CN107058956B - 一种铜六锡五全imc微凸点的快速制造方法 - Google Patents
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Abstract
一种铜六锡五全IMC微凸点的快速制造方法，涉及三维封装互连制造。提供可解决三维封装大互连间隙无铅耐高温微凸点难以快速制造及微凸点性能与可靠性不佳等一系列技术难题，工艺简单、成本低廉、且可快速形成高性能与高可靠性的一种Cu6Sn5全IMC微凸点的快速制造方法。形成的互连微凸点是以Cu6Sn5优选取向晶粒为主体的完全IMC结构。
Description
技术领域
本发明涉及三维封装互连制造，尤其是涉及一种优选取向铜六锡五(Cu6Sn5)界面结构的制造方法，及基于上述结构形成高性能与高可靠性全IMC微凸点的技术方案。
背景技术
微凸点(μ-Bump)互连是先进三维封装(3D Packaging)制造工艺的关键连接技术之一，该技术与传统平面集成封装常用的Sn球互连工艺如BGA(Ball Grid Array)、FC(FlipChip)等一脉相承，其互连本质均为伴随有界面IMC(Intermetallic Compound)生成的Sn/Cu润湿反应。一般来说，Sn/Cu润湿反应生成的IMC主要包括Cu6Sn5和Cu3Sn。Cu6Sn5是润湿反应的先导产物和主体产物，在一般软钎焊条件下(250℃加热1min)，其晶粒尺寸可达3～5μm；Cu3Sn缓慢生成于Cu6Sn5与Cu的固态界面，在相同条件下其晶粒生长尺寸只有100～200nm。相较于传统BGA或FS所用互连Sn球(直径>80μm)，微凸点互连采用尺寸极小的Sn镀层结构(5～25μm)；这种微细结构显著的提升了互连密度，然而也加剧了尺度与界面效应，造成以少数Cu6Sn5晶粒为主体的界面IMC层占微凸点的体积比急剧增加。考虑到IMC与Sn的物理、力学性能差异较大，其中Cu3Sn的综合性能略优于Sn，而Cu6Sn5的综合性能却远逊于Sn，所以以少数Cu6Sn5晶粒为主体的界面IMC层占微凸点的体积比增加，将导致微凸点的电、热、力学性能恶化且不同凸点的性能差异巨大，从而对三维封装器件的性能与可靠性造成恶劣影响。
另外，由于三维封装采用多层芯片垂直堆叠，微凸点中的Sn镀层需要在一次熔化过程中完全转变为高熔点的IMC结构，防止未转变的Sn镀层在后续芯片的重熔堆叠过程中发生坍塌。不过，由于Cu6Sn5晶粒生长速度随熔化时间延长而逐渐放缓；当互连间隙超过10μm时，实现以Cu6Sn5为主体的全IMC微凸点所需时间超过数十分钟。显然长时间互连操作无法满足三维封装的快速制造工艺要求，所以如何快速实现以Cu6Sn5为主体的全IMC微凸点已成为三维封装微凸点互连技术面临的重要挑战。
中国专利CN201310648319.0公开的一种单一取向Cu6Sn5金属间化合物微互连焊点结构的制备及应用方法和中国专利CN201510409778.2公开的一种高温封装用Cu6Sn5基单晶无铅焊点的定向互连方法，主要是解决了如何获得性能一致的微凸点结构；中国专利CN201610391373.5公开的一种低温连接高温使用Cu/Sn/Cu钎焊界面的制备方法及结构主要关注于如何实现全IMC互连结构；中国专利CN104862701A公开一种采用多层微米、亚微米薄膜快速制备可高温服役全IMC微焊点的方法，关注于如何通过减少互连间隙从而实现大互连间隙全IMC互连结构的快速制造。不过，上述公开或授权专利并没有充分考虑IMC对互连微凸点的性能与可靠性的影响，更没有解决高性能与高可靠性全IMC微凸点的快速制造难题。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术中没有充分考虑IMC对互连微凸点的性能与可靠性的影响，更没有解决高性能与高可靠性全IMC微凸点的快速制造难题，提供可解决三维封装大互连间隙无铅耐高温微凸点难以快速制造及微凸点性能与可靠性不佳等一系列技术难题，工艺简单、成本低廉、且可快速形成高性能与高可靠性的一种铜六锡五(Cu6Sn5)全IMC微凸点的快速制造方法。
