CN101246828B

CN101246828B - 一种基板可重复使用的制备微小焊球的方法

Info

Publication number: CN101246828B
Application number: CN 200810034624
Authority: CN
Inventors: 林小芹; 罗乐
Original assignee: Shanghai Institute of Microsystem and Information Technology of CAS
Current assignee: Shanghai Institute of Microsystem and Information Technology of CAS
Priority date: 2008-03-14
Filing date: 2008-03-14
Publication date: 2010-06-02
Anticipated expiration: 2028-03-14
Also published as: CN101246828A

Abstract

本发明涉及一种基板可重复使用的制备微小焊球的方法。其特征在于首先采用IC制作工艺，制备了可重复使用的基板：以硅片为基底，热氧化处理后正面溅射金属导电层，沉积阻挡层并光刻出阻挡层开口露出导电层金属；其次，在可重复使用的基板上制备微小焊球：在基板上溅射金属牺牲层覆盖在导电层开口上，涂覆厚光刻胶并光刻出电镀窗口，然后电镀焊料，电镀完成后去除厚光刻胶，回流焊料形成焊料球，然后腐蚀去除金属牺牲层，使焊料球从可重复使用的基板上完全脱落，最后收集得到焊料球。制备过程简单，能耗小，工艺可控性好，克服了生产能力低的瓶颈；且制备的焊球表面光洁，最小粒径小于0.15mm，球形度好且尺寸一致性好。

Description

一种基板可重复使用的制备微小焊球的方法

技术领域

本发明涉及一种基板可重复使用的制备微小焊球的方法，属于电子封装领域。

背景技术

随着消费性电子产品朝“轻、薄、短、小”及多功能化方向的迅速发展，对电子组装技术提出了更高的要求，迫使封装技术向高密度化、小型化、集成化的方向演变。新的高密度封装技术不断涌现，其中球栅阵列封装(BallGrid Array，BGA)和芯片尺寸封装(Chip Scale Package，CSP)等面阵列封装形式是未来高密度封装技术的主流。在BGA和CSP封装工艺中，用精密焊球替代引脚，实现电路基板与芯片之间的电连接和机械连接，已成为电子封装的关键材料。先进的电子封装对精密焊球的直径误差、球形度和表面质量等方面的要求都非常严格，从而对传统的焊球制备技术提出了新的挑战。当前，精密焊球的制备方法主要有切丝重熔法、喷雾法和滴注法等。其中，①切丝重熔法首先通过拉丝-剪切或箔片-冲压等机械加工方法把焊料合金加工成均匀质量的微小合金单元，然后把加工好的合金单元放入某一高温球化溶液中重熔成形，在表面张力的作用下，合金单元最终凝结成需要的球形。该方法的主要优点是工艺可控性好，产品的成品率高，但它同时具有明显的缺点：制备工序繁多、设备投资大、成本高，并且在多次加工的工艺过程中容易引入各种杂质；②喷雾法是从传统粉体制备技术延伸而来，其特点是生产能力强，但工艺可控性差，为获得所需粒径范围的焊球，必须经过多道分级工艺，容易引起焊球表面氧化及损伤的问题。滴注法是将熔化金属定径滴注成型，其特点同样是生产能力较强，但缺点是不能有效控制液滴的大小和连生，焊球均匀性差、球形度低并具有表面氧化的现象。

发明内容

本发明的目的是提供一种基板可重复使用的制备微小焊球的方法。

所采取的技术方案是：(1)采用IC制作工艺，制备可重复使用的基板。首先将硅片进行热氧化处理；正面溅射金属导电层；在导电层上沉积一层阻挡层保护导电层不被破坏，并光刻出阻挡层开口露出导电层金属；(2)在该基板上制备焊球。首先溅射金属牺牲层并光刻出牺牲层图形覆盖在导电层开口上；涂覆厚光刻胶并光刻出电镀窗口；然后电镀焊料；电镀完毕后去除厚光刻胶；在保护气氛下，使用助焊剂在焊料熔点温度以上的回流温度下将焊料进行回流；焊料回流成球后彻底清洗表面残留的助焊剂；然后湿法腐蚀去除焊料球下的牺牲层，焊料球从基板上脱离，收集焊料球。回流时焊料在相对较长的时间内保持熔融液态，有足够的时间在表面张力的作用下转变成为表面积最小的球体状态，从而形成球形度高的焊料球，通过控制回流温度曲线获得组织性能最佳的焊料球，同时在助焊剂的作用下，焊料表面的氧化物得以去除，使最终得到的产品的含氧量非常低，焊球表面具有足够的表面光洁度。

