專利名稱：焊料球的無(wú)助熔劑微穿孔方法和所得的裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本標(biāo)的物大體上針對(duì)微電子裝置的領(lǐng)域，且更特定來(lái)說(shuō)，針對(duì)焊料球的無(wú)助熔劑 微穿孔方法，和所得的裝置。
背景技術(shù)：
使用板上芯片(Chip-on-board)和芯片上板(board-on-chip) (BOC)技術(shù)將半導(dǎo) 體裸片附接到介入層(interposer)或其它載體襯底(例如印刷電路板(PCB))。可經(jīng)由倒 裝芯片附接、線結(jié)合或卷帶式自動(dòng)結(jié)合(“TAB”)來(lái)實(shí)現(xiàn)附接。倒裝芯片附接通常利用球狀 柵格陣列(ball grid array,BGA)技術(shù)。BGA組件(裸片)包括通常呈焊料球或凸塊形式 的以柵格圖案布置在裸片的有效表面上的導(dǎo)電外部觸點(diǎn)，其準(zhǔn)許將裸片倒裝芯片安裝到介 入層或其它載體襯底(例如，PCB)。在倒裝芯片附接中，BGA組件的球與載體襯底上的端子對(duì)準(zhǔn)，且通過(guò)回流焊料球來(lái) 連接?？捎霉袒膶?dǎo)電聚合物替代焊料球。接著將電介質(zhì)底填料(dielectric underfill) 插入于倒裝芯片裸片與載體物質(zhì)的表面之間以嵌入焊料球且使BGA組件與載體襯底機(jī)械
華禹合。線結(jié)合和TAB附接一般涉及以適當(dāng)粘合劑(例如，環(huán)氧樹(shù)脂)或帶將裸片的后側(cè) 附接到載體襯底的表面。在線結(jié)合的情況下，使結(jié)合線附接到裸片上的每一結(jié)合襯墊且結(jié) 合到載體襯底(例如，介入層)上的對(duì)應(yīng)端子襯墊。在TAB的情況下，使柔性絕緣帶(例如 聚酰亞胺)上載有的金屬引線的末端附接到裸片上的結(jié)合襯墊且附接到載體襯底上的端 子襯墊。一般使用電介質(zhì)(例如，硅或環(huán)氧樹(shù)脂)來(lái)覆蓋結(jié)合線或金屬帶引線以防止損壞。倒裝芯片附接已提供改進(jìn)的電性能且允許較大的封裝密度。然而，球狀柵格陣列 技術(shù)的發(fā)展已產(chǎn)生球被制成為較小且具有較緊密間距的陣列。隨著球變得較小且較接近地 置于一起，其引起關(guān)于倒裝芯片裸片上的導(dǎo)電凸塊與襯底或介入層上的結(jié)合襯墊的相互對(duì) 準(zhǔn)的問(wèn)題。倒裝芯片附接還可能導(dǎo)致高成本和處理難題。舉例來(lái)說(shuō)，要求倒裝芯片安裝工 精確地對(duì)準(zhǔn)裸片與介入層或襯底。在倒裝芯片封裝中，固態(tài)熔接、粘合和焊接常用于接合互連系統(tǒng)。這些結(jié)合技術(shù)面 臨眾多組裝挑戰(zhàn)。焊接由于其高組裝良率、經(jīng)由回流消除探測(cè)標(biāo)記的能力、對(duì)在組裝之后 的返工的允許、電穩(wěn)定性和由于自對(duì)準(zhǔn)效應(yīng)的在置放精確性上的高容限而為優(yōu)選的結(jié)合技 術(shù)。然而，對(duì)于焊接組裝來(lái)說(shuō)，仍存在一些挑戰(zhàn)，例如較長(zhǎng)的處理時(shí)間和為了可焊性而基于 助熔劑來(lái)移除氧化物和烴的需要。舉例來(lái)說(shuō)，歸因于用以在周圍環(huán)境中制造焊料球的制造 過(guò)程，焊料球通常具有在球的外表面上形成的氧化物層。在制成到這些焊料球的導(dǎo)電連接的過(guò)程中，歸因于氧化物層的存在而使用助熔 劑，即，使用助熔劑來(lái)移除這些氧化物。處理時(shí)間由于助熔劑應(yīng)用、精確對(duì)準(zhǔn)所需的視覺(jué)時(shí) 間和對(duì)用以提供足夠潤(rùn)濕時(shí)間以便焊接的回流過(guò)程的需要而延長(zhǎng)。