一种多用途多层低温金金键合工装及方法与流程

1.本发明属于半导体制造技术领域，主要涉及一种多用途多层低温金金键合工装及方法。


背景技术：

2.金金键合是金属键合的一种，通过温度和压强的施加，使金属晶格发生变形，形成缺陷从而融合在一起。
3.业内常用的键合方法是使用专用设备，将上下两层基板通过表面图形对准后，在300℃左右的高温及10mpa～30mpa左右的压强作用下完成键合。这种键合方法通常要求基板为标准片，对键合基板表面粗糙度也有很高的要求，通常为nm量级。且一次只能实现两层基板间的键合，若想实现多层键合，则需多次对位多次键合，对位误差会不断累积。同时，键合温度高于导电胶粘接/金锡焊接温度，装配芯片的可靠性无法得到保证，因此难以实现带埋置芯片的基板间的键合。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于克服上述缺陷，提供一种多用途多层低温金金键合工装及方法，解决了现有金金键合时键合温度高、多层键合误差大、难以实现带埋置芯片基板间键合的技术问题，能够显著降低键合温度，为硅、玻璃、石英等多种材质的基板之间的紧密键合提供了可靠、便利的途径，且基板键合层数不受限制，特别是为带内埋芯片基板的键合提供了一种有效的方法，满足了内埋芯片对于环境温度的使用要求。
5.为实现上述发明目的，本发明提供如下技术方案：
6.一种多用途多层低温金金键合工装，包括底座、限位器、定位槽块、压块一、压块二和定位销；
7.限位器安装于底座上；
8.限位器设有与定位槽块外表面形状相匹配的定位槽块安装孔，定位槽块安装于所述定位槽块安装孔中；
9.定位槽块设有用于限定待键合基板放置位置的基板定位槽，压块一外表面形状与基板定位槽形状相匹配，压块一置于基板定位槽中并压于待键合基板上；
10.压块二的外表面形状与定位槽块安装孔的形状相匹配，压块二置于定位槽块安装孔中并压于压块一上，温水静等压设备的压强作用于压块二的上表面；
11.待键合基板上设有定位孔；
12.当待键合基板的个数＞1时，定位销插入各待键合基板的定位孔中进行固定；
13.待键合基板上可以开腔并埋置芯片，即待键合基板中可包含芯片，也可不包含芯片。
14.进一步的，上述多用途多层低温金金键合工装中，底座、限位器、定位槽块和压块二的外表面形状为圆盘形，压块一的外表面形状为方形；
15.限位器所设定位槽块安装孔为圆形通孔，定位槽块所设基板定位槽为方形槽；
16.基板定位槽的深度等于定位槽块的高度。
17.进一步的，上述多用途多层低温金金键合工装中，底座上表面设有圆形的限位凸台，所述限位凸台与限位器的定位槽块安装孔配合，限位凸台与定位槽块安装孔配合处(即接茬处)设有第一橡胶密封圈；
18.压块二与定位槽块安装孔配合处(即接茬处)设有第二橡胶密封圈。
19.进一步的，上述多用途多层低温金金键合工装中，待键合基板为硅基板，玻璃基板或石英基板中的一种；
20.待键合基板表面制备有表面粗糙度优于0.2μm的金属膜层；所述金属膜层总厚度为2μm～3μm，包括溅射膜层和电镀膜层，其中溅射膜层为tiw/au、nicr/au、tiw/ni/au、nicr/ni/au、cu/ni/au或tan/nicr/ni/au中的一种，溅射膜层总厚度电镀膜层为au；
21.待键合基板所设定位孔采用icp工艺刻蚀，所述定位孔的刻蚀精度优于
±
2μm，孔径尺寸精度优于
±
5μm。
22.进一步的，上述多用途多层低温金金键合工装中，待键合基板所设定位孔位于待键合基板中非图形位置；
23.所述定位孔的个数≥3，各定位孔为不对称分布，用于辨识待键合基板的方向。
24.进一步的，上述多用途多层低温金金键合工装中，静等压设备的压强p作用于压块二的上表面，压于待键合基板上的压块一上表面高于定位槽块中基板定位槽之外区域的上表面；
