CN101593710A - 一种在镍铁焊盘上实现焊料互联的工艺方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于微电子器件制造领域,具体为一种在镍铁焊盘上实现焊料互联的工艺方法。更具体而言,是在铜制印刷电路板上、芯片金属层上、芯片基板上电镀镍铁焊盘的工艺,以实现加强型下凸缘冶金。本发明也涉及焊料突起的制备,以实现在微电子器件上的机械和电子互联。本发明采用铝制阴影掩模隔离镍铁焊盘的方法制造焊料突起,含有回流焊剂的焊膏通过掩模的筛选在镍铁焊盘的表面上形成一个薄层;在焊膏拓印完之后,把焊球散布在镍铁焊盘之上;焊膏层此时就成为“粘合剂”把焊球固定住,移去掩模即可。本发明镍铁焊盘可作为下凸缘冶金的基体,制造可靠的C4倒装晶片结构,用以生产镍铁合金的球格点阵、倒装晶片以及其它点阵类型的电子仪器组件。
Description
技术领域
本发明属于微电子器件制造领域,具体为一种在镍铁焊盘上实现焊料互联的工艺方法。更具体而言,是在铜制印刷电路板(PCB,Printed Circuit Board)上、芯片金属层上、芯片基体上电镀镍铁焊盘的工艺,以实现加强型下凸缘冶金(UBM,under bump metallization)。同时,本发明也涉及焊料突起的制备,以实现在微电子器件上的机械和电子互联。
背景技术
在高性能微电子器件中,常常使用焊球进行与其它微电子器件互联。例如,大尺寸集成电路板可以通过焊料突起实现与PCB的电子互联。这一联结技术被称为C4,或是倒装技术。通常PCB设计中含有作为联结终端的球栅阵列点阵(BGA),这些铜制焊盘点阵就是焊球的“着陆”点。为了提高铜制焊盘的润湿性,从而控制焊球的形状,研究人员提出了多种多样的表面修饰方法,其中包括镍磷化物、钛或铬局部联接层、或是铬铜共沉积层,等等。UBM可以显著提高焊料体系的整体性能,它还被看作是一种控球冶金工艺,可以精确控制回流焊球的尺寸,此外还能提供具有良好润湿性的表面,在一定的机械和热应力下仍能保证良好的粘合力和可靠性,它还被认为是集合电路器件与联接处金属之间的屏障。申请人已经开展了各种形式的镍铁UBM与复合焊料金属间反应的研究工作,其中包括同Sn-Ag-Cu和Sn-In的反应。研究发现,特定的镍铁比例能够提供高性能的UBM,它与一些焊料的反应缓慢,可以形成薄的金属间化合物层。
发明内容
本发明提供了一种在镍铁焊盘上实现焊料互联的工艺方法,可以制造成份比例精确的镍铁焊盘,用以形成UBM,实现在微电子器件上的机械和电子互联。
本发明的技术方案是:
一种在镍铁焊盘上实现焊料互联的工艺方法,在印刷电路板的镍铁焊盘上制造焊料突起,包括如下步骤:
首先,准备与电路设计相匹配的阴影掩模;
其次,使用与设计图样匹配的阴影掩模拓印焊膏,将焊膏拓印在镍铁焊盘上,使焊膏完全位于阴影掩模之内,从而实现在掩模上的孔洞中形成定位凹槽;
第三,将焊球置于焊膏产生的凹槽中,将焊球固定;
第四,样品回流;取下阴影掩模,回流样品,回流温度应当与所选焊料的回流特性相匹配。
所述的在镍铁焊盘上实现焊料互联的工艺方法,按重量百分比计,镍铁焊盘的合金成份为:铁5%~95%,镍5%~95%。
所述的在镍铁焊盘上实现焊料互联的工艺方法,焊料互联后结构的一端或是两端为镍铁焊盘。
所述的在镍铁焊盘上实现焊料互联的工艺方法,在印刷电路板上电镀镍铁焊盘,使用的电镀溶液化学成份如下:
六水硫酸镍NiSO4·6H2O:100-200g/L;
硼酸H3BO3:10-50g/L;
氯化钠NaCl:5-25g/L;
抗坏血酸C6H8O6:0.2-2g/L;
七水硫酸亚铁FeSO4·7H2O:10-40g/L;
糖精钠晶体:0.2-2.5g/L;
十二烷基硫酸钠C12H25NaO4S:0.1-1g/L;
其余为水。
所述的在镍铁焊盘上实现焊料互联的工艺方法,在电镀过程中,阳极为纯镍和纯铁联接一起构成,阴极为印刷电路板,电镀温度20-100℃,电流密度30-35mA/cm2,电镀速率为0.1-1μm/min。
