CN101197296B - 无助焊剂的凸点回流工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种无助焊剂的凸点回流工艺，包括如下步骤：纯化过程：使焊料在熔融或者半熔融状态下保持40秒至540秒；成球过程：使焊料完全熔融，形成球状凸点；冷却。采用上述回流工艺可避免在成球的过程中发生焊料飞溅的现象，避免在凸点附近产生焊料球的缺陷。

Description

无助焊剂的凸点回流工艺
技术领域
本发明涉及半导体封装制程，具体的说，涉及凸点制作过程中无助焊剂的凸点回流工艺。
背景技术
随着集成电路技术的不断发展，电子产品越来越向小型化、智能化、高性能、高可靠性方向发展。在集成电路芯片尺寸逐步缩小，集成度不断提高的情况下，电子工业对集成电路封装技术提出了越来越高的要求。
倒装芯片(flip chip)技术是通过在芯片表面形成的焊球，使芯片翻转与底板形成连接，从而减小封装尺寸，满足电子产品的高性能(如高速、高频、更小的引脚)、小外形的要求，使产品具有很好的电学性能和传热性能。
凸点制作技术(bump)是倒装芯片中的一个关键技术。凸点是焊料通过一定工艺沉积在芯片互连金属层上，经过一定温度回流形成的金属焊球。制作凸点的传统工艺参考附图1A至1B所示，如图1A所示，提供一表面已经形成钝化层11和互连金属层12的芯片10，在芯片10表面形成一凸点下金属层13(Under-Bump Metallurgy，UBM)；然后在UBM层上喷涂光刻胶，并曝光、显影以形成光刻胶开口；然后在光刻胶开口处沉积凸点焊料16；之后，去除光刻胶层和部分凸点下金属层13。参考图1B，在芯片表面喷涂助焊剂(图中未示出)，接着在一定温度下回流形成凸点17，随后，清除芯片10表面以及凸点17上的助焊剂。
典型的助焊剂由树脂松香、活性剂、溶剂，触变剂，其他添加剂等组成。在传统的回流工艺中，助焊剂主要起到去除焊料表面的杂质，还原金属氧化物，以及辅助焊料回流的作用。传统的回流制程中，通过使用助焊剂以及控制回流的温度来形成所需形状的凸点，其工艺过程主要分为如下几个阶段：a)预热阶段：使助焊剂活化；b)挥发阶段：蒸发掉助焊剂中的部分溶剂，并使焊料中产生的气泡逸出；c)初熔阶段：继续蒸发掉助焊剂中的溶剂，助焊剂与焊料表面的氧化物以及金属盐等杂质互相作用，去除焊料表面的杂质；d)回流阶段：在设定的温度下使焊料溶化；e)冷却：使溶化的焊料在自身表面张力作用下形成球状。
由于助焊剂价格较贵，而且形成凸点之后还需要使用去焊剂进行清洗，不仅浪费了资源、提高了凸点制程的成本，而且在清洗助焊剂的过程中助焊剂还可能与去焊剂相互作用，引入新的缺陷。
因此，不使用助焊剂的焊料回流制程就成为一种极具挑战性和竞争力的新工艺，申请号为02810933的中国专利申请文件描述了不使用助焊剂而把芯片互连到基片的倒装方法，通过使用热压缩接合器，使凸点在回流之前通过接触压力保持芯片和相关基片大致对准，因而在凸点回流之前不必使用助焊剂来把芯片与基片接合在一起。但是这种方法仅适用于芯片互连时的回流工艺，目前尚未见到形成凸点过程中不使用助焊剂的回流工艺的专利申请。
由于助焊剂在现有的凸点回流工艺中起到还原金属氧化物、包覆熔融焊料的作用，缺少助焊剂的凸点回流制程，在回流过程中，焊料中的有机物挥发，产生气泡，容易使焊料飞溅，在凸点附近形成焊料球。
发明内容
