TWI902181B - 柱狀連接體的基板接合方法 - Google Patents

Abstract

本發明涉及一種柱狀連接體的基板接合方法，更詳細來說涉及一種將柱狀連接體接合到基板的柱狀連接體的基板接合方法，所述柱狀連接體形成為柱形態並將基板與半導體晶片的電極連結來將半導體晶片連接到基板。本發明的柱狀連接體的基板接合方法具有以下優點：即使縱橫比大的柱狀連接體也可在基板上保持垂直方向同時接合到準確的位置。

Description

柱狀連接體的基板接合方法

本發明涉及一種柱狀連接體的基板接合方法，更詳細來說涉及一種將柱狀連接體接合到基板的柱狀連接體的基板接合方法，所述柱狀連接體形成為柱形態並將基板與半導體晶片的電極連結來將半導體晶片連接到基板。

堆疊多個半導體晶片，以如疊層封裝（Package on Package，PoP）、晶片上晶片（Chip on Chip，CoC）等形態將半導體晶片接合到基板或其他半導體晶片上時，使用被稱為銅支柱（Cu Pillar）、銅銷（Cu Pin）等名稱的柱狀連接體。當將具有較大高度差的上下半導體晶片或基板電連接時，不適合使用焊料球。當使用焊料球時，由於難以以微細節距（fine pitch）進行電極排列，因此不適合半導體裝置的小型化。

因此，使用如銅支柱般縱橫比大的柱狀連接體用作將上下半導體晶片或基板的電極電連接的用途。

如上所述的柱狀連接體越為具有100 μm以下的寬度的小的大小，就越難以應用使用以往焊料球來形成焊料凸塊的製程。大小越小，重量越輕，在霜狀焊料或焊料膏的熔融過程中由於黏性液體的特性，柱狀連接體的位置及角度會發生變化，從而增加了不良發生的可能性。特別是，柱狀連接體的縱橫比越高，由於焊料膏或助焊劑的黏性，在加熱的過程中越容易產生柱狀連接體傾斜的現象。

為了解決如上所述的問題，以往已經嘗試使用加壓板相對於基板對柱狀連接體進行加壓並在固定的狀態下升高溫度進行接合的方法。但是，由於微細的柱狀連接體的長度存在偏差，基板的表面高度也不固定的情況很多，因此存在多數柱狀連接體都不能均勻地被加壓的問題。

需要一種解決如上所述的問題，可將縱橫比大的柱狀連接體垂直地接合到基板的準確位置的技術。

發明所要解決的問題

本發明是為了滿足如上所述的需要而提出的，目的在於提供一種將柱狀連接體以正確的位置及方向接合到基板的柱狀連接體的基板接合方法，所述柱狀連接體用於將基板與半導體元件電連接。

解決問題的技術手段

本發明是將柱狀連接體接合到基板的柱狀連接體的基板接合方法，特徵在於包括以下步驟：（a）在所述基板的多個電極焊盤分別形成金屬連接膜；（b）將助焊劑塗布到所述基板的多個電極焊盤的金屬連接膜；（c）在塗布有助焊劑的所述基板的各金屬連接膜的上表面分別安裝柱狀連接體；（d）對所述基板與所述柱狀連接體的組裝體進行加熱，以使所述基板的金屬連接膜熔融；以及（e）完成所述（d）步驟後，將所述基板與所述柱狀連接體的組裝體冷卻，以使所述基板的熔融的金屬連接膜固化。

發明的效果

本發明的柱狀連接體的基板接合方法具有以下優點：即使縱橫比大的柱狀連接體也可在基板上保持垂直方向同時接合到準確的位置。

以下，參照附圖，對根據本發明一實施例的柱狀連接體的基板接合方法進行說明。

圖1至圖5是用於說明實施根據本發明一實施例的柱狀連接體的基板接合方法的過程的圖。

本發明是用於將如銅柱（Cu支柱或Cu立柱（Cu Column））或銅銷（Cu Pin）般縱橫比（aspect ratio）大的柱狀連接體200連接到基板100。如上所述的柱狀連接體200大致具有100 μm以內的寬度且具有寬度的1.5倍以上的高度的情況很多。如上所述，當使用縱橫比大且大小小的柱狀連接體200時，可以微細節距間隔將半導體晶片連接到基板100。

