專利名稱：高密度柱柵陣列連接及其方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般涉及到一種新穎的半導(dǎo)體芯片載體連接，其中利用表面安裝技術(shù)制作半導(dǎo)體芯片載體和第二層組裝件。更確切地說，本發(fā)明包含表面安裝技術(shù)，舉幾個例子，例如球柵陣列(BGA)，柱柵陣列(CGA)，其中表面安裝技術(shù)主要包含一種非焊料金屬連接，例如銅連接。本發(fā)明還涉及到柱柵陣列結(jié)構(gòu)及其工藝。
隨著新技術(shù)的不斷發(fā)展，半導(dǎo)體器件變得更小和更密集。然而，電路密度的增加在芯片連接方面總體上相應(yīng)地增大了困難。因此，面對這種挑戰(zhàn)，驅(qū)使芯片制造商依靠不斷的發(fā)明創(chuàng)新來改進其產(chǎn)品。盡管在芯片互連技術(shù)方面已取得了明顯的改進，但僅靠這些還不足以克服所有的問題。
已出現(xiàn)目前主要發(fā)明的現(xiàn)有技術(shù)領(lǐng)域是采用各種無鉛焊料合金作為芯片和襯底之間，以及襯底和下一層互連之間的連接。
例如，美國專利No.5,328,660(Gonya)公開了一種無鉛、高溫、錫基多成份焊料，其中的焊料合金含有78.4％重量比的錫，其余成份為銀、鉍和銦。
同樣，美國專利No.5,411,703(Gonya)提出了一種基于多成份的無鉛焊料，其中高固線溫度的焊料合金含有93～94％重量比的錫，其余成份為銻、鉍和銅。
而美國專利No.5,733,501(Takao)公開了一種無鉛焊料合金的疲勞測試，其中銅線通過玻璃環(huán)氧樹脂和銅層疊板/襯底中的孔，并被焊料合金焊接。
美國專利No.5,874,043(Sarkhel)公開了另一種基于多種成份的無鉛富錫焊料，其中焊料合金含有70.5～73.5％重量比的錫，其余成份為銀和銦。
另一發(fā)明領(lǐng)域是柱柵陣列(CGA)芯片載體，在芯片載體技術(shù)中正得到越來越多的應(yīng)用，特別是當(dāng)芯片載體由陶瓷材料制成時，更是如此。芯片載體通常由陶瓷材料或有機疊層材料制成。多個焊料柱被固定到芯片載體和下一層封裝件的I/O(輸入/輸出)焊點，以便在二者之間提供電連接。例如見已轉(zhuǎn)讓給美國紐約州阿莫克的國際商業(yè)機器公司的美國專利No.5,324,892(Granier)，此處將其內(nèi)容列為參考，它提出了一種利用焊料柱制造電互連的方法。該焊料柱由熔點高于約250℃的焊料制成。利用熔點低于約240℃的焊料，將預(yù)制的焊料柱固定到芯片載體。這些焊料柱被單獨制造，并被送入爐子裝置，然后使其對準(zhǔn)載體。借助于低溫焊料合金回流來固定高溫焊料柱。然而，正如本領(lǐng)域的技術(shù)人員所知，直徑通常很小的焊料柱是非常軟的，其結(jié)果是在制造芯片載體模塊時，該焊料柱很容易被損壞或彎曲。特別是若位于I/O焊點陣列上的多個位置，這一問題就更復(fù)雜。通常的解決途徑是代價高昂的返工。另外，在電路板組裝期間，這些柱柵陣列模塊容易遭受處置時的損壞。再者，隨著互連密度的增加，焊料柱的直徑必須減小。當(dāng)然，焊料柱直徑的減小將會降低這些焊料柱的抗彎強度，并增加了對這些焊料柱的處置損壞。
如所知，現(xiàn)有技術(shù)使用一種無鉛焊料系統(tǒng)，但沒有提到用非焊料金屬互連部分來將芯片連接到襯底或?qū)⒁r底連接到電路板。同樣，也沒有提到結(jié)合使用銅芯柱陣列與高熔點和低熔點焊料合金來將這種銅柱柵陣列連接到芯片載體和有機電路板。這些高和低熔點焊料合金可以從含鉛或無鉛焊料合金中選取。而且，本發(fā)明的目的是一種柱柵陣列型結(jié)構(gòu)，它緩解了現(xiàn)有技術(shù)的問題，并使得能夠大批量制造具有柱柵陣列連接的芯片載體。
