专利名称：底部填充胶包覆的半导体上焊料凸块的暴露方法
技术领域：
本发明涉及在连接于基板前，将无溶剂底部填充胶(solvent-free underfill)应用于半导体晶片或芯片的方法。该方法通常被称为预先应用的底部填充(pre-applied underfill)。
背景技术：
在半导体组件的构造中，半导体晶片或芯片既被电连接又被机械连接到基板。在一种连接方法中，含有电接线焊盘和电路的芯片正面，即有效面(active face)，突出有焊料堆积物。这些焊料凸块(solderbumps)与基板上相应的接线端子(terminals)对齐并与之接触，将焊料加热到它的熔点或“回流(reflow)”温度，形成焊接接头，使得半导体芯片和基板之间形成机械支撑和电互连。
芯片和基板之间热膨胀系数(CTE)的差异经常要求将增强材料填充于芯片和基板之间的空隙——这种增强材料即为公知的底部填充胶(underfill)——以便消减因热膨胀系数差异引起的应力。该种底部填充材料可以用至少三种不同的方法使用。
在被称为“毛细管流动(capillary flow)”的方法中，半导体芯片通过焊料互连与基板连接，之后，将底部填充材料在半导体芯片和基板间存在的空隙边缘四周进行分配。该底部填充胶由于毛细管作用被吸入空隙，然后固化。
在被称为“无流动(no flow)”的方法中，底部填充材料被分配于基板上，而半导体芯片或电路小片放置于该基板上。放置要使芯片上焊料凸块与基板上相应的焊盘(pads)接触，然后通过焊料回流连接。典型地，底部填充胶在焊料回流步骤期间固化，尽管有时需要一个附加的固化步骤。无流动组装也可采用热压键合的方法进行。在该方法中，无流动底部填充胶被分配于基板上，将芯片放置于该基板上，对芯片和/或基板施以热和压力，以实现回流和互连。当施以热和压力时，底部填充胶流出，形成角焊缝(fillets)，并也使焊料凸块与焊盘形成互连。底部填充胶可能需要一个附加的固化步骤。
毛细管流动底部填充与无流动底部填充方法都由于它们在芯片级上操作而耗时。无流动系统的另一个主要缺陷是，如果无流动底部填充是充满的系统，则填充物将干扰焊接。此外，为了支持所需要的热压键合，无流动方法需要新的工业基础设备取代目前标准的表面贴装技术。
已知为“预先应用(pre-applied)”的方法涉及将底部填充胶应用在已具有焊料凸块的整个硅晶片的有效面上，以及在该阶段将晶片分割成各个单独的芯片。“预先应用”方法的一个重要优势在于其采用标准的“拾取和放置(pick and place)”设备来连接芯片和基板的能力。
一般情况下，预先应用的底部填充胶依赖于溶剂型胶粘剂系统，其中溶剂必须被除去和/或底部填充胶被部分固化，形成固化层。这个过程，即除去溶剂或部分固化的过程被称为B阶段过程(B-staging)。在对底部填充胶进行B阶段过程后，晶片被切割成各个单独的芯片。某些操作中，在进行切割之前，可能进行背磨过程(backgrinding process)，以磨薄硅晶片，达到一个受控制的厚度。将有效面上的焊球与基板上的接线端子对齐，并将芯片置于基板上。焊料回流，形成电互连。如果在焊料回流的过程中底部填充胶未完全固化，则之后可能进行一个单独的底部填充胶固化步骤。
目前用晶片级底部填充胶组装芯片的工艺如
图1所示。尽管该晶片级工艺比毛细管流动法和无流动法具有一些优势，但它也确实存在一些缺陷。如果B阶段条件非最优，则在晶片级底部填充胶中的残留溶剂可能在回流期间逸出气体，从而形成了空隙(空隙最终可能导致不合格的器件)，妨碍了优良的焊接(冷焊接接头)或者形成未与底部填充胶接触的区域(非润湿型(non-wets))。进一步，当底部填充胶层厚度增加到200微米以上时，底部填充胶中溶剂的去除变得异常困难。在回流期间残余溶剂逸出气体，导致空隙和非润湿。在该工艺中，溶剂去除是一个额外的步骤，去除的溶剂必须以环境意识的方式进行处理。
