CN102248241B - 含Co基薄膜的凸点底部金属层与无铅焊点连接的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种含Co基薄膜的凸点底部金属层与无铅焊点连接的方法，包括：制备基板，将选取的基板用超声波清洗并烘干；在基板上制备凸点底部金属层；将无铅焊料添加在凸点底部金属层上；将带有无铅焊料的基板放入回流焊炉中进行焊接。本发明改进了凸点底部金属层的结构，解决了现有技术中无铅焊料与凸点底部金属层连接后构成的无铅焊点可靠性差、焊点极易发生疲劳和蠕变的问题。

Description

含Co基薄膜的凸点底部金属层与无铅焊点连接的方法
技术领域
本发明属于微电子封装的技术领域，特别涉及一种含Co基薄膜的凸点底部金属层与无铅焊点连接的方法。
背景技术
随着电子产品不断向小型化、高密度化、大功率化发展，微电子封装技术也在不断革新。焊点作为电、热和机械连接的通道，其可靠性已成为新一代电子产品使用的核心问题之一。焊点在服役过程中伴随着循环的电、热、机械应力等作用，极易发生疲劳和蠕变，因此，如何提高它的可靠性变得非常迫切。
近年来，欧洲、日本、中国和美国等都已经出台法规分阶段限制含铅焊料的使用，微电子行业向绿色环保型制造业的转变已成为全球发展的必然趋势，由此导致焊料向环保型即无铅焊料转变也成为微电子封装材料发展的必然趋势。与传统含铅焊料相比，无铅焊料与衬底上的凸点底部金属层(UnderBump Metal)连接后所构成的焊点具有很多缺点，例如无铅焊料在凸点底部金属层的浸润性差，两者反应所形成的金属间化合物容易使焊点的可靠性降低等。如何提高无铅焊料焊点的可靠性已成为当今微电子封装领域一个重要的研究热点。
根据已有的研究结果，焊点要想具有好的可靠性，它所连接的凸点底部金属层需要满足三个要求：能够与衬底很好附着；能够被焊料浸润，但不能迅速熔于焊料；能够阻挡焊料扩散。因此，如何改进凸点底部金属层的结构、性能或探索新型金属层是实现无铅焊料焊点可靠性的关键。
如图1所示，是现有技术中凸点底部金属层与无铅焊料的连接结构示意图。基座11上方设置有凸点底部金属层，凸点底部金属层上方焊接有无铅焊料15。凸点底部金属层从下往上依次是：粘结层12、扩散阻挡层13和浸润层14，粘结层12为Ti(钛)膜，扩散阻挡层13为Ni-P(镍-磷)膜，浸润层14为Au(金)膜。
目前，工业上广泛使用的凸点底部金属层主要是化学镀镍金，但是，虽然镍金作为凸点底部金属层结构所需要的金层仅约为100nm，但这仍然是工业生产中非常昂贵的成本，因此，镍基材料(Ni-P，Ni-Zn-P)等具有不同成分的材料作为凸点底部金属层也不断被探索和研究。然而，无铅焊料与镍基薄膜凸点底部金属层通过热反应连接后，很容易在界面处形成Ni3P(镍三磷)层，从而导致焊点在循环热、电、机械作用下失效；Co(钴)基薄膜已被证实是一层非常好的阻挡扩散层，因此，利用Co基薄膜作为凸点底部金属层与无铅焊料连接将是未来新的发展趋势。
发明内容
本发明提供一种含Co基薄膜的凸点底部金属层与无铅焊点连接的方法，改进了凸点底部金属层的结构，解决了现有技术中无铅焊料与凸点底部金属层连接后构成的无铅焊点可靠性差、焊点极易发生疲劳和蠕变的问题。
技术内容如下：
一种含Co基薄膜的凸点底部金属层与无铅焊点连接的方法，包括：
制备基板，将选取的基板用超声波清洗并烘干；
在所述基板上制备凸点底部金属层；
将无铅焊料添加在所述凸点底部金属层上；
将所述带有无铅焊料的基板放入回流焊炉中进行焊接。
进一步：所述凸点底部金属层从下往上依次是：Ti膜、Cu膜和Co基薄膜。
