專利名稱：用于使用火焰執(zhí)行管芯附著的方法和系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
概括地說，所公開的實(shí)施例涉及半導(dǎo)體器件的封裝，并且更具體地說，涉及一種使用火焰或其它熱源將管芯附著到基板上的方法和系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
可以以機(jī)械和電氣的方式將集成電路(IC)管芯附著到封裝基板上。IC管芯可以在管芯的“正”面上具有鍵合焊盤陣列，并且可以將焊料突塊或其它引線固定在這些鍵合焊盤中的每一個(gè)上。將匹配的焊接區(qū)陣列設(shè)置在封裝基板上，并且將管芯面朝下設(shè)置在基板上使得從管芯延伸的焊料突塊陣列與基板上的匹配的焊接區(qū)陣列對(duì)準(zhǔn)。然后，將從IC管芯延伸的焊料突塊耦合到它們?cè)诨迳系南鄳?yīng)焊接區(qū)。封裝基板可以包括多層導(dǎo)體(例如，跡線)，并且這些導(dǎo)體可以將(來自管芯的和到達(dá)管芯的)電信號(hào)傳送到基板上可以與下層部件(例如，母板、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、電路板、另外的IC器件，等等)建立電連接的位置。例如，基板電路可以將所有信號(hào)線布線到形成在封裝基板的下表面上的球柵陣列(或者，引腳格柵陣列)，然后該球柵陣列或引腳格柵陣列將封裝的IC管芯電耦合到下層部件，其包括匹配的端子(例如，焊接區(qū)、引腳插座，等等)陣列。利用焊料突塊(或列，等等)陣列將IC管芯耦合到基板上通常被稱為受控塌陷芯片連接(或C4)。
如上所述，焊料突塊陣列從IC管芯的正面延伸-這些焊料突塊中的每一個(gè)與管芯上的鍵合焊盤耦合-并且這些焊料突塊與封裝基板上的匹配的焊接區(qū)陣列耦合。為了將這些焊料突塊耦合到匹配的基板焊接區(qū)陣列，可以將組件(例如，管芯和基板)放置在爐中并對(duì)其進(jìn)行加熱以使焊料突塊回流。對(duì)于基于鉛的焊料組成物，回流溫度可以大約為225攝氏度，而對(duì)于無鉛焊料組成物，回流溫度可以大約為260攝氏度。一旦焊料突塊固化，就在焊料突塊和它們?cè)诜庋b基板上的匹配焊接區(qū)之間形成電和機(jī)械鍵合。
在焊料回流期間，可以將管芯和基板兩者加熱到回流溫度，這可以導(dǎo)致這些部件的熱膨脹。然而，IC管芯的熱膨脹系數(shù)(CTE)可以基本上與封裝基板的CTE不同。例如，由硅制成的管芯的CTE大約為3ppm/℃，而有機(jī)基板的CTE可以大約為16ppm/℃。一旦回流之后冷卻，回流的焊料突塊就會(huì)固化以形成管芯和基板之間的固體互連。同時(shí)，由于IC管芯和封裝基板之間的CTE差，而在管芯和基板之間發(fā)生有差別的熱位移。由于這種有差別的熱位移以及所形成的固體互連的機(jī)械硬度，而可能產(chǎn)生顯著的殘余應(yīng)力。這些殘余應(yīng)力可以對(duì)IC管芯(例如，管芯的互連結(jié)構(gòu))和封裝基板以及在這兩個(gè)部件之間延伸的焊料互連產(chǎn)生影響。例如，這些殘余應(yīng)力可以導(dǎo)致管芯翹起以及管芯互連結(jié)構(gòu)的破裂。IC管芯的互連結(jié)構(gòu)可以由低k電介質(zhì)材料形成-其與介電常數(shù)較高的材料相比通常具有較低的機(jī)械強(qiáng)度-由低k電介質(zhì)材料形成的互連結(jié)構(gòu)由于上述有差別的熱位移而會(huì)對(duì)破裂特別敏感。


圖1是示出使用火焰或其它熱源將管芯附著到基板上的方法的實(shí)施例的示意圖；圖2A-2E是示出圖1所示的方法的另一實(shí)施例的示意圖；圖3是示出吸收的熱通量與脈沖持續(xù)時(shí)間之間關(guān)系的一個(gè)實(shí)施例的曲線圖；圖4是示出用于使用火焰或其它熱源將管芯附著到基板上的系統(tǒng)的一個(gè)實(shí)施例的示意圖。
具體實(shí)施例方式
圖1示出使用火焰或其它熱源將集成電路(IC)管芯附著到基板上的方法100的實(shí)施例。在圖2A到2E中進(jìn)一步示出圖1的方法100的實(shí)施例，在下文中會(huì)參考這些附圖。