氧化物的助熔劑移除留 下對(duì)封裝可靠性不利的不合需要的殘余物。陷入的殘余物還造成可導(dǎo)致過(guò)早接合失效的粗 大(gross)焊接空隙。盡管氯氟碳化物(CFC)在移除助熔劑殘余物方面為有效的，但其對(duì)環(huán)境造成危害且并不呈現(xiàn)長(zhǎng)期的解決方案。因此，助熔劑的使用和其清潔過(guò)程對(duì)于在微電 子系統(tǒng)、光電子系統(tǒng)和微機(jī)電系統(tǒng)的封裝和整合中的倒裝芯片部署設(shè)置障礙。另一方面，無(wú) 助熔劑焊接過(guò)程依賴于受控氣氛以還原氧化物以便焊接，但此在大量實(shí)施中是麻煩的。顯 然，高度需要用于倒裝芯片組裝的在環(huán)境氣氛中進(jìn)行即時(shí)無(wú)助熔劑焊接的方法。本標(biāo)的物針對(duì)可解決或至少減少上述問(wèn)題中的一些或所有問(wèn)題的各種方法和裝 置。


可參考結(jié)合附圖而進(jìn)行的以下描述來(lái)理解本文中所揭示的標(biāo)的物，附圖中相同參 考數(shù)字識(shí)別相同元件，且附圖中圖IA到圖ID為本文中所述的說(shuō)明性裝置的各種視圖；圖2A到圖2B描繪可使用本文中揭示的穿孔結(jié)合結(jié)構(gòu)而實(shí)現(xiàn)的減小的間距；圖3將本文中揭示的穿孔結(jié)合結(jié)構(gòu)描繪為與不同尺寸的焊料球嚙合；圖4描繪本文中揭示的穿孔結(jié)合結(jié)構(gòu)的多種說(shuō)明性末端配置；且圖5A到圖5D描繪用于形成本文中揭示的穿孔結(jié)合結(jié)構(gòu)的一個(gè)說(shuō)明性工藝流程。盡管本文中所述的標(biāo)的物容易受到各種修改和替代形式，但其特定實(shí)施例已以實(shí) 例方式展示于圖式中且在本文中得到詳細(xì)描述。然而應(yīng)理解，特定實(shí)施例在本文中的描述 并不意欲將本發(fā)明限于所揭示的特定形式，相反，意圖為涵蓋處于由所附權(quán)利要求書(shū)界定 的本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)的所有修改、等效物和替代物。
具體實(shí)施例方式下文描述本發(fā)明的標(biāo)的物的說(shuō)明性實(shí)施例。為了清楚起見(jiàn)，在本說(shuō)明書(shū)中并未描 述實(shí)際實(shí)施的所有特征。當(dāng)然，應(yīng)了解，在任何所述實(shí)際實(shí)施例的開(kāi)發(fā)中，均必須作出眾多 實(shí)施特定決策以實(shí)現(xiàn)開(kāi)發(fā)者的特定目標(biāo)，例如，遵守將在各實(shí)施方案之間變化的系統(tǒng)相關(guān) 和商業(yè)相關(guān)約束。另外，應(yīng)了解，此開(kāi)發(fā)努力可能為復(fù)雜且耗時(shí)的，但對(duì)于受益于本發(fā)明的 所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員來(lái)說(shuō)將仍然為例行任務(wù)。盡管將圖式中所示的各種區(qū)域和結(jié)構(gòu)描繪為具有極精確的明確配置和輪廓，但所 屬領(lǐng)域的技術(shù)人員認(rèn)識(shí)到，實(shí)際上，這些區(qū)域和結(jié)構(gòu)并不如圖式中所指示的一樣精確。另 外，與制成的裝置上的那些特征或區(qū)域的尺寸相比，圖式中所描繪的各種特征和摻雜區(qū)域 的相對(duì)尺寸可能被夸示或縮減。然而，包括附圖以描述且解釋本文中所揭示的標(biāo)的物的說(shuō) 明性實(shí)例。圖IA到圖IB描繪根據(jù)本標(biāo)的物的一個(gè)方面的裝置10的說(shuō)明性實(shí)施例。