通過容納焊膏堆積使襯底隆起的方法
2023-05-14 22:50:41 1
專利名稱：通過容納焊膏堆積使襯底隆起的方法
技術領域：
本發明涉及把導電物質附著於襯底的方法和工藝，更具體地，涉及把焊料隆起物附著於襯底的工藝，在要求間距小於400微米的應用中具有特殊的優點。
對於以低成本大批量地製造和組裝集成電路或「晶片」的方法，在世界範圍內的持久研究，花費了大量的研究和開發資源。晶片組裝的集成片要製成電氣互連。焊料隆起的倒裝式技術已成為非常流行的了，這是因為它提供了所有的接線端均在一側(以焊盤或隆起物的形式)的超小型半導體管芯，對晶片表面處理之後，可把其翻轉並附著於裝配襯底。為了構成連接，倒裝式技術包括使導電材料的隆起物固定於包括電路板、封殼和晶片的襯底上的技術。倒裝晶片隆起技術還被證實適用於帶自動壓焊(TAB)。焊料隆起物的其它應用包括光—電子和矽—矽互連。
倒裝片技術具有多種優點，使其成為電子互連的優選形式。倒裝改善了電性能。對於高頻應用例如主機和機算機工作站，倒裝式互連是最有效的電互連。除了在功能的效率之外，倒裝在形式上也是有效的，因為其尺寸小。隨著功率不斷增大的器件的尺寸的減小，倒裝提供了最小的互連選擇。其它優點包括對熱量易於處理、降低了電磁幹擾(EMI)發射和降低了射頻幹擾(RFI)敏感度。
焊料隆起倒裝式組裝可與實在的表面安裝技術(SMT)兼容(對SMT詳細的介紹，請參看《(表面安裝技術手冊)》，Stephen W.Hinch，Longman ScientificTechnical，UK，1988)。對焊料隆起物冶金學性質的適當選擇可使SMT組裝生產線在產品通過生產線時，同時裝配倒裝組件和表面安裝組件。這種兼容性提供了SMT組裝線的安裝基礎的利用，以及把倒裝片引入較大SMT組件的設計封裝的靈活性。優於其它組裝技術的倒裝片的最顯著的優點也許是其低的成本。倒裝片消除了互連的整個高度—組件高度(見圖2中的步驟B-E)。通過對消組件高度，系統成本顯著降下。在IC行業，通常潛在的成本節約證明了以幾百萬美元對倒裝片技術研究的投資是合算的。
製造倒裝片互連的主要方式是採用焊料隆起物。施加焊料隆起物可通過蒸發、電鍍、模版印刷和系列方法。但是，這些方法中的每一種具有具體的限制，並已經和正在進行著許多研究，以克服這些方法的限制。
在過去的三十年中，許多公司例如IBM已經利用蒸發來形成高鉛(Pb)隆起物，用於倒裝晶片。蒸發的一個主要缺點是高成本至少需要價值千萬美元的基本設備。加工成本也很高，因為工具和掩模成本、加工延遲、低生產量、低產出率、必須頻繁地手工去除有毒的鉛廢料。然後，合金組成受到限制，因為許多金屬不適合蒸發。特別的限制是錫(Sn)的澱積速率使得其不容易被蒸發。高錫合金(63Sn-37Pb，即「低共熔點」)被高度期望作為隆起物材料，因為低共熔點錫的熔點(Tm＝183℃)與現行SMT材料和工藝(通常在200-210℃進行)是兼容的。與此相反，鉛的熔點是327℃，此溫度將使SMT所用的許多有機材料(例如環氧樹脂電路板，其最高承受溫度是230℃，還有其它元件)熔化。
在蒸發工藝的改進上不乏已公布的專利。由於蒸發工藝涉及汽化的鉛以及使鉛澱積在所有被掩蓋和未被掩蓋的表面，所以金屬蔭罩的清洗是髒的而且有毒害。金屬掩模在不能再清洗之前僅能重複利用三或四次，然後必須廢棄。廢料鉛包括被鉛包殼的掩模，造成了環境和工作者的安全問題，以及提高了製造費用。近來的專利、美國專利No.5152878著重提到掩模清洗的問題並提出了某些節省清洗技術的方法。但是，儘管改進可以加快隆起降低工作成本至一定程度，但蒸發所需的設備仍舊很貴，廢料鉛的毒害仍舊存在。
