CN102222630A - 一种制备Sn-Ag-In三元无铅倒装凸点的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种制备Sn-Ag-In三元无铅倒装凸点的方法，其特征在于采用分步电镀法在芯片基板上电镀三元无铅焊料。首先以硅片为基底，热氧化形成二氧化硅绝缘层后正面溅射铝导电层，沉积二氧化硅钝化层，光刻并干法腐蚀钝化层开口，之后在基板上溅射金属种子层，涂覆厚光刻胶并光刻电镀窗口，然后分两步分别电镀锡银和铟，电镀完成后去除厚光刻胶和多余的种子层，回流焊料形成凸点。本发明充分利用了电镀法制备凸点所具备的凸点一致性好、凸点尺寸和节距小、凸点产量高、成本低等优点，克服了电镀法在三元合金上的局限性，并为电镀法制备Sn-Ag-In三元高密度微小尺寸无铅凸点奠定了基础。

Description

一种制备Sn-Ag-In三元无铅倒装凸点的方法
技术领域
本发明涉及一种制备Sn-Ag-In三元无铅倒装凸点的方法，属于高密度微电子封装领域。
背景技术
倒装芯片封装技术具有许多优点，如最高的输入/输出端数能力、针对不同性能要求基板的可适应性、通常提供可能最短的引线、最小的电感、最高的频率、最好的噪声控制、最小的器件外形以及最低的器件安装高度，因而在封装技术向高密度化、小型化、集成化演变过程中扮演着举足轻重的角色。
倒装芯片封装技术中凸点的制备尤为关键。在UBM(Under Bump Metallization)上形成凸点常用的方法有蒸发、印刷和电镀等。蒸发需要将物理模板和芯片上的输入/输出端对准，在沉淀完成后取走。模板必须有一个脱模斜角，以保证通过开口处焊料可从模板上均匀地留下，这对于高输入/输出端数的器件是相当困难的，且成本昂贵。印刷技术运用精密的模板和自动化的模板或丝网印刷机可以完成特别设计的焊膏的刮板印刷。在较窄节距的情况(节距小于250μm)下，这种方法比较困难。电镀法是焊料通过聚合物光刻胶掩模电镀以控制体积和对准定位，由于电镀的焊料是分离相沉积的，这些凸点电镀后需要经过回流焊来达到焊料微观结构的均匀化。电镀法制备凸点具有尺寸均匀、高度一致性好、节距小、可批量生产和成本低等优点，但是目前较成熟的电镀工艺大多仅局限于一元金属如Cu、Ni、Au、In等或二元合金如Sn-Ag等，对于三元合金，由于元素间电极电位各不相同，因此要想研制出性能稳定的三元合金电镀液并实现不同元素的共沉淀非常困难。
另一方面，电子工业的无铅化使得传统SnPb焊料的应用面临极大的挑战。目前的无铅焊料大多基于Sn-Ag二元体系，然而，Sn-Ag焊料的熔点高、润湿性差、焊料中容易生成大块Ag3Sn等缺陷限制了其在电子行业中的应用。大量研究表明，In的加入可以明显降低Sn-Ag焊料熔点、改善润湿性和抑制大块Ag3Sn缺陷的生长，遗憾的是，目前对Sn-Ag-In三元焊料的研究大多集中在块体材料中，而在电子封装尤其是高密度凸点阵列中的应用却很少。因此，本发明将针对电子封装高密度、小型化的趋势，避开研制Sn-Ag-In三元合金电镀液所面临的困难，采用分步电镀Sn-Ag和In之后通过热处理促进各元素相互混合均匀的方法来制备Sn-Ag-In三元微小尺寸凸点。从而引导出本发明的构思。
发明内容
本发明提供了一种制备Sn-Ag-In三元无铅倒装凸点的方法，也即本发明提供了一种采用电镀法制备Sn-Ag-In三元无铅凸点的方法。所述的方法分两大步，(1)是采用IC工艺制备基板：
首先将硅片进行热氧化处理形成一层SiO2，随后正面溅射Al金属导电层，光刻腐蚀形成铝焊盘(Pad)，之后利用PECVD再沉积一层SiO2钝化层，并光刻、干法腐蚀出钝化层开口，露出铝焊盘(Pad)，之后溅射TiW/Cu分别作为粘附层和电镀种子层；(2)在所述的基板上制作凸点：进行厚胶光刻，并光刻出电镀窗口，然后依次电镀Cu、Sn-Ag和In焊料，电镀完毕后由湿法腐蚀方法去除厚胶和多余的种子层金属，最后回流焊料形成凸点。