25.压块二的上表面面积＞压块一的上表面面积＞待键合基板的面积；
26.温水静等压设备的压强p＝p1/(s1/s2)，其中p1为待键合基板压合所需压强s1为压块二上表面面积，s2为待键合基板面积；
27.温水等静压设备的压合温度为85℃时，p1＝150mpa-200mpa。
28.进一步的，上述多用途多层低温金金键合工装中，多用途多层低温金金键合工装所用材料为30crmnsi；
29.待键合基板的尺寸≤8英寸；
30.当待键合基板的个数＞1时，各待键合基板的总厚度≤3mm。
31.一种多用途多层低温金金键合方法，采用上述多用途多层低温金金键合工装实现，包括：
32.在待键合基板上加工定位孔；
33.将限位器安装于底座上，定位槽块安装于限位器所设定位槽块安装孔中；
34.将＞1个待键合基板按堆叠顺序放入定位槽块所设基板定位槽中，使各待键合基板的定位孔对准；
35.将定位销插入各待键合基板的定位孔中进行固定；
36.使固定后的各待键合基板位于基板定位槽中央；
37.将压块一放入基板定位槽中；
38.将压块二放入定位槽块安装孔中；
39.将多用途多层低温金金键合工装包装完毕后放置于温水等静压设备进行压合。
40.进一步的，上述多用途多层低温金金键合方法中，在待键合基板上通过icp工艺加工定位孔。
41.进一步的，上述多用途多层低温金金键合方法中，还包括，待键合基板上通过icp工艺加工定位孔的同时采用icp工艺刻蚀用于信号传输的通孔和芯片埋置腔；所述通孔和芯片埋置腔刻蚀完成后，在待键合基板表面通过溅射、光刻和电镀工艺制备电路图形，将芯片装配于芯片埋置腔内，并对键合基板表面进行ar等离子清洗。
42.进一步的，上述多用途多层低温金金键合方法中，定位槽块所设基板定位槽为方形槽；
43.将＞1个待键合基板按堆叠顺序放入定位槽块所设基板定位槽中，将堆叠的各待键合基板推至基板定位槽的任意一角，使各待键合基板的定位孔对准；
44.将多用途多层低温金金键合工装进行包装的方法为，采用硅胶盖住工装并放入密封袋中抽真空；
45.将多用途多层低温金金键合工装放置于等静压设备进行压合的条件为：预热温度80～90℃，预热时间1～3h，压合温度80～90℃，压合时间10～15h，施加在待键合基板上的压强为150mpa-200mpa。
46.本发明与现有技术相比具有如下有益效果：
47.(1)本发明创造性的设计一种键合工装，采用键合工装将设备的压力显著放大，产品键合处压强可达150mpa-200mpa，为硅片间牢固键合创造了基础；
48.(2)本发明键合工装中，采用活动定位销与基片上的定位孔配合的方法实现了多个基片间的同时、精准定位，具体可一次性完成0.3mm～3mm以下任意层数基板的键合，定位孔可设置在基板的任意位置，操作更为便捷，相比于传统的通过两层基板间图形对位的方式，本发明有效提高了定位精度和效率；
49.(3)本发明键合工装采用高强度结构钢进行工装制作，所加工的工装具备极高的平面度及光洁度，且能耐受200mpa的压强而不发生形变；
50.(4)本发明键合温度为80～90℃，相比常规的键合温度低200℃左右，适用于带芯片有源微波模块基板的键合，满足封装中有源芯片的装配可靠性的要求，为带内埋芯片基板的键合提供了一种有效的方法；
51.(5)本发明可兼容8英寸以下任意尺寸基板的键合，因此不仅可以用于标准尺寸基板的键合，也可用于非标准尺寸基板的键合。
52.(6)本发明采用温水等静压机配合工装，压力施加更加均匀、稳定。
附图说明
53.图1为本发明一种优选的多用途多层低温金金键合方法流程图；
54.图2为本发明一种优选的多用途多层低温金金键合工装结构图；
55.图3为本发明实施例中底座结构示意图；其中，图(a)为立体图，(b)为俯视图，(c)为正视图，(d)为尺寸图；
56.图4为本发明实施例中限位器结构示意图；其中，图(a)为立体图，(b)为俯视图，(c)为正视图，(d)为尺寸图；