與伴隨著汽化鉛的毒害的蒸發技術不同，電鍍是一種溼法技術，採用化學液作為介質，在其中澱積隆起物。化學電鍍液含有鉛和其它有害材料，這造成了操縱和放置上的問題。此外，電鍍在效率上受到限制，因為它是分批作業。因此，大批量生產面對設備緊張的系列工藝的伴隨的困難，作為IC的生產者都敏銳地知道，成本受生產批量和容量限制的影響。電鍍的其它缺點包括對合金組成的控制困難，以小的隆起物間距一致地達到滿意的隆起高度的問題，以及難於消除表面雜質。
如圖2A所示，模版印刷(也稱為絲網印刷)至少在概念上是最為簡單的方式，但是在隆起物尺寸和間距上存在看起來是不可克服的限制(通常可參見《表面安裝技術手冊》，第245-260頁)。
如圖2A所示，模版印刷包括把掩模10或絲網置於襯底12上，使用刮板16來刮壓焊膏，在掩模上面厚厚地塗一層焊膏，用力使焊膏進入掩模的所有開孔，刮去多餘的焊膏，在對焊膏進行回流之前移走掩模。回流是基本上可控的熔化，以使構成焊膏的金屬小球凝聚形成電互連。
在較小晶片上組裝更多的互連，要求有小的隆起物且有小的間距(間距是兩個相鄰隆起物中心距)。傳統的模版印刷方法具有低的間距極限，為400微米，這主要是由於實在的模版在開孔寬度與掩模厚度的比(約2.5∶1)上受到的限制。此種限制是來源於模版中各孔的空隙與模版厚度之間相互作用，以及焊膏的物理和化學性能。眾所周知的間距限制使得IC的製造者確信，模版印刷在大多數的倒裝式隆起應用上是沒有前途的，因為後者要求小於400微米的間距。
ATT已經採用模版印刷來製造矽—矽組合器件。該工藝包括安裝掩模，通過在矽元件之間由模版印刷的焊膏使矽與矽接合再回流，從而產生矽與矽的附著。掩模開孔受高寬比限制。
已經提出了一系列的方法，但只是在理論上引起興趣，還沒有一種能形成商業化。已提出的方法包括帶有絲焊裝置的(也稱為「絲焊隆起物」)「焊柱—隆起」、移畫印花法和焊料噴射法。為簡化系列工藝所提出的方法仍要求多步驟。授予Kumar等人的美國專利No，5156997披露了簡化的工藝，其組成為澱積阻擋和擴散層，利用聚焦的液態金屬離子源由金屬形成隆起物，利用腐蝕去除裸露的阻擋/附著層。該工藝需要用13個多小時隆起200個管芯晶片。所以，即使簡化的系列工藝也存在工藝缺點，例如緩慢的產率。
引人注目和顯著的改進，應是簡單的、低成本的，大批量的，對環境有利的(或環境中性的)、無害的工藝，用來把各種合金的隆起物施於襯底，而且隆起物的高度是均勻的，間距小，而且，從理想角度來說，這種方法將提供與現行表面安裝技術組裝線兼容的隆起物合金。
本發明提供了一種無害的，對環境無影響的用來使用於電互連的襯底(包括矽片在內)隆起的工藝。本發明的工藝提供了在回流期間在被附著的掩模所掩蓋的襯底上的容納焊膏堆積(CPD)。本發明的工藝提供了適用於間距小於400微米的倒裝片或應用的隆起物。通過本發明的方案降低了工藝成本，這包括在一個實施例中的可重複使用的金屬掩模，在另一實施例中的可光致成象的聚合物塗層，可移走或可不移走。
另外，本方法採用的製造技術具有顯著的特徵並適合於批量生產。
CPD把隆起物的組成控制與隆起物的體積控制分離開。例如，在蒸發和電鍍中，體積和組成同時決定於單一的工藝步驟。對於CPD，金屬的組成取決於焊膏製造，而形成隆起物的工藝決定了金屬隆起物的體積。
實際上根據本發明可以用任何合金組成來隆起晶片。完全克服了蒸發方法的限制，因為CPD可以選用任何合金，而許多合金不能有效地蒸發。當期望與SMT兼容時，在合金的選擇上，基本上僅有對熔點特性的限制。本發明的方法對合金組成的控制，比現行在合金和元素電鍍方法中可達到的更為精確。本發明的方法提供了解決與蒸發施加鉛(Pb)的現行方法或者由電鍍液產生的化學廢料相關的對環境和工作者安全的影響的方法。可達到一致的隆起高度、體積和間距。
