CN105081500A - 一种使用激光前向转印具有特定晶粒取向和数量薄膜诱发金属间化合物生长的方法 - Google Patents

一种使用激光前向转印具有特定晶粒取向和数量薄膜诱发金属间化合物生长的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种采用激光前向转印具有特定晶粒取向和数量薄膜诱发金属间化合物生长的方法，其步骤如下：步骤一：在基板表面制备种子层；步骤二：在种子层表面继续制备金属薄膜；步骤三：在金属薄膜表面制备Sn膜；步骤四：加热上述基板及双层薄膜，制备出金属间化合物薄膜；步骤五：将金属间化合物薄膜分别转移到芯片、基板焊盘表面；步骤六：在金属间化合物薄膜表面镀Sn薄膜；步骤七：将焊盘对接，施加压力，放入回流炉中，经历预热、保温、再流、冷却阶段。本发明大大缩短可用于高温封装互连的金属间化合物焊点的制备时间，并实现对后续生长金属间化合物的晶粒取向和数量的控制，达到金属间化合物焊点快速制备、微观组织可控的目的。

Description

一种使用激光前向转印具有特定晶粒取向和数量薄膜诱发金属间化合物生长的方法
技术领域
本发明属于电子封装微互连技术领域，涉及一种快速制备可用于高温封装互连的金属间化合物焊点的方法，具体涉及一种采用激光前向转印具有特定晶粒取向和数量薄膜诱发金属间化合物生长的方法。
背景技术
电子封装微互连技术是各种电子元器件、组件封装的核心技术之一。随着电子元器件、组件向高功率和高密度方向发展，电子元器件和组件的服役温度和工作环境变得更加严酷，这将对电子元器件和组件的键合材料提出更高的要求，而传统的钎料合金和聚合物粘接材料已经不能够胜任发热量大、高功率电子器件、组件的高温、严苛的工作环境，因此，互连部位相对较差的高温服役性能已经成为制约高密度封装和高功率封装发展的主要瓶颈之一。
对于传统钎料合金制备的接头，要求服役温度必须低于连接温度，例如Sn3.0wt.%Ag0.5wt.%Cu钎料熔点为217℃，其连接温度需达到250~260℃以上，而其服役温度仅在120℃以下。要想提高服役温度须选择熔点更高的Pb5.0wt.%Sn或Au20wt.%Sn钎焊的温度也将随之升高，而过高的连接温度会造成元器件、组件的损伤。
为解决以上问题，出现了低温连接高温服役的键合方法。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、金属间化合物纳米颗粒焊膏烧结等。根据纳米银颗粒的热力学性质，可以在低于200℃条件下实现连接，形成接头可在超过350℃条件下服役，但纳米颗粒的连接所需时间较长，接头为多孔结构，纳米材料制备成本较高，制约了此类材料的应用；全金属间化合物所形成接头可以在高温条件下应用，但一般制备时间较长，在几十分钟、甚至数小时，且微观组织难以控制，很难实现大规模工业应用；金属间化合物纳米颗粒焊膏烧结需使用高于或近似与金属间化合物熔点的规范实现烧结，而金属间化合物的熔点一般较高(超过400℃)，连接过程中容易造成器件的损伤。
发明内容
本发明的目的是提供一种采用激光前向转印具有特定晶粒取向和数量薄膜诱发金属间化合物生长的方法，该方法利用定向加热或磁场作用制备出具有特定晶粒取向和数量的诱发薄膜。
所述目的是通过如下技术方案实现的：
一种采用激光前向转印具有特定晶粒取向和数量薄膜诱发金属间化合物生长的方法，包括以下步骤：
步骤一：在透明的玻璃或石英基板表面通过磁控溅射或蒸镀的方法制备Cu或Ag等金属薄膜作为种子层，种子层厚度为20nm~1.0μm。
