具有柔性導電粘合劑的倒裝晶片器件的製作方法

2023-06-21 10:43:46 3

專利名稱：具有柔性導電粘合劑的倒裝晶片器件的製作方法
本申請要求下列美國申請的優先權1998年4月24日申請的美國臨時申請序列號為60/082885；1998年7月9日申請的美國臨時申請序列號為60/092147；1998年10月5日申請的美國專利申請序列號為09/166633；1998年4月28日申請的美國臨時申請序列號為60/083326；和1999年3月25日申請的美國專利申請序列號為09/276259。
本發明涉及電子器件，特別涉及包括粘接固定於其上的半導體晶片的電子器件。
自從本世紀六十年代早期發明了集成電路以來，集成電路的應用激增，對於現代社會所依賴和必需的許多電子產品來說，它們已經成為不可缺少的部分。儘管有將電路和其它半導體晶片封裝成功能塊形式的許多方法，但如果這樣的封裝電子器件的物理尺寸較小和這種封裝器件的成本較低，那麼將大大提高這些方法的實用性。
傳統上，用細小的金或鋁鍵合引線進行與半導體的連接，該鍵合引線從半導體晶片頂部表面周邊(即其上形成電子電路的晶片側面)附近設置的接觸焊盤到引線框、頭部(header)或其它封裝或其上連接半導體晶片底部表面的襯底形成迴路。最好鍵合引線互連的布圖達到這樣的程度，使各鍵合引線連接的成本低於1分($0.01US)。即使在相對短的距離上細微鍵合引線迴路的電特性也必然會將不需要的電感和電容引入互連中，並由此減小電子器件的帶寬和操作速率。作為更快的微處理器和更高頻率的信號處理和通信裝置的發展結果，近幾年來該缺陷變得越來越明顯。
減小這些互連的電感和電容的一種方式是縮短互連通路的長度。一個有效的常規方法是翻轉半導體晶片(稱為「倒裝晶片」)，以便接觸焊盤與其上形成有相應的可與該半導體接觸焊盤直接連接的一組接觸焊盤的襯底直接鄰近。授予給L.F.Miller的題目為「Method of Joining a Component to aSubstrate」，的美國專利3429040披露了利用焊料凸點將半導體晶片連接於襯底上的倒裝晶片結構。在倒裝晶片與襯底之間的距離可減小到大約50-100微米(micrometer(微米)還可稱為micron(微米))，從而能夠以引人注目的較高頻率進行操作。
從利用非常精細的金屬化和冶金術(metallurgy)來形成只需使用很少且廉價的焊料凸點就可實施連接的適當高度的導電凸點，已發展到按倒裝晶片結構的半導體器件的互連。可以用公知的方法改變焊接和焊料凸點技術和冶金術，以容許組分改變和採用適於這種互連的較低和較高溫度的回流焊澱積方法。當試圖將半導體器件直接連接到有機襯底上時，因材料的熱膨脹係數(CTE)不同，因而焊料凸點技術的固有缺陷就變得明顯起來。例如，FR-4纖維玻璃襯底具有17ppm/℃的CTE，而半導體晶片具有3ppm/℃的CTE。當半導體晶片尺寸比各邊緣大5毫米(5mm)時，即使將倒裝晶片互連到CTE僅為7ppm/℃的二氧化鋁襯底上，該固有缺陷同樣也顯露出來。焊料連接具有約700000kg/cm2(約10000000psi，因0.0703kg/cm2等於1psi)的彈性模量，因而具有非常小的柔順性(compliance)，由此當經受周期性溫度擺幅(excursions)時，表現出焊料連接的疲勞失效。
授予給Fujita等人、題目為「Electrically Conductive Adhesive ConnectingArrays of Conductors」的美國專利4113981披露了除它可被壓縮的情況之外，填充少量導電顆粒以呈現導電性的非導電粘合劑基。Fujita等人公開了使用這樣的粘合劑以連接凸起的接觸，其中在非導電粘合劑中普通非接觸導電顆粒被壓向器件的凸起接觸，以便器件的凸起接觸與襯底的凸起的接觸焊盤電接觸，和利用絕緣樹脂維持在橫向相鄰接觸之間的絕緣。在常規半導體晶片中，一般由鋁形成的接觸焊盤凹入在最後的絕緣無機鈍化層之下。Fujita專利的缺陷之一是接觸焊盤必須在絕緣鈍化層或襯底的頂部上延伸。作為半導體晶片製造或作為隔離工序的一部分的該附加的製備將增加半導體器件的成本，並由此增加互連的成本。Fujita互連的另一個缺陷是，在各導電接觸內僅形成有限數量的導電路徑，從而僅在少量導電顆粒之間的電絕緣能夠具有非導電互連，因此沒有實用價值。
各向同性導電粘合劑長期以來就已用於在管芯接觸焊盤被引線鍵合到封裝引線上之前將半導體管芯的背側粘接到封裝體上，並還發現已廣泛地用於在混合電路組件和印刷電路板組件中連接半導體元件、片式電阻器和片式電容器。
