CN104862701A - 一种采用多层微米、亚微米薄膜快速制备可高温服役全imc微焊点的方法 - Google Patents
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Abstract
一种采用多层微米、亚微米薄膜快速制备可高温服役全IMC微焊点的方法，其步骤如下：在圆片或芯片焊盘表面制备Cu或Ag膜，再依次沉积微米或亚微米级厚度的Sn/(Cu或Ag)，可以根据所需焊点的高度重复上述Sn/(Cu或Ag)膜层的沉积步骤，达到所需厚度后，在上述多层微米、亚微米薄膜表面制备Sn膜；将上述圆片或芯片的多层薄膜结构与基板或其它圆片、芯片需要连接焊盘对准，并施加压力；将该体系放入回流炉中，经历预热阶段、保温阶段、再流阶段、冷却阶段，最终实现全IMC焊点的制备。本发明中全IMC焊点的制备工艺可以很好的与传统的钎料再流焊工艺或热压焊工艺兼容，在低温、短时间内实现全IMC焊点的制备。在成本低、生产效率高的前提下实现焊点低温键合高温服役。
Description
技术领域
本发明属于微连接技术领域，涉及一种面向电子器件、组件、或微系统中圆片或芯片与基板、圆片或芯片与其它圆片或芯片的互连方法，具体涉及一种采用多层微米、亚微米薄膜快速、低温制备可实现高温服役全金属间化合物(Intermetallic Compounds-IMC)微焊点的方法。
背景技术
连接技术是实现电子元器件或组件封装、微机电系统(MEMS)封装、圆片三维立体封装的核心技术之一。随着电子系统向高性能、高功率、高密度方向的发展，电子系统的发热量将显著提升，导致芯片与基板、圆片与基板、圆片与圆片之间互连焊点需要在更高的温度条件下服役。然而传统的钎料合金或各向异性导电胶等均不能在高温环境下可靠的工作，已经成为制约电子元器件或组件、微系统、三维封装向高密度、高功率发展的主要瓶颈。
对于使用钎料合金制备的焊点，如Sn37wt.%Pb、Sn3.5wt.%Ag等，钎焊的峰值温度范围是220~250℃，而焊点的服役温度必须低于125℃。如果使用更高熔点的焊料，如Au20wt.%Sn、Au31wt.%Si，其熔点分别为280℃和363℃，则需要使用超过320~400℃的高温进行键合，在如此高温的键合条件下，会增加圆片、芯片或其它组件高温失效的风险。
为解决上述问题，出现了低温键合高温服役的连接方法。现在较常见的技术有纳米银焊膏低温烧结、全金属间化合物互连等。根据纳米颗粒的热力学性质，纳米银颗粒的烧结温度可降至200℃以下，且其接头服役温度可达到300℃以上，即实现了低温连接、高温服役；然而，此种接头制备工艺时间较长，一般为十几甚至几十分钟、且接头为多孔结构，会影响接头的导电导热性能。此外，银本身成本较高，也制约了该材料的广泛应用。全金属间化合物互连是使用单层金属箔或焊料，在正常钎焊温度下使界面充分反应，直至接头全部转化为金属间化合物，如Cu6Sn5、Cu3Sn、Ag3Sn等，接头所能承受的服役温度由熔点较高的金属间化合物决定而非钎料，同样可以实现低温连接、高温服役。然而，如果制备十微米或更大尺寸的全IMC焊点，其反应时间至少需要几十分钟，生产效率过低，且接头成分无法实现精确控制，很难实现大规模工业应用。
发明内容