參照?qǐng)D1中的方框110，將IC管芯放置在基板上。這顯示在圖2A中，其示出已經(jīng)放置在基板210上的管芯220?；?10可以包括封裝基板或其它管芯載體、電路板、或者任何其它適當(dāng)?shù)碾娐钒寤蚧?。在一個(gè)實(shí)施例中，基板210包括多層基板，其包括若干金屬化和電介質(zhì)材料的交替層。每一金屬化層包括若干導(dǎo)體(例如，跡線)，并且這些導(dǎo)體可以包括任何適當(dāng)?shù)膶?dǎo)電材料，例如銅。此外，每一金屬層通過電介質(zhì)層與相鄰的金屬層分隔開，并且可以通過導(dǎo)電過孔將相鄰的金屬層電互連。電介質(zhì)層可以包括任何適當(dāng)?shù)慕^緣材料-例如聚合物，包括熱塑性和熱固性樹脂或環(huán)氧樹脂、陶瓷，等等-并且可以在電介質(zhì)材料的核心層上形成金屬和電介質(zhì)材料的交替層。
管芯220可以包括任何類型的集成電路器件。在一個(gè)實(shí)施例中，管芯220包括微處理器、網(wǎng)絡(luò)處理器、專用集成電路(ASIC)、現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列(FPGA)、或者其它處理系統(tǒng)或裝置。然而，應(yīng)該理解的是所公開的實(shí)施例不限于上述處理裝置，并且此外，管芯220可以包括任何其它類型的裝置(例如，無線通信裝置、芯片組、存儲(chǔ)裝置，等等)。
管芯220包括“正”面221和相對(duì)的“背”面222。如讀者所理解的那樣，標(biāo)注“正”面和“背”面是任意的，并且管芯220的相對(duì)表面221、222可以用任何其它適當(dāng)?shù)男g(shù)語或名稱來標(biāo)注。在一個(gè)實(shí)施例中，管芯220可以具有設(shè)置在背面222上的金屬(或其它材料)層。然而，在另一個(gè)實(shí)施例中，管芯背面222沒有背面金屬化。例如，在IC制造之后背側(cè)表面可以處在“原態(tài)”狀況下(例如，拋光表面)。
根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，導(dǎo)電突塊230或其它導(dǎo)電引線的陣列從管芯220的正面221延伸，每一個(gè)導(dǎo)電突塊電連接到管芯上的鍵合焊盤(在圖中未示出)。在一個(gè)實(shí)施例中，導(dǎo)電突塊230包括焊料；然而，在其它實(shí)施例中，導(dǎo)電突塊可以包括其它材料(例如，銅、鋁，等等)。導(dǎo)電突塊230的陣列與形成在基板210的上表面211上的相應(yīng)的導(dǎo)電焊接區(qū)陣列(在圖中未示出)相匹配。當(dāng)導(dǎo)電突塊230與它們?cè)诨?10上的相應(yīng)焊接區(qū)連接(例如，通過回流工藝，如下所述)時(shí)，可以在管芯和基板之間建立電氣通信。應(yīng)該注意的是，在其它實(shí)施例中，導(dǎo)電突塊(或其它引線)陣列可以從基板210延伸，并且該引線陣列與管芯上的相應(yīng)的鍵合焊盤陣列相匹配。
參照?qǐng)D1中的方框120，在一個(gè)實(shí)施例中，將熱屏蔽件設(shè)置在管芯之上和/或周圍。這顯示在圖2B和2C中，其示出已經(jīng)設(shè)置在管芯220周圍的熱屏蔽件250。根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，如圖所示，熱屏蔽件250包括具有孔255的矩形板，確定所述孔255的大小和取向以接納管芯220。如下所述，在管芯附著工藝過程中，管芯220的背面222將受到火焰(或其它熱源)的加熱，并且在一個(gè)實(shí)施例中，該熱屏蔽件可以使至下面的基板的熱傳遞最小化。因此，該熱屏蔽件250可以用于減小基板210的熱膨脹-且相應(yīng)地，管芯220和基板之間的有差別的熱膨脹-以及保護(hù)基板210不受過熱和/或熱量引起的損壞(例如，炭化等)的影響。在另一實(shí)施例中，如在方框125中所闡明的那樣，熱屏蔽件250中的孔255用于使管芯220相對(duì)于基板210對(duì)準(zhǔn)。熱屏蔽件250可以包括任何適當(dāng)?shù)牟牧?或材料組合)，例如銅、鋁、不銹鋼、或陶瓷材料。應(yīng)該理解的是，圖中所示的熱屏蔽件250僅僅是這種器件的一個(gè)實(shí)施例，并且此外，熱屏蔽件可以包括任何適當(dāng)?shù)钠骷?，可以具有任何適當(dāng)?shù)男螤罨蚪Y(jié)構(gòu)，并且可以由任何適當(dāng)?shù)牟牧匣虿牧辖M合來構(gòu)成。