裝置10 包含附接到介入層或襯底14(例如，印刷電路板)的裸片12。術(shù)語(yǔ)“襯底”和“介入層”在 本文中將可互換使用，且應(yīng)將其理解為指代集成電路裸片可安裝到的任何類型的結(jié)構(gòu)。裸 片12包含導(dǎo)電地耦合到導(dǎo)電襯墊17的多個(gè)示意性描繪的焊料球16。焊料球16具有歸因 于經(jīng)執(zhí)行以形成焊料球16的制造工藝而形成于其外表面上的說(shuō)明性氧化物層20，例如，氧 化錫。在襯底14上形成多個(gè)穿孔結(jié)合結(jié)構(gòu)22。使穿孔結(jié)合結(jié)構(gòu)22導(dǎo)電地耦合到延伸穿過(guò) 形成于襯底14中的通孔26的說(shuō)明性導(dǎo)線跡線或線24。導(dǎo)線路線24導(dǎo)電地耦合到形成于 襯底14上的說(shuō)明性接觸襯墊28。還提供電介質(zhì)材料層30以使襯底14上的各種電組件電
5隔離。在穿孔結(jié)合結(jié)構(gòu)22上提供至少一個(gè)抗氧化膜23 (參見(jiàn)圖1C)。圖IA描繪在附接之前裸片12定位于最接近襯底14處的情況?？墒褂枚喾N已知 技術(shù)(例如，粘合劑、環(huán)氧樹(shù)脂等)使裸片12耦合到襯底14。在所描繪的實(shí)例中，將一定量 的非導(dǎo)電膏32定位于襯底14上。在一些應(yīng)用中，可施加非導(dǎo)電膜來(lái)代替非導(dǎo)電膏32。圖IB描繪在制造時(shí)的裝置10，其中已借助于在穿孔結(jié)合結(jié)構(gòu)22與焊料球16之間 的導(dǎo)電嚙合使裸片12導(dǎo)電地耦合到襯底14。穿孔結(jié)合結(jié)構(gòu)22將氧化物層20和焊料球16 穿孔以借此建立此導(dǎo)電連接。還請(qǐng)注意，圖IB描繪在希望或需要時(shí)可用以確保裸片12定 位于距襯底14 一固定距離處的說(shuō)明性孤立結(jié)構(gòu)(standoff structure) 34。在將裸片12附接到襯底14的過(guò)程中，對(duì)裝置10加熱且施加說(shuō)明性向下力40。 向下力40的量值可視特定應(yīng)用而變化。在一個(gè)說(shuō)明性實(shí)施例中，向下力40可在約2kg到 12kg的范圍內(nèi)。在一些特定應(yīng)用中，可采用約8kg的向下力40。將裝置10加熱到焊料球 16的材料的熔點(diǎn)以上的溫度，例如，加熱到在約190°C到210°C的范圍內(nèi)的溫度。視特定應(yīng) 用而定，可施加向下力40并持續(xù)0. 5秒到2秒的持續(xù)時(shí)間。標(biāo)題為“在環(huán)境氣氛中Au與 Pb-Sn 的艮P 時(shí)無(wú)助溶齊[J結(jié)合(Instantaneous Fluxless Bonding of Au with Pb-SnSolder in Ambient Atmosphere) " (Journal of Applied Physics,H 98 034904(2005))白勺t 章在此以其全文引用的方式并入。圖IC到圖ID為說(shuō)明性焊料球16和穿孔結(jié)合結(jié)構(gòu)22在嚙合之前(圖1C)和在嚙 合之后(圖1D)的放大視圖。如先前所提及，穿孔結(jié)合結(jié)構(gòu)22具有在結(jié)構(gòu)22上形成的一 個(gè)或一個(gè)以上抗氧化層23以防止在穿孔結(jié)合結(jié)構(gòu)22上形成氧化膜。在圖IC到圖ID中所 描繪的說(shuō)明性實(shí)例中，抗氧化層23包含金層23A和鎳層23B。當(dāng)然，可采用其它材料。金層 23A可具有約2. 5 μ m的厚度，而鎳層23B可具有約0. 3 μ m的厚度。圖2A到圖2B示意性地描繪可通過(guò)使用本文中所揭示的穿孔結(jié)合結(jié)構(gòu)22而產(chǎn)生 的鄰近導(dǎo)電結(jié)構(gòu)之間的減小的間距。