圖1包括1A和1B，展示了本發明的掩模/焊膏/襯底和掩模/隆起物/襯底組合的截面圖。
圖2包括2A-2I，展示了傳統模板法，傳統的表面安裝技術裝配，和表面安裝技術組合工藝中所用的傳統模板法。
圖3A-3H展示了本發明的倒裝式隆起物形成和倒裝式組成。
圖4是根據本發明的陲起物形成法的流程圖。
圖5展示了在優選實施例中掩模在襯底上的組合。
圖6A-6C展示了提供附裝的支座隆起物的本發明。
圖7展示了提供體積可控的焊球形成的容納焊膏澱積。
如圖4所概述，本發明的方法包括以下步驟襯底、掩模和焊膏的選擇410；襯底和掩模的組合412；襯底—掩模的對準414，焊膏的堆積416；襯底—掩模—焊膏的回流422，掩模的去除424；掩模的清洗430；在另一處理循環中重複使用掩模。另一實施例中刪除了掩模去除步驟424；其餘還包括了中間檢測418、426和修整420、428步驟，以此保證焊膏堆積厚度的均勻和焊球的布置。如果使用不可浸潤的襯底，則不是隆起的襯底，而是採用產生體積可控的焊球的方法。
圖3A-3H，展示本發明的工藝。圖3A-3E展示了倒裝式隆起物的形成，圖3F-3H展示了倒裝式組合，被選擇的襯底320具有表面321或激活側，用於形成電互連，其上已附著了可浸潤或可焊接區322或者可焊接的隆起物限定金屬(BLM)區。在優選實施例中，所選的襯底是具有可被堆積的合金浸潤的BLM的矽片。具有鋅酸鹽焊盤(由無電Zn、Ni處理的Al焊盤，然後鍍Au)並由SiN(氮化矽)鈍化的矽片是優選實施例的襯底/BLM組合。製備具有間距在400微米以下的可焊接(或可浸潤的)BLM的晶片是簡易有效的。每個可浸潤BLM的中心與中心的距離對應於隆起物的間距；優選實施例提供的間距在150-350微米的範圍。這種最小間距界限通常是掩模技術的功效，以在掩模製造技術上改進的本發明，可實現甚至更小的間距。
襯底表面321的其餘區域必須是不可浸潤的區324(例如由不可浸潤的材料如聚醯亞胺、氮化矽或二氧化矽覆蓋的襯底區域)。在對於63Sn-37Pb隆起物的優選實施例中，矽片具有Ni-Au可浸潤區和氮化矽的不可浸潤區。
圖1A和1B中分別展示了掩模/襯底/焊膏和掩模/襯底/隆起物一對組合的截面。開孔的設計(切割成為掩模的孔或槽，用於容納焊膏)決定了作為可浸潤隆起物限定金屬的直徑(d)、開孔尺寸(L)、焊膏堆積因子(PF)和掩模厚度(t)的函數的最終焊膏隆起物高度(h)和隆起物與掩模之間的間隙(c)。
回流的隆起物的期望體積(V隆起物)可表示為h和d的函數的截頂球體的體積
焊膏開口體積(已被堆積的焊膏體積V焊劑)通過焊膏堆積因子(PF)與最終隆起物的球體體積相關，該因子(PF)定義為隆起物體積與焊膏體積的比例
等直徑球最有效的堆積是六角密堆積(HCP)或者面心立方堆積，其結果PF＝0.74。但實際上，堆積因子多少低於此值。
開孔(L)和掩模厚度(t)確定為所需開孔體積(V焊劑)、隆起物間距(P)、可允許的最小腹板寬度(W)和可允許的隆起物與掩模的最小間隙(c)的函數。
隆起物與掩模的間距(C)是C=(L-D)2]]>其中，焊球直徑(D)是D=h+d24h]]>開孔之間的腹板寬度W是W＝P-L實際中，針對適當的模板脫模，對可允許的最小腹板寬度(W)、以及可允許的最小隆起物與掩模的間隙(C)有所限制。
優選實施例中，開孔是圓筒形，這樣
優選實施例中，掩模/襯底/隆起物的參數是
其它的掩模變型包括非圓筒形開孔，用於較大的體積和較大的腹板，還有非垂直側壁，例如錐形開孔，用於改善脫模。