本發(fā)明是一種高密度柱柵陣列連接的新穎方法和結(jié)構(gòu)。
因此，本發(fā)明的目的是提供一種可提供高密度柱柵陣列連接的結(jié)構(gòu)和方法。
本發(fā)明的另一個目的是提供一種非焊料金屬互連。
本發(fā)明的再一個目的是提供一種芯片載體與電子元件之間的非焊料金屬互連。
本發(fā)明還有一個目的是提供一種芯片載體和電子元件之間的銅互連。
本發(fā)明再一個目的是提供一種使用鉛基固定焊料的芯片載體和電子元件之間的銅互連，例如襯底一側(cè)為90/10的鉛/錫，而電路板一側(cè)為37/63的鉛/錫低共熔體。
本發(fā)明再一個目的是提供一種無鉛焊料，例如用于襯底一側(cè)的錫/銻和電路板一側(cè)的錫/銀/銅合金，以便提供電路板與襯底之間銅互連的牢固連接。
因此，在一種情況下，本發(fā)明包含第一襯底上的第一個焊點和第二襯底上的第二個焊點之間的金屬電互連，其中所述電互連是非焊料金屬材料。
在另一種情況下，本發(fā)明包含一種將互連緊固到襯底的方法，其中至少50％以上的所述互連是非焊料金屬材料，此方法包括下列步驟(a)對所述互連的末端進行助熔處理，(b)將所述互連的經(jīng)助熔處理過的所述末端置于所述襯底上至少具有一種焊料的焊點上，(c)在靠近所述經(jīng)助熔處理過的末端和所述焊點處，使溫度由室溫升高到約100～300℃，并在所述焊料回流后，將所述互連降低到室溫，從而使所述互連緊固于所述襯底。
在另一種情況下，本發(fā)明包含一種使互連緊固于印刷電路板的方法，其中至少50％以上的所述互連是非焊料金屬材料，此方法包含下列步驟(a)對所述互連的末端進行助熔處理，(b)將所述互連的經(jīng)助熔處理過的所述末端置于所述印刷電路板上至少具有一種焊料的焊點上，(c)在靠近所述經(jīng)助熔處理過的末端和所述焊點處，使溫度由室溫升高到約100～300℃，并在所述焊料回流后，將所述互連降低到室溫，從而使所述互連緊固于所述印刷電路板。
在再一種情況下，本發(fā)明包含一種使互連緊固于第一襯底和第二襯底的方法，其中所述互連是非焊料金屬材料，此方法包含下列步驟(a)對所述互連的第一末端進行助熔處理，(b)將所述互連的經(jīng)助熔處理過的所述第一末端置于所述第一襯底上至少具有一種第一焊料的第一焊點上，(c)在靠近所述經(jīng)助熔處理過的末端和所述第一焊點處，使溫度由室溫升高到約100～300℃，并在所述第一焊料回流后，將所述互連降低到室溫，(d)對所述互連的第二末端進行助熔處理，
(e)將所述互連的經(jīng)助熔處理過的所述第二末端置于所述第二襯底上至少具有一種第二焊料的第二焊點上，(f)在靠近所述經(jīng)助熔處理過的末端和所述第二焊點處，使溫度由室溫升高到約100～300℃，并在所述第二焊料回流后，將所述互連降低到室溫，從而使所述互連緊固于所述第一襯底和所述第二襯底。
所附權(quán)利要求敘述了被認(rèn)為新穎的本發(fā)明的特點和本發(fā)明特有的要素。附圖只是為了說明的目的，并未按比例繪出。而且，附圖中相似的參考號表示相似的零件。然而，參照結(jié)合附圖的詳細(xì)描述，可以最好地理解本發(fā)明本身的組織和操作方法。其中

圖1示出了本發(fā)明的優(yōu)選實施方案。
圖2示出了本發(fā)明的另一優(yōu)選實施方案。
圖1示出了本發(fā)明的優(yōu)選實施方案，其中用至少一種高溫焊料材料14，把諸如銅柱23的非焊料金屬柱23，焊接到芯片載體或襯底10上的I/O(輸入/輸出)焊點12，得到高密度的柱結(jié)構(gòu)。