為了利用如上所述的高縱橫比的柱狀連接體200將半導體晶片接合到基板100，本發明用於將柱狀連接體200在準確的位置及方向上接合到基板100的電極。

首先，如圖2所示，準備在多個電極焊盤110形成有金屬連接膜120的基板100（（a）步驟）。如上所述的過程通常準備預塗覆基板100。如上所述的預塗覆是指在基板100的銅暴露部位進行塗覆，以防止印刷電路板100（printed circuit board，PCB）的銅線電路的氧化及容易進行與安裝零件的連接。本實施例的情況，在將接合柱狀連接體200的位置的電極焊盤110進行如上所述的預塗覆來形成金屬連接膜120。如上所述的PCB表面處理方式起到防止銅箔層的銅暴露部位的氧化並增強電子零件表面裝設接合力的作用，所述銅箔層是為了在PCB表面佈置積體電路（integrated circuit，IC）及電子零件而被打開。通常，使用金、銀、錫、鈀或這些金屬的合金對基板100執行預塗覆。

在本實施例的情況下，如圖1所示，在多個電極焊盤110上安裝焊料球105來形成金屬連接膜120。為此，預先將助焊劑101塗布到多個電極焊盤110上。接下來，利用助焊劑101的黏著力將焊料球105安裝到各個電極焊盤110上（（a-3）步驟）。為此，可使用在與各電極焊盤110對應的位置處形成有安裝孔的掩模，將焊料球105安裝到各電極焊盤110上。經過掩模的安裝孔，將焊料球105安裝到塗布有助焊劑101的電極焊盤110上。

如上所述，當對各電極焊盤110上安裝有焊料球105的基板100進行加熱時，焊料球105熔融（（a-4）步驟）。在再將基板100冷卻時，熔融的焊料球105固化，以與預塗覆相同的方式在電極焊盤110上形成金屬連接膜120（（a-5）步驟）。

根據情況，也可利用印刷方式而非使用如上所述的焊料球105的方式來將焊料膏塗布到各個電極焊盤110（（a-1）步驟），然後進行加熱及冷卻（（a-2）步驟）來形成預塗層形態的金屬連接膜120。

如上所述，當在各電極焊盤110上形成金屬連接膜120時，成為如圖2所示的形態。

接下來，如圖3所示，將助焊劑101塗布到基板100的電極焊盤110的金屬連接膜120（（b）步驟）。利用掩模印刷方式或使用分配器將助焊劑101塗布到基板100的金屬連接膜120的上表面。

接下來，如圖4所示，在塗布有助焊劑101的基板100的各金屬連接膜120的上表面分別安裝柱狀連接體200（（c）步驟）。如上所述，可通過已知的各種方法執行將柱狀連接體200安裝（mounting）到基板100的製程。也可使用夾持器（gripper）等工具夾緊個別柱狀連接體200或多個柱狀連接體200後，利用放置在基板100的固定位置的拾取及放置（pick and place）方式將柱狀連接體200安裝在基板100。根據情況，可在所述基板100的上表面佈置在與基板100的多個電極焊盤110對應的位置分別形成有安裝孔的掩模，且也可利用將柱狀連接體200插入到掩模的安裝孔中的方法來安裝柱狀連接體200。此時，使用如旋風頭（cyclone head）等裝置，可將柱狀連接體200高速安裝到基板100。如上所述，當將柱狀連接體200安裝到基板100時，柱狀連接體200也可能不會垂直地豎立在基板100的上表面，如圖4所示。由於柱狀連接體200非常小且輕，因此由於助焊劑101的黏性或表面張力等原因，可能常常產生如圖4所示般柱狀連接體200以傾斜的形態安裝的情況。本發明的特徵在於，即使在如上所述傾斜的柱狀連接體200的情況下也可使其上下垂直對齊並接合到基板100。

