專利名稱：安裝電子部件的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及安裝諸如半導(dǎo)體芯片或封裝的電子部件的方法。
背景技術(shù)：
通常，在線路板上安裝諸如半導(dǎo)體芯片的電子部件的焊接方法大體上分為諸如焊料回流或樹脂固化的使用熱的方法和超聲焊接方法。雖然焊接所用的凸起的類型不同，兩種焊接方法都使用熱和負(fù)載(下面稱為‘常規(guī)焊接’)。考慮對芯片的影響，理想焊接方法所需的條件為常溫、常壓和無負(fù)載。然而，還沒有實現(xiàn)這樣的方法。
東京大學(xué)先進(jìn)科學(xué)與技術(shù)研究中心的Tadatomo Suga教授已經(jīng)提出了近乎理想的焊接方法使用表面激活的常溫焊接方法(下面稱為‘常溫焊接’)。根據(jù)這種焊接方法，焊接表面被激活并在負(fù)載下僅通過使其相互接觸被焊接在一起。結(jié)果，在幾乎無負(fù)載下使常溫焊接成為可能。人們正在研究各種無機(jī)和有機(jī)物質(zhì)作為適合常溫焊接的材料。
然而，常溫焊接需要預(yù)處理焊接表面以實現(xiàn)低負(fù)載下的焊接，所述預(yù)處理為將焊接表面的粗糙度和高度的變化控制到小于預(yù)定水平，從而增加焊接表面之間的接觸幾率。在將半導(dǎo)體芯片焊接到線路板的常溫焊接的應(yīng)用中，通常通過CMP(化學(xué)機(jī)械拋光)或電拋光芯片上由Au、Cu等材料構(gòu)成的凸起預(yù)處理焊接表面。與常規(guī)焊接的預(yù)處理相比，所述預(yù)處理不僅增加了芯片的負(fù)擔(dān)，而且增加了步驟的數(shù)量。如果沒有焊接表面的所述繁瑣的預(yù)處理，而常溫焊接仍然可行，則可以降低芯片的負(fù)擔(dān)和步驟數(shù)。
即使通過預(yù)處理焊接表面抑制了凸起粗糙度和高度的變化，線路板表面端子的表面粗糙度和高度的變化仍然依賴于在其上焊接芯片的線路板的狀況。因此，即使在預(yù)定負(fù)載下的凸起變形也不能吸收芯片的凸起焊接表面和線路板表面之間的縫隙的變化，并最終導(dǎo)致焊接失敗。施加多余的高壓來吸收所述變化將損壞芯片和線路板。在將封裝安裝到線路板的情況下，也會引起類似的問題。
在日本未審查專利申請2002-50861和2002-373913(JP2002-50861A和JP2002-373913A)中描述了通過常溫焊接把半導(dǎo)體芯片和線路板焊接到一起的傳統(tǒng)方法。JP2002-50861A公開了通過常溫焊接把諸如半導(dǎo)體芯片的電子部件焊接到諸如線路板的形成電路部件的方法，常溫焊接使用Au、Cu、Al、In或Sn作為電子部件和形成電路部件之間的連接材料。JP2002-373913A公開了一種技術(shù)，其中在電解液或還原液中，在常溫下，把一個具有由銦層構(gòu)成的焊接位置的電子部件和另一個在相應(yīng)的焊接位置具有由諸如金或銅構(gòu)成的連接端子的電子部件在所述焊接位置焊接在一起。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一個目的是提供通過常溫焊接把諸如半導(dǎo)體芯片或封裝的電子部件安放在線路板或基底上的新方法，其中不需要通過CMP或電拋光繁瑣地預(yù)處理電子部件和安裝板的焊接表面，從而抑制電子部件和板的焊接表面上凸起的粗糙度和高度的變化。
根據(jù)本發(fā)明，提供了在板上安放半導(dǎo)體元件的方法，其中諸如半導(dǎo)體芯片或半導(dǎo)體封裝的電子部件和在其上安裝所述電子部件的安裝板被置于真空或惰性氣氛中，并在常溫下通過使所述電子部件和所述板的焊接部件相互接觸把所述電子部件安裝在所述板上，所述方法包括使用焊料材料在所述電子部件和所述板的至少一個上形成焊接部分，并使所述電子部件和所述板的所述焊接部件相互接觸，無需預(yù)處理焊接部件的焊接表面。