所述的在镍铁焊盘上实现焊料互联的工艺方法,在通过阴影掩模拓印焊膏时,焊球的直径至少小于掩模平均孔洞尺寸的25%,将焊球扫过样品,使其落入掩模的孔洞当中,焊球就会附着在焊膏之上。
所述的在镍铁焊盘上实现焊料互联的工艺方法,在撤去阴影掩模之前,进行一次回流,使焊球被固定在焊膏之上。
所述的在镍铁焊盘上实现焊料互联的工艺方法,先在印刷电路板表面制备金属焊盘,再在金属焊盘表面镀镍铁焊盘。
所述的在镍铁焊盘上实现焊料互联的工艺方法,该工艺方法用以生产含有上述成份镍铁合金的球格点阵、倒装晶片或其它点阵类型的电子仪器组件。
本发明的优点及有益效果是:
1、本发明在印刷电路板(PCB)上、芯片金属层上、芯片基体上制备镍铁焊盘的工艺,该焊盘可作为下凸缘冶金(UBM)的基体,实现加强型下凸缘冶金。该UBM可通过焊料掩模板(SM)电镀制成,因此无需额外的定模工艺。
2、本发明也包含在镍铁UBM焊盘上制备焊料突起的工艺,从而可以制造可靠的C4倒装晶片结构,随后通过掩模拓印焊膏来制备焊料突起,焊膏在回流之前起固定焊球的作用。从而,实现在微电子器件上的机械和电子互联。
3、本发明中,铜焊盘由焊料掩模板定位,无需腐蚀铜既可界定好各个焊盘,其造价较低,而且降低了缺陷机率。
4、本发明中,为保证镍铁成份的精确,全新的电镀溶液化学成份被配制而成,通过调整可以精确变动电镀溶液中镍和铁的成份,从而制备出要求成份的镍-铁合金。
5、本发明可以用于生产含有上述成份镍-铁合金的球格点阵、倒装晶片以及其它点阵类型的电子仪器组件。
附图说明
图1本发明电镀装置示意图。
图2为典型的PCB电镀成品示意图。
图3为拓印之后的焊膏示意图。
图4为回流工艺结束后的成品示意图。
图中,1阴极(PCB);2阳极(联结棒,镍和铁);3化学溶液;4控温液;5铜衣(FR4)板;6铜焊盘;7掩模板(LPI,liquid photo imageable);8镍铁焊盘;9焊膏;10铝模板;11焊球;12焊料突起。
具体实施方式
本发明采用铝制阴影掩模隔离镍铁焊盘的方法制造焊料突起,含有回流焊剂的焊膏通过掩模的筛选在镍铁UBM的表面上形成一个薄层。在焊膏拓印完之后,把焊球散布在镍铁焊盘之上。焊膏层此时就成为“粘合剂”把焊球固定住,移去掩模即可。
工艺要求:
首先,化学溶液(电镀液)在整个电镀过程中必须保持在20~100℃,最好在45℃。
其次,电流密度应一直控制在30-35mA/cm2范围内。
第三,阳极必须由纯镍和纯铁联接一起而成。
第四,在上述温度和电流密度条件下,电镀速率为0.1μm/min~1μm/min。
样品的制备需要预电镀处理,镍-铁电镀工艺流程如下:
首先,样品需在盐酸(HCL)溶液(最好质量浓度为10%)中微腐蚀至少10秒。目的是从表面除去可能的氧化物,保证表面具有良好的粘合力。
其次,样品应在去离子水中浸泡清洗,然后在酒精中浸泡,去除残留盐酸。
随后使用的电镀溶液化学成份如下:
◆六水硫酸镍NiSO4·6H2O:100-200g/L;
◆硼酸H3BO3:10-50g/L;
◆氯化钠NaCl:5-25g/L;
◆抗坏血酸(维生素C):0.2-2g/L;
◆七水硫酸亚铁FeSO4·7H2O:10-40g/L;
◆糖精钠晶体:0.2-2.5g/L;
◆十二烷基硫酸钠C12H25NaO4S:0.1-1g/L;
◆余量为蒸馏水。
本发明中,可适当改变铁的含量以增加或减少溶液中铁的浓度,焊盘的合金成份要求为铁和镍的含量应该分别控制在5%到95%之间。
本发明中,焊料互联后结构的一端或是两端为镍铁焊盘,镍铁焊盘的厚度一般为1μm~50μm。
本发明中,UBM的制作需要环境温度可控的电镀装置,电镀之前必须进行微腐蚀与清洗处理。为保证镍铁成份的精确,全新的电镀溶液化学成份被配制而成,两个电镀循环各有针对。电镀过程完成以后,立即对样品进行表面清洗以除去电镀表面的副产品,要求在去离子水中进行超声清洗。样品在去离子水中浸泡后再置于酒精浴中,随后干燥样品。