本发明的具体工艺步骤如下：
1.采用的硅片为单面抛光N型或P型(100)硅片；
2.热氧化处理工艺为湿法或干法工艺，SiO2层厚度0.5～1.0微米；
3.正面溅射Al导电层起到与底层二氧化硅的粘附和导电的作用，其厚度为0.5～2.0微米；
4.PECVD沉积SiO2钝化层，起绝缘和保护Al焊盘的作用，其厚度为0.2～1.0微米；
5.溅射金属粘附层和电镀种子层，以TiW作为金属粘附层，其厚度为0.05～0.1微米，Cu作为电镀种子层，厚度为0.2～0.5微米；
6.涂覆光刻胶并光刻电镀窗口，电镀窗口半径至少大于SiO2钝化层开口半径10微米，并距离Al焊盘边缘最少6微米，这样设计的目的主要是为了提高凸点的可靠性；
7.电镀3～5微米Cu或Ni作为凸点下金属层，凸点回流过程中起到浸润焊料和扩散阻挡的作用，实际制备中采用Cu作为凸点下金属层，Cu电镀工艺在商用的Cu电镀液中进行，电流密度为20mA/cm2～30mA/cm2，电镀速率约为10μm/h～15μm/h；
8.依次电镀Sn-Ag和In焊料，Sn-Ag电镀工艺在Schlotter公司生产的SLOTOLOY SNA30镀液中进行，电流密度在15mA/cm2～25mA/cm2，电镀速率控制在10μm/h～14μm/h范围，In电镀工艺是在氨基磺酸铟溶液中进行，电流密度范围为8mA/cm2～12mA/cm2，电镀速率约为10μm/h～15μm/h，Sn-Ag与In镀层总厚度与电镀窗口直径和凸点节距相关，一般而言，回流后凸点高度应与电镀窗口直径相当，并约等于凸点节距的1/3～1/2，不同的In含量可通过调节镀层中In的相对厚度来实现；
9.采用湿法腐蚀的方法去除厚胶和多余的粘附层和电镀种子层，腐蚀溶液不应对Sn-Ag和In焊料产生腐蚀作用；
10.在氮气气氛保护下回流，回流温度高于Sn-Ag焊料熔点温度。综上所述，本发明特征在于：
①所述的基板包括热氧化硅片、金属Al导电层、SiO2钝化层和金属种子层；
②电镀窗口尺寸大于钝化层开口尺寸，电镀窗口尺寸限定了凸点尺寸；
③焊料下方有数微米的凸点下金属层；通常金属层为Cu层，也可以用Ni取代；
④焊料由依次电镀的锡银和铟组成，铟在焊料中的含量可由镀层厚度来调控；
⑤多余的金属种子层由湿法腐蚀去除，且腐蚀溶液对锡银和铟均无腐蚀性；
⑥在氮气气氛保护下，在锡银焊料熔点温度以上回流焊料。
由此可见，本发明的提供的方法是与IC制作工艺兼容，充分发挥了电镀法制备凸点所具备的可最大限度地减小凸点尺寸、降低凸点节距、产量高、成本低等优势，所制备的凸点最小直径可达40微米，凸点节距100微米。同时由于采用分步电镀Sn-Ag和In之后回流的工艺，避开了研制Sn-Ag-In三元合金电镀液所面临的巨大困难，并且In在凸点中的含量可以通过调节其电镀高度来调节。因此，该发明在多功能、高密度和小型化微电子封装领域具有广阔的应用前景。
附图说明
图1是Sn-Ag-In三元凸点制备流程图。(a)在硅片上热氧化形成一层SiO2，并溅射Al；(b)光刻Al焊盘；(c)Al腐蚀形成Pad；(d)PECVD沉积钝化层；(e)光刻钝化层开口图形；(f)IBE干法刻蚀钝化层开口；(g)溅射金属粘附层和电镀种子层；(h)厚胶光刻电镀窗口图形；(i)依次电镀凸点下金属层、Sn-Ag焊料和In焊料；(j)去除厚胶和多余的金属粘附层以及电镀种子层；(k)回流形成凸点。
101——硅片，102——热氧化SiO2层，103——Al导电层，104——光刻Al焊盘图形，105——Al焊盘，106——钝化层，107——光刻钝化层开口图形，108——钝化层开口，109——金属粘附层和电镀种子层，110——电镀窗口图形，111——凸点下金属层，112——Sn-Ag焊料，113——In焊料，114——去除厚胶、多余粘附层和电镀种子层，115——凸点。