圖2A示意性地描繪通常使用已知技術(shù)形成的說(shuō)明性 導(dǎo)電結(jié)合結(jié)構(gòu)90。常規(guī)結(jié)合結(jié)構(gòu)90具有實(shí)質(zhì)上平面的上表面或接觸表面92。在圖2A中， 將接觸表面92的寬度指定為“A”，將傾斜側(cè)壁94(歸因于用以形成結(jié)構(gòu)90的蝕刻工藝的各 向同性的性質(zhì))的寬度指定為“B”，且將結(jié)構(gòu)90之間的間隔指定為“C”。因此，導(dǎo)電結(jié)構(gòu)90 的間距“P”將為A+2B+C。相反地，在圖2B中所示的穿孔結(jié)合結(jié)構(gòu)22之間的間距(“P1”) 將等于2B+C。簡(jiǎn)而言之，通過(guò)使用本文中所揭示的技術(shù)和穿孔結(jié)合結(jié)構(gòu)22，導(dǎo)電結(jié)合結(jié)構(gòu) (如本文中所揭示的穿孔結(jié)合結(jié)構(gòu)22)之間的間距與采用具有實(shí)質(zhì)上平面或非穿孔上表面 92的結(jié)合結(jié)構(gòu)的現(xiàn)有技術(shù)裝置(如圖2A中所示)相比可實(shí)質(zhì)上較小。舉例來(lái)說(shuō)，通過(guò)使用 本文中所述的穿孔結(jié)合結(jié)構(gòu)22，間距“P1”最小可為約60 μ m。如圖3中所示，可與不同尺寸的焊料球16A、16B、16C—起采用本文中所揭示的方 法和穿孔結(jié)合結(jié)構(gòu)22。因此，可與多種不同連接技藝和技術(shù)一起采用本文中所述的穿孔結(jié) 合結(jié)構(gòu)22。還可采用本標(biāo)的物來(lái)控制裸片12與印刷電路板14之間的偏移。一般來(lái)說(shuō)，在所有 其它事物均相等的情況下，向下力40越大，裸片12與印刷電路板14之間的距離越小。還 可采用嚙合工藝期間的溫度來(lái)控制裸片12與印刷電路板14之間的間隔。一般來(lái)說(shuō)，溫度 越高，裸片12與印刷電路板14之間的間隔越小。如圖4中所示，穿孔結(jié)合結(jié)構(gòu)22對(duì)于結(jié)構(gòu)22的穿孔端22A來(lái)說(shuō)可具有多種配置。舉例來(lái)說(shuō)，穿孔端22A可為尖的、圓的，或可包含多個(gè)尖峰，如在圖4中的穿孔結(jié)合結(jié)構(gòu)22 上所描繪(從左向右)。圖5A到圖5D描繪用于形成本文中所述的穿孔結(jié)合結(jié)構(gòu)22的一個(gè)說(shuō)明性工藝流 程。如圖5A中所示，最初在導(dǎo)電材料層82上方形成掩蔽層80。掩蔽層80可包含多種材料 (例如，光致抗蝕劑材料)，且其可通過(guò)使用傳統(tǒng)光刻技術(shù)而形成。導(dǎo)電材料層80可包含多 種不同材料(例如，金)，且其可通過(guò)多種已知技術(shù)(例如，鍍敷)而形成。如圖5B中所示，執(zhí)行各向異性蝕刻工藝84以部分界定具有傾斜側(cè)壁87的導(dǎo)電結(jié) 構(gòu)86。蝕刻工藝84可在一時(shí)間點(diǎn)停止，以使得導(dǎo)電材料層80的一部分88未被完全蝕刻 掉。在一些應(yīng)用中，可能不需要停止蝕刻工藝84以便留下導(dǎo)電材料層82的剩余部分88。 如圖5C中所示，移除掩蔽層80，且執(zhí)行各向同性蝕刻工藝89直到形成圖5D中所描繪的穿 孔結(jié)合結(jié)構(gòu)22時(shí)為止。請(qǐng)注意，在本文中描繪的說(shuō)明性實(shí)施例中，穿孔結(jié)合結(jié)構(gòu)22具有實(shí) 質(zhì)上三角形的橫截面配置和實(shí)質(zhì)上尖的末端22k。穿孔結(jié)合結(jié)構(gòu)22的末端22A—般是非平 面的或非平坦的，但其可呈現(xiàn)其它配置。