CN105525332A - 一种降低钎料键合热应力的方法及封装芯片 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种降低钎料键合热应力的方法及封装芯片，所述方法包括采用电镀的方法在芯片和基板上制作钎料，所使用的电镀液中添加有微纳级导电不溶性颗粒。该降低钎料键合热应力的方法简单有效，由于微纳级导电不溶性颗粒的热膨胀系数介于基板和钎料之间，进行高温键合时，该微纳级导电不溶性颗粒能够对因热膨胀系数差异导致芯片和基板之间产生的热应力进行有效缓冲。另外本发明还可有效改善镀层的表面形貌，增强镀层的耐磨性，同时不影响后续的高温键合质量。

Description

一种降低钎料键合热应力的方法及封装芯片

技术领域

本发明属于电子封装特别是半导体芯片封装领域，具体的涉及一种降低钎料键合热应力的方法以及具备低热应力的封装芯片。

背景技术

电镀(Electroplating)就是利用电解原理在某些导电材料表面镀上一薄层其它金属或合金的过程，是利用电解作用使金属或其它材料制件的表面附着一层金属膜的工艺。目前，在电子封装领域，因电镀的成本低、效率高等优点，键合钎料经常采用电镀的方法制作，并且一般通过电镀多层单金属或直接电镀钎料合金。电镀后的金属通过高温、加压的方式将芯片与基板焊接起来，最终实现芯片晶圆级键合的目的。

封装芯片中的芯片和基板属于不同的材料，在将芯片与基板焊接时，基于热胀冷缩的属性，两种材料分别发生体积变化，因为这种材料的热膨胀系数不相同，体积变化不同步，在结合处会产生界面热应力，如果两种材料结合紧密，会导致复合材料弯曲，如果两种材料结合力小于热应力，两种材料的界面会发生变形错配，导致脱层。

在半导体芯片封装过程中，往往需要在较高的温度下进行键合，而芯片、钎料和基板因热膨胀系数不同会在界面处产生热应力，导致芯片变形甚至断裂，从而极大地影响器件的可靠性和使用性。因此，降低芯片与基板键合时产生的热应力是十分必要的。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能有效降低钎料键合热应力的方法，其通过在电镀液中添加导电不溶性物质作为缓冲剂，来缓冲高温键合时因热膨胀系数不同而产生的热应力。

本发明的目的还在于提供一种具备良好键合稳定性的封装芯片，该封装芯片的热稳定性高，并且镀层的耐磨性强。

本发明所采用的技术方案如下：

一种降低钎料键合热应力的方法，包括：

采用电镀的方法在芯片和基板上制作钎料，所使用的电镀液中添加有微纳级导电不溶性颗粒。

进一步的，所述微纳级导电不溶性颗粒的颗粒直径优选为0.01～10μm，颗粒形状包括但不限于球形、椭球形和不规则形状。

优选的，所述电镀液中微纳级导电不溶性颗粒的溶解度小于或等于1g/L。

优选的，所述微纳级导电不溶性颗粒的热膨胀系数介于钎料与基体的热膨胀系数之间。

优选的，所述微纳级导电不溶性颗粒的电阻率小于或等于0.1Ω·m。

进一步的，所述微纳级导电不溶性颗粒包括但不限于碳化硅或银。

进一步，所述方法包括：在进行电镀时，使微纳级导电不溶性颗粒于电镀液中均匀分布。

本发明还提供了一种封装芯片，半导体芯片和基板间通过电镀的钎料进行键合，其特征在于所述钎料中含有微纳级导电不溶性颗粒，该微纳级导电不溶性颗粒的颗粒直径为0.01～10μm。

优选的，所述微纳级导电不溶性颗粒的电阻率小于或等于0.1Ω·m。

优选的，所述微纳级导电不溶性颗粒的热膨胀系数介于钎料与基体的热膨胀系数之间。

本发明中，微纳级导电不溶性颗粒作为缓冲剂添加在电镀液中，该微纳级导电不溶性颗粒一般采用热膨胀系数介于不同合金元素之间的物质，或者该微纳级导电不溶性颗粒的热膨胀系数介于合金钎料与基体的热膨胀系数之间。导电不溶性颗粒制作成微米或纳米级，颗粒的直径范围可以为0.01～10μm。为保证该微纳级导电不溶性颗粒以该微纳级颗粒存在于电镀层中，要求该微纳级导电不溶颗粒在电镀液中的溶解度应较低，一般要求其溶解度小于或等于1g/L，并且电阻率小于或等于0.1Ω·m。一般常用的该微纳级导电不溶性颗粒可以选用碳化硅、银等导电、基本不溶物质。微纳级导电不溶性颗粒于电镀液中的添加浓度小于或等于10g/L，为保证微纳级导电不溶性颗粒在电镀液中的分配均匀度，可以采用搅拌方式使其均匀分布。

