[发明专利]一种基于镍微针锥同种结构的固态超声键合方法

说明书

技术领域

本发明涉及半导体芯片封装领域，具体是通过表面微针锥金属层的使用，实现元件间超声互连键合的方法。

背景技术

目前电子封装向小型化、高密度化和多芯片化发展，电互连技术的革新是微电子技术发展的关键所在。传统的熔融键合通过高温使得焊料在焊点处融化润湿，冷却后使得键合点固化，从而获得较好的连接。然而对于一些高度集成化的芯片，高温互连的过程可能会影响器件的可靠性，同时伴随着较大的能量消耗。如Cu-Cu热压键合往往需要较高的键合温度，典型值约在350 - 400℃将给封装带来很大的技术障碍。

寻求低焊接温度、高焊接强度的工艺已经成为互连技术的发展趋势。现今有大量文献及专利描述使用非熔融方法实现互连，其中非常重要的途径是利用纳米材料对键合元件表面进行处理，从而降低键合所需的温度。例如利用纳米级金、银等材料的高表面能，降低再结晶温度，从而在压力辅助下产生低温烧结现象，进而实现低温焊接。对于直径为100nm的纳米银颗粒而言，键合可在300°C以下温度、25MPa压力下进行，获得剪切强度在10MPa以上。又例如，一些金属在低温下可相互作用形成高熔点金属间化合物，如铟-银，铟-锡等都可以用来实现低温互连。

超声键合是利用超声波发生器产生的能量，通过换能器在超高频率磁场感应下迅速伸缩而产生弹性震动，然后经变幅杆传给劈刀，使其震动，同时在劈刀上施加一定压力。劈刀在二种合力的共同作用下是焊区二个金属面紧密接触，达到原子间的“键合”，形成牢固的焊接。

通过改变键合元件的表面形貌，也可以达到降低键合温度的效果。微针锥阵列材料由于其针尖结构可以破坏焊料氧化层，被运用在热压键合中，键合后形成嵌入式的界面，在160-200°C可获得较为理想的键合强度，然而该技术由于诸多瓶颈难以实际应用。例如界面存在的空洞使得键合质量不佳，因此需要后期对焊接点持续加热以提高界面强度；空洞的存在使得键合需要较长的时间，这严重影响了其实际应用范围。

发明内容

本发明的目的在于提供一种镍微针锥同种结构的固态超声键合方法，该方法能够克服以往工艺存在的一些缺陷，避免回流焊工艺温度高对器件造成的热损伤，同时避免了微针锥热压焊的界面空洞问题和键合时间过长问题，通用性强，连接效率高，可靠性好。

为解决上述技术问题，本发明是通过如下技术方案实现的：

本发明提供一种基于镍微针锥同种结构的固态超声键合方法，包括步骤如下：

1）选择具有相互匹配的电互连焊盘的两个或多个待键合元件，两两形成一待键合偶；

2）在待键合偶的其中一侧的电互连焊盘上形成镍微针锥；

3）在待键合偶的另一侧的电互连焊盘上形成相同形貌的镍微针锥；

4）将待键合偶一侧元件吸附在键合装置压头表面；

5）将待键合偶两侧的电互连焊盘对准，使两侧镍微针锥匹配接触，向待键偶一侧施加键合压力和超声振动并保持一定时间，使得两侧镍微针锥互连键合。

优选地，所述镍微针锥的形成通过电沉积法实现，通过控制添加剂浓度、时间、电沉积温度、电流密度等参数，控制所述镍微针锥的针锥高度在500纳米至2000纳米之间，所述镍微针锥的锥底直径在200纳米至1000纳米之间。

优选地，所述待键合偶的所述镍微针锥的针锥高度基本一致。

优选地，形成所述镍微针锥后，在所述镍微针锥的表面制备防氧化层。

优选地，所述防氧化层为高温下抗氧化的Au、Pt、Ag、Pd、Sn等金属单质或合金，厚度为数纳米至数十纳米，不改变所述镍微针锥的形貌结构。

优选地，所述压头为中空结构，通过真空负压方式吸附所述待键合元件，键合过程结束后压头复位并脱离元件。

优选地，所述超声振动由超声波发生器产生，超声频率一般为10-150kHz，通过机械装置传导至所述压头及所述待键合元件。

优选地，键合过程在压力及超声振动下保持数百至数千微秒，保持时间由金属种类、键合压力、超声功率及频率要求的最优化结果决定。

一般，键合过程在室温下进行，操作温度为15摄氏度至40摄氏度；键合压力为0.1-30MPa，依据键合超声功率而定；键合时间为0.04-5s，依据键合压力和键合超声功率而定。操作温度低，键合时间短，更易于操作，可广泛应用。

相较于现有技术，本发明具有以下优点：