焊料突起的制备工艺流程包含四个部分:
首先,准备与电路设计相匹配的阴影掩模。这既可以通过化学腐刻完成,也可以采用其它可行的工业制造技术,取决于设计电路本身的特征尺寸和线宽/间距。
其次,使用软质有刃的压舌刀或是橡皮辊通过阴影掩模拓印焊膏。关键是要保证焊膏完全位于掩模之内,从而在掩模的孔洞中形成定位凹槽。
第三,将焊球置于焊膏产生的凹槽中。要保证焊球的直径至少小于掩模平均孔洞尺寸的25%,将焊球扫过样品,使其落入掩模的孔洞当中,焊球就会附着在焊膏之上,焊膏在回流之前起固定焊球的作用。
第四,样品回流。在撤去阴影掩模之前,应先进行一次回流(焊膏回流温度和回流时间应与所选焊料的回流特性相匹配),以保证焊球被良好地固定在焊膏之上。然后,小心翼翼地取下阴影掩模,回流样品。
图1描述了电镀的大体过程,本发明电镀装置主要包括阴极(PCB)1、阳极(联结棒,镍和铁)2、镍铁化学溶液3、控温液4等。镍铁化学溶液3、置于镍铁化学溶液3中的阴极和阳极构成电镀系统,电镀系统应被浸入在被加热的控温液4当中,从而保证整体焊盘的电镀均匀,在整个电镀过程中温度必须保持恒定,控温液可以为水、油或其它导热介质。
如图2所示,PCB电镀成品主要包括铜衣(FR4)板5、铜焊盘6、掩模板(LPI)7、电镀而成的镍铁焊盘8(或镍铁合金层),铜衣板5表面镀有铜焊盘6,铜焊盘6上电镀镍铁焊盘8,铜焊盘6为掩模板7所遮盖,掩模板7同样被用来限定铜的电镀区域。电路应在铜制设计腐刻之前进行电镀,从而保证电路的通畅,又或者整个腐刻电路都含有联接线,以实现理想焊盘的有效连接。
实施例1:
在镍铁UBM上制备铟-锡焊料突起
该小尺寸样品是在实验室条件下进行,选用了含有一系列铜焊盘的印刷电路板(PCB)试样。
PCB样品由标准FR4材料制成,表面镀有30μm厚的铜。铜焊盘由焊料掩模板(SM)定位,意味着该工艺无需腐蚀铜既可界定好各个焊盘。通过使用SM,就可以定准哪一部位的铜需要暴露给焊料,哪一部位需要被保护起来。这一工艺造价较低,而且降低了缺陷机率。本实施例中,所采用的样品含有SM法定位的焊盘,直径为30mils(762μm),焊盘间的中心距离为60mil(1.5mm),在PCB的铜盘上电镀铁镍焊盘。
电镀工艺详述如下:
如前所述,先使用盐酸对样品进行预清洗,轻腐蚀掉焊盘表面的铜氧化物。再按照之前提到的方法使用去离子水和酒精清洗。配制好成份如下所列的化学溶液,将溶液加热至45℃后保持温度恒定,接通系统(阴极和阳极),并使电流保持在35mA,电镀速率为1μm/min。电镀完成后,应对样品表面进行清洗处理,操作方法如上所述。如果样品在电镀之后有氧化的迹象,可再进行镀金处理。
电镀化学溶液配制:
称取12克六水硫酸镍NiSO4·6H2O,溶至75毫升蒸馏水当中;
溶入2.4克硼酸H3BO3;
溶入1.05克氯化钠NaCl;
溶入0.075-0.080克抗坏血酸(维生素C)C6H8O6;
溶入2.2克七水硫酸亚铁FeSO4·7H2O;
溶入0.0375克糖精钠晶体;
溶入0.035克C12H25NaO4S;
本实施例中,采用上述电镀化学溶液电镀之后,按重量百分比计,镍铁焊盘或镍铁合金层的合金成份为:铁44%,镍56%,镍铁焊盘的厚度为10μm。
下一步是将焊膏涂于镍铁焊盘。如图3所示,使用与设计图样匹配的铝模板(铝制阴影掩模)10以将焊膏9拓印在镍铁焊盘8上。然后使焊球11定位在掩模板7孔洞的焊膏凹槽上。将铝模板10与铜焊盘6上的PCB对齐,然后在镀有镍铁的UBM上拓印铟锡共晶焊膏。把In-Sn焊球11摆放在焊膏9之上,焊球11随后被固定在焊膏9的表面,在撤去阴影掩模之前,进行一次回流,焊膏回流温度170℃,回流时间180秒,使焊球被良好地固定在焊膏之上。除去铝模板10,把PCB试样放入回流炉当中,回流温度170,回流时间120~180秒。结果如图4所示,在镍铁焊盘8上,焊膏和焊球形成焊料突起12。采用本发明可将另一个拓印有焊膏的试样与其匹对,形成夹心结构,实现C4理念。
