貼附電子元件的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及將電子元件貼附到金屬基板的方法，特別地，盡管非排他地，涉及將倒裝芯片元件(有源或無源)貼附到引線框架的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]在此描述的示例涉及將電子元件貼附到金屬基底，例如倒裝元件的裝配，如倒裝芯片元件到基板或引線框架。以下為方便起見，將這種倒裝芯片元件稱為倒裝芯片。倒裝芯片封裝可以是具有可控坍塌芯片連接方法，用來使半導(dǎo)體器件與外部電路互相連接。倒裝芯片可以具有焊接凸塊/銅柱/焊帽，其被置于倒裝芯片的焊墊上，從而提供暴露的焊接區(qū)域(一個提供暴露的焊接的區(qū)域)。該焊接凸塊/銅柱/焊帽可以在晶圓工藝步驟中被置于晶圓正面的芯片焊墊上。
[0003]為將倒裝芯片貼裝到基板上(例如，引線框架、電路板、襯底、或者另一芯片或晶圓)，其可以被翻轉(zhuǎn)從而正面朝下并對準(zhǔn)，從而它的焊接區(qū)域與外部電路上的匹配焊墊相對準(zhǔn)。焊料可以通過回流焊，以完成電學(xué)連接。
[0004]所需要的是，降低成本和減小缺陷，例如實現(xiàn)“零缺陷”質(zhì)量計劃。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]根據(jù)本發(fā)明的第一方面，提供一種將電子元件貼附到金屬基板的方法，電子元件包括提供在暴露的焊接區(qū)域的焊料，該方法包括:
[0006]在基板上形成基于金屬的復(fù)合層，其中所述基于金屬的復(fù)合層的最低厚度為1nm ；
[0007]將電子元件置于金屬基板上，從而焊接區(qū)域與基于金屬的復(fù)合層的接觸區(qū)域相接觸；以及
[0008]加熱焊接區(qū)域，從而基于金屬的復(fù)合層分解，并且焊接區(qū)域形成為電子元件與金屬基板之間的電連接。
[0009]在基板上提供該基于金屬的復(fù)合物層，與焊劑或焊料直接施加到基板上相比，可以防止或減小焊劑和/或焊料在加熱時過度流出，加熱提供回流過程。
[0010]基于金屬的復(fù)合物層的最小厚度為10、20或25nm?；诮饘俚膹?fù)合物層的最大厚度為40、50、100、250、500nm或I微米?；诮饘俚膹?fù)合物層的可以具有20至50nm的厚度。
[0011]在基板上形成基于金屬的復(fù)合物層的步驟可以包括將金屬基板暴露于反應(yīng)氣體。反應(yīng)氣體可以包括氧、氮和硫中的一個或多個。反應(yīng)氣體的壓力可以是I個大氣壓。反應(yīng)氣體可以是壓力為I個大氣壓的氣體混合物中的組分。
[0012]在基板上形成基于金屬的復(fù)合物層包括在范圍為50°C至250°C的溫度下，特別是150 °C至250 °C或者175 °C至250 °C下，將金屬基板暴露于反應(yīng)氣體。在基板上形成基于金屬的復(fù)合物層包括在范圍為5至60分鐘的時間中，特別是15至30分鐘或者5分鐘以上，可選地在以上所述的一個溫度范圍內(nèi)，將金屬基板暴露于反應(yīng)氣體。
[0013]焊接區(qū)域可包括一部分的焊劑。該部分的焊劑可以位于焊接區(qū)域的暴露部分。焊料可以提供在焊劑與電子元件的電學(xué)接觸之間。該方法可包括加熱焊接區(qū)域，從而焊劑分解基于金屬的復(fù)合物層的接觸區(qū)域。電子元件可以是倒裝元件。
[0014]基于金屬的復(fù)合物層可以具有比金屬基板低的表面能。基于金屬的復(fù)合物層可以是陶瓷?；诮饘俚膹?fù)合物層可以包括金屬氧化物層、金屬氮化物層或金屬硫化物層中的一個或多個。金屬氧化物層可以包括Cu2O和/或CuO。按重量計算的氧化物層的主體可以是由Cu2O和/或CuO組成。
[0015]金屬基板可以為合金基板。合金基板可以包括鋼。金屬基板可以包括銅、鋁、鉻和鎳中的一個或多個。
