專利名稱：包含由焊接凸起結(jié)構(gòu)連接的電路元件的設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及凸起焊接領(lǐng)域，特別是一種新的焊接凸起結(jié)構(gòu)、一種形成新的焊接凸起結(jié)構(gòu)的方法、一種使用新的焊接凸起結(jié)構(gòu)來連接兩個電路元件的方法、以及一種包含由所述焊接凸起結(jié)構(gòu)連接的電路元件的設(shè)備。本發(fā)明在電信領(lǐng)域中發(fā)現(xiàn)一種特殊的應(yīng)用，用于制造移動終端。
可以理解，本文中使用的詞語“電路元件”是廣義的，特別地，它包含組裝基片等，和支承有效部件的元件。當將本發(fā)明應(yīng)用于焊接微波電路元件時，本發(fā)明提供了特殊的優(yōu)勢。通過專利EP 1 024 531已經(jīng)獲知使用焊接凸起結(jié)構(gòu)來連接電路。該專利涉及在微波頻率中運行的電路。這些電路中正在越來越廣泛的消費品中使用。大量微波電路的主要部件是單片微波集成電路MMIC。這種集成電路在其一面上具有所有的有效電路，稱為“有效面”。當連接MMIC到其他元件時，例如，當將MMIC安裝在基片上時，必須小心以確保寄生電容和電感很小。這促進了凸起焊接技術(shù)的使用。
在凸起焊接技術(shù)中，由導(dǎo)電材料制成的凸起形成在例如MMIC的第一電路元件上的接觸墊上，使得第一電路元件與第二電路元件形成面對關(guān)系，典型地是一個安裝基片，如電路板，以便凸起與第二電路元件上的各個導(dǎo)電軌或?qū)щ妷|對準。將第一和第二電路元件聚集在一起，并通過施加壓力或使用更常用的加熱將凸起材料軟化(通常采用在320℃的溫度下維持10到20秒)來進行焊接。
傳統(tǒng)的，用于焊接的凸起是球形或半球形。但也已經(jīng)提議在柱狀物的頂端提供一個半球狀凸起或多層凸起，使用該柱狀物確保了焊接的電路元件間的某個最小間隔。
當電路的集成度變得更高時，諸如MMIC之類的電路元件上的導(dǎo)電軌/墊的組裝密度也相應(yīng)變高。因此焊接凸起的尺寸應(yīng)足夠小以避免兩個相鄰導(dǎo)體/接觸墊的意外連接，這也很重要。已知焊接凸起技術(shù)不總是允許形成足夠小尺寸的凸起。
此外，用于形成焊接凸起的技術(shù)可以導(dǎo)致在其上形成凸起的電路元件的性質(zhì)嚴重退化。該技術(shù)可能在所述電路元件的基片中產(chǎn)生缺陷，例如半導(dǎo)體基片，該缺陷還可能進一步擴展到基片上的電路層。同時，只要在設(shè)備中有一個不合格的焊接凸起就能夠完全阻止設(shè)備進行工作。因此，焊接步驟是非常精密的操作。
由于上述缺陷，本發(fā)明設(shè)法提供一種改進的焊接凸起結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)具有很小的尺寸并且可以保護下面電路元件特性的制造方法。
更特別的，本發(fā)明提供一種焊接凸起結(jié)構(gòu)，其包括形成在電路元件上、含有金的底座部分；形成在底座部分上的阻擋層；形成在阻擋層上的焊接部分，該焊接部分包括含有金的第一層、含有金的第二層，以及位于第一層和第二層之間含有錫的中間層；其中焊接部分中金和錫的相對質(zhì)量被形成為使焊接部分的組成物符合低共熔的金-錫組成物。
使用根據(jù)本發(fā)明的焊接凸起結(jié)構(gòu)能夠使電路元件的所有觸點同時焊接。此外，當將本發(fā)明的焊接凸起結(jié)構(gòu)用于焊接微波電路元件時，可由此產(chǎn)生較低的寄生電感，并可以改進電路元件的耐熱性。
