СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ ШАРИКОВЫХ ВЫВОДОВ НА АЛЮМИНИЕВОЙ МЕТАЛЛИЗАЦИИ КОНТАКТНЫХ ПЛОЩАДОК КРИСТАЛЛА Российский патент 2018 года по МПК H01L21/321 

Описание патента на изобретение RU2671383C1

Изобретение относится к области электроники и предназначено для изготовления интегральных схем (ИС), гибридных интегральных схем (ГИС), микросборок и модулей. Одной из основных операций в производстве ИС является присоединение кристаллов с шариковыми выводами к основаниям корпусов или подложек методом «flip-chip». Основу метода перевернутого кристалла составляют шариковые выводы, располагаемые на металлизированных контактных площадках кристаллов.

Кристаллы монтируют на основание корпусов или подложек планарной стороной. При этом рисунок их контактных площадок является зеркальным отображением расположения выводов.

Надежность интегральных схем, в том числе, изготовленных с использованием технологии «flip - chip», зависит как от материала контактной площадки ИС, так и от материала шарикового вывода. Использование припойных шариковых выводов не только обеспечивает электрическую связь между кристаллами ИС и подложкой (платой), но и играет важную роль в механической, прочностной, температурной, теплоотводной составляющих изделий, собранных по «flip-chip» технологии. Кроме того, возможно использование в технологиях 3D-IC, SiP (system-in-package), микро-электромеханические системы (МЭМС), WLCSP (wafer level chip scale package - корпусирование в размер кристалла на уровне пластины). С одной стороны, реализация соединений на припойном шариковом выводе, по сравнению с проволочным соединением, снижает задержки распространения электрических сигналов, обеспечивает большую пропускную способность, снижает сопротивление и индуктивность электрических соединений, что приводит к снижению задержки распространения электрических сигналов, обеспечивает большую пропускную способность и снижает ограничения по шинам питания и заземления.

С другой стороны, применение припойных шариковых выводов способствует миниатюризации изделия, например, в сфере мобильной связи.

Монтаж на припойные шариковые выводы вытесняет проволочные соединения, что значительно уменьшает размер корпусов микросхем и габаритные показатели конечных изделий.

Важную роль при монтаже припойных шариковых выводов играет многослойная металлизация - UBM (Under Bump Metallization), в качестве которой рекомендуется использовать - stud bump (первая точка термозвуковой сварки на кристалле в соединении методом «шарик-клин»).

Разработка способов и технологий производства ИС - это актуальная задача, на решение которой направлены усилия всех специалистов, работающих в области полупроводниковой микроэлектроники.

Существуют различные способы формирования шариковых выводов на контактных площадках кристалла для сборки ИС с использованием технологии «flip-chip».

Известен способ формирования золотых столбиков на алюминиевых контактных площадках кристалла [1]. Данная технология используется при автоматизированном монтаже кристаллов на ленточном носителе. При этом столбики из золота получают электролитическим осаждением на алюминиевых контактных площадках кристалла после вскрытия пассивирующего слоя.

После ионной очистки наносят контактный барьерный слой толщиной 100 нм, служащий проводящим слоем при электролитическом осаждении золота. Основным недостатком, влияющим на выход годных приборов, является селективное травление слоев, нанесенных вакуумным или ионно-лучевым распылением. Кроме того, при химическом травлении этих слоев травитель может проникать в пассивирующее покрытие и растворять алюминиевое межсоединение. Более того, формирование золотых столбиков на алюминиевых контактных площадках приводит к образованию интерметаллических соединений Аuх-Аlу на границе, что снижает надежность контактов.

Известен [2] процесс формирования золотых столбиков на алюминиевой контактной площадке. Столбики из золота высотой 25 мкм получали электролитическим осаждением. Основным недостатком данной технологии является образование интерметаллических соединений Аuх-Аlу в контакте этих металлов («пурпурная чума»), что существенно снижает надежность данных контактов. Кроме того, электролитическое осаждение достаточно трудоемкой процесс, что повышает себестоимость выпускаемых изделий. Более того, после электролитического осаждения необходимо проводить отмывку и сушку кристаллов в составе пластины.