在Scharf等人在1967年出版的IEEE Electronic Component Conference會議論文集(pp.269-275)的題目為「Flip-component Technology」論文中披露了用於倒裝晶片鍵合的導電粘合劑的早期使用。其中，將導電粘合劑凸點模板印刷在對於將要鍵合的各半導體管芯來說具有十六個鍵合焊盤陣列的襯底上。Scharf等人集中在如何產生印刷精確凸點的更好模板印刷並陳述了使用導電粘合劑的一些優點，例如較低溫度的鍵合和較低的成本。隨後，授予給P.Jourdain等人、題目為「Method of Simultaneously ManufacturingMultiple E1ectrical Connections Between Two Electrical Elemems」的美國專利4442966披露了使用導電膏，用以使半導體上鋁焊盤與襯底鍵合，其中採用在接觸焊盤上澱積導電粘合劑凸點的模板印刷方法並且在組裝半導體與襯底期間進行加熱。
在下列幾篇文章中，例如由K.Gilleo在「Direct Chip Interconnect UsingPolymer Bonding」,39th Electronic Component Conference,1989年5月(pp.37-44)和一些美國專利中報導了使用這樣的導電環氧樹脂粘合劑來鍵合半導體晶片以及這種粘合劑的應用。其中剛性導電粘合劑的缺點與焊料凸點方法的缺點相同，即在溫度循環期間連接有破裂的趨勢。在所報導的應用中的粘合劑連接使用其彈性模量為70000kg/cm2(1000000psi)或以上的剛性粘合劑，結果，具有非常小的柔順性和在重複的溫度擺幅期間分層(delamination)或破裂。
這樣，晶片與元件或晶片與電路板的互連所面臨的主要問題是由於半導體晶片的矽的熱膨脹係數與半導體晶片要連接於其上的下一級板即襯底的熱膨脹係數不同，因而出現內部應力。因作為現代電子學趨勢的極限溫度差和較大晶片而加重了的這些高應力引起失效，因而阻礙了常規導電粘合劑和焊料凸點技術的發展。
解決應力問題的常規方法是試圖在沒有包含導電粘合劑連接的區域中使用環氧樹脂底層填料(underfill)來分散應力。儘管適當的底層填料在許多情況下有助於增加熱循環數以致這樣的互連根據半導體管芯尺寸和溫度擺幅可保持6-8倍倖免，但以高強度底層填料的有益壓力平衡抵消破壞性剪切應力的固有問題仍然未解決，其中該有益壓力限制所出現的循環應變，剪切應力將使連接或部件分層或破裂。半導體管芯尺寸的每一個的增加都增加剪切應力，因而對溫度的各特定範圍必須重新評價組裝的倒裝晶片在熱循環下的可靠性。同樣地，當溫度擺幅極限延伸到更低或更高的溫度時，附加的剪切應力可相反地影響組裝的倒裝晶片的可靠性，還必須進行昂貴的重新評價測試。儘管適當的高彈性模量的底層填料有助於增加倒裝晶片器件組件抗熱擺幅應力的能力，但無論如何，對可利用的半導體器件的尺寸和半導體晶片與下一級襯底之間的熱膨脹係數之差都有限制。此外，裝入這樣的剛性粘合劑底層填料的成本相對較高，高強度粘合劑底層填料還使補救和重做更加困難(如果完全可能)，從而還增加了裝有多個倒裝晶片器件的成本。
另一個解決該技術問題的可能方案是設計下一級的板即襯底，使其具有與半導體晶片相同的熱膨脹係數，即約為3ppm/℃。儘管某些人已成功地採用了該技術解決方案，但因顯影和製備這樣的襯底和配備支持這種新技術所需的基本設置的不期望的高成本，因而該方法未被廣泛採用。甚至更令人煩惱的是最低成本的普通電子襯底是普遍用於印刷電路板並且其CTE為17ppm/℃的疊層環氧樹脂的玻璃纖維，例如FR-4。普通商用電子設備幾乎都廣泛使用FR-4印刷電路板。因此，要求按附加成本的額外的中間襯底，或者要求用特定的襯底材料來代替FR-4。
因此，需要一種晶片規模封裝(chip-scale-packaging)和在功能電路板上的直接晶片(direct-chip)連接的互連技術，它容許半導體晶片的矽與下一級板的熱膨脹係數之間的差異。
為此，本發明包括一種半導體晶片，其上具有用貴金屬鈍化的接觸焊盤，其中以倒裝晶片方式將半導體晶片連接到其上有相應的用貴金屬鈍化的接觸焊盤的襯底上。用具有低彈性模量的柔性導電粘合劑在半導體晶片和襯底上的相應接觸焊盤之間進行連接。
附圖的簡要說明當結合附圖進行閱讀時，可更容易和更好地理解本發明優選實施例的詳細說明，其中

圖1是包括本發明倒裝晶片半導體器件的電子器件實施例的剖面圖；圖2是作為溫度函數的各種粘合劑的彈性模量的曲線圖；圖3是用於圖1的實施例中的半導體器件的平面圖；圖4和5分別是在塗敷柔性導電粘合劑之前和之後圖3的半導體器件的剖面圖；圖6是包括本發明倒裝晶片半導體器件的電子器件的另一個實施例的剖面圖7是用於圖6的實施例中的半導體器件的平面圖；圖8是在塗敷柔性導電粘合劑和柔性底層填料之後圖7的半導體器件的剖面圖；和圖9和10分別是在塗敷柔性導電粘合劑之後圖4和7所示半導體器件的另一個實施例的剖面圖。
優選實施例的說明應該理解，藉助圖示和實例展示本申請所述發明的特定實施例，但這些圖示和實例並不構成對本發明的限制，其原理和特徵可用於各種實施例中而不會脫離本發明的範圍和實質。
一般地，本發明涉及其中在襯底與其上安裝的電子元件之間進行互連的電子器件，例如包括半導體器件、電阻器、電容器和其它元件的倒裝晶片器件，並且具有低彈性模量以便真正具有柔順性，以容許電子元件與襯底的熱膨脹係數(CTE)之差達到60ppm/℃而不需要高彈性模量的底層填料來防止疲勞和分層失效。如果使用任意的底層填料，期望可以增強電絕緣和減少用作導體的某些金屬的遷移，那麼這樣的底層填料也必須是具有低彈性模量的柔性，其彈性模量最好與柔性導電粘合劑互連的彈性模量相同或更低。
