CN109216218B - 一种凸块回流方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种凸块回流方法，所述方法至少包括依次实施的预热、熔融和退火步骤，其中所述方法还包括在所述预热步骤之后实施的表面冷却内部预热步骤、和/或在所述熔融步骤之后实施的表面冷却内部熔融步骤、和/或在所述退火步骤之后实施的表面冷却内部退火步骤。采用本发明的方法，在预热步骤之后增加表面冷却内部预热的步骤、和/或在熔融步骤之后增加表面冷却内部熔融的步骤、和/或在退火步骤之后增加表面冷却内部退火的步骤，解决了现有技术中凸块存在内部空洞和表面裂纹的问题。

Description

一种凸块回流方法
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，具体而言涉及一种凸块回流方法。
背景技术
在集成电路工艺中，半导体封装是指将晶圆按照产品型号及功能需求加工得到独立芯片的过程。随着电子元件的小型化、轻量化及多功能化的需求日渐增加，导致半导体封装密度不断增加，因而必须缩小封装尺寸及封装时所占的面积。凸块制程(bump process)在封装中所占的比重逐年增加，其中电镀凸块在凸块制程中占一半以上的份额，但是随着电镀前的光阻条件和电镀自身等因素的影响，容易使电镀凸块的SnAg层在无钎剂回流过程中产生空洞(void)和表面裂纹 (flaw)，这些空洞一旦形成就极难去除，因此研究不会形成空洞和表面裂纹的回流方法成为一个非常重要的课题。
现有技术中的回流方法主要是通过低温预热、高温预热、熔融、退火、冷却五个阶段来去除第一次无钎剂回流过程中SnAg层内产生的气泡，为了将气泡去除干净，必须采用足够长的时间，否则时间不足会导致气泡去除不干净形成空洞，但是足够长时间后凸块顶部由于 Ag组份较轻向上聚集易形成表面裂纹，进而影响后续的封装制程。
本发明的目的在于提供一种凸块回流方法，以解决上述技术问题。
发明内容
在发明内容部分中引入了一系列简化形式的概念，这将在具体实施方式部分中进一步详细说明。本发明的发明内容部分并不意味着要试图限定出所要求保护的技术方案的关键特征和必要技术特征，更不意味着试图确定所要求保护的技术方案的保护范围。
针对现有技术的不足，本发明提供一种凸块回流方法，至少包括依次实施的预热、熔融和退火步骤，其中所述方法还包括在所述预热步骤之后实施的表面冷却内部预热步骤、和/或在所述熔融步骤之后实施的表面冷却内部熔融步骤、和/或在所述退火步骤之后实施的表面冷却内部退火步骤。
进一步，所述预热步骤包括依次实施的低温预热步骤和高温预热步骤，所述表面冷却内部预热步骤是在所述高温预热步骤之后实施的表面冷却内部高温预热步骤。
进一步，所述方法还包括在所述退火步骤之后实施的冷却步骤。
进一步，所述凸块回流方法为无钎剂回流。
进一步，所述凸块包括SnAg层。
进一步，所述表面冷却内部预热的时间为30秒-50秒。
进一步，所述表面冷却内部熔融的时间为30秒-50秒。
进一步，所述表面冷却内部退火的时间为30秒-50秒。
进一步，所述高温预热的时间为70秒-90秒。
进一步，所述熔融的时间为70秒-90秒。
综上所述，根据本发明的方法，在预热步骤之后增加表面冷却内部预热的步骤、和/或在熔融步骤之后增加表面冷却内部熔融的步骤、和/或在退火步骤之后增加表面冷却内部退火的步骤，解决了现有技术中凸块存在内部空洞和表面裂纹的问题。
附图说明
本发明的下列附图在此作为本发明的一部分用于理解本发明。附图中示出了本发明的实施例及其描述，用来解释本发明的原理。
附图中：
图1为用于凸块回流的回流炉的示意图；
图2为现有工艺的凸块回流工艺温度曲线的示意图；
图3为本发明示例性实施例的凸块回流工艺的主要流程示意图；
图4为根据本发明示例性实施例的凸块回流工艺温度曲线的示意图；
图5A-5B为分别采用现有技术和本发明实施例的凸块回流方法得到的凸块，由X射线检测设备拍摄照片的对比图。
具体实施方式
在下文的描述中，给出了大量具体的细节以便提供对本发明更为彻底的理解。然而，对于本领域技术人员而言显而易见的是，本发明可以无需一个或多个这些细节而得以实施。在其他的例子中，为了避免与本发明发生混淆，对于本领域公知的一些技术特征未进行描述。
为了彻底理解本发明，将在下列的描述中提出详细的步骤，以便阐释本发明提出的回流方法。显然，本发明的施行并不限定于半导体领域的技术人员所熟习的特殊细节。本发明的较佳实施例详细描述如下，然而除了这些详细描述外，本发明还可以具有其他实施方式。
应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在所述特征、整体、步骤、操作、元件和/或组件，但不排除存在或附加一个或多个其他特征、整体、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组合。
