Бесфлюсовая сборка полупроводниковых изделий размером с кристалл

Использование: в электромонтажной сборке и герметизации полупроводниковых изделий. Сущность изобретения: способ сборки полупроводниковых изделий включает формирование пар контактных столбиков на соответствующих поверхностях кристалла и подложки с межсоединениями. Каждый контактный столбик в каждой паре содержит верхнюю часть, включающую по меньшей мере один компонент из электропроводящего эвтектического сплава. По меньшей мере на одном из контактных столбиков в каждой паре формируют острые вертикальные пики. Кристалл и подложку с силой прижимают друг к другу, а контактные столбики нагревают до тех пор, пока острые пики не проникнут через оксидные пленки, имеющиеся на соответствующих противолежащих контактных столбиках в каждой паре, и не войдут в контакт с верхней поверхностью другого контактного столбика, инициируя, таким образом, плавление контактных столбиков. Затем контактные столбики охлаждают, обеспечивая затвердевание расплавленных частей с формированием электропроводящего соединения между каждой соответствующей парой контактных столбиков и герметизацию корпуса по периферии. Техническим результатом изобретения является обеспечение припаивания полупроводникового кристалла к подложке с использованием сплавов, имеющих относительно низкую температуру плавления, высокую прочность соединения после затвердевания и не являющихся вредными для окружающей среды. 3 н. и 13 з.п. ф-лы, 10 ил., 1 табл.

 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

Изобретение в целом относится к припаиванию одной подложки к другой с использованием электропроводящих эвтектических сплавов, а в частности - к электромонтажной сборке и герметизации полупроводниковых изделий размером с кристалл без использования флюсов или восстановительной атмосферы.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Интегральные схемы («ИС») формируют в «активном» приповерхностном слое монокристалла, или «чипа», вырезанного из полупроводниковой пластины, которая содержит интегральный массив одинаковых кристаллов. Кристаллы - относительно малы и хрупки, восприимчивы к вредным воздействиям окружающей среды, в частности к влажности, и в течение работы способны производить относительно большое количество тепла в относительно малом объеме. Соответственно, сборку интегральных схем обычно проводят, по возможности, в жестких корпусах, которые обеспечивают их защиту от окружающей среды, надежную установку, например, на печатную плату с размещенными на ней электронными компонентами, и электрическое соединение с ней, а также эффективное рассеяние в окружающую среду тепла, которое эти электронные компоненты производят в процессе работы.

Современная тенденция в электронной промышленности направлена на миниатюризацию и облегчение аппаратуры при повышении ее функциональности. Это предъявляет соответствующие требования к полупроводниковым изделиям, которые имеют меньшие габариты и размеры установочной площадки, но большую функциональность. Одной из реакций на эту тенденцию была разработка изделий (ИС) «размера кристалла» или «масштаба кристалла», включая изделие (ИС) с матрицей шариковых выводов («BGA»), матрицей контактных площадок («LGA») и с безвыводным кристаллодержателем («LCC»), которые являются устройствами поверхностного монтажа и имеют габариты и установочные размеры, которые лишь немного превышают размеры заключенного внутри полупроводникового кристалла.

Пример одного известного типа такого изделия размера кристалла, а именно: так называемого полупроводникового изделия 100 с «массивом шариковых выводов», иллюстрируется видом сверху, сечением и видом снизу на фиг.5-7 соответственно.

Как показано на этих чертежах, известное изделие 100 с «массивом шариковых выводов», содержит полупроводниковый кристалл 102, припаянный с формированием электрического соединения к подложке 104 с межсоединениями, причем последняя не только служит для перераспределения сигналов ввода-вывода, идущих в кристалл и из кристалла, но и способствует герметизации кристалла для защиты от вредных экологических факторов, включая влажность.

Многослойная подложка 104, например простой трехслойный вариант выполнения, который иллюстрируется на чертежах, обычно включает один или большее количество диэлектрических слоев 106, на которых сформирован один или большее количество металлических слоев 108 в виде некоторого рисунка. Рисунок металлического слоя 108 обычно выполняют методом фотолитографии с формированием сигнальных контактных столбиков 110 на верхней поверхности диэлектрического слоя 106 и контактных площадок 112 на нижней его поверхности. Контактные столбики 110 соединены с контактными площадками 112 сквозь подложку 104 с помощью сквозных металлизированных отверстий 114. Кроме того, рисунок металлических слоев 108 может включать на одной или обеих поверхностях диэлектрического слоя 106 схемные соединения 116, которые соединяют друг с другом контактные столбики 110, контактные площадки 112 или как контактные площадки, так и контактные столбики через сквозные отверстия 114.

В обычном изделии 100 с массивом шариковых выводов шариковые выводы 118, выполненные из электропроводящего металла, например из свинцово-оловянного припоя, расположены на соответствующих контактных площадках 112, организованы в виде «сетки», или прямоугольного массива, и служат в качестве входных или выходных сигнальных выводов и крепежных элементов изделия 100. В изделиях с матрицей контактных площадок и с безвыводным кристаллодержателем шариковые выводы 118 отсутствуют и выводами служат непосредственно контактные площадки 112.

Для выполнения перераспределения сигналов контактные столбики 120 для ввода/вывода сигналов на активной поверхности кристалла 102 могут быть соединены с сигнальными контактными столбиками 110 на подложке 104 с помощью тонких монтажных проводов (не показаны) или альтернативно, как показано на фиг.6, припаяны непосредственно к контактным столбикам 110 с использованием так называемого метода «перевернутого кристалла», или способа «С-4», при котором соединение с кристаллом обычно осуществляют с помощью флюса и припоя, включающего свинец (Pb) и олово (Sn).

