專利名稱：使用超聲振動(dòng)在電氣器件之間結(jié)合的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種在電氣器件(electrical device)之間結(jié)合(bonding)的方法， 并且更具體地涉及如下一種在電氣器件之間結(jié)合的方法，當(dāng)在電氣器〗牛之間結(jié) 合時(shí)，該方法能夠在固化粘合劑的工藝中無需從外部施加熱量或施加相對(duì)低溫 的熱量，并且斷氐了在熱壓結(jié)合工藝情況下的加工壓力。
背景技術(shù)：
隨著當(dāng)前對(duì)例如纖細(xì)和輕巧、高性能、高集成和環(huán)保的半導(dǎo)體封裝工藝的 需求，倒裝芯片工藝的重要性在芯片級(jí)結(jié)合方法中突顯出來。倒裝芯片工藝目 前將它的4OT領(lǐng)域擴(kuò)展到顯示器封裝(displaypackaging)，例如智能卡、LCD、 PDP等、計(jì)算機(jī)、移動(dòng)電話、通訊系統(tǒng)等的顯示器封裝。在倒裝芯片工藝中使 用的互連材料大體可分為焊料和非焊料材料。直到現(xiàn)在，主要應(yīng)用使用焊料的 倒裝芯片工藝。然而，焊料具有成本效率和結(jié)合工藝復(fù)雜的問題，例如熱焊接 熔劑涂敷(solder flux coating)、芯片/襯底對(duì)準(zhǔn)、焊料凸起回流(solder bump reflow)、熔劑清除、底層填料(underfillmg)和固化。而且，隨著芯片尺寸的變 小，彭佳制造焊球，并且薄膜工藝和光刻工藝等的處理成本增加。因此隨著細(xì) 間距結(jié)合工藝和低成本倒裝芯片工藝更力授到關(guān)注，非焊料材料日益弓l起人們 注意。由此，開發(fā)出《細(xì)粘合劑的倒裝芯片結(jié)合工藝，與4頓常規(guī)焊料的倒裝 芯片結(jié)合工藝相比，它具有低成本、超細(xì)間距能力、無鉛工藝、環(huán)保無焊劑工 藝以及低溫工藝的優(yōu)勢(shì)。
作為半導(dǎo)體封裝的互連材料的粘合劑主要包括各向同性導(dǎo)電粘合劑 (ICA)、各向異性導(dǎo)電粘合劑(ACA)、不導(dǎo)電粘合劑(NCA)等。通常，粘合 劑是復(fù)合材料，包括導(dǎo)電金屬粒子和具有絕緣性質(zhì)禾啦合性的聚合樹脂，并且 根據(jù)導(dǎo)電粒子的含量，從NCA或ACA轉(zhuǎn)換到ICA。特別地，當(dāng)產(chǎn)生電輸運(yùn) (electrical transition )時(shí)導(dǎo)電粒子的含量值被稱為滲透閾值(percolation threshold )。
根據(jù)導(dǎo)電粒子的含量，不具有導(dǎo)電粒子的粘合劑是NCA,而具有小于滲透 閾值的導(dǎo)電粒子的粘合劑是ACA。而且，具有高于該值的導(dǎo)電粒子的粘合劑是ICA，其材料本身就具有導(dǎo)電性質(zhì)。就其特性而言半導(dǎo)體封裝的互連材料的用途、 功能和應(yīng)用可以有很多種。
圖1示出作為非焊料倒裝芯片封裝的互連材料的各向同性導(dǎo)電粘合劑
(ICA)的一個(gè)應(yīng)用實(shí)例。參照?qǐng)Dl，在將ICA施加到例如形成在半導(dǎo)體芯片上 的金釘頭凸起(gold stud bump)或鍍金凸起(gold plated bump)以及無電鍍 (electroless)鐓金凸起的非焊料凸起后，執(zhí)行非焊料凸起和襯底電極的對(duì)準(zhǔn)。然 后，向ICA施加熱量以將其固化以便制造非焊料凸起和襯底電極之間的電互連， 這時(shí)，雖然根據(jù)ICA的固化條件加熱可以不同，但是近似在180。C下進(jìn)行加熱 10到30^H中。然后，在芯片和襯底之間執(zhí)行底層填料工藝以提高倒裝芯片封裝 的可靠性。
各向異性導(dǎo)電膜(ACF)是具有各向異性電特性和粘^4寺性的聚合物膜。 ACF在膜厚度方向具有導(dǎo)電特性并且在表面方向具有絕緣特性，并且基本上由 例如鎳、金聚合物、銀等的導(dǎo)電粒子以及具有熱固特性或熱塑性的絕緣樹脂組 成。在上部電極和下部電極之間用導(dǎo)電粒子形成電互連。通過同時(shí)在芯片或具 有安裝在其上的芯片的柔性電路襯底和玻璃襯底或剛性襯底之間將這些導(dǎo)電粒 子放置在熱量和壓力下，使這些導(dǎo)電粒子分散在ACF中(圖2)。
這時(shí)，通過施加的熱量以生成更大的粘合強(qiáng)度，產(chǎn)生絕緣樹脂的固化。為 了發(fā)衝氐成本粘合劑制造工藝和使用這種粘合齊啲低成本倒裝芯片工藝，使用 熱固性環(huán)氧樹脂或丙烯酸基樹脂的具有高速固化特性的ACF已經(jīng)商業(yè)化。ACA 可分 形態(tài)(各向異性導(dǎo)電膜ACF)和漿料(paste)形式(各向異性導(dǎo)電漿 料ACP)。近來，為了簡(jiǎn)化結(jié)合工藝和粘合劑制造工藝，已開發(fā)出漿料形式的粘 合劑。而且，為了獲得超細(xì)間距結(jié)合和低成本，存在用于去除導(dǎo)電粒子的非導(dǎo) 電膜(NCF)以及以漿料形式制造的NCP。