如图1所示，用于凸块回流的回流炉包括位于回流炉底部的热板 101、位于回流炉顶部的冷板102，在回流中，将晶圆103正置放于热板101上，即待形成凸块的一面朝上，同时在回流炉内通入气体104，所述气体包括常温的还原性气体和惰性气体，还原性气体如甲酸、氢气等，惰性气体如氮气等。
现有工艺的回流工艺温度曲线的示意图如图2所示，主要分为低温预热、高温预热、熔融、退火、冷却五个阶段。示例性地，低温预热、高温预热、熔融、退火的时间均为120秒，然后进行冷却。
根据现有技术的凸块回流方法，容易使电镀凸块的SnAg层在回流过程中产生空洞和表面裂纹，这些空洞一旦形成就极难去除，进而影响后续的封装制程。
鉴于上述问题的存在，本发明提出了一种凸块回流方法，如图3 所示，其至少包括以下主要步骤：
在步骤S301中，预热；
在步骤S302中，熔融；
在步骤S303中，退火，其中所述方法还包括在所述预热步骤之后实施的表面冷却内部预热步骤、和/或在所述熔融步骤之后实施的表面冷却内部熔融步骤、和/或在所述退火步骤之后实施的表面冷却内部退火步骤。
进一步，所述预热步骤包括依次实施的低温预热步骤和高温预热步骤，所述表面冷却内部预热步骤是在所述高温预热步骤之后实施的表面冷却内部高温预热步骤。
进一步，所述方法还包括在所述退火步骤之后实施的冷却步骤。
根据本发明的凸块回流方法，在预热步骤之后增加表面冷却内部预热的步骤、和/或在熔融步骤之后增加表面冷却内部熔融的步骤、和/或在退火步骤之后增加表面冷却内部退火的步骤，解决了现有技术中凸块存在内部空洞和表面裂纹的问题。
示例性实施例
参照图4，其中示出了根据本发明示例性实施例的方法实施的回流工艺温度曲线的示意图。如图所示，本发明实施例的回流工艺主要分为低温预热、高温预热、表面冷却内部高温预热、熔融、表面冷却内部熔融、退火、表面冷却内部退火、冷却八个阶段。与现有技术相比，在高温预热的步骤后增加表面冷却内部高温预热的步骤，在熔融的步骤后增加表面冷却内部熔融的步骤，在退火的步骤后增加表面冷却内部退火的步骤，即八步回流法。需要说明的是，图4的温度曲线为各个阶段设置温度的曲线，并不代表实际的温度变化。
进一步，所述凸块回流方法为无钎剂回流。本发明中用来形成凸块的合金材料包括银锡合金、锡铜合金、锡金合金以及银锡铜等不含铅焊料，优选银锡合金。选用银锡合金材料形成的所述凸块包括SnAg 层。
回流工艺的第一阶段是低温预热，以对凸块进行初步预热，温度从室温升高到第一预热温度，如图4所示。低温预热的时间为110秒 -130秒，优选120秒。上述数值仅作为示例，可根据具体情况进行合适的调整。具体工艺参照现有技术，在此不再赘述。
回流工艺的第二阶段是高温预热，在所述第一预热温度保温一定时间，以对凸块进行充分预热，如图4所示。高温预热的时间为70 秒-90秒，优选80秒。上述数值仅作为示例，可根据具体情况进行合适的调整。具体工艺参照现有技术，在此不再赘述。
回流工艺的第三阶段是表面冷却内部高温预热，将所述第一预热温度迅速降低到第二预热温度，并保温一定时间，所述第二预热温度略低于所述预热温度，如图4所示。进一步，表面冷却内部高温预热的时间为30秒-50秒，优选40秒。上述数值仅作为示例，可根据具体情况进行合适的调整。在较短时间的高温预热后加入短时间的表面冷却内部高温预热的步骤，使得SnAg表层气泡排除之后立刻冷凝，以阻止Ag3Sn合金向上漂浮，导致表面裂纹。同时，足够时间的SnAg 内部预热可使松散的电镀SnAg层内部众多的微小气泡聚集成少数的大气泡，从而减少后序的回流步骤中将气泡排除出凸块所需要的时间。可选地，表面冷却内部高温预热的一种实现方法是在第二阶段的高温预热后，使晶圆上升而脱离底部的热板，使其温度降低。
回流工艺的第四阶段是熔融，温度由所述第二预热温度升高到第一峰值温度，所述第一峰值温度高于焊料熔点的温度，并保持一段时间，使熔化的焊料充分回流，以形成球状凸块，如图4所示。熔融的时间为70秒-90秒，优选80秒。上述数值仅作为示例，可根据具体情况进行合适的调整。具体工艺参照现有技术，在此不再赘述。
回流工艺的第五阶段是表面冷却内部熔融，将温度由第一峰值温度迅速降低到第二峰值温度，并保温一定时间，所述第二峰值温度略低于所述第一峰值温度，如图4所示。进一步，表面冷却内部熔融的时间为30秒-50秒，优选40秒。上述数值仅作为示例，可根据具体情况进行合适的调整。在较短时间的熔融后加入短时间的表面冷却内部熔融的步骤，使得SnAg表层气泡排除之后立刻冷凝，以阻止表层的Ag3Sn合金和内部的Ag3Sn合金向上漂浮至表面，导致表面裂纹。同时可以减少金属间化合物层(Intermetallic Compound，IMC)在SnAg 熔融排气泡的过程中处于高温阶段的时间，以避免金属间化合物层中的晶格位错缺陷在高温下逐渐长大形成空洞。可选地，表面冷却内部熔融的一种实现方法是在第四阶段的熔融后，使晶圆上升而脱离底部的热板，使其温度降低。