Способ «перевернутого кристалла», предназначенный для электрического соединения чипов с подложками, был разработан, в частности, компанией IBM, Inc. примерно в 1965 году. Способ, который иногда называют «процесс монтажа кристаллов с контролируемым сминанием шариковых выводов», или способ «С-4», (см., например, L. F. Miller, "Controlled Collapse Reflow Chip Joining, "IBM J. Res. Develop., 239-250, May 1969), включает формирование контактных столбиков из электропроводящего металла, например припоя, на контактных площадках 120 для ввода/вывода сигналов, расположенных на активной поверхности чипа 102, затем переворачивание, или «опрокидывание» чипа и наплавление или сплавление контактных столбиков из припоя с соответствующими контактными столбиками 110 на подложке 104, - этот процесс традиционно производят в конвейерной печи с использованием флюса.

Обычно изделие 100 герметизируют формовкой плотного тела 122 из пластмассы, например заливкой эпоксидной смолы на установленный кристалл 102 и по меньшей мере на часть подложки 104, или альтернативно, путем прикрепления, например пайкой, металлической крышки 124, которая закрывает кристалл (на фиг.5 и 6 крышка показана штриховой линией), к подложке. Перед герметизацией обычно производят тщательную очистку узкого промежутка между кристаллом 102 и подложкой 104 от какого-либо остаточного флюса, потом «заполняют снизу» этот промежуток слоем 126 из жидкой пластмассы с низкой вязкостью, а затем обеспечивают ее отвердевание. Заполняющий слой 126 служит для поддержания кристалла 102 над подложкой 104 и предупреждает проникновение в этот промежуток пластмассы герметизирующего тела 122 и формирование при повышенной температуре потенциально деструктивного «теплового клина» между кристаллом и подложкой, или, альтернативно, предупреждает соединение флюса, оставшегося в корпусе, со свинцом припоя и разъедание контактных столбиков, а также активной поверхности кристалла в течение срока службы изделия.

Хотя вышеописанные технологии сборки изделия 100 с матрицей шариковых выводов, в общем случае удовлетворяют требованиям, предъявляемым к полупроводниковому изделию размера кристалла, они не свободны от некоторых недостатков. Одним из них является необходимость использования флюса при пайке или при электрическом соединении кристалла и подложки и, как следствие, необходимость полной очистки сборки от всех остатков флюса перед герметизацией корпуса для предупреждения последующей коррозии, обусловленной этим оставшимся флюсом. Потребность в использовании флюса при креплении кристалла возникает как результат присутствия оксидных пленок, которые возникают на припое и на контактных столбиках в результате взаимодействия металлов в припое и контактных столбиках с атмосферным кислородом.

Оксидные пленки препятствуют смачиванию припоем соединяемых поверхностей.

При высоких температурах флюсы удаляют оксидные пленки путем образования с ними химического соединения, таким образом очищая металл в контактных столбиках от любых окислов и обеспечивая смачивание припоем металла и соединение с ним припоя.

Можно избежать использования флюса за счет, во-первых, тщательной очистки металла на контактах от всех оксидных пленок, а во-вторых, за счет проведения пайки кристалла к подложке в восстановительной атмосфере, например содержащей водород. Однако такой технологический процесс является относительно дорогостоящим и включает использование сложного, дорогого и потенциально опасного оборудования. Поэтому желательно иметь способ пайки с формированием электрического соединения первой подложки, например полупроводникового кристалла, ко второй подложке, например подложке с межсоединениями в полупроводниковом изделии, без использования флюсов, восстановительной атмосферы или комплексной очистки, необходимой при использовании перечисленных способов.

Другим недостатком известного изделия является необходимость проведения отдельных, дорогостоящих процессов и использование дорогостоящих структур для герметизации активной поверхности кристалла и электрических контактов между кристаллом и подложкой с целью их защиты от воздействия окружающей среды. Поэтому желательно иметь способ для герметизации полупроводникового изделия без необходимости в этих дополнительных процессах и материалах, а кроме того, желательно создать такую герметизацию одновременно с электрическим соединением кристалла и подложки.

Еще одним недостатком известного корпуса является широкое использование припоев, содержащих свинец, прежде всего вследствие относительно низкой температуры его плавления и относительно высокой прочности соединения после затвердевания. Однако свинец ядовит и способен оказывать значительное и длительное неблагоприятное воздействие на окружающую среду при отправлении в отходы электронных приборов с паяными соединениями, содержащими свинец, например, на мусорных свалках. Поэтому желательно иметь способ припаивания полупроводникового кристалла к подложке с использованием электропроводящих сплавов, которые имеют относительно низкую температуру плавления, относительно высокую прочность соединения после затвердевания, но которые не содержат ни свинца, ни какого-либо другого компонента, являющегося вредным для окружающей среды при отправлении в отходы.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Согласно одному из аспектов настоящего изобретения, предложен способ припаивания с формированием электрического соединения первой подложки, например полупроводникового кристалла, ко второй подложке, например подложке с межсоединениями в полупроводниковом изделии, с использованием низкотемпературных электропроводящих эвтектических сплавов, включая сплавы без применения свинца, без использования флюсов или восстановительной атмосферы. В соответствии с другим аспектом настоящего изобретения предложен способ герметизации с одновременным формированием электрического соединения кристалла и подложки без необходимости дополнительных процессов герметизации и привлечения дополнительных материалов.

Согласно настоящему изобретению способ заключается в формировании на первой поверхности первой подложки одного или большего количества первых контактных столбиков. Первые контактные столбики могут включать, например, контактные столбики для входа и выхода сигнала на активной поверхности полупроводникового кристалла. Каждый из первых контактных столбиков содержит по меньшей мере верхнюю часть, включающую по меньшей мере один компонент из электропроводящего эвтектического сплава. На первой поверхности второй подложки сформирован один или большее количество вторых электропроводящих контактных столбиков. Вторые контактные столбики могут включать, например, сигнальные контактные столбики на подложке с межсоединениями в полупроводниковом корпусе. Каждый из вторых контактных столбиков содержит по меньшей мере верхнюю часть, включающую по меньшей мере один другой компонент эвтектического сплава, и соответствует, по порядку и месту расположения, соответствующему контактному столбику из первых контактных столбиков на первой подложке, таким образом задавая одну или большее количество соответствующих пар контактных столбиков на этих двух подложках. В каждой из соответствующих пар на верхней поверхности по меньшей мере одного из первых и вторых контактных столбиков сформированы один или несколько острых вертикальных пиков.