圖1的電子器件10包括絕緣襯底20，在絕緣襯底20上對準和安裝多個電子器件，例如半導體晶片30、片式(chip)電阻器44和片式電容器46。在本實施例中，在器件30、44、46與襯底20之間沒有絕緣底層填料。半導體晶片30包括在襯底管芯32的第一表面上的多個接觸焊盤34，接觸焊盤34用於使包含於半導體晶片30中的電子電路與外部電子元件電連接。類似地，電阻器44和電容器46分別包括在各自的第一表面上的多個接觸焊盤，該接觸焊盤用於通過襯底20使分別包含於片式電阻器44和片式電容器46中的電阻電路元件和電容電路元件與外部電子元件電連接。
襯底20包括在其第一表面上以常規方式形成電子電路導體的印刷布線導體22。在分別相應於其上要安裝電子器件30、44、46的相應鍵合焊盤34、45、47的位置的襯底20的導體22上形成多個接觸焊盤24。亦即，襯底20的接觸焊盤24的排列、尺寸和間隔與半導體器件30的接觸焊盤34的排列、尺寸和間隔匹配。襯底20可由諸如FR-4玻璃纖維或BT材料的疊層、或塗有鋁的、或氧化鋁、陶瓷或其它適當絕緣材料製備，其上的導體22可由諸如銅、鋁、金或銀等金屬形成，或利用例如薄膜或厚膜澱積等公知技術形成導電油墨來形成。如果其上的接觸焊盤不是例如貴金屬那樣的無氧化性材料，那麼與貴金屬塗層或其合金的接觸就應該是鈍化的，以實現相容的長期穩定性和充分的電接觸，正如連接於襯底上的器件那樣的情況。
設置電子器件30、44、46，使其各自的第一表面最接近襯底20的第一表面，以便電子器件30、44、46的各接觸焊盤與襯底20上的各個相應的接觸焊盤24相鄰，即為倒裝晶片方式。利用多個柔性導電粘合劑凸點40，電子器件30、44、46連接於襯底20上，從而提供各器件30、44、46與襯底20的機械連接並且在各自的接觸焊盤34、45、46與對應地設置於襯底20上的其配對物之間提供低阻抗電連接，典型地為0.1歐姆或以下。
導電粘合劑40必須是「柔性的」，其含義是指它具有低的彈性模量。需要其彈性模量小於約35000 kg/cm2(大約500000psi)的導電粘合劑作為填充組合物。通過使其中包含小顆粒的導電材料，包括熱塑性或熱固性樹脂或其混合物或其共聚物的粘合劑可呈現導電性，這還可使其彈性模量超過純樹脂時的彈性模量。適當柔性的導電粘合劑包括LTP8150型液態柔性熱塑性導電粘合劑、ESS8450型(銀填料)、ESS8456型(銀-鈀合金填料)、ESS8457型(鍍金銅填料)、ESS8458型(金粉末填料)和ESS8459型(鍍金鎳填料)柔性環氧基粘合劑膏和PSS8156型(銀-鈀合金填料)、PSS8157型(鍍金銅填料)、PSS8158型(金粉末填料)和PSS8159型(鍍金鎳填料)柔性膏狀粘合劑，所有這些都可從AI Technology,Inc.Of Princeton,New Jersey商業購買。如圖2所示，這些柔性導電粘合劑具有約-55℃至-60℃的玻璃轉換溫度，因而在低溫下具有約為35000kg/cm2(約500000psi)的彈性模量。PSS81 50型柔性導電粘合劑包含其玻璃轉換溫度低於-20℃且在破裂之前其尺寸的延伸率大於30％的熱塑性樹脂。ESS8450型柔性導電粘合劑包含其玻璃轉換溫度低於0℃且在破裂之前其線性尺寸的延伸率大於30％的改進的熱塑性樹脂。優選其熔融流動溫度低於300℃的熱塑性樹脂。
圖2中示出各種導電粘合劑的作為溫度(℃)函數的彈性模量(psi)的曲線圖。在半導體器件典型工作的大部分溫度範圍內，諸如焊料(solder)和環氧樹脂之類的常規粘合劑的彈性模量超過大約70000kg/cm2(約1000000psi)。對於將用於諸如汽車、航天和軍事應用等應用領域的器件來說，半導體器件的典型工作溫度範圍為-55至+150℃，而對於諸如民用娛樂和儀表應用等應用領域的器件來說，其工作溫度可以低於所規定的溫度範圍。
使用於本發明的柔性導電粘合劑的彈性模量在規定半導體器件工作的工作溫度範圍的至少約50％的範圍內大約為35000kg/cm2(約500000psi)或以下。在這樣的溫度範圍內，優選粘合劑的彈性模量低於約7000kg/cm2(約100000psi)，正如ESS8459型所呈現的那樣，並且甚至低於約3500kg/cm2(約50000psi)，正如PSS8159型所呈現的那樣，這兩種類型的柔性導電粘合劑都具有約為-55℃至-60℃的玻璃轉換溫度。
用於柔性導電粘合劑的適當導電填料包括銀、金、鈀或鉑顆粒(薄片(flakes)、球體或粉末)銀-鈀合金顆粒，和鍍金銅或鎳顆粒，正如可從AITechnology,Inc購買的上述柔性導電粘合劑中的各種導電填料。當鈀的比例至少在約10-30％的範圍內時，銀鈀合金粉末填料是最能防止銀遷移的；儘管鈀的較高百分比可提供較大的防止銀遷移能力，但是對於許多應用來說，填料變得太昂貴了。貴金屬的其它合金也是適用的。本發明的柔性導電粘合劑連接可呈現0.1歐姆或以下的接觸電阻。
