CN110744163B - 一种抗热迁移微焊点结构及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种微电子制造中抗热迁移的微焊点结构，包括热端金属基底和冷端金属基底，所述热端金属基底的焊接面上设有Co‑P纳米晶薄膜，该Co‑P纳米晶薄膜中P的原子百分比为0.1~10at.%，所述冷端金属基底的焊接面上设有Ag纳米晶薄膜；所述热端金属基底和冷端金属基底通过锡基钎料连接，所述锡基钎料与Co‑P纳米晶薄膜和Ag纳米晶薄膜的连接处分别形成第一金属间化合物和第二金属间化合物。其在极端温度梯度条件下具有良好的抗热迁移性能和高可靠性，使用寿命长。还公开了一种微电子制造中抗热迁移微焊点的制备方法，工艺流程简单，工序少，成本低廉。

Description

一种抗热迁移微焊点结构及其制备方法
技术领域
本发明涉及三维封装互连焊点的制备，具体涉及一种抗热迁移微焊点结构及其制备方法。
背景技术
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，采用锡基钎料与芯片和封装载板上的基底发生钎焊反应，并在两侧基底上生成界面金属间化合物薄层，形成微焊点，实现芯片到封装载板的互连。微焊点由热端金属基底-金属间化合物-钎料-金属间化合物-冷端金属基底组成。
在电子封装互连技术中，钎料与凸点下金属层发生界面反应形成金属间化合物IMC是实现焊点冶金连接的必要条件。界面IMC的脆性本质使得其厚度和形貌必须要得到有效的控制，才能保证互连的可靠性。在新的封装技术和要求下，焊点微型化和器件集成高密度化已是必然发展趋势，以焊点为例，尺寸从最大的760μm的BGA，到100μm的C4倒装芯片焊接接头，再到最小尺寸10μm的微凸点，新兴3DIC封装互连微焊点的尺寸比传统芯片焊点的尺寸小一个数量级，这导致界面IMC在整个焊点中所占比例显著增大，微焊点在服役过程中界面IMC的形核和生长变得更加敏感。
此外，焊点微型化的同时，封装方式也扩展到三维封装。电子元器件的集成密度显著增加，器件集成密度的持续增加，使得基板发热问题越来越严重，在散热不变或散热改良的条件下，微焊点的两端将形成巨大的温度梯度，造成原子的定向迁移。以传统主流焊点Sn-Cu互连来说，Cu-Sn 微互连焊点中，铜与焊锡反应速率非常快，在界面处形成Cu6Sn5及Cu3Sn金属间化合物层。并且随着封装中焊点体积大幅缩小，金属间化合物层占整个焊点的比例持续增大，微互连的两端界面距离显著减小，在极端温度梯度作用下，两端界面之间的相互影响越来越大，热迁移造成Cu原子的定向迁移，导致冷端脆性Cu3Sn所占比例越来越高，甚至产生柯肯达尔Kirkendall孔洞和热端Cu基底的溶解，严重影响互连的可靠性。
发明内容
本发明的目的是提供一种抗热迁移微焊点结构，其在极端温度梯度条件下具有良好的抗热迁移性能，可靠性好，使用寿命长。本发明还公开了一种抗热迁移微焊点的制备方法，工艺流程简单，工序少，成本低廉。
本发明所述的抗热迁移微焊点结构，包括热端金属基底和冷端金属基底，所述热端金属基底的焊接面上设有Co-P纳米晶薄膜，该Co-P纳米晶薄膜中P的原子百分比为0.1~10at.%，所述冷端金属基底的焊接面上设有Ag纳米晶薄膜；所述热端金属基底和冷端金属基底通过锡基钎料连接，所述锡基钎料与Co-P纳米晶薄膜和Ag纳米晶薄膜的连接处分别形成第一金属间化合物和第二金属间化合物。
一种抗热迁移微焊点的制备方法，其包括如下步骤：
步骤一，电镀，提供热端金属基底和冷端金属基底，所述热端金属基底的焊接面上沉积有Co-P纳米晶薄膜，该Co-P纳米晶薄膜中P的原子百分比为0.1~10at.%，所述冷端金属基底的焊接面上沉积有Ag纳米晶薄膜；
步骤二，钎焊，将热端金属基底和冷端金属基底的焊接面对准，以锡基钎料作为钎料，利用浸焊在热端金属基底和冷端金属基底的焊接面之间制得具有Co-P/Sn/Ag微互连结构的微焊点。
进一步，所述步骤一中热端金属基底的焊接面上通过超声辅助电沉积、化学镀、蒸镀或溅射得到Co-P纳米晶薄膜，冷端金属基底的焊接面上通过超声辅助电沉积、化学镀、蒸镀或溅射得到Ag纳米晶薄膜。
进一步，所述步骤二中浸焊的工艺参数为：焊接温度为150~330℃，预热时间为5~20s，焊接时间为30~200s，冷却方式为空冷或风冷。
进一步，所述热端金属基底和冷端金属基底的材质为Cu、Ni、Co、Au和Ag中的一种。
本发明与现有技术相比具有如下有益效果：
1、本发明通过在热端金属基底的焊接面上设置Co-P纳米晶薄膜，冷端金属基底的焊接面上设置Ag纳米晶薄膜，热端金属基底和冷端金属基底通过锡基钎料连接得到具有Co-P/Sn/Ag微互连结构的微焊点，该微焊点在温度梯度作用下，Co原子扩散受到Ag层的阻碍，在钎料中形成与温度梯度作用相反的Co浓度梯度，抑制了温度梯度造成的Co原子迁移，提升了微焊点的抗热迁移性能。
2、本发明制得的Co-P/Sn/Ag微互连结构的微焊点具有较薄的第一金属间化合物层和第二金属间化合物层，可靠性好，使用寿命长。
3、本发明的制备方法主要为电镀和钎焊两个部分，工艺流程简单，对设备要求较低，原料简单易得，成本低廉。
附图说明
图1是本发明热端金属基底上Co-P纳米晶薄膜的结构示意图；
图2是本发明冷端金属基底上Ag纳米晶薄膜的结构示意图；
图3是本发明钎焊前的组合体示意图；
图4是本发明钎焊后的组合体示意图。
图中，1—热端金属基底，2—Co-P纳米晶薄膜，3—冷端金属基底，4—Ag纳米晶薄膜，5—锡基钎料，6—第一金属间化合物，7—第二金属间化合物。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作详细说明。
参见图4，所示的抗热迁移微焊点结构，包括材质为Cu的热端金属基底1和冷端金属基底3，所述热端金属基底1的焊接面上设有Co-P纳米晶薄膜2，该Co-P纳米晶薄膜2中P的原子百分比为5at.%，所述冷端金属基底3的焊接面上设有Ag纳米晶薄膜4。所述热端金属基底1和冷端金属基底3通过锡基钎料5连接，所述锡基钎料5与Co-P纳米晶薄膜2和Ag纳米晶薄膜4的连接处分别形成第一金属间化合物6和第二金属间化合物7，所述第一金属间化合物为CoSn3，所述第二金属间化合物为Ag3Sn。
一种抗热迁移微焊点的制备方法，其包括如下步骤：
步骤一，电镀，参见图1和图2，提供材质为Cu的热端金属基底1和冷端金属基底3，采用超声辅助电工艺在所述热端金属基底1的焊接面上沉积Co-P纳米晶薄膜2，该Co-P纳米晶薄膜2中P的原子百分比为5at.%，采用超声辅助电工艺在所述冷端金属基底3的焊接面上沉积Ag纳米晶薄膜4；
步骤二，钎焊，参见图3，将热端金属基底1和冷端金属基底3的焊接面对准固定，热端金属基底1和冷端金属基底3之间用厚度为100μm的云母片隔开，形成钎焊前的组合体。以锡基钎料5作为钎料，将所述组合体在焊接温度为320℃的条件下预热10s、浸焊60s后，取出组合体风冷，参见图4，在锡基钎料5与Co-P纳米晶薄膜2之间生成第一金属间化合物6，在锡基钎料5与Ag纳米晶薄膜4之间生成第二金属间化合物7，制得具有Co-P/Sn/Ag微互连结构的微焊点。
将热端金属基底1作为热端，冷端金属基底2作为冷端，对Co-P/Sn/Ag微互连结构的微焊点进行温度梯度加载，焊点平均温度为143℃，微焊点两端温度梯度为2420℃/cm，在该温度梯度下加载400h后，观察发现热端的第一金属间化合物CoSn3无明显增加，冷端的第二金属间化合物Ag3Sn厚度略有增加，没有CoSn3生成。这是由于Co原子扩散受到Ag层的阻碍，在钎料中形成与温度梯度作用相反的Co浓度梯度，抑制了温度梯度造成的Co原子迁移，进而提升了微焊点的抗热迁移性能。
本发明的保护范围并不限于上述的实施例，显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变形而不脱离本发明的范围和精神。倘若这些改动和变形属于本发明权利要求及其等同技术的范围内，则本发明的意图也包含这些改动和变形在内。

