CN1169413C - 在有机电路板上进行电镀焊锡的方法 - Google Patents

Abstract

本发明是一种在有机电路板上进行电镀焊锡(electroplatedsolder)的方法，应用于形成覆晶(flip-chip)封装。依据本方法，首先是提供一有机电路板，该有机电路板布设有电路图案，其至少设有一焊垫(pad)，该电路板表面覆有一有机绝缘保护层(solder mask layer)，并图案化以露出该焊垫；接着，在电路板表面形成一金属晶种(metal seed)层，其是以物理气相沉积、化学气相沉积或无电镀搭配催化铜，或是电镀搭配催化铜方式所形成。形成一在焊垫处具有至少一开口的电镀阻层(resist)覆盖于该金属晶种层上。最后，以电镀方式形成焊锡材料在开口内，移除所述的电镀阻层及其下的金属晶种层，于该电路板上完成电镀焊锡。

Description

在有机电路板上进行电镀焊锡的方法

发明领域

本发明涉及一种在有机电路板(printed circuit board or substrate)上进行电镀焊锡的方法，特别是应用于形成覆晶封装，在电路板上进行电镀焊锡用以形成覆晶封装及电路板间的焊接方法。

发明背景

自IBM公司在1960年早期披露覆晶(flip-chip)封装技术以来，覆晶封装组件即主要设置在价格昂贵的陶瓷电路板上，于此结构中，硅芯片与陶瓷电路板间的热膨胀关系则由于差异小，因此在使用上并不致于造成明显的可靠度问题。其与一般打金线(wire-bonding)封装方式相比较，覆晶方式可提供较高的封装密度(低组件轮廓)及高电性性能(较短的导线与低电感)。有鉴于此，业界覆晶封装技术使用高温焊锡于陶瓷电路板上已有40年之久，即所谓控制崩解芯片连接技术(control-collapse chip connection，C4)。然而近年来，在现代电子产品渐小化的高密度、高速度及低成本的趋势下，将覆晶组件镶嵌于低成本的有机电路板上，并利用环氧树脂底胶(epoxy underfill)填充于芯片下方，以减轻由硅芯片与有机电路板结构间的热应力所产生的不协调，已呈现出爆炸性的成长。而业界瞩目的低温覆晶焊接与有机电路板的利用，更可使业界得以达到低成本覆晶封装的目的。

在一般低成本的覆晶封装技术中，半导体IC芯片的最上层表面是有若干焊垫的设计，而有机电路板亦有若干相对一致性的接触窗(contact)设计；在芯片与电路板间有低温焊锡凸块或其它导电性黏着材设置，且芯片具焊垫面是朝下并镶嵌于电路板上，其中焊锡凸块或导电性黏着材提供芯片与电路板间的电性输出/输入及机械性联机。对焊锡凸块而言，在芯片与电路板间的间隙可填入的有机底胶(underfill)，藉此可压制热膨胀的不协调及降低焊锡接的应力。

一般而言，为使焊锡接形成覆晶装配，通常金属凸块，如焊锡凸块、金凸块或铜凸块等，是预先形成于芯片的电极焊垫表面上，而其中凸块可为任何形状，是如钉柱状凸块、球形凸块、柱状凸块或其它形状。而对应的焊锡凸块(或称预焊锡凸块(presolder bump))则通常使用低温焊锡，亦形成于电路板的接触焊垫上。在一回焊(reflow)温度下，芯片以焊锡接与电路板键结在一起，而在芯片与电路板间布设底胶后，覆晶组件即完成制作。而以焊锡接形成覆晶组件的典型例子可参考图1及图2所示。参阅图1，是应用金属凸块及预焊锡凸块的典型例子。金属凸块101是形成于芯片103的电极焊垫102上，而以低温焊锡形成的预焊锡凸块104，则形成于电路板106的接触焊垫105上，如图1A所示。接着在一回焊温度使溶解暨重塑预焊锡凸块104以形成焊锡接107(solder joint)。在布设底胶(underfill)108于芯片103与电路板106的间隙后，所述的覆晶组件100于是完成，如图1B所示。