可以包括多焊道印刷/回流循環，用以提供增大的隆起物體積，而且如果需要還可提供非均勻隆起物。
掩模如圖3B所示，掩模326置於襯底320的表面321上。在優選實施例中，掩模326由金屬製成，具體是75-100微米厚的應力均勻的壓片合金42。掩模材料可以包括可光致成象的聚醯亞胺 幹膜光掩模、液態可光致成象的光掩模、矽和陶瓷。掩模開孔330的布置及定位對應於襯底320的可浸潤322區的布置及定位。如圖5所示，襯底表面546和掩模544均具有一對孔或精調圖形540、542。這些可用做對準導向，當掩模置於襯底上時，使待定位的掩模開孔330對應於襯底表面的可浸潤區。
掩模具有兩個用途。第一是提供儲槽，控制待堆積的焊膏體積。第二是直至或在回流工藝期間起容納焊膏的堤壩或其它作用。第二種用途是本工藝與標準的SMT工藝的差別所在。
由於用於間距小於400微米的開孔的高寬比不允許從襯底移去掩模(不移去具有掩模的焊膏)，在回流處理時掩模必須留在原位置。為了起焊膏儲槽和堤壩的作用，必須解決在SMT工藝中不會遇到的問題。
(1)掩模的熱膨脹係數(CTE)必須與襯底的緊密匹配，以使在回流工藝中不會因熱應變失配而產生對準失調。在優選實施例中，要求使用合金42作為掩模材料，以便與矽襯底的CTE緊密匹配(矽的CTE＝2.5E-6吋/吋/℃，合金42的CTE＝4.4E-6吋/吋/℃)。
(2)把掩模保持在襯底的適當位置的支承結構，必須不向掩模或襯底施加應力。在SMT模板印刷中，掩模繃緊在框架上。為了能使用標準的框架安裝技術，框架材料必須與掩模的CTE相同，而且在回流期間，框架的熱量必須降至最小，以此消除掩模的變形或者破裂(由於加熱及冷卻步驟中的偏移及導致的應力)。在優選實施例中，採用高溫磁體(AlNiCo)使掩模附著於襯底，從而無需框架。由於掩模材料是鐵類的，所以磁體可以置於襯底與掩模對置的一側。如果需要更大的附著力，則可把磁體置於掩模/襯底夾層的兩側。另外的實施例包括把襯底機械地夾持在掩模上，以及使用與掩模的CTE匹配的框架使掩模繃緊。
(3)模板表面必須是不能被所選金屬焊膏所浸潤的。如果掩模表面是可浸潤的，則在回流期間金屬焊劑將粘著(或浸潤)於掩模，而不是與掩模分離並僅與焊盤粘著。為了消除這一問題，對掩模鍍鉻，因為鉻(和氧化鉻)不會被所用的低熔點Sn-Pb焊膏所浸潤。
掩模—替換的實施例其它的替換實施例包括為與襯底CIE匹配所設計的，並且對所選用的金屬焊膏不浸潤的不同金屬或非金屬可分離掩模。
用於完成兩個所提到的掩模功能的另一方法是利用對襯底表面可移動的掩模，其上具有適當的開孔尺寸，以獲得所期望的隆起物尺寸。在此實施例中，聚合物掩模應施於襯底表面，具有的開孔是通過在位於可浸潤焊盤之上的掩模上利用化學、機械、等離子腐蝕或雷射燒蝕所形成的。工藝的其餘部分應是相同的，但清潔處理除外，這要求使用能在流動(或兩個清潔步驟)中去除臨時掩模及剩餘物的溶劑。
此外，替換的實施例包括其它可由化學腐蝕或清洗剝蝕除去的掩模材料(液態可光致成象光掩模、幹膜光掩模、剝落/剝蝕聚醯胺、陶瓷或矽)。
對準圖5展示了掩模544和襯底546的組合，利用磁體548通過的磁吸引把掩模從下面保持在襯底上，並使掩模開孔與襯底BLM焊盤對準。對應的掩模開孔330與表面321的可浸潤區322對準，以此接收隆起物。可採用顯微鏡手動完成此種對準，並且相對掩模放入晶片，同時對準開口和焊盤。另外，也可採用工具銷釘和對應的孔來完成對準。也可採用工具銷釘或基準或目測系統來完成自動對準。
掩模開孔330尺寸通常(但並不要求)稍大於可浸潤區的尺寸。開孔尺寸由所需的隆起物尺寸所決定。並不要求開孔具有與可焊焊盤相同的形狀。為了增大隆起物的尺寸同時還保持小間距，掩模開孔可以是長方形和BLM圓形或者八角形。通過回流，焊料在BLM圓形焊盤上變為球形。