进一步：所述Ti膜的厚度为50nm；所述Cu膜的厚度为200nm，所述Cu膜的表面粗糙度为5-10nm。
进一步：所述Co基薄膜的厚度为2～4μm，所述Co基薄膜的表面粗糙度在3.5～10nm之间，所述Co基薄膜的颗粒尺寸在17～100nm之间，所述Co基薄膜的Co元素的含量在70～96％之间，所述Co基薄膜与所述Cu膜之间的界面结合在36～70mN之间。
进一步：利用电镀或化学镀的方法在Cu膜上覆盖厚度为2μm的Co基薄膜；Co基薄膜的表面粗糙度为10nm，颗粒尺寸为30nm，Co元素的含量为96％，Co基薄膜与Cu膜之间的界面结合力为70mN。
进一步：利用电镀或化学镀的方法在Cu膜上覆盖厚度为3μm的Co基薄膜；Co基薄膜的表面粗糙度为4nm，颗粒尺寸为17nm，Co元素的含量为85％，Co基薄膜与Cu膜之间的界面结合力为54mN。
进一步：利用电镀或化学镀的方法在Cu膜上覆盖厚度为4μm的Co基薄膜；Co基薄膜的表面粗糙度为3.5nm、颗粒尺寸为50nm、Co元素的含量为70％，Co基薄膜与Cu膜之间的界面结合力为36mN。
进一步：将所述制备有凸点底部金属层的基板用超声波清洗并烘干后平行放置，将Sn-Ag-Cu无铅焊料加入到所述Co基薄膜上。
进一步：将氮气或惰性气体通入所述回流焊炉中，所述回流焊接的次数为1-3次。
进一步：所述回流焊炉的最高温度为256～257度。
技术效果如下：
1、本发明改变了凸点底部金属层的结构，使无铅焊点不易发生疲劳和蠕变。
2、本发明增强了无铅焊料在凸点底部金属层的浸润性，无铅焊点的可靠性稳定。
3、本发明改变了现有技术中镀镍金的方法，代为使用Co基薄膜，使整个生产成本降低。
4、使用本发明制作的凸点底部金属层能够与衬底很好附着，并且能够阻挡焊料扩散。
5、本发明的工艺简单，操作方便，技术参数可控性强。
附图说明
图1是现有技术中凸点底部金属层与无铅焊料的连接结构示意图；
图2是本发明中凸点底部金属层与无铅焊料的连接结构示意图；
图3a是本发明中优选实施例1中Co基凸点底部金属层与无铅焊料连接后横切面的扫描电镜图片；
图3b是本发明中优选实施例1中Co基凸点底部金属层与无铅焊料连接后横切面的EDS能谱线性扫描分析图；
图4a是本发明中优选实施例2中Co基凸点底部金属层与无铅焊料连接后横切的扫描电镜图片；
图4b是本发明中优选实施例2中Co基凸点底部金属层与无铅焊料连接后横切面的EDS能谱线性扫描分析图；
图5a是本发明中优选实施例3中Co基凸点底部金属层与无铅焊料连接后横切面的扫描电镜图片；
图5b是本发明中优选实施例3中Co基凸点底部金属层与无铅焊料连接后横切面的EDS能谱线性扫描分析图。
具体实施方式
下面结合附图和优选实施例，对本发明的技术方案做详细描述。
首先，制备基板。如图2所示，是本发明中凸点底部金属层与无铅焊料的连接结构示意图。选取厚度约为1mm，成分为Si/SiO2(硅/二氧化硅，其中SiO2的厚度为300nm)的基板21，将选取的基板21用超声波清洗并烘干。
其次，在基板上制备凸点底部金属层。凸点底部金属层从下往上依次是：Ti膜24、Cu(铜)膜25和Co基薄膜26；粘结层是由Ti膜24和Cu膜25构成的双层膜结构组成，扩散阻挡层和浸润层是由Co基薄膜26组成，使用物理沉积的方法在基板上沉积厚度为50nm的Ti膜24；之后在使用物理沉积的方法在Ti膜24上沉积厚度为200nm的Cu膜25，使用电化学方法对Cu膜25表面进行处理，使Cu膜25的表面粗糙度为5-10nm；将制备有Cu膜25的基板21用超声波清洗并烘干，利用电镀或化学镀的方法在Cu膜25上覆盖厚度约为2μm-4μm的Co基薄膜26；Co基薄膜26的表面粗糙度小于10nm、颗粒尺寸小于100nm、Co元素的含量为70～96％(原子百分比)，Co基薄膜26与Cu膜25之间的界面结合力大于20mN。