圖2示出了本發(fā)明的另一優(yōu)選實施方案，其中用至少一種低溫焊料材料24，把圖1的高密度柱結(jié)構(gòu)焊接到諸如印刷電路板(PCB)20的第二層封裝件或襯底20上的I/O(輸入/輸出)焊點22。此非焊料金屬柱23，例如銅柱23，也能夠具有至少一個金屬薄鍍層21。通常，金屬鍍層21是一非常薄的鍍層，且優(yōu)選的金屬材料是錫。然而，僅僅作為幾個例子，也能夠使用另外的金屬鍍層21，例如鎳、具有額外的一層或更多層錫的鎳、錫-銀、錫-金及其合金。
如前所述，本發(fā)明基本上利用一種非焊料金屬結(jié)構(gòu)23，例如柔性銅芯柱23組成的陣列，以便用高熔點焊料合金14和低熔點焊料合金24，將芯片載體10連接到有機板或電路板20。此銅柱23最好被充分退火，使其具有高延伸率，從而在產(chǎn)品壽命內(nèi)能夠吸收連接到有機板的芯片載體通常經(jīng)歷的多次熱疲勞周期。所使用的低和高溶點焊料合金最好與銅芯柱兼容。用來緊固銅柱的焊料合金可以由含鉛的焊料合金或無鉛的焊料合金制成。
高密度柱連接23，最好是完全退火的銅柱部分23，其延伸率大于約30％?？蛇x擇的涂層21，例如錫、錫/銀、鎳或鎳/錫鍍層21，其厚度最好在大約0.5～4.0μm之間。然而，金屬部分23的直徑和長度，及其相關(guān)的焊料連接帶的幾何尺寸都能夠根據(jù)模型功能環(huán)境中的具體應(yīng)力條件而預(yù)先定制。對于大多數(shù)應(yīng)用，非焊料柱23的直徑最好為大約0.2～0.5mm。這是間距約為0.5～1.27mm的非焊料柱陣列的典型直徑。
為了把非焊料柱23連接到印刷電路板或襯底20或芯片載體10，可以使用一種高熔點焊料，例如鉛/錫(鉛濃度約為70～90％重量比)或摻有鈀的低共熔鉛錫。
對于無鉛系統(tǒng)，作為幾個例子，焊料14可以選自錫/銻(錫約為55～95％重量比)，錫/銀，錫/銀/銅(銀和銅約為0.5～3.0％重量比)，錫/銀/鉍(銀約為2.0～4.5％重量比，而鉍約為3.5～7.5％重量比)，錫/銀/銅(銀約為2.0～4.5％重量比，而銅約為0.5～3.0％重量比)。
對于印刷電路板或卡板20，通常習(xí)慣于使用低共熔鉛/錫焊料24。然而，對于無鉛系統(tǒng)，作為幾個例子，焊料24可以選自錫/銻(錫約為55～95％重量比)，錫/銀，錫/銀/銅(銀和銅約為0.5～3.0％重量比)，錫/銀/鉍(銀約為2.0～4.5％重量比，而鉍約為3.5～7.5％重量比)，錫/銀/銅(銀約為2.0～4.5％重量比，而銅約為0.5～3.0％重量比)，錫/鋅(錫約為91％重量比)，錫/鉍(錫約為42％重量比)。
為了優(yōu)化其應(yīng)力特性，可以對純銅芯23進行退火，并可選地涂覆鎳(比如說約為0.5～4.0μm)，隨之以薄鍍錫(比如說約為0.2～0.5μm)。
為了將非焊料柱23固定到I/O焊點12，可以使用95/5比例的錫/銻或錫/銀(銀約為3～5％重量比)，其熔點約為220～240℃。這應(yīng)該是高溫?zé)o鉛焊料連接。
為了將非焊料柱23固定到印刷電路板的I/O焊點22，可以使用48/52比例的錫/銦或者43/57比例的錫/鉍，其熔點約為120～140℃。這應(yīng)該是低溫?zé)o鉛焊料連接。
在卡板組裝過程中，這種形式的焊料連接分層明顯地將I/O焊料連接14的回流風(fēng)險減到了最小。