Конкретный эвтектический сплав, выбранный для пайки, может включать, например, известный бинарный эвтектический сплав олова (Sn) и свинца (Pb) [63% Sn +37% Pb; температура пайки (ST)=188°С] или альтернативно, многокомпонентный эвтектический сплав без свинца, например, олово (Sn), цинк (Zn) и алюминий (Al) [88% Sn +10.4% Zn +1,5% Al; температура пайки (ST)=210°С].

Соответствующие первые поверхности первой и второй подложек обращены друг к другу так, что соответствующие верхние поверхности первого и второго контактных столбиков в каждый их паре могут быть приведены в принудительный контакт друг с другом. Затем противолежащие контактные столбики нагревают по меньшей мере до температуры пайки эвтектического сплава и до тех пор, пока один или большее количество острых пиков по меньшей мере на одном контактном столбике не пройдет сквозь все оксидные пленки на соответствующей верхней поверхности противолежащего контактного столбика пары и не войдет с ней в контакт. При этом начинается плавление и растворение соответствующих верхних частей противолежащих контактных столбиков друг в друге без необходимости присутствия флюса или восстановительной атмосферы. После соединения противолежащие контактные столбики охлаждают, давая затвердеть взаимно растворенным, расплавленным верхним частям столбиков, с формированием электропроводящего соединения между каждой соответствующей парой контактных столбиков.

Полупроводниковые изделия, собранные способом согласно настоящему изобретению, могут быть герметизированы известными способами, например герметизацией с использованием пластмассы или герметизирующей крышки. Но в одном, особенно предпочтительном варианте выполнения настоящего изобретения, первые и вторые контактные столбики могут дополнительно включать пару соответствующих рамок, сформированных по периферии соответствующих первых поверхностей кристалла и подложки с межсоединениями. Таким образом, эти две рамки имеют одинаковую конструкцию и совместимость по составу аналогично соответствующим первому и второму сигнальным контактным столбикам, поэтому их можно спаять друг с другом одновременно с пайкой соответствующих пар сигнальных контактных столбиков кристалла и подложки, таким образом закрывая и герметизируя узкий промежуток внутри соединенных рамок и между соответствующими первыми поверхностями кристалла и подложки, включая активную поверхность кристалла и электрические контакты между кристаллом и подложкой, что защищает их от воздействия окружающей среды.

Лучше понять вышеупомянутые и другие признаки и преимущества настоящего изобретения можно из последующего подробного описания вариантов его выполнения со ссылками на сопровождающие чертежи.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

На фиг.1 показан вид сверху полупроводникового изделия размера кристалла, собранного в соответствии с одним из способов согласно настоящему изобретению;

на фиг.2 в увеличенном масштабе показано сечение по линии II-II изделия, изображенного на фиг.1;

на фиг.3 показан вид снизу изделия, изображенного на фиг.1 и 2;

на фиг.4А в увеличенном масштабе показано сечение части изделия, окруженной линией IV-IV на фиг.2, и иллюстрируется один из вариантов выполнения настоящего изобретения;

на фиг.4В показано сечение, аналогичное изображенному на фиг.4А и иллюстрирующее другой вариант выполнения настоящего изобретения;

на фиг.4С показано сечение, аналогичное изображенному на фиг.4А и иллюстрирующее еще один вариант выполнения настоящего изобретения;

на фиг.4D показано сечение, аналогичное изображенному на фиг.4А и иллюстрирующее еще один вариант выполнения настоящего изобретения;

на фиг.5 показан вид сверху полупроводникового изделия размера кристалла с матрицей шариковых выводов, который собран согласно известному способу;

на фиг.6 в увеличенном масштабе показано сечение по линии VI-VI корпуса, изображенного на фиг.5; и

на фиг.7 показан вид снизу известного изделия, изображенного на фиг.5 и 6.

ВАРИАНТЫ ВЫПОЛНЕНИЯ НАСТОЯЩЕГО ИЗОБРЕТЕНИЯ

Полупроводниковое изделие 10 размера кристалла, собранное в соответствии со способом согласно настоящему изобретению, иллюстрируется на виде сверху, сечении и на виде снизу на фиг.1-3 соответственно. Новое изделие 10 содержит первую подложку 12, например полупроводниковый кристалл, включающую первую активную поверхность с одним или большим количеством сформированных на ней электропроводящих первых контактных столбиков 14, например контактных столбиков для ввода/вывода сигнала, которые припаяны с формированием электрического соединения способом согласно настоящему изобретению к одному или большему количеству соответствующих электропроводящих вторых контактных столбиков 16, например сигнальных контактных столбиков, сформированных на первой поверхности второй подложки 18, например подложки с межсоединенями, в изделии 10. Как вариант, соответствующие первые и вторые контактные столбики 14 и 16 кристалла 12 и подложки 18 с межсоединениями могут дополнительно включать пару, состоящую из первой и второй герметизирующих рамок 20 и 22, каждая из которых выступает по краю первых поверхностей кристалла и подложки используются для герметизации изделия 10 способом, описанным ниже.

Если не учитывать контактных столбиков 14 ввода/вывода сигнала и дополнительной герметизирующей рамки 20, и способа, которым эти элементы припаяны к соответствующим контактным столбикам 16 и рамке 22 на второй подложке 18, первая подложка 12 может помимо этого включать обычный полупроводниковый кристалл, вырезанный или выделенный из полупроводниковой пластины, например из кремния или германия, которая содержит интегральный массив одинаковых кристаллов 12, каждый из которых содержит интегральную схему, сформированную на первой, или активной, его поверхности обычными способами изготовления полупроводниковых приборов, включая стандартную фотолитографию, травление, легирование полупроводника, химическое осаждение из паровой фазы, металлизацию и процессы осаждения из паровой фазы. Действительно, как обсуждается ниже, некоторые из этих известных способов также могут использоваться для формирования соответствующих пар сигнальных контактных столбиков 14 и 16 и герметизирующих рамок 20 и 22 на соответствующих поверхностях первой и второй подложек 12 и 18.

