CN101589462B - 用于高机械可靠性用途的晶片级互连 - Google Patents

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Abstract

本文描述的结构包括位于两个间隔开的电接触部之间的互连。该互连包含基本由镍(Ni)、锡(Sn)、银(Ag)和铜(Cu)组成的无铅(Pb)焊料合金。当位于两个接触部之间时，镍(Ni)含量足以在凸点下金属层中产生平滑界面IMC层。本文描述结构的实施方案是一种器件，其包含：衬底，位于衬底上的凸点下金属层(UBM)，位于凸点下金属层(UBM)上的主体焊料体，通过主体焊料体连接到凸点下金属层(UBM)的晶片部件。主体焊料体包含镍(Ni)、锡(Sn)、银(Ag)和铜(Cu)。镍(Ni)在0.01-0.20重量％(wt％)的范围内。

Description

用于高机械可靠性用途的晶片级互连
技术领域
本公开一般涉及用于半导体器件的结构和方法，更特别涉及用于电子晶片级芯片尺寸封装和倒装芯片封装及组件。
背景技术
在电子封装工业中，长期存在着改善无铅(Pb)焊料的机械性能的需要，所述无铅焊料用于晶片级芯片尺寸封装和倒装芯片器件中。现有的努力包括痕量地添加或掺杂各种元素，例如Co和Zn。现有努力还包括关于掺杂(例如用Ti、Fe、Co、Pt、In和Ni)对无铅焊料的机械性能影响的研究。
在现有互连结构中发现的一个问题是由单个的、结合的或系列的机械损坏事件例如跌落冲击、振动和剪切引起的过早互连失效。解决该问题并提高接头机械强度的现有尝试包括使用具有较低杨氏模量和硬度的无Pb焊料以通过使焊料(例如铟基无Pb焊料、Sn-Cu无Pb焊料、或具有较低银水平的Sn-Ag-Cu合金)更柔顺(compliant)而帮助降低脆性互连开裂。这些现有的尝试不能令人满意地消除过早的互连失效。
因此，当使用焊料制造晶片级芯片尺寸封装或倒装芯片器件时，需要具有改善的接头机械强度。
附图简要说明
为了更全面地理解本公开，现在将参考以下附图，其中在所有附图中，相同的附图标记表示相同的项目：
图1图解了根据本公开的示例性实施方案在组装到衬底之前，晶片级芯片尺寸或倒装芯片封装一部分的横截面视图。
图2图解了根据本公开的示例性实施方案的组装焊料互连。
图3图解了不掺杂Ni的界面IMC形貌。
图4图解了根据本公开的示例性实施方案的掺杂有Ni的界面IMC形貌。
这里所述的示例图解了特定实施方案，这样的示例不应以任何方式视为限制。发明详述
以下的描述和附图说明了特定实施方案，其足以使本领域技术人员实施本文描述的系统和方法。其它实施方案可以包括结构、逻辑、方法和其它方面的改变。实施例仅代表可能的变体。
以下说明了实施本发明结构和方法的各个实施方案的要素。可以使用公知的结构构建很多要素。还应理解，可以使用各种技术实施本发明结构和方法的技术。
本发明一般涉及使用含有相对小比例Ni的焊料合金的改善的互连结构。改善的结构典型地提供了用于长期机械可靠性的改善的接头机械强度，对于例如用于制造晶片级芯片尺寸封装(CSP)或倒装芯片互连的无Pb焊料。在一个实施方案中，使用0.01-0.20重量％(wt％)的Ni增强的无Pb焊料合金。例如，该无Pb焊料合金优选基本由Sn-Ag-Cu和0.01-0.20重量％的Ni组成。通常可以按常规比例使用Sn、Ag和Cu。
焊料合金可以例如回流且连接到凸点下金属(under bumpmetal)，可以例如以真空沉积薄膜或镀覆膜形成所述凸点下金属。其它常规制造方法可以用于制造以下所述的互连结构。
