СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ ШАРИКОВЫХ ВЫВОДОВ НА АЛЮМИНИЕВОЙ МЕТАЛЛИЗАЦИИ КОНТАКТНЫХ ПЛОЩАДОК КРИСТАЛЛА
METHOD FOR FORMING BALL LEADS BASED ON ALUMINUM METALIZATION OF CRYSTAL CONTACT AREAS

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.
х
у
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 Аu-Аl на границе, что снижает надежность контактов.
х
у
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 Аu-Аl 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.
х
у
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 Аu-Аl на границе золотого шарика с алюминиевой контактной площадкой, что существенно снижает надежность данных соединений.
х
у
Следует отметить, что при термокомпрессионном методе присоединения золотой проволоки к алюминиевой металлизации в зоне контакта золото-алюминий образуются интерметаллиды Аu-Аl, 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.
5
3. Формирование контактных выступов. Заявка 212919 Япония. МКИH01L 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.