此外，一個優選的柔性導電粘合劑包括含有鍍金和鍍鈀銅薄片的導電填料。另一個優選的柔性導電粘合劑包括含有鍍金和鍍鈀鎳薄片的導電填料。還可以使用如鋁等非貴金屬和鍍有貴金屬的其它非貴金屬合金核芯。可根據成本和鍍敷容易程度來選擇核芯材料和鍍敷材料。用特別製備的銀顆粒製作的另一個柔性導電粘合劑，呈現低於0.00009歐姆-釐米的體電阻率，從而允許較高的電流流過特別的互連，或者，換言之，允許在互連中有較高的電流密度。應該指出，導電填料不限於上述那些特別提及的填料，但導電填料至少必須是鈍化的，在顆粒的核芯不是由貴金屬構成的情況下，通過塗敷或鍍敷貴金屬來防氧化。
對於塗有金、鈀和鉑的金屬薄片和粉末來說，貴金屬塗層應該多於約5wt％，以提供抗長期高溫氧化的穩定性，例如這種氧化可能在貴金屬塗層過薄時發生，它將緩慢地引起填料的體電阻率特性劣化。當貴金屬塗層超過填料總重量的大約50％時，使用塗敷金屬的成本效率是低的。對於令人滿意的電性能和成本效率來說，在約5wt％至30wt％範圍內的金含量是有效的。
因此，上述是低成本的柔性導電粘合劑互連，因它具有低的彈性模量，並且不容易因襯底20與襯底32之間固有的CTE差引起應力而損壞。包括12mm×12mm的半導體器件而沒有底層填料的上述電子器件的實例，在經過1000次溫度範圍為-55℃至+150℃的循環和50次以上的熱衝擊循環之後，沒有測出鍵合強度和接觸電阻的變劣，其中該熱中擊循環在-65℃與+150℃之間且在各溫度停留10分鐘和在溫度之間經過10秒鐘的過渡。通過與公布的熱循環數據進行比較，可容易地認識到使用柔性導電粘合劑互連半導體晶片和襯底的上述電子器件的優勢。近年來由Rosner等人研究出版的「FlipChip Bonding Using Isotropic Conductive adhesives」,Proceedings of ElectronicComponent and Technology Conference,1996年5月(PP.578-581);Wu等人的「Materials and Mechanics Issues in F1ip-Chip Organic Packaging」,ElectronicComponent and Technology Conference,1996年5月(PP.524-534)；和Gamota等人的「Advanced Encapsulant Material Systems for Flip Chip」,AdvancingMicroelectronics,1997年7/8月(PP.22-24)，報導了對於焊料凸點連接和剛性導電粘合劑連接來說作為熱循環的函數的接觸電阻的可靠性及其改進。焊料凸點互連和剛性導電粘合劑互連並且沒有底層填料的實例，當襯底經受-25℃到+125℃的適度範圍的溫度循環時，在100次循環之內就失效了。
結合圖3、4和5可理解參照圖1所展示和描述的那種類型的電子器件的一種構成方法。圖3中，平面圖中的半導體襯底32包括在其頂部表面上的多個接觸焊盤或鍵合焊盤34。接觸焊盤34可在襯底32的周邊，或在襯底32的內部，或如圖所示的雙方，這對半導體器件30的設計者來說是方便的。不包含接觸焊盤34的襯底32的區域用諸如氮化矽或其它絕緣塗層之類的無機氮化物鈍化，並不接收柔性導電粘合劑。如下所述，柔性導電粘合劑的凸點40施加於多個接觸焊盤34的每一個上。為便於處理和低成本化，最好在晶片級(wafer level)，在晶片刻劃和單個襯底管芯分離之前，將柔性導電粘合劑的凸點施加在其上形成的整個襯底32上，當然，如果希望的話，粘合劑可施加於單個襯底32上。
圖4是沿圖3中剖面線3-3截取的圖3的半導體器件的剖面圖。接觸焊盤34包括鋁焊盤37，焊盤37澱積於半導體襯底32上要進行電接觸的位置處，用於使形成於其上的電路(未示出)起電功能作用，並且利用無氧化性金屬的澱積金屬層38使鋁焊盤37鈍化，最好無氧化性金屬為鎳和金的順序，或其它貴金屬例如金、銀、鉑、鈀或其合金等其它貴金屬。鎳和鉻也可用於無氧化性的鈍化。還利用無氧化性金屬使襯底20的接觸焊盤24鈍化。無機鈍化層36的厚度厚於接觸焊盤34的厚度，這在半導體製造中是普通的，但並不是必需的。
圖5中，在多個接觸焊盤34上澱積多個柔性導電粘合劑凸點40。在接觸焊盤34的鎳-金鈍化層38上，澱積柔性導電粘合劑凸點40，並且由柔性熱塑性導電粘合劑構成柔性導電粘合劑凸點40，這些粘合劑例如是可從AITechnology,Inc.商業購買的液態熱塑性導電粘合劑LTP8150。樹脂與銀填料之比最好在約100∶100和100∶600之間，以根據澱積來產生約0.00015歐姆-釐米的體(volume)電阻率。用酯醇溶劑可調節液態熱塑性粘合劑與銀薄片的混合物的粘度，使其達到200000cp，其中酯醇溶劑例如為商品名Texanol的從Eastman Kodak Chemicals商業購買，使用從Brookfield Company ofStoughton,Massachusetts商業購買的粘度測量裝置在錐板(cone-and-plate)的0.5rpm下來測量該粘度的。
