用于使半导体组合件中的焊料凸块自对准的双焊料半导体芯片、装置以及双焊料方法

摘要

本申请案涉及用于使半导体组合件中的焊料凸块自对准的双焊料半导体芯片、装置以及双焊料方法。一种半导体装置(100)包括通过焊接接点组装于衬底(130)上的半导体芯片(101)，所述芯片与所述衬底具有具第一面积的第一组接触焊垫(110，140)，相应焊垫垂直对准且通过由具有第一体积和第一熔融温度的第一焊料制成的接点(160)连接；且所述芯片与所述衬底具有具第二面积的第二组接触焊垫(122，150)，相应焊垫垂直对准且通过由具有第二体积和第二熔融温度的第二焊料制成的接点(170)连接，所述第一熔融温度低于所述第二熔融温度。

说明书

技术领域

本发明大体上涉及半导体装置以及工艺的领域，且更具体来说，涉及用于使低凸块计数细间距半导体装置组合件中的两个焊料凸块自对准的结构以及制造方法。 

背景技术

自从IBM在大约四十年前首先引入被称作受控坍塌芯片连接(通常称为C4)的焊接技术以来，已认识到此技术的许多优点：分批组装、自对准能力、高互连密度、高良率以及低成本。自对准机制对于具有高凸块计数和细凸块间距的半导体装置来说尤其重要。 

在焊接自对准机制中，熔化的焊料润湿金属焊垫且形成焊接接点；然而，此接点可能对准不良。回复表面张力为作用于单位长度表面上的力(牛顿/米，kg·s^-2)，其与对准不良成比例，且将驱动对准不良的焊接接点变为对准良好的接点，以便使组合件的能量最小化。由于球体达到最小表面能量，所以表面张力将起作用以获得球形表面形状(表面能量与来自芯片的负载为能量函数中的两个项)。 

由于要求满足例如手持式产品、小型化控制以及汽车和医疗电子产品等新近市场趋势的技术要求，C4技术已面临许多挑战。所述挑战包含具有小占据面积的焊接接点的区域阵列、大数目的低感应连接，以及精确度好于1微米的衬底连接对准。已公开(例如，由S.K.Patra以及Y.C.Lee，科罗拉多大学博尔德分校(科罗拉多州)(University of Colorado，Boulder，CO)，机械工程系(Department of Mechanical Engineering)，1990，1991，1995)准静态以及动态模型以优化用于自对准倒装芯片焊料连接的设计参数。这些模型展示，对准准确度与例如焊垫大小、接点高度、焊料体积、表面张力性质、垂直负载以及初始对准等设计参数有关，但回复力在芯片接近于对准良好的位置时变小。 

举例来说，对于芯片、焊接接点以及衬底，从所述模型得出的设计指导方针展示：对于对准不良的接点，当焊接接点高度等于球形接点的高度时出现最大回复力；接点高度在熔融之后迅速下降很多，接着在自对准期间稍向上移；且置于焊接接点上的芯片将 接点向下压，且因此使回复力减小。作为进一步指导方针，对于给定组装区域，细间距连接(且因此较高数目的接点)造成比大间距连接(以及较少数目的接点)大得多的回复力；较小焊料体积导致较大回复力；对于给定焊接接点纵横比，较小接点比较大接点造成稍大的回复力；且凸出的焊接接点将芯片向上推动，而凹入的焊接接点将芯片向下拉动。 

动态模型进一步展示，在回焊期间，表面张力的水平分量，即回复力，在减小对准不良的方向上作用，使芯片在减小对准不良的方向上加速，但伴有在与所述运动相反的方向上的粘性阻尼力。阻尼系数取决于焊料的焊垫面积(平方米)和动态粘度(帕斯卡秒)而为线性的，但至今尚不知道整个回焊温度范围内的粘度性质。 

发明内容

当申请人认识到手持式、医疗及汽车电子产品的市场趋势需要在低凸块计数和细间距封装内的半导体装置时，其意识到小于焊垫大小的25％的放置准确度在倒装芯片组装中面临着挑战：为实现焊接接点自对准，阻碍自对准的运动方向的粘性阻尼力对于低凸块计数仍然为高的。因此，必须识别实用的低成本方法来减小粘性阻尼且使对准不良的回复力最大化，因此有效地补偿对准不准确度。 