临时美国专利申请号60/638,337所述的发明提供了一种晶片级无溶剂底部填充的方法和组合物，其能够包覆大于200微米，如图2所示。所述的方法要求去除底部填充胶层，以便暴露焊料凸块，并能够用标准的拾取和放置设备进行芯片连接和电互连。可以用许多方法去除底部填充胶，包括机械研磨法或化学蚀刻法。然而，该底部填充胶层的去除可能存在问题。机械研磨一定是相当剧烈的，并且必须使用湿法工艺(wet process)，使产生的热最少，产生的热可能熔化和涂污焊球。该工艺步骤产生了必须进行处理的污水，并将湿气引入对湿气敏感的工艺。化学蚀刻法产生废溶剂，这些溶剂必须以环境敏感的方式予以处理。
在某些情况下，如果采用热压键合的方法，芯片可以与基板连接而不需去除焊料凸块上的底部填充胶层。然而，该法需要购买工业中非标准的特殊设备，而且它的使用将降低采用预先应用底部填充胶包覆的净成本效益。
发明概要 本发明提供解决上述问题的方案，通过提供下述方法实现，即，使用柔性材料(compliant material)挤压底部填充胶，从而暴露底部填充胶包覆的半导体上的焊料凸块。该方法可在晶片或者芯片级上使用。
该法最主要的优点在于，其形成的被暴露的焊料凸块能够通过标准的“拾取和放置”设备进行连接操作，直接与基板上接线端子连接。这消除了使用热压键合的需要或消除了去除包覆的半导体上多余底部填充胶的需要。
附图简述 图1描述了目前的预先应用组装过程。图2描述了热熔印制工艺以及去除底部填充胶以暴露焊料凸块的过程。图3描述了本发明的底部填充胶应用过程。图4描绘了实施例1的剖面，热印制法。图5描绘了实施例2的剖面，热粉末包覆法。图6描绘了实施例3的剖面，本发明方法。图7描述了实施例4的剖面，与基板连接的本发明方法。
发明详述 本方法施用一种无溶剂底部填充胶(solvent-free underfill)于表面含有焊料凸块阵列的半导体上。本方法包括(a)在半导体上提供具可压缩状态的底部填充胶；(b)将底部填充胶与柔性表面接触并施予足够的压力以暴露焊料凸块；(c)任选地，使底部填充胶硬化为固态；和(d)去除该柔性表面。
在一个实施方案中，底部填充胶作为固体被沉积于半导体上。该固体形式必须能够在半导体整个表面上形成厚度和组成基本均匀的包覆层，例如，可以采用粉末、颗粒、膜和薄片来实现。之后，通过传统的加热方法如热接触、热对流或者红外加热进行熔融，将固体底部填充胶转化成可压缩状态。取决于所采用的方法，半导体可以处于室温下，或者可以被加热到介于室温和胶粘剂应用温度之间的温度。
在第二个实施方案中，底部填充胶以液体的形式沉积在半导体上。这种液体的状态可以通过使用室温下为液态的底部填充胶或者预加热室温下为固态的底部填充胶至其熔点以上而获得。该使用的液态应用方法必须能够在半导体上以厚度和组成基本均匀的层，分布液态底部填充胶。该均匀的液态底部填充胶层的应用可以通过一种或多种技术完成。常规技术包括漏板印刷、丝网印刷、“热熔”印刷、喷射、旋转涂布、注塑成型以及转移成型。取决于所采用的方法，半导体可以处于室温下，或者可以被加热到介于室温和胶粘剂应用温度之间的温度。
在底部填充胶沉积于半导体上并成液态之后，可以对包覆的半导体应用真空，以除去底部填充胶的任何俘获的空气。这是一步任选工艺步骤，它的采用取决于如下因素，例如所使用的具体底部填充胶、沉积方法以及焊料凸块排列方式和高度。所需的真空度取决于底部填充胶的粘度和俘获的空气的量，并可以由专业人员无需过多的试验加以确定。