57.图5为本发明实施例中定位槽块结构示意图；其中，图(a)为立体图，(b)为俯视图，
(c)为正视图，(d)为尺寸图；
58.图6为本发明实施例中压块一结构示意图；其中，图(a)为立体图，(b)为俯视图，(c)为正视图，(d)为尺寸图；
59.图7为本发明实施例中压块二结构示意图；其中，图(a)为立体图，(b)为俯视图，(c)为正视图，(d)为尺寸图；
60.图8为本发明实施例待键合基板加工版图；其中(a)～(d)分别为从下至上各层待键合基板的加工版图；
61.图9为本发明实施例基板键合后实物图；
62.图中，1-底座，2-限位器，3-定位槽块，4-待键合基板，5-压块一，6-压块二，7-定位销，8-芯片。
具体实施方式
63.下面通过对本发明进行详细说明，本发明的特点和优点将随着这些说明而变得更为清楚、明确。
64.在这里专用的词“示例性”意为“用作例子、实施例或说明性”。这里作为“示例性”所说明的任何实施例不必解释为优于或好于其它实施例。尽管在附图中示出了实施例的各种方面，但是除非特别指出，不必按比例绘制附图。
65.本发明提供一种多用途多层低温金金键合工装，定位槽块中设有基板定位槽，各待键合基板利用定位销固定，面积较大的压块二将压强传递至待键合基板上。该工装具有压强放大功能。本发明还提供一种多用途多层低温金金键合方法，首先在待键合基板上形成高精度用于信号传输的通孔、定位孔及芯片埋置腔，并在表面制备均匀性好的键合用金属膜层。将芯片装配到基板上后，再将待键合基板按键合顺序依次固定在工装中，通过等静压设备施加温度及压力，完成键合。本发明显著降低键合温度，为硅、玻璃、石英等多种材质的基板之间的紧密键合提供了可靠、便利的途径，且基板键合层数不受限制，特别是为带内埋芯片基板的键合提供了一种有效的方法，满足了内埋芯片对于环境温度的使用要求。本发明多用途多层低温金金键合方法利用温水等静压设备，采用定位销机械对位，并结合专用工装，放大压强从而降低键合温度。利用该方法，在85℃温度下，可以一次性完成多层基板键合。本发明不仅适用于硅基板的金金键合，也可应用于玻璃等其他基板的金金键合。可兼容总厚度3mm以下任意层数、尺寸8英寸以下任意尺寸基板的键合，并可起到压强放大的作用，待键合基板上施加的有效键合压强可达150mpa以上。下文将结合图1～9对本发明技术方案进行详细说明。
66.如图2所示为本发明多用途多层低温金金键合工装的一种优选结构，它包括了：底座1，底座1上设置有一个可卡住限位器2的限位凸台，限位器2为圆环型，用于限定定位槽块3的摆放位置，定位槽块3上设置有一个方形槽，用于限定待键合基板4的摆放位置，定位销7用于待键合基板4的对位，压块一5用于待键合基板4垂直方向的固定，其上再叠加压块二6，压块二6的压强通过压块一5传递到待键合产品4上后，压强将被放大。
67.进一步地，所述工装材质为30crmnsi，可耐受200mpa高压而不形变，工装表面粗糙度优于0.8μm。
68.进一步地，所述工装压块一5的尺寸小于压块二6的尺寸，设备压强施加在压块二6
上，压块二6的面积大于待键合基板4的面积，压块二6的压强通过压块一5传递到待键合基板上后，压强将被放大，并施加在待键合基板4上。作用力相同的条件下，压强与受力面积成反比，因此待键合基板4上所受的压强被放大，施加在待键合基板4上压强的放大倍数＝压块二6的面积/待键合基板面积，即待键合基板4上实际施加的压强＝(压块二6面积/待键合基板4面积)*设备压合压强。
69.进一步的，定位槽块3外径与限位器2内径(即定位槽块安装孔直径)相等，基板定位槽的边长比待键合基板4的边长大5～10mm，压块一5与基板定位槽的尺寸近似相等，压块一5的高度与定位槽块3的高度相等，压块二6的直径与限位器2内径相等；底座1上所设限位凸台的直径与限位器2内径相等；
