[發明專利]一種使用銦和微針錐結構的熱壓縮芯片低溫互連方法

有效

• 申請號: 201210085337.8
• 申請日: 2012-03-28
• 公開（公告）號: CN102543783A
• 公開（公告）日: 2012-07-04
• 發明（設計）人: 李明;胡安民;陳卓
• 申請（專利權）人: 上海交通大學
• 主分類號: H01L21/60
• 分類號: H01L21/60
• 代理公司: 上海漢聲知識產權代理有限公司 31236
• 代理人: 胡晶

技術領域

本發明涉及半導體芯片封裝領域，具體是通過將帶有表面銦層的鎳針錐層，與另一側第二金屬層進行熱壓縮，實現元件間固態互連接合的方法。

?

背景技術

半導體芯片封裝的微互連技術正不斷的革新，傳統的熔融鍵合技術是通過溫度的控制使得鍵合點處的金屬熔化打濕鍵合點兩側，冷卻后鍵合點固化，從而得到良好的焊接，例如再流焊。再流焊工藝需要將焊接溫度提高到第二金屬的熔點以上，高的溫度環境會對某些芯片或基板產生惡劣的影響，降低產品的可靠性。為了達到理想的結合強度，有時需要使用助焊劑，粘結劑等有機物。減少第二金屬高溫氧化的風險，并用來去除第二金屬表面的氧化膜，以提高潤濕性。在焊接完成后，需要清除焊劑或焊劑殘留物。助焊劑的使用和除去殘留物要耗費一定的生產時間，而當芯片和芯片間，或芯片和基片間的空隙越小的時候，焊劑殘留物就越難完全去除。

尋求低的焊接溫度已是芯片互連技術的發展的一大趨勢。現如今有諸多相關文獻和專利，描述非熔融方法實現的芯片到基片或芯片到芯片疊層的互連工藝。主要的技術手段可分為兩類，一類是金屬-金屬直接鍵合，通過表面清潔處理去除金屬表面的污染和氧化層，獲得高表面活性，使其能夠在遠低于熔點的溫度下實現原子級連接。另一類是使用中間層，例如利用納米級金屬(如金、銀)顆粒的高表面能，降低再結晶溫度，從而在較低的溫度輔以壓力下產生低溫燒結現象而實現互連。又例如，某些金屬具有在低溫下具有相互形成高熔點金屬間化合物的性質，已有報道利用此性質實現銦-銀、銦-錫等金屬間的低溫焊接。

銅-銅固態鍵合已有多種報道，其中，表面活化鍵合(SAB)技術能夠實現溫度低至室溫下的多種金屬之間的原子級連接。用于實現表面活化鍵合的銅表面一般經過精細的化學機械拋光以達到納米級平整度，獲得高度活化的金屬表面的途徑包括氬原子、離子、等離子體處理等。當表面氧化物和污染被清除后，完成活化的芯片或晶圓表面需要真空保護以控制再次氧化的速率，并在更高的真空度下完成直接鍵合。包括銅-銅固態鍵合在內的一系列基于表面活化的高平整度金屬-金屬直接鍵合技術對晶圓的加工工藝有相當高的要求，并往往用于圓片級互連。

使用納米金屬顆粒實現的鍵合技術也有廣泛的報道，最常使用的是納米銀顆粒，由于金屬顆粒在直徑達到納米級時，燒結溫度隨尺寸縮小和表面能的增大而明顯降低，亦可在大大低于熔融焊的溫度，甚至低至室溫的條件下燒結鍵合，獲得具有高溫穩定性的焊點。納米銀顆粒的制備可通過烘干凝膠中的溶劑來得到，對于直徑約為100?nm的銀顆粒而言，鍵合可在300℃以下的溫度、25?MPa以下的壓力下進行，獲得的剪切強度在10?MPa以上。這種方法因為焊點具有相當高的電導率和熱導率，在大功率元件和大面積芯片陣列型封裝中具有較廣的使用前景。

針對某些器件高工作溫度的特點，亦有新的鍵合材料和技術體系開發以取代無法承受高溫的錫基焊料，例如，金屬銦由于具有較低的熔點而被認為是一種有前途的低溫焊接金屬，目前對封裝領域銦的使用主要研究體現在利用銦和其他焊料金屬層，如銀、錫、銅、金等，反應產生較高熔點的金屬間化合物。例如利用多層結構的銀和錫薄膜分別制備在鍵合偶的兩側，在約180℃下輔以接觸壓力，銀在液相的銦中過飽和而生成等固相產物，從而實現工藝溫度低于傳統無鉛焊料的焊接。通過設計銦層和銀層(或錫層)的厚度，反應能夠將兩側薄膜完全消耗，形成熔點大幅提高至700℃以上的Ag₂In和Ag₃In金屬間化合物，以得到牢固的鍵合，并且具有無需助焊劑、無氧化、較低的應力以及幾乎無缺陷的特點。

?

發明內容

本發明針對上述現有技術中存在的技術問題，提出一種使用銦和微針錐結構的熱壓縮芯片低溫互連方法，該方法能夠克服以往工藝在新的封裝技術應用中的一些缺陷，避免回流焊工藝溫度對器件產生較大的熱損傷，該方法通用性強，無需助焊劑，工藝流程簡單，能明顯降低現有倒裝焊工藝溫度。

為達到上述目的，本發明所采用的技術方案如下：

一種使用銦和微針錐結構的熱壓縮芯片低溫互連方法，包括芯片到基片的粘接互連方法，或者芯片與芯片的疊層垂直互連方法，步驟如下：

1)、選擇表面具有電互連焊盤金屬塊的第一芯片；

2)、選擇具有與第一芯片電互連焊盤區域相對應焊盤的基片或第二芯片；

3)、在第一芯片焊盤區域制備鎳微針錐層及銦層；

4)、在基片或者第二芯片焊盤區域制備金屬凸點，包括下層的第一金屬柱和表面覆蓋的第二金屬帽；