雖然結(jié)合具體的優(yōu)選實施方案對本發(fā)明作了確切的描述，但顯然，對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員，參照上述的描述，許多變通、修正和改變是顯而易見的。因此，所期望的是所附權(quán)利要求包括了本發(fā)明構(gòu)思與范圍內(nèi)的任何這種變通、修正和改變。
權(quán)利要求
1．第一襯底上的第一焊點與第二襯底上的第二焊點之間的一種金屬電互連，其中所述電互連是非焊料金屬材料。
2．權(quán)利要求1的互連，其特征是，其中至少50％以上的所述金屬互連是非焊料金屬材料。
3．權(quán)利要求1的互連，其特征是，其中所述金屬性互連選自銅部分、純銅部分、和完全退火的銅部分。
4．權(quán)利要求1的互連，其特征是，其中所述電互連材料選自銅、鎳及其合金、以及錫約為20％重量比的銅-錫合金。
5．權(quán)利要求1的互連，其特征是，其中所述金屬互連的直徑約為0.2～0.5mm。
6．權(quán)利要求1的互連，其特征是，其中所述第一襯底是陶瓷襯底。
7．權(quán)利要求1的互連，其特征是，其中所述第二襯底是有機板。
8．權(quán)利要求1的互連，其特征是，其中至少部分所述互連具有至少一個由至少一種材料組成的涂層。
9．權(quán)利要求1的互連，其特征是，其中至少部分所述互連具有至少一個由至少一種材料組成的涂層，且其中所述至少一種材料選自銅、鎳、銀、錫及其合金。
10．權(quán)利要求1的互連，其特征是，其中至少部分所述互連具有至少一個由至少一種材料組成的涂層，且其中所述涂層的厚度約為0.5～4.0μm。
11．權(quán)利要求1的互連，其特征是，其中利用選自軟焊和硬焊的方法，將所述互連緊固于所述襯底。
12．權(quán)利要求1的互連，其特征是，其中利用選自軟焊和硬焊的方法，將所述互連緊固于所述印刷電路板。
13．一種將互連緊固到襯底的方法，其中至少50％以上的所述互連是非焊料金屬材料。此方法包含下列步驟(a)對所述互連的末端進行助熔處理，(b)將所述互連的經(jīng)助熔處理過的所述末端置于所述襯底上至少具有一種焊料的焊點上，(c)在靠近所述經(jīng)助熔處理過的末端和所述焊點處，使溫度由室溫升高到約100～300℃，并在所述焊料回流后，將所述互連降低到室溫，從而使所述互連緊固于所述襯底。
14．權(quán)利要求13的方法，其特征是，其中所述焊料是熔點高于大約200℃的鉛或無鉛合金。
15．權(quán)利要求13的方法，其特征是，其中所述焊料選自錫/銻(錫約為55～95％重量比)，錫/銀，錫/銀/銅(銀和銅約為0.5～3.0％重量比)，錫/銀/鉍(銀約為2.0～4.5％重量比，而鉍約為3.5～7.5％重量比)，錫/銀/銅(銀約為2.0～4.5％重量比，而銅約為0.5～3.0％重量比)。
16．權(quán)利要求13的方法，其特征是，其中所述金屬互連選自銅部分、純銅部分、完全退火的銅部分。
17．權(quán)利要求13的方法，其特征是，其中所述電互連材料選自銅、鎳及其合金、以及錫約為10-20％重量比的銅-錫合金。
18．權(quán)利要求13的方法，其特征是，其中所述金屬互連的直徑約為0.2～0.5mm。
19．權(quán)利要求13的方法，其特征是，其中至少部分所述互連具有至少一個由至少一種材料組成的涂層。
20．權(quán)利要求13的方法，其特征是，其中至少部分所述互連具有至少一個由至少一種材料組成的涂層，且其中所述至少一種材料選自銅、鎳、銀、錫及其合金。
21．權(quán)利要求13的方法，其特征是，其中至少部分所述互連具有至少一個由至少一種材料組成的涂層，且其中所述涂層的厚度約為0.5～4.0μm。
22．權(quán)利要求13方法，其特征是，其中利用選自軟焊和硬焊的方法，將所述互連緊固于所述襯底。