典型地，焊接凸起的底座部分具有大約30μm的高度。有利地，阻擋層具有大約0.2μm的厚度?？梢詫⒛軌蛲ㄟ^電鍍沉積的各種金屬用于形成阻擋層；但用于此用途的優(yōu)選材料為Ni。
為確保焊接部分的組成物符合低共熔的金-錫組成物，有利地，該第一層應(yīng)為具有1.0到1.3μm厚的金層，第二層應(yīng)為具有0.7到0.8μm厚的金層，以及中間層應(yīng)為具有1.5到1.8μm范圍厚的錫層。優(yōu)選的，由金制成的第一層應(yīng)約為1.15μm厚，由金制成的第二層應(yīng)約為0.75μm厚，以及中間錫層應(yīng)約為1.65μm厚。
使用上述焊接凸起結(jié)構(gòu)可以形成極小尺寸的焊接凸起，特別是具有大約35μm的高度和大約60μm的直徑。
具有上述結(jié)構(gòu)的焊接凸起特別適于用在將MMIC凸起焊接到其他電路元件。
本發(fā)明還提供一種形成上述焊接凸起的方法，以及一種用這種焊接凸起來連接第一和第二電路元件的方法。
通過接下來由舉例給出的優(yōu)選實施例的詳細描述以及通過附圖的說明，本發(fā)明的上述和其他特征、功能及優(yōu)點將變得更加清楚，其中

圖1示意性地示出根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實施例的焊接凸起結(jié)構(gòu)；圖2舉例說明在根據(jù)優(yōu)選方法的圖1中焊接凸起結(jié)構(gòu)的制作中包含的各步驟；以及圖3舉例說明優(yōu)選凸起焊接方法包含的各步驟，該方法用于使用本發(fā)明優(yōu)選實施例的焊接凸起結(jié)構(gòu)連接兩個電路元件。
現(xiàn)在將參照圖1描述根據(jù)本發(fā)明的焊接凸起結(jié)構(gòu)優(yōu)選實施例。
根據(jù)該優(yōu)選實施例，根據(jù)本發(fā)明的焊接凸起1包括由金(Au)制成的圓柱或底座2，由鎳(Ni)制成的阻擋層3，以及具有多層結(jié)構(gòu)的焊接部分5。為了便于相關(guān)的光刻處理，Au圓柱2優(yōu)選具有25到35μm的高度(例如30μm)，特別是為了在圓柱2的電鍍過程中保持光致抗蝕劑的完整性，Au圓柱2優(yōu)選具有55到65μm的直徑(例如50μm)。Ni阻擋層3優(yōu)選很薄，約為0.2μm。然而，Ni層3的存在很重要，因為它將Au圓柱2從焊接部分5分開，確保在使用焊接凸起時在焊接處理中不包含Au圓柱2。
有利地，焊接部分5由下部Au層6、中間錫(Sn)層7和頂部Au層8的夾層結(jié)構(gòu)組成。為了確保合適的可靠度，所有這些金屬層都優(yōu)選是純的(純度≥99.9％)。選擇組成焊接部分5的層6、7、8的尺寸，使得焊接部分5中的Au和Sn的相對質(zhì)量被認為是完全符合低共熔的Au-Sn組成物，也就是說具有較低并可靠可重現(xiàn)的熔點(280℃)。通過向凸起1的頂部提供相應(yīng)于低共熔的Au-Sn組成物的具有夾層結(jié)構(gòu)的焊接部分5，在相對低溫下進行凸起焊接變得可能，因此避免了對所連接的電路元件造成損害。
層6、7和8的優(yōu)選尺寸如下第一Au層(6)1.0到1.3μm中間Sn層(7)1.5到1.8μm第二Au層(8)0.7到0.8μm然而，應(yīng)理解到也可以采取其它的尺寸，假設(shè)這些尺寸能夠使多層焊接部分5符合低共熔組成物。