舉例來(lái)說(shuō)，圖4描繪穿孔結(jié)合結(jié)構(gòu)22的末端22A 的各種說(shuō)明性配置。因?yàn)榭梢詫?duì)受益于本文中的教示的所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員來(lái)說(shuō)為顯而易見(jiàn)的不同 但等效的方式修改和實(shí)踐本發(fā)明，所以上文所揭示的特定實(shí)施例僅為說(shuō)明性的。舉例來(lái)說(shuō)， 可以不同次序執(zhí)行上文闡述的工藝步驟。另外，除了在所附權(quán)利要求書(shū)中所描述的之外，不 希望限于本文中所示的構(gòu)造或設(shè)計(jì)的細(xì)節(jié)。因此，顯然可更改或修改上文所揭示的特定實(shí) 施例且認(rèn)為所有此類變化均在本發(fā)明的范圍和精神內(nèi)。因此，在本文中尋求的保護(hù)正如在 所附權(quán)利要求書(shū)中所闡述。
權(quán)利要求
一種方法，其包含在襯底上方形成導(dǎo)電材料層；在所述導(dǎo)電材料層上方形成掩蔽層；在所述掩蔽層處于適當(dāng)位置的情況下在所述導(dǎo)電材料層上執(zhí)行第一蝕刻工藝；移除所述掩蔽層；以及在移除所述掩蔽層之后，在所述導(dǎo)電材料層上執(zhí)行各向同性蝕刻工藝，借此界定位于所述襯底上的多個(gè)穿孔結(jié)合結(jié)構(gòu)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其進(jìn)一步包含提供具有多個(gè)焊料球的集成電路裸片，所述焊料球中的每一者具有在所述球的外表面 上的氧化物層；加熱至少所述焊料球；以及施加力，所述力致使所述多個(gè)穿孔結(jié)合結(jié)構(gòu)中的每一者將上面形成有所述氧化物層的 所述焊料球中的一者穿孔，且借此在所述焊料球與所述穿孔結(jié)合結(jié)構(gòu)之間建立導(dǎo)電連接。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其中在周圍含氧環(huán)境中執(zhí)行在權(quán)利要求2中所述的步馬聚ο
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其中加熱至少所述焊料球包含將至少所述焊料球加熱 到高于所述焊料球的材料的熔點(diǎn)的溫度。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其中施加所述力包含施加在5Kg到12Kg的范圍內(nèi)的力 并持續(xù)在0. 5秒到2秒的范圍內(nèi)的持續(xù)時(shí)間。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其中在不將助熔劑施加到所述多個(gè)焊料球的情況下執(zhí) 行在權(quán)利要求2中所述的步驟。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述第一蝕刻工藝為各向異性蝕刻工藝。
8.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其中所述襯底包含印刷電路板。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述多個(gè)穿孔結(jié)合結(jié)構(gòu)中的每一者具有實(shí)質(zhì)上三 角形的橫截面配置。