再参阅图2，是另一未应用预焊锡凸块的典型例子。焊锡凸块201形成于芯片203的电极焊垫202上，而芯片203在一回焊温度下与电路板204键结，且此时焊锡接205形成于接触焊垫206上，如图2A所示。同样地，在布设底胶207于芯片203与电路板204的间隙后，即完成覆晶组件200，如图2B所示。

一般而言，形成预焊锡凸块于电路板上的最常见方法为模版印刷法(stencilprinting)。一些参考资料揭露模版印刷法技术可参考U.S.Pat.Nos.5,203,075(C.G.Angulas et al)，5,492,266(K.G.Hoebener et al)与5,828,128(Y.Higashiguchi et al)。覆晶装配的焊锡凸块技术的选用则包含凸块间距与尺寸缩小化的双重考虑。根据实际经验，当凸块间距在0.15mm以下时，模版印刷法即产生制作的困难，而必须改采电镀法制作已知有关于覆晶封装在电路板上制作电镀凸块的技术，则可参考U.S.Pat.Nos.5,391,514(T.P.Gall et al)与5,480,835(K.G.Hoebener et al)。然而虽然以电镀法在电路板上制作的焊锡凸块的间距较模版印刷法佳，但实施上仍有一些缺点存在，例如在焊锡凸块的制程中，有机绝缘保护层必须不受伤害，以避免影响产品可靠度。同时，电镀及凸块高度的一致性必须加以控制。而这些细节部分在U.S.Pat.Nos.5,391,514及5,480,835皆未被披露。

发明内容

本发明的目的是提供一种在有机电路板上进行电镀焊锡的方法，其是在有机电路板上形成一金属晶种层，而不伤害有机绝缘保护层，形成电镀焊锡用以制作覆晶封装组件与电路板间或电路板与电路板间的焊接。

本发明的另一目的是提供一种在有机电路板上进行电镀焊锡的方法，其是以一物理气相沉积方式形成金属晶种层的方法。

本发明的再一目的是提供一种在有机电路板上进行电镀焊锡的方法，其是以一化学气相沉积方式形成金属晶种层的方法。

本发明的再一目的是提供一种以无电镀(electroless plating)方式形成金属晶种层的方法，其中有机绝缘保护层与焊垫的表面是覆有至少包含铜离子的水溶性溶液，还原该铜离子以形成一催化铜。藉由催化铜的辅助，金属晶种层可以无电镀方式形成。

本发明的再一目的是提供一种以电镀方式形成金属晶种层的方法，其中有机绝缘保护层与焊垫的表面是覆有至少包含铜离子的水溶性溶液，还原该铜离子以形成一催化铜。藉由催化铜的辅助，一第一薄金属层可以无电镀方式形成。以该第一薄金属层为电极，一第二薄金属层可以电镀方式形成。而金属晶种层即包含第一薄金属层及第二薄金属层。

根据本发明的一个方面，所提供的在有机电路板上进行电镀焊锡的方法，包括以下步骤：(a)提供一有机电路板，该电路板的表面上形成有电路布局，并包含至少一接触焊垫；(b)在该电路板上覆上一有机绝缘保护层(soldermask)，该保护层是图案化而暴露出所述焊垫(pad)；(c)在所述的电路板上沉积形成一薄金属层；(d)形成一电镀阻层覆在该薄金属层上，且至少有一开口裸露出所述接触焊垫；(e)以电镀方式形成一焊锡材料于该开口内；(f)移除所述的电镀阻层与及其下的薄金属层。

根据本发明的另一个方面，所提供的在有机电路板上进行电镀焊锡的方法，其包括以下步骤：(a)提供一有机电路板，该电路板的表面上形成有电路布局，并包含至少一接触焊垫；(b)在该电路板上覆上一有机绝缘保护层，该保护层是图案化而暴露出所述焊垫；(c)以一水溶性溶液披覆在该保护层与该焊垫上，该水溶性溶液至少含有铜离子，还原该铜离子形成催化铜，而未含还原态任何惰性金属离子；(d)以无电镀法在所述的电路板上形成一薄金属层；(e)形成一电镀阻层覆在该薄金属层上，且至少有一开口裸露出所述接触焊垫；(f)以电镀方式形成一焊锡材料于该开口内；(g)移除所述的电镀阻层及其下方的薄金属层与催化铜。