申请人看到，粘性阻尼来源于熔化的焊料的摩擦力，且可通过增加温度来减小此摩擦力，但另一方面，过大的温度增加将使焊料发生难以控制的流失。 

当申请人发现可通过实用且成本低廉的双焊料方法来实现焊接接点于低计数且细间距的电凸块中的精确自对准时，其在受控范围内解决了减小粘性焊料阻尼的问题：除了电活性功能凸块之外，还引入非电活性辅助对准凸块(在芯片上或在衬底上)，所述非电活性辅助对准凸块具有第一焊料合金，所述第一焊料合金的第一共晶温度低于应用于所述电活性功能凸块的第二焊料合金的共晶温度。 

在所述辅助对准凸块于较低的第一共晶温度下熔融且坍塌之后，其形成辅助接点。当将温度升高至第二合金的较高共晶温度时，这些辅助接点的粘度降低，且因此粘性阻尼降低，从而允许所述辅助接点完全自对准且使电活性凸块处于良好接触。一旦达到电活性凸块的共晶温度从而使第二焊料合金液化，所述活性凸块就增大所述辅助凸块的回复力，且被自动对准以形成良好连接接点。在所述第二焊料合金的所述液相温度处停止所述温度增加，以使得所述第一合金的粘度不会流失，且冷却循环可开始。 

当芯片的大小准许时，设计比电活性凸块具有更大接触面积及更大焊料体积的辅助对准凸块更为有效。在凝固之后，大辅助凸块还允许辅助接点充当操作中的已组装装置的有效散热器，由此改善封装的热特性。 

成功配对的第一以及第二焊料合金的若干熔融温度实例包含以下各者：对于辅助凸块，处于221℃的共晶二元锡-银合金，对于功能凸块，处于232℃的锡100合金；对于辅助凸块，处于139℃的共晶二元锡-铋合金，对于功能凸块，处于221℃的共晶二元锡-银合金；对于辅助凸块，处于120℃的共晶二元锡-铟合金，对于功能凸块，处于221℃的共晶二元锡-银合金。 

附图说明

图1说明附接至衬底的半导体芯片的横截面，所述芯片具有具高熔点焊料的功能凸块以及具低熔点焊料的对准凸块；此外，对准焊垫的面积比功能焊垫大。 

图2为描绘低熔点焊料和高熔点焊料的回焊顺序的时间-温度图。 

图3到6描绘具有两个不同回焊温度的焊料合金的组装流程的某些处理步骤。 

图3展示芯片相对于衬底焊垫的对准不良的横截面；焊料具有较低熔融温度的芯片对准凸块触碰其相应衬底焊垫，而焊料具有较高熔融温度的芯片功能凸块不触碰其相应衬底焊垫。 

图4说明当达到使低熔点焊料液化的温度时，相对于衬底焊垫仍对准不良的芯片的横截面。芯片和凹入焊接接点的负载将芯片向下拉动，以使得(仍为固态的)功能凸块触碰相应衬底焊垫。 

图5展示在不断增加的温度已减小低熔点焊料的粘度，且因此减小粘性阻尼之后，(仍为固态的)芯片功能凸块与其相应衬底焊垫完全对准的芯片的横截面。 

图6描绘当温度已增加得熔融功能凸块的焊料时，具有完全对准的功能凸块的已组装芯片的横截面。 

具体实施方式

图1说明大体标示为100的已组装装置的示范性实施例。装置100包含具有第一组金属接触焊垫110和第二组金属接触焊垫120的半导体芯片101。第一接触焊垫110具有在图1中由线性尺寸111指定的第一面积，且可为非电活性的；焊垫110在本文中称作对准焊垫。第二接触焊垫120具有在图1中由线性尺寸121指定的第二面积，且可为电活性的；焊垫120在本文中称作功能焊垫。优选地，第一面积大于第二面积，但在其它实施例中，两者可相等。第一接触焊垫以及第二接触焊垫由例如铜或铝等金属制成，且具有在冶金学上经配置以可润湿且可焊接的表面。作为一实例，接触焊垫表面可包含镍层，随后为钯层以及最外的金层。 

