高功率密度芯片的金属热接合

摘要

公开了高功率密度芯片的金属热接合，给出了一种装配半导体封装的方法，包括通过反向溅射来清洁芯片的表面和排热器件的表面。该方法包括在目标接合区域上，顺序地涂敷芯片的表面和排热器件的表面以粘合剂层、阻挡层和保护层。芯片和排热器件被放入夹具内并预加热到目标温度。然后，金属热界面材料预制件被机械地碾压到芯片的表面上，并且第一和第二承载夹具被附接到一起，使得通过无焊剂工艺把芯片表面上的金属热界面材料层与排热器件的被涂敷表面接合。该方法包括在回流炉中加热被接合的承载夹具。

说明书

技术领域

这里公开的实施例一般涉及半导体器件制造中的方法。更具体 地，这里公开的实施例涉及使用金属热界面材料(thermal interface material，TIM)将排热器件无焊剂地附接到芯片上的方法。

背景技术

半导体封装的装配在热管理中扮演重要角色。传统的半导体封装 包括盖、一个或多个管芯、管芯互连、衬底、衬底互连以及盖附接热 界面材料(TIM)。

管芯通过管芯附接工艺被放置到衬底上。典型地，管芯附接工艺 包含通过回流工艺经由管芯互连将倒装型管芯附接到衬底上。底层填 料被施加到管芯互连、管芯和衬底。盖附接TIM被施加到管芯的底部 (与管芯互连相反的一侧)。盖被放置在衬底上，典型地经由盖附接 TIM与管芯接触。半导体封装在固化温度被固化。盖附接TIM的粘 合剂层厚度(bond line thickness，BLT)由管芯、衬底和盖的共面性、 盖到衬底的施加、盖附接TIM的特性、以及装配的半导体封装的固化 工艺来确定。

从微处理器、专用集成电路(ASIC)、集成电路(IC)或其它 印刷电路板(PCB)组件排热的传统技术依赖于使用放置在生热器件 和散热器件之间的热沉附接TIM。典型地，单个散热器件，即热沉跨 越生热器件，即半导体封装上的若干个部件。热沉附接TIM的BLT 确定热路径性能和散热器件的制冷效率。

发明内容

通常，在一个方面，本发明涉及一种装配半导体封装的方法，包 括通过反向溅射来清洁芯片的表面和排热器件的表面。该方法还包括 在目标接合区域上，顺序地涂敷芯片的表面和排热器件的表面以粘合 剂层、阻挡层和保护层。芯片和排热器件被分别放入第一和第二承载 夹具中并预加热到目标温度。然后，金属热界面材料预制件被放到芯 片表面上。在芯片表面上机械地碾压金属热界面材料预制件，并且第 一和第二承载夹具被附接到一起，使得芯片表面上的金属热界面材料 层与排热器件的被涂敷表面接合。该方法还包括在回流炉中加热被接 合的承载夹具。

本发明的其它方面和优点根据下面的描述和后附权利要求书将 是明显的。

附图说明

图1示出了根据这里公开的一个或多个实施例的方法的流程图。

图2示出了根据这里公开的一个或多个实施例的承载夹具的示意 图。

图3示出了根据这里公开的一个或多个实施例的封装。

图4是根据这里公开的一个或多个实施例的温度加热分布的图。

具体实施方式

现在将参照附图详细描述本公开的实施例。各图中的相似元件被 相似标记表示以便一致。此外，在后面的本发明实施例的详细描述中， 大量特殊细节被阐明以便提供对请求保护的主题的更全面理解。然而， 对于本领域技术人员明显的是，这里公开的实施例能在没有这些特殊 细节的情况下被实现。在其它实例中，公知的特征没有被详细描述以 避免不必要地使描述复杂。

在一个方面，这里公开的实施例一般涉及半导体封装方法。具体 地，这里公开的实施例一般涉及采用无焊剂工艺和金属TIM来热耦接 管芯/芯片和排热器件/盖的方法。

参照图1，示出了按照一个或多个实施例的半导体封装方法。在 ST100，清洁芯片的表面、排热器件的表面和金属TIM预制件。具体 地，在一个或多个实施例中，可使用丙酮，接着使用异丙醇来清洁芯 片的表面、排热器件的表面和金属TIM预制件。此外，可使用盐酸在 室温下轻度蚀刻芯片的表面、排热器件的表面和金属TIM预制件，接 着用脱离子水进行漂洗。在用脱离子水进行漂洗之后，然后用丙酮， 接着使用异丙醇来漂洗芯片的表面、排热器件的表面和金属TIM预制 件，并使用氮吹干。本领域技术人员将懂得，除油和清洁芯片的表面、 排热器件的表面和金属TIM预制件不限于上面描述的步骤，并且可使 用本领域已知的其它溶剂来清洁表面。