据认为，Ni增强的无Pb合金与凸点下金属层(UBM)的结合通常通过控制焊料/UBM界面处以及主体焊料内Sn晶界(枝晶间)处的金属间形成物而提供改善的接头机械强度。相比使用非Ni增强的无Pb合金，本发明人在改善的高速剪切条件下观察到这种情况，并通过跌落测试结果证实了这种情况。接头强度的这种改善对于使用晶片级CSP或倒装芯片互连的电子器件(其中器件易于跌落)是有益的，特别是对于移动产品例如移动电话、个人数字助理、MP3播放器、游戏机等。
以下更详细地论述可实施Ni增强的焊料合金互连结构的更具体的结构实施方案。在第一实施方案中，使用该焊料在两种不同衬底之间形成互连。该互连典型地包括主体焊料组分、在主体焊料与晶片上金属结构(例如UBM)的(一个或多个)界面处的金属间化合物(IMC)。通过焊料和UBM之间的冶金反应形成IMC。
通常将UBM划分为薄膜或厚膜。典型通过真空沉积(例如溅射沉积或蒸发)制备薄膜UBM。典型通过镀覆制备厚膜UBM。合适的UBM结构的例子是铝-镍(钒)-铜，其中铜接触焊料。其它可能的替代物包括但不限于以下合金：Ti/NiV/Cu、Ti/Ni/Cu、TiW/Cu、TiW/Ni/Cu、TiW/NiV/Cu、Cr/Ni/Cu或Cr/NiV/Cu。可以使用以下形成合适的厚膜UBM的实施例：Cu、NiP/Au、NiP/NiPd/Au、PdP/Au、PdP、Ni/Au或Cu/Ni/Au。
互连的接头强度取决于主体焊料的延展性(柔顺性)以及焊料/UBM界面处的IMC的接头机械强度。尽管在互连结构中期望提高的可靠性，然而认为界面IMC本身相当脆。
据认为，通过以下方式之一或其结合有助于无Pb焊料互连的接头机械性能的改善：改善主体焊料显微组织的性能，改善UBM结构(例如UBM膜应力水平或溶解性)与期望的IMC结构的兼容性，以及通过改善界面IMC生长与演化的控制。
通过使用公知的高速剪切和高速冷球拉(cold ball pull)测试以模拟机械跌落冲击事件，观察到了通过使用用于晶片级CSP和倒装芯片互连的主体焊料以及上述焊料合金互连所获得的改善。该测试包括利用宽范围的测试条件参数(例如冲击剪切、拉速以及冲击剪切高度)以测量通过使用Ni增强的焊料获得的改善的程度。使用已知跌落测试仪器的附加测试对利用Ni增强焊料制成结构的跌落测试的可靠性进行测试，其比可用替代物表现得显著更优。测试还包括各种UBM方案的兼容性，特别是整体膜应力水平和可溶金属厚度。
图1图解了在组装到衬底之前晶片级芯片尺寸封装或倒装芯片封装100一部分的横截面视图。提供晶片部件102(例如典型的集成电路(IC)芯片)用于后续连接到衬底(见图2)。形成在晶片部件102上的UBM 108与主体焊料106(例如焊料凸点或焊料球)在界面IMC 114处接触。在实际封装中，典型地使用大量焊料凸点或焊料球。
图2图解了组装焊料互连结构200一部分的横截面视图。使用主体焊料106将晶片部件102连接到衬底104(例如印刷电路板)。
在衬底104上形成对焊料附着有益的常规金属面层(finish)或层110，并且该面层或层110在界面IMC 112处与主体焊料106接触。主体焊料106具有本文所述的焊料合金组成。例如，金属面层110可以具有与UBM相似的铜上层。然而，并不一定总是这样。如果金属面层110具有铜面层，则厚度典型地显著大于晶片侧面上的UBM的厚度。在板104上的Cu面层的范围可以在例如约2至5微米(ums)范围内。
可以使用各种板104面层。例如，常见的板面层是Cu，在表面具备有机层以保护Cu不被氧化，这称为“Cu OSP”。其它例子是NiP/Au，或Ag(有时称作浸镀银)。