Наиболее близким по технической сущности заявляемого изобретения является способ [3] формирования контактных выступов термокомпрессионным присоединением шарика из золотой проволоки к алюминиевым контактным площадкам на кристалле. По данной технологии на верхней части шарика остается заостренный выступ - след обрыва проволоки. С целью получения контактных выступов, имеющих однородность их размеров и формы, вначале выступ расплющивают с помощью формирующей иглы, которая имеет плоскую или выгнутую рабочую поверхность, а затем шарик термически обрабатывают лазерным лучом. Основным недостатком данного способа является образование интерметаллических соединений Аuх-Аlу на границе золотого шарика с алюминиевой контактной площадкой, что существенно снижает надежность данных соединений.

Следует отметить, что при термокомпрессионном методе присоединения золотой проволоки к алюминиевой металлизации в зоне контакта золото-алюминий образуются интерметаллиды Аuх-Аlу, что существенно снижает надежность соединений.

Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение - это возможность реализовать технологию «flip-chip» пайкой кристаллов с алюминиевой металлизацией без предварительной подготовки контактных площадок и нанесения UВМ, быстрое прототипирование, данные факторы снижают себестоимость выпускаемых изделий.

Эта задача достигается тем, что на алюминиевых контактных площадках кристалла формируют шариковые вывода из платиновой проволоки термозвуковым методом сварки, а после планаризации шариковых выводов на них наносят шарик припоя для последующей пайки кристалла на корпус/подложку по технологии «flip-chip».

Сравнение заявляемого способа формирования шариковых выводов на алюминиевой металлизации контактных площадок кристалла с другими способами [1-3] из известного уровня техники также не позволило выявить в них признаки, заявляемые в отличительной части формулы.

Сущность изобретения поясняется чертежами, на которых схематично изображены:

на фиг. 1 - схема сформированного стад-бампа на алюминиевой контактной площадке кристалла термозвуковым методом сварки;

на фиг. 2 - стад-бамп после планаризации инструментом;

на фиг. 3 - схема припойного шарикового вывода с платиновым ядром.

Изолирующий защитный слой по периметру контактной площадки кристалла на фиг. 1-3 не показан.

На сборку поступают полупроводниковые кристаллы 1 с алюминиевыми контактными площадками 2 (фиг. 1). Платиновые стад-бампы 3 формируют на алюминиевых контактных площадках 2 кремниевого кристалла 1 методом термозвуковой сварки «шариком», применяющегося при формировании проволочного соединения встык. При этом на верхней части стад-бампа остается заостренный выступ 4 (участок обрыва проволоки).

Термозвуковая сварка в отличии от термокомпрессионной реализуется при меньшем давлении и температуре, что положительно сказывается на межслойном диэлектрике (отсутствуют трещины), на которую напыляется алюминиевая металлизация. Кроме того, сварное соединение встык «шариком» имеет меньшие размеры в сравнении с соединением, получаемым термокомпрессией внахлест. Таким образом, термозвуковая сварка «шариком» способствует уменьшению размеров самой контактной площадки и, в целом, уменьшению размеров кристалла. Данный фактор снижает себестоимость выпускаемых полупроводниковых изделий.

Затем стад-бампы подвергают «чеканке» (фиг. 2) - планаризации с использованием специально разработанного инструмента при этом стад-бампы приобретают поверхность 5 параллельную кристаллу 1 с металлизацией 2.

После планаризации стад-бампов на них наносят калиброванные припойные шариковые выводы 6 из припоев заданного состава и температурой плавления методом лазерного оплавления (фиг. 3). Происходит смачивание припоем всей поверхности планаризованных стад-бампов 5, в результате этого формируется припойный шариковый вывод с платиновым ядром на алюминиевой контактной площадке.

В предлагаемом способе используют платиновые (стад-бампы) с последующим нанесением припойных шариковых выводов для технологии «flip-chip». Такой подход удобен для быстрого прототипирования и не требует применения шаблонов. Формирование стад-бампов по данному способу возможно на контактных площадках кристаллов в составе пластины, что снижает себестоимость выпускаемых полупроводниковых изделий.