使用標準不鏽鋼模板或網板，可澱積構成凸點40的柔性導電粘合劑，該凸點尺寸為75微米或以上，或通過油墨噴射印刷、接觸澱積、預先形成疊層結構或其它適當的澱積方式形成該凸點40。凸點的形狀可以是圓形或矩形。儘管凸點的尺寸和形狀對於大多數應用來說並不是嚴格的，但優選地，凸點40的尺寸(直徑)至少象接觸焊盤34的尺寸(直徑)那樣大，以便在組裝成最終的器件10時，呈現儘可能小的接觸電阻。允許液態熱塑性膏在60-80℃下進行30-60分鐘的乾燥，以按溼厚度為75-125微米來澱積。當乾燥時所獲得的粘合劑凸點40的高度典型地為溼厚度的50-60％，凸點直徑一般是均勻的，達到接近98％的精度，凸點高度達到接近90％的精度。幹凸點的高度典型地為50-100微米。最好，在半導體晶片30為晶片形式並且在用鎳-金層38使鋁鍵合焊盤37鈍化以防止氧化之後，澱積柔性導電粘合劑凸點40。其上具有幹導電凸點40的晶片還可在200℃下進行1-5秒的處理，以改善粘合劑凸點40與接觸焊盤34的粘接。然後，可以將製備的晶片切片成單個襯底管芯，在隨後被組裝成電子器件之前，該管芯可儲存在環境溫度下。
將圖5所示的被製備的其上帶有柔性導電粘合劑凸點的半導體器件30組裝在下一級的板即襯底20上，以形成如下所述的圖1中所示的電子器件10。在襯底20上使半導體器件30對準，以便襯底20和半導體器件30的各接觸焊盤24、34對準。如果溫度在195-215℃和設置壓力在大約0.7kg/cm2(約10psi)，那麼把器件30和襯底20壓在一起，柔性導電粘合劑凸點40便立即使各接觸焊盤鍵合在一起。為了獲得更高的效率，將襯底20預熱到約為150-200℃的溫度，同時將拾取半導體晶片30的卡盤預熱到約220-280℃。已經表明，這樣組裝的包括鍵合到氧化鋁襯底20上且其邊緣尺寸大於10mm的半導體管芯30的電子器件10可承受1000次以上在-65℃與150℃之間的熱循環和50次以上在-65℃與+150℃之間的熱衝擊，而沒有測出接觸電阻的變化。在相對溼度(RH)為85％且在85℃下暴露168小時，也沒有測出電接觸電阻的劣化，在100％的RH和100℃下暴露200小時也沒有測出管芯30與襯底20的共有粘接強度的劣化。已證明，在氧化鋁襯底上厚膜和薄膜金鍵合焊盤都是令人滿意的。
應該指出，在上述組裝方法中所用的器具和溫度與具有利用回流焊的焊料凸點的倒裝晶片器件的傳統設置和連接相適宜的。在兩種情況下，倒裝晶片器件的接觸焊盤都與襯底的相應接觸焊盤對準，然後在低於300℃的溫度和小於0.7kg/cm2(約10psi)的壓力下壓接在一起，在約10秒內實現鍵合。
儘管參照圖1-5所述的上述實施例不要求和不使用底層填料，但在某些應用中，可能希望使用具有適當流動特性的底層填料。底層填料是放置於諸如倒裝晶片器件之類的被安裝器件與襯底之間的導電互連之間的空間中的絕緣粘合劑材料。為了保持機械撓性和低的內部應力，按照本發明的互連鍵合的特徵在於，適當的底層填料材料是非導電的柔性導電粘合劑，其彈性模量大體與在半導體器件與襯底之間進行導電互連的柔性導電粘合劑的相同或低於該彈性模量，即小於約35000kg/cm2(約500000psi)。
圖6的電子器件100包括絕緣襯底120，在絕緣襯底120上對準和安裝有多個電子器件，例如半導體晶片130、片式電阻器144和片式電容器146。半導體晶片130包括在襯底132的第一表面上的多個接觸焊盤134，接觸焊盤134用於在包含於半導體晶片130的電子電路與外部電子元件之間進行電連接。類似地，片式電阻器144和片式電容器146分別包括在各自的第一表面上的多個接觸焊盤，接觸焊盤用於通過襯底120在分別包含於片式電阻器144和片式電容器146的電阻和電容元件電路與外部電子元件之間進行電連接。
襯底120包括在其第一表面上以常規方式形成電子電路導體的印刷布線導體122。在分別相應於其上要安裝電子器件130、144、146的鍵合焊盤134、145、147的位置的襯底120的導體122上形成多個接觸焊盤124。亦即，襯底120的接觸焊盤124的排列、尺寸和間隔與半導體器件130的接觸焊盤134的排列、尺寸和間隔匹配。襯底120可由諸如FR-4玻璃纖維、或BT材料疊層、或氧化鋁、陶瓷或其它適當絕緣材料等製備，其上的導體122可由諸如銅、鋁、金或銀等金屬形成，或利用例如薄膜或厚膜澱積等公知技術形成導電油墨來形成。如果其上的接觸焊盤不是例如貴金屬那樣的無氧化性的材料，那麼與貴金屬塗層或合金的接觸就應該是鈍化的，以具有相容的長期穩定性和充分的電接觸，正如粘附於襯底上的器件那樣的情況。
