CN103338893B - 用于无铅焊料的回流方法 - Google Patents
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Abstract
一种用于无铅焊料合金的回流方法包括以下步骤：加热焊料至焊料的液相线温度以上的第一温度；冷却焊料至焊料的固化温度以下的第二温度；再加热焊料至焊料的固相线温度以上并且在焊料的液相线温度以下的第三温度，从而将焊料合金从固态带到液态+固态，其中合金相的一部分液化，而形成相对易延展颗粒的原固化相保持固体；并且冷却固体至焊料的固化温度以下的第四温度，其中所述第二加热可以减少或者消除第一冷却步骤中的过冷在无铅焊料中引起的硬度。
Description
技术领域
本公开内容总体涉及半导体组件领域，并且更具体地涉及一种用于半导体组件的无铅焊料的回流方法。
背景技术
半导体组件可以包括一个部件上的电路装置，该电路装置由金属（或者C4）层连接到另一部件上的电路装置，该金属（或者C4）层包括由焊料制成的金属互连。半导体组件也可以包括与半导体晶片上的电路装置的焊料接触。用于这样的互连和接触的焊料已经通常包括含铅（Lb）的金属合金，这些金属合金具有相对低的熔化温度并且高度地可靠。遗憾的是，铅有毒并且对环境有害；因此使用无铅焊料作为含铅焊料的备选。无铅焊料可以包括各种合金元素，诸如基于锡（Sn）的合金，这些合金例如包括银（Ag）和/或铜（Cu）。然而无铅焊料的固化可能难以控制，因为固化在过冷状态中出现。过冷在冷却金属而未形成晶体至结晶通常发生的温度以下的温度时出现。可以在过冷期间形成的枝晶臂处俘获在焊接工艺期间形成的金属间化合物，因此形成相对硬的固化焊料。硬互连可能在连接的部件中引起应力，从而增加半导体芯片组件的机械故障或者破裂的风险，并且硬接触可能在晶片测试期间将测试探测器连接到接触时引起困难，从而可能造成多次再测试。
发明内容
在一个方面，一种用于焊料的回流方法包括：加热焊料至焊料的液相线温度以上的第一温度；冷却焊料至焊料的固化温度以下的第二温度；再加热焊料至焊料的固相线温度以上并且在焊料的液相线温度以下的第三温度；冷却焊料至焊料的固化温度以下的第四温度。
在另一方面中，通过以下步骤形成半导体组件：加热半导体组件中的焊料至焊料的液相线温度以上的第一温度；冷却焊料至焊料的固化温度以下的第二温度；再加热焊料至焊料的固相线温度以上并且在焊料的液相线温度以下的第三温度；冷却焊料至焊料的固化温度以下的第四温度。
通过本示例实施例的技术实现附加特征。这里具体描述其它实施例并且视为要求保护的内容的部分。为了更好理解示例实施例的特征，参照具体实施方式和附图。
附图说明
现在参照附图，在附图中，在若干幅图中对相似单元相似地编号：
图1图示用于无铅焊料的回流方法的一个实施例的流程图。
图2是图示半导体晶片上的接触的一个示例实施例的示意框图。
图3是图示连接的半导体组件的一个示例实施例的示意框图。
具体实施方式
使用以下具体讨论示例实施例提供可以用于无铅焊料的回流方法的实施例，该无铅焊料可以用于形成用于半导体组件的接触或者互连。为了减少过冷在无铅焊料中引起的硬度，回流工艺再加热焊料至为了仅熔化包括焊料的部分合金相而选择的温度。第二次加热使单个合金相的颗粒在焊料中形成。颗粒相对可延展；因此，第二次加热可以减少或者消除过冷在无铅焊料中引起的硬度。这造成在半导体组件中的部件之间的互连中的减少的应力和质量提高的接触，这些接触可以减少对再测试晶片的需要。焊料可以包括无铅合金焊料并且可以基于锡。