本发明解决的问题是现有技术中采用不含助焊剂的回流制程时产生焊料飞溅、从而在凸点附近产生焊料球的缺陷。
为解决上述问题，本发明提供了一种无助焊剂的凸点回流工艺，包括如下步骤：纯化过程：使焊料在熔融或者半熔融状态下保持40秒至540秒；成球过程：使焊料完全熔融，形成球状凸点；冷却。
其中，纯化过程中使焊料保持熔融或者半熔融的温度大于等于Tc-4℃并且小于等于Tc+4℃，其中Tc为焊料的熔点。
进一步，纯化过程为一个温度在Tc-4℃至Tc+4℃之间的升温过程，更进一步，所述纯化过程包括一个或者一个以上的恒温阶段，每个阶段的时间为40秒至180秒，更进一步，一个以上的恒温阶段的温度值成线性关系。
本发明优选三个恒温阶段，且三个恒温阶段中每一阶段的时间都为40秒至180秒，再进一步，所述纯化过程的三个恒温阶段的温度呈线性关系。
最优选的，所述的纯化过程的三个恒温阶段中，第一恒温阶段的温度为Tc-2℃，第二恒温阶段的温度为Tc，第三阶段的温度为Tc+2℃。
其中，成球过程中使焊料完全熔融形成球状凸点的温度大于等于Tc+15℃并且小于等于Tc+65℃，成球过程所需时间为40秒至180秒。
其中，所述纯化过程以及成球过程在还原性气体氛围中进行，较好的，所述还原性气体为氢气氛围或者甲酸气体氛围。
其中，所述冷却工艺在还原性气体或者惰性气体或者氮气中进行。
本发明还提供了一种无助焊剂的凸点回流工艺，包括：
1、第一次回流，包括如下步骤：纯化过程：使焊料在熔融或者半熔融状态下保持40秒至540秒；成球过程：使焊料完全熔融，形成球状凸点；冷却。
2、第一次清洗凸点；
3、第二次回流，包括如下步骤：纯化过程：使焊料在熔融或者半熔融状态下保持40秒至540秒；成球过程：使焊料完全熔融，形成球状凸点；冷却。
其中，第一次清洗凸点的工艺为：采用酸性试剂去除凸点上残留的杂质；去离子水冲洗。
其中，所述酸性试剂为甲基磺酸或者醋酸或者甲酸。
更进一步，所述无助焊剂的凸点回流工艺，第二次回流之后还包括第二次清洗凸点的步骤。所述第二次清洗凸点的工艺为去离子水淋洗、甩干。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
1、本发明将单次回流的工艺分为三个步骤，并且将第一步纯化阶段使焊料在保持熔融或者半熔融的状态下保持120秒至540秒，可以使焊料中可逸出的有机物质以及其中含有的气体分子从焊料中缓慢的逸出，避免在随后成球凸点的过程中发生焊料飞溅的现象，避免在凸点附近产生焊料球的缺陷。
2、本发明所述的纯化过程为一个温度保持在Tc-4℃至Tc+4℃之间的升温过程，能够更好的使焊料中的杂质和挥发性物质从熔融的焊料中逸出，而不产生崩溅的现象。
3、本发明将纯化过程分为三个恒温阶段，并且三个恒温阶段的时间都为40秒至180秒，便于设定机台工作参数，简化操作工艺。
4、本发明提供的另一种无助焊剂的凸点回流工艺，包括：第一次回流；回流之后进行第一次清洗凸点，可将第一次回流之后凸点表面残留的有机金属盐以及氧化物等没有在第一次回流制程中去除的杂质清除掉；由于第一次清洗会使凸块的表面形成许多小孔，变得粗糙不光亮，不符合质量要求，因此，进行第二次回流，形成表面光滑，形状良好的凸点。
附图说明
图1A至图1B为现有技术形成凸点工艺流程的截面结构示意图；
图2是现有技术表面形成焊料球的芯片的表面形貌图；
图3是铅锡合金的相图；
图4是银锡合金的相图；
图5是本发明实施例1的回流温度曲线图；