70.进一步的，定位销高度在0.3mm～3mm不等，可兼容总厚度0.3mm～3mm之间的任意层数基板的键合。
71.如图1所示，本发明一种优选的多用途多层金金键合方法的方法，包括以下步骤：
72.步骤1：在待键合基板4上，通过icp(电感耦合等离子体)工艺刻蚀用于信号传输的通孔、定位孔及芯片埋置腔。通过高精度微观刻蚀技术的实施，定位孔刻蚀的定位精度优于
±
2μm，孔径尺寸精度优于
±
5μm，优于常规定位孔的制作方法。定位孔不对称地设置在产品分布区域之外的任意位置，可用于辨识基板的方向。本发明方法，并非只允许单一材料，对待键合基板材料的限制小，待键合基板4可以是硅基板，也可以是玻璃或石英基板。基板尺寸最大为8英寸，可容纳更多电路排版应用；待键合基板内部可开腔，不要求必须是连续平面，适合埋置芯片的封装应用。
73.步骤2：通过溅射光刻电镀工艺在待键合基板4表面制备金属膜层。溅射膜层可以是tiw/au、nicr/au、tiw/ni/au、nicr/ni/au、cu/ni/au以及tan/nicr/ni/au等，总厚度电镀膜层为au膜层，电镀后膜层总厚度为2μm～3μm，膜层表面粗糙度优于0.2μm即可，不需更光滑表面。电镀完成后，通过光刻工艺在基板上刻蚀出产品电路图形。
74.步骤3：若需埋置芯片，可通过粘接或焊接工艺，将芯片8装配到待键合基板4上。
75.步骤4：将待键合硅基板4进行表面ar等离子清洗。清洗完毕后，在40倍显微镜下检查，清洗后基板表面光洁，无变色，无可移动的颗粒物。该步骤中，等离子类型优选了清洗强度和损伤程度适合薄膜金属表面的射频等离子体，并经过工艺开发，确定了最佳的清洗参数，确保待键合表面保持清洁、无外来污染，并且键合表面复合膜层无明显损伤。
76.步骤:5：将金金键合工装底座1、限位器2以及定位槽块3卡合在一起后，用防静电镊子夹起待键合基板4，按堆叠的方向和顺序依次放入定位槽块3的槽中。
77.用防静电镊子将堆叠的待键合基板4推到槽的任意一角，并将待键合基板4上的对位孔对准，实现粗对位。
78.选择定位销7，并用防静电镊子垂直夹起定位销7，塞入对齐的对位孔中。定位销高度应低于最上层待键合基板4上表面的高度，但高于最上层待键合基板4下表面的高度。
79.用防静电镊子端头轻轻压按待键合基板4表面，确保待键合基板4平整后，再将待键合基板4推送到槽中央。
80.手持压块一5，轻轻放入定位槽块3的槽中。
81.手持压块二6，轻轻放入限位器2中。
82.在底座1与限位器2连接处，以及限位器2与定位块二6连接处套上橡胶密封圈。
83.采用硅胶盖住底座1上方部位，并放入密封袋中抽真空，完成包装。
84.步骤6：将包装后的待键合基板4放入温水等静压设备，设置好压合条件进行金金键合。压合条件为：预热温度85℃，预热时间2h，压合温度85℃，压合时间12h，设备设置压强＝基板压合所需压强/(压块二6面积/待键合基板4面积)。
85.进一步地，85℃下，要实现基板之间的可靠金金键合所需，待键合基板上施加的有效键合压强为150mpa-200mpa。
86.进一步的，温水等静压设备，通过温水作为媒介施加压力，温度均匀性优于
±
1℃，压强精度优于
±
2.5％，压力施加均匀。
87.进一步的，直接施加在待键合基板4上的压强为150mpa-200mpa，远大于常规键合压力，可获取更可靠的键合体，键合温度优选为85℃，远低于常规键合的300℃。
88.实施例：
89.步骤1：在待键合基板上，通过icp工艺刻蚀通孔、定位孔及芯片埋置腔。待键合基板为4层硅基板，单层厚度为0.2mm，表面粗糙度为0.08μm，外形尺寸29mm*29mm。每层基板上设有3个定位孔，孔径设计值为φ1.51mm，分别设置于每层基板的上侧及左侧、右侧非图形位置。不仅可以用于定位，还可用于基板方向的辨识。icp刻蚀速率为3μm/min，刻蚀后采用影像测量，定位孔刻蚀的精度优于
