一種錫銦互連焊點金屬間化合物的可控制備方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及微互連焊點結構制備和半導體器件制造工藝技術領域，具體涉及一種錫銦互連焊點金屬間化合物的可控制備方法，可實現(xiàn)錫銦互連焊點金屬間化合物生長形貌及類型的可控制備。
【背景技術】
[0002]錫基無鉛焊點屬于環(huán)境友好型材料，在電子封裝產業(yè)得到廣泛的應用。錫銦焊料屬于錫基無鉛焊料的一種，由于其較低的回流溫度、良好的潤濕性和優(yōu)異的力學性能等被稱為“萬能焊料”，被廣泛應用于低溫領域如人造衛(wèi)星、太空船，分階段焊接領域如TV諧調器等，以及熱敏感器件制造如溫度控制器、火警報警器、空調安全保護器等。眾所周知，焊點的力學和服役性能與焊點的界面微觀組織結構有著密切的關系。金屬間化合物作為焊盤基體材料和焊料的冶金連接層對整個微互連焊點的性能有重要的影響，而且界面不同晶體結構類型和不同組織形貌的金屬間化合物其本身的力學、電學、磁學和腐蝕等性能是不同的。

【發(fā)明內容】

[0003]本發(fā)明的目的在于利用錫銦互連焊點界面上不同晶體結構類型和不同組織形貌的金屬間化合物其本身的力學、電學、磁學和腐蝕等性能的差異，提供了一種錫銦互連焊點中金屬間化合物的可控制備方法。
[0004]本發(fā)明技術方案如下:
[0005]一種錫銦互連焊點金屬間化合物的可控制備方法，該方法是以錫銦焊料和銅基板為原料制備錫銦互連焊點過程中，通過控制反應基板的表面晶向制備所需生長取向(或織構形貌)和所需類型的金屬間化合物；或者，以錫銦焊料和銅基板為原料制備錫銦互連焊點過程中，首先通過控制反應基板的表面晶向制備所需生長取向(或織構形貌)的金屬間化合物，再通過控制時效溫度和時間制備所需生長取向和所需類型的金屬間化合物。該方法具體包括如下步驟:
[0006](I)根據焊點使用性能需求，選擇所需成分SnIn焊料和所需類型銅基板焊盤，設計并組成互連結構；
[0007](2)根據步驟(I)所選SnIn焊料的熔點，選取合適的回流溫度曲線在回流設備上制備錫銦互連焊點，獲得所需取向(或織構形貌)和所需類型的金屬間化合物。
[0008]步驟(2)過程中，所制備的金屬間化合物的取向由步驟(I)中所選擇的銅基板焊盤材料的表面晶向控制，如果通過步驟(2)所得金屬間化合物的類型需要進一步調控，可通過步驟(3)實現(xiàn)。
[0009](3)根據使用性能對金屬間化合物的需要，將步驟(2)制備的錫銦互連焊點在所需要時效溫度下保溫，獲得所需取向和所需類型的金屬間化合物。
[0010]步驟(3)過程中，通過控制時效溫度，可使步驟(2)中的金屬間化合物的類型改變。
[0011]所述SnIn焊料可以是焊球也可以是焊膏，其中SnIn合金的存在狀態(tài)可以是塊體、薄膜、微米線、微米帶、微米管、微米顆粒、納米線、納米帶、納米管或納米顆粒等形狀，SnIn合金中In的重量比例為5%-100%。
[0012]所述錫銦互連焊點中的銅基板焊盤的類型可以為多晶銅、單晶銅、納米孿晶銅、雙晶銅和非晶銅中的一種或幾種組成的復合連接層基體材料。
[0013]步驟(2)中回流曲線的設定由所選SnIn焊料的熔點來決定，其最低回流溫度需要大于或等于SnIn合金的熔點(由In元素的含量決定)。
[0014]步驟(3)中的時效保溫溫度范圍可由0°C至焊料熔點，保溫時間根據實際需要選擇。
[0015]本發(fā)明原理如下:
[0016]本發(fā)明基于焊點液態(tài)反應中界面化合物的生長機理，通過改變銅基體的取向獲得不同織構形貌的焊點內金屬間化合物；基于固態(tài)反應下金屬焊盤和焊料中反應元素的擴散機制，利用不同時效溫度下錫銦及銅的擴散能力差異導致的界面相變來實現(xiàn)化合物類型間的相互轉化；從而獲得不同晶體結構類型和不同組織形貌的金屬間化合物，實現(xiàn)錫銦互連焊點金屬間化合物的可控制備，為錫銦微型器件焊點性能的改良提供了一種切實可行的方法。
[0017]經調研，本發(fā)明此前并未被有關專利和文獻報道過，方法簡單，可操作性強，與傳統(tǒng)焊點金屬間化合物的制備相比有以下優(yōu)點:
[0018]1、本發(fā)明通過基板取向和/或時效溫度的選擇來控制金屬間化合物的生長，從而獲得含有特定生長取向或晶體類型的金屬間化合物的無鉛焊點，進而對整個微互連焊點的使用性能進行改良，工藝簡單，易于操作，可控性強。
[0019]2、本發(fā)明通過改變基板取向獲得的具有織構形貌的金屬間化合物焊點，在性能上具有各向異性，可應用于特殊性能要求器件的互連封裝中。
[0020]3、本發(fā)明通過調節(jié)時效溫度來改變金屬間化合物種類，可以獲得一種、兩種或多種類型及形貌的金屬間化合物互連焊點，極大地拓展了低熔點錫銦無鉛焊料的應用范圍。
