專利名稱：微電子封裝中焊料凸點(diǎn)連接金屬化層及應(yīng)用的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及微電子封裝領(lǐng)域的微互聯(lián)技術(shù)，具體地說是可焊性良好的鐵鎳鍍 層作為微電子封裝中焊料凸點(diǎn)連接金屬化(過渡)層及其應(yīng)用，適用于一般微電 子連接中基板和印刷電路板焊盤上、以及芯片倒裝焊互聯(lián)中焊料凸點(diǎn)下的金屬化 過渡層的制作技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
半導(dǎo)體集成電路元件被稱為"工業(yè)之米"。但在一般情況下，人們所使用的是 帶有外殼的封裝體。電子封裝具有機(jī)械支撐、電氣連接、外場屏蔽、應(yīng)力緩和、 散熱防潮等多種功能?，F(xiàn)今，電子設(shè)備迅速輕、薄、短、小型化促進(jìn)電子封裝產(chǎn) 業(yè)的快速發(fā)展。特別是芯片性能的不斷提高，對電子封裝密度提出更高的要求。
這主要表現(xiàn)在封裝的引腳數(shù)越來越多；布線節(jié)距越來越?。环庋b厚度越來越??； 封裝體所占面積比例越來越大等。
在電子封裝工程的四大基礎(chǔ)技術(shù)，即薄厚膜技術(shù)、微互聯(lián)技術(shù)、^t技術(shù)、 封接與封裝技術(shù)中，微互聯(lián)技術(shù)起著呈上啟下的作用。無論芯片裝連到載體上， 還是封裝體實(shí)裝到^i上，都要用到微互聯(lián)技術(shù)。倒裝焊微互聯(lián)(FCB)技術(shù)是 在整個芯片表面按柵陣形狀布置1/0端子，芯片直接以倒扣方式安裝到布線板上， 通過柵陣l/0端子與布線板上相應(yīng)的電極焊盤實(shí)現(xiàn)電氣連接。這樣，可以在有限 的面積內(nèi)，布置更多的端子，從而滿足高密度封裝中引腳窄節(jié)距化的要求。倒裝 焊微連接中的關(guān)鍵技術(shù)是在原芯片Al布線電極區(qū)形成凸點(diǎn),其中焊料凸點(diǎn)最為普 遍。為達(dá)到凸點(diǎn)與A1及鈍化層有良好的黏附性，又要防止凸點(diǎn)金屬與Al之間的 元素擴(kuò)散， 一般先在凸點(diǎn)下制備多層金屬化層，即UBM ( under bump metallization)。典型的粘附金屬有Ti、 Cr、 TiN等，它們必須同芯片上電極形成 足夠強(qiáng)的粘附。典型的阻擋金屬有W、 Mo、 Ni、 Cu等，作為阻擋層，能有效阻 擋因元素擴(kuò)散而生成脆性化合物。典型的接連層有Au、 Cu、 Pd等，它們應(yīng)該與 焊料合金良好的可焊性能。同樣，焊料凸點(diǎn)同^t反上金屬布線焊盤連接時，也需要基才反焊盤的金屬化，即TSM (topside metallization)。在一般的BGA (ball grid airay)封裝中，將芯片封裝體實(shí)裝到印刷電路板上，也需要在印刷電路板上制備 與焊料球連接的金屬化層。
在微電子連接過程中，過去一般fM共晶錫鉛焊料，其中37%是鉛。全世界 每年約有20,000噸的鉛作為焊料使用。若這些含鉛的電子產(chǎn)品被廢棄和掩埋后， 合金中的鉛M漸被自然環(huán)境中的水溶液腐蝕、溶解、擴(kuò)散和富集，最終對自然 環(huán)境、土壤、天然水體及其動植物生物鏈造成不可恢復(fù)的環(huán)境污染。由此人們開 始尋找錫鉛焊料的替代品，目前主要集中在錫銀、錫銅及錫銀銅上，這幾種焊料 的熔點(diǎn)都較傳統(tǒng)的錫鉛焊料高出30-4(TC。若這些無鉛焊料作為凸點(diǎn)材料，當(dāng)他 們與凸點(diǎn)下或者焊盤金屬層液態(tài)反應(yīng)時，則需要更高的回流溫度。在這種高的溫 度條件下，則會使金屬化層與焊料反應(yīng)速率加快，從而容易使金屬化層被快速消 耗掉，使其失去應(yīng)有的功能。由于快速反應(yīng)所生成的厚的金屬間化合物層也將會 嚴(yán)重降低連接的可靠性能。另外，如果接焊層完全被消耗掉，則可能出現(xiàn)嚴(yán)重的 脆性斷裂。

