CN106735663A - 一种全金属间化合物窄间距微焊点的制备方法及结构 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种全金属间化合物窄间距微焊点的制备方法及结构，在芯片上制备至少一个第一金属焊盘和钎料凸点或钎料层，在载板上制备至少一个第二金属焊盘和可焊层；在可焊层的表面涂覆焊剂；将钎料凸点或钎料层和可焊层对准放置后加热，钎焊回流，使第一金属焊盘温度低于第二金属焊盘温度，钎料凸点或钎料层熔化后全部转变为三元金属间化合物。本发明选取Cu和Ni作为金属焊盘，在温度梯度作用下，Cu‑Ni形成的耦合作用，会同时加速金属间化合物在第一和第二金属焊盘上的生长，提高金属间化合物总的生长速率；具有择优取向的Cu‑Sn‑Ni三元金属间化合物，能够提高微焊点的可靠性和力学性能；与现有半导体及封装工艺兼容性好，工艺简单，实现低温互连高温服役。

Description

一种全金属间化合物窄间距微焊点的制备方法及结构
技术领域
本发明属于电子制造领域，涉及一种全金属间化合物窄间距微焊点的制备方法及结构。
背景技术
在微电子器件及产品的制造过程中，通过钎焊回流工艺实现芯片与封装载板或者封装载板与印刷电路板之间的连接是电子封装的核心技术之一。钎焊回流时，采用Sn基钎料与芯片和封装载板上的焊盘发生钎焊反应，并在两侧焊盘上生成界面金属间化合物薄层，形成焊点，实现芯片到封装载板的互连。焊点由芯片焊盘-金属间化合物-钎料-金属间化合物-封装载板焊盘组成。钎焊后所形成的焊点为芯片或者封装体提供电能传递、信号传递、机械支撑、导热通道等功能，因此焊点的制备和性能对电子产品的质量和可靠性至关重要。通常，在钎焊反应过程中界面金属间化合物的生长速率较慢，钎焊结束后焊点中钎料的厚度要远大于金属间化合物的厚度，它们的厚度比为几十比一，甚至是几百比一。
目前，电子封装器件不断追求高频高速、多功能、高性能和小体积，一方面导致工作电流密度持续增大，焦耳热随之增大，需要所述的器件在越来越高的温度下服役，并保持长时间可靠性；另一方面使得互连焊点的尺寸(间距)越来越小。在此情况下，现有互连技术存在的主要问题是：1、传统的芯片焊盘-金属间化合物-钎料-金属间化合物-封装载板焊盘结构包含多个连接界面，在较高温度长期服役时，由于金属间化合物层会生长粗化，引起焊盘/金属间化合物和金属间化合物/钎料的界面上形成柯肯达尔空洞等缺陷，在外力或热应力作用下界面上会形成裂纹或发生断裂，导致焊点失效。2、传统的钎料均为低熔点合金，如Sn-37Pb、Sn-3.5Ag、Sn-0.7Cu、Sn-3.5Ag-0.5Cu和Sn-9Zn等的熔点均低于230℃，钎料焊点不能在高温环境下可靠工作，互连部位相对较差的高温服役性能已成为制约高密度封装发展的主要瓶颈之一。要想提高焊点的服役温度必须选择熔点更高的钎料，然而过高的钎焊连接温度会造成元器件的损伤。
为解决上述技术问题，出现了全金属间化合物焊点的技术方案，即在一定条件下使界面反应充分进行，直至钎料全部转化为金属间化合物，形成芯片焊盘-金属间化合物-封装载板焊盘的结构，以实现低温连接高温服役的要求。但缺点是常规钎焊、热压键合等方法所需钎焊反应时间长，生产效率低，且会因为原子间的互扩散而在金属间化合物层中产生空洞；采用纳米金属间化合物颗粒制备全金属间化合物焊点，工艺复杂，制作纳米颗粒成本过高，生成渣滓不易清理；而低温超声键合方法缺点是工艺复杂，需要对生产设备作较大改动，与现有封装工艺技术兼容性低。