装置100进一步包含衬底130，其具有与芯片接触焊垫成镜像定位的金属接触焊垫：第一组接触焊垫140包含具有对准焊垫110的位置和大小的焊垫；第二组接触焊垫150包含功能焊垫120的位置和大小。衬底的第一接触焊垫以及第二接触焊垫由例如铜、铝、铁等金属或石墨制成，且具有在冶金学上经配置以可润湿且可焊接的表面。举例来说，接触焊垫表面可包含金覆层(flash)。 

如图1所示，相应芯片接触焊垫与衬底接触焊垫通过焊接接点连接。连接第一组接触焊垫110与140的焊接接点被标示为160，且具有第一体积和第一熔融温度；这些接点的焊料在本文中称作第一焊料。连接第二组接触焊垫120与150的焊接接点被标示为170，且具有第二体积和第二熔融温度；这些接点的焊料在本文中称作第二焊料。第一熔融温度低于第二熔融温度，且第一接点体积可大于第二接点体积。 

由于第一熔融温度低于第二熔融温度，所以必须协调用于接点160和170的焊料。适当焊料160和170的若干实例包含以下组合： 

为了选择二元共晶锡-银合金(熔融温度221℃)作为第一焊料，第二焊料优选为锡100合金(熔融温度232℃)。在非二元锡-银合金选项中，可考虑以下合金：1.2wt％的银、0.5wt％的铜、0.05wt％的镍、98.25wt％的锡(熔融温度220.5℃，液相温度225℃)；以及合金：3.0wt％的银和97wt％的锡(熔融温度217℃，液相温度220℃)。 

为了选择二元共晶锡-铋合金(熔融温度139℃)作为第一焊料，第二焊料优选为二元共晶锡-银合金(熔融温度221℃)。 

为了选择二元共晶锡-铟合金(熔融温度120℃)作为第一焊料，第二焊料优选为二元共晶锡-银合金(熔融温度221℃)。 

由于出于环境原因将停止使用二元共晶锡-铅合金(熔融温度183℃)，所以尤其对于第一焊料的其它选项包含二元共晶锡-锌合金(熔融温度198.5℃)、二元共晶锡-金合金(熔融温度217℃)，以及二元共晶锡-铜合金(熔融温度227℃)。 

在建立焊接接点且焊接接点凝固之后，图1的实施例100展示芯片101的接触焊垫110和120与衬底130的相应接触焊垫140和150对准。图1中由连续中线来表达对准。焊垫110的中线112与焊垫140的中线142是连续穿过焊接接点160的直线；焊垫120的中线122与焊垫150的中线152是连续穿过焊接接点170的直线。 

如图1所指示，第一接触焊垫110具有第一面积(基于线性尺寸111)，其大于第二接触焊垫120的第二面积(基于线性尺寸121)。另外，用于接点160的焊料的体积大于用于接点170的焊料的体积。然而，在其它实施例中，第一端子焊垫的面积与第二端子焊垫的面积相同；此外，用于第一端子的焊料的体积与用于第二端子的焊料的体积相同。 接触焊垫110的面积与接触焊垫120的面积相比优选较大且焊料160的体积与焊料170的体积相比优选较大的原因为可容易且快速地制造组合件，此准许通过倒装芯片组装的处理流程(见下文)来校正芯片101与衬底130之间的初始对准不良。 

应注意，即使当不用于电用途时，具有大的大小的对准焊垫还可作为装置操作期间的有效散热器来操作。 

在完成组装之后，隔开芯片101与衬底130的间隙180对于装置100来说是均匀的，因为用于对准焊垫的经回焊焊料160与用于功能焊垫的焊料170具有相同的最终高度。 

