使用加热键合头的直接晶粒装配 【技术领域】
本发明涉及半导体晶粒(dice)或芯片，如发光二极管LEDs(light-emitting diodes)在衬底上的键合。
背景技术
对于电子封装件装配过程中的晶粒键合，结实耐用的晶粒装配工艺对实现低阻抗、低热阻和良好的机电一体化而言是关键的。现有的用于高亮度LED(HBLED：High Brightness LED)器件的晶粒键合工艺通常包括银(Ag)环氧树脂键合、金-锡(gold-tin)(AuSn)共晶键合(eutectic bonding)、用于倒装芯片键合的金(Au)球(goldstuds)的热超声键合(TS：thermosonic bonding)或焊料凸块(solderbumps)的回流焊接(solder reflow)。虽然银环氧树脂键合是简单而又成熟的工艺，但是它的低热传导能力限制了它在大功率场合的应用。倒装芯片结构具有用于有效散热的接触区域相对小的缺点。在这些晶粒键合方法中，金-锡共晶键合提供了低热阻和接触区域相对大的优点，这些优点特别有益于功率器件的应用场合。在芯片构造过程中，80％金/20％锡的共晶金属层沉积在芯片的底部。该金属层的熔化温度通常大约为280℃。
关于金-锡共晶晶粒装配，目前存在两种可能的方法，即：助焊剂共晶晶粒装配(flux eutectic die attach)和直接共晶晶粒装配(direct eutectic die attach)。在助焊剂共晶晶粒装配过程中，少量的助焊剂被放置在封装件衬底上，而LED放置在助焊剂上。此后，带有多个安装其上的LED的衬底将会被放入回焊炉(reflow oven)中完成键合。在整个工艺过程中没有施加外力。这种方法的好处是不会发生晶粒装配金属的挤出效应。然而，存在一些难题妨碍该工艺的有效性。其中最相关之一的是助焊剂残留(flux residue)，由于湿气腐蚀(moisture corrosion)这可能导致封装件可靠性问题。而且，由于助焊剂滴涂体积和精度一致性的控制难度，包括晶粒倾斜和晶粒转动的芯片移动不能得以避免。不充足的助焊剂引起金-锡材料的不沾锡(non-wetting)，但是使用太多的助焊剂会导致金-锡材料的沾锡不良(poor-wetting)和影响放置精度。
直接共晶晶粒装配包括：在带有保护气体的环境腔室(ambientchamber)内将衬底预热至300-320℃，然后通过键合头夹体拾取LED并使用压力将其放置在加热的衬底上。经过特定的时间(大约100-200ms)之后，接触力被释放。起初在这个工艺中，衬底上金-锡共晶层将会处于熔融状态。在衬底键合盘材料(金、银、钯等)在熔融的金-锡共晶层中熔化，并达到在该温度下的饱和极限(saturationlimit)之后，由于偏共晶成分(off-eutectic composition)的高熔点凝固将会出现。结果，通过金-锡共晶材料LED被键合在衬底上。由于在所述的LED晶粒装配过程中使用了外力，且在该工艺中不需要助焊剂，所以可以发现其键合性能和助焊剂共晶晶粒装配相比更加令人鼓舞。
但是，在制造HBLED器件的过程中，直接晶粒装配近来出现了两个问题。首先，由于厚的金-锡层凝固速率缓慢，在键合头从芯片表面移离之后被挤出的焊料趋于回流，键合之后孔洞(voids)可能出现在LED和衬底之间的接合处。这些孔洞是不可以接受的，因为电子封装的可靠性严重依赖于晶粒装配的质量，任何的孔洞或细小的分层(delamination)可能导致晶粒中快速的温度提升，迟早导致封装件故障。更重要的是，随着衬底尺寸的增加，在每个衬底上待键合的单元数量达到几百个或者甚至超过一千多个单元。在整个衬底上完成LEDs键合将会花费显著多的时间，已键合的LEDs将在加热的衬底上忍受更长的退火时间(annealing time)，这将降低LED地性能。
充分地加快焊料凝固的速度以控制孔洞在接合处的出现是令人期望的。避免已经键合在加热的衬底上的LEDs的退火而导致的毁坏，这也是令人期望的。
【发明内容】
因此，本发明的目的在于提供一种直接晶粒装配的晶粒键合方法，其避免了现有的晶粒键合方法的至少部分的前述不足。