可用于根據(jù)本發(fā)明的方法的焊料材料的例子為焊料材料需要不大于100克的垂直負(fù)載，以使在平行于電子部件體方向的直徑為130μm的球形凸起的高度變化為8μm。當(dāng)焊料凸起被用作焊料部件時，焊料凸起可以通過電鍍焊料材料的回流形成，或通過直接將焊料球放置到位而獲得。


通過參照附圖閱讀下述詳細(xì)說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員將清楚理解并認(rèn)識到本發(fā)明的上述和其它目的和優(yōu)點，其中圖1示出了以凸起硬度為變量，凸起高度隨芯片上施加的負(fù)載的變化；圖2示出了以凸起形狀為變量，凸起高度隨芯片上施加的負(fù)載的變化；圖3示出了偽芯片上形成的球形凸起；圖4示出了偽芯片上施加的負(fù)載和凸起高度變化之間的關(guān)系；圖5示出了每個凸起的負(fù)載和凸起高度變化之間的關(guān)系；以及圖6A到6D示意性地示出了本發(fā)明的各種實施例。
具體實施例方式
對于根據(jù)本發(fā)明安裝電子部件的方法中使用的常溫焊接，在真空氣氛(或惰性氣氛)中在常溫下，使通過除去氧化膜激活的兩種材料的焊接表面相互接觸，從而焊接兩種材料。常溫焊接方法具有下面的優(yōu)勢(1)在焊接過程中，通常不需要加熱焊接材料，或如果需要，可以加熱到比焊接材料的熔點低很多的溫度。
(2)可以直接將不同類型的材料焊接在一起。
(3)要被焊接的一部分或多個部分可以包括低耐熱材料。
常溫焊接包括下面四個重要因素進(jìn)行焊接的氣氛(真空或惰性氣氛)，焊接表面的激活，焊接表面的表面粗糙度，以及焊接部分的凸起或焊盤的高度變化。在這些因素中，本發(fā)明的發(fā)明人的注意力集中于焊接表面的表面粗糙度和焊接部分的高度變化，并在金焊接部件之間進(jìn)行了常溫焊接試驗。在試驗中，芯片被焊接到通過蒸發(fā)在整個表面上沉積有金的平板硅襯底，芯片上以300μm的間距13行乘以13列地排列了169個金凸起(每個凸起的直徑為100μm，高度為15μm)。在晶片態(tài)，對芯片的金凸起進(jìn)行CMP工藝，以得到粗糙度不大于10nm且每個芯片的凸起高度變化不大于1μm。在下列條件下焊接后，測量焊接的切變強(qiáng)度每凸起207g的焊接負(fù)載，焊接30秒，Ar離子輻射10分鐘用于激活焊接表面，以及5×10-5torr的真空。結(jié)果，獲得了3.0到4.0kg的切變強(qiáng)度。然而，由于在焊接位置之間的焊接變化，不能確保所有凸起的穩(wěn)定焊接。
在試驗中，考慮到由于芯片和襯底之間不夠平行，且芯片和襯底的焊接部分之間具有縫隙，一側(cè)焊接導(dǎo)致焊接缺乏穩(wěn)定。因此，又研究了新概念凸起‘形變度’。形變度是在外力下材料的形變能力，并通常被限定為在張力、壓力、扭曲或彎曲等的外力下材料的伸長、收縮或偏轉(zhuǎn)等的值。
在通過常溫焊接利用凸起將半導(dǎo)體芯片倒裝芯片焊接到板的情況下，凸起形變度可以表示為在負(fù)載下凸起變形(高度變化)的量。在金凸起焊接的情況下，凸起形變度代表吸收焊接失敗的起因的因子，所述起因例如表面粗糙度變化、板的焊接部件的高度變化、芯片凸起高度變化、以及由焊接設(shè)備不夠平行引起芯片和板的焊接部分之間的一側(cè)接觸。在這些變化和一側(cè)接觸的程度較大的情況下，必須增加負(fù)載以焊接所有凸起。然而，并不希望增加負(fù)載，因為它將增加芯片、焊盤和板的端子上的機(jī)械壓力。
對于具有相同形狀的凸起，通過增加形變度可以在較小的負(fù)載下焊接。凸起形變度與凸起的形狀和硬度有關(guān)，具體為(1)凸起焊接面積越小且凸起越高，凸起形變度越大。
(2)對于相同形狀和材料的凸起，凸起的硬度越小，凸起形變度越大。