本发明包括以下步骤：
1)将商用Sn颗粒、(111)或(001)优选取向的单晶或纳米孪晶Cu箔分别浸泡于丙酮溶液中，超声清洗，去除金属表面油污后浸泡于质量浓度为0.5％～2％的盐酸酒精的腐蚀溶液中，按照浸泡产物与腐蚀溶液体积比1︰5添加腐蚀溶液，超声清洗，去除金属表面氧化物后浸泡于质量浓度为0.5％～2％的硝酸酒精的腐蚀溶液中，按照浸泡产物与腐蚀溶液体积比1︰5添加腐蚀溶液，超声清洗，去除金属表面难溶氯化物后浸泡于酒精溶液中，超声清洗后吹干，得清洗后的(111)或(001)优选取向的单晶或纳米孪晶Cu箔；
2)将清洗后的(111)或(001)优选取向的单晶或纳米孪晶Cu箔用丙烯酸酯胶水粘在玻璃载片上，并置于真空蒸镀设备基片处，将清洗后的Sn颗粒置于铂金舟内，将工作压强设为(4～5)×10-4Pa，基片转速设为5～20r/min，蒸发时间为5min～3h，基片温度为50～100℃，蒸发功率为50～100W，通过控制真空蒸镀时间、蒸发功率和基片温度，实现优选Cu箔单侧表面0.5～10μm厚度可控的Sn镀层结构，将上述玻璃载片加热至150℃，保温2min，使丙烯酸酯胶水失效，翻转金属箔，并再次用丙烯酸酯胶水将金属箔粘在玻璃载片上，重复蒸镀Sn工艺，使双侧Cu箔的蒸镀Sn层厚度相同，得粘有金属箔的玻璃载片；
3)将粘有金属箔的玻璃载片放置于激光打标机的加工台表面，将优选Cu箔裁剪成厚度不大于300μm，再将玻璃载片加热，使丙烯酸酯胶水失效，将剥落的镀Sn优选Cu箔加工片收集备用；
4)将Si片浸泡于丙酮溶液中，超声清洗，去除Si片Cu焊盘表面的污染物，再浸泡于硝酸酒精的腐蚀溶液中，按照浸泡产物与腐蚀溶液体积比1︰10添加腐蚀溶液，超声清洗，去除Cu焊盘氧化层，再浸泡于酒精溶液中，超声清洗后吹干备用；
5)将镀Sn优选Cu箔加工片表面涂敷助焊剂后，放置在Si片的Cu焊盘表面，校准后对加工片的放置位置校准；
6)对加工片加热，使加工片的底部Sn层与Si片Cu焊盘润湿互连，形成可靠的垂直互连微凸点；
7)将冷却后的加工片表层重新喷涂助焊剂，倒置整个Si片，将步骤6)中形成的互连结构放置在对应的下层Si片的Cu焊盘顶部；
8)使用加热装置对倒装Si片堆叠结构整体加热，使整个互连微凸点形成以Cu6Sn5晶粒为主体的完全IMC结构，即得铜六锡五(Cu6Sn5)全IMC微凸点。
在步骤1)中，每一次超声清洗的时间可为5min。
在步骤3)中，所述将粘有金属箔的玻璃载片放置于激光打标机的加工台表面后，控制激光功率可为10w，激光移动速度可为10m/s；所述加热的温度可为150℃，加热的时间可为2min。
在步骤4)中，每次超声清洗的时间可为1min；所述硝酸酒精的腐蚀溶液的质量浓度可为0.1％～1％。
在步骤5)中，所述助焊剂可采用免清洗型助焊剂；所述放置在Si片的Cu焊盘表面可使用真空吸笔放置在Si片的Cu焊盘表面，真空吸笔的放置误差应不大于5μm；所述校准后对加工片的放置位置校准可通过光学显微镜对放置后的加工片位置进行校准，可以避免后续加热过程可能出现的微凸点互连虚焊问题。
