[发明专利]使用超声振动在电气器件之间结合的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种在电气器件(electrical device)之间结合(bonding)的方法，并且更具体地涉及如下一种在电气器件之间结合的方法，当在电气器件之间结合时，该方法能够在固化粘合剂的工艺中无需从外部施加热量或施加相对低温的热量，并且降低了在热压结合工艺情况下的加工压力。

背景技术

随着当前对例如纤细和轻巧、高性能、高集成和环保的半导体封装工艺的需求，倒装芯片工艺的重要性在芯片级结合方法中突显出来。倒装芯片工艺目前将它的使用领域扩展到显示器封装(display packaging)，例如智能卡、LCD、PDP等、计算机、移动电话、通讯系统等的显示器封装。在倒装芯片工艺中使用的互连材料大体可分为焊料和非焊料材料。直到现在，主要应用使用焊料的倒装芯片工艺。然而，焊料具有成本效率和结合工艺复杂的问题，例如热焊接熔剂涂敷(solder flux coating)、芯片/衬底对准、焊料凸起回流(solder bumpreflow)、熔剂清除、底层填料(underfilling)和固化。而且，随着芯片尺寸的变小，更难制造焊球，并且薄膜工艺和光刻工艺等的处理成本增加。因此随着细间距结合工艺和低成本倒装芯片工艺更加受到关注，非焊料材料日益引起人们注意。由此，开发出使用粘合剂的倒装芯片结合工艺，与使用常规焊料的倒装芯片结合工艺相比，它具有低成本、超细间距能力、无铅工艺、环保无焊剂工艺以及低温工艺的优势。

作为半导体封装的互连材料的粘合剂主要包括各向同性导电粘合剂(ICA)、各向异性导电粘合剂(ACA)、不导电粘合剂(NCA)等。通常，粘合剂是复合材料，包括导电金属粒子和具有绝缘性质和粘合性的聚合树脂，并且根据导电粒子的含量，从NCA或ACA转换到ICA。特别地，当产生电输运(electricaltransition)时导电粒子的含量值被称为渗透阈值(percolation threshold)。

根据导电粒子的含量，不具有导电粒子的粘合剂是NCA，而具有小于渗透阈值的导电粒子的粘合剂是ACA。而且，具有高于该值的导电粒子的粘合剂是ICA，其材料本身就具有导电性质。就其特性而言半导体封装的互连材料的用途、功能和应用可以有很多种。

图1示出作为非焊料倒装芯片封装的互连材料的各向同性导电粘合剂(ICA)的一个应用实例。参照图1，在将ICA施加到例如形成在半导体芯片上的金钉头凸起(gold stud bump)或镀金凸起(gold plated bump)以及无电镀(electroless)镍/金凸起的非焊料凸起后，执行非焊料凸起和衬底电极的对准。然后，向ICA施加热量以将其固化以便制造非焊料凸起和衬底电极之间的电互连，这时，虽然根据ICA的固化条件加热可以不同，但是近似在180℃下进行加热10到30分钟。然后，在芯片和衬底之间执行底层填料工艺以提高倒装芯片封装的可靠性。

各向异性导电膜(ACF)是具有各向异性电特性和粘合特性的聚合物膜。ACF在膜厚度方向具有导电特性并且在表面方向具有绝缘特性，并且基本上由例如镍、金/聚合物、银等的导电粒子以及具有热固特性或热塑性的绝缘树脂组成。在上部电极和下部电极之间用导电粒子形成电互连。通过同时在芯片或具有安装在其上的芯片的柔性电路衬底和玻璃衬底或刚性衬底之间将这些导电粒子放置在热量和压力下，使这些导电粒子分散在ACF中(图2)。

这时，通过施加的热量以生成更大的粘合强度，产生绝缘树脂的固化。为了发展低成本粘合剂制造工艺和使用这种粘合剂的低成本倒装芯片工艺，使用热固性环氧树脂或丙烯酸基树脂的具有高速固化特性的ACF已经商业化。ACA可分成膜形态(各向异性导电膜ACF)和浆料(paste)形式(各向异性导电浆料ACP)。近来，为了简化结合工艺和粘合剂制造工艺，已开发出浆料形式的粘合剂。而且，为了获得超细间距结合和低成本，存在用于去除导电粒子的非导电膜(NCF)以及以浆料形式制造的NCP。

图3示出使用NCF或NCP作为互连材料的倒装芯片结合工艺。该工艺首先在衬底电极周围施加NCF或NCP并且将其与其中形成非焊料凸起，尤其是金钉头凸起的芯片对准，然后通过在由热压结合工艺将非焊料凸起与衬底电极直接接触的同时施加热量坚固NCA。