CN102306631A - 一种基于电镀工艺改善Sn-Ag焊料性能的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于电镀工艺改善Sn-Ag焊料性能的方法，其特征在于首先以硅片为基底，热氧化形成二氧化硅绝缘层，在二氧化硅绝缘层上真空溅射TiW/Cu，之后依次电镀Cu或Ni、Sn-Ag和In，Cu层厚度为3-5微米，而后Sn-Ag焊料电镀之后接着电镀约为Sn-Ag焊料厚度1/10的In。最后回流以促使Sn、Ag和In原子混合均匀。本发明针对微电子封装中Cu与Sn-Ag之间焊接温度高、Sn-Ag焊料润湿性差以及焊料中容易出现大块Ag3Sn等缺陷，结合微电子封装中经常使用的电镀工艺，采用在Sn-Ag电镀之后接着电镀一薄层In的方法很好地解决了Sn-Ag焊料的上述缺陷。

Description

一种基于电镀工艺改善Sn-Ag焊料性能的方法
技术领域
本发明涉及一种基于电镀工艺改善Sn-Ag焊料性能的方法，属于微电子封装领域。
背景技术
电子工业的无铅化使得传统Sn-Pb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，这是由其良好的机械强度和抗疲劳性能所决定的。然而，Sn-Ag焊料熔点高，润湿性较差，并且焊料中容易生成大块状的Ag3Sn缺陷，这些问题在块体材料中由于对焊料性能的负面影响有限或许不为人关注，但是在电子封装中由于焊料经常需要和Cu等金属层连接，如果焊料熔点较高，则其相应的回流温度也被迫提高，这将对器件性能的发挥产生不利影响；如果焊料润湿性较差，则会在焊料/Cu界面处产生孔洞，进而对连接可靠性构成潜在的危害；再者，随着电子封装向多功能、高密度方向的发展，焊料尺寸越来越小，如果在焊料中出现大块状的Ag3Sn，则会对焊料机械强度和抗疲劳性能造成严重危害。因此，如何避免上述缺陷的产生成为研究者关注的焦点。
经过多年研究，人们发现，Sn-Ag焊料中加入一些第三组元如Cu、Bi、Zn、In、Sb等可以不同程度地降低焊料熔点并改善焊料微观组织结构，其中尤以In的加入效果最为显著。遗憾的是，之前关于改善焊料性能的做法大多是将不同组元的纯金属按照一定的质量比重新熔化混合，该方法对于块体材料的制备简单易行，但是如何将经改善的具有优异性能的焊料“转移”到小尺寸尤其是高密度微小尺寸电子封装中成为焊料广泛应用的瓶颈。
发明内容
本发明提供了一种基于电镀工艺改善Sn-Ag焊料性能的方法。
本发明所采取的技术方案是：首先将硅片进行热氧化处理形成一层SiO2，随后溅射TiW/Cu分别作为粘附层和电镀种子层，接着依次电镀Cu或Ni作为焊料下金属层，然后依次电镀作为焊料的Sn-Ag和In，最后回流以促使Sn、Ag和In元素之间相互混合均匀。
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.热氧化处理工艺为通用的湿法工艺或干法工艺，形成的SiO2层的厚度为0.5～1.0微米；
3.然后在SiO2层上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；
4.电镀3～5微米Cu或Ni作为焊料下金属层，在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作为焊料下金属层，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；
5.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，电镀速率在10μm/h～14μm/h，In电镀工艺在氨基磺酸铟溶液中进行，电流密度为8mA/cm2～12mA/cm2，电镀速率约为10μm/h～15μm/h，Sn-Ag与In镀层总厚度控制在40μm～60μm，In镀层厚度约为Sn-Ag镀层厚度的1/10；
6.在氮气气氛保护下回流，回流温度高于Sn-Ag焊料熔点温度。
很明显本发明所提供的基于电镀工艺以改善Sn-Ag焊料性能的工艺是与IC制作工艺兼容，同时兼顾电子封装中广泛使用的Cu、Ni等金属层与Sn基焊料之间的互连，工艺简单，可行性高。采用电镀工艺沉积不同金属层一方面是由于该方法在电子工业中应用极广且工艺成熟，另一方面则由于电镀工艺几乎不受样品尺寸和外观形貌影响，同时可借助光刻工艺对金属层形貌、尺寸、分布等进行精确规划，换句话说，本发明潜在的应用领域可拓展到带有不同图形的功能器件上，因此十分适用于多功能、高密度微电子封装。
综上所述，本发明针对微电子封装中Cu与Sn-Ag之间焊接温度高、Sn-Ag焊料润湿性差以及焊料中容易出现大块Ag3Sn等缺陷，结合微电子封装中经常使用的电镀工艺，采用在Sn-Ag电镀之后接着电镀一薄层In的方法很好地解决了Sn-Ag焊料的上述缺陷。
附图说明
图1是基于电镀工艺改善Sn-Ag焊料性能的示意图。(a)在硅片上热氧化形成一层SiO2，并溅射TiW/Cu，随后依次电镀Cu、Sn-Ag和In；(b)回流以促使Sn、Ag、In等元素相互混合均匀。
图中，101——硅片，102——热氧化SiO2层，103——溅射TiW/Cu和电镀Cu，104——电镀Sn-Ag焊料，105——电镀In焊料，106——回流后得到的Sn-Ag-In三元焊料。
图2是Sn-Ag焊料性能改善前后试样的DSC曲线。
图3是Sn-Ag焊料性能改善前后试样截面的SEM照片，(a)未电镀In的试样回流后截面的SEM照片，(b)未电镀In的试样回流后局部放大的截面SEM照片，(c)电镀In的试样回流后截面的SEM照片，(d)电镀In的试样回流后局部放大的截面SEM照片。
图4是Sn-Ag焊料性能改善前后试样的XRD图谱。
具体实施方式
下面结合附图1和实施例对本发明实质性特点和显著的进步作进一步说明，实施例中将对比Sn-Ag焊料性能改善前后的情况，以使本发明的优点和积极效果得到充分体现。
本发明提供的改善Sn-Ag焊料性能的方法的具体步骤是：
(1)首先将单面抛光N型(100)硅片或P型(100)硅片101进行标准清洗，然后进行热氧化处理，生成的氧化硅层102厚度约0.6微米；
(2)在生成的SiO2层上用真空溅射方法溅射金属粘附层TiW和电镀种子层Cu，它们的厚度分别为0.05微米和0.2微米，TiW与氧化硅层之间粘附性良好，随后在室温条件下电镀3微米Cu(103)，Cu电镀时电流密度为20mA/cm2，电镀速率约为10μm/h；
(3)室温条件下依次电镀Sn-Ag焊料104和In焊料105，为便于说明问题，试样分为有电镀In层和无电镀In层两种，即经过改善的和未经过改善的两种，其中经过改善的试样中Sn-Ag镀层厚度为40～41微米，In镀层厚度为4～5微米，而未经过改善的试样中Sn-Ag镀层厚度约为45微米，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基板表面的杂质；
(4)采用五段式回流炉在氮气气氛保护下回流镀层，对于不含In的焊料镀层，各温区温度分别为80℃、160℃、200℃、260℃和80℃，对于含In的焊料镀层，各温区温度值分别为80℃、160℃、200℃、240℃和80℃，每个温区保温时间30秒，相邻温区时间间隔15秒，回流后含In的焊料如图1中106。
经上述简单工艺过程后，含In的Sn-Ag焊料表现出良好的性能。DSC测试表明，加入In后Sn-Ag焊料的熔点从220.7℃降为204℃，焊料的过冷度从39℃降为23℃(如图2所示)，焊料过冷度的降低有利于凝固过程中β-Sn的优先形核和长大，从而对改善焊料微观组织结构有着积极的作用；经改善后的焊料对Cu基体的润湿性大大提高(如图3a、c所示，加入In后焊料对Cu基体的接触角大大降低)，未加In时，Sn-Ag焊料/基体界面处存在较多的孔洞，且焊料中出现大块状Ag3Sn贯穿于整个焊料基体(如图3b所示)，而加入In之后，上述缺陷均消失，焊料/基体界面结合良好(如图3d所示)；如图4所示的XRD测试结果表明，加入In之后未发现Ag3Sn的衍射峰，这进一步证实了In的加入对Ag3Sn生长的有效抑制作用。