10.一種方法，其包含提供具有多個(gè)焊料球的集成電路裸片，所述焊料球中的每一者具有在所述球的外表面 上的氧化物層；執(zhí)行加熱工藝以加熱至少所述焊料球；以及施加力，所述力致使襯底上的多個(gè)穿孔結(jié)合結(jié)構(gòu)中的每一者將所述焊料球中的一者和 其相關(guān)聯(lián)的氧化物層穿孔，借此在所述焊料球與所述穿孔結(jié)合結(jié)構(gòu)之間建立導(dǎo)電連接。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其中在周圍含氧環(huán)境中執(zhí)行在權(quán)利要求10中所述的步驟。
12.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其中執(zhí)行所述加熱工藝包含將至少所述焊料球加熱 到高于所述焊料球的材料的熔點(diǎn)的溫度。
13.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其中施加所述力包含施加在5Kg到12Kg的范圍內(nèi)的 力并持續(xù)在0. 5秒到2秒的范圍內(nèi)的持續(xù)時(shí)間。
14.根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，其中在不將助熔劑施加到所述多個(gè)焊料球的情況下 執(zhí)行在權(quán)利要求10中所述的步驟。2
15.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其中所述襯底包含印刷電路板。
16.根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，其中所述多個(gè)穿孔結(jié)合結(jié)構(gòu)中的每一者具有實(shí)質(zhì)上 三角形的橫截面配置。
17.一種裝置，其包含集成電路裸片，其具有導(dǎo)電地耦合到所述裸片上的結(jié)合襯墊的多個(gè)焊料球，所述焊料 球中的每一者具有在其外表面上的氧化物層；以及襯底，其包含多個(gè)穿孔結(jié)合結(jié)構(gòu)，所述穿孔結(jié)合結(jié)構(gòu)中的每一者至少部分穿透且延伸 到對(duì)應(yīng)焊料球中，借此在所述焊料球與所述穿孔結(jié)合結(jié)構(gòu)之間建立導(dǎo)電連接，所述穿孔結(jié) 合結(jié)構(gòu)穿透所述氧化物層。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的裝置，其中所述穿孔結(jié)合結(jié)構(gòu)具有非平坦的末端。
19.根據(jù)權(quán)利要求17所述的裝置，其中所述穿孔結(jié)合結(jié)構(gòu)中的每一者包含形成于所述 穿孔結(jié)合結(jié)構(gòu)的外表面上的至少一個(gè)抗氧化層。
20.根據(jù)權(quán)利要求19所述的裝置，其中所述至少一個(gè)抗氧化層包含多個(gè)材料層。
21.根據(jù)權(quán)利要求20所述的裝置，其中所述多個(gè)層包含形成于所述穿孔結(jié)合結(jié)構(gòu)的暴 露表面上的含金層和形成于所述含金層上的含鎳層。
22.根據(jù)權(quán)利要求17所述的裝置，其中所述多個(gè)穿孔結(jié)合結(jié)構(gòu)具有實(shí)質(zhì)上三角形的橫 截面配置。
全文摘要
本發(fā)明揭示一種方法，其包括在襯底上方形成導(dǎo)電材料層；在所述導(dǎo)電材料層上方形成掩蔽層；在所述掩蔽層處于適當(dāng)位置的情況下在所述導(dǎo)電材料層上執(zhí)行第一蝕刻工藝；移除所述掩蔽層；以及在移除所述掩蔽層之后，在所述導(dǎo)電材料層上執(zhí)行各向同性蝕刻工藝，借此界定位于所述襯底上的多個(gè)穿孔結(jié)合結(jié)構(gòu)。
文檔編號(hào)H05K3/40GK101904230SQ200880121032
公開(kāi)日2010年12月1日 申請(qǐng)日期2008年12月3日 優(yōu)先權(quán)日2007年12月18日
發(fā)明者李德慶 申請(qǐng)人:美光科技公司