[發(fā)明專利]使用加熱鍵合頭的直接晶粒裝配

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 200910180727.1
• 申請日: 2009-10-21
• 公開（公告）號: CN101728288A
• 公開（公告）日: 2010-06-09
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 李明;丁穎;屠平亮;羅敬銘;鐘國基
• 申請（專利權(quán)）人: 先進(jìn)自動器材有限公司
• 主分類號: H01L21/603
• 分類號: H01L21/603;H01L33/00;B23K1/00;B23K1/20;B23K35/24
• 代理公司: 北京申翔知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11214
• 代理人: 周春發(fā)

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及半導(dǎo)體晶粒(dice)或芯片，如發(fā)光二極管LEDs(light-emitting?diodes)在襯底上的鍵合。

背景技術(shù)

對于電子封裝件裝配過程中的晶粒鍵合，結(jié)實(shí)耐用的晶粒裝配工藝對實(shí)現(xiàn)低阻抗、低熱阻和良好的機(jī)電一體化而言是關(guān)鍵的。現(xiàn)有的用于高亮度LED(HBLED：High?Brightness?LED)器件的晶粒鍵合工藝通常包括銀(Ag)環(huán)氧樹脂鍵合、金-錫(gold-tin)(AuSn)共晶鍵合(eutectic?bonding)、用于倒裝芯片鍵合的金(Au)球(goldstuds)的熱超聲鍵合(TS：thermosonic?bonding)或焊料凸塊(solderbumps)的回流焊接(solder?reflow)。雖然銀環(huán)氧樹脂鍵合是簡單而又成熟的工藝，但是它的低熱傳導(dǎo)能力限制了它在大功率場合的應(yīng)用。倒裝芯片結(jié)構(gòu)具有用于有效散熱的接觸區(qū)域相對小的缺點(diǎn)。在這些晶粒鍵合方法中，金-錫共晶鍵合提供了低熱阻和接觸區(qū)域相對大的優(yōu)點(diǎn)，這些優(yōu)點(diǎn)特別有益于功率器件的應(yīng)用場合。在芯片構(gòu)造過程中，80％金/20％錫的共晶金屬層沉積在芯片的底部。該金屬層的熔化溫度通常大約為280℃。

關(guān)于金-錫共晶晶粒裝配，目前存在兩種可能的方法，即：助焊劑共晶晶粒裝配(flux?eutectic?die?attach)和直接共晶晶粒裝配(direct?eutectic?die?attach)。在助焊劑共晶晶粒裝配過程中，少量的助焊劑被放置在封裝件襯底上，而LED放置在助焊劑上。此后，帶有多個安裝其上的LED的襯底將會被放入回焊爐(reflow?oven)中完成鍵合。在整個工藝過程中沒有施加外力。這種方法的好處是不會發(fā)生晶粒裝配金屬的擠出效應(yīng)。然而，存在一些難題妨礙該工藝的有效?性。其中最相關(guān)之一的是助焊劑殘留(flux?residue)，由于濕氣腐蝕(moisture?corrosion)這可能導(dǎo)致封裝件可靠性問題。而且，由于助焊劑滴涂體積和精度一致性的控制難度，包括晶粒傾斜和晶粒轉(zhuǎn)動的芯片移動不能得以避免。不充足的助焊劑引起金-錫材料的不沾錫(non-wetting)，但是使用太多的助焊劑會導(dǎo)致金-錫材料的沾錫不良(poor-wetting)和影響放置精度。

直接共晶晶粒裝配包括：在帶有保護(hù)氣體的環(huán)境腔室(ambientchamber)內(nèi)將襯底預(yù)熱至300-320℃，然后通過鍵合頭夾體拾取LED并使用壓力將其放置在加熱的襯底上。經(jīng)過特定的時間(大約100-200ms)之后，接觸力被釋放。起初在這個工藝中，襯底上金-錫共晶層將會處于熔融狀態(tài)。在襯底鍵合盤材料(金、銀、鈀等)在熔融的金-錫共晶層中熔化，并達(dá)到在該溫度下的飽和極限(saturationlimit)之后，由于偏共晶成分(off-eutectic?composition)的高熔點(diǎn)凝固將會出現(xiàn)。結(jié)果，通過金-錫共晶材料LED被鍵合在襯底上。由于在所述的LED晶粒裝配過程中使用了外力，且在該工藝中不需要助焊劑，所以可以發(fā)現(xiàn)其鍵合性能和助焊劑共晶晶粒裝配相比更加令人鼓舞。

但是，在制造HBLED器件的過程中，直接晶粒裝配近來出現(xiàn)了兩個問題。首先，由于厚的金-錫層凝固速率緩慢，在鍵合頭從芯片表面移離之后被擠出的焊料趨于回流，鍵合之后孔洞(voids)可能出現(xiàn)在LED和襯底之間的接合處。這些孔洞是不可以接受的，因?yàn)?!-- SIPO -->電子封裝的可靠性嚴(yán)重依賴于晶粒裝配的質(zhì)量，任何的孔洞或細(xì)小的分層(delamination)可能導(dǎo)致晶粒中快速的溫度提升，遲早導(dǎo)致封裝件故障。更重要的是，隨著襯底尺寸的增加，在每個襯底上待鍵合的單元數(shù)量達(dá)到幾百個或者甚至超過一千多個單元。在整個襯底上完成LEDs鍵合將會花費(fèi)顯著多的時間，已鍵合的LEDs將在加熱的襯底上忍受更長的退火時間(annealing?time)，這將降低LED的性能。

充分地加快焊料凝固的速度以控制孔洞在接合處的出現(xiàn)是令人期望的。避免已經(jīng)鍵合在加熱的襯底上的LEDs的退火而導(dǎo)致的毀壞，?這也是令人期望的。

發(fā)明內(nèi)容

因此，本發(fā)明的目的在于提供一種直接晶粒裝配的晶粒鍵合方法，其避免了現(xiàn)有的晶粒鍵合方法的至少部分的前述不足。