現(xiàn)在根據(jù)圖2描述形成圖1的焊接凸起結(jié)構(gòu)的優(yōu)選方法。在該描述中，假設(shè)在MMIC 10的有效表面9上形成一個焊接凸起1。該有效表面9具有一個接觸襯墊P，該襯墊將用于通過焊接凸起1連接MMIC 10到另一個電路元件上。(當然，實際上，MMIC將具有大量接觸襯墊，和同時為所有這些襯墊P形成焊接凸起1。)參照圖2A，通過任何合適的技術(shù)(濺射法、物理蒸發(fā)沉積等)將鈦層(Ti)12沉淀在MMIC 10的有效表面9上。該Ti層12優(yōu)選地具有0.5μm的厚度。但，Ti層12的厚度可以是從0.3到1.0μm。如果該層的厚度低于0.3μm，則電鍍可能不均勻。另一方面，如果該層的厚度大于1.0μm，則Ti層可能被過度的過腐蝕。Ti層12將作為用于隨后電鍍處理的導(dǎo)電(種子(seed))層。有利的，使用僅由一種金屬構(gòu)成的種子層以使在凸起形成處理結(jié)束時簡單地去除該層(所需要的僅是一個單獨的蝕刻步驟)。由于鈦可以輕松地從MMIC的有效表面9被腐蝕掉，而不會對該表面上的金軌產(chǎn)生損壞，因此鈦是用于這種種子層的優(yōu)選材料。而且，Ti具有到MMIC的有效表面的良好粘接。
接下來，如圖2B所舉例說明的，使用已知技術(shù)例如旋涂技術(shù)在Ti種子層12上提供一個厚的光致抗蝕劑層13，并通過已知的光刻法和腐蝕技術(shù)在光致抗蝕劑13中確定出開口(圖2B中所示的單一開口15)。開口15設(shè)定將要形成的焊接凸起的直徑。光致抗蝕劑層13通常具有40μm±3μm的厚度，以此使得光致抗蝕劑和Ti種子層12的合并厚度接近于40μm。如從圖2B中所看到的，構(gòu)圖步驟使Ti種子層12的一部分在每個開口15的底部露出。通過任何適當?shù)募夹g(shù)將Ti種子層的這些暴露部分除去，例如使用稀釋的氫氟酸(HF)或者EDTA-H2O2(乙二胺四乙酸-過氧化氫)的組成物來進行腐蝕。由于HF的快速腐蝕速度以及它良好的選擇性(在腐蝕過程中光致抗蝕劑可以保持完整性)，因此優(yōu)選HF。
在將開口15中暴露的Ti種子層部分除去之后，現(xiàn)在MMIC 10的接觸襯墊P暴露出來，如圖2C所示。接著可以使用已知的電鍍方法控制在開口15中將多個金屬層電鍍到接觸襯墊P上。首先，將相對厚的Au層2鍍到接觸襯墊P上，接下來是很薄的Ni阻擋層3、下部Au層6、中間Sn層7、以及上部Au層8。可選的，可使用其它技術(shù)進行沉積，例如上部Au層(物理蒸發(fā)沉積通?？蛇m用于沉積上部Au層8)。最后所得到的結(jié)構(gòu)如圖2D所示。如上所述，控制下部Au層6、中間Sn層7和上部Au層8的尺寸，以使在考慮到全部夾層結(jié)構(gòu)5時，其中的Au和Sn相對質(zhì)量符合低共熔Au-Sn組成物。
一旦電鍍完成，就除去光致抗蝕劑層13，例如通過剝落工藝以產(chǎn)生如圖2E所示的結(jié)構(gòu)。最后，通過使用稀釋的HF或EDTA-H2O2進行腐蝕，再次除去Ti種子層的剩余部分。使用鈦作為種子層12的顯著優(yōu)點是，腐蝕劑對MMIC的有效表面上的金軌基本上沒有影響。此外，由于將種子層12整個移除，在形成焊接凸起之后的MMIC的屬性符合它的設(shè)計值，而沒有因為焊接凸起形成過程而產(chǎn)生實質(zhì)的退化。經(jīng)該工藝完成得到的焊接凸起結(jié)構(gòu)如圖2F所示。
現(xiàn)在將根據(jù)圖3來描述優(yōu)選的方法，該方法使用根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實施例的焊接凸起1將MMIC 10連接到基片20上。