步骤二：在步骤一制作的种子层表面根据需要的厚度，后续采用电镀、磁控溅射或蒸镀方法继续制备出所需厚度的Cu或Ag等金属薄膜（该薄膜的成分与步骤一种子层的金属一致）。种子层与后续采用电镀、磁控溅射、蒸镀方法制备金属薄膜总厚度为0.6μm~2.0μm。如果所需厚度在步骤一中已经达到，则略去步骤二，直接到步骤三。
步骤三：在Cu或Ag等金属薄膜表面通过电镀或蒸镀等方法制备所需厚度的Sn膜，Sn膜的厚度制备的原则是：保证在步骤四反应后Sn与Cu或Ag等金属能够生成稳定的金属间化合物，如Cu3Sn或Ag3Sn的前提下，剩余20nm~150nm的Cu或Ag等金属薄膜。该20nm~150nm的Cu或Ag等金属薄膜作为后续激光转移工艺过程中的过渡层。
步骤四：加热上述基板及Cu/Sn、Ag/Sn或其它金属/Sn双层薄膜，加热时间为30min~240h、加热峰值温度范围是250~400℃，可在加热过程中选择在与薄膜垂直或平行的方向加入电场或磁场，制备出具有特定晶粒取向和数量的Cu3Sn、Ag3Sn或其它金属间化合物薄膜，甚至是单晶的Cu3Sn、Ag3Sn或其它金属间化合物，同时，在玻璃或石英基板与金属间化合物间剩余20nm~150nm的Cu、Ag或其它金属薄膜。
步骤五：使用激光前向转印技术将金属间化合物薄膜分别转移到芯片、基板焊盘表面，焊盘表面金属为Cu或Ag等与待转印相同金属材质。激光源为半导体、CO2或YAG等激光。激光照射位置是玻璃或石英基板与金属薄膜的界面。激光聚焦或散焦半径与焊盘直径相当，为0.1~300μm；激光功率为200~6000W；激光加热时间为10-9s~1s。
步骤六：根据所需焊点的厚度，在转移到芯片或基板焊盘表面的金属间化合物薄膜表面蒸镀或电镀Sn薄膜，其厚度为1.0~4.0μm。
步骤七：将芯片与基板蒸镀或电镀好Sn膜的焊盘对接，施加一定压力（1~20Mpa），并放入回流炉中，经历预热阶段、保温阶段、再流阶段、冷却阶段，即：以1~6℃/s的速度加热至120~160℃完成预热阶段，以1~4℃/s的加热速率完成40~100s的保温阶段，以1~5℃/s的速率快速升温到峰值温度（250~280℃）并保温50~200s实现再流阶段，最后以1~5℃/s的速率冷至100℃以下。
本发明具有以下优点：
1、本发明利用激光前向转印具有特定晶粒取向和数量的金属间化合物薄膜，甚至是单晶的金属间化合物，用以诱发Sn与Cu、Ag或其它金属在转印的具有特定晶粒取向和数量的金属间化合物表面快速原位生长出新的金属间化合物，大大缩短可用于高温封装互连的金属间化合物焊点的制备时间，并实现对后续生长金属间化合物的晶粒取向和数量的控制，达到金属间化合物焊点快速制备、微观组织可控的目的，使金属间化合物焊点的导热性能及力学性能得到显著提升。
2、本发明采用激光前向转移技术可快速将诱发薄膜转移至芯片或基板焊盘表面，转移诱发薄膜镀Sn后，在转移薄膜的诱发作用及与传统再流焊兼容的工艺条件下可实现高功率器件或组件的连接及组装，可在几分钟内快速制备单金属间化合物焊点、且晶粒数量、取向可控。单金属间化合物焊点的熔点要远高于传统钎料合金的熔点，使其高温服役能力显著提升。此外，晶粒数量、及取向可控的单金属间化合物焊点的导热性能由于其晶粒数量的减少及取向关系可得到显著提升，同时，焊点的力学性能也将会由于其微观组织的优化得到明显提高。
附图说明
图1为具有特定晶粒数量及取向诱发薄膜制备流程示意图；
图2为诱发薄膜激光前向转移过程及化合物表面镀锡示意图；
图3为薄膜诱发制备单金属间化合物焊点方法示意图；
图中：1-玻璃或石英基板，2-Cu、Ag或其它金属膜，3-Sn薄膜，4-加热，5-定向电场或磁场，6-剩余Cu、Ag或其它金属，7-特定晶粒取向及数量诱发薄膜，8-激光束，9-聚焦透镜，10-转移过程中的诱发薄膜，11-焊盘，12-芯片或基板，13-转移后的诱发薄膜，14-对接的Sn薄膜，15-芯片，16-基板，17-诱发后生长出的单种金属间化合物焊点。
