一種采用多層微米、亞微米薄膜快速制備可高溫服役全imc微焊點(diǎn)的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于微連接技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種面向電子器件、組件、或微系統(tǒng)中圓片或芯片與基板、圓片或芯片與其它圓片或芯片的互連方法，具體涉及一種采用多層微米、亞微米薄膜快速、低溫制備可實(shí)現(xiàn)高溫服役全金屬間化合物(Intermetallic Compounds-1MC)微焊點(diǎn)的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]連接技術(shù)是實(shí)現(xiàn)電子元器件或組件封裝、微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)封裝、圓片三維立體封裝的核心技術(shù)之一。隨著電子系統(tǒng)向高性能、高功率、高密度方向的發(fā)展，電子系統(tǒng)的發(fā)熱量將顯著提升，導(dǎo)致芯片與基板、圓片與基板、圓片與圓片之間互連焊點(diǎn)需要在更高的溫度條件下服役。然而傳統(tǒng)的釬料合金或各向異性導(dǎo)電膠等均不能在高溫環(huán)境下可靠的工作，已經(jīng)成為制約電子元器件或組件、微系統(tǒng)、三維封裝向高密度、高功率發(fā)展的主要瓶頸。
[0003]對(duì)于使用釬料合金制備的焊點(diǎn)，如Sn37wt.%Pb、Sn3.5wt.%Ag等，釬焊的峰值溫度范圍是220~250°C，而焊點(diǎn)的服役溫度必須低于125°C。如果使用更高熔點(diǎn)的焊料，如Au20wt.%Sn、Au31wt.%Si，其熔點(diǎn)分別為280°C和363°C，則需要使用超過(guò)320~400°C的高溫進(jìn)行鍵合，在如此高溫的鍵合條件下，會(huì)增加圓片、芯片或其它組件高溫失效的風(fēng)險(xiǎn)。
[0004]為解決上述問(wèn)題，出現(xiàn)了低溫鍵合高溫服役的連接方法。現(xiàn)在較常見(jiàn)的技術(shù)有納米銀焊膏低溫?zé)Y(jié)、全金屬間化合物互連等。根據(jù)納米顆粒的熱力學(xué)性質(zhì)，納米銀顆粒的燒結(jié)溫度可降至200°C以下，且其接頭服役溫度可達(dá)到300°C以上，即實(shí)現(xiàn)了低溫連接、高溫服役；然而，此種接頭制備工藝時(shí)間較長(zhǎng)，一般為十幾甚至幾十分鐘、且接頭為多孔結(jié)構(gòu)，會(huì)影響接頭的導(dǎo)電導(dǎo)熱性能。此外，銀本身成本較高，也制約了該材料的廣泛應(yīng)用。全金屬間化合物互連是使用單層金屬箔或焊料，在正常釬焊溫度下使界面充分反應(yīng)，直至接頭全部轉(zhuǎn)化為金屬間化合物，如Cu6Sn5、Cu3SruAg3Sn等，接頭所能承受的服役溫度由恪點(diǎn)較高的金屬間化合物決定而非釬料，同樣可以實(shí)現(xiàn)低溫連接、高溫服役。然而，如果制備十微米或更大尺寸的全MC焊點(diǎn)，其反應(yīng)時(shí)間至少需要幾十分鐘，生產(chǎn)效率過(guò)低，且接頭成分無(wú)法實(shí)現(xiàn)精確控制，很難實(shí)現(xiàn)大規(guī)模工業(yè)應(yīng)用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的是提供一種能夠在較低連接溫度下，利用多層微米、亞微米薄膜結(jié)構(gòu)，快速制備可高溫服役全頂C焊點(diǎn)的方法。較低的連接溫度(超過(guò)Sn熔點(diǎn)30~60°C )可以避免在連接或鍵合過(guò)程中對(duì)元器件、組件、微系統(tǒng)或三維封裝結(jié)構(gòu)中芯片或溫度敏感部件造成高溫退化或損傷。