与现有技术相比，本发明的有益效果包括：该降低钎料键合热应力的方法简单有效，由于微纳级导电不溶性颗粒的热膨胀系数介于基板和钎料之间，进行高温键合时，该微纳级导电不溶性颗粒能够对因热膨胀系数差异导致芯片和基板之间产生的热应力得到有效缓冲。另外本发明还可有效改善镀层的表面形貌，增强镀层的耐磨性，同时不影响后续的高温键合质量。

下面结合具体实施方式对本发明做进一步的阐述。

具体实施方式

实施例1：

采用碳化硅作为微纳级导电不溶性颗粒作为铜电镀液的缓冲剂。

其中，铜电镀液可由市售途径获取或自制，其组分如下：硫酸铜（CuSO₄.5H₂O)，硫酸(H₂SO₄)，氯离子（Cl^-)添加剂，以及余量的水。

将基本不溶于铜电镀液的微纳级导电不溶性颗粒碳化硅添加至铜电镀液中，添加的浓度为2.5g/L,碳化硅的颗粒直径为0.01～10μm，碳化硅在铜电镀液中的溶解度小于1g/L。碳化硅的电阻率为0.002Ω·m。

搅拌铜电镀液至碳化硅颗粒均匀分布于电镀液中。

采用电镀的方法在芯片和基板上制备Sn-Cu钎料，将芯片和基本在高温下加压进行键合。

对照组：取与实施例1相同的铜电镀液，但不添加碳化硅，并按照实施例1的方式进行电镀和键合。

对实施例1和对照组键合后产品进行应力测试，其中采用的测试仪器为Dektak150，扫描长度2cm,经多次试验后，可以获知：

对照组产品的最大形变值约6微米，而实施例1产品的形变值约3微米，换言之，对照组产品的最大形变值是实施例1产品的2倍。由此可以证明，该钎料键合后的热稳定性明显高于不添加微纳级导电不溶性颗粒碳化硅的同类钎料。

并且，本发明电镀得到的镀层的表面具有较好的摩擦力和抗磨性，对高温压力键合无影响。

实施例2：

采用银作为微纳级导电不溶性颗粒作为铜电镀液的缓冲剂。该铜电镀液的组分与实施例1基本相同。

将基本不溶于锡电镀液的微纳级导电不溶性颗粒银添加至锡电镀液中，添加的浓度为5g/L,银的颗粒直径为0.01～10μm，银在锡电镀液中的溶解度小于1g/L。银的电阻率为1.65×10^-8Ω·m。

搅拌铜电镀液至碳化硅颗粒均匀分布于电镀液中。

采用电镀的方法在芯片和基板上制备Sn-Ag-Cu钎料，将芯片和基本在高温下加压进行键合。

经检测，该钎料键合后的热稳定性明显高于不添加微纳级导电不溶性颗粒银的同类钎料。并且本发明电镀得到的镀层的表面具有较好的摩擦力和抗磨性，对高温压力键合无影响。

以上仅是本发明的两个较佳应用范例，对本发明的保护范围不构成任何限制。实际上，本领域技术人员经由本发明技术方案之启示，亦可想到采用上述方案制备不同的钎料体系，或采用不同的方式向钎料中添加缓冲剂。但是，凡采用等同变换或者等效替换而形成的技术方案，均落在本发明权利保护范围之内。

Claims (10)

1.一种降低钎料键合热应力的方法，其特征在于所述方法包括：采用电镀的方法在芯片和基板上制作钎料，所使用的电镀液中添加有微纳级导电不溶性颗粒。

2.根据权利要求1所述的降低钎料键合热应力的方法，其特征在于所述微纳级导电不溶性颗粒的颗粒直径为0.01～10μm，颗粒形状包括球形、椭球形或不规则形状。

3.根据权利要求1所述的降低钎料键合热应力的方法，其特征在于所述电镀液中微纳级导电不溶性颗粒的溶解度小于或等于1g/L。

4.根据权利要求1所述的降低钎料键合热应力的方法，其特征在于所述微纳级导电不溶性颗粒的热膨胀系数介于钎料与基体的热膨胀系数之间。

5.根据权利要求1所述的降低钎料键合热应力的方法，其特征在于所述微纳级导电不溶性颗粒的电阻率小于或等于0.1Ω·m。

6.根据权利要求1所述的降低钎料键合热应力的方法，其特征在于所述微纳级导电不溶性颗粒包括碳化硅或银。

7.根据权利要求1所述的降低钎料键合热应力的方法，其特征在于所述方法进一步包括：在进行电镀时，使微纳级导电不溶性颗粒于电镀液中均匀分布。

8.一种封装芯片，其中半导体芯片和基板间通过电镀的钎料进行键合，其特征在于所述钎料中含有微纳级导电不溶性颗粒，所述微纳级导电不溶性颗粒的颗粒直径为0.01～10μm。

9.根据权利要求8所述的封装芯片，其特征在于所述微纳级导电不溶性颗粒的电阻率小于或等于0.1Ω·m。

10.根据权利要求8所述的封装芯片，其特征在于所述微纳级导电不溶性颗粒的热膨胀系数介于钎料与基体的热膨胀系数之间。