本发明的柔性表面(compliant surface)包括任何具下述特征的材料，即，可以使半导体上的焊料凸块不变平地进入该材料，并且能够挤压焊料凸块顶面以下和顶面周围的底部填充胶。所选择的柔性材料应适于所使用的具体操作条件，并取决于如下因素，例如焊料凸块冶金学硬度、所采用的处理温度和底部填充胶的流变能力。肖氏A级硬度为45-80的材料是合适的，然而，根据组装结构和制造条件，更硬或者更软的材料亦可起作用。
柔性材料层的厚度可以是任何厚度，只要它比所需的焊料凸块暴露高度厚即可。所需焊料凸块暴露量为焊料凸块高度的3-20％，并应该足够使拾取和放置设备上的摄像机识别焊料凸块，以便对齐，这样，足够的焊料凸块金属被暴露，以进行回流并形成具有接合焊盘的焊接接头。最优的焊料凸块暴露量由进行具体操作的专业人员确定而无需过多的试验。
柔性材料也必须耐具体制造环境下的处理温度，并且它的选择在专业人员的能力范围内，无需过多的试验。在一个优选的实施方案中，柔性材料是天然地可与底部填充胶和焊料凸块分离的，然而，可以使用用于柔性材料的辅助材料例如硅酮剥离覆层，以防止底部填充胶与柔性材料粘结。在一个优选的实施方案中，柔性材料与半导体分开后恢复其原始形状，从而实现同一种材料的重复使用。硅酮橡胶是一种具有这种性质的典型的柔性材料。然而，如有必要，可使用不恢复其形状的柔性材料，并在一次使用后丢弃。典型的不可重复使用的柔性材料包括但不仅限于聚酯薄膜或聚乙烯薄片。
柔性表面可以通过正压或负压被挤压到底部填充胶和焊料凸块上。所需的压力大小取决于如下因素，例如焊料凸块冶金学硬度和底部填充胶的流变能力。50-350kPa的范围被通常地使用。
在使用柔性表面过程中，包覆的半导体可以处于室温下或被加热，这根据所采用的具体底部填充胶组成的要求而定。
在一个优选的实施方案中，底部填充胶在压力去除之前被硬化为固态。这通常提供了更加均匀的底部填充胶表面并使底部填充胶与柔性层之间的粘附最小化。底部填充胶的固化优选地通过将包覆的半导体暴露于周围环境或冷却环境，使其冷却到底部填充胶熔点以下而实现。固化也可以通过部分固化底部填充胶或者对底部填充胶进行B阶段过程(B-Staging)而实现。可选地，柔性层可以在底部填充胶固化之前除去。
在以这样的方式施用底部填充胶之后，在暴露的焊料凸块上可能仍存在一层很薄的底部填充胶。取决于所使用的冶金学性质及处理设备，在很多情况下，这层薄的底部填充胶不会妨碍与基板上端子焊盘合适地形成焊接接头。然后，半导体可通过常规的倒装片芯片连接法进行处理。然而，在一些情况下，可能期望或要求除去这层薄的底部填充材料，而这可以通过温和的机械研磨或者化学蚀刻法实现。
本发明的底部填充过程如图3所示。
实施例 包覆的半导体晶片通过三种不同的方法产生，以进行比较。在所有实施例中，晶片为直径8英寸、厚度为750毫米的硅片，具有高为350-400毫米的低共熔(Sn63Pb37)焊料凸块，焊料凸块以1.3mm间距排列。所有实施例中使用的底部填充胶均为环氧型组合物，其在室温下为固体，并在90℃-110℃之间熔融。
实施例1为比较实施例，采用标准的热印制法包覆晶片，其中将胶粘剂预加热到120℃，并使用刮板(squeegee)和350-400毫米厚的不锈钢模板将其印制于晶片上。然后，将晶片暴露于周围环境中，直至底部填充胶固化，并在光学显微镜下检查包覆的晶片的剖面。如图4所示，剖面显示了焊料凸块顶部之上清晰可测的底部填充胶层。另一块以相同的方式包覆的晶片被分割成各个单独的芯片，以便连接到基板上。然而，当在标准的拾取和放置设备，Metcal 1500返修工作台(rework station)上使用时，该设备的光学识别系统不能检测芯片上的焊球，因而芯片不能被对准和被置于基板上。覆盖焊球的底部填充胶层太厚，以至于无法使用拾取和放置设备将芯片与基板连接。