Claims (5)

1.一种抗热迁移微焊点结构，其特征在于：包括热端金属基底和冷端金属基底，所述热端金属基底的焊接面上设有Co-P纳米晶薄膜，该Co-P纳米晶薄膜中P的原子百分比为0.1~10at.%，所述冷端金属基底的焊接面上设有Ag纳米晶薄膜；
所述热端金属基底和冷端金属基底通过锡基钎料连接，所述锡基钎料与Co-P纳米晶薄膜和Ag纳米晶薄膜的连接处分别形成第一金属间化合物和第二金属间化合物。
2.一种抗热迁移微焊点的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一，电镀，提供热端金属基底和冷端金属基底，所述热端金属基底的焊接面上沉积有Co-P纳米晶薄膜，该Co-P纳米晶薄膜中P的原子百分比为0.1~10at.%，所述冷端金属基底的焊接面上沉积有Ag纳米晶薄膜；
步骤二，钎焊，将热端金属基底和冷端金属基底的焊接面对准，以锡基钎料作为钎料，利用浸焊在热端金属基底和冷端金属基底的焊接面之间制得具有Co-P/Sn/Ag微互连结构的微焊点。
3.根据权利要求2所述的抗热迁移微焊点的制备方法，其特征在于：所述步骤一中热端金属基底的焊接面上通过超声辅助电沉积、化学镀、蒸镀或溅射得到Co-P纳米晶薄膜，冷端金属基底的焊接面上通过超声辅助电沉积、化学镀、蒸镀或溅射得到Ag纳米晶薄膜。
4.根据权利要求2或3所述的抗热迁移微焊点的制备方法，其特征在于，所述步骤二中浸焊的工艺参数为：焊接温度为150~330℃，预热时间为5~20s，焊接时间为30~200s，冷却方式为空冷或风冷。
5.根据权利要求2或3所述的抗热迁移微焊点的制备方法，其特征在于：所述热端金属基底和冷端金属基底的材质为Cu、Ni、Co、Au和Ag中的一种。
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