在步骤6)中，所述加热，可采用红外加热装置或热风加热装置等对加工片进行加热，加热的温度可为240～300℃，加热的时间可为30～90s；由于熔融Sn钎料具有自对准特性，因此镀Sn优选Cu箔加工片可以矫正放置误差。另外，由于加热温度低、时间短，加工片顶部Sn层不会与内层Cu完全反应，从而保证了加工片在随后倒装-回流过程中可以与倒装Si片的Cu焊盘实现润湿互连，进而形成可靠的垂直互连微凸点。
在步骤7)中，所述助焊剂可采用免清洗型助焊剂；所述将步骤6)中形成的互连结构放置在对应的下层Si片的Cu焊盘顶部的放置误差应小于5μm。
在步骤8)中，所述加热的温度可为240～300℃，加热的时间可为30～900s；通过控制加热时间与加热温度，使整个互连微凸点形成以Cu6Sn5晶粒为主体的完全IMC结构。由于加热时间短，且优选Cu箔与Cu6Sn5晶粒之间界面能小，因此界面Cu3Sn难于形核，从而减少了界面柯肯达尔空洞的生成，显著提升互连界面可靠性。
本发明的核心是形成的互连微凸点是以Cu6Sn5优选取向晶粒为主体的完全IMC结构。其形成原因在于以下两点；
(1)(111)或(001)的单晶或纳米孪晶Cu在与Sn发生润湿反应后，会形成以Cu6Sn5(10-10)或(11-20)为惯习面的单向性晶粒层。研究发现，由于Cu6Sn5的(0002)晶面比(1010)强度高11.02％且硬度高6.99％，而(10-10)晶面的法向电导率比(0002)的法向电导率高43％且该值略高于金属Sn的电导率，因此利用上述优选Cu箔形成的微凸点互连界面结构具有高性能与高可靠性。
(2)研究进一步发现，由于Cu6Sn5(10-10)或(11-20)为惯习面的单向性晶粒具有高原子密度与低界面能的特点，当以Cu6Sn5(10-10)或(11-20)为惯习面的单向性晶粒层与其他取向的Cu6Sn5晶粒发生对侧接触时，其他取向的晶粒将被以Cu6Sn5(10-10)或(11-20)为惯习面的单向性晶粒所吞噬，最终形成完全的以Cu6Sn5(10-10)或(11-20)为惯习面的高性能与高可靠性的全IMC微凸点。
本发明还具备以下优点：
1.本发明制备的镀Sn优选Cu箔具有原材料价格低廉、加工工艺简单、与传统封装工艺兼容且对封装设备要求低、材料加工性好且方便存储运输、便于批量制造。
2.所述镀Sn优选Cu箔可通过低温短时间加热形成耐高温无铅焊点，完全避免了高温、长时间的回流过程对芯片可靠性造成的不利影响及对能源的浪费。
3.所述高温无铅微凸点除了具有高性能与高可靠性外，其服役工作温度超过300℃。因此，上述微凸点可以完全满足高温大功率SiC半导体器件的封装使用要求。
综上，本发明提出的一种高性能与高可靠性Cu6Sn5全IMC微凸点的快速制造方法对高温大功率SiC半导体器件的可靠封装有重大实用价值。
附图说明
图1为以Cu6Sn5优选取向晶粒层为主体的全IMC微凸点的互连制造原理图。
图2为以Cu6Sn5优选取向晶粒层为主体的全IMC微凸点的互连制造EBSD实验结果。在图2中，Sn镀层厚度10μm、加热条件250℃+10min。
图3为(111)Cu/3μm-Sn/(011)Cu结构在250℃下润湿10min后的剖面结构扫描电镜照片。
图4为(111)Cu/3μm-Sn/(011)Cu结构在250℃下润湿10min后的剖面结构透射电镜照片。
图5为(111)Cu/3μm-Sn/(011)Cu结构在250℃下润湿10min后的剖面结构Cu3Sn/Cu6Sn5界面。
具体实施方式
下面将对本发明的实施例作详细说明，本实施例在本发明技术方案为前提下进行实施，给出详细的实施方式和具体的操作过程。
实施例1