当对准不良的接触焊垫110的焊料凸块触碰相应衬底焊垫140且接着被带至熔融温度(关于方法的更多细节，见下文描述)时，熔化的焊料润湿焊垫140的金属表面，且可形成对准不良的焊接接点。如S.K.Patra和Y.C.Lee(Department of Mechanical Engineering，University of Colorado，Boulder，CO，1990，1991，1995)以及其它研究者所描述，对准不良的回复过程得自能量最小化原理，此时源自于表面张力的剪切力的回复力与源自于熔化的焊料的摩擦力的粘性阻尼力以及芯片惯性相当。能量函数主要含有表面能量和来自芯片的负载。回复力与对准不良成比例，且当芯片接近于对准良好的位置时变小。模型计算已展示，当焊接接点高度等于球形接点的高度时，回复力最大；相比之下，芯片重量正将液化的接点压低，且因此使回复力减小。当装置可能具有众多接点时，可减小此不良效应；然而，对于具有少数接点的装置，需要减轻另一参数。 

根据本发明，改善效应是基于通过持续增加温度而超过熔融温度来逐渐减小焊料粘度。然而，为了防止焊料流失的任何风险，需要安全地停止粘度减小；申请人发现一种实用方式：对于功能焊垫的接点引入具有第二较高熔融温度的第二焊料。 

模型计算展示，较小的焊料体积将导致较大的回复力，且细焊料间距设计造成比大焊料间距设计大的回复力。这些结果对于芯片和衬底的第二组接触焊垫(其为电活性功能焊垫)的大小和布局来说是有价值的指导方针。相比之下，对于用于焊料对准的第一组接触焊垫的大小和焊料体积，主要指导方针是增强可制造性，包含宽大的处理窗、快速产出时间，以及低成本的制造设备。这些要求需要大小相对较大的对准焊垫，其易于看到且可控。根据经验，对准焊垫优选应不实质上小于电活性功能焊垫。 

在回焊期间，芯片对准不良的回复力在用于减小对准不良的方向上作用，且使芯片在减小对准不良的方向上移动。回复力的量值与对准不良成正比。然而，在与校正性运动相反的方向上始终伴有粘性阻尼力。粘性阻尼与接触焊垫面积以及熔化的焊料的粘度成比例。因此，可通过减小焊料粘度来减小粘性阻尼力，这可通过增加熔化的焊料的温度来实现。可通过如图2到6中所显示引入具有两个不同熔融温度的焊料来利用此效应。 

图2展示当所使用的焊料具有两个不同熔融温度时，半导体芯片101于衬底130上的组合件的通用温度-时间图；图3显示组合件的初始配置。加热以及冷却循环的时间标绘于图2的横坐标上，且焊料熔融温度标绘于纵坐标上。T₁为环境温度，例如23℃，T₂为第一组接触焊垫(对准焊垫110)的焊料熔融温度，例如共晶锡-铋合金的139℃，且T₃为第二组接触焊垫(功能焊垫120)的焊料熔融温度，例如共晶锡-银合金的221℃。 

如图3中所说明，所述处理流程通过提供第一组接触焊垫110具有线性尺寸111的半导体芯片101而开始。焊垫区域由具有第一熔融温度以及第一体积的第一焊料凸块360覆盖。如图3中所指示，第一焊料已经过回焊，且第一凸块具有达到第一高度361的凸出的表面轮廓。芯片101进一步具有由具有第二熔融温度以及第二体积的第二焊料凸块370覆盖的第二组接触焊垫120。如图3中所指示，第二焊料已经过回焊，且第二凸块具有达到第二高度371的凸出的表面轮廓。第一熔融温度低于第二熔融温度。此外，第一焊料体积可大于第二焊料体积，且第一凸块高度361优选大于第二凸块高度371。 

应注意，应在焊料簇的意义上而非几何学意义上来理解术语“凸块”。应进一步强调，将要论述的所有考虑因素以及方法步骤对于将焊接材料施加到衬底焊垫而非芯片焊垫的装置以及使用焊料层而非焊料凸块的装置仍然有效。 

接下来，提供衬底130，其具有第一组可焊接接触焊垫140和第二组可焊接接触焊垫150。接触焊垫140优选与芯片对准焊垫110具有相同的线性尺寸。这些衬底焊垫与相应芯片接触焊垫成镜像而定位。 