于是，本发明提供一种键合包含有焊料层的晶粒的方法，焊料层具有熔点Tm，该方法包含有以下步骤：将键合头加热到键合头设定温度T1，T1高于Tm；将衬底加热到衬底设定温度T2，T2低于Tm；使用键合头拾取晶粒，并朝向温度T1加热晶粒，以便于熔化焊料层；将晶粒的焊料层按压在衬底上，以便于键合晶粒到衬底上；其后将键合头与晶粒分开，以便于焊料层朝向温度T2冷却并固化。
参阅后附的描述本发明实施例的附图，随后来详细描述本发明是很方便的。附图和相关的描述不能理解成是对本发明的限制，本发明的特点限定在权利要求书中。
【附图说明】
根据本发明较佳实施例所述的晶粒键合方法的实例现将参考附图加以详细描述，其中：
图1(a)-图1(d)所示为本发明较佳实施例所述晶粒键合操作的侧视示意图，其连续地演示了用于装配晶粒于衬底上的处理步骤。
图2是根据本发明较佳实施例所述的包含于直接晶粒键合操作中的控制步骤的流程图。
图3所示为在图1和图2所描述的各个处理步骤中表明金-锡共晶层不同温度的曲线图。
【具体实施方式】
图1(a)-图1(d)所示为本发明较佳实施例所述晶粒键合操作的侧视示意图，其连续地演示了用于装配晶粒于衬底上的处理步骤。
在1(a)中，首先将键合头10加热到键合头设定温度T1。在本实施例中的键合头10具有加热元件12和与其相连的真空系统。该真空系统(图中未示)被用来在晶粒夹体16的吸附孔14中保持负压。该吸附孔14的尺寸小于晶粒18的大小，该晶粒可以是高亮度或其他LED芯片。当键合头10通过夹体吸附夹持晶粒18的时候，键合头10的加热元件12所产生的热量被传导到晶粒夹体16，并接着传导到晶粒18。
晶粒18包含有位于其底部的焊料层，如共晶层20，其具有熔点Tm。键合头设定温度T1高于共晶层20的熔点Tm。较合适地，T1高于Tm5-50℃。所以，加热晶粒18的键合头温度可以设定为285-330℃以便于熔化金-锡共晶层20，这里该金-锡共晶层通常具有大约为280℃的熔化温度。
拾取臂将会从晶圆平台上的黏结片(adhesive sheet)，可能是聚脂薄膜纸(mylar paper)处拾取晶粒18。较合适地晶粒18是共晶层20朝下安装在聚脂薄膜纸上。然后在不加热晶粒18的情形下，拾取臂如此将晶粒18放置在台体22上以便于共晶层20朝下。加热的键合头10从台体22处拾取晶粒。该台体22用作为将晶粒18从晶圆平台移送到加热的键合头10的媒介。加热的键合头10不应直接接触聚脂薄膜纸，因为热量将会破坏支撑晶圆的聚脂薄膜纸，并负面影响其他没有被拾取的晶粒的支撑结构。可供选择地，拾取臂也可以使用来从晶圆平台上的聚脂薄膜纸处拾取晶粒18，而被装配的晶粒18的共晶层20朝上。然后，拾取臂倒置该晶粒以便于共晶层20朝下，而加热的键合头10直接从拾取臂处拾取晶粒18。
在图1(b)中，衬底30基本上被封闭在包括加热通道36的腔室中。衬底30被加热到衬底设定温度T2，其低于共晶层20的熔点Tm。较合适地，T2比Tm低5-50℃。用于预热衬底30的砧座(anvil block)28的温度因此可以设定在230-275℃，其低于金-锡共晶层20的熔点280℃。这实现了两个目的：它用来降低晶粒18退火时的高温，并从而避免键合后晶粒18的毁坏；另一个目的是加热的键合头10从晶粒18分离之后键合界面实现了快速固化。
衬底30的预热是必要的，因为当晶粒装配在衬底的键合盘32上之后，共晶层20的温度将会降低。在没有预热衬底30的情形下，键合界面处沾锡(wetting)的质量不能得到保证，且按压的时间将会延长，这将会牺牲键合工艺的生产效率。尤其重要的是，由于一旦直接接触键合盘32，如果键合盘32为室温温度，那么加热后的晶粒18将会遭受热量的震荡。这将会导致LED芯片的故障。砧座28下方的加热元件34所产生的热量将会传导到衬底30和其键合盘32上。衬底30可以为引线框，或任意基于陶瓷、硅或塑料的衬底，或其他衬底，而键合盘32可以包括金、银、钯或者其他金属。
为了防止衬底30、键合盘32和共晶层20氧化，键合工艺在由盖体38所封闭的加热通道36中完成，整个腔室充满了保护气体40，例如氮气。所以，由于保护气体40，加热通道36的腔室中的氧气水平被控制在特定的水平以下。
