專利名稱：多芯片組件同質(zhì)鍵合系統(tǒng)批生產(chǎn)性改進(jìn)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明創(chuàng)造涉及多芯片組件(簡(jiǎn)稱MCM)，具體來說，涉及陶瓷厚膜型多芯片組件(簡(jiǎn)稱MCM -C),更進(jìn)一步來說，涉及同質(zhì)鍵合系統(tǒng)陶瓷厚膜型多芯片組件。
背景技術(shù)：
原有的多芯片組件集成技術(shù)中，是在厚 膜低溫多層共燒陶瓷基片(簡(jiǎn)稱LTCC基片)上，采用絲網(wǎng)印刷的方式，將金漿、銀漿或鈀-銀漿料等導(dǎo)體漿料、釕系電阻漿料，按頂層布圖設(shè)計(jì)的要求，在LTCC基片上形成導(dǎo)帶、阻帶圖形，經(jīng)高溫?zé)Y(jié)后成型。在導(dǎo)帶的端頭、或指定的地方，形成鍵合區(qū)域、半導(dǎo)體芯片組裝區(qū)域、或其它片式元器件組裝區(qū)域，其余區(qū)域(包括厚膜阻帶)用玻璃鈾絕緣層進(jìn)行表面保護(hù)。在基片上進(jìn)行半導(dǎo)體芯片、其他片式元器件的組裝，芯片(通常為鋁鍵合區(qū))、導(dǎo)帶(通常為金或銀鍵合區(qū))、管腳(通常為金或鎳鍵合區(qū))之間采用金絲或硅-鋁絲進(jìn)行鍵合聯(lián)接，形成完整的電路連接，由此形成的鍵合系統(tǒng)為金-鋁(Au-Al)、銀-鋁(Ag-Al)或鎳-鋁(N1-Al)異質(zhì)鍵合系統(tǒng)。原有技術(shù)的缺陷或存在的主要問題如下:①銀導(dǎo)帶、鈀銀導(dǎo)帶中，銀容易氧化，且在長(zhǎng)期通電情況下，容易產(chǎn)生電遷移現(xiàn)象，嚴(yán)重影響器件的可靠性，通常表現(xiàn)為鍵合強(qiáng)度衰退 級(jí)金導(dǎo)帶在大電流情況下，在Au-Al鍵合系統(tǒng)中，鍵合接觸區(qū)域金層電遷移現(xiàn)象明顯，在Au-Al間容易形成“紫斑”，其產(chǎn)物成份為AuAl2，造成Au-Al鍵合時(shí)形成的合金點(diǎn)疏松和空洞化，最終鍵合力大幅下降；③金-鋁鍵合系統(tǒng)在高溫下，由于金向鋁中擴(kuò)散，Au-Al間形成“白斑”，其產(chǎn)物為Au2A1、Au5A12、Au5A1，形成一層脆而絕緣的金屬間化合物(即金鋁化合物)，這種產(chǎn)物可以使合金點(diǎn)電導(dǎo)率大幅降低，嚴(yán)重時(shí)可以形成開路；④芯片(表面金屬層為鋁層)、導(dǎo)帶(金導(dǎo)帶或銀導(dǎo)帶)、引線柱(鍍金或鍍鎳)、引線(金絲或硅鋁絲)之間，在鍵合工藝中很難兼容各自的要求厚膜導(dǎo)帶、厚膜鍵合區(qū)表面粗糙度較大，鍵合系統(tǒng)鍵合拉力和長(zhǎng)期可靠性等質(zhì)量一致性較差的問題。因此，采用金-鋁(Au-Al)、銀-鋁(Ag-Al)異質(zhì)鍵合系統(tǒng)生產(chǎn)的多芯片組件不能應(yīng)用在高可靠的場(chǎng)合，鎳-鋁(N1-Al)異質(zhì)鍵合系統(tǒng)的鍵合質(zhì)量相對(duì)比較可靠，但與同質(zhì)鍵合系統(tǒng)相比，也還存在一定差距，采用鎳-鋁(N1-Al)異質(zhì)鍵合系統(tǒng)生產(chǎn)的多芯片組件不能應(yīng)用在宇航級(jí)高可靠領(lǐng)域。