i)所述的硅片为单面抛光的N型(100)或P型(100)硅片；

ii)所述的热氧化处理工艺为湿法或干法工艺，生成的氧化层厚度0.1～2.0微米；

iii)所述的正面溅射金属层由一层以上的金属层构成，起到与底层氧化硅的粘附牢固和导电的作用，金属层的厚度0.1～2.0微米；

iv)所述的阻挡层为SiO₂或Si₃N₄，阻挡层的厚度0.1～2.0微米；

v)所述的金属牺牲层是由一层以上的金属层构成，如TiW或Cu；牺牲层的厚度0.1～5.0微米，起到与导电层、电镀焊料之间的粘附作用；牺牲层图形的尺寸大于或等于阻挡层开口的尺寸；牺牲层可用湿法腐蚀去除，腐蚀牺牲层的溶液的要求是不腐蚀电镀焊料也不腐蚀导电层金属；

vi)所述的电镀窗口的尺寸要比牺牲层图形的尺寸大，起到了增大电镀面积，减小电镀时间，提高效率的作用；

vii)所述的保护气氛为氮气气氛。

viii)所述的回流温度为焊料熔点温度以上。

本发明的优点是：

①与IC制作工艺相容，根据需要设计制备不同尺寸的焊料球，尤其是制备微小尺寸的焊球具有更明显优势，焊球最小粒径可小于0.15mm，制备的焊球的粒径分布范围很窄，避免了多道分级筛分引起的表面氧化以及拉丝或起毛现象；电镀焊料在其熔点温度以上回流，在表面张力的作用下回复到表面积最小的球体状态，凝固后形成球形度很高的焊球，避免了碎裂毛刺以及粘连现象，焊球质量稳定且可控性好；可重复使用基板的制备大大降低了生产成本；

②制作了可重复使用的基板，分别由热氧化硅片、阻挡层、金属导电层和金属牺牲层组成；

③电镀焊料层下方由金属牺牲层和金属导电层组成。牺牲层能用湿法腐蚀去除，并且起到电镀焊料与导电层之间的粘附作用，腐蚀牺牲层的液体不腐蚀电镀焊料也不腐蚀导电层金属，导电层起到与底层二氧化硅形成粘附和导电的作用；

④牺牲层图形的尺寸限定了牺牲层与电镀焊料间的互连面积。

附图说明

图1是微小焊球制备的工艺流程图。(a)首先在硅片上热生长一层二氧化硅，(b)正面溅射金属导电层，(c)沉积阻挡层，(d)光刻出阻挡层开口露出导电层金属，(e)溅射金属牺牲层，(f)光刻出牺牲层图形覆盖在阻挡层开口上，(g)涂覆厚光刻胶并光刻出电镀窗口，(h)电镀焊料，电镀完毕后去除厚光刻胶，(i)回流焊料成球，(j)腐蚀去除牺牲层并收集焊料球。

101——硅片 102——二氧化硅氧化层

103——金属导电层 104——阻挡层

105——阻挡层开口 106——金属牺牲层

107——牺牲层图形 108——厚光刻胶

109——电镀窗口 110——电镀焊料

111——焊料球 112——可重复用的基底

具体实施方式

典型的微小焊球的制备工艺流程包括下列步骤：

一.采用IC制作工艺，制备可重复使用的基板

(1)首先将单面抛光N型(100)硅片进行清洗，然后进行热氧化处理，二氧化硅氧化层102的厚度约0.3微米；

(2)真空溅射金属导电层TiW和Au 103，厚度分别约为0.05微米和0.2微米；二氧化硅层与Au之间的粘附性差，所以用TiW作为二氧化硅上的金属粘附层，这三层金属均在同一真空室中依次溅射完成；

(3)接着在导电层上用等离子增强化学气相沉积(PECVD)方法沉积一层阻挡层SiO₂或Si₃O₄104，厚度约为0.1微米；采用正型光刻胶光刻出圆形阻挡层开口露出导电层金属，圆形阻挡层开口105的直径为80微米。由此便得到了可重复使用的基板；