在下一处理步骤中，将芯片101放置在衬底130上方，使得对准焊料凸块360与相应衬底接触焊垫140大致对齐；作为一实例，对准准确度可为25％。接着降低芯片101，使得对准焊料凸块360触碰衬底的相应第一组焊垫140。此步骤描绘于图3中，且也在图2中指示为温度T₁处的时间t₁。隔开芯片101与衬底130的间隙380由芯片对准凸块360的高度控制。如图所示，在此处理步骤处，芯片焊料凸块370可不与其相应衬底接触焊垫150触碰。 

图4说明下一处理步骤。提供热量以将温度从T₁增加到第一熔融温度T₂，在时间t₂达到第一熔融温度T₂(见图2)。对准焊料凸块360正熔融，且对准凸块360的高度361在芯片101的重量下迅速落下，使得固态第二焊料凸块370触碰相应衬底焊垫150，但仍然对准不良。隔开芯片101与衬底130的间隙480由芯片功能凸块370的高度控制。 

对准凸块的第一焊料正润湿第一衬底接触焊垫140的区域，从而形成具有高度461的扭曲的接点460。接点表面的弯面(meniscus)462反映了焊接接点的对准不良。结果，表面张力的回复力开始在箭头490所指示的方向上驱动芯片101，以便使组合件的能量 最小化；此运动逐渐地将对准不良的接点校正为恰当对准的接点。如上所述，回复力由与方向490相反的方向上的粘性阻尼力相伴随。在t₂与t₃之间的时间间隔之后，在时间t₃达到对准不良校正的主要部分。 

图5中展示自对准的此阶段。回复力已相对于衬底130移动芯片101，使得功能凸块370大致居中于衬底接触焊垫150上。基于第一焊料与衬底焊垫140的纵横比，液态对准焊料的弯面轮廓562变得凸出，从而使对准的接点的高度561较之于对准不良的接点的高度461移动得稍高。因此，隔开芯片101与衬底130的间隙580稍大于间隙480。 

由于焊料460的回复力与对准不良成比例，因此控制最终对准(剩余芯片移动)需要通过减小粘性阻尼来增加回复力。校正的此部分在从t₃到t₄的时间间隔(见图2)中实现，此时提供热量以使温度增加而超过T₂，且因此减小第一焊料的粘度。 

为了避免第一焊料流失，当在时间t₄达到附接到芯片功能凸块120的第二焊料凸块370的熔融温度T₃时，停止粘度减小阶段。如图6中所说明，在温度T₃，现标示为670的第二焊料凸块正熔融且润湿第二衬底接触焊垫150。当温度在从t₄到t₅的时间间隔中处于T₃时，具有第二焊料的接点处于表面张力的影响下，从而获得凹入(或凸出)的表面轮廓，且逐步支持熔化的第二凸块的最终自对准。结果，芯片功能焊垫120的中线122与第二衬底焊垫150的中线152对准，且第二接点670的外形变得轴对称。隔开芯片101与衬底130的间隙获得其最终值180，其直到温度下降使所有焊接接点凝固时才得以保留，见图1。 

虽然已参考说明性实施例描述了本发明，但此描述并不旨在限制本发明。所属领域的技术人员在参考该描述后会了解说明性实施例的各种修改和组合，以及本发明的其它实施例。作为一实例，基于第一焊料与第二焊料的不同熔融温度的两步式自对准特征适用于具有对称凸块阵列的装置以及具有不对称凸块阵列的装置，且适用于具有众多焊接接点的装置以及具有少数焊接接点的装置。对准接点的优势对于细间距焊接接点装置尤其明显。 

作为另一实例，基于第一焊料与第二焊料的不同熔融温度的两步式自对准特征适用于具有对称凸块阵列的装置以及具有不对称凸块阵列的装置，且适用于具有众多焊接接点的装置以及具有少数焊接接点的装置。对准接点的优势对于细间距焊接接点装置尤其明显。 

作为另一实例，可存在任何数目的对准焊垫，且所述焊垫可处于任何位置及分布。 

因此，希望所附权利要求书涵盖任何此类修改或实施例。