±
2μm，孔径尺寸精度优于
±
5μm。
90.步骤2：通过溅射光刻电镀工艺在表面制备金属膜层。溅射膜层为tan/nicr/ni/au，总厚度约电镀膜层为au膜层，电镀后膜层总厚度为2μm～3μm，膜层表面粗糙度为0.05μm。
91.步骤3：通过导电胶粘接工艺，将待埋置芯片装配到芯片埋置腔中。
92.步骤4：对待键合硅基板进行表面ar等离子清洗，清洗时间2分钟。清洗完毕后，在40倍显微镜下检查，清洗后基板表面光洁，无变色，无可移动的颗粒物。
93.步骤5：将金金键合工装底座1、限位器2以及定位槽块3卡合在一起后，用防静电镊子夹起待键合基板4，按堆叠的方向和顺序依次放入定位槽块3的槽中。
94.用防静电镊子将堆叠的基板推到槽的任意一角，并将基板上的对位孔对准，实现粗对位。
95.选择定位销7，并用防静电镊子垂直夹起定位销，塞入对齐的对位孔中。所选用定位销直径为1.5mm，高度为0.7mm。
96.用防静电镊子端头轻轻压按基板表面，确保待键合基板平整后，再将待键合基板推送到槽中央。
97.手持压块一5，轻轻放入定位槽块3的槽中。
98.手持压块二6，轻轻放入限位器2中。
99.在底座1与限位器2连接处，以及限位器2与定位块二6接茬处套上橡胶密封圈，以防止压合压力对接茬的衔接缝造成影响。
100.采用硅胶盖住底座1上方部位，并放入密封袋中抽真空，完成包装。
101.步骤6：将包装后的待键合基板放入温水等静压设备，设置好压合条件进行金金键合。压合条件为：预热温度85℃，预热时间2h，压合温度85℃，压合时间12h，设备设置压强＝150mpa/(π*51*51/(29*29))＝15.4mpa。
102.如图8为本实施例基板加工版图，切除基板非图形区域后的键合效果实物图如图9
所示。键合强度符合gjb548b的要求(面积4.13mm2，剪切强度≥50n)。
103.如图3～7，本实施例的键合工装的尺寸为：底座1直径124mm，凸台直径101mm，底座1整体高度15mm，凸台高度2mm。限位器2的结构尺寸如图3所示，内径101mm，外径116mm，高度27mm。定位槽块3的结构尺寸如图4所示，外径101mm，高度15mm，基板定位槽位于槽块中间，基板定位槽尺寸35.1mm
×
35.1mm，高度15mm。压块一5尺寸为35mm
×
35mm，高度15mm。压块二6直径为101mm，高度为15mm。待键合基板4外形尺寸为29mm
×
29mm。
104.本发明提出了一种利用工装放大压力从而降低键合温度，并同时完成多层基板间对位的低温金金键合方法，该方法兼容性强，对基板表面金属层状态无特殊要求，通用性强，适用于多种基材的金金键合。本发明对待键合基板材料的限制小：并非只允许单一材料，既可以是硅基板，也可以是石英基板或玻璃基板；基板表面粗糙度ra优于0.2μm即可，不需更光滑表面；尺寸最大为8英寸，可容纳更多电路排版应用；待键合基板内部可开腔，不要求必须是连续平面，适合埋置芯片的封装应用。本发明可兼容8英寸以下任意尺寸基板的键合,可开展总厚度0.3mm以上，3mm以下任意层数基板的键合，比传统键合方法适用性更广。定位孔位置不固定，可灵活地设置在基板图形区域以外的任意位置，使得产品设计有更大的自由度。键合工装能起到压力放大的作用，有效键合压力可达150mpa以上，可以保证更可靠的键合。
105.以上结合具体实施方式和范例性实例对本发明进行了详细说明，不过这些说明并不能理解为对本发明的限制。本领域技术人员理解，在不偏离本发明精神和范围的情况下，可以对本发明技术方案及其实施方式进行多种等价替换、修饰或改进，这些均落入本发明的范围内。本发明的保护范围以所附权利要求为准。
106.本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。