作為該工藝的第一步驟，在MMIC 10中提供一個具有圖1所示結(jié)構(gòu)的焊接凸起1。優(yōu)選的，通過使用根據(jù)圖2所述的焊接凸起制作過程來完成該步驟。
參照圖3，使用上述焊接凸起來制造包括兩個電路元件的設(shè)備，這兩個電路元件由所述焊接凸起連接。圖3A示意性說明了由MMIC 10構(gòu)成的第一電路元件，該MMIC 10的有效表面9上具有兩個焊接凸起1，以及MMIC 10將要連接到的基片20。圖3中，為了提高清晰度，焊接凸起的高度是過度夸大的。虛線22示出了面向MMIC 10將要連接的基片20的區(qū)域。基片20上有終止于觸點25的導(dǎo)電軌23。實際上，接觸襯墊P、焊接凸起1以及觸點25的數(shù)量要大于被簡化以便于理解的圖3中所示的數(shù)量。該基片也可以是集成電路。
如圖3B中所示，在優(yōu)選的凸起焊接工藝的開始，將MMIC 10的有效表面9轉(zhuǎn)向面對基片20的表面。MMIC 10相對基片20放置，以使凸起1對準并接觸基片上的觸點25。可以采取常規(guī)的對準工藝。
采取加熱處理，以使凸起的焊接部分5的層6、7、8熔化并混合，形成具有低共熔Au-Sn組成物的焊料5’，如圖3C所示。該焊料5’形成了在觸點25和焊接凸起1的主體(層2和3)之間的粘接劑。由于構(gòu)成焊料部分5的層6-8的性質(zhì)和厚度，為了在凸起主體2、3和觸點25之間形成適合的粘接劑，施加280℃-320℃的溫度便足夠了。通常，用戶施加該溫度10到20秒。因此，避免了可能對MMIC或基片產(chǎn)生損害的更高溫度。
以上，盡管根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實施例對本發(fā)明進行了描述，但應(yīng)理解在不脫離如附加權(quán)利要求所定義的本發(fā)明的情況下，可以對優(yōu)選實施例進行許多改變和發(fā)展。
例如，本發(fā)明不局限于包括在MMIC上形成焊接凸起的技術(shù)，該焊接凸起可以形成在其他電路元件上。此外，本發(fā)明不特別局限于對可以用于在帶有焊接凸起1的電路元件上形成Ti種子層12的處理的考慮，或者是關(guān)于用于形成、構(gòu)圖、以及除去光致抗蝕劑層13的方法的考慮。此外，眾所周知，可以在各種金屬層2、3、6、7和8的電鍍過程中使用各種操作條件。
相對于使用現(xiàn)有技術(shù)制造的設(shè)備，上述設(shè)備具有改進了的性能。特別是由于它們的性能同時被改進并更加均勻，因此它們更加可靠。它們顯示出較低的寄生電容和改進的低電阻。因此，它們更適于制造移動終端，如移動電話或WAP終端，或者其它新的復(fù)雜的移動終端。終端越復(fù)雜，電子設(shè)備和由此焊接凸起的效率就越高和越可靠。同時，MMIC是特別適于在電信中使用的集成電路。因此，具有電子設(shè)備的移動終端，其中該電子設(shè)備包含使用本發(fā)明的焊接凸起連接到基片或其他集成電路上的MMIC，同時顯示了優(yōu)越的性能和可靠性。
權(quán)利要求
1.一種包括由焊接凸起結(jié)構(gòu)連接的第一電路元件和第二電路元件的電子設(shè)備，所述焊接凸起結(jié)構(gòu)包括形成在電路元件上并含有金的底座部分；形成在底座部分上的阻擋層；形成在阻擋層上的焊接部分，該焊接部分包括含有金的第一層、含有金的第二層，以及位于第一層和第二層之間含有錫的中間層；其中焊接部分中金和錫的相對質(zhì)量使得焊接部分的組成物符合低共熔金-錫組成物。
2.如權(quán)利要求1的設(shè)備，其中底座部分具有大約30μm的高度。
