[发明专利]一种基于镍和铜微针锥异种结构的固态超声键合方法

说明书

本发明公开了一种基于镍和铜微针锥异种结构的固态超声键合方法，包括步骤为：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；在待键合偶的其中一侧的焊盘上形成镍微针锥；在待键合偶的另一侧的焊盘上形成铜微针锥；将待键合偶的一侧元件吸附在键合装置压头表面；将所述待键合偶的两侧焊盘对准，使所述镍微针锥与所述铜微针锥匹配接触，向所述待键合偶一侧施加键合压力和超声振动并保持一定时间，使得所述镍微针锥与所述铜微针锥互连键合。本发明的工艺过程简单，无需加热及助焊剂，可避免热损伤，提高产品可靠性；微针锥结构缩短了超声键合的时间，提高了互连的有效性和键合密度。

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，电互连技术是电子封装技术中的核心技术，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。如传统的再流焊工艺需要将温度加热到焊料熔点以上，高的温度环境对芯片本身会产生恶劣的影响，大大降低产品的可靠性。为了达到理想的焊接强度，常常使用助焊剂等有机物，焊接完成后需除去相应残留物，这需要耗费大量的生产时间，进而降低了生产效率。

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偶表面进行处理，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。

通过改变键合偶的表面形貌，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和铜微针锥异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：

本发明提出一种基于镍和铜微针锥异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铜微针锥；

4）将待键合偶的一侧元件吸附在键合装置压头表面；

5）将待键合元件的两侧的电互连焊盘对准，使所述镍微针锥与所述铜微针锥匹配接触，向所述待键合偶一侧施加键合压力和超声振动并保持一定时间，使得所述镍微针锥与所述铜微针锥互连键合。