本发明的目的是提供一种能够在较低连接温度下，利用多层微米、亚微米薄膜结构，快速制备可高温服役全IMC焊点的方法。较低的连接温度(超过Sn熔点30~60℃)可以避免在连接或键合过程中对元器件、组件、微系统或三维封装结构中芯片或温度敏感部件造成高温退化或损伤。
所述目的是通过如下技术方案实现的：
一种采用多层微米、亚微米薄膜快速制备可高温服役全IMC微焊点的方法，如图1所示，包括如下步骤：
步骤一：在圆片或芯片表面需要键合的焊盘区域通过光刻技术在光刻胶膜上制备出相应的开口，或利用激光蚀刻、化学腐蚀等方法制备出掩膜板，掩膜的开口区域同样与圆片或芯片需要键合的焊盘区域对应并对准。
步骤二：采用溅射、蒸镀或电镀方法在圆片或芯片的焊盘区域制备Cu膜或Ag膜，该膜层的厚度范围为0.1~10微米，膜层最小厚度以在后续连接或键合过程中提供足够金属，保证多层薄膜能演变成全IMC焊点并有盈余为原则。
步骤三：采用蒸镀或电镀方法在步骤二中的薄膜表面制备Sn膜，该膜层的厚度为0.1~1.5微米。
步骤四：采用溅射或蒸镀的方法在步骤三中的Sn膜表面沉积Cu或Ag，沉积膜层的厚度按照与上一层Sn膜转换成Cu:Sn或Ag:Sn原子的摩尔比均略小于3:1(2.4≤Cu:Sn比≤2.95或2.4≤Ag:Sn≤2.95)进行制备。在溅射和蒸镀过程中，Cu或Ag原子会携带一定的热量以气态向Sn膜表面沉积，部分的Cu或Ag原子会与Sn膜发生反应形成Cu6Sn5、Cu3Sn或Ag3Sn层，在溅射或蒸镀过程中，可以选择加热与圆片或芯片接触的底座，以加速Cu-Sn或Ag-Sn的界面反应。完成该步骤之后，所形成的表面层结构为Cu6Sn5/Cu3Sn或Cu6Sn5/Cu3Sn/Cu；Ag3Sn或Ag3Sn/Ag，本步骤可以同时实现薄膜沉积和IMC薄膜的一体化制备。
步骤五：重复步骤三和步骤四，制备所需厚度焊点的多层薄膜结构，该多层薄膜结构为以下四种典型结构之一：
(1)Cu/Cu3Sn/Cu6Sn5/(Sn/Cu6Sn5/Cu3Sn/Cu)/(Sn/Cu6Sn5/Cu3Sn/Cu) …(Sn/Cu6Sn5/Cu3Sn/Cu)；
(2) Cu/Cu3Sn/(Cu6Sn5/Cu3Sn)/(Cu6Sn5/Cu3Sn)…(Cu6Sn5/Cu3Sn)；
(3) Ag/Ag3Sn/(Sn/Ag3Sn/Ag)/(Sn/Ag3Sn/Ag)…(Sn/Ag3Sn/Ag)；
(4) Ag/Ag3Sn/(Sn/Ag3Sn)/(Sn/Ag3Sn)…(Sn/Ag3Sn)。
步骤六：采用蒸镀或电镀工艺在步骤五中所形成的多层薄膜结构表面制备Sn膜，膜厚的范围是0.5~1.5微米，用于后续与基板或其它圆片、芯片表面焊盘的钎焊连接。
步骤七：去除光刻胶或掩模板。
步骤八：将步骤七中焊盘表面制备多层薄膜结构的芯片或圆片与基板或其它圆片、芯片表面的焊盘对接，并施加1~20MPa压力。基板或其它圆片、芯片焊盘表面为镀Cu或Ag结构，膜层最小厚度以在后续连接或键合过程中提供足够金属，保证多层薄膜能演变成全IMC焊点并有盈余为设计原则。
步骤九：将以上体系放入回流炉中，经历预热阶段(升温速率1~5℃/s，升温至120~160℃)、保温阶段(升温速率1~4℃/s，时长50~70s)、再流阶段(升温速率2~5℃/s，升高到峰值温度为Sn熔点以上30~60℃，到达峰值温度后保温30~120s)、冷却阶段(降温速率1~5℃/s，降低到100℃以下)，完成全IMC焊点的制备。