材料在称为材料的液相线温度的温度完全为液体，并且在理论上在称为材料的固相线温度的温度完全为固体。然而在诸如用来形成用于半导体组件的焊料互连或者接触的少量材料中。固化可以在材料的固相线温度以下的固化温度出现，因为少量材料的冷却可以很快出现。这称为过冷状态。每种材料具有特定液相线温度、固相线温度，并且在固化在固相线温度以下出现的情况下具有固化温度。对于纯单质材料，液相线温度和固相线温度可以是相同温度；然而对于包括多个相的合金材料，合金中的不同相可以在不同温度液化或者固化。因此可以有在合金的液相线温度与固相线/固化温度之间的间隙。受控加热合金至在它的液相线温度与它的固相线温度之间的温度可以将合金从固态带到液态+固态的固态，其中合金相的一部分被液化而原固化相保持固体。例如对于基于锡的亚共晶无铅焊料合金，原固化相是锡。基于锡的焊料中的其它相（例如包括Ag3Sn或者Cu6Sn5的共晶相）在比锡更低的温度液化。液化焊料的一些相允许净化焊料的保持固体的相。液相比固相更可移动，从而使液相移向固相的边缘。这造成焊料的固相聚成颗粒。具体而言，基于锡的无铅焊料的纯锡相可以形成纯锡颗粒，这些颗粒粗糙化并且形成成品互连中的易延展区域。纯锡颗粒减少冷却的焊料的硬度。然后可以在接触或者互连在固相线温度最终固化期间的原固化相之间固化包括金属间化合物的液化共晶相。
图1图示用于无铅焊料的回流方法100的一个实施例的流程图。可以在任何适当焊接工艺中应用方法100以减少过冷在无铅焊料中的影响。以下关于如图2中所示在半导体晶片上形成接触和如图3中所示在第一部件上的接触焊盘与第二部件上的接触焊盘之间形成互连来讨论图1的方法100。为了形成如图2中所示接触，焊料202首先放置于晶片201上的接触焊盘203上。为了形成诸如图3中所示互连，第一部件301上的第一组接触焊盘304与第二部件302上的第二组接触焊盘305对准而焊料302位于第一组接触焊盘304与第二组接触焊盘305之间。然后在块101中加热焊料202/302至熔化焊料202/302的第一温度；第一温度在焊料的液相线温度以上。
晶片201、第一部件301和第二部件302可以包括连接到相应接触焊盘203、304和305的任何适当类型的电路装置。例如晶片201、第一部件301和/或第二部件302可以在一些实施例中是包括任何适当数目和类型的半导体器件的半导体芯片。在一些实施例中，晶片201、第一部件301和/或第二部件302可以包括倒装芯片、衬底、电路板、裸管芯或者封装管芯。焊料202/302包括无铅金属合金，该无铅金属合金可以是基于锡的合金，并且焊料202/302还可以包括任何附加适当金属，该金属包括但不限于银和/或铜。
在块102中，冷却焊料202/302至焊料合金的固化温度以下的第二温度以便实现焊料202/302的完全固化。焊料202/302完全固化的温度（即固化温度）可以在焊料的固相线温度以下，从而造成焊料202/302中的过冷。可以控制第二温度以限制向晶片201或者向第一部件302和第二部件302的应力传送。在一些实施例中，第二温度可以约为40℃或者更高或者在焊料的固化温度以下的少于约30℃的范围中。
在块103中，再加热焊料202/302至在焊料202/302的固相线温度与液相线温度之间的第三温度，从而将焊料202/302置于液态+固态中。焊料202/302中的固体合金相在块103的再加热期间聚在一起以形成颗粒，并且将液体合金相推向颗粒边界。对于基于锡的焊料，形成相对大的纯锡颗粒，并且推动焊料202/302中的金属间化合物（例如Ag3Sn或者Cu6Sn5）至原固化相（即锡）以外。纯锡颗粒在固化时比金属间化合物更易延展，因此在焊料中形成相对大的锡颗粒造成焊料202/302中的减少的硬度。
在块104中，执行焊料202/302的最终冷却和固化从而造成如图2中所示焊料接触202或者如图3中所示焊料互连302。过冷由于在块103中在焊料中引起的颗粒结构而在块104的最终固化期间未出现。在块104的最终冷却之后，焊料接触202/焊料互连302包括焊料的原固化相（即锡）的相对大的柔软易延展颗粒，而将焊料中的中间化合物（即Ag3Sn或者Cu6Sn5）推至原固化相（即锡）外。在块104中执行焊料接触202/焊料互连302的最终固化之后，可以例如使用水来清理半导体组件200/300。仅出于示例目的而示出焊料接触202和焊料互连302；使用用于无铅焊料的回流方法100来形成的半导体组件可以包括任何适当数目的焊料接触和/或互连。
示例实施例的技术效果和益处包括一种减少无铅焊料中的应力和硬度的相对低成本的方法。
这里使用的术语仅用于描述具体实施例这样的目的而未旨在于限制本发明。如这里所用，除非上下文另有明示，单数形式“一个/一种”和“该”旨在于也包括复数形式。还将理解，术语“包括”在本说明书中使用时指定存在陈述的特征、整件、步骤、操作、单元和/或部件、但是未排除存在或者添加一个或者多个其它特征、整件、步骤、操作、单元、部件和/或其组合。