設置電子器件130、144、146，使其各自的第一表面最接近襯底120的第一表面，以便電子器件130、144、146的各接觸焊盤與襯底120上的各個相應的接觸焊盤124相鄰。利用多個柔性導電粘合凸點140，電子器件130、144、146被粘接於襯底120上，從而提供各器件130、144、146與襯底120的機械連接並且在各自的接觸焊盤134、145、146與對應地設置於襯底120上的其配對物之間提供低阻抗電連接。絕緣柔性底層填料150基本上填充在圖5的實施例中的未被柔性導電粘合劑140佔據的器件130、144、146與襯底120之間的空隙或空間。
導電粘合劑140以及絕緣粘合劑150都必須是「柔性的」，其含義是指它們分別具有小於約35000kg/cm2(大約500000psi)的彈性模量。可從AITechnology,Inc.Of Princeton,New Jersey商業購買的適當柔性導電粘合劑與參照圖1的實施例所述的一樣。可以為熱塑性或熱固性樹脂的非導電性或絕緣樹脂可從柔性底層填料或封裝材料中選擇，例如MEE7650-5環氧樹脂基的封裝材料還可從AI Technology,Inc.獲得，該材料的彈性模量低於1050kg/cm2(大約15000psi)和玻璃轉換溫度低於-20℃。除增加元件130、144、146和襯底120之間的鍵合強度之外，該柔性絕緣底層填料還有助於防止在高溼度條件下可能產生的在元件130、144、146或襯底120的接觸焊盤之間的銀遷移。
結合圖7和8可理解參照圖6所展示和描述的電子器件的一種構成方法。圖7中，平面圖中的半導體襯底132包括在其頂部表面上的多個接觸焊盤或鍵合焊盤134。不包含接觸焊盤134的襯底132的區域用諸如氮化矽或其它絕緣塗層之類的無機氮化物鈍化，並接收柔性非導電粘合劑150。如下所述，柔性導電粘合劑140的凸點施加於多個接觸焊盤134的每一個上，並且柔性絕緣粘合劑150的圖形施加於柔性導電粘合劑凸點之間的空間中。為便於處理和低成本化，最好在晶片劃片和單個襯底管芯分離之前，在晶片級將柔性導電粘合劑140的凸點和非導電的柔性粘合劑150的圖形施加在其上形成的整個襯底132上，當然，如果希望的話，粘合劑可施加於單個襯底132上。此外，柔性絕緣粘合劑150最好不完全填充接觸焊盤34之間的空間，以便在半導體器件130與襯底120的鍵合期間，允許柔性粘合劑140、150流動並填充空隙。
圖8是沿圖7中剖面線7-7截取的圖7的半導體器件的剖面圖。接觸焊盤134包括鋁焊盤137，澱積於半導體襯底132上要進行電接觸的位置處，使其上形成的電路(未示出)起電功能作用。利用無氧化性金屬的澱積金屬層138使鋁焊盤137鈍化，最好無氧化性金屬為鎳和金或鎳和鉑層的順序，或另外的貴金屬，例如金、銀、鈀、鉑或其合金。在圖8的示例性實施例中，無機鈍化層136的厚度基本上與接觸焊盤134的厚度相同。
在多個接觸焊盤134上澱積多個柔性導電粘合劑凸點140。在接觸焊盤134的鎳-金鈍化層138上，澱積柔性導電粘合劑凸點140，並且由柔性熱塑性導電粘合劑構成柔性導電粘合劑凸點140，這些粘合劑例如是可從AITechnology,Inc.商業購買的液態熱塑性導電粘合劑LTP8150，如以上參照圖1的實施例所述那樣。再有，儘管凸點的尺寸和形狀對於大多數應用來說並不是嚴格的，但優選地，凸點140的尺寸至少象接觸焊盤134的尺寸那樣大，以便在組裝成最終器件100時，呈現儘可能小的接觸電阻。
類似地，可構圖柔性絕緣粘合劑150，填充凸點140之間的空間，或者最好可以構圖柔性絕緣粘合劑150不完全填充該空間，以便在半導體器件130與襯底120組裝時允許柔性導電粘合劑140和柔性絕緣粘合劑150都可流動。最好，在半導體晶片30為晶片形式時在用鎳-金層38或其它貴金屬使鋁鍵合焊盤137鈍化以防止氧化之後，澱積柔性導電粘合劑凸點140和柔性絕緣粘合劑150的圖形。然後，可以將製備的晶片切片分成單個襯底管芯，在後面被組裝成電子器件之前，管芯可儲存在環境溫度下。使用標準不鏽鋼模板或網板，可澱積構成凸點140的柔性導電粘合劑，或通過油墨噴射印刷、接觸澱積、預先形成疊層結構或其它適當的澱積方式形成該凸點140。
用作底層填料的柔性絕緣粘合劑是象優選柔性導電粘合劑那樣的在澱積和乾燥之後以及最終組裝鍵合期間之前在延長期間可儲存在環境溫度下。適當材料的實例是可從AI Technology,Inc.購買的液態熱塑性膏型LTP7150和液態環氧樹脂型LESP7450。LTP7150是一種熱塑性膏，它可澱積和B分級(B-staged)，通過在60-80℃進行30-60分鐘的處理來形成固體膜。LESP7450是一種環氧樹脂膏，它可澱積和B分級，通過在60-80℃進行30-60分鐘的處理來形成固態膜。這些改進的B分級柔性粘合劑在其純樹脂形式具有諸如整個玻璃轉換溫度低於-55℃的分子結構。這兩個B分級柔性絕緣粘合劑具有較高的流動指數和比柔性導電粘合劑凸點的彈性模量低的彈性模量。當絕緣粘合劑流動和填充器件邊緣附近的空間時，也可保護器件的邊緣。在暴露於快速加速的溼度和溫度下的機械測試表明，其鍵合強度改變小於20％，並且沒有鍵合的分層。對用這些粘合劑將具有大於20ppm/℃的CTE的大的矽半導體管芯(16mm邊緣尺寸)粘接到鋁襯底上的組裝的電子器件進行2000次從-65℃到150℃的熱循環，也沒有產生鍵合的分層和沒有測出鍵合強度的降低。