本发明具有如下优点：
1、本发明制备出的全IMC微焊点可以在高温服役，且性能稳定，不会像传统焊点中Sn基的焊料在服役过程中与界面金属材料不断反应，导致焊点性能发生持续变化。
2、本发明在多层微米、亚微米薄膜结构制备过程中，将利用Cu或Ag在溅射或蒸镀过程中携带的热量，实现薄膜沉积和IMC膜层一体化制备，预先生成的IMC膜层和多层亚微米薄膜之间扩散和反应会更加迅速。此外，新生成的IMC在预先生成的IMC表面外延生长会降低IMC生长所需的能量，同样会加速IMC的生长，在以上因素的共同作用下最终实现全IMC焊点快速制备的目的。
3、本发明中全IMC焊点的制备时间可控制在几分钟之内，与传统采用Sn基焊料进行芯片连接或键合的时间相近，大大缩短了以往使用单层Sn箔或焊料制备全IMC焊点的时间。
4、本发明中的多层薄膜结构的制备可以通过光刻、掩膜、蒸镀、溅射、电镀等手段在圆片或芯片表面一次性大量制备，降低了该多层薄膜结构的制造成本，可以促进全IMC焊点结构大规模的工业应用。
5、本发明中在多层微米、亚微米薄膜结构制备过程中，Sn表面通过溅射或蒸镀Cu或Ag，可同时实现薄膜沉积和IMC的一体化制备，利用Cu或Ag原子携带的热量预先制备IMC，且该热量通过热传递到达芯片或圆片后，对芯片或圆片的热影响较小，可避免对芯片或圆片造成热损伤。同时，Cu或Ag层与Sn层的摩尔比略小于3:1，可保证在中间层全部转化成IMC后有少量的Sn盈余，该少量盈余的Sn可与芯片或圆片、基板表面的Cu或Ag继续反应，可保证最终焊点会完全生成单种IMC，如全Cu3Sn或Ag3Sn焊点，上述化合物的熔化或分解温度均高于400℃，其性能和稳定性会优于由Cu3Sn和Cu6Sn5 所构成的混合全IMC焊点。
6、本发明中全IMC焊点的制备工艺可以很好的与传统的钎料再流焊工艺或热压焊工艺兼容，在低温、短时间内实现全IMC焊点的制备。在成本低、生产效率高的前提下实现了低温键合高温服役。
附图说明
图1为采用多层微米、亚微米薄膜快速制备全IMC微焊点方法的示意图：(a) 芯片或圆片及焊盘表面多层薄膜结构、基板或其它芯片、圆片表面焊盘结构；(b) 芯片或圆片及焊盘表面多层薄膜结构与基板或其它芯片、圆片表面焊盘对准、加压、焊接方法；(c) 制得的全IMC微焊点；图中，1：焊盘及多层薄膜结构，2：焊盘，3：Cu或Ag膜，4：Cu-Sn或Ag-Sn IMC膜，5：反应后剩余Sn膜，6：Cu-Sn IMC +Cu或Ag-Sn IMC+Ag膜，7：表层Sn膜，8：芯片或圆片，9：基板或其它芯片、圆片，10：全IMC接头。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的保护范围中。
实施例1：
如图1所示，在芯片表面采用多层微米、亚微米薄膜快速制备Cu3Sn全IMC微焊点方法包括如下步骤：
步骤一：在芯片表面需要键合的焊盘区域通过光刻技术在光刻胶膜上制备出相应的开口，焊盘面积和光刻胶开口尺寸为300微米×300微米，光刻胶高度12.0微米。
步骤二：采用蒸镀方法在芯片的焊盘区域制备Cu膜，该膜层的厚度为2.0微米。
步骤三：采用电镀方法在上一步骤中的Cu膜表面制备Sn膜，该膜层的厚度为0.8微米。