圖3示出使用NCF或NCP作為互連材料的倒裝芯片結(jié)合工藝。該工藝首 先在襯底電極周圍施加NCF或NCP并且將其與其中形成非焊料凸起，尤其是 金釘頭凸起的芯片對(duì)準(zhǔn)，然后通過在由熱壓結(jié)合工藝將非焊料凸起與襯底電極 直皿觸的同時(shí)施加熱量堅(jiān)固N(yùn)CA。
例如ICA、 ACA (ACF、 ACP)、 NCA (NCF、 NCP)等的互連材料已經(jīng) 用于例如LCD、 PDP、 OLED等平板顯示器的安裝、電氣器件的表面安裝以及 半導(dǎo)體倒裝芯片的結(jié)合。而且，這些互連材料己經(jīng)廣泛用在平板顯示模塊安裝領(lǐng)域中的外引線結(jié)合(out lead bonding, OLB)工藝、PCB工藝、晶玻接裝 (chip-on-glass, COG)工藝以及膜上芯片(chip-on-film, COF)工藝并且將它們
的市場(chǎng)擴(kuò)展到非焊料倒裝芯片結(jié)合工藝和表面器件安裝工藝。
ICA是可以取代用于結(jié)合的現(xiàn)有焯料以便組裝電氣器件或電子器件或電路 配線的材料。它的應(yīng)用領(lǐng)域類似于焊料結(jié)合領(lǐng)域。也就是說，它可用于組裝需 要焊料回流的表面安裝器件或用于使用焊料結(jié)合倒裝芯片，并可fflil在低于焊 料回流工藝的溫度下熱固ICA實(shí)現(xiàn)結(jié)合。但是，這種情況存在加工溫度高且固 化時(shí)間長(zhǎng)的弱點(diǎn)。
對(duì)于ACA，其用于顯示模塊的安裝。ACF最廣慰也用于將柔性襯底結(jié)合 到玻璃襯底時(shí)使用的OLB結(jié)合以及將柔性襯底結(jié)合到PCB襯底時(shí)使用的PCB 結(jié)合。根據(jù)應(yīng)用的領(lǐng)域，其有多種類型的導(dǎo)電粒子并且需要結(jié)合、鵬降低同時(shí) 結(jié)合時(shí)間變決的低溫快速固化鄉(xiāng)。
驅(qū)動(dòng)電路IC芯片密度和集皿越高，在驅(qū)動(dòng)電路IC芯片直接結(jié)合到玻璃 襯底的COG工藝中以及在由倒裝芯片方法將驅(qū)動(dòng)電路IC芯片結(jié)合到柔性襯底 的COF工藝中越需要超細(xì)間距。
因此，目前對(duì)ACF超細(xì)間距結(jié)合以及低溫快速固化類型需要的形勢(shì)預(yù)期會(huì) 繼續(xù)。而且，根據(jù)孔(socket)或焊料的超細(xì)間距結(jié)合能力、設(shè)計(jì)自由度以及結(jié) 合面積和高度的減小的要求，除了顯示模塊安裝之外，ACF結(jié)合也將在柔性襯 底和剛性襯底的安裝中被取代。由于非焊料倒裝芯片結(jié)合工藝取代使用現(xiàn)有焊 料的倒裝芯片結(jié)合的優(yōu)勢(shì)，它的實(shí)用性得以提升。因此，作為ACA的取^t才料， NCA迅速出現(xiàn)。作為用在非焊料倒裝芯片結(jié)合工藝中的非焊料凸起，有金釘頭 凸起、鍍金凸起、無電鍍鎳凸起以及銅凸起等。在這種情況下，因?yàn)橛捎谌埸c(diǎn) 高不能執(zhí)，ffflil回流的倒裝芯片結(jié)合，所以通過4頓ACF的熱壓結(jié)合工藝執(zhí)行 倒裝芯片結(jié)合工藝。
然而，使用ACF的OLB、 PCB、 COG、 COF和柔性到剛性結(jié)合工藝以及
倒裝芯片結(jié)合工藝基于使用熱壓結(jié)合工藝以及其后熱固聚合樹脂的導(dǎo)電粒子與 電極和非焊料凸起的機(jī)械接觸。由此，需要解決結(jié)合壓力的施加、聚合樹脂的 均勻熱固、快速熱固操作的高加工溫度及其引起的封裝熱變形，和襯底平面性 等的多種應(yīng)用問題。特別地，如果化合物半導(dǎo)體芯片或硅芯片的厚度薄，例如 艦加工壓力相對(duì)易碎，由于產(chǎn)生的結(jié)合壓力柳艮制，那么很難實(shí)施ACF結(jié)合工藝。
由此，如果開發(fā)出會(huì)^多解決4頓ICA、 ACF、 NCF、 ACP和NCP的半導(dǎo) 體結(jié)合工藝或安裝工藝中以上問題的新材料或工藝，那么非常有可能使用例如 ICA、 ACA和NCA等聚合物互連材料和j頓它們的低溫結(jié)合工藝以及低成本
結(jié)合工藝o
而且，因?yàn)殡娮赢a(chǎn)品的環(huán)境問題(由于焊劑、清洗、包括Pb的焊料的使用 等)被視為嚴(yán)重的問題，所以在嚴(yán)格控制CFC的使用和Pb的使用形勢(shì)下，對(duì) 這些材料作為環(huán)保替代材料的關(guān)注度更加強(qiáng)烈
發(fā)明內(nèi)容
技術(shù)問題
提出本發(fā)明以克服現(xiàn)有技術(shù)的所述問題。本發(fā)明的一個(gè)目的是克服現(xiàn)有技 術(shù)的所述問題，并且特別地，提供一種電氣器件之間的結(jié)合方法，當(dāng)在電氣器 件之間結(jié)合時(shí)該方法在固化粘合劑的步驟中能夠不需要從外部施加熱量或施加 相對(duì)低溫的熱量，并且在熱壓結(jié)合工藝的情況下降低了加工壓力。 技術(shù)方案