Как показано на фиг.2, вторая подложка, или подложка 18 с межсоединениями, включает слоистую структуру из диэлектрического слоя 24, имеющего противоположные первую и вторую поверхности, на которых расположены первый и второй металлические слои 26 и 28 соответственно в виде некоторого рисунка. Металлический слой 26 на первой, или верхней, поверхности подложки 18 может иметь рисунок, включающий по меньшей мере нижнюю часть вторых, сигнальных контактных столбиков 16, описанных выше, а металлическая пленка 28 на второй, или нижней, поверхности подложки 18 может иметь рисунок, включающий массив контактных площадок 30.

Сквозные металлизированные отверстия 32 электрически соединяют первый металлический слой 26 со вторым металлическим слоем 28 через всю толщу диэлектрического слоя 24.

Сквозные отверстия в подложке 18, созданные металлизированными отверстиями 32, могут быть заполнены, например, «пробкой» 34 из припоя или электропроводящей эпоксидной смолы, обеспечивая отсутствие каких бы то ни было точек разрыва в подложке, сквозь которые влага могла бы проникнуть в узкий промежуток 36 между этими двумя подложками и загрязнить первую, или активную, поверхность кристалла или электрические соединения между кристаллом и второй подложкой 18. Рисунок на металлических слоях 26 и 28 может дополнительно включать схемные соединения 38, расположенные на одной или на обеих поверхностях диэлектрического слоя 24 и предназначенные для электрического соединения контактных столбиков 16 через металлизированные отверстия 32 с контактными площадками 30. На соответствующих контактных площадках 30 могут быть сформированы металлические столбики 40, например, из припоя для того, чтобы в случае изделия 10 с матрицей шариковых выводов служить, например, клеммами ввода/вывода для корпуса, а в случае корпуса с матрицей контактных площадок или корпуса с безвыводным кристаллодержателем контактные площадки 30 могут быть оставлены пустыми и самостоятельно выполнять роль клемм ввода/вывода для корпуса.

Согласно изобретению подложка 18 с межсоединениями может иметь различные варианты конфигурации. Диэлектрический слой 24 может включать керамику, например, диоксид кремния (SiO₂), арсенид галлия (GaAs), кварц, оксид алюминия, нитрид алюминия (AlM) или ламинат, содержащий один или большее количество слоев из вышеупомянутых материалов, а металлические слои 26 и 28 могут включать, например, вольфрамовую пасту, которую наносят на керамический слой с формированием желательного рисунка, а затем подвергают совместному с керамическим слоем обжигу с формированием твердой, жесткой структуры. Альтернативно, диэлектрический слой 24 может включать один или большее количество слоев из полимера, например, полиимида, на который ламинированием или металлизацией наносят металлические слои 26 и 28, например, из медной или алюминиевой фольги, а затем формируют рисунок с использованием стандартных способов фотолитографии и травления. В еще одном возможном варианте выполнения настоящего изобретения диэлектрический слой 24 может включать основу из стекловолокна или поликарбонатных волокон, пропитанную смолой, например эпоксидной смолой на основе эпихлоридгидрина бифенола-А, смолой на основе абисмалимидетриазина или политетрафторэтилена.

Кроме того, должно быть понятно, что, согласно настоящему изобретению, способ припаивания кристалла 12 к подложке 18 с формированием электрического соединения не ограничен вышеупомянутыми «ламинатными» типами подложек 18 с межсоединениями, но может быть также реализован в сочетании с обычными подложками с металлическими проводниковыми рамками (не показаны), предназначенными для сборки, так называемых, полупроводниковых изделий с проводниками на чипе.

Как видно из вышеизложенного, согласно настоящему изобретению, вторая подложка, т.е. подложка 18 с межсоединениями, за исключением контактных столбиков 16 и герметизирующей рамки 22, сформированных на ней, и способа, посредством которого они припаяны к соответствующим контактным столбикам 14 и рамке 20 на первой подложке или кристалле 12, в остальном сравнительно близка по конструкции к традиционной.

Согласно настоящему изобретению имеется несколько способов соединения кристалла 12 с формированием электрического соединения с подложкой 18 с межсоединениями, и, как вариант, для одновременной герметизации изделия 10 без использования флюса или восстановительной атмосферы. Эти варианты описаны ниже со ссылками на фиг.4А-4D, на которых в увеличенном масштабе показано сечение ограниченной по линии IV-IV части изделия 10, изображенного на фиг.2, причем каждый чертеж иллюстрирует свой вариант выполнения настоящего изобретения.

На фиг.4А иллюстрируется вариант способа, который отличается тем, что на первой поверхности первой подложки 12, то есть на активной поверхности полупроводникового кристалла, формируют один или большее количество первых контактных столбиков 14, что может включать и формирование герметизирующей рамки 20, а на первой поверхности второй подложки 18 с межсоединениями формируют один или большее количество соответствующих вторых контактных столбиков 16, что может включать формирование соответствующей герметизирующей рамки 22.

Первые или контактные столбики 14 для ввода/вывода сигнала сформированы с осуществлением перекрытия и, таким образом, связи с электрическими соединениями (не показаны), например выполненными металлизацией на кристалле 12 или внутри него, причем последние, в свою очередь, электрически связаны с интегральной схемой (не показана), расположенной на/или в кристалле; указанные контактные столбики включают по меньшей мере верхнюю часть, содержащую по меньшей мере один компонент из электропроводящего эвтектического сплава. Вторые контактные столбики 16 образованы с осуществлением перекрытия, и таким образом, электрического соединения со схемными соединениями 38, сформированными на второй подложке 18, причем указанные контактные столбики включают по меньшей мере верхнюю часть, содержащую по меньшей мере один или другой компонент из эвтектического сплава.