步骤四：采用蒸镀的方法在上一步骤中的Sn膜表面沉积Cu，沉积膜层的厚度按照Cu膜与上一层Sn膜原子摩尔比略小于3:1进行制备，厚度为1.0微米。在蒸镀过程中，Cu原子与Sn膜发生反应形成Cu6Sn5、Cu3Sn层，在蒸镀过程中，与芯片接触的衬底加热温度为80℃，以加速Cu-Sn的界面反应。
步骤五：重复步骤三、步骤四2个循环。
步骤六：采用电镀工艺在步骤五中所形成的多层薄膜结构表面制备Sn膜，厚度为1.0微米，用于后续与基板焊盘的钎焊连接。
步骤七：去除光刻胶。
步骤八：将步骤七中焊盘表面制备多层薄膜结构的芯片与基板焊盘对接，并施加5MPa压力。基板焊盘表面为镀Cu结构，膜层厚度为5.0微米。
步骤九：将以上体系放入回流炉中，经历预热阶段(升温速率2~4℃/s)，加热到140~160℃，保温阶段(升温速率1℃/s，时长50s)，以2~4℃/s的速率升温到265℃，并保温60s，完成再流阶段，以3~4℃/s的速率冷却至100℃以下，完成Cu3Sn全IMC焊点的制备。总工艺时长可以控制在300s以内。
实施例2：
如图1所示，采用多层微米、亚微米薄膜快速制备Ag3Sn全IMC微焊点方法包括如下步骤：
步骤一：利用激光蚀刻方法制备出掩膜板，掩膜的开口区域与圆片需要键合的焊盘区域对应并对准，焊盘面积和掩模开口尺寸为200微米×200微米，掩模厚度为15.0微米。
步骤二：采用溅射方法在圆片的焊盘区域制备Ag膜，该膜层的厚度为3.0微米。
步骤三：采用蒸镀方法在上一步骤中的Ag膜表面制备Sn膜，该膜层的厚度为0.5微米。
步骤四：采用溅射方法在上一步骤中的Sn膜表面沉积Ag，沉积膜层的厚度按照Ag膜与上一层Sn膜原子摩尔比略小于3:1进行制备。厚度为0.9微米。在溅射过程中，Ag原子以气态向Sn膜表面沉积，部分的Ag原子会与Sn膜发生反应形成Ag3Sn层，在溅射过程中，与圆片接触的衬底加热温度为100℃，以加速Ag3Sn薄膜的制备。
步骤五：重复步骤三、步骤四4个循环。
步骤六：采用蒸镀工艺在步骤五中所形成的多层薄膜结构表面制备Sn膜，膜厚是1.2微米，用于后续与基板表面焊盘的钎焊连接。
步骤七：去除掩模板。
步骤八：将步骤七中焊盘表面制备多层薄膜结构的圆片与基板表面的焊盘对接，并施加10MPa压力。基板焊盘表面为镀Ag结构，膜厚为3.0微米。
步骤九：将以上体系放入回流炉中，持续进行以下动作：以3℃/s的速度加热至150℃完成预热阶段，以1℃/s的加热速率完成60s的保温阶段，以4℃/s的速率快速升温到290℃并保温40s，最后以3℃/s的速率冷至100℃以下，完成全Ag3Sn焊点的制备，总工艺时长在300s以下。
Claims (9)
1.一种采用多层微米、亚微米薄膜快速制备可高温服役全IMC微焊点的方法，其特征在于所述方法步骤如下：
步骤一：在圆片或芯片表面需要键合的焊盘区域通过光刻技术在光刻胶膜上制备出相应的开口，或者利用激光蚀刻或化学腐蚀方法制备出掩膜板，掩膜的开口区域同样与圆片或芯片需要键合的焊盘区域对应并对准；
步骤二：采用溅射、蒸镀或电镀方法在圆片或芯片的焊盘区域制备Cu膜或Ag膜；
步骤三：采用蒸镀或电镀方法在步骤二中的薄膜表面制备Sn膜；
步骤四：采用溅射或蒸镀的方法在步骤三中的Sn膜表面沉积Cu或Ag；
步骤五：重复步骤三和步骤四，制备所需厚度焊点的多层薄膜结构；
步骤六：采用蒸镀或电镀工艺在步骤五中所形成的多层薄膜结构表面制备Sn膜；
步骤七：去除光刻胶或掩模板；