經(jīng)檢索，涉及多芯片組件的專利申請(qǐng)件有20件，但沒有涉及同質(zhì)鍵合系統(tǒng)的多芯片組件申請(qǐng)件、更沒有同質(zhì)鍵合系統(tǒng)陶瓷厚膜多芯片組件的申請(qǐng)件。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供提高陶瓷厚膜多芯片組件同質(zhì)鍵合系統(tǒng)批量生產(chǎn)性的方法，將異質(zhì)鍵合改變?yōu)橥|(zhì)鍵合，一次性解決所有鍵合系統(tǒng)鍵合拉力、長(zhǎng)期可靠性、大規(guī)模批量化生產(chǎn)的問題。發(fā)明人通過研究，發(fā)現(xiàn)由于LTCC基片本身表面較為粗糙，加上厚膜漿料顆粒大及絲網(wǎng)印刷網(wǎng)孔有一定厚度的原因，厚膜導(dǎo)帶/鍵合區(qū)表面比較粗糙，表面平整度較差，其粗糙度通常在2 5 μ m，而薄膜厚度通常控制在I 5 μ m，因此，直接在其表面直接形成的薄膜厚度均勻性、薄膜質(zhì)量均勻性比較差，會(huì)導(dǎo)致鋁-鋁(Al-Al)鍵合質(zhì)量的一致性較差，從而造成每個(gè)同質(zhì)鍵合系統(tǒng)鍵合拉力、可靠性的一致性比較差，為了實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)，必須解決鍵合區(qū)域表面的平整度問題。為實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)，發(fā)明人提供的提高陶瓷厚膜多芯片組件同質(zhì)鍵合系統(tǒng)批量生產(chǎn)性的方法是采用整體化學(xué)機(jī)械拋光(CMP)方法來實(shí)現(xiàn)的，具體做法是:選擇旋轉(zhuǎn)式拋光墊和貴金屬拋光液，通過旋轉(zhuǎn)式拋光機(jī)對(duì)整個(gè)金導(dǎo)帶及鍵合區(qū)進(jìn)行整體拋光，使其表面平整度< 0.Ιμπι ;然后，再進(jìn)行電阻漿料的印刷、燒結(jié)和調(diào)阻；接著采用機(jī)械掩模的方法，在高真空濺射臺(tái)或蒸發(fā)臺(tái)中，使已拋光的鍵合區(qū)表面形成一層淀積的鋁薄膜、或鎳-鉻-鋁或鉻-銅-鋁復(fù)合薄膜；最后，按常規(guī)混合集成電路集成 工藝，將半導(dǎo)體芯片、片式元器件集成在處理后的厚膜基片上，半導(dǎo)體芯片的鍵合采用硅-鋁絲鍵合，管腳與基片之間采用金絲鍵合，即可實(shí)現(xiàn)質(zhì)量一致性好、可靠性高的金-金(Au-Au)、鋁-鋁(Al-Al)同質(zhì)鍵合；這就使低溫共燒陶瓷基片頂層表面上的所有鍵合區(qū)表面的平整度同時(shí)控制在< 0.1 μ m，解決鍵合區(qū)域表面的平整度問題。上述旋轉(zhuǎn)式拋光墊是由有機(jī)纖維制成的。上述貴金屬拋光液的磨粒硬度在5GPa 50GPa、粒子直徑彡lOOnm。上述LTCC基片由多層陶瓷燒結(jié)而成，在每一層中均有金屬化內(nèi)層通孔和內(nèi)層導(dǎo)帶。上述淀積的鋁薄膜、或鎳-鉻-鋁或鉻-銅-鋁復(fù)合薄膜的厚度為I 5 μ m。上述片式元器件不包括半導(dǎo)體芯片。