為了實(shí)現(xiàn)該目的，本發(fā)明提供了一禾中電氣器件之間的結(jié)合方法，包括如下
步驟在要結(jié)合的上部電氣器件和下部電氣器件的結(jié)合區(qū)域上對(duì)準(zhǔn)電極；并通
過向上部電氣器件和下部電氣器件之間的粘合劑施加超聲波能量固化該粘合劑
并且從而加熱粘合劑本身。
技術(shù)鄉(xiāng)
當(dāng)在電氣器件之間結(jié)合時(shí)，本發(fā)明能夠在固化粘合劑工藝中不需要從外部 施加熱量或施加相對(duì)低溫的熱量。
而且，本發(fā)明具有在熱壓結(jié)合工藝的情況下斷氏加工壓力的效果。結(jié)果，
本發(fā)明的結(jié)合工藝能夠提高產(chǎn)量(yield)和生產(chǎn)率并提供具有極好的粘合強(qiáng)度 和可靠性的結(jié)合工藝。


參照附圖，根據(jù)下面描述的實(shí)施例，本發(fā)明的其它目的和方面將變得顯而 易見，其中圖1示出f頓傳統(tǒng)各向同性導(dǎo)電粘合劑的但蜈芯片結(jié)合工藝； 圖2示出4頓傳統(tǒng)各向異性導(dǎo)電粘合齊啲倒裝芯片結(jié)合工藝； 圖3示出使用傳統(tǒng)非導(dǎo)電粘合劑的倒裝芯片結(jié)合工藝；
圖4示出根據(jù)本發(fā)明的f頓各向同性導(dǎo)電粘合齊啲倒裝芯片結(jié)合工藝(假 設(shè)使用凸起作為結(jié)合的中間媒介)；
圖5示出根據(jù)本發(fā)明的4頓各向同性導(dǎo)電粘合齊啲倒裝芯片結(jié)合工藝(假 設(shè)不使用凸起作為結(jié)合的中間々某介)；
圖6示出根據(jù)本發(fā)明的4頓各向異性導(dǎo)電粘合齊啲倒裝芯片結(jié)合工藝；
圖7示出在用超聲波能量處理各向異性導(dǎo)電粘合齊啲情況下粘合齊啲纟鵬
變化；
圖8示出根據(jù)本發(fā)明的f頓非導(dǎo)電粘合齊啲倒裝芯片結(jié)合工藝；
圖9示出根據(jù)本發(fā)明的使用各向異性導(dǎo)電粘合劑的柔性-剛性襯底結(jié)合工
藝；
具體實(shí)施例方式
下面將詳細(xì)描述本發(fā)明。
在本發(fā)明中，要結(jié)合的電氣器件尉旨用在諸如半導(dǎo)體芯片或襯底等的電氣 產(chǎn)品中的器件，并且在電氣器件之間的結(jié)合是指在半導(dǎo)體芯片和襯底之間、半 導(dǎo)體芯片和半導(dǎo)體芯片之間或襯底和襯底之間的電連接。
不具體限制這樣的半導(dǎo)體芯片的類型，例如可包括顯示驅(qū)動(dòng)電路IC、圖像 傳感器IC、存儲(chǔ)器IC、非存儲(chǔ)器IC、超高頻或RFIC、硅作為主要成分的半導(dǎo) 體IC以及化合物半導(dǎo)體IC。
在結(jié)合區(qū)域(，A/輸出墊(pad))上的電極中，半導(dǎo)體芯片可能沒有非 焊料凸起或可具有選自例如金釘頭凸起、銅釘頭凸起、鍍金凸起、鍍銅凸起、 無電鍍衞金凸起以及無電鍍像銅/金凸起的一種凸起作為金屬釘頭凸起或鍍金 屬的凸起。
而且，襯底可以是柔性或剛性襯底。這些襯底的其中之一可與半導(dǎo)體芯片 形成電連接，或可與其它襯底形成電連接并且然后包括柔性襯底之間、剛性襯 底之間或柔性襯底和剛性襯底之間的電連接。例如，柔性襯底是指具有例如在 聚Stt胺襯底上形成金屬線的柔性的襯底。同時(shí)，剛性襯底可以是環(huán)敦玻璃、陶瓷、玻璃和硅半導(dǎo)體的襯底。
粘合劑可以是導(dǎo)電粘合劑或非導(dǎo)電粘合劑，并且導(dǎo)電粘合劑同樣可為ICA
或ACA。
ICA包括導(dǎo)電粒子。不具體限制可1頓的導(dǎo)電粒子，且例如可包括選自由
銀、銅、金、碳、鎳、鈀和低熔點(diǎn)焊料粉構(gòu)成的組中的一個(gè)，或包括它們的組 合。
例如，^(頓聚合樹脂作為主要成分的ICA可選自例如環(huán)謝對(duì)脂、聚酉旨樹脂、 丙烯酸樹脂、聚 胺樹脂和聚,別誇熱塑樹脂或熱固樹脂。
ACA包括各向異性導(dǎo)電膜(ACF)或各向異性導(dǎo)電漿料(ACP)的形式。 當(dāng)粘合劑是膜類型時(shí)，粘合齊U層可M如下方法施加到襯底上在大約80。C下 以、5kg^n^在襯底上預(yù)壓具有粘性的表面，然后去除分隔鄉(xiāng)莫。而且，當(dāng)粘合 劑是漿料(paste)類型時(shí)，可通過使用噴射設(shè)備或絲網(wǎng)印刷機(jī)以希望的形狀施 加恒定量的粘合劑。
這些粘合齊抱括導(dǎo)電粒子。不具體限制可使用的導(dǎo)電粒子，并且例如可包 括選自由涂金的聚合物粒子、涂金的鎳粒子、涂金的銅粒子、涂敷低熔點(diǎn)焊料 層的銅粒子和低熔點(diǎn)焊料粒子構(gòu)成的組中的一個(gè)，或包括它們的組合。