[0006]所述目的是通過(guò)如下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的:
一種采用多層微米、亞微米薄膜快速制備可高溫服役全MC微焊點(diǎn)的方法，如圖1所示，包括如下步驟: 步驟一:在圓片或芯片表面需要鍵合的焊盤(pán)區(qū)域通過(guò)光刻技術(shù)在光刻膠膜上制備出相應(yīng)的開(kāi)口，或利用激光蝕刻、化學(xué)腐蝕等方法制備出掩膜板，掩膜的開(kāi)口區(qū)域同樣與圓片或芯片需要鍵合的焊盤(pán)區(qū)域?qū)?yīng)并對(duì)準(zhǔn)。
[0007]步驟二:采用濺射、蒸鍍或電鍍方法在圓片或芯片的焊盤(pán)區(qū)域制備Cu膜或Ag膜，該膜層的厚度范圍為0.1~10微米，膜層最小厚度以在后續(xù)連接或鍵合過(guò)程中提供足夠金屬，保證多層薄膜能演變成全MC焊點(diǎn)并有盈余為原則。
[0008]步驟三:采用蒸鍍或電鍍方法在步驟二中的薄膜表面制備Sn膜，該膜層的厚度為
0.1~1.5 微米。
[0009]步驟四:采用濺射或蒸鍍的方法在步驟三中的Sn膜表面沉積Cu或Ag，沉積膜層的厚度按照與上一層Sn膜轉(zhuǎn)換成Cu:Sn或Ag:Sn原子的摩爾比均略小于3:1 (2.4彡Cu:Sn比< 2.95或2.4 < Ag: Sn ( 2.95)進(jìn)行制備。在濺射和蒸鍍過(guò)程中，Cu或Ag原子會(huì)攜帶一定的熱量以氣態(tài)向Sn膜表面沉積，部分的Cu或Ag原子會(huì)與Sn膜發(fā)生反應(yīng)形成Cu6Sn5、Cu3Sn或Ag3Sn層，在濺射或蒸鍍過(guò)程中，可以選擇加熱與圓片或芯片接觸的底座，以加速Cu-Sn或Ag-Sn的界面反應(yīng)。完成該步驟之后，所形成的表面層結(jié)構(gòu)為Cu6Sn5/Cu3Sn或Cu6Sn5/Cu3Sn/Cu ；Ag3Sn或Ag3Sn/Ag，本步驟可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)薄膜沉積和IMC薄膜的一體化制備。
[0010]步驟五:重復(fù)步驟三和步驟四，制備所需厚度焊點(diǎn)的多層薄膜結(jié)構(gòu)，該多層薄膜結(jié)構(gòu)為以下四種典型結(jié)構(gòu)之一:
(1)Cu/Cu3Sn/Cu6Sn5/ (Sn/Cu6Sn5/Cu3Sn/Cu) / (Sn/Cu6Sn5/Cu3Sn/Cu) …(Sn/Cu6Sn5/Cu3Sn/Cu)；
(2)Cu/Cu3Sn/(Cu6Sn5/Cu3Sn) / (Cu6Sn5/Cu3Sn)…(Cu6Sn5/Cu3Sn)；
(3)AgAg3Sn/ (Sn/Ag3Sn/Ag)/ (Sn/Ag3Sn/Ag)…(Sn/Ag3Sn/Ag)；
(4)AgAg3Sn/ (Sn/Ag3Sn)/ (Sn/Ag3Sn)…(Sn/Ag3Sn)。
[0011]步驟六:采用蒸鍍或電鍍工藝在步驟五中所形成的多層薄膜結(jié)構(gòu)表面制備Sn膜，膜厚的范圍是0.5-1.5微米，用于后續(xù)與基板或其它圓片、芯片表面焊盤(pán)的釬焊連接。
[0012]步驟七:去除光刻膠或掩模板。
[0013]步驟八:將步驟七中焊盤(pán)表面制備多層薄膜結(jié)構(gòu)的芯片或圓片與基板或其它圓片、芯片表面的焊盤(pán)對(duì)接，并施加l~20MPa壓力?；寤蚱渌鼒A片、芯片焊盤(pán)表面為鍍Cu或Ag結(jié)構(gòu)，膜層最小厚度以在后續(xù)連接或鍵合過(guò)程中提供足夠金屬，保證多層薄膜能演變成全MC焊點(diǎn)并有盈余為設(shè)計(jì)原則。
[0014]步驟九:將以上體系放入回流爐中，經(jīng)歷預(yù)熱階段(升溫速率1~5°C /s，升溫至120~160°C )、保溫階段(升溫速率1~4°C /s，時(shí)長(zhǎng)50~70s)、再流階段(升溫速率2~5°C /s，升高到峰值溫度為Sn熔點(diǎn)以上30~60°C，到達(dá)峰值溫度后保溫30~120s)、冷卻階段(降溫速率1~5°C /s，降低到100°C以下)，完成全I(xiàn)MC焊點(diǎn)的制備。