В варианте выполнения настоящего изобретения, показанном на фиг.4А, все соответствующие первые и вторые контактные столбики 14 и 16 и герметизирующие рамки 20 и 22 полностью состоят по меньшей мере из одного из компонентов эвтектического сплава, соответствующего данной подложке. Однако, как обсуждается ниже в связи с вариантами выполнения настоящего изобретения, показанными на фиг.4В-40, можно также реализовать изобретение с контактными столбиками 14 и 16 и рамками 20 и 22, в которых соответствующие нижние части 42, 44, 46 и 48 выполнены из электропроводящего материала, например металла или полупроводника, но который не обязательно включает какой-либо из компонентов эвтектического сплава.

Конкретный эвтектический сплав для использования при формировании соответствующих контактных столбиков 14 и 16 и рамок 20 и 22, может быть выбран с учетом некоторых особо желательных параметров, например температуры пайки. Однако должно быть понятно, что если в каком-либо контактном столбике или рамке из соответствующей пары присутствует более одного компонента, тогда та часть этого контактного столбика или рамки, которая содержит эвтектические компоненты, должна содержать всю совокупность компонентов сплава, а не только отдельный его компонент, и кроме того, компоненты сплава должны присутствовать в специфических весовых пропорциях, необходимых для образования данного эвтектического сплава.

Таким образом, в случае двухкомпонентного, или «бинарного» эвтектического сплава, например золота (Au) и кремния (Si) [94% Au + 6% Si; температура пайки (ST)=380°C], первые контактные столбики 14 и рамка 20 могут полностью состоять из кремния, а вторые контактные столбики 16 и рамка 22 могут полностью состоять из золота, причем количество этих двух компонентов сплава в соответствующих комплектах контактных столбиков и рамок не имеет большого значения. Альтернативно, по меньшей мере один комплект или все комплекты контактных столбиков и рамок в каждой из соответствующих пар, могут включать оба компонента эвтектического сплава, т.е. 94% Au +6% Si.

Кроме того, в случае эвтектических сплавов, состоящих из трех или более составляющих компонентов, например олова, цинка и алюминия [88% Sn +10,4% Zn +1,5% Al; температура пайки (ST)=210°С], по меньшей мере один из контактных столбиков и одна из рамок в каждой соответствующей паре должны включать все три компонента эвтектического сплава в вышеупомянутом весовом соотношении и, как вариант, все контактные столбики и рамки в каждой соответствующей паре, могут содержать весь сплав.

В следующей таблице перечислено несколько электропроводящих эвтектических сплавов - совместно с весовым соотношением составляющих компонентов и приблизительной температурой пайки (ST), - которые можно использовать в настоящем изобретении, причем «Cd» обозначает кадмий, «Cu» - медь, «Ag» -серебро, a «Bi» - висмут.

Таблица
Состав эвтектического сплава	Температура пайки, °С
63% Sn +37% Pb	188
94% Au +6% Si	380
99,5% Sn +0,5% Bi	232
97% Sn +3% Ag	225
67,8 Sn +32,2 Cd	187
17,4% Zn +82,6 Cd	275
43% Sn +57% Bi	150
46% Al +54% Ge	440
88,1% Sn +10,4% Zn +1,5% Al	210
70-80% Zn +18-28% Al +2% Si	380-420
93% Zn +5% Al +2% Ge	390
56% Zn +4% Al +40% Cd	340
57% Zn +39% Al +4% Cd	320
30% Zn +66% Cd +4% Sn	294
48-35% Zn +25-63% Sn +0,5-11% Cu +0,5-1,5% Al	250

В дополнение к формированию на подложках 12 и 18 соответствующих пар контактных столбиков 14 и 16 и герметизирующей рамки 20 и 22 способ, согласно настоящему изобретению, дополнительно включает формирование по меньшей мере одного острого вертикального пика 50 на верхней поверхности по меньшей мере одного из контактных столбиков и одной из рамок в каждой соответствующей паре. В конкретном варианте выполнения настоящего изобретения, изображенном на фиг.4А, показано, что острые пики 50 сформированы на вторых контактных столбиках 16 и рамке 22, то есть на второй подложке 18 с межсоединениями. Однако вместо этого пики 50 можно сформировать на других, первых контактных столбиках 14 и рамке 20 или, альтернативно, на обоих комплектах как первых, так и вторых контактных столбиков и на обеих рамках.

Главной задачей острых пиков 50 является проникновение сквозь любые оксидные пленки 52, изображенные на чертежах темными линиями и присутствующие на внешних поверхностях соответствующих контактных столбиков 14 и 16 и рамок 20 и 22. Эти оксидные пленки обычно покрывают соответствующие верхние, стыкующиеся, поверхности контактных столбиков и рамок перед пайкой. Если острые пики 50 формируют на поверхности ранее изготовленного контактного столбика 14 или 16 или рамки 20 или 22, то материал для изготовления пиков должен состоять из того же самого эвтектического сплава или его отдельного компонента, который составляет верхнюю часть контактного столбика или рамки, на которой эти пики сформированы. Однако в вариантах выполнения настоящего изобретения, показанных на фиг.4С и 4D и обсуждаемых ниже, в которых сначала формируют острые пики 50 на контактных столбиках и рамках, а затем наносят покрытие 56 или 62 из эвтектического сплава или его компонента, таким образом формируя соответствующие острые пики 58 на верхней поверхности вышележащего эвтектического покрытия, тогда материал первых сформированных пиков 50 может включать или такой же, или другой материал по сравнению с тем, который составляет верхнюю часть контактного столбика или рамки, на которых эти пики сформированы.