在如上所述的狀態下，本實施例的柱狀連接體的基板接合方法使安裝有柱狀連接體200的基板100旋轉，使其如圖5所示處於上下反轉的狀態（（d）步驟）。與助焊劑101的黏性相比，柱狀連接體200非常輕，因此，由於助焊劑101的黏著力，柱狀連接體200呈臨時黏附到基板100的狀態，且如圖5所示，即使在上下顛倒的狀態下柱狀連接體200也不會從基板100掉落。

在如上所述的狀態下，對基板100與柱狀連接體200的組裝體進行加熱，以使基板100的金屬連接膜120熔融（（d）步驟）。如上所述，當對基板100與柱狀連接體200進行加熱時，金屬連接膜120在助焊劑101的幫助下熔融同時使柱狀連接體200接合到基板100。此時，金屬連接膜120熔融且助焊劑101被加熱，同時將柱狀連接體200臨時黏附到基板100的助焊劑101或金屬連接膜120的黏度降低。此時，黏著柱狀連接體200的物質的黏度變低，表面張力也減弱，柱狀連接體200按照重力的方向垂直對齊。特別是柱狀連接體200的縱橫比越大，將柱狀連接體200垂直對齊的重力的影響就越大。

如上所述，為了執行（d）步驟，可通過已知的各種方法執行對基板100及柱狀連接體200進行加熱的製程。也可利用使基板100與柱狀連接體200的組裝體經過回焊的方法執行（d）步驟。另外，也可利用對通過（f）步驟呈翻轉狀態的基板100的上表面或下表面照射鐳射的方法，對金屬連接膜120進行加熱。

如上所述，執行（d）步驟，加熱基板100的溫度及隨時間的溫度變化可根據柱狀連接體200的大小與形狀及助焊劑101、金屬連接膜120的材質的特性，以各種最佳方式不同地進行調節。通過如此調節製程條件，柱狀連接體200不會從基板100掉落同時消除柱狀連接體200的傾斜程度，且可有效地沿上下垂直方向使柱狀連接體200對齊。另外，在執行（b）步驟至（f）步驟的過程中，即使柱狀連接體200的位置部分脫離電極焊盤110的位置，在金屬連接膜120與助焊劑101熔融的過程中，由於熔融金屬的黏性，柱狀連接體200自然地移動到電極焊盤110的中央部。

另一方面，在執行如上所述的（f）步驟時，當在真空氣氛狀態下進行加熱時，具有以下優點：防止金屬連接膜120與助焊劑101在熔融狀態下產生空隙（void）從而可提高製程的品質。

接下來，當對所述基板100與柱狀連接體200的組裝體進行冷卻以使熔融的金屬連接膜120固化時，完成柱狀連接體200對基板100的接合（（e）步驟）。

如上所述，本發明具有以下優點：可以準確且正確的姿勢將大小非常小、縱橫比大、不容易進行操作、而且很難準確且精準地調整位置與方向進行裝設的柱狀連接體200接合到基板100。特別是，通過轉換思路，將基板100翻轉，在柱狀連接體200通過助焊劑101而被倒掛在基板100的狀態下加熱並接合，本發明具有以下優點：不使用單獨的複雜構成或裝置，可利用重力的特性，將微細的柱狀連接體200在正確的位置與方向上對齊，從而接合到基板100。

如上所述，在並不是將柱狀連接體200直接安裝到液相的焊料膏或霜狀焊料上，而是將焊料以金屬連接膜120的形態首先塗覆到電極焊盤110然後將柱狀連接體200安裝到基板100時，具有以下優點：在基板100的加熱過程中，柱狀連接體200的位置及角度不會發生大的偏斜，有效地保持準確的位置及方向，同時將柱狀連接體200接合到電極焊盤110。