本發(fā)明有以下特點(diǎn):①一次性整體化學(xué)機(jī)械拋光，解決了低溫共燒陶瓷基片頂層表面上的所有鍵合區(qū)表面的平整問題，也就提高了所有鍵合區(qū)表面的鋁薄膜厚度和質(zhì)量的一致性、均勻性，從而提高多芯片組件的大批量可生產(chǎn)性金鍵合區(qū)表面一次性拋光整平，同步提高了基片與管腳端面金-金鍵合的可靠性改善厚膜金導(dǎo)帶鍵合區(qū)與硅-鋁絲的鍵合性能，形成高可靠同質(zhì)鍵合系統(tǒng)，提高了多芯片組件長(zhǎng)期充分可靠工作的能力；④在同一金導(dǎo)帶鍵合區(qū)上形成局部鋁鍵合區(qū)，可同時(shí)兼容金絲鍵合(鍵合區(qū)與鍍金管腳之間)、硅-鋁絲鍵合(基片鍵合區(qū)與芯片鍵合區(qū)之間)，形成高可靠完美鍵合系統(tǒng)。本發(fā)明廣泛應(yīng)用于航天、航空、船舶、精密儀器、通訊、工業(yè)控制等領(lǐng)域，特別適用于大功率、高可靠、宇航級(jí)、系統(tǒng)小型化等應(yīng)用領(lǐng)域，具有廣闊的市場(chǎng)前景和應(yīng)用空間。


圖1為原有集成技術(shù)示意圖，圖2為原有的金導(dǎo)帶/金鍵合區(qū)放大示意圖，圖3為本發(fā)明的整體(鍵合區(qū)/導(dǎo)帶)化學(xué)機(jī)械拋光放大示意圖，圖4為本發(fā)明的整體(鍵合區(qū)/導(dǎo)帶)拋光后淀積鋁膜放大示意圖，圖5為本發(fā)明的集成技術(shù)示意圖，圖6為原有工藝流程框圖，圖7為本發(fā)明的工藝流程框圖。圖中，I為底座，2為管腳鍍鎳端面，3為金導(dǎo)帶/金鍵合區(qū)，4為半導(dǎo)體芯片，5為硅鋁絲內(nèi)引線，6為阻帶，7為片式元器件，8為L(zhǎng)TCC基片，9為管腳，10為內(nèi)層通孔，11為內(nèi)層導(dǎo)帶，12為管腳鍍金端面，13為金絲內(nèi)引線，14為拋光后的金導(dǎo)帶/金健合區(qū)，15為淀積的
鋁薄膜。LTCC基片中的陶瓷片為多層，至少二層。
具體實(shí)施例方式實(shí)施例用來說明本發(fā)明與原有技術(shù)的區(qū)別，以更好地說明本發(fā)明。實(shí)施例1:原有工藝如圖6，流程如下:
(1)材料準(zhǔn)備:準(zhǔn)備好生瓷片、金導(dǎo)體漿料、釕系電阻漿料、半導(dǎo)體芯片等；
(2)裁片:根據(jù)具體產(chǎn)品LTCC基片的尺寸按要求進(jìn)行裁片；
(3)沖孔:各層間通過通孔及導(dǎo)帶進(jìn)行互連。采用機(jī)械沖孔方式，按產(chǎn)品設(shè)計(jì)的圖形及孔徑制成LTCC基片各層陶瓷片間的互聯(lián)通路；
(4)填孔及導(dǎo)帶印刷:在陶瓷片上通過絲網(wǎng)印刷的方法，將金屬漿料填充到過孔內(nèi)，按規(guī)定圖形印刷出導(dǎo)帶圖形，并烘干(150°C、IOmin)；
(5)阻帶印刷:在陶瓷片上通過絲網(wǎng)印刷的方法，將電阻漿料按規(guī)定圖形印刷出阻帶圖形，并烘干(150°C、IOmin)；
(6)疊片:將各層陶瓷片按照設(shè)計(jì)順序進(jìn)行精確疊放。為使得陶瓷片相互緊密粘連，需把流延時(shí)預(yù)置的襯底薄膜揭除；
(7)等靜壓:將已經(jīng)精確疊放的多層陶瓷在機(jī)械高壓下進(jìn)行貼合，實(shí)現(xiàn)緊密接觸；
(8)切割:將靜壓之后的陶瓷片，按照模塊邊界進(jìn)行切割分離；