Соответствующие пары контактных столбиков 14 и 16 и рамок 20 и 22 могут быть сформированы обычным маскированием подложки и осаждением материала, включая технику нанесения гальванического покрытия и методы вакуумного осаждения, и могут иметь практически любую конфигурацию, площадь и желательную толщину в пределах разрешения, даваемого выбранными процессами маскирования и осаждения, с той лишь оговоркой, что минимальная толщина той части контактных столбиков и рамок, которые содержат эвтектический сплав или его компонент, не должна быть меньше 1 мкм, где 1 мкм =1×10^-6 м. Кроме того, контактные столбики 14 и 16 и рамки 20 и 22 могут быть сформированы «позитивным» способом, при котором материал осаждают на желаемые области, задаваемые отверстиями в соответствующей маске, или, альтернативно, «негативным» способом, при котором материал осаждают в виде единого слоя на всю подложку, а затем нежелательные части пленки удаляют, например, с использованием фотолитографии.

Острые вертикальные пики 50 могут быть сформированы на контактных столбиках 14 и 16 и рамках 20 и 22 аналогичными способами маскирования и вакуумного осаждения, но при дополнительном требовании, чтобы боковые стенки пиков сужались до относительно острой точки. В одном из нескольких возможных вариантов выполнения настоящего изобретения острые пики 50 осаждают на поверхность мишени в виде макроскопических конических или пирамидальных структур с использованием обычных способов вакуумного осаждения и двухслойной металлической маски (не показана). Верхний слой маски является очень тонким и включает сквозное круглое отверстие очень малого размера. Нижняя металлическая пленка имеет бóльшую толщину, а именно: немного больше, чем желательная высота формируемого пика 50, и имеет большее круглое сквозное отверстие, диаметр которого немного больше, чем основание желательного пика, причем это отверстие концентрично с меньшим отверстием. Когда маску располагают на подложке, малое отверстие направляет атомы осаждаемого материала на желаемую область, которая расположена под большим отверстием, в результате чего происходит рост структуры в виде усеченного конуса.

В одном из предпочтительных вариантов выполнения настоящего изобретения острые пики 50 имеют высоту около 6-7 мкм и диаметр у основания около 30 мкм. Кроме того, острые пики 50 должны быть распределены равномерно по поверхности соответствующих контактных столбиков 14 и 16 и рамок 20 и 22, а их количество должно быть таким, чтобы они занимали приблизительно от 1% до 10% от полной площади контактного столбика или рамки, на которых они сформированы.

Другой вариант выполнения настоящего изобретения показан в большем масштабе на сечении на фиг.4В. Конфигурация, изображенная на фиг.4В, аналогична изображенной на фиг.4А за исключением того, что контактные столбики 14 и 16 и рамки 20 и 22 включают соответствующие нижние части 42, 44, 46 и 48, которые хотя и выполнены из электропроводящего материала, например металла или полупроводника, не обязательно включают какой-либо компонент эвтектического сплава, входящего в состав верхней части контактного столбика или рамки. Например, нижние части 42, 44, 46 и 48 первых и вторых контактных столбиков 14 и 16 и рамок 20 и 22 могут включать те же самые материалы, которые использованы при металлизации кристалла 12, обычно алюминий, а металлические слои 26 и 28 с рисунком, принадлежащие подложке 18 с межсоединениями, могут содержать медь, алюминий, вольфрам, золото, никель, серебро или слои из этих материалов.

В варианте выполнения, показанном на фиг.4В, верхние части контактных столбиков 14 и 16 и рамок 20 и 22, которые включают компонент (компоненты) эвтектического сплава, изготовлены следующим образом: сначала на верхних поверхностях соответствующих нижних частей 42, 44, 46 или 48 контактных столбиков и рамок формируют покрытия 54 и 56 из соответствующих компонентов сплава, а затем на верхних поверхностях соответствующего покрытия формируют острые пики 50. Поскольку острые пики 50 сформированы на верхних поверхностях по меньшей мере одного из соответствующих эвтектических покрытий 54 или 56, эти пики по составу выполнены из того же самого компонента (компонентов) эвтектического сплава, которые входят в состав верхней части соответствующего контактного столбика или рамки.

Другой вариант выполнения настоящего изобретения иллюстрируется в большем масштабе на сечении, показанном на фиг.4С. Конфигурация, изображенная на фиг.4С, аналогична показанной на фиг.4В за исключением того, что вначале формируют острые пики 50 на верхних поверхностях нижних частей 42 или 44 и 46 или 48 контактных столбиков и рамок, затем из компонентов эвтектического сплава формируют покрытия 54 и 56 на верхние части соответствующих контактных столбиков и рамок, включая и острые пики 50, которые на них сформированы ранее. Поэтому первые сформированные острые пики 50 формируют соответствующие острые пики 58 на верхней поверхности эвтектического покрытия 54 и/или 56, их покрывающего, и, как необязательный вариант, могут состоять из того же самого компонента (компонентов) эвтектического сплава, который входит в состав лежащего на них покрытия. Таким образом, в одном из возможных вариантов выполнения настоящего изобретения острые пики 50 могут включать материал, который нерастворим в эвтектическом сплаве при температуре пайки последнего, в результате чего острые пики 50 могут действовать как разделители, предназначенные для управления расстоянием между соответствующими парами контактных столбиков 14 и 16 и рамок 20 и 22.

Еще один возможный вариант выполнения настоящего изобретения иллюстрируется в большем масштабе на сечении, изображенном на фиг.4D; его конфигурация аналогична конфигурации, изображенной на фиг.4С, за исключением того, что острые пики 50 расположены между первым покрытием 60 из компонента (компонентов) эвтектического сплава, составляющего верхнюю часть соответствующего контактного столбика или рамки, и вторым покрытием 62 из того же эвтектического материала, которое сформировано на верхней поверхности первого покрытия 60 и на острых пиках 50. Как и в варианте выполнения, иллюстрированном на фиг.4С, острые пики 50 могут быть, но не обязательно, выполнены из того же компонента (компонентов) эвтектического сплава, который входит в состав первого и второго покрытий 60 и 62 из эвтектических сплавов.

Ниже со ссылкой на фиг.4А-4D описан способ, позволяющий первую подложку или кристалл 12 в изделии 10 припаять с формированием электрического соединения ко второй подложке 18 с межсоединениями и, как вариант, позволяющий одновременно герметизировать корпус.

