CN102709197A - 一种基于基板刻蚀方式的焊球凸点封装技术方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于微电子封装技术方法领域,特别涉及一种基于基板刻蚀方式的焊球凸点封装技术方法。该方法通过选取掩膜图案,在单晶硅片基板上刻蚀出相对应的结构形貌;然后在刻蚀区沉积一层Ti膜或Cr膜,接着再沉积一层Cu膜;利用电镀或者化学镀方法在Cu膜表面镀上一层Co基膜或者Ni基膜;接着放入回流焊炉,并通入氮气或惰性气体进行保护,进行回流焊接。本发明与传统焊球凸点技术相比,大大降低焊球所占的空间、减小电子元器件的体积以及增加半导体器件的集成度;增加了焊点与底部金属层的接触面积,从而增强了焊点与底部金属层的粘接强度以及焊球与基体的剪切强度,大大增加焊点的稳定性与可靠性,延长电子元器件和半导体器件的使用寿命。
Description
技术领域
本发明属于微电子封装技术方法领域,特别涉及一种基于基板刻蚀方式的焊球凸点封装技术方法。
背景技术
芯片和二级封装(PCB或基板)之间的连接,传统的方法是先将芯片粘接在一级封装的底座或芯片键合块上,再用金丝或铝丝连接芯片上的键合块和一级封装上的引线内端,通过一级封装上的外引线端实现芯片和二级封装间的电连接和器件的固定。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,从金属引线式(wire bonding)向球栅阵列式(ball grid array)、倒装式(flip-chip)等新兴封装技术发展。同时,为满足高速度、高性能、高引线数、高可靠、低功耗、小尺寸、低成本和更薄、更小、更轻的电子封装产品的发展要求,诸如倒装焊、基于载带自动焊(TAB)技术的BGA(金属TCP、S-FPAC、高密度QFP)等技术越来越多地应用于消费类电子产品中。
目前,电子产品中使用的封装形式多种多样,如DIP、PGA、SOP、QFP、BGA、CSP、FC、MCM和3D等,但芯片与外电路连接的方式,主要包括三种形式,即:丝焊(WB)、载带自动焊(TAB)和倒装焊(FCB)技术。丝焊(WB)的历史最悠久,应用最广泛,技术也最成熟,至今仍是各种封装互连的主流技术;载带自动焊(TAB)的应用与丝焊(WB)相比则较为有限,主要在薄膜晶体管显示器(TFT)和液晶显示器(LCD)电子产品中使用,其次在计算机、汽车电子、打印头、电子手表及医疗电子产品方面也有一定应用;倒装焊(FCB)技术则将成为未来封装互连的主流技术,近几年的发展尤其令人瞩目,在各类封装领域中FCB取代WB成为封装互连主流技术已是大势所趋。
芯片的倒装焊技术是在芯片的铝压焊块上做铅锡焊球,然后将这类芯片直接倒扣焊接在陶瓷基板上。与传统的线连接与载带连接相比,倒装芯片焊点技术具有明显的优点:如封装密度最高,具有良好的电和热性能,可靠性更好,成本更低等。图1所示为现有技术中焊球凸点方法的连接结构示意图,其中1为基板、2为钝化层、3为Ti膜粘接层、4为扩散阻挡层、5为浸润层、6为焊点。但是,由于倒装芯片焊点技术要在圆片上制作各类凸点,它们与基板焊接互连后,由于不同材料间的热失配可能造成凸点与基板间的互连发生失效,从而影响了器件的可靠性和使用寿命。目前,解决这一问题的通常做法是对芯片凸点与基板间进行下填充。但是,对芯片凸点与基板间进行下填充必然会增加工艺的复杂性及成本;另外,随着微电子行业向绿色环保型制造业的转变,焊料向环保型即无铅焊料转变已成为微电子封装材料发展的必然趋势,但是,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连接后所构成的焊点具有很多缺点,例如无铅焊料在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,形成的焊点剪切性能差等。