(9)燒結(jié):陶瓷片切割分離后，在燒結(jié)爐中進(jìn)行排膠和燒結(jié)，使瓷材硬化結(jié)構(gòu)穩(wěn)定；
(10)通過絲網(wǎng)印刷的方法，在燒結(jié)后的LTCC基片表面印刷導(dǎo)帶圖形和阻帶圖形，并烘干(150°C、10min)。在燒結(jié)爐中進(jìn)行排膠和燒結(jié)(850°C、lOmin，總時(shí)間35min)；
(11)激光調(diào)阻:使用功率激光對(duì)通過絲網(wǎng)印刷制成的電阻進(jìn)行精細(xì)調(diào)節(jié)，以達(dá)到設(shè)計(jì)要求；
(12)檢測(cè):對(duì)調(diào)阻后的LTCC成膜基片進(jìn)行外觀檢驗(yàn)和電氣測(cè)試；
(13)將LTCC成膜基片采用合金焊接的方式裝貼在管基上，按常規(guī)集成電路組裝工藝，進(jìn)行半導(dǎo)體芯片、其他貼片元器件的組裝，完成內(nèi)引線鍵合；
(14)對(duì)功能及外觀按產(chǎn)品要求進(jìn)行檢驗(yàn)；
(15)在高純氮的保護(hù)下、在150°C左右的爐子中進(jìn)行8h以上的高溫烘烤，將水汽徹底烘干；
(16)封帽:在特定環(huán)境中進(jìn)行封帽，完成整個(gè)器件的集成與生產(chǎn)；
(17)按產(chǎn)品工藝文件與檢驗(yàn)文件，完成器件的測(cè)試、篩選、打印與包裝入庫。結(jié)果如圖1所不，鍵合系統(tǒng)為金一招異質(zhì)鍵合系統(tǒng)。實(shí)施例2:本發(fā)明工藝如圖7，在厚膜導(dǎo)帶印刷并烘干固化、厚膜阻帶印刷之間增加厚膜導(dǎo)帶燒結(jié)、機(jī)械整平、清洗烘干工藝，增加的流程如下:
Cl)準(zhǔn)備磨粒硬度為25GPa±5GPa、粒子直徑為50nm±10nm的金拋光液；
(2)導(dǎo)帶燒結(jié)(875°C、12min，總時(shí)間45 min)；
(3)通過旋轉(zhuǎn)式拋光機(jī)對(duì)所有金導(dǎo)帶、金鍵合區(qū)進(jìn)行一次性化學(xué)機(jī)械拋光，表面平整度控制在0.1微米以內(nèi)；
(4)去離子水清洗、烘干；
(5)下接電阻漿料的印刷、燒結(jié)、調(diào)阻工序。在厚膜電阻修調(diào)并測(cè)試完畢后，增加金厚膜鍵合區(qū)鋁金屬膜淀積工藝，增加的流程如下:
(O按需進(jìn)行鋁-鋁(Al-Al)鍵合的鍵合區(qū)圖形，采用不銹鋼片或鈹鏌合金片，利用光刻的方法進(jìn)行鍵合區(qū)機(jī)械掩膜的制備；
(2)在高真空磁控濺射臺(tái)中利用機(jī)械掩膜進(jìn)行鎳-鉻-鋁復(fù)合薄膜的制備，掩模套準(zhǔn)精度〈10 μ m，復(fù)合膜厚度:N1- Cr為0.6 μ m、Al為3.0 μ m ;
(3)淀積膜檢查；
(4)進(jìn)入材料檢驗(yàn)工序。除增加的工藝外，其余工藝同實(shí)施例1。結(jié)果如圖5所示，實(shí)現(xiàn)金-金(Au-Au)、鋁-鋁(Al-Al)同質(zhì)鍵合，通過一次性對(duì)所有金導(dǎo)帶、金鍵合區(qū)進(jìn)行機(jī)械化學(xué)拋光，達(dá)到了同質(zhì)鍵合系統(tǒng)質(zhì)量一致性、可大批量生產(chǎn)性的目的。
權(quán)利要求