現(xiàn)在參照?qǐng)D1中的方框130，將火焰或其它熱源施加到管芯的背面以開始進(jìn)行管芯引線的回流或鍵合(和/或從封裝基板延伸的引線的回流或鍵合)。這顯示在圖2D中，其中將源自源270的火焰275施加到管芯220的背面222。在一個(gè)實(shí)施例中，火焰275可以向下延伸到管芯背面222。在另一個(gè)實(shí)施例中，火焰275非常靠近管芯背面222。根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，火焰基本上包圍全部的管芯背面222，而在另一個(gè)實(shí)施例中，火焰包圍部分管芯背面222和/或以管芯背面的特定部分為目標(biāo)。在一個(gè)實(shí)施例中，火焰對(duì)準(zhǔn)管芯220，而很大一部分的熱屏蔽件沒有直接受到火焰的加熱(盡管熱屏蔽件靠近孔255的部分會(huì)直接受到火焰275的處理)，這可能導(dǎo)致管芯的局部加熱。然而，在其他實(shí)施例中，火焰275可以向下延伸并覆蓋很大一部分的熱屏蔽件250。
可以通過任何適當(dāng)?shù)脑?70來產(chǎn)生火焰275。例如，通過乙炔、丁烷、丙烷、MAPP(甲基乙炔丙二烯)、或其它可燃?xì)怏w的燃燒來產(chǎn)生火焰。然而，在其它實(shí)施例中，通過可燃液體(例如，煤油)或可燃固體材料來產(chǎn)生火焰。還應(yīng)該理解的是所公開的實(shí)施例不限于產(chǎn)生火焰的熱源。例如，在其它實(shí)施例中，熱源可以包括超熱的空氣、等離子體、或蒸汽。
在一個(gè)實(shí)施例中，火焰275(或其他熱源)應(yīng)該將管芯220加熱到足以使焊料突塊230的回流開始(或者，更概括地，足以使管芯引線到基板的鍵合開始)的溫度。根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，由于火焰275的加熱，管芯正面221處的溫度幾乎達(dá)到225攝氏度或更高。在另一個(gè)實(shí)施例中，管芯正面221處的溫度在回流過程中沒有超過大約415攝氏度。
如上所述，火焰275(或者，更概括地，所提供的能量)可以局限在管芯220上，這可以有助于使至基板210(和熱屏蔽件250)的熱傳遞最小化。也可以通過使所提供的火焰(其它能量脈沖)的持續(xù)時(shí)間最小化來減小至基板210的熱傳遞以及對(duì)其的加熱。參照?qǐng)D3，其示出吸收的熱通量(在管芯背面222處)與熱脈沖持續(xù)時(shí)間之間關(guān)系的典型實(shí)施例。如從該圖中可以觀察到，隨著脈沖持續(xù)時(shí)間的減小，在管芯表面處所需要的吸收的熱通量將增加。然而，盡管所吸收的熱通量增加，但是由于短的脈沖持續(xù)時(shí)間仍然使至基板的熱傳遞最小化。在一個(gè)實(shí)施例中，施加火焰275的脈沖持續(xù)時(shí)間大約為2秒或更少。在另一個(gè)實(shí)施例中，在管芯背面222處所吸收的熱通量大約為40W/cm2或更大。在另一個(gè)實(shí)施例中，所吸收的熱通量(和入射熱通量)在空間上在整個(gè)管芯背表面222變化。例如，所吸收的熱通量在管芯周邊附近最大，并朝向管芯的中心減小。應(yīng)該注意的是，從火焰到管芯的熱傳遞的熱效率將不可能實(shí)現(xiàn)百分之百-并且，實(shí)際上，可能遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于百分之百-并且在管芯背表面222處所需要的入射熱通量可能遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于所吸收的熱通量。此外，如讀者所理解的那樣，所吸收的熱通量和脈沖持續(xù)時(shí)間將取決于管芯材料、管芯厚度、管芯尺寸、以及其它因素，并且這些和其它參數(shù)的實(shí)際值將根據(jù)個(gè)案而變化。因此，從圖3和以上闡述的實(shí)例中不應(yīng)該得出不必要的限制。
根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，盡管將管芯220加熱到足以使回流或鍵合開始的溫度，但是基板210沒有被充分加熱(和/或僅僅基本上對(duì)最小部分的基板210被充分加熱)。對(duì)基板210加熱的減小至少部分是由于熱屏蔽件250的使用、管芯220的局部加熱、和/或?qū)苄镜目焖偌訜?例如，短的脈沖持續(xù)時(shí)間)。因?yàn)榛?10沒有被充分加熱，所以在管芯附著過程中該部件的熱膨脹被大大減小(或者，也許被消除)。因此，可以使由管芯和基板之間的有差別熱位移引起的殘余應(yīng)力-以及所造成的損壞，例如管芯破裂或翹起-最小化。