发明内容
针对现有技术不足,本发明提供了一种基于基板刻蚀方式的焊球凸点封装技术方法。
一种基于基板刻蚀方式的焊球凸点封装技术方法,其特征在于,该方法具体步骤如下:
(1)选取单面抛光的(110)晶面单晶硅片,经过超声清洗并烘干后作为基板;
(2)以Si3N4作为掩膜板材料,选取掩膜图案,通过湿法刻蚀技术或干法刻蚀技术进行刻蚀处理,获得与所选取掩膜图案相对应的结构形貌;
(3)把刻蚀好的单晶硅片经过超声清洗并烘干,在未经刻蚀处理的单晶硅片表面区域旋涂一层光刻胶,然后在刻蚀区利用物理沉积的方法沉积一层Ti膜或Cr膜,接着再沉积一层Cu膜,最后利用丙酮把硅片表面的光刻胶洗去;
(4)将沉积好粘结层后的单晶硅片经过超声清洗并烘干,利用电镀或者化学镀方法在Cu膜表面镀上一层Co基膜或者Ni基膜;
(5)将镀好Co基膜或Ni基膜的单晶硅片经过超声清洗并烘干后平行放置,把焊球或者焊料放置在Co基膜或Ni基膜上,接着平行放入回流焊炉,关闭炉门并通入氮气或惰性气体进行保护,最后利用回流焊炉进行回流焊接,制得抗蠕变能力强、抗冲击能力强以及高可靠性的焊点。
所述单晶硅片的直径为1英寸~10英寸,厚度为500 μm~600 μm。
所述掩膜图案为梯形、三角形、矩形和球形中的一种。
所述湿法刻蚀以KOH或者四甲基氢氧化铵作为腐蚀液;所述干法刻蚀以SF6溶液或CF4溶液作为腐蚀液。
所述刻蚀处理的刻蚀深度为5 μm~150 μm。
所述Ti膜或Cr膜的厚度为30 nm~50 nm。
所述Cu膜的厚度为150 nm~200 nm。
所述Co基膜或者Ni基膜的厚度为2 μm~5 μm。
所述回流焊接的次数为1次~3次。
本发明的有益效果为:
本发明与传统焊球凸点技术相比,由于采用了焊球嵌入基板的方式,可以大大降低焊球所占的空间、减小电子元器件的体积以及增加半导体器件的集成度;同时,由于采用基板刻蚀凹槽的方式,增加了焊点与底部金属层的接触面积,从而增强了焊点与底部金属层的粘接强度以及焊球与基体的剪切强度,可以大大增加焊点的稳定性与可靠性,延长电子元器件和半导体器件的使用寿命。
附图说明
图1为现有技术中焊球凸点方法的连接结构示意图。
图2为使用刻蚀技术在硅片上刻蚀出的梯形结构图案,其中图2a为梯形结构图案的俯视图,图2b为梯形结构图案的侧视剖面图。
图3为使用刻蚀技术在硅片上刻蚀出的三角形结构图案,其中图3a为三角形结构图案的俯视图,图3b为三角形结构图案的侧视剖面图。
图4为使用刻蚀技术在硅片上刻蚀出的矩形结构图案,其中图4a为矩形结构图案的俯视图,图4b为矩形结构图案的侧视剖面图。
图5为使用刻蚀技术在硅片上刻蚀出的球形结构图案,其中图5a为球形结构图案的俯视图,图5b为球形结构图案的侧视剖面图。
图6为梯形结构刻蚀图案与焊料的连接结构示意图。
图7为三角形结构刻蚀图案与焊料的连接结构示意图。
图8为矩形结构刻蚀图案与焊料的连接结构示意图。
图9为球形结构刻蚀图案与焊料的连接结构示意图。
图中标号:1-基板;2-钝化层;3-Ti膜粘接层;4-扩散阻挡层;5-浸润层;6-焊点;7-粘接层;8-扩散阻挡层和浸润层复合层。
具体实施方式
本发明提供了一种基于基板刻蚀方式的焊球凸点封装技术方法,下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。
实施例1
一种基于基板刻蚀方式的梯形焊球凸点封装技术方法,其具体步骤如下:
(1)选取单面抛光的(110)晶面单晶硅片,其直径为1英寸,厚度为500 μm,经过超声清洗并烘干后作为基板;
(2)以Si3N4作为掩膜板材料,选取梯形作为掩膜图案,以KOH溶液为腐蚀液,通过湿法刻蚀技术进行刻蚀处理,刻蚀深度为5 μm,刻蚀图案的尺寸为10 μm×10 μm,其剖面为梯形结构形貌,如图2所示;
