[发明专利]用于接合基板的方法和设备

说明书

技术领域

本公开涉及用于接合基板的方法，特别地，涉及接合基板而最小化在冷却步骤期间由基板间的热膨胀系数（CTE）不匹配引起的应力的方法，以及实现该方法的设备。

背景技术

基板弯曲给使用倒装芯片技术的半导体芯片到封装基板的附着带来挑战。回流时大幅度的弯曲是不可靠C4接合的原因，导致潜在非润湿（non-wet）或不均衡的C4焊接高度。此外，在接合和组装中，较大弯曲的样本之间的变化（西格玛）是一个问题，甚至对于具有名义平均弯曲的基板。热弯曲，即弯曲随温度的变化，对于接合和组装而言是另一个不希望的问题。大的热弯曲指封装基板在焊料球回流后在临界冷却期间改变形状。基板形状的这种变化可导致焊料球接头的缺陷，诸如热撕裂。

弯曲问题的一种解决方案是在接合处理中包括在冷却周期的整个持续时间使用临时玻璃载体（TGC）的形式的机械约束。在该例子中，利用粘合剂在压力下使封装基板附着到厚平面玻璃板，以便基板的固有绝对弯曲被拉平。由于玻璃载体的机械约束，绝对和热弯曲以及该弯曲的样本和样本之间的变化（西格玛）被降低到接近零。但是，建模研究表明，通过在冷却处理期间约束封装基板在Z方向中的自由移动，C4球以及后端制程（BEOL）冶金中的应力和剪应变被增加。封装基板和半导体芯片之间的热膨胀系数的差异导致冷却时两者之间的差异收缩。这导致了C4球和半导体芯片的剪应力的建立。

如果接合的组件自由弯曲，通过包含半导体芯片和封装基板的接合组件的弯曲，C4球中的剪应力可被自然地最小化。如果使用TGC来限制包含半导体芯片和封装基板的接合组件的自由弯曲，不能实现应力和应变的降低。限制接合的组件的自由弯曲由此将导致C4球和BEOL冶金中故障的显著增加。

在使用TGC时，能够缓解应力和应变增加的一个因素是约束基板的X-Y扩展并由此降低管芯和基板之间的有效CTE差异的潜力。建模研究表明，要将应力降低到封装基板自由弯曲的应力，受约束的封装基板的CTE必须被降低接近40%。对实际的安装TGC的基板的测量表明，这么大的CTE降低很难实现，并且高度依赖于使用的粘合剂。软粘合剂允许在基板和玻璃之间滑动，并且不能实现足够的CTE降低。较硬的粘合剂可以降低CTE更多，但会导致基板永久变形或破坏玻璃。

TGC还具有需要粘合剂将封装基板附着到玻璃的不足。粘合剂导致基板的球栅阵列（GBA）或焊盘栅阵列（LGA）一侧的污染。由于该现象，TGC技术不能用于无法忍受污染的LGA基板。从TGC移除封装基板也是问题。从TGC剥离接合的封装的技术对于封装基板来说是应力性的。在该过程中，封装基板中经过基板的过孔特别容易被损坏。

发明内容

提供了一种方法，用于将半导体芯片接合到封装基板，同时最小化焊料球高度的变化并控制焊料球中的应力和封装基板中的应力。在焊料球回流期间，通过向封装基板提供夹钳约束，将包括绝对弯曲、热弯曲以及基板间弯曲变化的封装基板的弯曲限制在最小水平。在焊料球的冷却期间，通过移除夹钳约束，焊料球的应力和应变被维持在不会引起焊料接点破裂或封装基板破碎的程度。因此，接合处理提供了在最小化的焊料非润湿（non-wet）情况下的均匀的焊料高度以及焊料球和封装基板的应力最小化。

根据本发明的方面，提供了一种接合基板的方法，该方法包括：将第一基板的背侧表面夹钳到平面表面，其中当第一基板被夹钳时该背侧表面保持与所述平面表面共平面；通过在回流温度下回流所接触的焊料球阵列而经由所述焊料球阵列将所述第一基板接合到第二基板，其中所述第一基板、所述第二基板和所述焊料球阵列形成接合组件；在回流温度以下将接合组件冷却到高于室温的释放温度，同时第一基板的背侧表面保持被夹钳；以及在释放温度下释放第一基板的背侧表面的所述夹钳。

根据本公开的另一方面，提供了一种用于接合基板的设备。该设备包括：加热装置，用于加热第一基板、焊料球阵列和第二基板的组件；支撑装置，用于支撑第一基板，该支撑装置包括平面表面；夹钳装置，用于将第一基板的背侧表面夹钳到所述平面表面，且被配置为在夹钳第一基板时保持所述背侧表面与所述平面表面共平面；以及控制装置，用于在高于室温的释放温度下释放所述第一基板的背侧的所述夹钳。