Кроме того, использование платины объясняется ее физическими характеристиками по сравнению с золотом, а именно: диффузионные барьерные свойства, смачиваемость припоями, стойкость к коррозии, низкое электрическое сопротивление. Скорость растворения платины в расплавленном олове значительно ниже чем у никеля - традиционного барьерного материала для металлизации контактных площадок ИС.

Обычно, контактные площадки под пайку имеют многослойную структуру, которая включает в себя слой защиты от окисления, диффузионный барьерный слой и слой для смачивания припоем. Примером такой многослойной структуры является трехслойная металлизация Au/Ni/Cu, где слой Аu вводится для защиты от окисления, слой Ni -диффузионный барьерный слой, а Сu - слой для токопроводящих дорожек.

Известно, что основной недостаток использования многослойных металлических структур на контактных площадках кристалла приводит не только к увеличению стоимости производства конечных изделий с такими площадками, но и увеличивает сложность их проектирования и изготовления. Повышение сложности, в свою очередь, приводит к проблемам, связанным со снижением надежности изделий микроэлектроники.

Таким образом, появляется мотивация к упрощению многослойной металлической структуры. Платина, как химический элемент не подвержена окислению и имеет медленную скорость реакции с припоями на основе Рb-Sn, Sn-Cu, и Sn-Ag-Cu так и припоев на основе чистого олова. Ввиду этих свойств платиновая металлизация может выполнять как функции слоя, защищающего от окисления, так и функции диффузионного - барьерного слоя. Применение платины в качестве UВМ контактных площадок под шариковые припойные выводы для монтажа кристаллов методом «flip-chip» в этом случае технически и экономически оправдано.

На основании вышеизложенного сделано заключение, что предлагаемый способ формирования шариковых выводов на алюминиевой металлизации контактных площадок кристалла обеспечивает по сравнению с существующими способами следующие преимущества:

1. Снижается себестоимость производства;

2. Повышается надежность;

3. Возможность быстрого прототипирования без применения шаблонов.

Источники информации

1. Технология СБИС. Т. 2. / Под ред. С. Зи. М.: Мир, 1986.

2. Емельянов В.А. Корпусирование интегральных схем. Минск: Полифакт, 1998. - с.194-195.

3. Формирование контактных выступов. Заявка 212919 Япония. МКИ5 H01L 21/321 / Мацумура Ясцо; Кансай Ниппон дэнки к.к -№63-164563; Заявл. 30.06.1988; Опубл. 17.01.1990 // Кокай Токкё Кохо. Сер. 7(2). -1990. -16.-С.113-116.