实施例2为比较实施例，采用热粉末包覆法包覆晶片。在这个实施例中，晶片被加热至120℃，粉末状底部填充胶被缓慢地撒于晶片表面。继续这一实施过程，直至足够的材料沉积，以致底部填充胶完全覆盖焊料凸块。使包覆的晶片冷却至周围温度，并用光学显微镜检查包覆的晶片的剖面。如图5所示，剖面显示了焊料凸块顶面上清晰可测的底部填充胶层。另一块以相同的方式包覆的晶片被分割成各个单独的芯片，以便与基板连接。然而，当在标准的拾取和放置设备，Metcal 1500返修工作台上使用时，该设备的光学识别系统不能检测芯片上的焊球，因而芯片不能被对准和被置于基板上。覆盖焊球的底部填充胶层太厚，以至于无法使用拾取和放置设备将芯片与基板连接。
实施例3中，晶片用本发明的方法包覆。本实施例所使用的柔性材料是玻璃纤维增强硅酮橡胶薄片，1/16″(英寸)厚，肖氏A硬度测定计测量的硬度为60-80。将柔性材料薄片附着于滚筒(platen)上，并作为挤压装置。采用上述的热粉末包覆法，将底部填充胶施用于晶片上。将包覆的晶片保持在90℃-120℃的同时，柔性材料通过挤压装置以约50kPa的压力被挤压在包覆晶片上7分钟。冷却该组装物至周围温度，然后移去该挤压装置。用光学显微镜检查该包覆晶片剖面。如图6所示，剖面显示，焊料凸块凸出底部填充胶，其上仅有很微小的残留层。
实施例4中，晶片以本发明的方法包覆，如实施例3所述。在除去挤压装置之后，包覆的晶片被分割成7×7mm的芯片，将该芯片与基板连接，以测定它们在没有底部填充胶去除步骤的情况下形成焊接接头的能力。本测试使用的基板是铜板，其具有与测试芯片的焊料凸块排列方式相同的低共熔焊料焊盘。将一种商业可得的助熔剂以焊盘的高度印制于基板上，焊盘高度大约为180-220毫米。然后，将芯片与基板上的焊盘对齐放置，并在室温下用Metcal 1500返修工作台进行连接。然后，采用220℃峰值温度曲线，将组装物在焊料液相线以上进行回流60-90秒。然后，将得到的组装物横切，并在光学显微镜下进行检查。从图7可见连接的装配件、回流后的焊球以及与基板上接合焊盘形成的冶金焊接接头的剖面。
权利要求
1.一种将无溶剂底部填充胶施用于表面具有焊料凸块阵列的半导体上的方法，包括i.在半导体上提供具可压缩状态的底部填充胶；ii.将所述底部填充胶与柔性表面接触，并施予足够的压力，以暴露焊料凸块；iii.任选地，将所述底部填充胶硬化为固态；和iv.去除所述柔性表面。
2.权利要求1所述的方法，其中所述底部填充胶通过以固体粉末的形式沉积于半导体上而被提供，并通过熔融，转化成可压缩的状态。
3.权利要求1所述的方法，其中所述底部填充胶以液体的形式被沉积于半导体上。
4.权利要求1所述的方法，其中所述底部填充胶是可固化的环氧树脂。
5.权利要求1所述的方法，其中所述柔性表面是硅酮橡胶。
6.权利要求1所述的方法，其中所述半导体是硅芯片。
7.权利要求1所述的方法，其中所述半导体是硅晶片。
全文摘要
一种将无溶剂底部填充胶施用于含有焊料凸块的半导体上的方法，包括在半导体上提供具可压缩状态的底部填充胶；将底部填充胶与柔性表面接触，并施予足够的压力，以暴露焊料凸块；任选地，使底部填充胶硬化为固态；和去除柔性表面。
文档编号H01L21/28GK1901150SQ20061010630
公开日2007年1月24日 申请日期2006年7月19日 优先权日2005年7月22日
发明者R·沙瓦里, C·多米尼克 申请人:国家淀粉及化学投资控股公司