再次，将无铅焊料添加在凸点底部金属层上。将制备有凸点底部金属层的基板21用超声波清洗并烘干后平行放置，根据所需焊点的大小将Sn-Ag-Cu(锡-银-铜)无铅焊料15加入到Co基薄膜26上。
最后，将带有无铅焊料的基板放入回流焊炉中进行焊接。将带有无铅焊料15的基板21平行放入回流焊炉，关闭炉门并通入氮气或者惰性气体，打开回流焊炉进行回流焊接，回流焊接的次数为1-3次，便可制得浸润性好、抗蠕变能力强、可靠性强的无铅焊点15。其中，回流焊炉的加热参数如下表所示。
Figure BDA0000062086090000061
优选实施例1
步骤1：制备基板。
选取厚度约为1mm，成分为Si/SiO2(硅/二氧化硅，其中SiO2的厚度为300nm)的基板21，将选取的基板21用超声波清洗并烘干。
步骤2：在基板上制备凸点底部金属层。
使用物理沉积的方法在基板21上沉积厚度为50nm的Ti膜24；之后在使用物理沉积的方法在Ti膜24上沉积厚度为200nm的Cu膜25，使用电化学方法对Cu膜25表面进行处理，使Cu膜25的表面粗糙度为5nm；将制备有Cu膜25的基板21用超声波清洗并烘干，利用电镀或化学镀的方法在Cu膜25上覆盖厚度为2μm的Co基薄膜26；Co基薄膜26的表面粗糙度为10nm、颗粒尺寸为30nm、Co元素的含量为96％，Co基薄膜26与Cu膜25之间的界面结合力为70mN。
步骤3：将无铅焊料添加在凸点底部金属层上。
将制备有凸点底部金属层的基板21用超声波清洗并烘干后平行放置，将0.5g的Sn-Ag-Cu无铅焊料15加入到Co基薄膜26上。
步骤4：将带有无铅焊料的基板放入回流焊炉中进行焊接。
将带有无铅焊料15的基板21平行放入回流焊炉，关闭炉门并通入氮气，打开回流焊炉进行焊接，焊接的次数为1次，便可制得浸润性好、抗蠕变能力强、可靠性强的无铅焊点15。回流焊炉的加热参数为：最高加热温度为256℃。
如图3a和图3b所示，由图3a可知，凸点底部金属层在基板21与无铅焊点15间形成了稳定连接的粘结层、扩散阻挡层和浸润层结构，在Co基薄膜26与无铅焊料15接触的位置形成了一层大约500nm厚度的Co-Sn金属间化合物层31。图3a中的白线为图3b中的EDS线性扫描范围，通过图3b能谱线性扫描分析的结果可知，扩散阻挡层和浸润层的成分主要是96％(原子百分比)的Co和4％(原子百分比)的P，与焊接前Co基薄膜26的成分一致，这表明Co基薄膜26对无铅焊料15的扩散具有很好的阻挡作用，同时，从图3b的成分分析中可知，有一部分的Co元素已经向无铅焊料扩散，而无铅焊料15中的Sn元素已经扩散到了Co基薄膜26，另外，说明Co基薄膜26对无铅焊料15具有很好的浸润作用。
优选实施例2
步骤1：制备基板。
选取厚度约为1mm，成分为Si/SiO2(硅/二氧化硅，其中SiO2的厚度为300nm)的基板21，将选取的基板21用超声波清洗并烘干。
步骤2：在基板上制备凸点底部金属层。
使用物理沉积的方法在基板21上沉积厚度为50nm的Ti膜24；之后在使用物理沉积的方法在Ti膜24上沉积厚度为200nm的Cu膜25，使用电化学方法对Cu膜25表面进行处理，使Cu膜25的表面粗糙度为10nm；将制备有Cu膜25的基板21用超声波清洗并烘干，利用电镀或化学镀的方法在Cu膜25上覆盖厚度为3μm的Co基薄膜26；Co基薄膜26的表面粗糙度为4nm、颗粒尺寸为17nm、Co元素的含量为85％，Co基薄膜26与Cu膜25之间的界面结合力为54mN。