Claims (10)

1.一种基于电镀工艺改善Sn-Ag焊料性能的方法，其特征在于：
(1)首先在硅片上热氧化形成一层二氧化硅，接着在形成的二氧化硅层上溅射TiW/Cu，分别作为粘附层和电镀种子层；
(2)在电镀种子层上电镀Cu或Ni作为焊料下金属层，然后依次电镀作为焊料的Sn-Ag和In，之后回流镀层，以促使Sn、Ag和In不同原子相互混合均匀。
2.按权利要求1所述的方法，其特征在于所述的硅片为N型或P型(100)硅片。
3.按权利要求1所述的方法，其特征在于热氧化形成的二氧化硅层厚度为0.5-1.0微米。
4.按权利要求1所述的方法，其特征在于作为粘附层的TiW厚度为0.05-0.1微米，作为电镀种子层的Cu厚度为0.2-0.5微米。
5.按权利要求1所述的方法，其特征在于焊料下金属层Cu或Ni厚度为3-5微米。
6.按权利要求5所述的方法，其特征在焊料下金属层为Cu。
7.按权利要求1、5或6所述的方法，其特征在于Cu作为焊料下金属层的工艺是在商用Cu电镀液中进行的，电流密度为20mA/cm2-30mA/cm2，电镀速率为10-15μm/h。
8.按权利要求1所述的方法，其特征在于作为焊料Sn-Ag镀层与In镀层的总厚度为40-60μm，In镀层厚度为Sn-Ag镀层厚度的1/10。
9.按权利要求1或8所述的方法，其特征在于：
(1)Sn-Ag电镀是在Schlotter公司生产的SLOTOLOY SNA30镀液中进行，电流密度在15mA/cm2～25mA/cm2，电镀速率为10μm/h～14μm/h；
(2)In电镀是在氨基磺酸铟溶液中进行，电流密度为8mA/cm2～12mA/cm2，电镀速率为10μm/h～15μm/h。
10.按权利要求1所述的方法，其特征在于采用五段式回流炉在Sn-Ag焊料熔点以上且在氮气氛保护下回流镀层，各温区温度值分别为80℃、160℃、200℃、240℃和80℃，每个温度保温30秒，相邻温度时间间隔15秒。
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