为了便于理解本发明的目的、特征及功效，下面结合附图对本发明进行详细描述。

附图说明

图1A至图1B是传统的应用金属凸块及预焊锡凸块的结构示意图。

图2A至图2B是另一传统的应用焊锡凸块的结构示意图。

图3A～图3G是本发明实施例于电路板上进行电镀焊锡的方法示意图。

图4A～图4C是本发明另一实施例于电路板上进行电镀焊锡的方法示意图。

图5A～图5B是本发明另一实施例于电路板上进行电镀焊锡的方法示意图。

图6A～图6B是本发明另一实施例于覆晶组件上进行电镀焊锡的方法示意图。

图7A～图7B是本发明另一实施例于覆晶组件上进行电镀焊锡的方法示意图。

图8A～图8B是本发明另一实施例于覆晶组件上进行电镀焊锡的方法示意图。

附图标号说明：1、21、106、204电路板；2、2a、19、22、105、206焊垫；3阻障层；4有机绝缘保护层；5金属晶种层；6电镀阻层；7开口；8焊锡材料；9、201焊锡凸块；10电路层；12绝缘层；13电路线；14、17、23、103、203芯片；15、19、24、102、202电极焊垫；16、20覆晶焊锡接；18、25、26、101金属凸块；27、28、107、205焊锡接；100、200覆晶组件；104预焊锡凸块；108、207底胶。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例进行说明。当然，本发明可以多种不同方式实施，并不只限于本说明书中所述内容。

本发明是有关于一种在有机电路板上进行电镀焊锡凸块的方法，其可形成具良好电镀一致性的焊锡凸块，但却不会伤害有机绝缘保护层。然而，本发明的附图仅为简单说明，并非依实际尺度描绘，亦即未反映出芯片载体结构中，各层次的实际尺寸与特色。

请参阅图3A所示，是本发明第一实施例，首先提供一有机电路板1，该有机电路板1的表面上并形成有一接触焊垫2。其中作为有机电路板1的绝缘层是可由有机材质、纤维强化(fiber-reinforced)有机材质或颗粒强化(particle-reinforced)有机材质等所构成，如环氧树脂(epoxy resin)、聚乙酰胺(polyimide)、双顺丁烯二酸酰亚胺/三嗪(bismaleimide triazine-based)树脂、氰酯(cyanate ester)、聚苯并环丁烯(polybenzocyclobutane)或其玻璃纤维(glass fiber)的复合材料等。所述的接触焊垫2是典型以金属材料形成，如铜。一阻障层3覆盖在该焊垫2上，该阻障层3常包含一由镍所组成的黏着层与一由金所组成的保护层。然而，所述的阻障层3亦可由镍(Ni)、钯(Pd)、银(Ag)、锡(Sn)、铬/钛(Cr/Ti)、镍/钯(Ni/Pd)、钯/金(Pd/Au)、镍/钯/金(Ni/Pd/Au)等，其是可以电镀(electroplating)、无电镀(electroless plating)或物理气相沉积等方式形成。沉积一有机绝缘保护层4在所述电路板1表面以保护电路布局并提供绝缘作用。

为能在一非导电的表面上电镀形成焊锡凸块，在电镀之前，必须先在该非导电表面上形成一导电晶种层(seed layer)。在一般电路板业界，该晶种层常以无电镀沉积形成，在此过程中，其表面必须先浸没在化学溶液中，以形成催化性表面(亦即敏化剂(sensitizer)，氯化锡、氯化钛等；以及活化剂(activator)，是如酸化氯化钯、酸化氯化金、酸化氯化银等)，然后再浸没于无电镀溶液形成一导电晶种层。藉助该晶种层，金属凸块即可以电镀方式形成。然而，以无电镀在有机电路板上形成晶种层仍有一些缺点：其一是该有机电路板暴露在化学溶液中，亦即敏化剂溶液、活化剂溶液以及无电镀溶液中，将导致有绝缘保护层受到侵蚀性伤害，而使得电路板的可靠度降低；其二是敏化剂溶液及活化剂溶液通常包含有大量的氯离子，其容易穿透该有机保护层，且在浸没步骤的后会滞留于该保护层中，易导致电路板的可靠度降低；另一问题则是，惰性金属，亦即钯、金、银等，通常是作为非导体表面上扮演一催化金属的角色，所以也就难以自保护层表面移除，且容易形成残渣在其表面；同时，蚀刻所述惰性金属亦容易伤害到该有机保护层。在此情形中，有机电路板的可靠度也就成为难题。