將圖8中所示的被製備的其上帶有柔性導電粘合劑凸點140和柔性絕緣粘合劑150的圖形的半導體器件130組裝在下一級的板即襯底120上，形成如下所述的圖6中所示的電子器件100。在襯底120上使半導體器件130對準，以便襯底120和半導體器件130的各接觸焊盤124、134對準。如果溫度在195-215℃和設置壓力在大約10psi，那麼把器件130和襯底120壓在一起，柔性導電粘合劑凸點140便立即使各接觸焊盤124、134鍵合在一起。以同樣的方式，柔性絕緣粘合劑150使襯底120的接觸焊盤124之間的區域與半導體器件130的接觸焊盤134之間的相應區域鍵合。為了獲得更高的效率，將襯底120預熱到約為150-200℃的溫度，同時將拾取半導體晶片130的卡盤預熱到約220-280℃。已經表明，這樣組裝的包括鍵合到氧化鋁襯底120上的其邊緣尺寸大於10mm的半導體管芯130的電子器件100可承受1000次以上在-65℃與+150℃之間的熱循環和50次以上在-65℃與+150℃之間的熱衝擊，而沒有測出接觸電阻的變化。在相對溼度(RH)為85％且在85℃下經過168小時，也沒有測出電接觸電阻的劣化，在100％的RH和100℃下經過200小時也沒有測出管芯130與襯底120的共有粘接強度的劣化。已證明，在鋁襯底上厚膜和薄膜金鍵合焊盤都是令人滿意的。
使用柔性環氧樹脂粘合劑的組裝過程是類似的。設置的卡盤維持在150-175℃的較低溫度，和允許在組裝之前在l50-175℃下對將要置於下一級襯底板上的管芯另外再處理5分鐘，而不用加壓或使用其它器具。當使用熱塑性基柔性粘合劑時，必須維持放置的卡盤(和它所固定的管芯)和襯底的溫度比柔性導電粘合劑凸點和絕緣粘合劑底層填料的溫度高几度，如果需要，它們可呈現流動性的。
在絕大多數應用中，接觸焊盤34和粘合劑凸點40可以具有相同的尺寸。可是，在某些情況下，因相對少量的接觸焊盤，因而整個鍵合區域可能較小，從而在相對於接觸焊盤的區域實質上擴大導電凸點B同時維護接觸焊盤的節距(即在相鄰接觸焊盤之間中心-中心之間間隔)來說是有利的。在柔性導電凸點的區域中這樣的增加將增加半導體器件30與襯底20之間鍵合的機械強度，以及降低整個電阻和增加柔性導電互連的載流能力。
接觸焊盤34的總面積基本上小於半導體器件30總面積的約33％，鍵合區域可能不足以提供足夠的鍵合強度同時不能增強。在圖9的實施例中，半導體器件30上的柔性導電粘合劑凸點240被有意擴大，以便覆蓋實質上大於單個鍵合焊盤34的區域。可使用被擴大的導電粘合劑凸點240同時維持在多於50微米的最接近的焊盤之間的推薦最小間隔，導電凸點240的「懸掛」可增加總鍵合面積，使其大於約50％，並由此僅利用柔性導電粘合劑而不需要底層填料層來增加鍵合整體性。
另一方面，當大量接觸焊盤34是大的並且接觸焊盤的節距小時，期望實質上減小柔性導電凸點的面積同時維持該節距。導電凸點面積的減小有助於減小鍵合工序中相鄰互連之間橋接的可能性。柔性互連面積的減小在沒有使用絕緣底層填料的情況下特別有用。
例如，當接觸焊盤34比約100微米更近地靠在一起時，可使用具有小於接觸焊盤34的面積的導電凸點340。圖10中，導電凸點340的面積基本上小於半導體器件30的鍵合焊盤34。該方法更適於低電流密度互連和由襯底20和半導體器件30構成的電子電路一部分所允許的較高互連電阻的情況。
儘管利用上述示例性實施例已經描述了本發明，但本領域的技術人員顯然可以在權利要求所限定的本發明範圍和精神內進行各種改變。例如，襯底20的電路板材料可以與具有7ppm/℃的CTE的陶瓷氧化鋁不同。事實上，大多數商業應用使用FR-4、BT和具有較大CTE的其它有機襯底材料，以便在其CTE為3ppm/℃的矽倒裝晶片與襯底之間的CTE失配度從氧化鋁的7ppm/℃的CTE增加到FR-4的17ppm/℃的CTE。由於較大CET的失配，例如，大於10ppm/℃，熱循環和熱衝擊是很可能因互連的分層或失效而引起失效的。按照本發明的電子器件10，使用可從AI Technology,Inc.購買的LTP8150型和ESS8450型柔性導電粘合劑組裝電子器件10，並且包括鍵合到鋁襯底上的其邊緣尺寸大至16mm以便具有3對25ppm/℃的CTE失配的矽器件，其中進行2000次以上從-65℃到150℃的熱循環，沒有檢測到分層或鍵合強度的改變。對使用FR-4襯底的電子器件進行類似測試，沒有發現分層或鍵合強度的改變。
此外，也可以代之以具有與AI Technology,Inc.LTP8150型的相同或相似的分子柔順性、粘性和導電率的其它柔性導電粘合劑以及使用其它導電填料的柔性粘合劑。適當的供選擇的澱積裝置，例如模板印刷、絲網印刷、掩蔽法、油墨噴射印刷、接觸澱積、預先形成疊層、探針配置等，可用於將導電粘合劑凸點40、140、240澱積在半導體器件30或其它電子元件44、46的接觸焊盤上，或者，將導電粘合劑凸點40、140、240澱積在襯底20的接觸焊盤上。