晶粒18的共晶层20预热之后同样也应该防止在空气中被氧化。存在几种不同的方法来保护晶粒18。首先，用于将保护气体吹向加热后的晶粒18的吹气喷嘴可以固定在加热的键合头10上。因此，当晶粒18被加热的键合头10所固定直到它移动进入设置衬底30的加热通道36的保护环境的时候，晶粒18能够得到保护，如图1(b)所示。第二，沿着加热后的晶粒18移动路径上的所有系统可以被如此设计以便于使用保护气体40保护晶粒18，包括台体22或者拾取臂倒置之后的位置，和加热后的晶粒18从台体22或者拾取臂倒置之后的位置处到衬底30的键合盘32的移动路径。当然，便于键合头10移动的开口形状和加热通道36的尺寸以及气体流动压力同样也应保证防止氧化的有效性。
在晶粒18和衬底30加热完成之后，键合得以执行。加热后的晶粒18的熔融共晶层20被键合头10向下按压在衬底30的衬底盘32上。键合头10继续保持向下按压，直到达到预定的键合力，如图1(c)所示，然后保持该键合力一段预定的时间。
熔融的金-锡共晶层20和键合盘32的材料充分反应，即金-锡材料在键合盘32上展开沾锡(wet)，以及键合盘32的材料熔化在熔融的金-锡共晶层材料中。在经过预定的键合时间之后，键合头10将会和晶粒18的表面分开，如图1(d)所示。现在，在没有键合头10的热量的情形下，焊料/键合盘接合处或键合界面42处的温度将会向衬底30的预热温度T2迅速下降，该温度T2低于金-锡共晶层20的熔点Tm。结果，在键合界面42处的焊料迅速冷却和固化，形成没有孔洞的结实牢固的键合。
图2是根据本发明较佳实施例所述的包含于直接晶粒键合操作中的控制步骤的流程图。首先键合头被加热到键合头设定温度50，该温度高于共晶材料的熔点。同样衬底也被加热到衬底设定温度52，该温度低于共晶层的熔点。拾取臂从已经由此装配晶粒的聚脂薄膜纸处拾取共晶层朝下的晶粒，并将其放置在台体上54。可供选择地，拾取臂从已经由此装配晶粒的聚脂薄膜纸处拾取共晶层朝上的晶粒，并如此倒置以便于共晶层朝下54。其后，加热的键合头从台体处拾取晶粒，或者直接从倒置的拾取臂处拾取共晶层朝下的晶粒56。
然后，键合头将晶粒移动到衬底的位置，并将该晶粒按压在衬底的键合盘上58。键合头将检测是否已经达到预定的键合力60，是否已经经过了预定时间。如果是这样，那么晶粒会被键合到衬底上，且加热的键合头被移离或者与晶粒分开64。
在加热键合头键合工序中，晶粒18和其金-锡共晶层20的温度被严格控制。图3所示为在如图1和图2所描述的各个处理步骤中表明金-锡共晶层不同温度的曲线图。当拾取臂从聚脂薄膜纸处拾取晶粒18，并将其放置在台体22上或将其倒置的时候，该晶粒的共晶层在没有热量传导给晶粒18的情形下处于室温T0中(大约为25℃)。在加热的键合头10夹持晶粒18并将其移动到设置有衬底30的加热通道26之后，共晶层20在其夹持过程中被迅速加热到加热的键合头10的预定温度T1(大约为285-330℃)。在这个过程中共晶层20充分熔化。
但是，在晶粒18接触衬底30的键合盘32并被向下按压在键合盘上之后，由于热传导，接合处的温度将会降低到温度T3，该温度高于熔点(Tm，大约为280℃)，仍然足够适合进行键合(在键合头温度T1和大约为230-275℃的衬底温度T2之间)。一旦键合头10和晶粒18分开，键合界面42处的温度将会朝向衬底30的温度T2(大约为230-275℃)下降，且键合界面42处的焊料迅速固化。当更多的晶粒被键合在衬底30上时，衬底温度T2，其低于共晶层20的熔点Tm，阻止了被键合晶粒18的退火。
本发明不仅仅限于金-锡共晶焊料键合。其他焊料也能使用。而且，本发明不限于以上所描述和介绍的LED芯片。其他的器件也能使用本发明较佳实施例所述的加热的键合头直接共晶键合工序进行键合。
当应用于HBLED芯片键合时，所述的这种崭新的直接共晶晶粒装配方法尤其有益，因为对于在晶粒18已被键合到衬底上之后降低衬底加热温度以便于减小芯片热量的影响而言，它是有益的，从而避免了LED芯片损坏。而且，由于共晶层的快速固化，键合质量得以改善，同时关于现有的直接晶粒键合中所发现的焊料回流反应(solderflow-back behavior)得到有效抑制。
由于避免了孔洞，实现了更大的键合覆盖和减少了晶粒倾斜，键合性能得到了加强。而且，其具有良好的热传导和导电性，以及增强了的键合线厚度(bond line thickness)的处理变化。键合接口处和键合界面的增强特性，以及芯片损坏的减少有效地提高了键合可靠性。
此处描述的本发明在所具体描述的内容基础上很容易产生变化、修正和/或补充，可以理解的是所有这些变化、修正和/或补充都包括在本发明的上述描述的精神和范围内。