发明内容
本发明提供了一种全金属间化合物窄间距微焊点的制备方法，通过钎焊回流时在焊点内形成一定的温度梯度，加速微焊点两侧焊盘金属原子向液态钎料中的溶解，从而显著加速微焊点两侧界面金属间化合物的生长速率，最终得到致密的全金属间化合物互连窄间距微焊点。
本发明采用的技术方案如下：
一种全金属间化合物窄间距微焊点的制备方法，包括以下步骤：
步骤一：提供芯片，所述芯片上制备至少一个第一金属焊盘，所述第一金属焊盘上制备钎料凸点或钎料层；提供载板，所述载板上制备至少一个第二金属焊盘，所述第二金属焊盘上制备可焊层；
所述第一金属焊盘和第二金属焊盘具有不同的材质；
所述第一金属焊盘和第二金属焊盘具有相同的排布图形；
所述第一金属焊盘为Cu时，第二金属焊盘为Ni；
所述第一金属焊盘为Ni时，第二金属焊盘为Cu；
所述钎料凸点或钎料层为Sn、SnCu、SnNi、SnCuNi中的一种；
所属钎料凸点或钎料层的高度小于50μm；
所述可焊层由Ni、Au、Pd、Ag、OSP、Sn中的一种或几种组成，且不同于所述第二金属焊盘的材质；
步骤二：在可焊层的表面涂覆焊剂；
步骤三：将钎料凸点或钎料层和可焊层一一对准，并接触放置，形成一个组合体；
步骤四：对步骤三形成的组合体加热至所需温度下进行钎焊回流，并使第一金属焊盘的温度低于第二金属焊盘的温度，即在第一金属焊盘和第二金属焊盘之间形成温度梯度，直至钎料凸点或钎料层熔化后发生钎焊反应并全部转变为金属间化合物；
所述温度梯度定义为ΔT/Δd，所述ΔT为第二金属焊盘上表面与第一金属焊盘下表面之间的温度差，所述Δd为第二金属焊盘上表面与第一金属焊盘下表面之间的距离；
所述温度梯度不小于20℃/cm，优选为30～300℃/cm；
所述金属间化合物在第一金属焊盘及第二金属焊盘上同时形成生长；
优选的，所述钎料凸点或钎料层的高度为1～30μm；
优选的，所述第二金属焊盘为Cu；
所述第二金属焊盘的厚度，根据钎料凸点和金属焊盘的材质，并使钎料在钎焊反应中全部反应形成金属间化合物为准，本领域的技术人员可根据实际需求进行选择，优选为2～50μm；所述的第二金属焊盘的厚度优选为2～50μm。
所述第一金属焊盘和第二金属焊盘在钎焊反应后仍有剩余；
所述金属间化合物为Cu-Sn-Ni三元化合物；
所述第一金属焊盘和第二金属焊盘之一或两者同时可以为单晶或具有择优取向；在所述第一金属焊盘和第二金属焊盘之一或两者同时为单晶或具有择优取向时，所述Cu-Sn-Ni三元金属间化合物具有择优取向；
本发明在步骤四中，使第一金属焊盘的温度低于第二金属焊盘的温度以形成温度梯度，由于焊点的尺寸微小，即使焊点内存在较小的温度差，仍然会形成较大的温度梯度。例如，10μm焊点两侧焊盘之间的温度差为0.1℃时，所形成的温度梯度将达到100℃/cm。温度梯度的存在引发焊盘金属原子快速溶解到液态钎料中，从而显著加速微焊点界面金属间化合物的生长速率。
本发明中的加热装置为可形成温度梯度的加热器。
本发明中，在温度梯度存在的条件下进行钎焊回流的过程中，金属焊盘和钎料的材质、金属焊盘之间的距离、温度梯度和回流温度是影响金属间化合物的生长速率和结构的最主要因素，其它因素影响较小；金属间化合物的生长速率随温度梯度的增大而增加。因此，本发明不限于上述技术方案中的结构。