(3)把刻蚀好的单晶硅片经过超声清洗并烘干,在未经刻蚀处理的单晶硅片表面区域旋涂一层光刻胶,然后在刻蚀区利用物理沉积的方法沉积一层厚度为30 nm的Ti膜,接着再沉积一层厚度为150 nm的Cu膜,最后利用丙酮把硅片表面的光刻胶洗去。
(4)将沉积好粘结层后的单晶硅片经过超声清洗并烘干,利用电镀方法在Cu膜表面镀上一层厚度为2 μm的Co基膜。
(5)将镀好Co基膜的单晶硅片经过超声清洗并烘干后平行放置,把SnAgCu无铅焊球放置在Co基膜上接着平行放入回流焊炉,关闭炉门并通入氮气进行保护,最后利用回流焊炉进行1次回流焊接,制得抗蠕变能力强、抗冲击能力强以及高可靠性的梯形焊点,如图6所示,其中1为基板、6为焊点、7为Ti-Cu膜粘接层、8为扩散阻挡层和浸润层复合层。回流焊接的参数为:回流焊炉从室温加热到最高温度的加热速率为1.1度/秒,回流焊炉的最高温度为256 ℃,并在达到最高温度后保温15秒。
实施例2
一种基于基板刻蚀方式的三角形焊球凸点封装技术方法,其具体步骤如下:
(1)选取单面抛光的(110)晶面单晶硅片,其尺寸为4英寸,厚度为530 μm,经过超声清洗并烘干后作为基板;
(2)以Si3N4作为掩膜板材料,选取三角形作为掩膜图案,以四甲基氢氧化铵溶液为腐蚀液,通过湿法刻蚀技术进行刻蚀处理,刻蚀深度为50 μm,刻蚀图案的尺寸为100 μm×100 μm,其剖面图为三角形结构形貌,如图3所示;
(3)把刻蚀好的单晶硅片经过超声清洗并烘干,在未经刻蚀处理的单晶硅片表面区域旋涂一层光刻胶,然后在刻蚀区利用物理沉积的方法沉积一层厚度为40 nm的Cr膜,接着再沉积一层厚度为170 nm的Cu膜,最后利用丙酮把硅片表面的光刻胶洗去。
(4)将沉积好粘结层后的单晶硅片经过超声清洗并烘干,利用化学镀方法在Cu膜表面镀上一层厚度为3 μm的Ni基膜。
(5)将镀好Ni基膜的单晶硅片经过超声清洗并烘干后平行放置,把SnBi无铅焊料放置在Ni基膜上接着平行放入回流焊炉,关闭炉门并通入氮气进行保护,最后利用回流焊炉进行2次回流焊接,制得抗蠕变能力强、抗冲击能力强以及高可靠性的三角形焊点,如图7所示,其中1为基板、6为焊点、7为Cr-Cu膜粘接层、8为扩散阻挡层和浸润层复合层。回流焊接的参数为:回流焊炉从室温加热到最高温度的加热速率为1.2度/秒,回流焊炉的最高温度为250 ℃,并在达到最高温度后保温10秒。
实施例3
一种基于基板刻蚀方式的矩形焊球凸点封装技术方法,其具体步骤如下:
(1)选取单面抛光的(110)晶面单晶硅片,其尺寸为7英寸,厚度为560 μm,经过超声清洗并烘干后作为基板;
(2)以Si3N4作为掩膜板材料,选取矩形作为掩膜图案,以SF6溶液为腐蚀液,通过干法刻蚀技术进行刻蚀处理,刻蚀深度为100 μm,刻蚀图案的尺寸为1 mm×1 mm,其剖面图为矩形结构形貌,如图4所示;
(3)把刻蚀好的单晶硅片经过超声清洗并烘干,在未经刻蚀处理的单晶硅片表面区域旋涂一层光刻胶,然后在刻蚀区利用物理沉积的方法沉积一层厚度为40 nm的Ti膜,接着再沉积一层厚度为190 nm的Cu膜,最后利用丙酮把硅片表面的光刻胶洗去。
(4)将沉积好粘结层后的单晶硅片经过超声清洗并烘干,利用化学镀方法在Cu膜表面镀上一层厚度为4 μm的Co基膜。
(5)将镀好Co基膜的单晶硅片经过超声清洗并烘干后平行放置,把SnAgCu无铅焊球或者SnAgCu无铅焊料放置在Co基膜上接着平行放入回流焊炉,关闭炉门并通入氮气进行保护,最后利用回流焊炉进行3次回流焊接,制得抗蠕变能力强、抗冲击能力强以及高可靠性的矩形焊点,如图8所示,其中1为基板、6为焊点、7为Ti-Cu膜粘接层、8为扩散阻挡层和浸润层复合层。回流焊接的参数为:回流焊炉从室温加热到最高温度的加热速率为1.2度/秒,回流焊炉的最高温度为257 ℃,并在达到最高温度后保温10秒。
实施例4
一种基于基板刻蚀方式的球形焊球凸点封装技术方法,其具体步骤如下:
(1)选取单面抛光的(110)晶面单晶硅片,其尺寸为10英寸,厚度为600 μm,经过超声清洗并烘干后作为基板;
(2)以Si3N4作为掩膜板材料,选取球形作为掩膜图案,以CF4溶液为腐蚀液,通过干法刻蚀技术进行刻蚀处理,刻蚀深度为150 μm,刻蚀图案的尺寸为10 mm×10 mm,其剖面图为球形结构形貌,如图5所示;
(3)把刻蚀好的单晶硅片经过超声清洗并烘干,在未经刻蚀处理的单晶硅片表面区域旋涂一层光刻胶,然后在刻蚀区利用物理沉积的方法沉积一层厚度为50 nm的Cr膜,接着再沉积一层厚度为200 nm的Cu膜,最后利用丙酮把硅片表面的光刻胶洗去。
(4)将沉积好粘结层后的单晶硅片经过超声清洗并烘干,利用化学镀方法在Cu膜表面镀上一层厚度为5 μm的Ni基膜。
(5)将镀好Ni基膜的单晶硅片经过超声清洗并烘干后平行放置,把SnBi无铅焊球或者SnBi无铅焊料放置在Ni基膜上接着平行放入回流焊炉,关闭炉门并通入氮气进行保护,最后利用回流焊炉进行3次回流焊接,制得抗蠕变能力强、抗冲击能力强以及高可靠性的球形焊点,如图8所示,其中1为基板、6为焊点、7为Cr-Cu膜粘接层、8为扩散阻挡层和浸润层复合层。回流焊接的参数为:回流焊炉从室温加热到最高温度的加热速率为1.1度/秒,回流焊炉的最高温度为250 ℃,并在达到最高温度后保温15秒。
Claims (9)
1.一种基于基板刻蚀方式的焊球凸点封装技术方法,其特征在于,该方法具体步骤如下:
(1)选取单面抛光的(110)晶面单晶硅片,经过超声清洗并烘干后作为基板;
(2)以Si3N4作为掩膜板材料,选取掩膜图案,通过湿法刻蚀技术或干法刻蚀技术进行刻蚀处理,获得与所选取掩膜图案相对应的结构形貌;
(3)把刻蚀好的单晶硅片经过超声清洗并烘干,在未经刻蚀处理的单晶硅片表面区域旋涂一层光刻胶,然后在刻蚀区利用物理沉积的方法沉积一层Ti膜或Cr膜,接着再沉积一层Cu膜,最后利用丙酮把硅片表面的光刻胶洗去;
(4)将沉积好粘结层后的单晶硅片经过超声清洗并烘干,利用电镀或者化学镀方法在Cu膜表面镀上一层Co基膜或者Ni基膜;
(5)将镀好Co基膜或Ni基膜的单晶硅片经过超声清洗并烘干后平行放置,把焊球或者焊料放置在Co基膜或Ni基膜上,接着平行放入回流焊炉,关闭炉门并通入氮气或惰性气体进行保护,最后利用回流焊炉进行回流焊接,制得抗蠕变能力强、抗冲击能力强以及高可靠性的焊点。
2.根据权利要求1所述的一种基于基板刻蚀方式的焊球凸点封装技术方法,其特征在于:所述单晶硅片的直径为1英寸~10英寸,厚度为500 μm~600 μm。
3.根据权利要求1所述的一种基于基板刻蚀方式的焊球凸点封装技术方法,其特征在于:所述掩膜图案为梯形、三角形、矩形和球形中的一种。
4.根据权利要求1所述的一种基于基板刻蚀方式的焊球凸点封装技术方法,其特征在于:所述湿法刻蚀以KOH溶液或者四甲基氢氧化铵溶液作为腐蚀液;所述干法刻蚀以SF6溶液或CF4溶液或二者的混合溶液作为腐蚀液。
5.根据权利要求1所述的一种基于基板刻蚀方式的焊球凸点封装技术方法,其特征在于:所述刻蚀处理的刻蚀深度为5 μm~150 μm。
6.根据权利要求1所述的一种基于基板刻蚀方式的焊球凸点封装技术方法,其特征在于:所述Ti膜或Cr膜的厚度为30 nm~50 nm。
7.根据权利要求1所述的一种基于基板刻蚀方式的焊球凸点封装技术方法,其特征在于:所述Cu膜的厚度为150 nm~200 nm。
8.根据权利要求1所述的一种基于基板刻蚀方式的焊球凸点封装技术方法,其特征在于:所述Co基膜或者Ni基膜的厚度为2 μm~5 μm。
9.根据权利要求1所述的一种基于基板刻蚀方式的焊球凸点封装技术方法,其特征在于:所述回流焊接的次数为1次~3次。
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