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1-3所示，激光前向转印Cu3Sn单晶薄膜诱发制备单Cu3Sn互连焊点方法包含如下步骤：
步骤一：在透明的石英基板表面通过磁控溅射方法制备Cu薄膜作为种子层，种子层厚度为50nm。
步骤二：采用电镀方法继续制备出厚度为500nm的Cu薄膜。
步骤三：在Cu薄膜表面通过电镀方法制备厚度为400nm的Sn膜。
步骤四：通过热板加热，热板置于玻璃基板下方，用于定向加热上述Cu/Sn双层薄膜，热板温度设定为360℃，加热时间是200h，加热环境是在氮气环境中。外加磁场，其方向平行于玻璃基板。加热后生成单晶的Cu3Sn。
步骤五：使用激光前向转印技术将金属间化合物薄膜分别转移到芯片、基板焊盘表面，焊盘表面金属为Cu，其厚度为4μm。激光源为半导体激光。激光照射位置是玻璃基板与金属薄膜的界面。激光聚焦或散焦半径与焊盘直径相当，为30μm；激光功率为3000W；激光加热使用的是单脉冲，时间为6*10-7s。
步骤六：在转移到芯片及基板焊盘表面的金属间化合物薄膜表面蒸镀Sn薄膜，其厚度为2.0μm。
步骤七：将芯片与基板蒸镀好Sn膜的焊盘对接，施加3Mpa压力，并放入回流炉中，以4℃/s的速度加热至150℃完成预热阶段，以1~4℃/s的加热速率完成40~100s的保温阶段，以3℃/s的速率快速升温到峰值温度260℃并保温180s实现再流阶段，最后以1~5℃/s的速率冷至100℃以下。
实施例2：
如图1-3所示，激光前向转印Ag3Sn薄膜诱发制备单Ag3Sn互连焊点方法包含如下步骤：
步骤一：在石英基板表面通过蒸镀的方法制备Ag薄膜，厚度为300nm。
步骤二：在Ag薄膜表面通过蒸镀等方法制备厚度为100nm的Sn膜。
步骤三：通过恒温炉加热上述Ag/Sn双层薄膜，炉温设定为400℃，加热时间是300h，加热环境是在氮气环境中。外加电场，其方向垂直于石英基板。加热后生成单晶的Ag3Sn。
步骤四：使用激光前向转印技术将金属间化合物薄膜分别转移到芯片、基板焊盘表面，焊盘表面金属为Ag，厚度为5μm。激光源为YAG激光。激光照射位置是石英基板与金属薄膜的界面。激光聚焦或散焦半径与焊盘直径相当，为30μm；激光功率为2000W；激光加热时间为5*10-8s。
步骤六：在转移到芯片或基板焊盘表面的金属间化合物薄膜表面电镀Sn薄膜，其厚度为2.5μm。
步骤七：将芯片与基板蒸镀好Sn膜的焊盘对接，施加5Mpa压力，并放入回流炉中，以4℃/s的速度加热至160℃完成预热阶段，以1~4℃/s的加热速率完成40~100s的保温阶段，以3℃/s的速率快速升温到峰值温度280℃并保温150s实现再流阶段，最后以1~5℃/s的速率冷至100℃以下。
实施例3：
如图1-3所示，激光前向转印Ni3Sn4薄膜诱发制备单Ni3Sn4互连焊点方法包含如下步骤：
步骤一：在石英基板表面通过蒸镀的方法制备Ni薄膜，厚度为400nm。
步骤二：在Ni金属薄膜表面通过蒸镀等方法制备厚度为250nm的Sn膜。
步骤三：通过恒温炉加热上述Ni/Sn双层薄膜，炉温设定为350℃，加热时间是500h，加热环境是在氮气环境中。外加磁场，其方向垂直于石英基板。加热后生成单晶的Ni3Sn4。
步骤四：使用激光前向转印技术将金属间化合物薄膜分别转移到芯片、基板焊盘表面，焊盘表面金属为Ni，厚度为4μm。激光源为CO2激光。激光照射位置是石英基板与金属薄膜的界面。激光聚焦或散焦半径与焊盘直径相当，为40μm；激光功率为2500W；激光加热时间为9*10-8s。