而且，ACA還可包括尺寸小于導(dǎo)電粒子的非導(dǎo)電粒子。作為非導(dǎo)電粒子的 實(shí)例，可包括小于或等于1 u m的硅石、氧化鋁、氧化鈹、碳化硅、金剛石、氮 化硼等。可ilil添加上述非導(dǎo)電粒子降低粘合齊啲熱膨脹系數(shù)。
fOT聚合樹脂作為主要成分的ACA可選自例如環(huán)氧樹脂、聚酯積J脂、丙 烯酸樹脂、聚酰亞胺樹脂和聚W對(duì)脂等熱塑柳旨或熱固柳旨。
NCA包括非導(dǎo)電膜(NCF)或非導(dǎo)電漿料(NCP)的形式。當(dāng)粘合劑是膜 鄉(xiāng)時(shí)，可通過如下方法將粘合齊U層施加到襯底上在約80°C下以5kgfi^m2 在襯底上預(yù)壓具有粘性的表面，然后去除分隔紙膜。而且，當(dāng)粘合劑是漿料類 型時(shí)，可通過f頓噴射設(shè)備或絲網(wǎng)印刷設(shè)備以希望的^^但加恒定量的粘合劑。
NCA可包括非導(dǎo)電粒子。作為非導(dǎo)電粒子的實(shí)例，可包括小于或等于lu m的硅石、氧化鋁、氧化鈹、碳化硅、金剛石、氮化硼等?？蒑:添加戰(zhàn)非 導(dǎo)電粒子降低粘合劑的熱膨脹系數(shù)。
例如，IOT聚合樹脂作為主要成分的NCA可選自例如環(huán)氧樹月旨、聚酯樹 脂、丙烯酸樹脂、聚酰亞胺樹脂和聚,脂等的熱塑樹脂或熱固樹脂。本發(fā)明包括可應(yīng)用到多種結(jié)合結(jié)構(gòu)的粘合劑固化工藝。根據(jù)本發(fā)明的粘合 劑固化工藝包括向粘合劑施加超聲波育疆的工藝。通過施加超聲波能量，可降 低加工時(shí)間和溫度。
超聲波振動(dòng)可j頓縱向莉黃向或其組合。為此，可f柳縱向超聲波換能器
禾口/敏黃向超聲波換能器。公知縱向超聲波換能器的特征M過使施加到所有結(jié) 合區(qū)域的振動(dòng)均勻而提高產(chǎn)品收得率和結(jié)合可靠性。然而，如果即使在上部電 極和下部電極接觸后繼續(xù)振動(dòng)，則存在損壞芯片的危險(xiǎn)。在這種情況下，通過
用Teflon 蓋覆蓋超聲波焊頭(ultrasonichom)的端部來降低影響。同時(shí)，在橫 向超聲波傳感器的情況下，由于在橫向上施加振動(dòng)，可最小化由縱向換能器產(chǎn) 生的破壞。然而，在為了固定芯片而使用管芯夾頭(die collet)等的情況下，由 于產(chǎn)生錐型振動(dòng)使芯片端部的結(jié)合特性變壞，這樣會(huì)降低產(chǎn)品收得率和結(jié)合可 靠性。
在本發(fā)明中，就ICA、 ACA、 NCA的特性而言，適當(dāng)?shù)念l率范圍是20KHz 到60KHz。如果在施加相同能量的時(shí)亥贈(zèng)加頻率，另卩么在其相反部分振幅可降 低以斷氐芯片的未對(duì)準(zhǔn)或損壞。而且，由于粘合劑的加熱操作根據(jù)頻率指示不 同的特性，所以有必要執(zhí)行優(yōu)化處理以與工藝需要的條件相匹配。同時(shí)，由于 通過單個(gè)裝置中振動(dòng)器的質(zhì)量和形狀確定振動(dòng)頻率，所以有必要為了改變頻率 而修正或替換裝置。
如果本發(fā)明通過使用單^g來固定并使用頻率，夷，么在結(jié)合時(shí)施加的超 聲波能量由超聲波振動(dòng)振幅確定。由于超聲波振動(dòng)振幅由施加到振蕩器的電源 電壓確定，所以可通過改變?cè)撾妷嚎刂普穹Ｈ绻诮Y(jié)合時(shí)施加的超聲波能量 太大，由于會(huì)發(fā)生芯片損壞或粘合劑過熱，所以有必要優(yōu)化超聲波振動(dòng)振幅。 特別地，在使用ICA、 ACA和NCA的倒裝芯片結(jié)合中，在凸起和墊接觸后可 導(dǎo)致凸起和墊的損壞或者在粘合劑固化后可導(dǎo)致芯片的損壞。為了阻止這些， 當(dāng)結(jié)合幾乎完成時(shí)，在結(jié)合工藝之前的期間可使用振幅可變(amplitude variable) 方法，其平滑地降低施加電壓以陶氐超聲波振動(dòng)振幅。
如果確定了超聲波振動(dòng)頻率和振動(dòng)振幅，那么根據(jù)時(shí)間確定米占合劑的熱值 (heating value)。由于本發(fā)明使用ICA、 ACA和NAC實(shí)施熱超聲波結(jié)合，所以 在合適的溫度下以合適的時(shí)間固化粘合劑很重要。這里，考慮到粘合劑的固化 ^Jt和分角軒^g， ^S的^j^為約180°C到400°C。如果 ^低，那么不發(fā)生固化，因此不可能發(fā)生結(jié)合。而如果 Mit高，那么由于粘合齊啲懶軍或粘合劑 內(nèi)部空隙的生成，結(jié)合可靠性變差。該合適的時(shí)間是指直到粘合齊皖全固化的 時(shí)間。
根據(jù)本發(fā)明，超聲波能量施加方法為，施加恒定頻率長(zhǎng)達(dá)指定時(shí)間或以脈 沖形式施加超聲波能量的方法。也就是說，當(dāng)在任何超聲波振動(dòng)頻率和振動(dòng)振 幅的劍牛下連續(xù)地施加超聲波能量時(shí)，如果粘合齊啲Mit不超過 鵬范圍，僅