掩模開孔也可設計成對非常細的間距(小於175μm)覆蓋多於一個焊盤。
焊膏堆積如圖3B所示，對準之後，把含有球形金屬粉末和焊藥的膏狀組合物334堆積在掩模表面336並鋪開，以使其充入每個掩模開孔330。此工藝通常稱為「補縫」。
把一大團金屬焊膏置於掩模表面。然後推刮焊膏通過所有開孔並再推到來清除掩模表面。這使焊膏僅留存於開孔內。然後檢查焊膏澱積物，保證所有開孔均被填充。如果查出有任何未填充或部分填充的開孔，則再次推刮焊膏團通過開孔，然後再次推刮從清除掩模表面。如果檢查表明所有開孔均已填充，則從掩模上除去剩餘的焊膏團，如果仍未填充，則重複推刮/檢查工藝。
可以全自動化地進行焊膏堆積。
焊膏在標準的SMT模板印刷工藝中，原始的實施例使用為低熔點Pb-Sn焊料用途所配製的標準焊膏。焊藥載體SMQ51AC由美國的銦公司(36 Robinson Road，Clinton，New York 13323)提供。僅僅顆粒尺寸分布改善至「-400+500」目分布，以滿足CPD的要求。
焊膏是金屬粉末均勻、穩定的分散在助劑載體中。助劑載體不僅含有助劑，而且還有其它成分，這些成分決定了在模板印刷、定位和回流工藝中焊膏的性能。頭一個實施例使用為用低熔點Pb-Sn焊料的標準表面安裝模板印刷所設計的焊膏。由以下方法可確定獲得一致的金屬隆起物形成的最佳能力1.金屬粉末尺寸分布金屬粉末中顆粒尺寸範圍是對所堆積的焊膏中金屬成分最大化與金屬氧化物成分最小化之間的綜合平衡。尺寸分布的上限由掩模厚度設定。最大可允許的顆粒直徑應小於掩模厚度的40％。對於100微米厚的掩模，給出的最大顆粒直徑約為40微米。尺寸分布的下限取決於使金屬氧化物成分最小的需要。對於Pb-Sn基焊料，焊料的氧化物成分在顆粒直徑小於25微米時顯著增多。因此，就此觀點的原始證明來說，最小顆粒直徑為25微米。此尺寸分布通常稱為「-400，+500」。顆粒尺寸分布的優化是使此觀點得以改進的一部分。在本發明的使用其它冶金術方法的其它實施例中，不同的顆粒尺寸分布可能是必需的。
2.焊膏助劑載體「焊膏助劑載體」一詞是用表述焊膏中的所有非金屬成分。為用於標準SMT模板工藝所設計的焊膏含有多種CPD所不需要的成分。
a.流變劑這些成分添加在焊膏助劑載體中，用來在標準模版印刷操作的推刮和模版脫模部分過程中控制焊膏的性能(常常添加各種高沸點溶劑作為流變劑)。此外，添加這些成分，用以在回流處理時防止孤立的焊膏塊坍塌，並引起焊橋。這些成分中的一些對於推刮操作是必不可少的，必須存在於焊膏中。但是，這些對CPD來說不一定是必需的。
b.增粘劑此成分是在布局和回流工藝中把表面安裝元件保持在襯底或印刷電路板上所需要的。由於在容納焊膏堆積時來布置元件，這種成分也許可以從焊膏中去掉。去掉這種成分將有助於在回流之後從焊膏隆起物上卸下掩模。
c.催化劑這些成分對存在於金屬粉末表面和隆起物下金屬化表面上的氧化膜化學腐蝕是需要的。在CPD工藝中對催化劑的需要與在容納焊膏堆積中對催化劑的需要是相同的，並且比其它的形成金屬隆起物的方法具有明顯的優點。這些催化劑為在隆起物形成期間從隆起物下金屬化去除氧化物提供了一種方法。其它技術中每一種均要求在隆起處理開始之前，隆起物下金屬化上無氧化物。
配製焊膏助劑載體，以滿足對每種應用所選擇的特定冶金學方法的要求。例如，在具有重量百分比大於90％的Pb的Pb-Sn焊膏中的助劑必須承受比低熔點Sn-Sb焊膏更高溫度。低溫焊料例如低熔點Sn-Bi焊料要求比低熔點Pb-Sn焊料更低溫度的活化系統。為了滿足每種所選金屬的特定冶金術和溫度的需要，無論何種改進均是必需的，據此，CPD為助劑載體成分的選擇提供了靈活性。