測量了兩種類型的樣品芯片的金凸起的形變度，所述樣品芯片具有直徑為100μm和高度為15μm的金凸起以及具有通過退火而改變的凸起硬度(凸起硬度為68.0Hv和39.5Hv)。這些樣品芯片在相同的晶片上形成。圖1示出了各凸起的高度隨芯片上施加的負(fù)載的變化。
圖2示出了對下面兩種具有金凸起的芯片進(jìn)行類似測試的結(jié)果，一種芯片的金凸起具有50×50μm的方形截面、15μm的高度和40.1Hv的硬度，另一種芯片的金凸起具有直徑為100μm的圓形截面、15μm的高度和39.5Hv的硬度。
從圖1和2中可以看出在負(fù)載下，凸起高度隨凸起的硬度和幾何形狀發(fā)生變化，為了確保較大的變化，需要較小的硬度和較小的截面，在固定的硬度和截面下，需要較大的負(fù)載。
考慮到形變度，對這樣的芯片進(jìn)行了試驗，芯片具有低硬度39.5Hv的金凸起(直徑為100μm，高度為15μm)并被焊接到通過蒸發(fā)沉積有金的硅襯底。在下列條件下焊接后測量焊接的切變強(qiáng)度每凸起207g或355g的焊接負(fù)載，焊接30秒，Ar離子輻射10分鐘，以及5×10-5torr的真空。在每凸起207g的焊接負(fù)載下，獲得了3.1到7.2kg的切變強(qiáng)度，然而在每凸起355g的焊接負(fù)載下，芯片破裂，因此無法測量。對于每凸起207g和355g的焊接負(fù)載，每芯片的凸起焊接率分別為83％和100％。相比較，高硬度(68Hv)金凸起的凸起焊接率為35％。
通過投射電子顯微鏡(TEM)分析低硬度金凸起的焊接界面，在包括加熱過程的高溫下沒有發(fā)現(xiàn)常規(guī)金-金焊接的再結(jié)晶，且可以清楚辨認(rèn)所述界面。在每凸起355g焊接負(fù)載的情況下，放大6,000,000倍可以看見金的晶格線(111)，然而沒有發(fā)現(xiàn)空位或晶格畸變，并證實了晶格被緊密地焊接在一起。
以這種方式通過增加形變度這個新因子，證實了在常溫下金-金結(jié)合的可能性。然而，如上所述，需要預(yù)處理(CMP等)凸起末端的焊接表面，此時，使用了常溫焊接方法的優(yōu)勢。這樣，進(jìn)一步尋找進(jìn)行沒有預(yù)處理凸起末端的焊接表面的常溫焊接的條件，并最終發(fā)現(xiàn)通過各種焊料材料可以滿足這樣的條件。
給出這樣一個實例，把具有通過回流Sn-37Pb焊料的柱狀凸起獲得的球形凸起(在平行芯片表面方向直徑為130μm)的芯片焊接到通過蒸發(fā)沉積有金的硅襯底，而沒有預(yù)處理焊料凸起末端的焊接表面。焊接條件為每凸起177.5g或355g的焊接負(fù)載，焊接60秒，Ar離子輻射10分鐘，以及5×10-5torr的真空。
對于每凸起177.5g和355g的焊接負(fù)載，凸起與沉積金的硅襯底的焊接率為100％。對于每凸起177.5g的焊接負(fù)載，焊接凸起的切變強(qiáng)度為11.1到11.3kg，而對于每凸起355g的焊接負(fù)載，超出了測量設(shè)備的測量范圍。發(fā)現(xiàn)了在切變強(qiáng)度測量期間焊料凸起中發(fā)生的各種失敗，但沒有發(fā)現(xiàn)焊接界面分離。通過TEM觀察焊接界面發(fā)現(xiàn)，在界面附近存在似乎為錫金合金的層，然而在界面處焊接沒有空位或晶格畸變并令人滿意。
這表明在實際應(yīng)用中，具有很低硬度的諸如焊料的材料可以展示出常溫焊接的效應(yīng)。
發(fā)明人進(jìn)行的一系列試驗表明，常溫焊接所需的凸起的最小高度變化為2到3μm。通常，與半導(dǎo)體芯片倒裝芯片焊接的樹脂布線板的焊盤的焊接表面的高度變化為4到5μm。當(dāng)布線板是硅襯底時，焊盤的焊接表面的高度變化更小。因此，只要能夠在小負(fù)載下確保6到8μm的焊料凸起的高度變化，通常可以在常溫下將半導(dǎo)體芯片焊接到所有類型的用于倒裝芯片焊接的布線板，而無需預(yù)處理焊料凸起的焊接表面。發(fā)明人發(fā)現(xiàn)利用這樣的焊料材料可以達(dá)到這些條件，它需要不大于100克的垂直負(fù)載以使在與芯片體平行的方向直徑為130μm的球形凸起的高度變化為8μm。