图2是所制备的Sn-Ag-In三元凸点阵列的SEM照片，(a)低倍数SEM照片，(b)高倍数SEM照片。
图3是所制备的Sn-Ag-In三元凸点截面的SEM照片及元素分布图，(a)截面的SEM照片，(b)Sn元素分布图，(c)Ag元素分布图，(d)In元素分布图，(e)Cu元素分布图。
具体实施方式
为了能使本发明的优点和积极效果得到充分体现，下面结合附图1和实施例对本发明实质性特点作进一步说明。本发明采用分步电镀法在芯片基板上电镀无铅焊料。具体分两大步：
一、采用IC工艺制备基板：
(1)首先将单面抛光N型或P型(100)硅片进行标准清洗，然后进行热氧化处理，氧化硅层102厚度约0.6微米；
(2)真空溅射Al导电层103，厚度约为0.6微米，且Al导电层与氧化硅层间有良好的粘附性(a)；
(3)采用正型光刻胶LC100A光刻出Al焊盘图形104(b)，在H3PO4溶液中进行Al腐蚀，温度45℃，腐蚀速率0.35μm/min，形成Al焊盘105(c)；
(4)PECVD沉积SiO2钝化层106(d)，沉积厚度0.3微米，之后光刻出钝化层开口图形107(e)，采用IBE干法刻蚀钝化层开口，刻蚀速率0.06μm/min，刻蚀时间6分钟，形成钝化层开口108(f)，其直径约70微米；露出Al焊盘；
(5)真空溅射金属粘附层TiW和电镀种子层Cu109，厚度分别为0.05微米和0.2微米，TiW与SiO2和Al之间粘附性良好(g)；
二、在所述的基板上制作凸点：
(1)涂覆AZ9260型厚光刻胶，旋转速度600r/min，旋转时间30秒，涂覆后室温静置10分钟，胶厚30微米；随后曝光，光强18mW/cm2，曝光时间100秒；最后显影，显影溶液为25vol.％AZ400k+75vol.％水，显影时间90～100秒，所得电镀窗口110直径约80微米(h)；
(2)在室温条件下依次电镀凸点下金属层Cu 111，Sn-Ag焊料112和In焊料113(i)，镀层厚度分别为3-5微米、40～41微米和4～5微米，Cu电镀时电流密度为20mA/cm2，电镀速率约为10μm/h，Sn-Ag电镀电流密度为20mA/cm2，电镀速率为12μm/h，In电镀电流密度为10mA/cm2，电镀速率约为13μm/h，电镀之前打底膜以去除残留光刻胶等有机杂质，电镀完毕去除厚光刻胶；
(3)室温下去除多余种子层和金属粘附层114(j)，腐蚀溶液为15vol.％H2O2+85vol.％NH3·H2O，该溶液对Sn-Ag和In焊料均无腐蚀性，腐蚀时间为8～15秒；
(4)涂覆5RMA型铟助焊剂后回流，采用五段式回流炉，选用氮气气氛，各温区温度值分别为80℃、160℃、200℃、260℃和80℃，每个温区保温时间30秒，相邻两温区时间间隔15秒，回流后去除残留助焊剂，最后依次用丙酮、无水乙醇和水彻底清洗凸点。
经上述工艺过程制备的三元凸点，尺寸均匀，表面光洁度好(如图2所示)，凸点中元素分布均匀，凸点和凸点下金属层截面润湿良好(如图3所示)，可靠性高，具有重要的应用前景。

Claims (10)

1.一种制备Sn-Ag-In三元无铅倒装凸点的方法，其特征在于采用分步电镀法在基板上电镀三元无铅焊料，分为两大步：
A.采用IC工艺制备基板：
首先将硅片进行热氧化处理形成一层SiO2，随后正面溅射Al金属导电层，光刻腐蚀形成铝焊盘，之后利用PECVD再沉积一层SiO2钝化层，并光刻、干法腐蚀出钝化层开口，露出吕焊盘；之后溅射TiW/Cu分别作为粘附层和电镀种子层；
B.在所属的基板上制作凸点：
在步骤A制作的基板上接着进行厚胶光刻，并光刻出电镀窗口，然后依次电镀Cu、Sn-Ag和In焊料，电镀完毕后由湿法腐蚀方法去除厚胶和多余的种子层金属，最后回流焊料形成凸点。
2.按权利要求1所属的方法，其特征在于具体步骤是：