图6本发明多次回流的一个技术方案的工艺流程图；
图7本发明多次回流的一个优选的技术方案的工艺流程图；
图8本发明的回流工艺形成凸点的表面形貌图。
具体实施方式
针对本发明所采用的技术和方法，下面结合具体实施例对本发明的具体实施方式做一详细的说明。
由于助焊剂的价格较高，而且使用后必须进行清洗，而且在清洗过程中会引入新的缺陷，因此，探索不使用助焊剂的回流工艺已经成为一项具有价值的工作，但是，由于助焊剂在现有的凸点回流工艺中起到还原金属氧化物、包覆熔融焊料的作用，缺少助焊剂的凸点回流制程，在回流过程中，焊料中的有机物挥发，在焊料中产生气泡，容易使焊料飞溅，在凸点附近形成焊料球，如附图2所示，1为正常凸点，2为焊料飞溅形成的焊料球，这种焊料球会在芯片或者电路板的两个相邻部件(例如导线，焊盘，引脚，凸块等)之间产生电流泄漏，电气噪声，甚至短路，带来长期的可靠性隐患。另外，在对它们进行处理过程中，也可能会影响相邻的部件的性能。
本实施例提供了一种无助焊剂的凸点回流工艺，包括如下步骤：纯化过程：使焊料在熔融或者半熔融状态下保持40秒至540秒；成球过程：使焊料完全熔融，形成球状凸点；冷却。
上述的凸点回流过程应该在还原性气体氛围中进行，以保证回流过程中合金焊料不会被氧化，同时，还能够去除合金焊料中部分氧化物杂质。本发明优选的还原性气体氛围例如氢气氛围、甲酸气体氛围等。
本发明中所述的焊料可以是任何能够用来形成凸点的合金材料，比较常见的例如共晶铅锡合金(37wt％Pb、63wt％Sn)、高铅铅锡合金(95wt％Pb、5wt％Sn或者97wt％Pb、3wt％Sn)等含铅焊料，还可以是银锡合金、锡铜合金、锡金合金以及银锡铜合金等不含铅焊料。
为使焊料保持在熔融或者半熔融阶段，焊料的温度必须在合金的共晶点附近，本发明通过多次试验发现，设定焊料的熔点为Tc(℃)，焊料的温度范围为T1，则使Tc-4℃≤T1≤Tc+4℃即可保证焊料一直处于熔融或者半熔融状态。本发明中，为使各种可挥发的杂质以及气泡能够完全从熔融或者半熔融的焊料中挥发出去，本发明要求焊料在熔融或者半熔融状态保持40秒至540秒，经过上述过程，焊料中的杂质焊料降低，因此，上述过程为焊料的纯化过程。纯化过程时间的长短取决于有机杂质含量高低以及金属相均匀程度：杂质含量越高，金属相均匀程度越差，所需时间就越长，有利于焊料中的有机杂质上浮在熔融的焊料表面，形成均匀金属相，最终形成完美的凸块。但是，纯化的时间也不能太长，否则锡晶须会长出来。因此，本发明最终选定的纯化时间在40秒至540秒，较好的是120秒至450秒，更好的是180秒至360秒，本发明曾经尝试设定纯化的时间在80秒，150秒，200秒，270秒，300秒，420秒，480秒，都能够保证在纯化阶段保证焊料中的杂质以及气泡完全蒸发。
以共晶铅锡合金(37wt％Pb、63wt％Sn)为例，参考附图3所示共晶铅锡合金的相图，从附图3中可以看出，共晶铅锡合金的共晶点在183℃，因此本发明设定在纯化过程中使环境温度保持在179℃至187℃之间，都能使铅锡合金处于半熔融或者熔融状态，并且在40至540秒的过程内，半熔融或者熔融的铅锡合金焊料内不会产生焊料溅出的现象，在这个过程中，铅锡合金焊料中含有的各种可挥发的有机盐如金属锡铅与各种有机分子结合生成的有机锡和有机铅、其它可挥发的有机溶剂以及铅锡合金焊料中可能含有的气体分子都在熔融的铅锡合金中缓慢的挥发，由于合金出于熔融或者半熔融状态，而且挥发的过程比较缓慢，因此不会产生焊料崩溅的现象。焊料表面含有的氧化性物质如铅的氧化物、锡的氧化物在这个过程中会被环境中的弱酸性气体例如甲酸等气体还原。
