，鍵合時間2分鐘，加熱溫度為150°C，關閉超聲，超聲振動頭抬起，撤走鍵合力，完成超聲鍵合全過程。 本實施方式的互連焊點厚度為8 ilm。
權利要求
1.一種多層堆疊晶片低溫超聲鍵合形成單金屬間化合物焊點的方法，其特徵在於所述方法為打孔一填充導電金屬及焊盤平整化一製備釺料層一夾持對中一超聲鍵合一成品，其中超聲鍵合具體步驟如下精密對準和對中後，採用超聲焊接機進行超聲鍵合，控制超聲頻率20 65kHz，鍵合時間5秒 5分鐘，鍵合溫度為50 200°C。
2.根據權利要求I所述的多層堆疊晶片低溫超聲鍵合形成單金屬間化合物焊點方法，其特徵在於所述超聲鍵合過程如下開啟超聲焊接機，超聲振動頭與晶片背面接觸，超聲振動頭進行水平或垂直方向的振動，並施加I 15N鍵合力，同時對焊點施加100 500ws超聲波能量，控制超聲頻率20 65kHz，鍵合時間5秒 5分鐘，加熱溫度為50 200°C，關閉超聲，超聲振動頭抬起，撤走鍵合力，完成超聲鍵合全過程。
3.根據權利要求I所述的多層堆疊晶片低溫超聲鍵合形成單金屬間化合物焊點方法，其特徵在於所述晶片厚度為100 μ m以下。
4.根據權利要求I所述的多層堆疊晶片低溫超聲鍵合形成單金屬間化合物焊點方法，其特徵在於所述打孔具體步驟為將晶片進行鑽孔，並依次澱積金屬粘附層、阻擋層、種子層，獲得矽通孔晶片。
5.根據權利要求4所述的多層堆疊晶片低溫超聲鍵合形成單金屬間化合物焊點方法，其特徵在於通過刻蝕或雷射打孔在矽晶體中形成通孔。
6.根據權利要求4所述的多層堆疊晶片低溫超聲鍵合形成單金屬間化合物焊點方法，其特徵在於採用等離子體增強化學氣相沉積、物理氣相沉積或金屬有機化合物化學氣相沉積的方法依次澱積金屬粘附層/阻擋層/種子層，獲得矽通孔晶片。
7.根據權利要求I所述的多層堆疊晶片低溫超聲鍵合形成單金屬間化合物焊點方法，其特徵在於採用電鍍的方法對矽通孔晶片進行通孔導電金屬填充，然後通過化學機械拋光或研磨使表面上的金屬焊盤平坦化。
8.根據權利要求7所述的多層堆疊晶片低溫超聲鍵合形成單金屬間化合物焊點方法，其特徵在於所述金屬為Cu、Au或Ag。
9.根據權利要求I所述的多層堆疊晶片低溫超聲鍵合形成單金屬間化合物焊點方法，其特徵在於採用電鍍方法在焊盤金屬上製備低溫合金釺料層。
10.根據權利要求I所述的多層堆疊晶片低溫超聲鍵合形成單金屬間化合物焊點方法，其特徵在於所述釺料金屬為Sn、Sn基合金、In或In基合金。
全文摘要
一種多層堆疊晶片低溫超聲鍵合形成單金屬間化合物焊點的方法，屬於電子製造技術領域，涉及一種多層堆疊晶片的低溫鍵合方法。為了實現疊層封裝中堆疊晶片的低溫高可靠互連，本發明所述方法為打孔→填充導電金屬及焊盤平整化→製備釺料層→夾持對中→超聲鍵合→成品，其中超聲鍵合具體步驟如下精密對準和對中後，採用超聲焊接機進行超聲鍵合。本發明適用於疊層封裝中晶片厚度100μm以下的2～5層矽通孔晶片的低溫鍵合，互連焊點厚度小於10μm。本發明採用超聲鍵合方法，鍵合溫度50～200℃，有效降低溫度對晶片的影響；可以快速實現疊層晶片間單金屬間化合物連接，提高封裝可靠性。
文檔編號B23K1/06GK102672296SQ20121018193
公開日2012年9月19日 申請日期2012年6月5日 優先權日2012年6月5日
發明者劉威, 孔令超, 王春青, 田豔紅 申請人:哈爾濱工業大學