为避免上述伤害有机保护层的问题产生，本发明是提供一种形成金属晶种层的方法，且不需使电路板浸没于化学溶液中。本发明是以金属层作为晶种层，是以物理气相沉积或化学物理气相沉积，是如溅镀(sputtering)、蒸发(evaporation)、电弧蒸发(arc vapor deposition)、离子镀(ion beamsputtering)、激光蒸镀(laser ablation deposition)、等离子体辅助化学器相沉积(plasma enhanced CVD)及有机金属化学相沉积(Metallorganic CVD)等，在有机电路板的表面上形成一金属层。下面所述则是利用该晶种层形成电镀焊锡凸块在有机电路板上的工艺。

参阅图3B，为本发明的实施例。以物理气相沉积或化学气相沉积形成一金属晶种层5于电路板1上。接着设有若干开口7的电镀阻层6(可为有机光阻材料)沉积并覆盖在晶种层5上，再形成一电镀焊锡材料8于各该开口7内，如图3C所示。接着移除所述电镀阻层6与晶种层5，如图3D所示。最后，在一回焊温度下熔解并重塑该焊锡材料8，以形成焊锡凸块9于焊垫2上，如图3E所示

所述的金属晶种层5可为金属、合金或叠层多层金属所组成，是如铜、镍、锡、钴、铬铜合金、铅锡合金、锡/铜(双金属层)、镍/铜、铬/铬铜合金/铜等。然而，惰性金属，是如金、银、钯、铂、钼及钽等，则必须避免成为该晶种层5的一部分，因在蚀刻时，这类金属移除时易伤害有机保护层。该晶种层5的厚度在0.01mm以下，较佳者在0.0002至0.0005mm之间。藉由该晶种层5在焊锡材料中的溶解度，会观察到两个现象：一是如图3E所示，即晶种层5未能完全溶入该焊锡凸块9，且在回焊过程中依然存在，是如镍组成的晶种层5及锡铅合金组成的焊锡凸块9；另一则如图3F所示，晶种层5完全溶入焊锡凸块9中，在回焊过程中消逝，是如锡组成的晶种层5及锡铅或锡铜合金组成的焊锡凸块9。根据实务经验，选用锡/铜双金属层作为晶种层5最佳，铜可在电镀阻层6图案化过程中保护锡不被氧化，而仅须在电镀前将开口7内的铜去除，电镀时即可得到清洁的锡表面；并且在去除晶种层5时所同时溶出电镀凸块的锡，亦可在回焊过程中被晶种层5的残留锡所补充。

以本实施例来说，亦可不形成阻障层3，如图3G所示，而使该焊锡凸块9直接形成于该焊垫2并与其接触。

而焊锡材料8可为由下列金属所组成的合金：铅、锡、银、铜、铋、锑、锌、镍、铝、锰、铟、碲与镓等。在回焊过程后，可再以一清洁步骤，是如超音波，清除助溶剂残渣。

重要的是，晶种层5较薄者为佳。因薄晶种层5在蚀刻液中可较快移除，也就使得有机电路板1浸没在蚀刻液中的时间能够缩短。如此，有机保护层4与焊锡材料8被蚀刻液伤害的程度将减少至可接受的范围。另一方面，在回焊过程中，当晶种层5，如锡，会溶入于该焊锡材料8中，该焊锡材料是如锡铅或锡铜合金，该较薄晶种层5将有少量的锡溶入该焊锡凸块9中；因此，在此情况下，焊锡凸块9的合金成分将容易掌握的多。以实务经验而言，晶种层5的厚度在0.0002至0.0005mm者为最佳。而蚀刻液的成分选择则可于一般金相学(metallography)技术书中得知，是如“Metallographic etching”，Gunter Petzow，American Society for Metals，Metals Park，Ohio，(1978)。