1.提高陶瓷厚膜多芯片組件同質(zhì)鍵合系統(tǒng)批量生產(chǎn)性的方法，其特征在于它是采用整體化學(xué)機(jī)械拋光方法來實(shí)現(xiàn)的，具體做法是:選擇旋轉(zhuǎn)式拋光墊和貴金屬拋光液，通過旋轉(zhuǎn)式拋光機(jī)對(duì)整個(gè)金導(dǎo)帶及鍵合區(qū)進(jìn)行整體拋光，使其表面平整度< 0.1 μ m ;然后，再進(jìn)行電阻漿料的印刷、燒結(jié)和調(diào)阻；接著采用機(jī)械掩模的方法，在高真空濺射臺(tái)或蒸發(fā)臺(tái)中，使已拋光的鍵合區(qū)表面形成一層淀積的鋁薄膜、或鎳-鉻-鋁或鉻-銅-鋁復(fù)合薄膜；最后，按常規(guī)混合集成電路集成工藝，將半導(dǎo)體芯片、片式元器件集成在處理后的成膜基片上，半導(dǎo)體芯片的鍵合采用硅-鋁絲鍵合，管腳與基片之間采用金絲鍵合，即可實(shí)現(xiàn)質(zhì)量一致性好、可靠性高的金-金、鋁-鋁同質(zhì)鍵合；使低溫共燒陶瓷基片頂層表面上的所有鍵合區(qū)表面的平整度同時(shí)控制在< 0.1 μ m。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述旋轉(zhuǎn)式拋光墊是由有機(jī)纖維制成的。
3.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述貴金屬拋光液的磨粒硬度在5GPa 50GPa、粒子直徑彡lOOnm。
4.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述低溫共燒陶瓷基片由多層陶瓷燒結(jié)而成，在每一層中均有金屬化內(nèi)層通孔和內(nèi)層導(dǎo)帶。
5.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述淀積的鋁薄膜、或鎳-鉻-鋁或鉻-銅-鋁復(fù)合薄膜的厚度為I `5 μ m。
全文摘要
本發(fā)明公開了提高陶瓷厚膜多芯片組件同質(zhì)鍵合系統(tǒng)批生產(chǎn)性的方法，它是采用整體化學(xué)機(jī)械拋光方法來實(shí)現(xiàn)的，先通過旋轉(zhuǎn)式拋光機(jī)對(duì)整個(gè)金導(dǎo)帶及鍵合區(qū)進(jìn)行整體拋光，再用機(jī)械掩模的方法在鍵合區(qū)表面形成一層淀積的鋁薄膜，按常規(guī)集成工藝，將芯片、片式元器件集成在處理后的成膜基片上，半導(dǎo)體芯片的鍵合采用硅-鋁絲鍵合，管腳與基片之間采用金絲鍵合；使陶瓷基片頂層表面上的所有鍵合區(qū)表面平整度同時(shí)控制在≤0.1μm。本發(fā)明金鍵合區(qū)表面一次性拋光整平，同步提高了基片與管腳端面金-金鍵合的可靠性;改善厚膜金導(dǎo)帶鍵合區(qū)與硅鋁絲的鍵合性能，形成高可靠同質(zhì)鍵合系統(tǒng),提高多芯片組件長(zhǎng)期充分可靠工作的能力;提高多芯片組件的批量生產(chǎn)性。
文檔編號(hào)H01L21/60GK103107106SQ20121053308
公開日2013年5月15日 申請(qǐng)日期2012年12月12日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月12日
發(fā)明者楊成剛, 蘇貴東 申請(qǐng)人:貴州振華風(fēng)光半導(dǎo)體有限公司