23．一種將互連緊固于印刷電路板的方法，其中至少50％以上的所述互連是非焊料金屬材料，此方法包含下列步驟(a)對所述互連的末端進行助熔處理，(b)將所述互連的經(jīng)助熔處理過的所述末端置于所述印刷電路板上至少具有一種焊料的焊點上，(c)在靠近所述經(jīng)助熔處理過的末端和所述焊點處，使溫度由室溫升高到約100～300℃，并在所述焊料回流后，將所述互連降低到室溫，從而使所述互連緊固于所述印刷電路板。
24．權(quán)利要求23的方法，其特征是，其中所述焊料是熔點高于大約200℃的鉛或無鉛合金。
25．權(quán)利要求23的方法，其特征是，其中所述焊料選自錫/銻(錫約為55～95％重量比)，錫/銀，錫/銀/銅(銀和銅約為0.5～3.0％重量比)，錫/銀/鉍(銀約為2.0～4.5％重量比，而鉍約為3.5～7.5％重量比)，錫/銀/銅(銀約為2.0～4.5％重量比，而銅約為0.5～3.0％重量比)，錫/鋅(錫約為91％重量比)，錫/鉍(錫約為42％重量比)。
26．權(quán)利要求23的方法，其特征是，其中所述金屬互連選自銅部分、純銅部分、完全退火的銅部分。
27．權(quán)利要求23的方法，其特征是，其中所述電互連材料選自銅、鎳及其合金、以及錫約為10-20％重量比的銅-錫合金。
28．權(quán)利要求23的方法，其特征是，其中所述金屬互連的直徑約為0.2～0.5mm。
29．權(quán)利要求23的方法，其特征是，其中至少部分所述互連具有至少一個由至少一種材料組成的涂層。
30．權(quán)利要求23的方法，其特征是，其中至少部分所述互連具有至少一個由至少一種材料組成的涂層，且其中所述至少一種材料選自銅、鎳、銀、錫及其合金。
31．權(quán)利要求23的方法，其特征是，其中至少部分所述互連具有至少一個由至少一種材料組成的涂層，且其中所述涂層的厚度約為0.5～4.0μm。
32．權(quán)利要求23方法，其特征是，其中利用選自軟焊和硬焊的方法，將所述互連緊固于所述印刷電路板。
33．一種將互連緊固于第一襯底和第二襯底的方法，其中所述互連是非焊料金屬材料，此方法包含下列步驟(a)對所述互連的第一末端進行助熔處理，(b)將所述互連的經(jīng)助熔處理過的所述第一末端置于所述第一襯底上至少具有一種第一焊料的第一焊點上，(c)在靠近所述經(jīng)助熔處理過的末端和所述第一焊點處，使溫度由室溫升高到約100～300℃，并在所述第一焊料回流后，將所述互連降低到室溫，(d)對所述互連的第二末端進行助熔處理，(e)將所述互連的經(jīng)助熔處理過的所述第二末端置于所述第二襯底上至少具有一種第二焊料的第二焊點上，(f)在靠近所述經(jīng)助熔處理過的末端和所述第二焊點處，使溫度由室溫升高到約100～300℃，并在所述第二焊料回流后，將所述互連降低到室溫，從而使所述互連緊固于所述第一襯底和所述第二襯底。
全文摘要
本發(fā)明一般涉及到一種新的半導(dǎo)體芯片載體連接,其中利用表面安裝技術(shù)制作芯片載體和第二層組裝件。更確切地說,本發(fā)明包含表面安裝技術(shù),作為幾個例子,例如球柵陣列(BGA)、柱柵陣列(CGA),其中表面安裝技術(shù)主要包含一種非焊料金屬連接,例如銅連接。本發(fā)明還涉及到柱柵陣列結(jié)構(gòu)及其工藝。
文檔編號C22C9/05GK1321784SQ0111793
公開日2001年11月14日 申請日期2001年5月8日 優(yōu)先權(quán)日2000年5月3日
發(fā)明者M·J·恩特蘭特, B·彼得森, S·K·雷, W·E·薩林斯基, A·K·薩克赫爾 申請人:國際商業(yè)機器公司