所述的晶种层5亦可以无电镀或电镀方式形成，催化金属不应用惰性金属，而是以铜作为催化金属。典型的非导电表面上形成催化铜的例子，于U.S.Pat.No.3,993,491与3,993,848中皆有揭露。而藉助于催化铜表面，所述的金属晶种层5可以无电镀形成。当然，该晶种层5亦可在短周期的无电镀之后，再以电镀形成，开始时，催化铜形成于一非导电表面上，再以电镀形成一薄金属层于该催化铜上，之后，一第二薄金属层形成于该第一薄金属层上，因此，该晶种层5即包含有一第一及第二薄金属层。此外，该有机保护层4的伤害亦可减缓，因该催化铜(非惰性金属)可轻易自蚀刻液中移除。经由上述无电镀或电镀制程，所述的焊锡凸块9即可形成在有机电路板1上，如图3E，图3F及图3B所示。

所述的有机保护层4并非限定必须覆盖部分焊垫2的表面。参阅图4A，所述的保护层4沉积在该有机电路板1的表面，但并未覆盖住焊垫2表面的任何部分。完成所述晶种层5与具开口7的电镀阻层6，接着于开口7内形成电镀焊锡材料8。在移除电镀阻层6与晶种层5的后，所述的焊锡凸块9可在回焊制程中完成。然而因晶种层5在焊锡凸块内的熔解度差异性，亦同样会有两不同现象：以较低溶解度而言，所述的晶种层5在回焊制程的后仍会存在，如图4B所示；相对地，以较高熔解度而言，所述的晶种层5在回焊制程的后则会消逝，如图4C所示。

所述的焊垫2是非限定于任何形状与尺寸。如图5A所示，其只显示有机电路板1最上三层电路层10。而焊垫2a的表面与有机绝缘层12的表面是在同一平面上，沉积一有机绝缘层4，并使其图案化以暴露出该焊垫2a。而垂直方向的电路线13是通常以所谓的“叠层通孔(stacked via)”技术完成。而焊锡凸块9亦可以前述所提方式形成于焊垫2a上，如图5B所示。

所述的焊锡凸块9可以应用于覆晶(flip chip)封装技术上。如图6A所示，一设有电极焊垫15的IC芯片14与该有机电路板1耦合。接着，在一回焊温度下，覆晶焊锡接16在焊垫2与电极焊垫15之间形成，如图6B所示。

本发明的再一实施例，所述的焊锡凸块9亦可以应用于覆晶封装技术上，以IC芯片上的金属凸块加以焊接。如图7A所示，一IC芯片17利用在各个焊垫19上所附的金属凸块18与有机电路板1黏着。在一回焊温度下，一覆晶焊接20可形成于焊垫2与电极焊垫19之间，如图7B所示。而所述金属凸块18可以金属、金属合金或多层叠层数种金属所组成，是如焊锡凸块、金凸块、铜凸块或覆盖着锡帽(solder cap)的铜柱等，当然该金属凸块18可以是任何形状，是如钉柱状凸块、球形凸块、柱状凸块或其它形状等。

本发明的再一实施例，所述焊锡凸块9可应用于形成覆晶焊接与电路板焊接的耦合。如图8A所示，一电路板21可为一有机电路板或陶瓷电路板，其表面上并设有焊垫22，及一IC芯片23设有电极焊垫24键结于与电路板21的表面。一金属凸块25形成在所述焊垫22上，以及其它金属凸块26形成于各该电极焊垫24上。接着所述电路板21再与有机电路板1相耦合。在一回焊温度下，形成一位于电极焊垫24与焊垫2间的焊锡接27，及一位于焊垫22与焊垫2间的耦合焊锡接28(board solder joint)，如图8B所示。而所述的金属凸块25、26可以是由金属、金属合金或叠层数种金属所组成，是如焊锡凸块、金凸块、铜凸块或覆盖着锡帽(solder cap)的铜柱，当然该金属凸块25、26可以是任何形状，是如钉柱状凸块、球形凸块、柱状凸块或其它形状等。