儘管上述示例性的實施例具有在半導體管芯上的柔性導電粘合劑凸點和柔性絕緣粘合劑圖形，但應該指出，柔性導電粘合劑凸點和柔性絕緣粘合劑的圖形也可以澱積在襯底上。或者，柔性絕緣粘合劑的圖形可以澱積在半導體器件或襯底之一上，而柔性導電粘合劑凸點可澱積在另一個之上。此外，柔性絕緣粘合劑可包含導熱但絕緣的填料。這樣的一些適當的粘合劑包括可從AI Technology,Inc.購買的LESP7455、LESP7555和LTP7095型。
雖然上述示例性實施例展示了單倒裝連接，但應該明白，利用本說明書所述的方法，多個半導體晶片也可安裝於相同的器件襯底上。應該指出，利用導電凸點和本說明書中所述的方法，裸(即未覆蓋)倒裝晶片半導體器件和其它電子元件，以及封裝的半導體器件和電子元件，都可連接到相同的電路襯底上。
權利要求
1．一種電子器件(10,100)，包括至少一個半導體器件(30,130)，在其第一表面上具有多個接觸焊盤(34,134)；襯底(20,120)，在其第一表面上具有多個接觸焊盤(24,124)，其中按相應於接觸焊盤(34,134)的圖形排列所述襯底(20,120)的所述接觸焊盤(24,124)，和設置所述半導體器件(30,130)和所述襯底(20,120)，使它們各自的第一表面彼此最接近；和在所述半導體器件(30,130)的接觸焊盤(34,134)和所述襯底(20,120)的接觸焊盤(24,124)之間的多個連接(40,140)，其特徵在於，所述連接包括其彈性模量低於35000kg/cm2的柔性導電粘合劑(40,140)。
2．如權利要求1的電子器件(10,100)，其特徵在於，柔性導電粘合劑(40,140)的彈性模量低於7000kg/cm2。
3．如權利要求2的電子器件(10,100)，其特徵在於，在規定電子器件(10,100)工作的溫度範圍的50％以上保持彈性模量。
4．如權利要求1的電子器件(10,100)，其特徵在於，柔性導電粘合劑(40,140)包括從其熔融流動溫度低於300℃的熔熱塑性塑料、可交鏈的熱固性塑料和其混合物和其共聚物構成的組中選擇的有機樹脂，其中作為純樹脂的有機樹脂的分子結構的基本部分具有低於0℃的玻璃轉換溫度。
5．如權利要求1的電子器件(10,100)，其特徵在於，柔性導電粘合劑(40,140)包括導電顆粒，所述導電顆粒基本上小於所述半導體器件(30,130)和所述襯底(20,120)的任何接觸焊盤(24,124,34,134)，其中所述導電顆粒包括至少一種(a)選自由銀、金、鈀、鉑和其合金構成的組中的金屬，和(b)鍍有選自由銀、金、鈀、鉑和其合金構成的組中的金屬的非貴金屬核芯。
6．如權利要求5的電子器件(10,100)，其特徵在於，所述合金是具有至少10wt％的鈀的銀鈀合金。
7．如權利要求5的電子器件(10,1000)，其特徵在於，所述鍍敷的非貴金屬核芯包括不低於5wt％的金、鈀、鉑和其合金之一。
8．如權利要求1的電子器件(10,100)，其特徵在於，所述柔性導電粘合劑(40,140)澱積在所述半導體器件(30,130)和所述襯底(20,120)之一的接觸焊盤(24,124,34,134)上，其中澱積在所述接觸焊盤(24,124,34,134)的至少某些上的柔性導電粘合劑(40,140)具有(a)實質上大於所述接觸焊盤(24,124,34,134)區域和(b)實質上小於所述接觸焊盤(24,124,34,134)區域之一的區域，同時維持所述接觸焊盤(24,124,34,134)之間的節距。
9．如權利要求1的電子器件(10,100)，其特徵在於，用其彈性模量低於柔性導電粘合劑(40,140)的彈性模量的柔性絕緣粘合劑(150)，至少部分填充具有柔性導電粘合劑(40,140)的所述半導體器件(30,130)的不與所述襯底(20,120)連接的區域。
全文摘要
一種電子器件(10,100),包括利用具有低彈性模量的柔性導電粘合劑(40,140),以倒裝晶片方式與下一級的襯底(20,120)互連的一個或多個半導體晶片(30,130)。柔性導電粘合劑(40,140)作為導電凸點(40,140)施加於襯底(20,120)的接觸焊盤(24,124)上或半導體晶片(30,130)的接觸焊盤(34,134)上,並且是具有導電顆料的柔性熱塑性或熱固性樹脂填料。利用用於半導體晶片(30,130)的相同柔性導電粘合劑凸點(24,124,34,134),鍵合例如包括電阻器、電容器之類的封裝元件的其它電子器件(44,46,144,146)。優選地,在互連之前用最好是貴金屬的金屬塗層(38)使晶片(30,130)和下一級襯底(20,120)的接觸焊盤鈍化,以防止焊盤(37)氧化。可使用其彈性模量實質上與柔性導電粘合劑(40,140)的彈性模量同樣低的柔性絕緣有機底層填料(150)。
文檔編號H05K3/32GK1298626SQ99805435
公開日2001年6月6日 申請日期1999年4月22日 優先權日1998年4月24日
發明者凱文·K·T·鍾 申請人:阿梅拉西亞國際技術公司