[0016]根據(jù)本發(fā)明的進(jìn)一步的方面，提供一種配置為執(zhí)行所述的任意方法的裝置。
[0017]根據(jù)本發(fā)明的進(jìn)一步的方面，提供一種用于接收電子元件的基板，電子元件在焊接區(qū)域上提供焊料，基板包括:
[0018]金屬基板，用于電連接到電子元件；以及
[0019]在金屬基板上的基于金屬的復(fù)合物層，其中所述基于金屬的復(fù)合物層的最低厚度為 1nm ；
[0020]其中所述基于金屬的復(fù)合物層配置為在與焊接區(qū)域接觸時分解，其中焊接區(qū)域熔化從而焊接區(qū)域形成為電子元件與金屬基板之間的電連接。
[0021]基板可以是引線框架?；诮饘俚膹?fù)合物層可以具有比金屬基板低的表面能。
[0022]根據(jù)本發(fā)明的進(jìn)一步的方面，提供一種倒裝芯片元件，包括所描述的基板。
【附圖說明】
[0023]以下將結(jié)合附圖對于本發(fā)明的實施方式進(jìn)行進(jìn)一步描述，其中:
[0024]圖1a所示的是經(jīng)過了助焊、焊料和元件放置之后的第一元件結(jié)構(gòu)，但是在回流之
、廣.刖;
[0025]圖1b所示的是圖1a中的元件結(jié)構(gòu)經(jīng)過回流之后；
[0026]圖2a所示的是經(jīng)過了焊劑、焊料和元件放置之后的第二元件結(jié)構(gòu)，但是在回流之
、廣.刖;
[0027]圖2b所示的是圖2a中的元件結(jié)構(gòu)經(jīng)過回流之后；
[0028]圖3所示的是焊劑/焊料流出的量隨施加到金屬基板上的氧化的水平而變化的四個例子；以及
[0029]圖4所示的是一種將電子元件貼附到金屬基板的方法。
【具體實施方式】
[0030]圖1a和圖1b顯示了有源或無源電子元件(在本示例中為倒裝芯片102)是如何被電性地及機(jī)械地連接到金屬基板104。圖1a所示的是經(jīng)過了焊劑、焊料和元件放置之后的元件結(jié)構(gòu)，但是在回流之前。圖1b所示的是經(jīng)過了焊劑、焊料和元件放置以及經(jīng)過回流之后的元件結(jié)構(gòu)。
[0031]可以理解的是，該電子元件可以是任何管芯或其他類型的元件。例如，金屬基板104可以是引線框架，以及可以由銅制成。金屬基板104可以是電路板、例如印刷電路板(PCB)上的跡線或焊墊。
[0032]圖1a中所示的倒裝芯片102具有連接其上的焊接凸塊106。在回流之前，焊接凸塊106和焊劑108 (在平行于金屬基板104的平面的維度上)具有寬度XI。焊接凸塊106電接觸到倒裝芯片之中的接觸焊墊(圖未示)?？梢灾赖氖?，焊接凸塊106與一定容量的焊劑108聯(lián)合在一起，為便于展示，焊劑108在圖中概略地顯示在焊接凸塊106與金屬基板104之間。焊劑108可以使得焊接凸塊106在被加熱后易于流動，并可以減少或阻止倒裝芯片102將要連接的金屬基板的氧化。在焊料被回流之前，焊劑108具有厚度(在垂直于金屬基板104的平面的維度上)d2，焊接凸塊具有厚度d3。
[0033]圖1b顯示了焊接凸塊106被回流之后的元件結(jié)構(gòu)。當(dāng)?shù)寡b芯片102相鄰于金屬基板104時，加熱和回流焊接凸塊106以及焊劑108，可以利用焊劑以及隨后的焊接粘著，以將倒裝芯片102機(jī)械地、電學(xué)地連接到金屬基板104。通過這樣，形成了從倒裝芯片102到金屬基板104的第一級(封裝內(nèi)部)互連。然而，由于焊劑108的粘性隨著溫度和時間會發(fā)生變化，特別是當(dāng)金屬基板104的表面是干凈的時候，焊劑的位置可以偏離其原來的位置，并沿著金屬基板104的表面流動或蔓延，從而焊接附著到金屬基板104上的點會比最初焊接凸塊106的焊接點尺寸大。然而，由于焊劑尺寸在金屬基板104的表面可能變化，該較大的點可以導(dǎo)致回流性能的不均衡，造成封裝失效增多。