一种全金属间化合物窄间距微焊点结构，包括芯片上的至少一个第一金属焊盘和载板上的至少一个第二金属焊盘，所述第一金属焊盘和第二金属焊盘至少其一为单晶或具有择优取向，所述第一金属焊盘和第二金属焊盘通过金属间化合物连接，所述金属间化合物具有择优取向；
所述第一金属焊盘为Cu时，第二金属焊盘为Ni；
所述第一金属焊盘为Ni时，第二金属焊盘为Cu；
所述金属间化合物为Cu-Sn-Ni三元化合物。
本发明的有益效果是：钎焊回流时引入温度梯度促使金属原子发生热迁移，加速金属焊盘的溶解及金属间化合物的生长；选取Cu和Ni搭配作为微焊点两侧金属焊盘，在温度梯度作用下使得大量的Cu和Ni原子被溶解进入液态钎料中，被溶解的Cu和Ni原子发生Cu-Ni交互作用，不仅会加速金属间化合物的生长还进一步促进焊盘的溶解；设置第一和第二金属焊盘的间距小于50μm，使Cu-Ni交互作用和热迁移形成强烈的耦合作用，一方面使得微焊点两端界面上均生成Cu-Sn-Ni三元金属间化合物，另一方面不仅会显著加速金属间化合物在温度相对较低的第一金属焊盘上的形成生长，而且还加速了金属间化合物在温度相对较高的第二金属焊盘上的形成生长，即大大提高了金属间化合物总的生长速率，进而提高全金属间化合物焊点的制作效率。同时，选取金属焊盘为Cu和Ni搭配Sn基钎料，形成Cu-Sn-Ni三元金属间化合物，消除了Cu3Sn型金属间化合物在界面上的形成，可避免微焊点服役过程中在金属间化合物与金属焊盘之间的界面上形成柯肯达尔空洞，提高了微焊点的可靠性。此外，金属焊盘采用单晶或择优取向金属材料时，形成的金属间化合物具有择优取向，从而提高了微焊点的力学性能和服役可靠性。形成的全金属间化合物微焊点融化温度高，具有较好的热稳定性，采用传统的回流温度进行钎焊，避免对元器件的高温损伤，与现有半导体及封装工艺兼容性好，工艺简单，制作效率高，实现低温互连高温服役。
附图说明
图1为本发明第一金属焊盘上制备钎料凸点的组合体结构示意图。
图2为第一金属焊盘上制备钎料层的组合体结构示意图。
图3为本发明制备的全金属间化合物微焊点结构示意图。
图中：10-芯片；20-第一金属焊盘；22-钎料凸点；24-钎料层；30-载板；40第二金属焊盘；42可焊层；44焊剂；50金属间化合物。
具体实施方式
下面结合具体附图和实施例对本发明作进一步说明。
实施例1：
步骤一：提供芯片10，在所述芯片10上电镀制备30×30个厚度为40μm的Cu第一金属焊盘20的阵列，在所制得的Cu第一金属焊盘20上电镀纯Sn并回流制得高度为30μm的Sn钎料凸点22；提供载板30，在所述载板30上电镀制备30×30个厚度为20μm的Ni第二金属焊盘40的阵列，在所制得的Ni第二金属焊盘40上化学沉积Sn可焊层42；
步骤二：在Sn可焊层42的表面涂覆焊剂44；
步骤三：将Sn钎料凸点22和Sn可焊层42一一对准，并接触放置，形成一个组合体；
步骤四：加热步骤三形成的组合体并进行钎焊回流，使Cu第一金属焊盘20的温度达到250℃且低于Ni第二金属焊盘40的温度，即在Cu第一金属焊盘20和Ni第二金属焊盘40之间形成20℃/cm的温度梯度，直至Sn钎料凸点22熔化后反应完毕全部转变为(Cu,Ni)6Sn5金属间化合物50，制得全金属间化合物微焊点。
实施例2：