如圖3示意性地示出，制備了具有鋁焊盤3的偽芯片1，以及在焊盤3上每芯片形成了169個球形凸起5(通過回流柱形焊料材料獲得)。凸起的特征如下焊料成分Sn-37Pb硬度平均9.1Hv(7.8到11.0Hv)直徑130μm高度平均102μm(98到106μm)上述凸起高度的值是這樣獲得的使用Mitaka Kohki公司型號為NH-3的測量設(shè)備，以面朝下的方式測量安放在平板上凸起的偽芯片的凸起高度，然后從所得結(jié)果中減去芯片厚度。因此，如圖3所示，凸起高度H包括焊盤3的2μm厚度。
為了研究凸起變形度，在超凈室里，把凸起的偽芯片以面朝下的方式安裝在平板上，并施加1Kg、5Kg、10Kg和20Kg的負(fù)載，從而確定凸起高度的變化，作為距離板表面高度的變化。假定把上述平均凸起高度102μm作為形變前的參考凸起高度，獲得了表1所示的結(jié)果。把平均值(102μm)作為參考凸起高度，對于變形前高度大于參考高度的凸起，在低負(fù)載下的測量值為負(fù)數(shù)。
表1凸起高度變化(μm)

這些結(jié)果繪制在圖4和圖5中，圖4示出了偽芯片上的負(fù)載和凸起高度變化之間的關(guān)系，圖5示出了每凸起的負(fù)載和凸起高度變化之間的關(guān)系。圖4和5示出了對Sn-37Pb焊料凸起的測量結(jié)果，同時示出了下面表2中所示的焊料材料的凸起高度的變化，所述凸起高度變化是基于這樣的假設(shè)通過計算測量結(jié)果得到的即假設(shè)相同幾何形狀的凸起的變化與凸起材料的硬度成比例(由于Sn-37Pb和Sn-95Pb的硬度非常接近，他們的曲線相互重疊)。圖4和5也示出了通過最小二乘法得到的Sn-37Pb(最小硬度的焊料材料)和Sn-Zn-Bi(最大硬度的焊料材料)的近似曲線。
表2焊料類型和硬度(Hv)

可以看出，當(dāng)在圖5的情況下施加需要確保6到8μm的凸起高度變化的上述條件，以在常溫下把具有焊料凸起的半導(dǎo)體芯片焊接到板時，為了使平行芯片表面方向的直徑為130μm的球形凸起產(chǎn)生8μm的垂直變化，負(fù)載可以不大于60到70g。這種結(jié)果表明在每凸起不大于60g或不大于70g的負(fù)載下，可以在常溫下把芯片焊接到板，而無需預(yù)處理焊料凸起的焊接表面。實際上，常溫焊接所需的每凸起負(fù)載也會受到板的凸起或焊盤表面狀況的影響。因此，在本發(fā)明中，焊料材料被限定為使沒有預(yù)處理焊料凸起的焊接表面的常溫焊接可行的焊料材料，由所述焊料材料構(gòu)成的在平行于芯片體方向的直徑為130μm的球形凸起被垂直地施加不大于100g的負(fù)載時，可以產(chǎn)生8μm的垂直變化。
實際上，在這樣的情況下，即與具有由表2列出的各類型的焊料構(gòu)成的凸起的上述偽芯片類似的偽芯片，在常溫下被焊接到具有鍍金的銅焊盤的硅襯底，而沒有預(yù)處理凸起的焊接表面，在10Kg(每凸起59g)的負(fù)載下，對所有的凸起可以獲得滿意的焊接結(jié)果。也可以確定，在相同的條件下，與上述那些偽芯片類似的偽芯片可以在常溫下被焊接到非常不平整的PCB板上，而沒有預(yù)處理凸起的焊接表面。相反，金凸起可以在每凸起355g的負(fù)載下被常溫焊接到硅襯底上，但是，由于凸起高度的改變不足不能被常溫焊接到PCB板上(圖1)。此外，即使焊接到硅板上需要預(yù)處理凸起的焊接表面。