3.金屬粉末組分CPD的主要優點在於能夠使用可製成金屬粉末並能熔化從而凝聚成單個、大的金屬隆起物的任何金屬。
金屬粉末與助劑載體混合形成「焊膏」；金屬粉末的冶金學組分變成金屬隆起物組分。因此，在容納焊膏堆積中，金屬隆起物的冶金術被一種與現行的金屬隆起物形成工藝相比，存在差異且更好控制的工藝決定。例如，在蒸發工藝中，在隆起物形成工藝期間，必須對兩種不同的蒸發源進行控制，以此產生對金屬隆起物的組分和體積的控制。一般對蒸發的或電鍍的隆起物在組成上的控制為+/-5％，由於Pb和Sn在蒸發速率上存在較大差異，所以通常以蒸發工藝不易獲得低熔點Sn-Pb焊料隆起物。對金屬粉末在組分上的控制一般為+/-0.5％，比替換方式高出整整一個量級。此外，低熔點Sn-Pb焊料可以做到與高Pb焊料相同的組分控制。對其它金屬的組分控制將取決於處理技術。如果採用霧化技術，則組分控制一般為+/-0.5％。
回流接著，對襯底320、掩模326和焊料334的整個組合加熱，以使焊料334回流(見圖3C)。這就是說，對其加熱直至焊膏金屬球334熔化並凝聚成為單個球形或焊料隆起物338，每個掩模開孔330有一個隆起物338。
在容納焊膏堆積中的回流工藝幾乎與用於標準表面安裝工藝(SMT)的相同。為了促進金屬粉末凝聚成金屬隆起物，在回流模式中必須含有三個眾所周知的時間-溫度區間1.溶劑蒸發在焊膏中添加溶劑，用以控制工藝中的推刮部分。在回流過程(金屬熔化之前)中必須使這些溶劑蒸發。在具有低熔點Sn-Pb焊料和銦公司的SMQ51AC焊膏的頭一個實施例中，必須使襯底和焊膏的溫度保持在90和110℃至少達50秒。其它的焊膏配方將要求不同的溫度和時間。
2.助劑活化為了使金屬粉末凝聚成為單個金屬隆起物，以及形成對隆起物下金屬化的冶金粘合，必須使焊膏和襯底在預定溫度保持一定的時間，以使焊膏中的活化劑從隆起物下金屬化和各金屬顆粒的每個表面除去金屬氧化物。在具有低熔點Sn-Pb焊料和銦公司的SMQ51AC焊膏的頭一個實施例中，襯底和焊膏的溫度在150和170℃之間最少保持50秒。其它的焊膏配方要求不同的溫度和時間。
最高溫度一般回流焊實際上採用的最高焊料溫度應高於焊料粉末熔點30-50℃。對於頭一個實施例中所用的低熔點Sn-Pb焊料，回流的最高溫度在210-230℃之間。其它金屬合金具有不同的熔點，要求採用不同的最高溫度。
與通常的表面安裝組合工藝相比，最高溫度變化率稍有不同。在通常的表面安裝回流工藝中，最高溫度變化率取決於一定的表面安裝元件經受快速溫度變化的能力。在容納焊膏堆積中，最高溫度變化率取決於掩模和襯底以相同速率改變溫度的要求。
清洗回流工藝中形成了隆起物和組合件冷卻之後，焊膏助劑載體部分仍殘留著，並且可能會使掩模326粘到襯底320上。通過在適當的溶劑中清洗掩模和襯底來溶解這些殘餘物。在頭一個實施例中，用於50％異丙醇和50％水的混合物來溶解殘餘物，並使掩模從襯底上卸下。分離之後，對襯底和掩模徹底清洗。清洗之後，把掩模送回至工藝起點，在另一襯底上重複使用。
可重複使用的掩模是本工藝的新的和有創造性的特徵。在堆積和回流過程中，掩模留在原位。這消除傳統模版印刷所固有的工藝限制。此外，本發明為細間距的較小隆起物的堆積提供了可重複的體積。
與現行的方式相比，本工藝是簡單的，所以成本降低了。由於較好地確立了製造焊接所用金屬粉末的技術，所以可以控制合金組分。合金組分可以控制在+/-0.5％之內，並與隆起物尺寸、晶片尺寸、隆起物在晶片上的布置無關。