步骤八：将步骤七中焊盘表面制备多层薄膜结构的芯片或圆片与基板或其它圆片、芯片表面的焊盘对接，并施加1~20MPa压力；
步骤九：将以上体系放入回流炉中，经历预热阶段、保温阶段、再流阶段、冷却阶段，完成全IMC焊点的制备。
2.根据权利要求1所述的采用多层微米、亚微米薄膜快速制备可高温服役全IMC微焊点的方法，其特征在于所述步骤二中，Cu膜或Ag膜的厚度范围为0.1~10微米。
3.根据权利要求1所述的采用多层微米、亚微米薄膜快速制备可高温服役全IMC微焊点的方法，其特征在于所述步骤三中，Sn膜的厚度为0.1~1.5微米。
4.根据权利要求1所述的采用多层微米、亚微米薄膜快速制备可高温服役全IMC微焊点的方法，其特征在于所述步骤四中，采用溅射或蒸镀沉积Cu层的厚度与上一层Sn膜转换成Cu:Sn原子的摩尔比为2.4≤Cu:Sn≤2.95进行制备。
5.根据权利要求1所述的采用多层微米、亚微米薄膜快速制备可高温服役全IMC微焊点的方法，其特征在于所述步骤四中，采用溅射或蒸镀沉积Ag层的厚度与上一层Sn膜转换成Ag:Sn原子的摩尔比2.4≤Ag:Sn≤2.95进行制备。
6.根据权利要求1所述的采用多层微米、亚微米薄膜快速制备可高温服役全IMC微焊点的方法，其特征在于所述步骤五中，多层薄膜结构为以下四种典型结构之一：
(1)Cu/Cu3Sn/Cu6Sn5/(Sn/Cu6Sn5/Cu3Sn/Cu)/(Sn/Cu6Sn5/Cu3Sn/Cu) …(Sn/Cu6Sn5/Cu3Sn/Cu)；
(2) Cu/Cu3Sn/(Cu6Sn5/Cu3Sn)/(Cu6Sn5/Cu3Sn)…(Cu6Sn5/Cu3Sn)；
(3) Ag/Ag3Sn/(Sn/Ag3Sn/Ag)/(Sn/Ag3Sn/Ag)…(Sn/Ag3Sn/Ag)；
(4) Ag/Ag3Sn/(Sn/Ag3Sn)/(Sn/Ag3Sn)…(Sn/Ag3Sn)。
7.根据权利要求1所述的采用多层微米、亚微米薄膜快速制备可高温服役全IMC微焊点的方法，其特征在于所述步骤六中，Sn膜的厚度为0.5~1.5微米。
8.根据权利要求1所述的采用多层微米、亚微米薄膜快速制备可高温服役全IMC微焊点的方法，其特征在于所述步骤八中，基板或其它圆片、芯片焊盘表面为镀Cu或Ag结构。
9.根据权利要求1所述的采用多层微米、亚微米薄膜快速制备可高温服役全IMC微焊点的方法，其特征在于所述步骤九中，预热阶段的升温速率为1~5℃/s，升温至120~160℃；保温阶段的升温速率为1~4℃/s，时长50~70s；再流阶段的升温速率为2~5℃/s，升高到峰值温度为Sn熔点以上30~60℃，到达峰值温度后保温30~120s；冷却阶段的降温速率为1~5℃/s，降低到100℃以下。
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| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| EXSB | Decision made by sipo to initiate substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
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