在焊料突塊引線230的回流和固化之后(或者，更概括地，在將管芯引線鍵合到基板之后)，可以以機(jī)械和電氣的方式將管芯220附著到基板210上。這顯示在圖2E中，其示出包括管芯220和基板210的組件200，其中回流的焊料突塊230現(xiàn)在形成管芯和基板之間的固體互連。在一個(gè)實(shí)施例中，因?yàn)槭构苄竞突逯g的有差別的熱位移最小化-且因此減小所產(chǎn)生的殘余應(yīng)力-在管芯和基板之間沒有設(shè)置底填材料。然而，在另一個(gè)實(shí)施例中，可以在管芯220和基板210之間設(shè)置底填材料(在圖中未示出)。
再次參照?qǐng)D1，具體參照方框140，可以執(zhí)行清潔處理?；鹧娓街に嚳赡墚a(chǎn)生副產(chǎn)品，例如氧化物和/或含碳或碳?xì)浠衔锏奈镔|(zhì)，并且可以采用清潔處理來除去這些副產(chǎn)品。可以使用任何適當(dāng)?shù)那鍧嵦幚砘蚯鍧嵢芤簛砬鍧嵔M件200。在一個(gè)實(shí)施例中，可以通過使用-或通過將組件浸入-溶劑或流量沖洗組件來清潔組件200。例如，可以使用包括酒精、丙酮、或水的溶液來清潔火焰附著工藝的副產(chǎn)品。此外，在一些實(shí)施例中，在進(jìn)行清潔之前可能需要冷卻時(shí)間段。
現(xiàn)在參照?qǐng)D4，其示出可以用于實(shí)施上述管芯附著工藝的系統(tǒng)400的實(shí)施例。系統(tǒng)400包括用于保持基板410的裝置405(例如，支架、夾盤、夾鉗，等等)。系統(tǒng)400還包括拾取及放置機(jī)器490。拾取及放置機(jī)器可以包括用于保持和移動(dòng)管芯420(其將被放置在基板410上)的第一工具401。拾取及放置機(jī)器490可以包括用于保持和移動(dòng)熱屏蔽件450(在管芯附著過程中其將被放置在管芯420之上和/或周圍)的第二工具402。熱屏蔽件450包括孔455，確定該孔的大小和取向以接納管芯420。拾取及放置機(jī)器490還可以包括用于移動(dòng)和/或提供火焰源470(或其它熱源)的第三工具403。
在操作中，拾取及放置機(jī)器490可以將管芯420放置在基板410上，并且該機(jī)器還可以將熱屏蔽件450放置在管芯420之上和/或周圍。首先將管芯420或熱屏蔽件450放置在基板410上，并且熱屏蔽件450中的孔455可以用于對(duì)準(zhǔn)基板上的管芯420。還通過拾取及放置機(jī)器490將火焰源470相對(duì)于管芯和基板放置在期望位置上。拾取及放置機(jī)器還可以用于將基板410放置在保持裝置405上。利用適當(dāng)放置的基板410、管芯420、熱屏蔽件450、以及熱源470，可以使用由源470產(chǎn)生的火焰來將管芯420附著到基板410，如上所述(參見圖1-3和附帶的文本)。
上述詳細(xì)的說明和附圖僅僅是示例性的，而不是限制性的。提供它們主要是用于清楚和全面地理解所公開的實(shí)施例，并且不應(yīng)該從中得出不必要的限制。在不背離所公開的實(shí)施例的精神和所附權(quán)利要求書的范圍的情況下，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以想出對(duì)這里介紹的實(shí)施例的各種添加、刪除、和修改，以及替代的設(shè)置。
權(quán)利要求
1.一種方法，包括將火焰施加到管芯的一面以使在所述管芯的相對(duì)面和基板之間延伸的若干焊料引線回流。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中通過氣體的燃燒產(chǎn)生所述火焰。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中施加所述火焰的持續(xù)時(shí)間高達(dá)大約2秒。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中在所述管芯的所述一面的吸收熱通量至少大約為40W/cm2。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述火焰延伸到所述管芯的所述一面。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述火焰延伸到靠近所述管芯的所述一面的位置。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，還包括將熱屏蔽件放置在所述管芯的周圍。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述管芯正面達(dá)到范圍在225攝氏度和415攝氏度之間的溫度。