由於本發明的實施幾乎不需要專用設備，而且由於適用於模版印刷、回流和清洗的大多數設備是市售商品且性能良好，所以保證了本發明的製造能力。在不考慮適當改進和開發成本的情況下，可實際地保證大批量生產。大多數主要工藝步驟均可自動化。無需過高溫度(對於低熔點焊料)，也無需化學罐或真空條件。本工藝可在兩處進行檢查及返工焊膏堆積後的修整，掩模去除後的隆起物修整/置換(圖4-418、420、426、428)。
圖3F-3H展示了由倒裝式組合工藝實現的兩個襯底的組合。已隆起的襯底342被倒置，隆起物338布置得與接收襯底350接觸。對於倒裝式組合的實施是周知的回流352和下充354步驟，產生了完整的襯底與襯底的互連(圖3H)。
這裡給出的方法提供了大批量生產，以每15分鐘20000個隆起物為基礎，其數量級為每小時80000-100000個隆起物。
無需苛刻的電鍍化學物，也避免了處置有毒害的電鍍液。由於Pb金屬合金是以膏狀存在的，被良好地包容，從而不會給操作造成危害，浪費問題也很小。
其它的工藝選擇在襯底上形成了金屬隆起物之後，可能需要一定的處理，即用不同組分的金屬塗覆金屬隆起物。上述CPD所用工藝可用來塗覆金屬隆起物。
某些應用要求設置支座設定及控制兩個襯底之間的高度。參看圖6A。採用CPD，可在襯底上形成支座隆起物610和用於互連的金屬隆起物612。通常，支座的材料在期望的處理溫度下不會熔化。因此，必須首先在襯底上形成支座。如圖6所示，通過採用CPD工藝，在襯底的適當位置上澱積支座材料，可實現此目的。
完成第一步驟時，襯底在適當位置含有金屬支座隆起物。然後對襯底做第二次的容納焊膏堆積處理，在互連位置形成低溫隆起物，如圖6B所示。
在互連隆起物處理期間，把低溫金屬焊膏堆積在所有適當的位置。在支座位置，存在兩種選擇。
選擇1部分蝕刻模版的襯底一側，提供支座金屬所用空隙，而不澱積低溫金屬焊膏。
選擇2在支座隆起物頂部堆積低溫金屬焊膏，並應在支座上形成覆蓋層。
球的產生本發明工藝的另一實施倒是產生不附著的金屬球，而不是金屬隆起物。
如圖7所示，CPD步驟的產物是球體或球形710，與圖3E類似，但有幾點重要不同。在形成球的CPD中，第一步驟的材料選擇相對於焊膏選擇是相同的。但是，襯底712可能沒有可浸潤表面，而掩模714可以構成有開孔，以便使產生的球710的數量增至最大。由於襯底沒有可浸潤表面，所以無需對準步驟且可取消。焊膏堆積和回流是相同的。如果掩模是金屬的則可去除，或者在用於球的收集和重複使用前的掩模—襯底組合的清洗的實施例中，不去除掩模。對於任何實施例來說，均收集球710並清洗襯底和掩模以重複使用。
可光致成象掩模方法還可用於製造球，只要襯底是不可浸潤的。可以期望，在襯底—掩模組合多次使用後，從襯底去除本方法中的掩模。組合可以重複使用，而不去除掩模，只要能進行仔細的適當清洗即可。襯底可以重複使用，而與掩模是否重複使用無關。
由CPD產生的球，可以用做獨立的基礎，來修整由CPD隆起的襯底。CPD產生的球還可以用於OMPAC、BGA或者其它隆起或堆積方法。CPD代替了球產生的方法，例如把熔融金屬吹入油中。正如這裡所述的，CPD產生了所需數量精確形成體積球的良好控制方法。
權利要求
1.一種用來使電子器件附著於襯底的焊料隆起物的形成方法，其中的器件包含金屬隆起接觸點，襯底包含隆起物限制金屬焊盤(反之亦然)，包括以下步驟把焊膏施於襯底-掩模組合的掩模側，以使焊膏充入掩模開孔；在足以使焊膏熔化並在每個掩模開孔內凝聚成金屬球的溫度，對襯底—掩模—焊膏組合加熱，從而形成襯底—掩模—金屬球組合；冷卻襯底—掩模—金屬球組合，以使金屬球固化，從而形成隆起物。
2.根據權利要求1的方法，其中施加焊膏的步驟還包括選擇在助劑載體中包括金屬粉末的焊劑的步驟。