A.采用IC工艺制备基板：
(1)首先将单面抛光N型或P型(100)硅片进行标准清洗，然后进行热氧化处理生成，氧化硅层；
(2)正面真空溅射Al导电层，且Al导电层与步骤(1)生成的氧化硅层间有良好的粘附性；
(3)采用正型光刻胶LC100A光刻出Al焊盘图形，并在H3PO4溶液中进行Al腐蚀，形成Al焊盘；
(4)PECVD沉积SiO2钝化层，之后光刻出钝化层开口图形并采用IBE干法刻蚀形成钝化层开口；
(5)真空溅射金属粘附层TiW和电镀种子层Cu；
B.在所述的基板上制作凸点：
(1)涂覆AZ9260型厚光刻胶，随后曝光，最后显影，制作出电镀窗口；
(2)在室温条件下依次电镀凸点下金属层Cu、Sn-Ag焊料和In焊料，镀层厚度分别为3-5微米、40～41微米和4～5微米；电镀之前打底膜以去除残留光刻胶等有机杂质，电镀完毕由湿法腐蚀方法去除厚光刻胶；
(3)室温下由湿法腐蚀去除多余种子层和金属粘附层，腐蚀溶液为15vol.％H2O2+85vol.％NH3·H2O，该溶液对Sn-Ag和In焊料均无腐蚀性；
(4)涂覆5RMA型铟助焊剂后回流，采用五段式回流炉，选用氮气气氛，各温区温度值分别为80℃、160℃、200℃、260℃和80℃，每个温区保温时间30秒，相邻两温区时间间隔15秒，回流后去除残留助焊剂，最后依次用丙酮、无水乙醇和水彻底清洗凸点。
3.按权利要求2所述的方法，其特征在于所述的A步骤中：
a)所述的热氧化处理工艺为湿法或干法，SiO2层厚度为0.5-1.0微米；
b)所述的真空溅射的Al导电层厚度为0.5-2.0微米；
c)步骤(3)中所述的H3PO4溶液中腐蚀温度为45℃；
d)所述的PECVD沉积的SiO2钝化层厚度为0.2-1.0微米；采用干法刻蚀形成钝化层开口的刻蚀速率为0.06μm/mm，刻蚀时间为6分钟；
e)步骤(5)中真空溅射的金属粘附层厚度为0.05-0.1微米，作为电镀种子层的Cu层厚度为0.2-0.5微米；
f)所述的基板包括热氧化硅片、金属Al导电层、SiO2钝化层和金属种子层组成。
4.按权利要求3所述的方法，其特征在于所述的SiO2钝化层开口直径为70微米。
5.按权利要求2所述的方法，其特征在于所述的步骤B中：
a)步骤(1)中涂敷厚光刻胶的旋转速度为600r/min，旋转时间30秒，胶厚30微米；
b)步骤1中曝光光强18mW/cm2，曝光时间100秒；显影液为25vol％AZ400K+75vol％水，显影时间为90-100秒；
c)步骤2中
i)所述的Cu电镀工艺是在商用的Cu电镀液中进行，电流密度为20mA/cm2～30mA/cm2，电镀速率约为10μm/h～15μm/h；
ii)所述的Sn-Ag电镀工艺在Schlotter公司生产的SLOTOLOY SNA30镀液中进行，电流密度在15mA/cm2～25mA/cm2，电镀速率控制在10μm/h～14μm/h范围；
iii)所述的In电镀工艺是在氨基磺酸铟溶液中进行，电流密度范围为8mA/cm2～12mA/cm2，电镀速率约为10μm/h～15μm/h，Sn-Ag与In镀层总厚度与电镀窗口直径和凸点节距相关。
6.按权利要求2所述的方法，其特征在于所述的电镀窗口至少大于SiO2钝化层开口半径10微米，并距Al焊盘边缘最少6微米。
7.按权利要求2所述的方法，其特征在于回流后形成凸点高度与电镀窗口直径相当，等于凸点节距的1/3-1/2。
8.按权利要求7所述的方法，其特征在于凸点最小直径为40微米，凸点节距为100微米。
9.按权利要求3或5所述的方法，其特征在于凸点下的金属层Cu或为Ni，厚度为3-5微米。
10.按权利要求1或2所述的方法，其特征在于铟在焊料中的含量可由镀层厚度来控制。
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