步骤3：将无铅焊料添加在凸点底部金属层上。
将制备有凸点底部金属层的基板用超声波清洗并烘干后平行放置，将0.5g的Sn-Ag-Cu无铅焊料15加入到Co基薄膜26上。
步骤4：将带有无铅焊料的基板放入回流焊炉中进行焊接。
将带有无铅焊料15的基板21平行放入回流焊炉，关闭炉门并通入惰性气体，打开回流焊炉进行焊接，焊接的次数为1次，便可制得浸润性好、抗蠕变能力强、可靠性强的无铅焊点15。回流焊炉的加热参数为：最高加热温度为257℃。
如图4a和图4b所示，由图4a可知，凸点底部金属层在基板21与无铅焊点15间形成了稳定连接的粘结层、扩散阻挡层和浸润层结构，图4a中的白线为图4b中的EDS线性扫描范围，由Co基薄膜26组成的扩散阻挡层和浸润层分成了三个不同成分的层，它们分别是未反应层41，富P层42以及Co-Sn金属间化合物层31，由图4b可知，而富P层42的形成主要是由于Co元素向无铅焊料15扩散后的结果，Co-Sn金属间化合物层31主要是因为Sn向Co基薄膜26扩散的结果，这说明Co基薄膜26对无铅焊料15不但具有很好的扩散阻挡作用，同时也说明Co基薄膜26对无铅焊料15具有很好的浸润作用。
优选实施例3
步骤1：制备基板。
选取厚度约为1mm，成分为Si/SiO2(硅/二氧化硅，其中SiO2的厚度为300nm)的基板21，将选取的基板21用超声波清洗并烘干。
步骤2：在基板上制备凸点底部金属层。
使用物理沉积的方法在基板21上沉积厚度为50nm的Ti膜24；之后在使用物理沉积的方法在Ti膜24上沉积厚度为200nm的Cu膜25，使用电化学方法对Cu膜25表面进行处理，使Cu膜25的表面粗糙度为10nm；将制备有Cu膜25的基板用超声波清洗并烘干，利用电镀或化学镀的方法在Cu膜25上覆盖厚度为4μm的Co基薄膜26；Co基薄膜26的表面粗糙度为3.5nm、颗粒尺寸为50nm、Co元素的含量为70％，Co基薄膜26与Cu膜25之间的界面结合力为36mN。
步骤3：将无铅焊料添加在凸点底部金属层上。
将制备有凸点底部金属层的基板21用超声波清洗并烘干后平行放置，将1g的Sn-Ag-Cu无铅焊料15加入到Co基薄膜26上。
步骤4：将带有无铅焊料的基板放入回流焊炉中进行焊接。
将带有无铅焊料15的基板21平行放入回流焊炉，关闭炉门并通入惰性气体，打开回流焊炉进行焊接，焊接的次数为3次，便可制得浸润性好、抗蠕变能力强、可靠性强的无铅焊点15。回流焊炉的加热参数为：最高加热温度为256℃。
如图5a和图5b所示，由图5a可知，凸点底部金属层在基板21与无铅焊点15间形成了稳定连接的粘结层、扩散阻挡层和浸润层结构，图5a中的白线为图5b中的EDS线性扫描范围，由Co基薄膜26组成的扩散阻挡层和浸润层明显分成了两个不同成分的层，它们分别是未反应层41，以及Co-Sn金属间化合物层31，由图5b可知，Co-Sn金属间化合物层31主要是因为Sn向Co基薄膜26扩散的结果，这说明Co基薄膜26对无铅焊料15不但具有很好的扩散阻挡作用，同时也具有很好的浸润作用。
步骤2选用中选取Ti膜24和Cu膜25构成的双层膜结构作为粘结层是为了使与Si/SiO2片基板21连接的一面以及与Co基薄膜26连接的一面都具有很好的粘附性能，从而增强扩散阻挡层和浸润层与基板连接的稳定性；
步骤2中利用电化学方法对Cu膜25表面进行处理，使Cu膜25的表面粗糙度为5-10nm是为了增加Cu膜25表面的粗糙度，从而增强扩散阻挡层和浸润层与粘结层的粘附性。