發(fā)明內(nèi)容
鑒于上述現(xiàn)有技術(shù)的實(shí)際情況，本發(fā)明的目的在于提供一種可焊性良好的鐵 鎳鍍層作為微電子封裝中焊料凸點(diǎn)連接金屬化(過渡)層及其應(yīng)用，利用鐵鎳鍍 層作為焊料凸點(diǎn)連接金屬化層，該鍍層與焊料潤濕性能良好；與焊料界面反應(yīng)速
度極慢；并且與焊料形成的連接界面具有良好的可靠性能，非常適合微電子封裝
中無鉛連接技術(shù)的需要。
為實(shí)現(xiàn)以上目的，本發(fā)明的技術(shù)方案如下 微電子封裝中焊料凸點(diǎn)連接金屬化層，該金屬化層為鐵、鎳元素共沉積的合
金層，鐵重量百分比為5-80% (優(yōu)選范圍為30-70%),余量為鎳及不可避免雜質(zhì)。 所述的微電子封裝中焊料凸點(diǎn)連接金屬化層的應(yīng)用，在導(dǎo)電基體表面，或者
在導(dǎo)電薄膜覆蓋的非導(dǎo)電基體表面電鍍或化學(xué)鍍一層鐵鎳合金，鐵鎳合金鍍層作
為微電子互聯(lián)技術(shù)中焊料凸點(diǎn)連接金屬化層。
本發(fā)明中，鐵鎳合^r4度層可以作為BGA封裝形式中對反和印刷電路板焊盤
金屬化層；或者，作為其他封裝形式中的焊料凸點(diǎn)連接金屬化層。
本發(fā)明中，鐵鎳合^4度層可以作為芯片倒裝焊互聯(lián)中的焊料凸點(diǎn)下金屬化層
或者基板焊盤金屬化層。
4本發(fā)明中，鐵鎳合^l層用作最外層與焊料凸點(diǎn)直接連接。
本發(fā)明中，鐵鎳合金鍍層可以在表面另外沉積金、鉬、鎧、錫或其合金鍍層， 然后與焊料凸點(diǎn)進(jìn)行連接。
本發(fā)明中，鐵鎳合^4度層可以在常見的銅或鎳金屬層沉積；或者，在其他類 型的過渡金屬層上沉積。
本發(fā)明中，鐵鎳合金鍍層的膨脹系數(shù)可以通過鍍層中鐵的含量進(jìn)行調(diào)節(jié)，適 用于不同要求的基體。
本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)
1、 本發(fā)明焊料在該鍍層表面表現(xiàn)良好的潤濕性能。因而，可以金屬化層的外 表面層直接與焊料反應(yīng)。
2、 本發(fā)明鍍層與焊料間的界面反應(yīng)速度非常慢。由于鐵元素比鎳元素容易與 錫元素反應(yīng)，生成極其薄而且平整的鐵錫化合物層，能夠起到擴(kuò)散阻擋層的作用。
3、 本發(fā)明鍍層與焊料的連接界面具有良好的力學(xué)可靠性能。在高溫環(huán)境時效
后，鐵衞焊料連接界面保持與銅/焊料界面相當(dāng)?shù)募羟袕?qiáng)度。斷裂主要發(fā)生在靠 近化合物層的焊料內(nèi)，說明界面可靠性良好且穩(wěn)定。
4、 本發(fā)明鍍層可以通過調(diào)整鍍層中鐵的含量，得到不同熱膨脹系數(shù)的鍍層，
從而能夠與其他連接層的熱膨脹系數(shù)相匹配，減小在使用過程中循環(huán)熱應(yīng)力造成 的損傷，提高器件的使用壽命和安全可靠性，可適用于不同要求的基板材料。
5、 本發(fā)明鍍層釆用的是電鍍或化學(xué)鍍的方法，工藝相對簡單，適用性強(qiáng)。
6、 本發(fā)明采用電鍍的方法在銅(或鎳)層上鍍鐵鎳合金層，該鍍層厚度及鐵 元素含量可以根據(jù)要求調(diào)節(jié)。該鍍層在與焊料凸點(diǎn)的液態(tài)反應(yīng)中，表現(xiàn)出良好的 可焊性能、抗氧化性能以及非常慢的反應(yīng)速率。在較高溫度條件下，鍍層和焊料 之間生成極其薄且平整的化合物層，并且鍍層與焊料凸點(diǎn)的連接界面具有較好的 力學(xué)可靠性能。所以，該鐵鎳鍍層非常適合作為焊料凸點(diǎn)連接金屬化層，滿足無 鉛焊接工藝中回流溫度較高的需要。