二、在制备的可重复使用的基板上制作焊球

(4)在步骤(3)所制得的可重复使用的基板上，溅射金属牺牲层TiW和Cu106，厚度分别为0.1微米和0.3微米；采用与步骤(3)相同的光刻板，不同的仅是采用负型光刻胶，光刻出覆盖在导电层开口上的圆形牺牲层图形107，它的直径与阻挡层SiO₂或Si₃O₄的圆形开口的直径一致；

(5)涂覆AZ 9260型厚光刻胶，并光刻出圆形的电镀窗口109，电镀窗口的直径为240微米，厚度为50微米；

(6)电镀无铅焊料合金Sn-3.0Ag，电镀焊料的高度为40微米，电镀完毕后用丙酮去除厚光刻胶110；

(7)焊料涂覆助焊剂后在回流炉中回流成球，助焊剂选用活性好的松香型，焊料的最高回流温度选用260℃，(注：Sn-3.0Ag合金的熔点约为230℃)，回流炉的气氛选用氮气，氮气气流量约为0.8～1.4mm³/min，回流后焊料球111的直径约为160微米；

(8)彻底清洗残留表面的助焊剂；

(9)采用体积比为1∶2的浓度为5vol％的稀硫酸和30vol％的分析纯H₂O₂的混合溶液完全去除焊料球下的Cu牺牲层，采用浓度约30vol％的分析纯H₂O₂去除TiW牺牲层，焊料球从基板上完全脱离，收集焊料球；

经上述工艺过程制备成焊球，最小尺寸小于0.15mm且分布很窄，最重要的特征在于经彻底清洗后的基板可以重复使用。

Claims

1.一种基板可重复使用的制造微小焊球的方法，其特征在于所述的制造方法分为二大步：

第一步采用IC制作工艺，制备可重复使用的基板

首先将作为基板的硅片进行热氧化处理；正面溅射金属导电层；在导电层上沉积一层阻挡层，并光刻出阻挡层开口露出导电层金属；

第二步在第一步制备的可重复使用的基板上制作焊球

a)首先溅射金属牺牲层并光刻出牺牲层图形覆盖在导电层开口上；

b)涂覆厚光刻胶并光刻出电镀窗口；

c)然后电镀焊料；

d)电镀完毕后去除厚光刻胶；

e)在保护气氛下，使用助焊剂在焊料熔点温度以上的回流温度下将焊料进行回流；焊料回流成球后清洗表面残留的助焊剂；

f)然后湿法腐蚀去除焊料球下的牺牲层，焊料球从基板上脱离，收集焊料球。

2.按权利要求1所述基板可重复使用的制造微小焊球的方法，其特征在于所述的硅片为单面抛光N型(100)或P型(100)硅片。

3.按权利要求1所述基板可重复使用的制造微小焊球的方法，其特征在于所述的热氧化处理工艺为湿法或干法，生成的氧化层厚度为0.1～2.0微米。

4.按权利要求1所述基板可重复使用的制造微小焊球的方法，其特征在于所述的正面溅射金属层是由一层以上的金属层构成，金属层厚度为0.1微米～2.0微米。

5.按权利要求4所述基板可重复使用的制造微小焊球的方法，其特征在于所述的金属层为TiW或Cu。

6.按权利要求1所述基板可重复使用的制造微小焊球的方法，其特征在于所述的阻挡层为SiO₂或Si₃N₄，厚度为0.1微米～2.0微米。

7.按权利要求1所述基板可重复使用的制造微小焊球的方法，其特征在于所述的金属牺牲层是由一层以上的金属层构成；牺牲层的厚度为0.1微米～5微米；且牺牲层图层的尺寸大于或等于阻挡层开口的尺寸。

8.按权利要求1所述基板可重复使用的制造微小焊球的方法，其特征在于所述的电镀窗口的尺寸比牺牲层图形尺寸大。

9.按权利要求1所述基板可重复使用的制造微小焊球的方法，其特征在于焊球下的牺牲层用湿法腐蚀去除，腐蚀牺牲层的混合溶液不腐蚀电镀焊料或导电层金属。