控制超聲波振動(dòng)時(shí)間就可實(shí)施熱超聲波(thermosonic)結(jié)合。但是，如果超聲 波振動(dòng)頻率和/或振動(dòng)振幅值很大使得粘合齊l,鵬艦^^范圍，那么艦由電 源以脈沖形式來間歇地提供能量可防止粘合劑過熱。
ICA、 ACA和NCA具有隨著^^的流^f寺性。因?yàn)橛沙暡芰吭谡澈?劑本身內(nèi)部生成的熱根據(jù)粘合劑的流變特性變化，所以當(dāng)溫度升高時(shí)通過施加 熱量給所有或一些上部和下部結(jié)合部分可改變初始溫度升高率。而且，當(dāng)在粘 合齊睏化之前向其施加熱量以最小化粘合齊啲粘度使得粘合劑樹脂可以平滑流 動(dòng)時(shí)，會(huì)達(dá)至贓結(jié)合區(qū)域之間增加粘性并進(jìn)一步斷氏加工壓力的效果。
下面，將參照實(shí)施例更具體地描述根據(jù)本發(fā)明的ffiil^ffi超聲波能量固化 粘合齊啲在電氣器件之間的結(jié)合工藝。
圖4示出在半導(dǎo)體芯片和襯底之間使用ICA的結(jié)合工藝。
該結(jié)合工藝在硅芯片上執(zhí)fi1 Si02鈍化并且然后在其上、沉積1 u m厚的Al 引線。之后，其執(zhí)行SiNx或Si02鈍化工藝并且然后形成I/0直徑為100um、 間距為180 " m的I/O通孑L。其在I/O墊上形成金釘頭凸起并且然后執(zhí)行平面化 工藝以降低相應(yīng)凸起的高度偏差。此時(shí)，其可形成銅釘頭凸起而不是金釘頭凸 起并且同樣執(zhí)行平坦化工藝。
襯底是lmm厚的FR4有機(jī)襯底，具有!I/銅/金引線作為金引線(has nickel/copper/gold wirings as gold wirings)并且除了電極外用焊料掩模保護(hù)。
ICA是用諸如聚合樹脂等的基體材料和諸如銀、碳粒子等的導(dǎo)電填充物混 合的并且它的一般形式是漿料。作為聚合樹脂，有諸如丙烯酸樹脂、聚酰亞胺 樹脂、聚IW湖誇的熱塑樹脂、諸如環(huán)氧樹脂、酚醛樹脂、三聚劂安甲醛樹脂、 聚脂樹脂等的熱固樹脂或其混合樹脂。作為導(dǎo)電填充物，有銀、銅、金、鈀、 銀-鈀合金、碳、鎳或其混合物。其包忝加劑和硬化齊嘮與其混合。
fflM^述工藝獲得的ICA以約10 n m的高度被均勻地施加到例如玻璃等的平坦襯底上。之后，通過4頓倒裝芯片結(jié)合器將測(cè)試芯片浸到所施力啲ICA層 上。ffi51該工藝ICA被轉(zhuǎn)移到形成在測(cè)試芯片上的金釘頭凸起的端部。
fflil將觀賦芯片與有機(jī)襯底的電極對(duì)準(zhǔn)并且然后向其施加超聲波能量，固
化形皿金釘頭凸起端部的ICA。此時(shí)，在幾秒鐘內(nèi)完成ICA的固化并且Mil 之間固化的ICA，觀賦芯片的金釘頭凸起電連接至陏機(jī)襯底上的電極。之后， 在芯片和襯底之間施加作為下部填充物的底層填料并且熱固該底層填料，以便 完成^ffl ICA的倒裝芯片結(jié)合。
在本實(shí)施例中，可Mi^OT超聲波能量增加固化^^并將固化時(shí)間減少幾 秒鐘，而不是4細(xì)固化ICA的現(xiàn)有熱固工藝。
圖5示出在半導(dǎo)體芯片的相應(yīng)I/O中不形成金釘頭凸起或銅釘頭凸起的情 況下直接4頓ICA形成聚合物凸起的實(shí)例。艦利用超聲波能量固化聚合物凸 起可執(zhí)行倒裝芯片結(jié)合工藝。
也就是說，ICA的噴射工藝或絲網(wǎng)印刷工藝在測(cè)試芯片的相應(yīng)I/O上 形成ICA聚合物凸起并且然后施加超聲波能量到該形成的凸起以硬化ICA聚合 物凸起，從而完成倒裝芯片結(jié)合。之后，可通過在芯片和襯底之間填充下部填 充物來執(zhí)行改善可靠性的底層填料工藝。
而且，可ffl31在!頓ICA的表面安裝器件的結(jié)合工藝中4頓超聲波能量執(zhí) 行表面安裝結(jié)合工藝。
首先，M31絲網(wǎng)印刷工藝將ICA均勻施加到襯底電豐肚。之后，fflil^準(zhǔn) 在施力卩ICA的結(jié)合區(qū)域中的表面安裝弓戰(zhàn)框(lead frame)器件或無源元件器件， 然后一旦安裝了它們就施加超聲波能量來固化ICA。如果ffi31向ICA增加超聲 波能量執(zhí)行表面安裝器件的結(jié)合工藝，男卩么不像ffl31使用現(xiàn)有取放裝置安裝表 面安裝器件然后執(zhí)行ICA固化工藝的表面安裝結(jié)合工藝，在無需進(jìn)一步固化工 藝的情況下可完成表面安裝結(jié)合工藝。
圖6示出使用ACA的半導(dǎo)體芯片和襯底的結(jié)合工藝。
首先，該結(jié)合工藝在硅芯片上執(zhí)行Si02鈍化并且然后在其上沉積1 U m厚 的Al引線。之后，其執(zhí)行SiNx或Si02鈍化工藝并且然后形成I/O直徑為100 U m、間距為180 u m的I/O通 L?？梢匀缦滤鲂纬葾CA結(jié)合的非焊料凸起。