使用丙酮溶液、1％盐酸酒精溶液、1％硝酸酒精溶液及酒精对50μm厚(001)单晶Cu箔及100g纯Sn颗粒进行表面处理；将单晶Cu箔用丙烯酸酯胶水粘在玻璃载片，置于真空蒸镀基片处；Sn颗粒置于铂金舟中；设置真空度为4×10-4Pa，温度为50℃，蒸发功率为50W,沉积时间1.3h，获得厚度约为1μm的单侧Sn镀层；加热玻璃载片至150℃，保温2min，使丙烯酸酯胶水失效；翻转金属箔，并再次用丙烯酸酯胶水将金属箔粘在玻璃载片上；重复蒸镀Sn工艺，使双侧Cu箔的蒸镀Sn层厚度相同。将粘有(001)单晶Cu箔的玻璃载片放置于激光打标机的加工台表面，控制激光功率10W，激光移动速度10m/s，将Cu箔裁剪成50μm×50μm的方形阵列；将上述玻璃载片加热至150℃，保温2min，使丙烯酸酯胶水失效；将剥落的镀Sn(001)优选Cu箔加工片收集备用。
实施例2
使用丙酮溶液、0.5％盐酸酒精溶液、0.5％硝酸酒精溶液及酒精对100μm厚(111)单晶Cu箔及100g纯Sn颗粒进行表面处理；将单晶Cu箔用丙烯酸酯胶水粘在玻璃载片，置于真空蒸镀基片处；Sn颗粒置于铂金舟中；设置真空度为5×10-4Pa，温度为100℃，蒸发功率为100W，沉积时间34min，获得厚度约为2μm的单侧Sn镀层；加热玻璃载片至150℃，保温2min，使丙烯酸酯胶水失效；翻转金属箔，并再次用丙烯酸酯胶水将金属箔粘在玻璃载片上；重复蒸镀Sn工艺，使双侧Cu箔的蒸镀Sn层厚度相同；将粘有(111)单晶Cu箔的玻璃载片放置于激光打标机的加工台表面，控制激光功率10W，激光移动速度10m/s，将Cu箔裁剪成Φ＝80μm的圆形阵列；将上述玻璃载片加热至150℃，保温2min，使丙烯酸酯胶水失效；将剥落的镀Sn(111)优选Cu箔加工片收集备用。
实施例3
如图1所示，将10μm-Sn/100μm-(111)Cu箔加工片表面涂敷适当助焊剂，使用真空吸笔将其准确的放置在Si片的Cu焊盘表面。使用热风加热装置对加工片进行加热，加热温度为250℃，加热时间60s。将冷却后的加工片表层重新喷涂免清洗助焊剂，倒置整个Si片，将形成的互连结构放置在Si片Cu焊盘顶部。使用热风加热装置对倒装Si片结构加热，加热温度为250℃，加热时间900s。最终获得的界面结构如图2所示，显然根据背散射衍射图(EBSD)，微凸点界面获得的Cu6Sn5晶粒均为以Cu6Sn5(10-10)晶面为惯习面的优选取向晶粒，实验证明该微凸点的水平剪切强度为80～100MPa、垂直电阻率为10～12μΩ·cm、可在300℃长期服役。
实施例4
将3μm-Sn/100μm-(111)Cu箔加工片表面涂敷适当助焊剂，使用真空吸笔将其准确的放置在Si片的Cu焊盘表面。使用热风加热装置对加工片进行加热，加热温度为250℃，加热时间90s。将冷却后的加工片表层重新喷涂免清洗助焊剂，倒置整个Si片，将形成的互连结构放置在Si片Cu焊盘顶部。使用热风加热装置对倒装Si片结构加热，加热温度为250℃，加热时间900s。最终获得的界面结构如图3～5所示，显然根据投射电子显微镜观察，微凸点界面获得的Cu6Sn5晶粒均为以Cu6Sn5(10-10)晶面为惯习面的优选取向晶粒，且该微凸点在互连界面没有明显的柯肯达尔空洞形成，因此该微凸点将具有极高的互连可靠性。
表1
蒸发功率、基片温度和工作压强控制下Cu箔表面金属Sn的沉积速率如表1所示。
Claims (10)
1.一种铜六锡五全IMC微凸点的制造方法，其特征在于包括以下步骤：
1)将商用Sn颗粒、(111)或(001)优选取向的单晶或纳米孪晶Cu箔分别浸泡于丙酮溶液中，超声清洗，去除金属表面油污后浸泡于质量浓度为0.5％～2％的盐酸酒精的腐蚀溶液中，按照浸泡产物与腐蚀溶液体积比1︰5添加腐蚀溶液，超声清洗，去除金属表面氧化物后浸泡于质量浓度为0.5％～2％的硝酸酒精的腐蚀溶液中，按照浸泡产物与腐蚀溶液体积比1︰5添加腐蚀溶液，超声清洗，去除金属表面难溶氯化物后浸泡于酒精溶液中，超声清洗后吹干，得清洗后Sn颗粒、(111)或(001)优选取向的单晶或纳米孪晶Cu箔；