界面IMC 114可以具有例如小于约2.0微米(ums)的厚度。UBM 108可以具有例如小于约2.0微米(ums)的厚度。这些厚度在其它实施方案中可以显著变化。
例如，还可以在另外类型的芯片尺寸封装或晶片级封装(例如板载芯片(chip-on-scale)组件应用或在倒装芯片封装应用中使用的标准倒装芯片封装)实施本文描述的互连结构和方法。在以下专利中描述了这样的实施的例子：美国专利No.6,441,487(题为Chip ScalePackage Using Large Ductile Solder Balls，Elenius等，2002年8月27日授权)、美国专利No.5,844,304(题为Process forManufacturing Semiconductor Device and Semiconductor Wafer，Kata等，1998年12月1日授权)、以及美国专利No.5,547,740(题为Solderable Contacts for Flip Chip Integrated Circuit Devices，Higdon等，1996年8月20授权)和美国专利No.6,251,501(题为Surface Mount Circuit Device and Solder Bumping MethodTherefor，Higdon等，2001年6月26日)，通过引用将这些专利中每一篇至少与封装应用、结构和制备方法相关的教导并入本文。
现在，在具体实施例中更详细地讨论互连结构本身。在一个实施方案中，无Pb焊料合金基本由Sn-Ag-Cu和0.01-0.20重量％的Ni组成。Pb焊料合金的一个实施例将是98.4％Sn-1.0％Ag-0.5％Cu-0.1％Ni。作为Sn-Ag-Cu组成的实施例，Ag组成可为约0.25-4.0重量％，Cu为约0-2.0重量％。Sn组成可以例如是约99.75-94.5重量％，或提供任何上述组成的余量。在任何焊料组合物中，通常存在痕量元素，它们是次要的并且不期望它们影响保持在常规标准中的互连结构的性能。焊料合金可以是例如分离的焊料球体(例如焊料球)或焊料膏的形式。焊料可以例如回流到使用真空沉积薄膜或镀覆膜制备的UBM上。
据认为，使用上述焊料合金组合物与UBM有助于在焊料回流后在UBM/焊料界面处提供更平滑、更薄的金属间化合物的厚度，这使该脆性界面的异质生长最小化。在优选实施方案中，UBM的上层是铜，其与主体焊料反应。更具体地，在优选实施方案中，UBM上表面的大部分Cu在回流过程中形成金属间(IMC)层，其暴露出UBM中的边界Ni层。相反，如果UBM仅仅是相对厚的铜层，则其在处理中的任何点或界面处均不会被完全消耗。
此外，认为上述结构的使用在焊料回流后于主体焊料内围绕Sn晶界的枝晶间结合区内提供了较低水平的金属间化合物。这有助于使得主体焊料相对于非Ni掺杂的合金更加柔顺。在一个实施方案中，UBM结构具有有限量的Cu，因为封装工业中的一些薄膜要求。这不同于仅仅使用镀覆Cu的厚膜，其将不足以满足UBM制备封装要求。优选实施方案中的UBM具有其它薄膜金属层例如NiV。在UBM的上层中应使用足够的铜以使IMC形成为所需的平滑度。例如，UBM中Cu层的最小厚度应为约7000埃。在优选实施方案中，UBM中的Cu与焊料中的Ni反应形成平滑IMC层。UBM中的Ni在一定程度上还可有助于IMC的形成。
在其它实施方案中，UBM中的不同金属结构的组合与焊料反应，并有助于IMC层的形成及其特性。例如，在NiP基UBM中，UBM中的Ni可与焊料中的Sn而非Cu反应形成平滑IMC层。