步骤一：提供芯片10，在所述芯片10上电镀制备20×30个厚度为2μm的Ni第一焊盘20的阵列，在所制得的Ni第一焊盘20溅射厚度为1μm的Sn钎料层24；提供载板30，在所述载板30上电镀制备20×30个厚度为5μm的Cu第二金属焊盘40的阵列，在所制得的Cu第二金属焊盘40上化学沉积OSP可焊层42；
步骤二：在OSP可焊层42的表面涂覆焊剂44；
步骤三：将Sn钎料层24和OSP可焊层42一一对准，并接触放置，形成一个组合体；
步骤四：加热步骤三形成的组合体并进行钎焊回流，使Ni第一金属焊盘20的温度达到250℃且低于Cu第二金属焊盘40的温度，即在Cu第一金属焊盘20和Cu第二金属焊盘40之间形成30℃/cm的温度梯度，直至Sn钎料层24熔化后反应完毕全部转变为(Cu,Ni)6Sn5金属间化合物50，制得全金属间化合物微焊点。
实施例3：
步骤一：提供芯片10，在所述芯片10上电镀制备20×30个厚度为50μm的Cu第一焊盘20的阵列，在所制得的Cu第一焊盘20上植Sn0.5Cu钎料球并回流制得高度为30μm的Sn0.5Cu钎料凸点22；提供载板30，在所述载板30上电镀制备20×30个厚度为15μm的Ni第二金属焊盘40的阵列，在所制得的Ni第二金属焊盘40上化学镀Au可焊层42；
步骤二：在Au可焊层42的表面涂覆焊剂44；
步骤三：将Sn0.5Cu钎料凸点22和Au可焊层42一一对准，并接触放置，形成一个组合体；
步骤四：加热步骤三形成的组合体并进行钎焊回流，使Cu第一金属焊盘20的温度达到250℃且低于Ni第二金属焊盘40的温度，即在Cu第一金属焊盘20和Ni第二金属焊盘40之间形成50℃/cm的温度梯度，直至Sn0.5Cu钎料凸点22熔化后反应完毕全部转变为(Cu,Ni)6Sn5金属间化合物50，制得全金属间化合物微焊点。
实施例4：
步骤一：提供芯片10，在所述芯片10上溅射制备40×30个厚度为2μm的单晶Ni第一焊盘20的阵列，在所制得的单晶Ni第一焊盘20上电镀制备厚度为1μm的Sn钎料层24；提供载板30，在所述载板30上电镀制备40×30个厚度为5μm的Cu第二金属焊盘40的阵列，在所制得的Cu第二金属焊盘40上电镀制备Ni/Pd/Au可焊层42；
步骤二：在Ni/Pd/Au可焊层42的表面涂覆焊剂44；
步骤三：将Sn钎料层24和Ni/Pd/Au可焊层42一一对准，并接触放置，形成一个组合体；
步骤四：对步骤三形成的组合体进行钎焊回流，使单晶Ni第一金属焊盘20的温度达到280℃且低于Cu第二金属焊盘40的温度，即在单晶Ni第一金属焊盘20和Cu第二金属焊盘40之间形成100℃/cm的温度梯度，直至Sn钎料层24熔化后反应完毕全部转变为具有择优取向的(Cu,Ni)6Sn5金属间化合物50，制得择优取向金属间化合物微焊点。
实施例5：
步骤一：提供芯片10，在所述芯片10上电镀制备30×30个厚度为20μm的择优取向Cu第一焊盘20的阵列，在所制得的择优取向Cu第一焊盘20上电镀制备12μm的SnCuNi钎料层24；提供载板30，在所述载板30上电镀制备30×30个厚度为15μm的择优取向Ni第二金属焊盘40的阵列，在所制得的择优取向Ni第二金属焊盘40上电镀制备Au可焊层42；
步骤二：在Au可焊层42的表面涂覆焊剂44；
步骤三：将SnCuNi钎料层24和Au可焊层42一一对准，并接触放置，形成一个组合体；