实施例2
与实施例1不同之处在于,电镀化学溶液配制:
称取18克六水硫酸镍NiSO4·6H2O,溶至75毫升蒸馏水当中;
溶入1.2克硼酸H3BO3;
溶入0.8克氯化钠NaCl;
溶入0.025克抗坏血酸(维生素C)C6H8O6;
溶入1.2克七水硫酸亚铁FeSO4·7H2O;
溶入0.1克糖精钠晶体;
溶入0.07克C12H25NaO4S;
在电镀过程中,阳极为纯镍和纯铁联接一起构成,阴极为印刷电路板,电镀温度60℃,电流密度30mA/cm2,电镀速率为0.2μm/min。本实施例中,采用上述电镀化学溶液电镀之后,按重量百分比计,镍铁焊盘或镍铁合金层的合金成份为:铁20%,镍80%,镍铁焊盘的厚度为20μm。
实施例3
与实施例1不同之处在于,电镀化学溶液配制:
称取15克六水硫酸镍NiSO4·6H2O,溶至75毫升蒸馏水当中;
溶入3.5克硼酸H3BO3;
溶入2.2克氯化钠NaCl;
溶入0.15克抗坏血酸(维生素C)C6H8O6;
溶入3.6克七水硫酸亚铁FeSO4·7H2O;
溶入0.2克糖精钠晶体;
溶入0.05克C12H25NaO4S;
在电镀过程中,阳极为纯镍和纯铁联接一起构成,阴极为印刷电路板,电镀温度75℃,电流密度35mA/cm2,电镀速率为0.6μm/min。本实施例中,采用上述电镀化学溶液电镀之后,按重量百分比计,镍铁焊盘或镍铁合金层的合金成份为:铁85%,镍15%,镍铁焊盘的厚度为30μm。
Claims (9)
1、一种在镍铁焊盘上实现焊料互联的工艺方法,其特征在于,在印刷电路板的镍铁焊盘上制造焊料突起,包括如下步骤:
首先,准备与电路设计相匹配的阴影掩模;
其次,使用与设计图样匹配的阴影掩模拓印焊膏,将焊膏拓印在镍铁焊盘上,使焊膏完全位于阴影掩模之内,从而实现在掩模上的孔洞中形成定位凹槽;
第三,将焊球置于焊膏产生的凹槽中,将焊球固定;
第四,样品回流;取下阴影掩模,回流样品,回流温度应当与所选焊料的回流特性相匹配。
2、按照权利要求1所述的在镍铁焊盘上实现焊料互联的工艺方法,其特征在于,按重量百分比计,镍铁焊盘的合金成份为:铁5%~95%,镍5%~95%。
3、按照权利要求1所述的在镍铁焊盘上实现焊料互联的工艺方法,其特征在于,焊料互联后结构的一端或是两端为镍铁焊盘。
4、按照权利要求1所述的在镍铁焊盘上实现焊料互联的工艺方法,其特征在于,在印刷电路板上电镀镍铁焊盘,使用的电镀溶液化学成份如下:
六水硫酸镍NiSO4·6H2O:100-200g/L;
硼酸H3BO3:10-50g/L;
氯化钠NaCl:5-25g/L;
抗坏血酸C6H8O6:0.2-2g/L;
七水硫酸亚铁FeSO4·7H2O:10-40g/L;
糖精钠晶体:0.2-2.5g/L;
十二烷基硫酸钠C12H25NaO4S:0.1-1g/L;
其余为水。
5、按照权利要求4所述的在镍铁焊盘上实现焊料互联的工艺方法,其特征在于,在电镀过程中,阳极为纯镍和纯铁联接一起构成,阴极为印刷电路板,电镀温度20-100℃,电流密度30-35mA/cm2,电镀速率为0.1-1μm/min。
6、按照权利要求1所述的在镍铁焊盘上实现焊料互联的工艺方法,其特征在于,在通过阴影掩模拓印焊膏时,焊球的直径至少小于掩模平均孔洞尺寸的25%,将焊球扫过样品,使其落入掩模的孔洞当中,焊球就会附着在焊膏之上。
7、按照权利要求1所述的在镍铁焊盘上实现焊料互联的工艺方法,其特征在于,在撤去阴影掩模之前,进行一次回流,使焊球被固定在焊膏之上。
8、按照权利要求1所述的在镍铁焊盘上实现焊料互联的工艺方法,其特征在于,先在印刷电路板表面制备金属焊盘,再在金属焊盘表面镀镍铁焊盘。
9、按照权利要求1所述的在镍铁焊盘上实现焊料互联的工艺方法,其特征在于,该工艺方法用以生产含有上述成份镍铁合金的球格点阵、倒装晶片或其它点阵类型的电子仪器组件。
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