Сначала первые поверхности первой и второй подложек 12 и 18 перемещают друг к другу, то есть в направлениях соответствующих стрелок на фиг.4А-4D, в результате чего верхние поверхности соответствующих контактных столбиков 14 и 16 и рамок 20 и 22 оказываются с силой прижатыми друг к другу. Величина силы, необходимой для прижима контактных столбиков и рамок, меняется в зависимости от используемых материалов и площадей соприкасающихся топологических элементов. Однако в одном возможном варианте выполнения настоящего изобретения, если площадь соответствующих контактных столбиков и рамок, занятых острыми пиками 50, составляет приблизительно от 1% до 10% от их полной площади, то приемлемое давление, создаваемое между этими двумя подложками, составляет приблизительно от 0,03 до 0,05 Ньютона на квадратный миллиметр (Н/мм²) или 4-7 фунтов/кв.дюйм (psi).

После того как они оказываются сильно сжатыми посредством вышеописанного способа, противолежащие пары контактных столбиков и рамок, включая их верхние части, нагревают по меньшей мере до температуры пайки конкретного эвтектического сплава, которая предпочтительно на 5-10°С выше температуры плавления сплава. Кроме того, в тех вариантах выполнения настоящего изобретения, в которых верхняя часть одного комплекта контактных столбиков и рамок состоит только из одного компонента эвтектического сплава, а контактные столбики и рамки в другом комплекте содержат все эвтектические компоненты, стыкуемые контактные столбики и рамки должны быть нагреты приблизительно на 5-10°С выше температуры пайки эвтектического сплава.

В еще одном предпочтительном варианте выполнения настоящего изобретения нагревание производят лазером (не показан), работающим в микроволновом диапазоне длин волн и облучающим вторую, или нижнюю, поверхность второй подложки 18, которая относительно прозрачна для такого излучения, что позволяет достичь очень высокой скорости нагревания контактных столбиков и рамок. При таком способе нагрева площадки 30 и сквозные отверстия 32 можно располагать сбоку от вторых контактных столбиков 16 на первой поверхности подложки 18 с межсоединениями так, чтобы они не заслоняли контактные столбики от лазера и, таким образом, нагревались более эффективно.

Когда соответствующие сильно прижатые контактные столбики 14 и 16 и рамки 20 и 22 нагреваются, они начинают размягчаться по сравнению с любыми ранее образованными твердыми, тонкими и тугоплавкими оксидными пленками 52, и это размягчение позволяет по меньшей мере одному из острых пиков 50 или 58 по меньшей мере на одном контактном столбике из каждой пары и на рамке прорвать оксидную пленку на соответствующих контактных столбиках и рамках и проникнуть сквозь нее, тем самым формируя непосредственный контакт с верхней поверхностью другого, противолежащего, контактного столбика или рамки из соответствующей пары без использования флюса. Этот принудительный непосредственный контакт эвтектических компонентов при температуре, немного большей, чем температура пайки эвтектического сплава, приводит к быстрому плавлению и растворению верхних частей противолежащих пар соответствующих первых и вторых контактных столбиков 14 и 16 и рамок 20 и 22 друг в друге, начиная от соответствующих кончиков острых пиков 50 или 58.

После образования соединения контактные столбики 14 и 16 и рамки 20 и 22 охлаждают, обеспечивая застывание их взаимно растворенных расплавленных верхних частей из эвтектического сплава с формированием электропроводящего соединения каждой соответствующей пары из первых и вторых контактных столбиков 14 и 16 и, одновременно, непрерывного герметичного соединения между рамками 20 и 22, которое закрывает и герметизирует узкий промежуток 36 внутри рамок и между соответствующими первыми поверхностями кристалла 14 и подложки 18 с межсоединениями, включая активную поверхность кристалла и электрические соединения между кристаллом и подложкой.

Как понятно из предыдущего описания, возможно много изменений в отношении материалов и процессов, используемых в настоящем изобретении, но не затрагивающих его объем. Например, можно заметить, что герметизирующие рамки 20 и 22 можно исключить, а герметизацию кристалла 12 в изделии 10 обеспечить с использованием обычной крышки или пластического герметика, как описано выше в связи с обсуждением известного изделия 100, изображенного на фиг.5-7.

Кроме того, хотя было иллюстрировано и описано крепление одного кристалла 12 к подложке 18 с межсоединениями, понятно, что способ легко расширить на крепление и герметизацию нескольких кристаллов, каждого независимо от других, к одной подложке с межсоединениями, формируя, таким образом, так называемый многокристальный модуль.

Кроме того, специалистам в данной области техники понятно, что способ крепления с формированием электрического соединения кристалла 12 к подложке 18 с межсоединениями можно легко расширить на крепление с формированием электрического соединения полупроводникового изделия 10, изготовленного этим способом, к основной, или материнской плате с помощью припоев, не содержащих свинца, а кроме того, вновь без использования флюсов или восстановительной атмосферы. В свете вышеописанного, можно утверждать, что объем настоящего изобретения не ограничен конкретными процедурами и описанными вариантами выполнения, проиллюстрированными в настоящем описании, но определяется формулой изобретения и ее эквивалентами.