在本文描述的所需的Ni掺杂范围中，观察到界面IMC的厚度比同样的非Ni掺杂合金更薄。还观察到，界面IMC的较平滑的显微结构比在没有Ni的无Pb合金中常见的锯齿状、圆齿状的显微结构更理想。较平滑的显微结构允许IMC中的均匀应力。锯齿状、圆齿状的显微结构具有应力状态较高的区域，因为该结构不如较平滑的显微结构那么均匀。
例如，图3图解了无Ni掺杂的界面IMC的形貌300。形貌300显示了不期望的尖峰302。相反，图4图解了如上所述掺杂有Ni的界面IMC 114的形貌。与无Ni掺杂的IMC相比，界面IMC 114的表面400基本平滑。
至于互连结构本身的制造，可以使用常规晶片级芯片尺寸处理和倒装芯片处理。例如，可以向UBM施加焊料，并使焊料达到熔点而回流以便在焊料和UBM之间形成物理结合。
在作为替代的实施方案中，可以使用厚膜Cu UBM。焊料中的Ni在回流过程中将与Cu反应形成平滑的界面IMC 114层(见图2)。
通过上述记载，描述了改良的互连结构和方法。上述结构和方法典型提供了以下优点。通过使用Ni掺杂的Sn-Ag-Cu合金焊料，由于主体焊料的柔顺性以及异质生长与界面IMC(在互连结构中其是最脆的结构)厚度形状的最小化，机械完整性得到提高。整体结构比其它可用替代结构具有显著更大的延展性，提高了该结构吸收来自例如跌落冲击、振动和剪切事件的意外损伤机械能的能力。
对特定实施方案的以上描述充分揭示了本公开的一般性质，其他人通过结合现有知识易于对其进行改变和/或修改以使其适合于不同应用，而不背离一般概念。因此，这样的修改和改变在所公开的实施方案的等效物的含义和范围之内。本文使用的措辞或术语均用于说明而非限制。

Claims (6)

1.位于两个间隔开的电接触部之间的互连结构，所述电接触部包括第一金属接触部和第二金属接触部，所述互连结构包含：
基本由Sn-Ag-Cu和镍(Ni)组成的无铅(Pb)焊料合金，其中镍(Ni)在0.01-0.20重量％(wt％)范围内；和
具有与所述焊料合金接触的上表面以及与所述第一金属接触部接触的底表面的平滑金属间化合物(IMC)层，所述IMC层包含铜与镍的化合物，并且所述IMC层具有小于2.0微米的厚度。
2.权利要求1的互连结构，其中将所述互连结构并入倒装芯片封装中。
3.互连结构，包含：
晶片部件；
位于该晶片部件上的凸点下金属层(UBM)；
位于所述UBM上的平滑金属间化合物(IMC)层，该IMC层包含铜与镍的化合物，并且所述IMC层具有小于2.0微米的厚度；和
位于该IMC层上的主体焊料体，所述主体焊料体包含镍(Ni)、锡(Sn)、银(Ag)和铜(Cu)，其中镍(Ni)在0.01-0.20重量％(wt％)范围内。
4.权利要求3的互连结构，其中主体焊料体包含：
94.5-99.75重量％的锡(Sn)，
0.25-4.0重量％的银(Ag)，
0-2.0重量％的铜(Cu)，和
0.01-0.20重量％的镍(Ni)。
5.权利要求3的互连结构，其中凸点下金属层(UBM)是具有铜的上层和镍的下层的膜。
6.权利要求3的互连结构，其中凸点下金属层(UBM)是选自下面的结构：
铝(A1)-镍钒(NiV)-铜(Cu)，
钛(Ti)-镍钒(NiV)-铜(Cu)，
钛(Ti)-镍(Ni)-铜(Cu)，
钛钨(TiW)-铜(Cu)，
钛钨(TiW)-镍(Ni)-铜(Cu)，
钛钨(Ti W)-镍钒(NiV)-铜(Cu)，
铬(Cr)-镍(Ni)-铜(Cu)，和
铬(Cr)-镍钒(NiV)-铜(Cu)。
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