本发明的在有机电路板上形成焊锡凸块的方法，是具有下列优点：

1、本发明在有机电路板上形成焊锡凸块的电镀工艺，不会伤害有机保护层，并可提供电镀凸块高度的一致性。

2、本发明提供形成金属晶种层的方法，且不需使电路板浸没于化学溶液中，减少电路板伤害。

综上所述，本发明提供制作高优良率，有效改善传统的工艺困难及优良率损失等缺点，且本发明的整体工艺容易、成本亦非常低廉，量产率高。

以上说明仅为本发明在有机电路板上进行电镀焊锡的方法的较佳实施例，并非用以限制本发明的实施范围，任何本领域的熟练人员在不违背本发明的精神所做的修改，均应属于本发明的范围，因此本发明的保护范围当以附带的权利要求为依据。

Claims (12)

1、一种在有机电路板上进行电镀焊锡的方法，包括以下步骤：

(a)提供一有机电路板，该电路板的表面上形成有电路布局，并包含至少一接触焊垫；

(b)在该电路板上覆上一有机绝缘保护层，该保护层是图案化的并暴露出所述焊垫；

(c)在所述的电路板上以物理气相沉积法或化学气相沉积法沉积形成一薄金属层；

(d)形成一电镀阻层覆在该薄金属层上，且至少有一开口裸露出所述接触焊垫；

(e)以电镀方式形成一焊锡材料于该开口内；

(f)除去所述的电镀阻层以及其下的薄金属层。

2、如权利要求1所述的在有机电路板上进行电镀焊锡的方法，其中所述焊垫上还可覆有一阻障层。

3、如权利要求1所述的在有机电路板上进行电镀焊锡的方法，其中所述薄金属层的材质是铜、锡、铅锡合金或锡/铜双金属层。

4、如权利要求1或3所述的在有机电路板上进行电镀焊锡的方法，其中所述薄金属层的厚度在0.01mm以下。

5、如权利要求1所述的在有机电路板上进行电镀焊锡的方法，其中所述的焊锡材料可为由下列金属所组成的合金：铅、锡、银、铜、铋、锑、锌、镍、铝、锰、铟、碲与镓。

6、一种在有机电路板上进行电镀焊锡的方法，其包括以下步骤：

(a)提供一有机电路板，该电路板的表面上形成有电路布局，并包含至少一接触焊垫；

(b)在该电路板上覆上一有机绝缘保护层，该保护层是图案化而暴露出所述焊垫；

(c)以一水溶性溶液披覆在该保护层与该焊垫上，该水溶性溶液至少含有铜离子，还原该铜离子形成催化铜，而不含任何还原态的惰性金属离子；

(d)以无电镀法在所述的电路板上形成一薄金属层；

(e)形成一电镀阻层覆在该薄金属层上，且至少有一开口裸露出所述接触焊垫；

(f)以电镀方式形成一焊锡材料于该开口内；

(g)除去所述的电镀阻层及其下方的薄金属层与催化铜。

7、如权利要求6所述的在有机电路板上进行电镀焊锡的方法，其中在所述步骤(d)之后还可包含一步骤(d1)：以电镀法在所述的电路板上形成一第二薄金属层。

8、如权利要求7所述的在有机电路板上进行电镀焊锡的方法，其中所述第一及第二薄金属层的厚度总和是在0.01mm以下。

9、如权利要求7所述的在有机电路板上进行电镀焊锡的方法，其中所述第二薄金属层的材质是铜或锡。

10、如权利要求6所述的在有机电路板上进行电镀焊锡的方法，其中所述焊垫上还可覆有一阻障层。

11、如权利要求6所述的在有机电路板上进行电镀焊锡的方法，其中所述薄金属层的材质是铜、锡、镍或铅锡合金。

12、如权利要求6所述的在有机电路板上进行电镀焊锡的方法，其中所述的焊锡材料可为由下列金属所组成的合金：铅、锡、银、铜、铋、锑、锌、镍、铝、锰、铟、碲与镓。

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