例如，可使用反向溅射来清洁芯片的表面和排热器件的表面。反 向溅射是本领域已知的通过在电场中加速的气体离子的冲击能量来执 行从材料表面脱离或去除原子或分子的工艺。反向溅射只是表面清洁 的一个实施例。可使用其它方法，例如机械清洁、化学蚀刻或等离子 体清洁。

在一个或多个实施例中，芯片是基于硅的管芯封装。在一个或多 个实施例中，排热器件是基于铜的盖。

在ST102，芯片表面和排热器件表面中的每一个被涂敷粘合剂 层、阻挡层和保护层。可通过溅射涂敷来沉积粘合剂层、阻挡层和保 护层。本领域技术人员将懂得，粘合剂层、阻挡层和保护层的沉积不 限于溅射涂敷。例如，可使用化学汽相沉积、化学镀层或本领域已知 的其它技术。

粘合剂层可便于进一步保护芯片和排热器件表面。阻挡层可提供 TIM和芯片及排热器件表面之间的阻挡。保护层便于TIM和芯片及 排热器件表面之间的接合。

按照请求保护的发明的一个或多个实施例，粘合剂层、阻挡层和 保护层覆盖目标在于将芯片与排热器件或盖结合的区域的100％。盖 侧被覆盖区域可与管芯侧相同或稍大以补偿任何未对准。

按照这里公开的一个或多个实施例，粘合剂层主要包括约0.1μm 厚(微米)的钛层。本领域技术人员将懂得，粘合剂层材料不限于钛， 并且其厚度不限于0.1μm。针对粘合到芯片和排热器件表面并进一步 粘到阻挡层的能力来选择粘合的材料和厚度。粘合剂层还可以由例如 Ti/W或Cr制成。本领域技术人员将懂得，粘合剂层的厚度以及阻挡 层和保护层的厚度均对整个BLT有贡献。

按照本发明的一个或多个实施例，阻挡层包括镍和钒。在一个或 多个实施例中，阻挡层包含97％的镍和3％的钒。在一个或多个实施 例中，阻挡层厚约0.3μm。本领域技术人员将懂得，阻挡层的材料不 限于镍/钒，并且其厚度不限于0.3μm。阻挡层必须阻止粘合层的扩散。 此外，阻挡层必须阻止在表面上形成氧化物/氮化物/碳化物，并因此 防止焊料变湿。阻挡层还可防止任何保护层移往表面以及形成脆性金 属互化物(brittle intermetallic compound，IMC)。形成脆性金属互 化物可能导致差的可靠性。可在阻挡层中使用的其它材料的例子包括 但不限于：镍、镍(含磷)、铂、钯、钴、钴(含磷)、镍钴、或镍 钴(含磷)。

按照一个或多个实施例，保护层主要包含金。在一个或多个实施 例中，保护层是厚约0.2μm的金层。本领域技术人员将懂得，保护层 的材料不限于金，并且其厚度不限于0.2μm。保护层可用于保护被覆 表面不被氧化，直到将芯片附接到排热器件。可在保护层中使用的其 它材料的例子包括但不限于：铂、银、浸银、或有机可焊防腐剂(organic solderability preservative，OSP)。

在ST104，芯片和排热器件被放入图2中所示的承载夹具内。在 ST106，包含芯片和排热器件的承载夹具被预加热到目标温度。在一 个或多个实施例中，金属TIM预制件与包含芯片和排热器件的承载夹 具一起被预加热到目标温度。

在本发明的一个或多个实施例中，使用覆盖目标接合区域的 90-100％的金属TIM预制件。在一个或多个实施例中，金属TIM预 制件由铟构成。根据一个或多个实施例，金属TIM预制件的厚度从5 密耳到16密耳(0.125mm到0.300mm)。

在一个或多个实施例中，预加热目标温度可以是60℃。预加热 目标温度的优化测试断定：对于厚度为5、8和12密耳(0.125、0.200 和0.300mm)的铟金属TIM预制件，60℃提供了BLT和变湿的再现 性。