步骤六：在转移到芯片或基板焊盘表面的金属间化合物薄膜表面电镀Sn薄膜，其厚度为3.0μm。
步骤七：将芯片与基板蒸镀好Sn膜的焊盘对接，施加10Mpa压力，并放入回流炉中，以3℃/s的速度加热至150℃完成预热阶段，以1~4℃/s的加热速率完成40~100s的保温阶段，以4℃/s的速率快速升温到峰值温度270℃并保温180s实现再流阶段，最后以1~5℃/s的速率冷至100℃以下。

Claims (10)

1.一种采用激光前向转印具有特定晶粒取向和数量薄膜诱发金属间化合物生长的方法，其特征在于所述方法步骤如下：
步骤一：在透明的玻璃或石英基板表面制备金属薄膜作为种子层；
步骤二：在步骤一制作的种子层表面继续制备金属薄膜，如果所需厚度在步骤一中已经达到，则略去步骤二，直接到步骤三；
步骤三：在金属薄膜表面制备Sn膜；
步骤四：加热上述基板及双层薄膜，加热时间为30min~240h，加热峰值温度为250~400℃，最终制备出金属间化合物薄膜；
步骤五：使用激光前向转印技术将金属间化合物薄膜分别转移到芯片、基板焊盘表面；
步骤六：在转移到芯片或基板焊盘表面的金属间化合物薄膜表面镀Sn薄膜；
步骤七：将芯片与基板蒸镀或电镀好Sn膜的焊盘对接，施加1~20Mpa压力，并放入回流炉中，经历预热阶段、保温阶段、再流阶段、冷却阶段。
2.根据权利要求1所述的采用激光前向转印具有特定晶粒取向和数量薄膜诱发金属间化合物生长的方法，其特征在于所述种子层厚度为20nm~1.0μm。
3.根据权利要求1所述的采用激光前向转印具有特定晶粒取向和数量薄膜诱发金属间化合物生长的方法，其特征在于所述种子层与金属薄膜总厚度为0.6μm~2.0μm。
4.根据权利要求1所述的采用激光前向转印具有特定晶粒取向和数量薄膜诱发金属间化合物生长的方法，其特征在于所述Sn膜的厚度制备的原则是：保证在步骤四反应后Sn与金属薄膜能够生成稳定的金属间化合物的前提下，剩余20nm~150nm的金属薄膜。
5.根据权利要求1所述的采用激光前向转印具有特定晶粒取向和数量薄膜诱发金属间化合物生长的方法，其特征在于所述步骤四中，可在加热过程中选择在与薄膜垂直或平行的方向加入电场或磁场。
6.根据权利要求1所述的采用激光前向转印具有特定晶粒取向和数量薄膜诱发金属间化合物生长的方法，其特征在于所述激光前向转印技术中，激光源为半导体、CO2或YAG激光，激光照射位置是玻璃或石英基板与金属薄膜的界面，激光聚焦或散焦半径与焊盘直径相当，激光功率为200~6000W；激光加热时间为10-9s~1s。
7.根据权利要求6所述的采用激光前向转印具有特定晶粒取向和数量薄膜诱发金属间化合物生长的方法，其特征在于所述激光聚焦或散焦半径为0.1~300μm。
8.根据权利要求6所述的采用激光前向转印具有特定晶粒取向和数量薄膜诱发金属间化合物生长的方法，其特征在于所述焊盘表面金属为与待转印相同金属材质。
9.根据权利要求1所述的采用激光前向转印具有特定晶粒取向和数量薄膜诱发金属间化合物生长的方法，其特征在于所述Sn薄膜厚度为1.0~4.0μm。
10.根据权利要求1所述的采用激光前向转印具有特定晶粒取向和数量薄膜诱发金属间化合物生长的方法，其特征在于所述步骤六中，以1~6℃/s的速度加热至120~160℃完成预热阶段，以1~4℃/s的加热速率完成40~100s的保温阶段，以1~5℃/s的速率快速升温到峰值温度并保温50~200s实现再流阶段，最后以1~5℃/s的速率冷至100℃以下。
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