{柳金弓戰(zhàn)裝置(gold wire apparatus)以約60到80 y m的高度在I/O墊上 形成金釘頭凸起或銅釘頭凸起。之后，為了降低相應(yīng)凸起的高度偏差執(zhí)行平坦化工藝。該工藝在結(jié)合ACA時(shí)使凸起的端部部分的形M大，并且然后擴(kuò)大結(jié) 合區(qū)域，使得在凸起和襯底之間結(jié)^i午多導(dǎo)電粒子并且其間的電接觸電阻劍氐。 而且，當(dāng)由于凸起高度不均勻而將iiE施加到具體的I/0時(shí)，該工藝可防止損壞 心片。
通過4吏用無電鍍f臬/銅/金鍍工藝(electroless nickel/copper/gold plating process),可以形成20到30um高度的無電鍍凸起(electroless bump)。在這種 情況下，執(zhí)行鋅酸鹽工藝(zincate process)以使Al活化并且然后在合適的溫度 將其浸到無電銜electroless)鎳溶液中持續(xù)合適的時(shí)間的同時(shí)形成鎳凸起。如果必 要，可形成具有弱硬度的無電鍍銅層。之后，為了阻止鎳和銅的氧化并改善導(dǎo)
電性，使用無電鍍M^溶m行鍍薄金。通過使用無電鍍II/金凸起或H/銅/金凸
起執(zhí)行ACA的倒裝芯片結(jié)合工藝，使得ACA中的導(dǎo)電粒子在凸起和襯底電極 之間連接以具有低接觸電阻。
而且，在包括測(cè)試芯片的相應(yīng)I/O的整個(gè)區(qū)域上形成Ti/Au的種子層并且 向除了相應(yīng)I/O墊部分之外的部分施加光致抗蝕劑(PR)之后，可形成金電解 凸起。艦《頓電解f臉方法形成具有固定厚度的鍍金凸起。然后，去除PR并 且刻蝕種子層使得可以在相應(yīng)I/O部分中形成電解鍍金凸起。
使用的襯底是lmm厚的FH4有機(jī)襯底，具有4紫銅/金引線作為金引線并 且除了施加ACA的襯底電極外用焊茅4^模保護(hù)。
ACA包括絕緣樹脂和導(dǎo)電粒子。在膜的情況下，作為聚合樹脂，可j頓固 態(tài)環(huán)^W脂、液態(tài)環(huán)氧樹脂、苯氧對(duì)對(duì)脂和MEK/甲苯;豁啲混合物。作為典型 的硬化劑，可使用微膠囊咪唑硬化劑。而且，在的漿料情況下，硬化劑可被添 加到液態(tài)環(huán) 脂中。經(jīng)過表面處理的導(dǎo)電粒子與其混合以產(chǎn)生ACA溶液。如 果必要，可混合具有1 Pm或更小厚度的非導(dǎo)電粒子以便制氐固化ACA后的熱 膨脹系數(shù)。為了形劍莫，艦DoctorBlade方法在分隔纟鵬上形劍莫并且在80°C 保留1併中以便去除翻U。盡管膜的厚度會(huì)根據(jù)芯片的凸起尺寸變化，但是它 具有10到50 p m的厚度以容納各種凸起。對(duì)于漿料，它4腿為液態(tài)環(huán)W"脂和 添加劑混合物以具有適于絲網(wǎng)印刷工藝或噴射工藝的流變特性。
在有機(jī)襯底等上施加通過所述工藝獲得的ACA后，對(duì)準(zhǔn)其中形成非焊料 凸起的芯片。然后，fflil同時(shí)施加熱量、壓力和超聲波能量給芯片或僅施加超 聲波能量和壓力給芯片執(zhí)行倒裝芯片結(jié)合。在襯底上施加ACA的工藝如下所述。如果ACA是膜類型的ACA， ffiil在80。C下以5kg^cm2在襯底上預(yù)壓具有 膜的表面后，去除分離紙膜，可以在襯底上施加ACA。如果ACA是漿f^M 的ACA，那么可M [頓噴射裝置或絲網(wǎng)印刷裝置以希望的糊犬在襯底上施加 恒定量的ACA。在fOT超聲波振動(dòng)的熱壓結(jié)合工藝或^ffi超聲波振動(dòng)的壓縮結(jié) 合工藝中，ACA的纟鵬能比現(xiàn)有的熱壓結(jié)合工藝中升高得決很多。如圖7所示， 可發(fā)現(xiàn)在ffl31超聲波能量的倒裝芯片結(jié)合結(jié)構(gòu)中，ACA的溫度在2秒內(nèi)升高到 270°C并且到纏大值305。C，并且然后在去除超聲波能量后溫度可快速斷氐。 另外，與在現(xiàn)有熱壓結(jié)合工藝中為每凸起施加廳g的加工壓力的情況不 同，雖然向每凸起施加20—50g，但是可獲得穩(wěn)定的結(jié)合電阻，使得通過超聲波 結(jié)合工藝在fOT ACA的倒裝芯片結(jié)合時(shí)可大大降低加工壓力。 圖8示出使用NCA的在半導(dǎo)體芯片和襯底之間的結(jié)合工藝。 Mil在硅芯片上執(zhí)行Si02鈍化，在其上沉積1 " m厚的Al弓l線并且然后， 執(zhí)行SiNx或Si02鈍化，形成I/O直徑為100 u m并且間距為180 u m的I/O通孔。 由于對(duì)于NCA結(jié)合非焊料凸皿接機(jī)械結(jié)合至附底電極，所以非焊料凸起， 為金釘頭凸起。由于這個(gè)原因，使用金引線裝置在I/O墊上還以60—80 " m的高度形成金 釘頭凸起或銅釘頭凸起。然后為降低每個(gè)凸起的高度偏差執(zhí)4亍平坦化工藝。通 過在NCA結(jié)合中允許凸起端部部分的形變量較大來加寬結(jié)合區(qū)域。而且，當(dāng)由于凸起的高度不均勻而將affi施加到具體i/0上時(shí)，該工藝可防止損壞芯片。另外，很容易排列和結(jié)合芯片和襯底以便可加寬結(jié)合區(qū)域。 使用的襯底是lmm厚的FH4有機(jī)襯底，并且具有H/銅/金引線，并且除 了電極之夕卜用焊禾4^模保護(hù)。