[0021]4、利用本發(fā)明方法可以在不改變互連焊點的焊料和基板材料的前提下，通過金屬間化合物生長組織的調控，來改善微型器件焊點的服役性能，工藝成本低，性價比高。
【附圖說明】
[0022]圖1是典型的電路板和芯片中微互連焊點截面示意圖。
[0023]圖2是實施例1中單晶(10)Cu與48Sn52In焊料互連焊點在160°C回流5s后的Cu2(In, Sn)金屬間化合物的生長形貌。
[0024]圖3是實施例2中單晶(Ill)Cu與48Sn52In焊料互連焊點在160°C回流5s后的Cu2(In, Sn)金屬間化合物的生長形貌。
[0025]圖4是實施例1和2中Cu2(In，Sn)金屬間化合物與單晶(10)Cu基板(a_c)及(Ill)Cu基板(d-f)的生長位向關系。
[0026]圖5是實施例3中單晶(10)Cu與48Sn52In焊料互連焊點回流后及在40°C時效時的截面組織；圖中:(a)回流后；(b)時效10天；(c)時效60天；(d)時效90天。
[0027]圖6是實施例4中單晶Cu與48Sn52In焊料互連焊點回流后在60°C時效時的截面組織；圖中:(a) (10)Cu時效6天；(b) (10)Cu時效10天；(c) (Ill)Cu時效6天；(d)(Ill)Cu 時效 10 天。
[0028]圖7是實施例5中單晶Cu與48Sn52In焊料互連焊點回流后在80°C和100°C時效時的截面組織；圖中:(a) (100)01在801:時效I天；(b) (100)Cu在100°C時效I天；(c)(Ill)Cu 在 80°C時效 I 天；(d) (Ill)Cu 在 100°C時效 I 天。
[0029]圖8是實施例6中多晶Cu與48Sn52In焊料互連焊點回流后及在40°C時效時的截面組織；圖中:(a)回流后；(b)時效10天；(c)時效60天；(d)時效90天。
[0030]圖9是實施例7中多晶Cu與48Sn52In焊料互連焊點回流后在60°C，80°C和100°C時效后的截面組織；圖中:(a)60°C時效I天；(b)60°C時效10天；(c) 80°C時效I天；(d)80°C時效 10 天；(e) 100°C時效 I 天；(f) 100°C時效 10 天。
【具體實施方式】
[0031]下面結合附圖及實施例對本發(fā)明作進一步詳細說明。
[0032]金屬間化合物作為焊盤基體材料和焊料的冶金連接層對整個微互連焊點的性能有重要的影響，錫銦互連焊點界面上不同晶體結構類型和不同組織形貌的金屬間化合物其本身的力學、電學、磁學和腐蝕等性能是不同的。因此，互連焊點界面金屬間化合物的可控制備，對于改善整個互連焊點的使用性能和服役可靠性具有重要意義。圖1為典型的電路板和芯片中微互連焊點結構的截面示意圖，其中最主要的UBM層既為Cu反應層，Al主要作為粘附層，Ni (V)作為阻擋層。
[0033]本發(fā)明通過控制反應基板的表面晶向制備不同生長取向或織構形貌的金屬間化合物，通過控制時效溫度和時間實現(xiàn)不同類型金屬間化合物的相互轉化，從而獲得含有特定生長取向或晶體類型的金屬間化合物的無鉛焊點，為錫銦微型器件焊點性能的改良提供了一種切實可行的方法。該制備方法具體步驟如下:
[0034](I)將SnIn焊料放在微互連焊點中金屬焊盤UBM層基體材料的上方。
[0035](2)根據SnIn焊料成分的不同，選取合適的回流溫度曲線，制備互連焊點，通過改變基體獲得不同的織構形貌。
[0036](3)將回流好的錫銦互連焊點根據需求放在不同的時效溫度下時效，根據使用性能的需要，選擇不同的時效溫度保溫，獲得一種或多種類型的化合物。
[0037](4)為確認獲得的金屬間化合物的特定組織結構，將回流或時效樣品經過一系列機械研磨、拋光，結合表面腐蝕，進行焊點中金屬間化合物生長形貌的表面及截面組織觀察，。
[0038]實施例1
[0039](I)選擇以單晶銅(100)晶面和共晶錫鋼焊料(48Sn52In)作為原材料，將片狀厚度約為Iym的共晶錫銦焊料放在(100)單晶銅基體上，放在回流爐中160°c回流5s形成互連焊點；
[0040](2)用2000#SiC砂紙將焊料研磨至300_400um，放入FeCl3腐蝕液中腐蝕，腐蝕時間要根據焊料厚度決定，最終腐蝕掉焊料露出生成的金屬間化合物；
[0041](3)表面超聲清洗干凈后，用Quanta600進行表面掃描電鏡SEM觀察，觀察電壓為20KV,獲得的樣品俯視照片如圖2所示?；亓骱笊傻慕饘匍g化合物Cu2 (In, Sn)晶粒之間呈90°夾角，具有織構形貌，說明單晶的Cu2 (In，Sn)晶粒生長取向是擇優(yōu)的，經EBSD分析其擇優(yōu)生長取向為
[0001]方向，如圖4所示。
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