3.如權(quán)利要求1或2的設(shè)備，其中焊接部分的第一層的厚度在1.0到1.3μm的范圍內(nèi)，焊接部分的第二層的厚度在0.7到0.8μm厚的范圍內(nèi)，以及焊接部分的中間層的厚度在1.5到1.8μm的范圍內(nèi)。
4.如權(quán)利要求1、2或3的設(shè)備，其中焊接部分的第一層的厚度約為1.15μm，焊接部分的第二層的厚度約為0.75μm，以及焊接部分的中間層的厚度約為1.65μm。
5.根據(jù)權(quán)利要求1-4中任何一個的設(shè)備，其中焊接凸起的高度約為35μm，并且其直徑約為60μm。
6.根據(jù)權(quán)利要求1-5中任何一個的設(shè)備，其中該凸起結(jié)構(gòu)形成在單片微波集成電路上。
7.一種為根據(jù)權(quán)利要求1-5中任何一個設(shè)備形成焊接凸起結(jié)構(gòu)的方法，該方法包括步驟(a)在電路元件上形成一個鈦種子層；(b)在對應(yīng)于電路元件上的觸點(P)的位置處除去種子層的一部分；(c)在對應(yīng)于電路元件上的觸點、底座部分、阻擋層、含金的第一層、含錫的中間層、以及含金的第二層的位置上，執(zhí)行可控的電鍍處理以便相繼電鍍；(d)除去鈦種子層的剩余部分。
8.根據(jù)權(quán)利要求7的焊接凸起形成方法，其中步驟(b)包括在鈦種子層上形成一個掩膜層，并對該掩膜層構(gòu)圖以定義至少一個開口；以及除去暴露在該至少一個開口中的鈦種子層部分。
9.一種連接第一和第二電路元件的凸起焊接方法，該方法包括步驟在第一電路元件的表面上形成根據(jù)權(quán)利要求1-6的任何一個的至少一個焊接凸起；通過將該至少一個焊接凸起接觸到第二電路元件的表面，使第一和第二電路元件形成面對關(guān)系；以及在相應(yīng)于金-錫低共熔溫度的溫度下進行加熱處理。
10.如權(quán)利要求1-6之一的電子設(shè)備，其中由一個集成電路構(gòu)成該第一電路元件，由一個第二集成電路或一個基片構(gòu)成該第二電路元件，其中該第一和第二電路元件通過根據(jù)權(quán)利要求9的焊接凸起連接。
11.一種移動終端，包括如權(quán)利要求10的電子設(shè)備。
全文摘要
一種電子設(shè)備，包括由焊接凸起結(jié)構(gòu)連接的第一電路元件和第二電路元件，所述焊接凸起結(jié)構(gòu)包括一個小尺寸的焊接凸起(1)，該電子設(shè)備具有形成在電路元件(10)上的金底座部分(2)，形成在底座部分(2)上的鎳阻擋層(3)，以及形成在阻擋層(3)上的焊接部分(5)。該焊接部分(5)包括第一(6)和第二(8)金層，以及夾在它們中間的中間錫層(7)。第一、第二和中間層(6－8)中金和錫的相對質(zhì)量為焊接部分(5)提供了符合低共熔金－錫組成物的組成物?？梢酝ㄟ^以下步驟來制造焊接凸起(1)在電路元件(10)上沉積鈦種子層，除去位于電路元件(10)上的接觸襯墊(P)上的鈦層部分，對構(gòu)成焊接凸起(1)的層和構(gòu)成焊接凸起的部分(2－8)進行電鍍，以及除去種子層的剩余部分。這種焊接粘接劑的技術(shù)用于連接電子設(shè)備中的連接電路元件。這種電子設(shè)備適于在電信中使用，例如在移動終端中。
文檔編號H01L21/60GK1711637SQ200380102868
公開日2005年12月21日 申請日期2003年10月31日 優(yōu)先權(quán)日2002年11月6日
發(fā)明者J·貝瀨徹 申請人:皇家飛利浦電子股份有限公司