NCA包括絕緣樹脂和非導(dǎo)電粒子。在膜的情況中，作為聚合樹脂，可使用 固態(tài)環(huán)氧樹脂、液態(tài)環(huán)氧樹脂、苯氧S^脂禾口MEK/甲苯溶齊啲混合物，并且作 為硬化劑，可艦微S據(jù)咪唑硬化劑。在漿料的情況中，硬化劑可用在液態(tài)環(huán) ^^T脂中。這里，可M混合厚度小于lum的經(jīng)過表面處理的非導(dǎo)電粒子生成 NCA，以便控制例如NCA的熱膨脹系數(shù)等的物理特性。為了形成膜，3!31使 用Doctor Blade方法在分隔會(huì)鵬上形^l莫，并且在80°C的^Jt下保留1併中以 便去除溶劑。盡管膜的厚度根據(jù)芯片凸起的尺寸變化，但是該膜具有10—50 ix m范圍內(nèi)的厚度以i^T容納各種凸起。14在有機(jī)襯底上施加ffi31所虹藝獲得的NCA后，對(duì)準(zhǔn)其中形成例如金釘頭凸起的非焊料凸起的觀賦芯片。然后，通過同時(shí)施加熱量、壓力和超聲波能 量給芯片或僅施加超聲波能量和壓力給芯片執(zhí)行倒裝芯片結(jié)合。在襯底上施加NCA的工藝如下。如果NCA是膜類型的NCA，那么通過在80°C下以5kg^cm2 在襯底上預(yù)壓具有膜的表面后，去除分隔紙膜可以將NCA施加到襯底上。如果 NCA是漿料型的NCA，那么艦{頓噴射裝置或絲網(wǎng)印刷裝置可以將恒定量 的NCA以希望的形狀施加到襯底上。因?yàn)镹CA相對(duì)透明，所以容易實(shí)現(xiàn)襯底 電極和芯片凸起的對(duì)準(zhǔn)。如同在ACA超聲波結(jié)合工藝中那樣，在頓超聲波振動(dòng)的熱壓結(jié)合工藝 中或4頓超聲波振動(dòng)的壓縮工藝中，NCA的^^能比現(xiàn)有壓縮工藝中升高得快 很多。結(jié)果，在不/A^卜部施加熱量的情況下僅M:超聲波能量就可快速實(shí)現(xiàn)NCA 固化。另外，與現(xiàn)有NCA熱壓結(jié)合工藝施加每凸起100—150g的加工壓力的情 況不同，雖然每凸起施加20到70g，但是可ffiil穩(wěn)定的NCA結(jié)合獲得結(jié)合電 阻，使得可以通過超聲波結(jié)合工藝大大斷氐在使用NCA的倒裝芯片結(jié)合中的加 工壓力。圖9示出ffli^f頓超聲波能量的ACA或NCA固化的柔性襯底和剛性襯底 之間的結(jié)合工藝。對(duì)于柔性襯底和剛性襯底的電連接，使用ACF/ACP或NCF/NCP的結(jié)合方 法從與微間距方法發(fā)展趨勢(shì)一致的使用焊料或插口的現(xiàn)有方法中脫穎而出。由 于這個(gè)原因，對(duì)于微間距結(jié)合，使用無粘性類型的柔性襯底使得銅弓l線直接形 成在聚酰亞胺基膜上有所增加。而且，甚至對(duì)于柔性襯底，其中粘合層存在于 現(xiàn)有的聚酰亞胺基膜和銅弓l線之間，通過^f頓ACA或NCA可能執(zhí)行結(jié)合。為 此，在該實(shí)施例中，提供了具有從200 u m間距到500 u m間距的各種間距的無 粘性鄉(xiāng)的柔性襯底，艦供了具有l(wèi)mm厚的KR4襯底作為剛性襯底。一般的可熱固類型將fOT厚度為40 u m的ACF作為互連材料以及8 u m的 鍍金鎳粒子作為導(dǎo)電粒子。為了在柔性襯底和剛性襯底之間的結(jié)合期間與加工 壓力一起施加超聲波能量，必須使用OLD或PCB結(jié)合器方法的超聲波結(jié)M置，而不是普通的倒裝晶片結(jié)合器。也就是說，M:預(yù)壓并向剛性襯底的結(jié)合區(qū),加ACF并且錢性襯底電極和剛性襯底電極之間對(duì)準(zhǔn)，然后在壓縮工藝 中在其上施加熱超聲波能量弓l發(fā)ACF的固化。而且，首先利用普通OLB或PCB結(jié)合器通過ACF預(yù)壓縮柔性襯底和岡帷襯底，然后，向柔性襯底施加超聲波能 量，獲得柔性襯底和剛性襯底之間的結(jié)合。對(duì)于柔性襯底和剛性襯底之間使用ACF的有效且可靠的結(jié)合工藝，可加熱 剛性襯底并且可以脈沖方式施加超聲波能量。另外，顯然每個(gè)縱向超聲波能量 和橫向超聲波能量可獨(dú)立使用。工業(yè)實(shí)用性當(dāng)電子器件之間結(jié)合時(shí)，在固化粘合劑的工藝中本發(fā)明能夠無需從外部施 加熱量或施加相對(duì)低溫的熱量。而且，本發(fā)明在熱壓結(jié)合工藝的情況下具有斷氏加工壓力的效果。結(jié)果， 本發(fā)明的結(jié)合工藝能夠改善產(chǎn)量和生產(chǎn)率并提供具有極好的粘合3艘和穩(wěn)定性 的結(jié)合工藝。
權(quán)利要求
1、一種在電氣器件之間結(jié)合的方法，包括如下步驟在要結(jié)合的上部電氣器件和下部電氣器件的結(jié)合區(qū)域上對(duì)準(zhǔn)電極；并且通過向該上部電氣器件和下部電氣器件之間的粘合劑施加超聲波能量固化該粘合劑并且由此使用來自粘合劑本身的熱。