9.一種方法，包括將管芯放置在基板上，所述管芯具有正面和相對(duì)的背面，所述管芯具有從所述正面延伸的若干引線，每一個(gè)所述引線與所述基板上的若干焊接區(qū)中的相應(yīng)一個(gè)相匹配；以及將火焰施加到所述管芯背面以加熱所述管芯并且將每一個(gè)管芯引線鍵合到所述基板上的所述相應(yīng)一個(gè)焊接區(qū)。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其中所述管芯引線中的每一個(gè)包括焊料突塊。
11.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其中通過氣體的燃燒產(chǎn)生所述火焰。
12.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其中施加所述火焰的持續(xù)時(shí)間高達(dá)大約2秒。
13.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其中在所述管芯背面處的吸收熱通量至少大約為40W/cm2。
14.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其中所述火焰延伸到所述管芯背面。
15.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其中所述火焰延伸到靠近所述管芯背面的位置。
16.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，還包括將熱屏蔽件放置在所述管芯的周圍。
17.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其中所述管芯正面達(dá)到范圍在225攝氏度和415攝氏度之間的溫度。
18.一種系統(tǒng)，包括用于保持基板的裝置；以及火焰源，用于加熱設(shè)置在所述基板上的管芯，并且使在所述管芯和所述基板之間延伸的若干引線回流。
19.根據(jù)權(quán)利要求18所述的系統(tǒng)，還包括用于將所述管芯放置在所述基板上的裝置。
20.根據(jù)權(quán)利要求18所述的系統(tǒng)，還包括設(shè)置在所述管芯周圍的熱屏蔽件。
21.根據(jù)權(quán)利要求18所述的系統(tǒng)，其中所述火焰源包括可燃燒氣體。
22.根據(jù)權(quán)利要求18所述的系統(tǒng)，還包括拾取及放置機(jī)器，所述拾取及放置機(jī)器包括將所述管芯設(shè)置在所述基板上的第一工具以及相對(duì)于所述管芯設(shè)置所述火焰源的第二工具。
23.根據(jù)權(quán)利要求22所述的系統(tǒng)，其中所述拾取及放置機(jī)器還包括將熱屏蔽件放置在所述管芯周圍的第三工具。
24.一種方法，包括將管芯放置在基板上，所述管芯具有正面和相對(duì)的背面，所述管芯具有從所述正面延伸的若干引線，每一個(gè)所述引線與所述基板上的若干焊接區(qū)中的相應(yīng)一個(gè)相匹配；以及將熱源施加到所述管芯背面以加熱所述管芯并且將每一個(gè)管芯引線鍵合到所述基板上的所述相應(yīng)一個(gè)焊接區(qū)，所述熱源選自由超熱的空氣、等離子體、以及蒸汽所組成的組。
25.根據(jù)權(quán)利要求24所述的方法，其中所述管芯引線中的每一個(gè)包括焊料突塊。
26.根據(jù)權(quán)利要求24所述的方法，其中施加所述熱源的持續(xù)時(shí)間高達(dá)大約2秒。
27.根據(jù)權(quán)利要求24所述的方法，其中在所述管芯背面處的吸收熱通量至少大約為40W/cm2。
28.根據(jù)權(quán)利要求24所述的方法，還包括將熱屏蔽件放置在所述管芯的周圍。
全文摘要
公開了一種使用火焰或其它熱源將管芯附著到基板上的方法的實(shí)施例?？梢杂煽扇紵龤怏w產(chǎn)生火焰。還公開了使用火焰進(jìn)行管芯附著的系統(tǒng)的實(shí)施例。公開并要求保護(hù)其它實(shí)施例。
文檔編號(hào)H01L21/60GK101084576SQ200580044096
公開日2007年12月5日 申請(qǐng)日期2005年12月21日 優(yōu)先權(quán)日2004年12月21日
發(fā)明者K·弗魯特希, S·蘭加拉吉, T·拉平 申請(qǐng)人:英特爾公司