[0015]本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn):
1、本發(fā)明制備出的全MC微焊點(diǎn)可以在高溫服役，且性能穩(wěn)定，不會(huì)像傳統(tǒng)焊點(diǎn)中Sn基的焊料在服役過(guò)程中與界面金屬材料不斷反應(yīng)，導(dǎo)致焊點(diǎn)性能發(fā)生持續(xù)變化。
[0016]2、本發(fā)明在多層微米、亞微米薄膜結(jié)構(gòu)制備過(guò)程中，將利用Cu或Ag在濺射或蒸鍍過(guò)程中攜帶的熱量，實(shí)現(xiàn)薄膜沉積和MC膜層一體化制備，預(yù)先生成的MC膜層和多層亞微米薄膜之間擴(kuò)散和反應(yīng)會(huì)更加迅速。此外，新生成的MC在預(yù)先生成的MC表面外延生長(zhǎng)會(huì)降低MC生長(zhǎng)所需的能量，同樣會(huì)加速M(fèi)C的生長(zhǎng)，在以上因素的共同作用下最終實(shí)現(xiàn)全MC焊點(diǎn)快速制備的目的。
[0017]3、本發(fā)明中全MC焊點(diǎn)的制備時(shí)間可控制在幾分鐘之內(nèi)，與傳統(tǒng)采用Sn基焊料進(jìn)行芯片連接或鍵合的時(shí)間相近，大大縮短了以往使用單層Sn箔或焊料制備全I(xiàn)MC焊點(diǎn)的時(shí)間。
[0018]4、本發(fā)明中的多層薄膜結(jié)構(gòu)的制備可以通過(guò)光刻、掩膜、蒸鍍、濺射、電鍍等手段在圓片或芯片表面一次性大量制備，降低了該多層薄膜結(jié)構(gòu)的制造成本，可以促進(jìn)全I(xiàn)MC焊點(diǎn)結(jié)構(gòu)大規(guī)模的工業(yè)應(yīng)用。
[0019]5、本發(fā)明中在多層微米、亞微米薄膜結(jié)構(gòu)制備過(guò)程中，Sn表面通過(guò)濺射或蒸鍍Cu或Ag，可同時(shí)實(shí)現(xiàn)薄膜沉積和IMC的一體化制備，利用Cu或Ag原子攜帶的熱量預(yù)先制備MC，且該熱量通過(guò)熱傳遞到達(dá)芯片或圓片后，對(duì)芯片或圓片的熱影響較小，可避免對(duì)芯片或圓片造成熱損傷。同時(shí)，Cu或Ag層與Sn層的摩爾比略小于3:1，可保證在中間層全部轉(zhuǎn)化成MC后有少量的Sn盈余，該少量盈余的Sn可與芯片或圓片、基板表面的Cu或Ag繼續(xù)反應(yīng)，可保證最終焊點(diǎn)會(huì)完全生成單種IMC，如全Cu3Sn或Ag3Sn焊點(diǎn)，上述化合物的恪化或分解溫度均高于400°C，其性能和穩(wěn)定性會(huì)優(yōu)于由Cu3Sn和Cu6Sn5所構(gòu)成的混合全I(xiàn)MC焊點(diǎn)。
[0020]6、本發(fā)明中全MC焊點(diǎn)的制備工藝可以很好的與傳統(tǒng)的釬料再流焊工藝或熱壓焊工藝兼容，在低溫、短時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)全MC焊點(diǎn)的制備。在成本低、生產(chǎn)效率高的前提下實(shí)現(xiàn)了低溫鍵合高溫服役。
【附圖說(shuō)明】
[0021]圖1為采用多層微米、亞微米薄膜快速制備全MC微焊點(diǎn)方法的示意圖:(a)芯片或圓片及焊盤(pán)表面多層薄膜結(jié)構(gòu)、基板或其它芯片、圓片表面焊盤(pán)結(jié)構(gòu)；(b)芯片或圓片及焊盤(pán)表面多層薄膜結(jié)構(gòu)與基板或其它芯片、圓片表面焊盤(pán)對(duì)準(zhǔn)、加壓、焊接方法；(C)制得的全MC微焊點(diǎn)；圖中，1:焊盤(pán)及多層薄膜結(jié)構(gòu)，2:焊盤(pán)，3:Cu或Ag膜，4:Cu_Sn或Ag-SnIMC膜，5:反應(yīng)后剩余Sn膜，6:Cu-Sn IMC +Cu或Ag-Sn IMC+Ag膜，7:表層Sn膜，8:芯片或圓片，9:基板