2、 如權(quán)利要求l的電氣器件之間結(jié)合的方法，其中粘合劑是導(dǎo)電粘合劑或非導(dǎo)電粘合劑。
3、 如權(quán)利要求2的電氣器件之間結(jié)合的方法，其中導(dǎo)電粘合劑是各向同性 導(dǎo)電粘合劑。
4、 如權(quán)利要求3的電氣器件之間結(jié)合的方法，其中各向同性導(dǎo)電粘合齊抱 括選自由銀、銅、金、碳、鎳、鈀、具有低熔點(diǎn)的焊料粉以及其組合組成的組 中的其中一個(gè)作為導(dǎo)電粒子。
5、 如權(quán)利要求3的電氣器件之間結(jié)合的方法，其中各向同性導(dǎo)電粘合齊抱 括選自由環(huán)氧樹脂、聚脂樹脂、丙烯酸樹脂、聚酰亞胺樹脂以及聚砜樹脂組成 的組中的一種樹脂。
6、 如權(quán)利要求2的電氣器件之間結(jié)合的方法，其中導(dǎo)電粘合劑是各向異性導(dǎo)電膜或各向異性導(dǎo)電漿料。
7、 如權(quán)利要求6的電氣器件之間結(jié)合的方法，其中導(dǎo)電粘合齊抱括選自由涂金的聚合物粒子、涂金的鎳粒子、涂金的銅粒子、涂敷低熔點(diǎn)焊料層的鎳粒 子、涂敷低熔點(diǎn)焊料層的銅粒子、低熔點(diǎn)焊料粒子以及其組合組成的組中的其 中之一作為導(dǎo)電粒子。
8、 如權(quán)利要求7的電氣器件之間結(jié)合的方法，其中導(dǎo)電粘合齊腿一步包括 尺寸小于導(dǎo)電粒子的非導(dǎo)電粒子。
9、 如權(quán)利要求7的電氣器件之間結(jié)合的方法，其中導(dǎo)電粘合劑包括選自由 環(huán)氧樹脂、聚脂樹脂、丙烯酸樹脂、聚酰亞胺樹脂以及聚砜樹脂組成的組中的 一種樹脂。
10、 如權(quán)禾腰求2的電氣器件之間結(jié)合的方法，其中非導(dǎo)電粘合劑是非導(dǎo) 電膜或非導(dǎo)電漿料。
11、 如權(quán)利要求10的電氣器件之間結(jié)合的方法，其中非導(dǎo)電粘合劑包括非 導(dǎo)電粒子。
12、 如權(quán)利要求10的電氣器件之間結(jié)合的方法，其中非導(dǎo)電粘合劑包括選自由環(huán)氧樹脂、聚脂樹脂、丙烯酸樹脂、聚酰亞胺樹脂以及聚術(shù)對(duì)脂組成的組 中的一種樹脂。
13、 如權(quán)利要求1的電氣器件之間結(jié)合的方法，其中上部和下部電氣器件 是半導(dǎo)體芯片和襯底，或半導(dǎo)體芯片和半導(dǎo)體芯片。
14、 如權(quán)利要求13的電氣器件之間結(jié)合的方法，其中半導(dǎo)體芯片是選自由 顯示驅(qū)動(dòng)電路IC、圖像傳感器IC、存儲(chǔ)器IC、 一降儲(chǔ)器IC、超高頻或RFIC、 具有硅作為主要成分的半導(dǎo)體IC以及化合物半導(dǎo)體IC組成的組中的一種半導(dǎo) 體芯片。
15、 如權(quán)利要求1的電氣器件之間結(jié)合的方法，其中結(jié)合區(qū)域上的電極具 有選自由金釘頭凸起、銅釘頭凸起、鍍金凸起、鍍銅凸起、無電鍍敏金凸起以 及無電鍍傲銅/金凸起組成的組中的一個(gè)凸起。
16、 如權(quán)利要求1的電氣器件之間結(jié)合的方法，其中上部和下部電氣器件 錢性襯底和剛性襯底或柔性襯底和柔性襯底，或剛性襯底和剛性襯底。
17、 如權(quán)利要求16的電氣器件之間結(jié)合的方法，其中柔性襯底表明金屬引 線形自聚 胺基上。
18、 如權(quán)利要求16的電氣器件之間結(jié)合的方法，其中剛性襯底是環(huán)itM脂 /玻璃、陶瓷、玻璃或硅的半導(dǎo)術(shù)寸底。
19、 如權(quán)利要求1的電氣器件之間結(jié)合的方法，其中超聲波是縱向超聲波 振動(dòng)、橫向超聲波振動(dòng)或其組合。
20、 如權(quán)利要求l的電氣器件之間結(jié)合的方法，其中當(dāng)施加超聲波能量時(shí)， 向所有或一些上部和下部結(jié)合區(qū)域施加熱量。
21、 如權(quán)利要求1的電氣器件之間結(jié)合的方法，其中超聲波振動(dòng)頻率是 20kHz到60kHz。
22、 如權(quán)利要求1的電氣器件之間結(jié)合的方法，其中超聲波振動(dòng)的頻率和 振幅根據(jù)粘合劑的固化禾呈度變化。
23、 如權(quán)利要求1的電氣器件之間結(jié)合的方法，其中超聲波能量以預(yù)定頻 率不斷地施加確定的時(shí)間或以脈沖形式施加。
全文摘要
本發(fā)明提供一種在電氣器件之間結(jié)合的方法，包括如下步驟在要結(jié)合的上部電器件和下部電氣器件的結(jié)合區(qū)域上對(duì)準(zhǔn)電極；并且通過向上部電氣器件和下部電氣器件之間的粘合劑施加超聲波能量固化粘合劑。
文檔編號(hào)H01L21/60GK101322233SQ200680043828
公開日2008年12月10日 申請(qǐng)日期2006年11月22日 優(yōu)先權(quán)日2005年11月24日
發(fā)明者任明鎮(zhèn), 李技元, 白京煜, 金亨俊 申請(qǐng)人:韓國(guó)科學(xué)技術(shù)院