做为一种比较优化的技术方案，本发明所述的纯化过程为一个温度保持在Tc-4℃至Tc+4℃之间的升温过程，使纯化过程中的温度在Tc-4℃至Tc+4℃之间逐渐上升，能够更好的使焊料中的杂质和挥发性物质从熔融的焊料中逸出，而不产生崩溅的现象。
为了更好的将本发明的焊料回流工艺与在商业上应用的焊料回流设备结合起来，可根据不同的回流设备的特点，将上述的纯化过程分为至少一个恒温阶段，各个恒温阶段的时间之和为40秒至540秒，较好的是纯化过程中不同恒温阶段的温度也呈上升的趋势。更好的是，每个恒温阶段的时间为40秒至180秒，更进一步，恒温阶段为两个或者两个以上时，各个阶段的温度值成线性关系，即不同恒温阶段的温度值均匀上升。
本发明更加优选的是将上述的纯化过程分为三个恒温阶段，且三个恒温阶段中每一恒温阶段的时间都为40秒至180秒，更好的是所述的三个恒温阶段的温度呈线性上升状态，最好的是三个恒温阶段的时间相同，例如第一恒温阶段的温度为Tc-2℃，第二恒温阶段的温度为Tc，第三恒温阶段的温度为Tc+2℃，三个恒温阶段的时间都为t，且t大于等于40秒小于等于180秒。选定在同一阶段的时间和温度都相同，便于设定机台工作参数。
参考附图4所示，为银锡合金的相图，以银锡合金中银的质量百分比含量为2.5±0.5％，锡的质量百分比含量为97.5±0.5％为例，从附图4中可以看出，其共晶点在217℃，因此，本发明设定在纯化过程中使环境温度保持在213℃至221℃之间。较好的工艺参数例如将纯化过程分为三个恒温阶段：第一恒温阶段：在215℃的条件下恒温120秒；第二恒温阶段：在217℃的条件下恒温120秒，第三恒温阶段：在219℃的条件下恒温120秒。
经过纯化过程，本发明进入成球过程：使焊料在完全熔融并形成球状凸点。其中，纯化过程至形成凸点的过程的升温速率应尽可能的快，整个升温时间不超过60秒。在本阶段，针对不同的合金，形成凸点的温度是由合金自身的物理特性以及合金的成分决定的，对于常规的合金，使焊料完全熔融并形成球状凸点所需的温度属于现有技术，即使是用作凸点焊料的新合金或者材料，本领域的技术人员也可以通过非创造性的劳动得到焊料形成凸点所需的温度范围，本发明不希望对此做过多的限制。但是，作为本发明比较优选的实施方案，根据不同焊料形成凸点的经验数据和试验数据，上述的无助焊剂的凸点回流工艺，设定焊料完全熔融并形成球状凸点的温度为T2，则Tc+15℃≤T2≤Tc+65℃，时间为40秒至180秒。
在上述的成球过程之后，焊料已经成为液体的球状凸点，随后，进行冷却，形成固态、表面光滑的球状凸点。冷却过程应该在缺氧氛围例如含氮氛围中进行，以防止氧化凸点焊料。本发明对于降温的工艺条件没有过多限制，在自然条件下将凸点温度降至100℃以下即可。
实施例1
在本发明的最为优选的实施例中，参考附图4所示，为实施例1中共晶铅锡合金(37wt％Pb、63wt％Sn)的回流工艺温度曲线图，采用共晶铅锡合金，将纯化过程分为三个恒温阶段阶段，三个恒温阶段的温度分别为181℃、183℃和185℃、每一恒温阶段的时间都为120秒，纯化过程在甲酸气体氛围中进行，之后，在甲酸气体氛围中，在220℃温度条件下使共晶铅锡合金焊料回流，时间为100秒，然后，在含氮氛围中进行自然冷却，将温度降至室温，形成共晶铅锡合金凸点。