如在常溫焊接領(lǐng)域，特別是半導(dǎo)體芯片的常溫焊接領(lǐng)域所公知的，常溫焊接的技術(shù)概念通常包括加熱到低于焊接材料熔點的溫度的焊接(例如，對于金凸起，公知為加熱到大約200℃進(jìn)行焊接，也被稱為常溫焊接)，以及包括不需要把焊接材料加熱到高溫的焊接。本發(fā)明的常溫焊接也包括把焊接凸起加熱到低于其熔點的溫度的焊接。本發(fā)明的把凸起材料加熱到低于其熔點的溫度的焊接的優(yōu)點在于可以在諸如氮或氬的惰性氣氛而不是真空氣氛下焊接，并降低了焊接負(fù)載。發(fā)明人已經(jīng)通過試驗證實了具有焊料凸起的芯片可以在氮氣氣氛下被焊接到加熱到100℃的板上，而沒有預(yù)處理凸起的焊接表面。
現(xiàn)在將通過參考圖6A到6D說明本發(fā)明的各種實施例。
在圖6A示出的實施例中，具有焊料凸起13的半導(dǎo)體芯片11(或半導(dǎo)體封裝)在常溫下被焊接到具有焊盤17的布線板15，而沒有預(yù)處理凸起13的焊接表面。
在圖6B示出的實施例中，具有焊料凸起23的半導(dǎo)體芯片21(或半導(dǎo)體封裝)在常溫下被焊接到具有在焊盤27上形成的焊料凸起29的布線板25，而沒有預(yù)處理凸起23和29的焊接表面。
在圖6C示出的實施例中，具有焊料凸起33的半導(dǎo)體芯片31(或半導(dǎo)體封裝)在常溫下被焊接到具有在焊盤37上形成的焊料凸起39的布線板35，而沒有預(yù)處理凸起33和39的焊接表面。
在圖6D示出的實施例中，具有焊盤43的半導(dǎo)體芯片41(或半導(dǎo)體封裝)在常溫下被焊接到具有在焊盤47上形成的焊料凸起49的布線板45，而沒有預(yù)處理凸起49的焊接表面。
從上述的說明中可以理解，根據(jù)本發(fā)明，利用具有足夠變形度的焊料材料形成的焊接部件作為半導(dǎo)體芯片或封裝等的電子部件和安裝板中的至少一種的焊接部件，可以在常溫下將電子部件安裝到安裝板上，而不預(yù)處理凸起部分的焊接表面。這樣，避免了對電子部件不利的通過諸如CMP或電拋光的方法對凸起部分的焊接表面的預(yù)處理，從而降低了電子部件的負(fù)擔(dān)和所需工藝的步驟數(shù)。此外，可把電子部件常溫焊接到有機(jī)布線板上，而使用金凸起等的所述常溫焊接至今來說很困難。
權(quán)利要求
1.一種在板上安裝電子部件的方法，其中電子部件和在其上安裝所述電子部件的安裝板被置于真空或惰性氣氛中，并在常溫下通過使所述電子部件和所述板的焊接部件相互接觸，把所述電子部件安裝在所述板上，所述方法包括利用焊料材料在所述電子部件和所述板的至少一個上形成所述焊接部件，并使所述電子部件和所述板的所述焊接部件相互接觸，而不預(yù)處理焊接部分的焊接表面。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的安裝電子部件的方法，其中所述焊料材料需要不大于100克的垂直負(fù)載以使在平行于電子部件體方向的直徑為130μm的球形凸起的高度變化8μm。
全文摘要
在板上安裝電子部件的方法，其中電子部件和在其上安裝所述電子部件的安裝板被置于真空或惰性氣氛中，并在常溫下通過使所述電子部件和所述板的焊接部件相互接觸把所述電子部件安裝在所述板上，所述方法包括利用焊料材料在所述電子部件和所述板的至少一個上形成焊接部件，并使所述電子部件和所述板的所述焊接部件相互接觸，而不預(yù)處理焊接部分的焊接表面。
文檔編號H01L23/498GK1541052SQ200410034129
公開日2004年10月27日 申請日期2004年4月22日 優(yōu)先權(quán)日2003年4月24日
發(fā)明者須賀唯知, 伊藤壽浩, 浩, 中澤秀人, 人, 俊, 赤川雅俊 申請人:須賀唯知, 新光電氣工業(yè)株式會社, 沖電氣工業(yè)株式會社, 三洋電機(jī)株式會社, 夏普株式會社, 索尼株式會社, 株式會社東芝, 日本電氣株式會社, 株式會社日立制作所, 富士通股份有限公司, 松下電器產(chǎn)業(yè)株式會社, 三菱電機(jī)株式會社, 羅姆股份有限公司