回流工艺的第六阶段是退火，温度由第二峰值温度降低到第一退火温度，并保温一定时间，以恢复晶体的结构和消除缺陷，如图4所示。退火的时间为70秒-90秒，优选80秒。上述数值仅作为示例，可根据具体情况进行合适的调整。具体工艺参照现有技术，在此不再赘述。
回流工艺的第七阶段是表面冷却内部退火，将温度由第一退火温度迅速降低到第二退火温度，并保温一定时间，所述第二退火温度略低于所述第一退火温度，如图4所示。进一步，表面冷却内部退火的时间为30秒-50秒，优选40秒。上述数值仅作为示例，可根据具体情况进行合适的调整。在较短时间的退火后加入短时间的表面冷却内部退火的步骤，使得SnAg表层完成退火的晶格立刻冷凝，以阻止Ag 组份向上扩散导致表面裂纹。同时可减少金属间化合物层在退火过程中处于高温阶段的时间，以避免金属间化合物层中的晶格位错缺陷在高温下逐渐长大形成空洞。可选地，表面冷却内部退火的一种实现方法是在第六阶段的退火后，使晶圆上升而脱离底部的热板，使其温度降低。
回流工艺的第八阶段是冷却。冷却时在缺氧环境如含氮氛围中自然冷却，以防止凸块焊料被氧化，将温度降至室温，形成固态、不含空洞和表面裂纹的凸块。具体工艺参照现有技术，在此不再赘述。
图5A和图5B所示分别为采用现有技术和本发明实施例的回流方法得到的凸块，由X射线检测设备拍摄照片的对比图。如图5A所示，根据现有技术的回流方法，在电镀5000个凸块后由X射线检测设备检测，凸块内部出现空洞，如图中方框所标示，同时在光学显微镜(optical microscope，OM)下观察，观察到凸块表面出现裂纹。如图 5B所示，根据现有技术的回流方法，在电镀5000个凸块后由X射线检测设备检测，未出现空洞，同时在光学显微镜下也未观察到表面裂纹。
综上所述，根据本发明的回流方法，在预热步骤之后增加表面冷却内部预热的步骤、和/或在熔融步骤之后增加表面冷却内部熔融的步骤、和/或在退火步骤之后增加表面冷却内部退火的步骤，解决了现有技术中凸块存在内部空洞和表面裂纹的问题。
本发明已经通过上述实施例进行了说明，但应当理解的是，上述实施例只是用于举例和说明的目的，而非意在将本发明限制于所描述的实施例范围内。此外本领域技术人员可以理解的是，本发明并不局限于上述实施例，根据本发明的教导还可以做出更多种的变型和修改，这些变型和修改均落在本发明所要求保护的范围以内。本发明的保护范围由附属的权利要求书及其等效范围所界定。

Claims (10)

1.一种凸块回流方法，其特征在于，至少包括依次实施的预热、熔融和退火步骤，其中所述方法还包括在所述预热步骤之后实施的表面冷却内部预热步骤、和/或在所述熔融步骤之后实施的表面冷却内部熔融步骤、和/或在所述退火步骤之后实施的表面冷却内部退火步骤；其中，所述退火步骤的温度低于所述熔融步骤的温度；所述表面冷却内部预热步骤的温度低于所述预热步骤的温度，所述表面冷却内部熔融步骤的温度低于所述熔融步骤的温度高于所述退火步骤的温度，所述表面冷却内部退火步骤的温度低于所述退火步骤的温度。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述预热步骤包括依次实施的低温预热步骤和高温预热步骤，所述表面冷却内部预热步骤是在所述高温预热步骤之后实施的表面冷却内部高温预热步骤。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括在所述退火步骤之后实施的冷却步骤。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述凸块回流方法为无钎剂回流。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述凸块包括SnAg层。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述表面冷却内部预热的时间为30秒-50秒。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述表面冷却内部熔融的时间为30秒-50秒。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述表面冷却内部退火的时间为30秒-50秒。
9.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述高温预热的时间为70秒-90秒。
10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述熔融的时间为70秒-90秒。
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