步骤2中Co基薄膜26的Co元素的含量为70-96％，是为了保证焊接后的无铅焊点15与Co基薄膜26的接触位置可以形成一层稳定的Co-Sn金属间化合物层31(Co-Sn IMC(钴-锡金属间化合物))，增强无铅焊点15与Co基薄膜26连接的稳定性；Co基薄膜26的厚度应大于2μm是为了防止在焊接中由于Sn的扩散完全穿透Co基薄膜26而导致扩散阻挡层和浸润层的失效，从而降低无铅焊点15的可靠性；Co基薄膜26的表面粗糙度应小于10nm是为了防止由于粗糙度过大而使无铅焊料15中Sn的扩散不均匀，从而降低无铅焊点15的可靠性；Co基薄膜26的颗粒尺寸应小于100nm是为了防止由于颗粒较大而导致Co基薄膜26的力学性能变差，从而影响扩散阻挡层和浸润层的性能；Co基薄膜26与Cu膜25间的界面结合力应大于20mN是为了使粘结层与扩散阻挡层和浸润层之间具有较强的粘附性能，增加连接的稳定性。
步骤4中通入氮气或惰性气体进行保护是为了防止焊接过程中Co基薄膜26以及无铅焊料15被氧化，从而降低Co基薄膜26与无铅焊点15连接的可靠性；使Sn能充分扩散至Co基薄膜26并形成Co-Sn金属间化合物。

Claims (8)

1.一种含Co基薄膜的凸点底部金属层与无铅焊点连接的方法，包括：
制备基板，将选取的所述基板用超声波清洗并烘干；
在所述基板上制备凸点底部金属层；
将无铅焊料添加在所述凸点底部金属层上；
将所述带有无铅焊料的基板放入回流焊炉中进行焊接；
其中，所述凸点底部金属层从下往上依次是：Ti膜、Cu膜和Co基薄膜，所述Co基薄膜的厚度为2～4μm，所述Co基薄膜的表面粗糙度在3.5～10nm之间，所述Co基薄膜的颗粒尺寸在17～100nm之间，所述Co基薄膜的Co元素的含量在70～96%之间，所述Co基薄膜与所述Cu膜之间的界面结合力在36～70mN之间。
2.如权利要求1所述含Co基薄膜的凸点底部金属层与无铅焊点连接的方法，其特征在于：所述Ti膜的厚度为50nm；所述Cu膜的厚度为200nm，所述Cu膜的表面粗糙度为5-10nm。
3.如权利要求1所述含Co基薄膜的凸点底部金属层与无铅焊点连接的方法，其特征在于：利用电镀或化学镀的方法在C u膜上覆盖厚度为2μm的Co基薄膜；Co基薄膜的表面粗糙度为10nm，颗粒尺寸为30nm，Co元素的含量为96%，Co基薄膜与C u膜之间的界面结合力为70mN。
4.如权利要求1所述含Co基薄膜的凸点底部金属层与无铅焊点连接的方法，其特征在于：利用电镀或化学镀的方法在C u膜上覆盖厚度为3μm的Co基薄膜；Co基薄膜的表面粗糙度为4nm，颗粒尺寸为17nm，Co元素的含量为85%，Co基薄膜与C u膜之间的界面结合力为54mN。
5.如权利要求1所述含Co基薄膜的凸点底部金属层与无铅焊点连接的方法，其特征在于：利用电镀或化学镀的方法在C u膜上覆盖厚度为4μm的Co基薄膜；Co基薄膜的表面粗糙度为3.5nm、颗粒尺寸为50nm、Co元素的含量为70%，Co基薄膜与C u膜之间的界面结合力为36mN。
6.如权利要求1所述含Co基薄膜的凸点底部金属层与无铅焊点连接的方法，其特征在于：将所述制备有凸点底部金属层的基板用超声波清洗并烘干后平行放置，将Sn-Ag-Cu无铅焊料加入到所述Co基薄膜上。
7.如权利要求1所述含Co基薄膜的凸点底部金属层与无铅焊点连接的方法，其特征在于：将氮气或惰性气体通入所述回流焊炉中，所述回流焊接的次数为1-3次。
8.如权利要求1所述含Co基薄膜的凸点底部金属层与无铅焊点连接的方法，其特征在于：所述回流焊炉的最高温度为257度。
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