另外，如上所述，當使用焊料膏或焊料球105形成金屬連接膜120時，具有以下優點：可以比較簡單且廉價的方式在電極焊盤110上形成金屬連接膜120。另外，如上所述，由焊料膏或焊料球105形成的金屬連接膜120具有在（e）步驟及（f）步驟中可容易地將柱狀連接體200接合到電極焊盤110的優點。即，使用焊料膏或焊料球105形成金屬連接膜120的方式與以往其他預塗覆方式相比，具有使用方便的優點，且具有可提高柱狀連接體200的接合製程品質的優點。

以上對本發明列舉優選的例子進行了說明，但本發明的範圍並不限於前面說明並圖示的形態。

例如，（d）步驟及（e）步驟可通過除了使用回焊或使用鐳射的方法之外的其他各種方法來實施加熱及冷卻的過程。

另外，如前文圖5所示，對通過（f）步驟使基板100上下反轉並對基板100進行加熱來將柱狀連接體200接合到基板100的情形進行說明，但根據情況，也可在如圖4所示的沒有將基板100反轉的狀態下實施（d）步驟及（e）步驟來將柱狀連接體200接合到基板。根據柱狀連接體200的大小與重量及助焊劑101的性質，通過（c）步驟將柱狀連接體200安裝到基板100時，柱狀連接體200不會大幅傾斜，有時會保持大致垂直豎立的狀態。在如上所述的情況下，也可省略通過（f）步驟將基板100反轉的步驟，並直接實施（d）步驟及（e）步驟，實施本發明的柱狀連接體的基板接合方法，以使柱狀連接體200接合到電極焊盤110。

另外，如以下說明的方法般也可實施根據本發明的柱狀連接體的基板接合方法。

根據本實施例的柱狀連接體的基板接合方法與前面參照圖1至圖6說明的實施例大部分過程相同，但在執行（f）步驟時在使用加壓板300的方面存在差異。

根據本實施例的柱狀連接體的基板接合方法也如圖1至圖4所示，以與在基板100的電極焊盤110形成金屬連接膜120的步驟（（a）步驟）、在金屬連接膜120塗布助焊劑101的步驟（（b）步驟）、以及將柱狀連接體200安裝到基板100的步驟（（c）步驟）相同的方式實施。

接下來，如圖7所示，使用平板形態的加壓板300相對於基板100的上表面對柱狀連接體200進行加壓（（f-1）步驟）。如上所述，當使用加壓板300對柱狀連接體200進行加壓時，根據情況，可在克服助焊劑101的黏性的同時幫助柱狀連接體200在基板100上的準確位置及方向上進行對齊。

在如上所述的狀態下，也可去除加壓板300，如圖8所示，也可在利用加壓板300對柱狀連接體200進行加壓的狀態下，同時旋轉加壓板300與基板100，使其上下反轉（（f-2）步驟）。

在如上所述的狀態下，去除加壓板300（（f-3）步驟）。

如圖6所示，當實施對基板100及柱狀連接體200進行加熱的步驟（（d）步驟）與對基板100與柱狀連接體200的組裝體進行冷卻的步驟（（e）步驟）時，完成柱狀連接體200對基板100的接合。

根據情況，並非在去除加壓板300之後實施（d）步驟及（e）步驟，也可在執行（d）步驟或（e）步驟期間實施去除加壓板300的步驟（（f-3）步驟）。

本實施例也可具有與前面參照圖1至圖6說明的實施例相同或相似的效果。另外，通過如上所述追加使用加壓板300，可獲得柱狀連接體200相對於基板100對齊或減少傾斜程度的額外效果。

加壓板300的形狀不限於平板形狀。如果是可均勻地對基板100上的多個柱狀連接體200進行加壓的結構，則可構成各種形態的加壓板。

另外，本實施例的柱狀連接體的基板接合方法也可以以下方式實施：省略將基板100上下反轉的（f）步驟，在不翻轉基板100的狀態下實施（d）步驟及（e）步驟，以將柱狀連接體200接合到基板100。

100:基板/印刷電路板 101:焊劑 105:焊料球 110:電極焊盤 120:金屬連接膜 200:柱狀連接體 300:加壓板

圖1至圖6是用於說明實施根據本發明一實施例的柱狀連接體的基板接合方法的過程的圖。 圖7及圖8是用於說明實施根據本發明其他實施例的柱狀連接體的基板接合方法的過程的圖。