实施例2至实施例4
实施例2～实施例4的具体工艺方法参考实施例1中的描写，具体工艺参数如表1所示。
表1实施例2至实施例4中共晶铅锡合金回流工艺参数
Figure G061B9047520061219D000091
实施例5至实施例7
以2.5wt％Ag、97.5wt％Sn的银锡合金为例，具体工艺方法参考实施例1，完成形成银锡合金焊料凸点的工艺，各个实施例的具体工艺参数如表2所示。
表2实施例5至实施例7中2.5wt％Ag、97.5wt％Sn银锡合金回流工艺参数
Figure G061B9047520061219D000092
对于大部分焊料，经过上述的回流工艺之后已经能够形成表面光滑，内部没有气泡的凸点，而且在形成凸点的回流过程中，不会发生焊料的崩溅现象，在凸点周围产生焊料球。
但是，对于部分杂质焊料比较高的焊料，经过本发明所述的一次回流之后，形成的凸点表面还可能含有某些没有挥发掉的杂质以及氧化物，如有机金属，因此，造成凸点表面粗糙，或者凸点形状不符合要求。这种表面粗糙或者形状没有达到设定要求的凸点还必须进行进一步的处理，才能得到表面光滑，符合应用要求的凸点。
为了更好的去除回流过程中铅锡合金焊料中的杂质，本发明还提供了一种无助焊剂的凸点回流工艺，这种工艺采用多次回流过程，包括如下步骤：
1、第一次回流，回流工艺包括如下步骤：纯化过程：使焊料在熔融或者半熔融状态下保持40秒至540秒；成球过程：使焊料完全熔融，形成球状凸点；冷却；
2、第一次清洗凸点；
3、第二次回流，回流工艺包括如下步骤：纯化过程：使焊料在熔融或者半熔融状态下保持40秒至540秒；成球过程：使焊料完全熔融，形成球状凸点；冷却。
参考附图6，为本发明提供的无助焊剂的凸点回流工艺流程图，首先，进行第一次回流(S100)，回流工艺为本发明所述的单次回流工艺中的任意一种技术方案，较好的例如实施例1至7中的任意一个，第一次回流之后，凸点已经形成，但是上表面可能覆盖有有机金属杂质。
参考附图6，进行第一次清洗的工艺(S110)，首先，采用酸性的试剂清洗经过第一次回流的凸点，清洗过程可以去除凸点表面可能存在的粗糙的氧化层或者杂质，所述的酸性试剂如甲基磺酸、醋酸、甲酸等，之后，采用大量的去离子水冲洗，以去除焊料表面残留的清洗试剂。
由于所述酸性试剂如甲基磺酸等进行清洗之后会使凸点表面变的更加粗糙，因此，需要再次进行回流以形成表面光滑，性能优良的凸点，如附图6中所述，进行第二次回流工艺，所述第二次回流的工艺为本发明所述的单次回流工艺中的任意一种技术方案，较好的例如实施例1至7中的任意一个。
下面给出本发明一个比较优选的多次回流工艺，参考附图7所示，首先进行第一次回流(S200)，回流工艺为：采用共晶铅锡合金，参照共晶铅锡合金(37wt％Pb、63wt％Sn)的回流工艺温度曲线图，将纯化过程分为三个恒温阶段阶段，三个恒温阶段的温度分别为180℃、183℃和186℃、每一恒温阶段的时间都为125秒，之后，在230℃温度条件下使共晶铅锡合金焊料熔融、成球，然后，进行冷却，在含氮氛围中进行冷却，将温度降至20℃，形成共晶铅锡合金凸点。
之后，进行第一次清洗(S210)，采用甲酸试剂进行清洗，去除凸点表面的氧化铅，氧化锡等杂质，再用去离子水冲洗，去除凸点表面残留的甲酸试剂。