3.根據權利要求1的方法，還包括把掩模附著於襯底的步驟，其中掩模的熱膨脹係數，使得在加熱和冷卻期間由熱量誘發的應力，在球體、掩模開孔和襯底之間引起的失調，小於會超過球體邊緣與掩模開孔之間的間隙的失調。
4.根據權利要求3的方法，其中附著掩模的步驟還包括選擇金屬掩模的步驟。
5.根據權利要求3的方法，其中附著掩模的步驟還包括選擇起掩模作用的聚合物組分的步驟，其中附加的步驟包括把聚合物施於襯底，在聚合物中蝕刻出孔，孔的位置對應於隆起物限定金屬的位置。
6.根據權利要求5的方法，還包括在金屬焊膏凝聚之後移走聚合物的步驟。
7.根據權利要求4的方法，其中附著金屬掩模的步驟還包括用磁體把掩模附著於襯底。
8.根據權利要求4的方法，其中掩模附著於襯底的方式，允許加熱和冷卻期間掩模與襯底之間存在橫向偏移，從而保持掩模孔與隆起物限定金屬之間對準。
9.根據權利要求7的方法，其中磁體附著於襯底的步驟還包括選擇由能承受加熱步驟的材料構成的磁體的步驟。
10.根據權利要求9的方法，其中選擇磁體的步驟還包括選擇由AlNiCo構成的磁體。
11.根據權利要求1的方法，還包括選擇焊膏的步驟，其中焊膏由能製成粉末的至少一種金屬的合金和用於所述粉末的助劑載體組成。
12.根據權利要求11的方法，還包括選擇焊膏的步驟，其中焊膏含有63Sn37Pb合金。
13.一種電氣互連組合，包括互連襯底，具有第一主表面，其上預限定有可浸潤和不可浸潤的區；互連介質，由附著於構成隆起的襯底的襯底可浸潤區的焊料隆起物組成；接收襯底，接收隆起的襯底的隆起物，並在加熱和冷卻條件下，附著於隆起物表面，該隆起物足以形成互連襯底與接收襯底之間的電氣互連。
14.一種電氣互連的襯底的組合方法，包括以下步驟採用包括以下步驟的方法在襯底上形成導電的隆起物把焊膏施於襯底—掩模組合的掩模側，以使焊膏充入掩模開口；在足以使焊膏在每個掩模開孔內凝聚成為金屬球的溫度下，對襯底—掩模—焊膏組合加熱，從而形成襯底—掩模—金屬球組合；冷卻襯底—掩模—金屬球組合，以使金屬球固化；把襯底—掩模—球與第二襯底組合，形成一個組合，以使球表面靠在第二襯底；對該組合加熱，以使球熔化並浸潤第二襯底表面；冷卻該組合，使熔化的球固化，以使第一和第二襯底在球的相對側接合，並構成電氣互連。
15.根據權利要求14的方法，還包括在加熱之前對襯底/焊膏/掩模組合檢查之後，通過添加額外的焊膏來返工的步驟。
16.根據權利要求15的方法，還包括返工步驟，即通過使隆起物定位在靠近襯底可浸潤區的載體介質上，在球形成之後，添加額外的隆起物，以使隆起物被引導和移至可浸潤區，並從載體介質上卸下。
17.一種產生焊球的方法，包括以下步驟選擇掩模；選擇焊膏；選擇不可由所選擇的焊膏浸潤的襯底；使掩模定位在襯底，從而形成襯底—掩模組合；在襯底—掩模組合的掩模側施加焊膏，以使掩模開孔被焊膏充滿；在足以使焊膏在每個掩模開孔內熔化並凝聚成為金屬的溫度下，對掩模—襯底—焊膏組合加熱，從而形成掩模—襯底—球組合；冷卻掩模—襯底—球組合，以使金屬球固化；從襯底去除固化的金屬球。
全文摘要
把焊料隆起物通過模版印刷到襯底上，提供間距小於400微米的隆起的襯底。通過模版/掩摸和焊膏法施加焊料，但在回流時掩模仍附著於襯底。通過本發明也可獲得大於400微米的間距。本發明還提供了生產體積均勻且可控制的金屬球的方法。
文檔編號H01L21/56GK1159077SQ9511634
公開日1997年9月10日 申請日期1995年8月7日 優先權日1994年8月8日
發明者M·K·施韋伯特, D·T·坎貝爾, M·海丁格, R·E·克拉夫特, H·A·范德普拉斯 申請人:惠普公司