步骤四：对步骤三形成的组合体进行钎焊回流，使择优取向Cu第一金属焊盘20的温度达到260℃且低于择优取向Ni第二金属焊盘40的温度，即在择优取向Cu第一金属焊盘20和择优取向Ni第二金属焊盘40之间形成150℃/cm的温度梯度，直至SnCuNi钎料层24熔化后反应完毕全部转变为具有择优取向的(Cu,Ni)6Sn5金属间化合物50，制得择优取向金属间化合物微焊点。
实施例6：
步骤一：提供芯片10，在所述芯片10上溅射制备100×100个厚度为1μm的单晶Ni第一焊盘20的阵列，在所制得的单晶Ni第一焊盘20上溅射制备厚度为1μm的SnNi钎料层24；提供载板30，在所述载板30上溅射制备100×100个厚度为3μm的单晶Cu第二金属焊盘40的阵列，在所制得的单晶Cu第二金属焊盘40上化学沉积OSP可焊层42；
步骤二：在OSP可焊层42的表面涂覆焊剂44；
步骤三：将SnNi钎料层24和OSP可焊层42一一对准，并接触放置，形成一个组合体；
步骤四：对步骤三形成的组合体进行钎焊回流，使单晶Ni第一金属焊盘20的温度达到260℃且低于单晶Cu第二金属焊盘40的温度，在单晶Ni第一金属焊盘20和单晶Cu第二金属焊盘40之间形成200℃/cm的温度梯度，直至SnNi钎料层24熔化后反应完毕全部转变为具有择优取向的(Cu,Ni)6Sn5金属间化合物50，制得择优取向全金属间化合物微焊点。
实施例7：
步骤一：提供芯片10，在所述芯片10上电镀制备50×50个厚度为10μm的Ni第一焊盘20的阵列，在所制得的Ni第一焊盘20上电镀厚度为20μm的Sn钎料层24；提供载板30，在所述载板30上电镀制备50×50个厚度为30μm的Cu第二金属焊盘40的阵列，在所制得的Cu第二金属焊盘40上电镀Au可焊层42；
步骤二：在Au可焊层42的表面涂覆焊剂44；
步骤三：将Sn钎料层24和Au可焊层42一一对准，并接触放置，形成一个组合体；
步骤四：对步骤三形成的组合体进行钎焊回流，使Ni第一金属焊盘20的温度达到270℃且低于Cu第二金属焊盘40的温度，在Ni第一金属焊盘20和Cu第二金属焊盘40之间形成250℃/cm的温度梯度，直至Sn钎料层24熔化后反应完毕全部转变为(Cu,Ni)6Sn5金属间化合物50，制得全金属间化合物微焊点。
实施例8：
步骤一：提供芯片10，在所述芯片10上电镀制备200×200个厚度为25μm的Cu第一焊盘20的阵列，在所制得的Cu第一焊盘20电镀厚度为5μm的Sn钎料层24；提供载板30，在所述载板30上电镀制备200×200个厚度为15μm的Ni第二金属焊盘40的阵列，在所制得的Ni第二金属焊盘40上电镀Au可焊层42；
步骤二：在Au可焊层42的表面涂覆焊剂44；
步骤三：将Sn钎料层24和Au可焊层42一一对准，并接触放置，形成一个组合体；
步骤四：对步骤三形成的组合体进行钎焊回流，使Cu第一金属焊盘20的温度达到180℃且低于Ni第二金属焊盘40的温度，在Cu第一金属焊盘20和Ni第二金属焊盘40之间形成300℃/cm的温度梯度，直至Sn钎料层24熔化后反应完毕全部转变为(Cu,Ni)6Sn5金属间化合物50，制得全金属间化合物微焊点。
上述实施例是对本发明所作的进一步详细说明，并不用以限制本发明，所用材料和工艺条件仅限于上述实施例，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种全金属间化合物窄间距微焊点的制备方法，其特征在于以下步骤：