然后，进行第二次回流(S220)，回流工艺为：将纯化过程分为三个恒温阶段阶段，三个恒温阶段的温度分别为180℃、182℃和184℃、每一恒温阶段的时间都为80秒，之后，在225℃温度条件下使共晶铅锡合金焊料回流，然后，进行冷却，在含氮氛围中将凸点温度降至20℃，，形成共晶铅锡合金凸点。
进行第二次回流工艺之后，如果铅锡合金凸点表面吸附有某些污染物粒子，进行第二次清洗(S230)，采用去离子水淋洗，并甩干。
采用上述的工艺形成的凸点如图8所示，凸点表面光滑，且周围没有焊料球出现，满足半导体工业对于凸点的性能要求。
虽然本发明已以较佳实施例披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。

Claims (15)

1.一种无助焊剂的凸点回流工艺，其特征在于，包括如下步骤：纯化过程：使焊料在熔融或者半熔融状态下保持40秒至540秒，所述熔融或者半熔融的温度大于等于Tc-4℃并且小于等于Tc+4℃，其中Tc为焊料的熔点；成球过程：使焊料完全熔融，形成球状凸点；冷却。
2.根据权利要求1所述的无助焊剂的凸点回流工艺，其特征在于，纯化过程为一个温度在Tc-4℃至Tc+4℃之间的升温过程。
3.根据权利要求2所述的无助焊剂的凸点回流工艺，其特征在于，所述纯化过程包括至少一个恒温阶段，且每个恒温阶段的时间都为40秒至180秒。
4.根据权利要求3所述的无助焊剂的凸点回流工艺，其特征在于，所述纯化过程的一个以上恒温阶段的各温度数值呈线性关系。
5.根据权利要求4所述的无助焊剂的凸点回流工艺，其特征在于，所述纯化过程包括三个恒温阶段，且三个恒温阶段中每一阶段的时间都为40秒至180秒。
6.根据权利要求5所述的无助焊剂的凸点回流工艺，其特征在于，所述纯化过程的三个恒温阶段中，第一恒温阶段的温度为Tc-2℃，第二恒温阶段的温度为Tc，第三阶段的温度为Tc+2℃。
7.根据权利要求1所述的无助焊剂的凸点回流工艺，其特征在于，成球过程中使焊料完全熔融形成球状凸点的温度大于等于Tc+15℃并且小于等于Tc+65℃。
8.根据权利要求1所述的无助焊剂的凸点回流工艺，其特征在于，成球过程所需时间为40秒至180秒。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的无助焊剂的凸点回流工艺，其特征在于，所述纯化过程以及成球过程在还原性气体氛围中进行，所述冷却工艺在还原性气体或者惰性气体中进行。
10.根据权利要求9所述的无助焊剂的凸点回流工艺，其特征在于，所述还原性气体为氢气氛围或者甲酸气体氛围。
11.一种无助焊剂的凸点回流工艺，其特征在于，包括如下步骤：
在权利要求1至10中任一项所述的工艺条件下进行第一次回流；
第一次清洗凸点；
在权利要求1至10中任一项所述的工艺条件下进行第二次回流。
12.根据权利要求11所述的无助焊剂的凸点回流工艺，其特征在于，第一次清洗凸点的工艺为：采用酸性试剂去除凸点上残留的杂质；去离子水冲洗。
13.根据权利要求12所述的无助焊剂的凸点回流工艺，其特征在于，所述酸性试剂为甲基磺酸或者醋酸或者甲酸。
14.根据权利要求11所述的无助焊剂的凸点回流工艺，其特征在于，第二次回流之后还包括第二次清洗凸点的步骤。
15.根据权利要求14所述的无助焊剂的凸点回流工艺，其特征在于，所述第二次清洗凸点的工艺为去离子水淋洗、甩干。
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