100:基板/印刷電路板

101:焊劑

110:電極焊盤

120:金屬連接膜

Claims (13)

1. 一種柱狀連接體的基板接合方法，是將柱狀連接體接合到基板的柱狀連接體的基板接合方法，包括以下步驟： （a）步驟，在所述基板的多個電極焊盤分別形成金屬連接膜； （b）步驟，將助焊劑塗布到所述基板的多個所述電極焊盤的所述金屬連接膜； （c）步驟，在塗布有所述助焊劑的所述基板的各所述金屬連接膜的上表面分別安裝柱狀連接體； （f）步驟，在執行所述（c）步驟之後，使安裝有所述柱狀連接體的所述基板旋轉，以使所述基板上下反轉， （d）步驟，對所述基板與所述柱狀連接體的組裝體進行加熱，以使所述基板的所述金屬連接膜熔融；以及 （e）步驟，完成所述（d）步驟後，將所述基板與所述柱狀連接體的組裝體冷卻，以使所述基板的熔融的所述金屬連接膜固化。
2. 如請求項1所述的柱狀連接體的基板接合方法，其中在所述（a）步驟中，使用焊料在所述基板形成所述金屬連接膜。
3. 如請求項2所述的柱狀連接體的基板接合方法，其中所述（a）步驟包括以下步驟： （a-1）步驟，在所述基板的多個所述電極焊盤分別塗布焊料膏；以及 （a-2）步驟，使塗布到所述基板的多個所述電極焊盤的所述焊料膏固化來形成所述金屬連接膜。
4. 如請求項3所述的柱狀連接體的基板接合方法，其中在所述（a-2）步驟中，通過對塗布到所述基板的多個所述電極焊盤的所述焊料膏加熱後冷卻以使其固化來形成所述金屬連接膜。
5. 如請求項2所述的柱狀連接體的基板接合方法，其中在所述（a）步驟中，在所述基板的多個所述電極焊盤分別安裝焊料球來形成所述金屬連接膜。
6. 如請求項5所述的柱狀連接體的基板接合方法，其中所述（a）步驟包括以下步驟： （a-3）步驟，在所述基板的多個電極焊盤分別安裝焊料球； （a-4）步驟，進行加熱以使安裝到所述基板的多個所述電極焊盤的所述焊料球熔融；以及 （a-5）步驟，固化在所述（a-4）步驟中熔融的所述焊料球，以形成所述金屬連接膜。
7. 如請求項1至6中任一項所述的柱狀連接體的基板接合方法，其中在所述（c）步驟中，在所述基板的上表面佈置在與所述基板的多個所述電極焊盤對應的位置形成有安裝孔的掩模，以將所述柱狀連接體安裝到所述基板。
8. 如請求項1至6中任一項所述的柱狀連接體的基板接合方法，其中在所述（c）步驟中，利用拾取及放置方法將各個所述柱狀連接體分別安裝到所述基板的多個所述電極焊盤。
9. 如請求項1至6中任一項所述的柱狀連接體的基板接合方法，其中在所述（d）步驟中， 對所述基板或所述柱狀連接體照射鐳射並加熱。
10. 如請求項1至6中任一項所述的柱狀連接體的基板接合方法，其中在所述（d）步驟中，使所述基板與所述柱狀連接體的組裝體經過回焊進行加熱。
11. 如請求項1至6中任一項所述的柱狀連接體的基板接合方法，其中所述（d）步驟在真空狀態下執行。
12. 如請求項1所述的柱狀連接體的基板接合方法，其中所述（f）步驟包括以下步驟： （f-1）步驟，利用加壓板相對於所述基板的上表面對所述柱狀連接體加壓；以及 （f-2）步驟，將所述加壓板與所述基板同時反轉。
13. 如請求項12所述的柱狀連接體的基板接合方法，其中所述（f）步驟包括以下步驟： （f-3）步驟，在完成所述（f-2）步驟後，去除所述加壓板。