步骤一：提供芯片，所述芯片上制备至少一个第一金属焊盘，所述第一金属焊盘上制备钎料凸点或钎料层；提供载板，所述载板上制备至少一个第二金属焊盘，所述第二金属焊盘上制备可焊层；
所述第一金属焊盘和第二金属焊盘具有不同的材质；
所述第一金属焊盘和第二金属焊盘具有相同的排布图形；
所述第一金属焊盘为Cu时，第二金属焊盘为Ni；
所述第一金属焊盘为Ni时，第二金属焊盘为Cu；
所述钎料凸点或钎料层为Sn、SnCu、SnNi、SnCuNi中的一种；
所述钎料凸点或钎料层的高度小于50μm；
所述可焊层由Ni、Au、Pd、Ag、OSP、Sn中的一种或几种组成，且不同于所述第二金属焊盘的材质；
步骤二：在可焊层的表面涂覆焊剂；
步骤三：将钎料凸点或钎料层和可焊层一一对准，并接触放置，形成一个组合体；
步骤四：对步骤三形成的组合体加热至所需温度下进行钎焊回流，并使第一金属焊盘的温度低于第二金属焊盘的温度，即在第一金属焊盘和第二金属焊盘之间形成温度梯度，直至钎料凸点或钎料层熔化后发生钎焊反应并全部转变为金属间化合物；所述金属间化合物为Cu-Sn-Ni三元化合物；
所述温度梯度定义为ΔT/Δd，所述ΔT为第二金属焊盘上表面与第一金属焊盘下表面之间的温度差，所述Δd为第二金属焊盘上表面与第一金属焊盘下表面之间的距离；
所述金属间化合物在第一金属焊盘及第二金属焊盘上同时形成生长；所述第一金属焊盘和第二金属焊盘在钎焊反应后仍有剩余。
2.根据权利要求1所述的一种全金属间化合物窄间距微焊点的制备方法，其特征在于，所述第一金属焊盘和第二金属焊盘之一或两者同时为单晶或具有择优取向；所述Cu-Sn-Ni三元金属间化合物具有择优取向。
3.根据权利要求1或2所述的一种全金属间化合物窄间距微焊点的制备方法，其特征在于，所述钎料凸点或钎料层的高度为1～30μm。
4.根据权利要求1或2所述的一种全金属间化合物窄间距微焊点的制备方法，其特征在于，所述的温度梯度范围为30～300℃/cm。
5.根据权利要求3所述的一种全金属间化合物窄间距微焊点的制备方法，其特征在于，所述的温度梯度范围为30～300℃/cm。
6.根据权利要求1或2或5所述的一种全金属间化合物窄间距微焊点的制备方法，其特征在于，所述的第二金属焊盘的厚度为2～50μm；所述的第一金属焊盘的厚度为2～50μm。
7.根据权利要求3所述的一种全金属间化合物窄间距微焊点的制备方法，其特征在于，所述的第二金属焊盘的厚度为2～50μm；所述的第一金属焊盘的厚度为2～50μm。
8.根据权利要求4所述的一种全金属间化合物窄间距微焊点的制备方法，其特征在于，所述的第二金属焊盘的厚度为2～50μm；所述的第一金属焊盘的厚度为2～50μm。
9.采用权利要求1-8任一所述制备方法得到的全金属间化合物窄间距微焊点结构，包括芯片上的至少一个第一金属焊盘和载板上的至少一个第二金属焊盘，其特征在于，所述的第一金属焊盘为Cu时，第二金属焊盘为Ni；或所述的第一金属焊盘为Ni时，第二金属焊盘为Cu；所述的第一金属焊盘和第二金属焊盘通过金属间化合物连接，所述金属间化合物为Cu-Sn-Ni三元化合物。
10.根据权利要求9所述的全金属间化合物窄间距微焊点结构，其特征在于，所述的第一金属焊盘和第二金属焊盘之一或两者同时为单晶或具有择优取向，所述第一金属焊盘和第二金属焊盘通过具有择优取向的金属间化合物连接。
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