1. Способ припаивания с формированием электрического соединения первой подложки (12) ко второй подложке (18) без использования флюса или восстановительной атмосферы, включающий формирование на первой поверхности первой подложки (12) первого контактного столбика (14), содержащего верхнюю часть, которая включает по меньшей мере один компонент электропроводящего эвтектического сплава; формирование на первой поверхности второй подложки (18) второго контактного столбика (16), содержащего верхнюю часть, которая включает по меньшей мере один другой компонент эвтектического сплава; формирование на верхней поверхности по меньшей мере одного из первого или второго контактных столбиков (14, 16) по меньшей мере одного острого вертикального пика (50, 58); прижатие соответствующих первых поверхностей первой и второй подложек (12, 18) друг к другу таким образом, что соответствующие верхние поверхности первого и второго контактных столбиков (14, 16) оказываются противолежащими и с силой прижатыми друг к другу; нагревание противолежащих контактных столбиков (14, 16) по меньшей мере до температуры пайки эвтектического сплава и до тех пор, пока по меньшей мере один острый вертикальный пик (50, 58) по меньшей мере на одном контактном столбике не проникнет сквозь все оксидные пленки (52), расположенные на соответствующих верхних поверхностях контактных столбиков, и не войдет в контакт с верхней поверхностью другого противолежащего контактного столбика, что инициирует плавление и растворение соответствующих верхних частей противолежащих контактных столбиков друг в друге, и охлаждение противолежащих контактных столбиков, обеспечивающее затвердевание растворенных и расплавленных верхних частей контактных столбиков с формированием электропроводящего соединения между ними.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что первая подложка (12) содержит полупроводниковый кристалл; первый контактный столбик (14) включает один или большее количество контактных столбиков для ввода/вывода сигнала в кристалле; вторая подложка (18) содержит подложку с межсоединениями для полупроводникового изделия (10), а второй контактный столбик (16) включает один или большее количество сигнальных столбиков в подложке (18) с межсоединениями, в результате чего кристалл (12) оказывается электрически связан с подложкой (18).

3. Способ по п.2, отличающийся тем, что первый контактный столбик (14) дополнительно содержит рамку (20), расположенную по периферии первой поверхности кристалла (12), а второй контактный столбик (16) дополнительно содержит соответствующую рамку (22) по периферии первой поверхности подложки (18) с межсоединениями, в результате чего промежуток (36), расположенный внутри рамок (20, 22) и между первыми поверхностями кристалла (12) и подложки (18), оказывается закрытым и герметизированным для защиты от воздействия окружающей среды с одновременным осуществлением электрического соединения кристалла с подложкой.

4. Способ по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что по меньшей мере один из компонентов эвтектического сплава выбран из следующей группы: золото (Au), алюминий (Al), германий (Ge), цинк (Zn), кремний (Si), кадмий (Cd), олово (Sn), медь (Cu), висмут (Bi), серебро (Ag) и свинец (Pb).

5. Способ по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что по меньшей мере одна из соответствующих верхних частей первого и второго контактных столбиков (14, 16, 20, 22) изготовлена с использованием способов вакуумного осаждения или гальванического покрытия.

6. Способ по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что по меньшей мере один острый вертикальный пик (50, 58) изготовлен способом вакуумного осаждения.

7. Способ по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что нагревание производят лазером.

8. Способ по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что по меньшей мере один острый пик (50, 58) изготавливают следующим образом: формируют нижнюю часть (42, 44, 46, 48) по меньшей мере одного контактного столбика (14, 16, 20, 22), причем эта нижняя часть содержит металл или полупроводник; на верхней поверхности нижней части по меньшей мере одного контактного столбика формируют покрытие (56), состоящее из того же самого по меньшей мере одного компонента эвтектического сплава, из которого состоит верхняя часть по меньшей мере одного контактного столбика, и на верхней поверхности покрытия (56) формируют по меньшей мере один пик (50, 58), состоящий из того же самого по меньшей мере одного компонента эвтектического сплава, из которого изготовлена верхняя часть по меньшей мере одного контактного столбика.

9. Способ по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что по меньшей мере один острый пик (50, 58) изготавливают следующим образом: формируют нижнюю часть (42, 44, 46, 48) по меньшей мере одного контактного столбика (14, 16, 20, 22), причем эта нижняя часть содержит металл или полупроводник; на верхней поверхности нижней части по меньшей мере одного контактного столбика формируют по меньшей мере один острый пик (50, 58), и по меньшей мере на один пик и на верхнюю поверхность нижней части по меньшей мере одного контактного столбика наносят покрытие (56), состоящее из того же самого по меньшей мере одного компонента эвтектического сплава, из которого состоит верхняя часть по меньшей мере одного контактного столбика.

10. Способ по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что по меньшей мере один острый пик (50, 58) изготавливают следующим образом: формируют нижнюю часть (42, 44, 46, 48) по меньшей мере одного контактного столбика (12, 14, 20, 22), причем эта нижняя часть содержит металл или полупроводник; на верхней поверхности нижней части по меньшей мере одного контактного столбика формируют покрытие (60), состоящее из того же самого по меньшей мере одного компонента эвтектического сплава, из которого состоит верхняя часть по меньшей мере одного контактного столбика; на верхней поверхности первого покрытия (60) формируют по меньшей мере один пик (50, 58), и по меньшей мере на одном пике (50, 58) и на верхней поверхности первого покрытия формируют второе покрытие (60), состоящее из того же самого по меньшей мере одного компонента эвтектического сплава, из которого изготовлена верхняя часть по меньшей мере одного контактного столбика.

11. Способ по п.2, дополнительно включающий формирование монолитного тела (122) из диэлектрической пластмассы поверх кристалла (12) и поверх по меньшей мере части подложки (18) с межсоединениями, в результате чего происходит герметизация кристалла.

12. Способ по п.2, дополнительно включающий установку над кристаллом (12) крышки (124) и формирование непрерывного уплотнения по периферии кристалла и между периферийной частью крышки и подложкой (18) с межсоединениями, в результате чего происходит герметизация кристалла.

13. Способ по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что вторая подложка (18) имеет вторую поверхность, лежащую напротив ее первой поверхности, причем на этой второй поверхности имеется контактная площадка (30), и тем, что сквозь вторую подложку формируют электропроводящее металлизированное отверстие (32), соединяющее второй контактный столбик (16) и контактную площадку (30).

14. Способ по п.13, отличающийся тем, что контактная площадка (30) и металлизированное отверстие (32) смещены от второго контактного столбика (16) в боковом направлении.

15. Полупроводниковое изделие (10), выполненное способом по любому из пп.2, 3, 11 или 12.

16. Полупроводниковое изделие (10), выполненное способом по п.14.