[0034]如圖1b所示，焊劑108的寬度，以及同樣地與金屬基板104接觸的焊接的寬度，在回流過程中從Xl (圖1a中回流之前的)增大到“Xl+2dX”，其中dX是焊劑108與焊接凸塊106在焊接凸塊106的相反兩側(cè)上的橫向擴(kuò)張。僅僅出于展示目的，焊劑108與焊接凸塊106在焊接凸塊106相反兩側(cè)上的橫向擴(kuò)張dX設(shè)為相等，盡管在實際中并不必然一定是這樣。
[0035]作為橫向擴(kuò)張的結(jié)果，金屬基板104上的焊接表面面積同樣增大。焊接108最終會分解，亦即，它的厚度S 4最終趨向于0，這將導(dǎo)致在金屬基板104上的倒裝芯片102的高度同樣降低。在圖1b中這顯示為元件高度(dZl)縮小。該高度上的減小是焊劑108與焊接凸塊106尺寸在回流過程中形成互連時發(fā)生變化的結(jié)果。焊劑108本身的流出也取決于接觸金屬基板的焊接凸塊106的表面面積/占地、焊劑的量、以及金屬基板104在隨后互連時的表面狀況。沿著離散的互連上任何不均衡，都可以引起對位誤差，例如倒裝芯片102漂移到一側(cè)、或者傾斜(delta Z)、或者旋轉(zhuǎn)(delta XY)，并進(jìn)而引起產(chǎn)品失效。
[0036]此外，由于焊接凸塊106的寬度在回流中增大，以及在金屬基板104上的倒裝芯片102的高度降低，在同一倒裝芯片102上不同焊接凸塊之間這些變化的不均勻也可能引起倒裝芯片102相對于金屬基板104的傾斜，這是不希望看到的，并且也可能導(dǎo)致失效。
[0037]金屬基板104上的焊劑與焊接尺寸變化可以通過使用焊接掩模來減小或最小化，焊接掩模具有孔，焊料預(yù)意地被限制在其中。然而，這種焊接掩模會涉及到額外的成本。并且，這種焊接掩?？赡墚a(chǎn)生另外的挑戰(zhàn)來將該焊接掩模層不剝離地附著到封材，尤其是對于金屬化的基板而言。這種封材可以是電絕緣體，例如環(huán)氧樹脂，其在倒裝芯片102被貼附到基板104之后，被模制在焊接凸點周圍。
[0038]圖2a和圖2b所示的是如何利用一種改進(jìn)的方法將有源或無源電子元件(在本示例中為倒裝芯片202)電學(xué)地和機(jī)械地連接到金屬基板204。圖2a所示的是經(jīng)過了焊劑、焊料和元件放置之后的元件結(jié)構(gòu)，但是在回流之前。圖2b所示的是經(jīng)過了焊劑、焊料和元件放置以及經(jīng)過回流之后的元件結(jié)構(gòu)。
[0039]圖2a和圖2b用來描述如何將電子元件(在本示例中為倒裝芯片202)貼附到金屬基板204。與圖1a和圖1b相似地，倒裝芯片具有暴露的焊接區(qū)域，在本示例中包括焊接凸塊206和一部分的焊劑208。
[0040]如圖2a和圖2b所示，在倒裝芯片202及與之聯(lián)合的焊接凸塊206被拿來與金屬基板204接觸之前，基于金屬的復(fù)合物層210被形成在金屬基板上，亦即，在回流之前，在焊接凸塊206/焊劑208與金屬基板204之間存在一層基于金屬的復(fù)合物210。
[0041]在本實施方式中，該基于金屬的復(fù)合物層是金屬氧化物層210，其可以通過預(yù)氧化金屬基板204以在金屬基板204上形成一層金屬氧化物層210來形成。該金屬氧化物層210 (例如可以是CuO與Cu2O的組合)顯示為具有厚度δ 6，與金屬基板204的厚度(δ I)相比，其可以認(rèn)為是薄的。金屬氧化物層210可以具有大于約10或20nm的厚度。當(dāng)氧化物厚度小于約50nm時，在金屬氧化物層210與銅基板之間也可以得到改進(jìn)的粘著性。在較厚的氧化層中的氧化形態(tài)和內(nèi)部應(yīng)力，由于氧化物的斷裂，可能增大焊接接頭的分層的風(fēng)險。在厚氧化層(例如500nm或者I微米)生長的地方，可以使用額外的離子清洗步驟