所附权利要求中的所有装置或者步骤加上功能单元的对应结构、材料、动作和等效物旨在于包括用于与如具体要求保护的其它要求保护的单元组合执行功能的任何结构、材料或者动作。本发明的描述已经仅出于示例和描述的目的而加以呈现、但是未旨在于穷举或者限制本发明为公开的形式。许多修改和变化将为本领域普通技术人员所清楚而未脱离本发明的范围和精神实质。选择和描述实施例以便最好地说明本发明的原理和实际应用并且使本领域其他普通技术人员能够针对各种实施例理解本发明，这些实施例具有如与设想的特定使用相适合的各种修改。
Claims (23)
1.一种用于焊料的回流方法，所述方法包括：
加热所述焊料至所述焊料的液相线温度以上的第一温度；
冷却所述焊料至所述焊料的固化温度以下的第二温度；
再加热所述焊料至所述焊料的固相线温度以上并且在所述焊料的所述液相线温度以下的第三温度；
冷却所述焊料至所述焊料的所述固化温度以下的第四温度。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述第二温度为40℃或者更高。
3.根据权利要求1所述的方法，其中所述第二温度在所述焊料的所述固化温度以下的少于30℃。
4.根据权利要求1所述的方法，还包括在加热所述焊料至所述第一温度之前将第一部件上的第一组接触焊盘与第二部件上的第二组接触焊盘进行对准，其中所述焊料位于所述第一组接触焊盘与所述第二组接触焊盘之间，并且其中所述焊料在冷却所述焊料至所述第四温度之后形成在第一组接触焊盘与所述第二组接触焊盘之间的互连。
5.根据权利要求1所述的方法，其中所述焊料位于晶片上的接触焊盘上，并且其中所述焊料在冷却所述焊料至所述第四温度之后形成与所述接触焊盘的电接触。
6.根据权利要求1所述的方法，其中所述焊料包括无铅金属合金。
7.根据权利要求1所述的方法，其中所述焊料包括锡(Sn)。
8.根据权利要求7所述的方法，其中所述锡在所述再加热至所述第三温度期间保持固体。
9.根据权利要求7所述的方法，其中所述焊料还包括银(Ag)。
10.根据权利要求9所述的方法，其中所述焊料包括Ag3Sn，并且其中所述Ag3Sn在所述再加热至所述第三温度期间熔解。
11.根据权利要求7所述的方法，其中所述焊料还包括铜(Cu)。
12.根据权利要求11所述的方法，其中所述焊料包括Cu6Sn5，并且其中所述Cu6Sn5在所述再加热至所述第三温度期间熔解。
13.一种通过以下步骤形成的半导体组件：
加热所述半导体组件中的焊料至所述焊料的液相线温度以上的第一温度；
冷却所述焊料至所述焊料的固化温度以下的第二温度；
再加热所述焊料至所述焊料的固相线温度以上并且在所述焊料的所述液相线温度以下的第三温度；
冷却所述焊料至所述焊料的所述固化温度以下的第四温度。
14.根据权利要求13所述的半导体组件，其中所述焊料在冷却所述焊料至所述第四温度之后包括互连和接触之一。
15.根据权利要求13所述的半导体组件，其中所述焊料包括无铅金属合金。
16.根据权利要求13所述的半导体组件，其中所述焊料包括锡(Sn)。
17.根据权利要求16所述的半导体组件，其中所述锡在所述再加热至所述第三温度期间保持固体。
18.根据权利要求16所述的半导体组件，其中所述焊料还包括银(Ag)。
19.根据权利要求18所述的半导体组件，其中所述焊料包括Ag3Sn，并且其中所述Ag3Sn在所述再加热至所述第三温度期间液化。
20.根据权利要求16所述的半导体组件，其中所述焊料还包括铜(Cu)。
21.根据权利要求20所述的半导体组件，其中所述焊料包括Cu6Sn5，并且其中所述Cu6Sn5在所述再加热至所述第三温度期间液化。
22.根据权利要求13所述的半导体组件，其中所述第二温度为40℃或者更高。
23.根据权利要求13所述的半导体组件，其中所述第二温度在所述焊料的所述固化温度以下的少于30℃。
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