2)将清洗后的(111)或(001)优选取向的单晶或纳米孪晶Cu箔用丙烯酸酯胶水粘在玻璃载片上，并置于真空蒸镀设备基片处，将清洗后的Sn颗粒置于铂金舟内，将工作压强设为(4～5)×10-4Pa，基片转速设为5～20r/min，蒸发时间为5min～3h，基片温度为50～100℃，蒸发功率为50～100W，通过控制真空蒸镀时间、蒸发功率和基片温度，实现优选Cu箔单侧表面0.5～10μm厚度可控的Sn镀层结构，将上述玻璃载片加热至150℃，保温2min，使丙烯酸酯胶水失效，翻转并再次用丙烯酸酯胶水将Cu箔粘在玻璃载片上，重复蒸镀Sn工艺，使双侧Cu箔的蒸镀Sn层厚度相同，并将Cu箔粘在玻璃载片上；
3)将粘有Cu箔的玻璃载片放置于激光打标机的加工台表面，将优选Cu箔裁剪成厚度不大于300μm，再将玻璃载片加热，使丙烯酸酯胶水失效，将剥落的镀Sn优选Cu箔加工片收集备用；
4)将Si片浸泡于丙酮溶液中，超声清洗，去除Si片Cu焊盘表面的污染物，再浸泡于硝酸酒精的腐蚀溶液中，按照浸泡产物与腐蚀溶液体积比1︰10添加腐蚀溶液，超声清洗，去除Cu焊盘氧化层，再浸泡于酒精溶液中，超声清洗后吹干备用；
5)将镀Sn优选Cu箔加工片表面涂敷助焊剂后，放置在Si片的Cu焊盘表面，校准后对加工片的放置位置校准；
6)对加工片加热，使加工片的底部Sn层与Si片Cu焊盘润湿互连，形成可靠的垂直互连微凸点；
7)将冷却后的加工片表层重新喷涂助焊剂，倒置整个Si片，将步骤6)中形成的互连结构放置在对应的下层Si片的Cu焊盘顶部；
8)使用加热装置对倒装Si片堆叠结构整体加热，使整个互连微凸点形成以Cu6Sn5晶粒为主体的完全IMC结构，即得Cu6Sn5全IMC微凸点。
2.如权利要求1所述一种铜六锡五全IMC微凸点的制造方法，其特征在于在步骤1)中，每一次超声清洗的时间为5min。
3.如权利要求1所述一种铜六锡五全IMC微凸点的制造方法，其特征在于在步骤3)中，所述将粘有Cu箔的玻璃载片放置于激光打标机的加工台表面后，控制激光功率为10w，激光移动速度为10m/s；所述加热的温度为150℃，加热的时间为2min。
4.如权利要求1所述一种铜六锡五全IMC微凸点的制造方法，其特征在于在步骤4)中，每次超声清洗的时间为1min。
5.如权利要求1所述一种铜六锡五全IMC微凸点的制造方法，其特征在于在步骤4)中，所述硝酸酒精的腐蚀溶液的质量浓度为0.1％～1％。
6.如权利要求1所述一种铜六锡五全IMC微凸点的制造方法，其特征在于在步骤5)和7)中，所述助焊剂采用免清洗型助焊剂。
7.如权利要求1所述一种铜六锡五全IMC微凸点的制造方法，其特征在于在步骤5)中，所述放置在Si片的Cu焊盘表面是使用真空吸笔放置在Si片的Cu焊盘表面，真空吸笔的放置误差应不大于5μm；所述校准后对加工片的放置位置校准可通过光学显微镜对放置后的加工片位置进行校准。
8.如权利要求1所述一种铜六锡五全IMC微凸点的制造方法，其特征在于在步骤6)中，所述加热，是采用红外加热装置或热风加热装置对加工片进行加热，加热的温度为240～300℃，加热的时间为30～90s。
9.如权利要求1所述一种铜六锡五全IMC微凸点的制造方法，其特征在于在步骤7)中，所述将步骤6)中形成的互连结构放置在对应的下层Si片的Cu焊盘顶部的放置误差应小于5μm。
10.如权利要求1所述一种铜六锡五全IMC微凸点的制造方法，其特征在于在步骤8)中，所述加热的温度为240～300℃，加热的时间为30～900s。
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