Похожие патенты RU2671383C1

название год авторы номер документа
СПОСОБ ПРИМЕНЕНИЯ ПЛАТИНОВОЙ МЕТАЛЛИЗАЦИИ В СИСТЕМЕ ПЕРЕРАСПРЕДЕЛЕНИЯ КОНТАКТНЫХ ПЛОЩАДОК КРИСТАЛЛОВ ИНТЕГРАЛЬНЫХ МИКРОСХЕМ И ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПРИБОРОВ 2019
  • Рогозин Никита Владимирович
  • Побединский Виталий Владимирович
RU2717264C1
СПОСОБ ИЗОЛЯЦИИ ПРИ МОНТАЖЕ ПЕРЕВЕРНУТЫХ КРИСТАЛЛОВ 2016
  • Зенин Виктор Васильевич
  • Стоянов Андрей Анатольевич
  • Колбенков Анатолий Александрович
  • Побединский Виталий Владимирович
  • Рогозин Никита Владимирович
RU2648311C2
СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ КОРПУСА ПО РАЗМЕРАМ КРИСТАЛЛА ИНТЕГРАЛЬНОЙ МИКРОСХЕМЫ 2008
  • Громов Владимир Иванович
RU2410793C2
КОНТАКТНЫЙ УЗЕЛ НА ВСТРЕЧНЫХ КОНТАКТАХ С КАПИЛЛЯРНЫМ СОЕДИНИТЕЛЬНЫМ ЭЛЕМЕНТОМ И СПОСОБ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ 2008
  • Таран Александр Иванович
  • Белов Андрей Александрович
RU2374793C2
СПОСОБ СБОРКИ ТРЕХМЕРНЫХ ИНТЕГРАЛЬНЫХ СХЕМ 3D БИС 2014
  • Зенин Виктор Васильевич
  • Ачкасов Александр Владимирович
  • Колбенков Анатолий Александрович
  • Стоянов Андрей Анатольевич
RU2584180C2
СПОСОБ ВАКУУМНОЙ ПАЙКИ ПРИПОЙНЫХ ШАРИКОВ НА ВЫВОДНЫЕ ПЛОЩАДКИ МЕТАЛЛОКЕРАМИЧЕСКИХ КОРПУСОВ МАТРИЧНОГО ТИПА 2022
  • Побединский Виталий Владимирович
  • Рябов Александр Валерьевич
  • Лаврентьев Евгений Вячеславович
RU2812158C1
Способ изготовления планарного диода с анодным вискером и воздушным выводом по технологии "Меза-Меза" 2022
  • Торхов Николай Анатольевич
RU2797136C1
СПОСОБ ВСТРАИВАНИЯ КОМПОНЕНТОВ WLCSP В E-WLB И В E-PLB 2014
  • Наир Виджай К.
  • Мейер Торстен
RU2655678C1
СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ФОТОПРИЕМНОГО МОДУЛЯ НА ОСНОВЕ PbSe 2012
  • Бочков Владимир Дмитриевич
  • Дражников Борис Николаевич
  • Бычковский Ярослав Сергеевич
  • Казарова Юлия Анатольевна
  • Кондюшин Илья Сергеевич
RU2515190C1
СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ФОТОПРИЕМНОГО МОДУЛЯ НА ОСНОВЕ PbS 2012
  • Бочков Владимир Дмитриевич
  • Дражников Борис Николаевич
  • Бычковский Ярослав Сергеевич
  • Казарова Юлия Анатольевна
  • Кондюшин Илья Сергеевич
RU2515960C1

Иллюстрации к изобретению RU 2 671 383 C1

Реферат патента 2018 года СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ ШАРИКОВЫХ ВЫВОДОВ НА АЛЮМИНИЕВОЙ МЕТАЛЛИЗАЦИИ КОНТАКТНЫХ ПЛОЩАДОК КРИСТАЛЛА

Использование: для изготовления интегральных схем (ИС), гибридных интегральных схем (ГИС), микросборок и модулей. Сущность изобретения заключается в том, что на контактных площадках кристалла формируют шариковые выводы из платиновой проволоки термозвуковым методом сварки, а после планаризации шариковых выводов на них наносят шарик припоя для последующей пайки кристалла на корпус/подложку по технологии «flip-chip». Технический результат - обеспечение возможности повышения надежности и быстрого прототипирования без применения шаблонов. 3 ил.

Формула изобретения RU 2 671 383 C1

Способ формирования шариковых выводов на алюминиевой металлизации контактных площадок кристалла термокомпрессией золотой проволоки, отличающийся тем, что на контактных площадках кристалла формируют шарики из платиновой проволоки термозвуковым методом сварки, а после планаризации платиновых шариков (стад-бампов) на них наносят шарик припоя для последующей пайки кристалла на корпус/подложку по технологии «flip-chip».

Документы, цитированные в отчете о поиске Патент 2018 года RU2671383C1

US 20150194409 A1, 09.07.2015
KR 2008062565 A, 03.07.2008
WO 2007112393 A2, 04.10.2007
Guy V
Clatterbaugh, Charles V
Banda, and S
John Lehtonen, Reliable Miniature Electronic and Optical Interconnects for Low-Volume Applications, Johns Hopkins APL Technical Digest, Volume 28, Number 1, 2008
Mark Fretz, Flip Chip Bonding Technologies for Hybrid Integration, Universite de Neuchatel, 24 septembre 2009.

RU 2 671 383 C1

Авторы

Зенин Виктор Васильевич

Рогозин Никита Владимирович

Побединский Виталий Владимирович

Колбенков Анатолий Александрович

Лаврентьев Евгений Вячеславович

Рябов Александр Валерьевич

Князев Кирилл Сергеевич

Даты

2018-10-30Публикация

2017-12-20Подача