在ST108，将金属TIM预制件放在目标接合区域上。或者，可 在ST106之前将TIM预制件放在目标接合区域上，使得TIM预制件 和被加载的承载夹具可被预加热。在ST110，在芯片表面上机械地碾 压金属TIM预制件。在一个或多个实施例中，可在排热器件的表面上 碾压金属TIM预制件。在表面上机械地碾压金属TIM预制件可便于 去除任何潜在陷入气泡。而且，在芯片表面上机械地碾压金属TIM预 制件可便于平面化金属TIM。

在ST112，接合承载夹具，使得芯片表面上的金属TIM层通过 目标接合区域与排热器件的被涂敷表面接合。在一个或多个实施例中， 如关于图2所述的，承载夹具可经由承载夹具设计被对准并夹持到位。

在ST114，被接合的承载夹具可被放到回流炉中。使用取决于使 用的特定材料、总尺寸、夹具几何结构、和被接合的不同部件的总质 量的定制温度和时间分布来执行单个最终夹具的回流。示出了对于Ti 粘合层(0.1μm厚)、97％的Ni和3％的V的阻挡层(0.3μm厚)、 Au保护层(0.2μm厚)以及In金属TIM预制件(5密耳(0.125mm) 厚)，定制温度与时间分布的例子。

在一个或多个实施例中，在排热器件的周边使用粘合剂。可在作 为使用图4中例示的温度分布的加热(ST114)结果夹具已经被冷却 之后，涂敷粘合剂。或者，可紧接在接合承载夹具(ST112)之前， 将粘合剂涂敷到排热器件的周边。使用的粘合剂可以是本领域知道的 可在市场上获得的粘合剂。

参照图2，示出了根据本发明的一个或多个实施例的承载夹具的 例子。承载夹具系统200具有两个承载夹具202。一个承载夹具202 容纳芯片或管芯204，而另一个承载夹具202容纳排热器件或盖206。 每一个承载夹具202可具有对准销208，该对准销208与另一个承载 夹具202中的对准孔210相对应。对准销208和对准孔210便于当接 合承载夹具202时对准目标接合区域。每一个承载夹具还可包含另外 的用于接合承载夹具的部件212。例如，每个承载夹具可包含用于连 接承载夹具的螺纹孔212。本领域技术人员将懂得，存在用于接合承 载夹具的其它方法，例如使用单独的夹持机构。

参照图3，示出了根据本发明一个或多个实施例的装配的封装的 例子。芯片/硅管芯304通过TIM314附接到排热器件/盖306。硅管芯 /芯片304可经由凸块318和底层填料320附接到衬底316。如上所述， 可使用周边粘合剂322。取决于期望的特定封装，完整的封装还可包 括电容器324。

图4中示出了按照一个或多个实施例，在回流工艺中使用的定制 温度分布与时间的例子。图4中示出的温度分布可被用于Ti粘合层 (0.1μm厚)、97％的Ni和3％的V的阻挡层(0.3μm厚)、Au 保护层(0.2μm厚)以及厚度在下限(5密耳，0.125mm)和上限(12 密耳，0.300mm)之间的In金属TIM预制件。温度分布以经验为主 地确定并取决于使用的特定材料、总尺寸、夹具几何结构、和被接合 的不同部件的总质量。

这里公开的实施例可提供下列优点中的一个或多个。首先，这里 公开的实施例可提供将金属TIM材料用于半导体封装。使用金属TIM 与有机TIM相对照可实现跨越TIM界面的显著更低的热阻抗。而且， 使用金属TIM可允许调节任何非平行界面的接合，这又减少了关于 TIM1BLT控制的约束。而且，金属TIM可提供对于更厚的BLT(如 果需要)的手段，以减轻任何结构问题，而不显著影响热性能。

而且，这里公开的实施例可提供无焊剂工艺。无焊剂工艺可减少 总的工艺步骤的数目。无焊剂工艺可通过消除用于涉及的部件的任何 焊剂残留来提高整体芯片/排热器件的质量，并进一步消除在焊剂工艺 中涉及的任何清洁步骤。已知焊剂残留会影响导热性，因此，消除任 何焊剂残留将提高器件的整体导热性。这里描述的方法的实施例符合 有害物质限制(ROHS)，并可产生导致更好的热和结构性能的基本 无空隙界面。

此外，本领域技术人员应当理解，本公开不应当限于在图中图示 并在说明书中描述的特定例子。尽管关于有限数量的实施例描述了本 公开，本领域技术人员得益于本公开将意识到，在不脱离这里描述的 公开的范围的情况下，可想出其它实施例。因此，本发明的范围应当 仅限于所附权利要求书。