7、 本發(fā)明在導(dǎo)電基體如銅或鎳的表面，或者在導(dǎo)電薄膜覆蓋的非導(dǎo)電基體表 面電鍍或化學(xué)鍍一層鐵鎳合金，其成分和電鍍層厚度均可以根據(jù)實(shí)際要求進(jìn)行調(diào) 節(jié)。本發(fā)明所實(shí)現(xiàn)的鍍層可以作為基板上和印刷電路板上焊盤金屬化層，以及芯 片倒裝焊連接中焊料凸點(diǎn)下金屬化層使用。
8、 本發(fā)明鐵鎳合金鍍層中的組成成分具有較大的可調(diào)節(jié)范圍，其鐵重量百分比為5-80%,余量為鎳及不可避免雜質(zhì)，其組成成分可以通過調(diào)整工藝條件進(jìn)行 控制。
9、 本發(fā)明鐵鎳合金鍍層具有優(yōu)良的潤濕性能及抗氧化性能，可用作為外表面 層，還可以在其表面沉積金、鉑、鎧、錫及其合金等其他鍍層。
10、 本發(fā)明以鐵鎳合金鍍層作為微電子互聯(lián)技術(shù)中焊料凸點(diǎn)連接金屬化層，
可以廣泛應(yīng)用于微電子封裝行業(yè)，特別適合于BGA (ball grid array)等形式的高 密度微互聯(lián)技術(shù)。


圖l為本發(fā)明鍍層適用的芯片倒裝焊互連技術(shù)示意圖。其中，4芯片；5下金 屬化層；6焊料凸點(diǎn)；7焊盤金屬化層；8印刷電路板。 圖2為鐵鎳鍍層/錫銀銅球形凸點(diǎn)連接體宏觀截面圖。 圖3為鐵鎳鍍層/錫銀銅界面微觀組織。 圖4為銅/錫銀銅界面微觀組織。 圖5為回流焊接工藝曲線。
圖6為鐵鎳鍍層/錫銀銅界面剪切以及銅/錫銀銅界面剪切力隨時效天數(shù)的變 化曲線。
圖7為鐵鎳鍍層/錫銀銅連接體斷裂后的斷口表面形貌。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說明 實(shí)施例1
在導(dǎo)電基體如銅或鎳的表面，或者在導(dǎo)電薄膜覆蓋的非導(dǎo)電基體表面電鍍或 化學(xué)鍍一層鐵鎳合金，其成分和電鍍層厚度均可以根據(jù)實(shí)際要求進(jìn)行調(diào)節(jié)。如圖 l所示,本發(fā)明所實(shí)現(xiàn)的鍍層可以作為基板上和印刷電路板8上的焊盤金屬化層7， 以及芯片4倒裝焊連接中焊料凸點(diǎn)6的下金屬化層5使用。如圖2所示，鐵鎳鍍 層/錫銀銅球形凸點(diǎn)連接體宏觀截面圖。
釆用電鍍方法在銅基體上鍍薄層鐵鎳層，其成份為鐵57%,鎳42%,其余 為磷等不可避免雜質(zhì)(重量百分含量)。對鍍層表面利用丙酮試劑進(jìn)行清洗，利用 孔徑為0.75mm掩模板在鍍層表面印制焊膏凸點(diǎn)，然后在其上對中放置錫銀銅焊 球?；亓骱附舆^程在美國ok公司生產(chǎn)的BGA&CSP返修工作站設(shè)備中進(jìn)行，其 所用回流工藝曲線如圖5所示。把回流焊接后樣品固封在環(huán)氧樹脂中，沿截面進(jìn)行磨制、拋光、以及腐蝕，利用掃描電鏡觀察其組織結(jié)構(gòu)。連接結(jié)構(gòu)體的宏觀截
面圖如圖3所示，界面的微觀組織如圖4所示。圖中標(biāo)號1代表錫銀銅焊料；2 代表鐵鎳鍍層；箭頭所指部分為所生成的鐵錫化合物層3，其厚度約為0.2阿。 與其相比，銅/錫銀銅焊料的界面生成了非常不規(guī)則的銅錫化合物層(如圖5所 示)，其峰厚度達(dá)到10阿。由此可見，鐵鎳鍍層與焊料的反應(yīng)速度非常慢。本實(shí) 施例鍍層的熱膨脹系數(shù)約為4x IO，C,與陶瓷^^反的熱膨脹系數(shù)(約為5-7x 10々 。C)相匹配。
如上所制備的鐵41/錫銀銅焊料連接體，進(jìn)行在17(TC環(huán)境下不同天數(shù)時效， 然后對其連接界面的剪切力進(jìn)行測試。在焊料球被刮掉前所記錄得到的最大力， 即為連接體的剪切力。在相同的條件下，得到銅/錫銀銅焊料的剪切力。圖6顯示 了兩種連接體剪切力隨時效天數(shù)的變化曲線，圖中SAC/Cu為錫銀銅焊料連接體, SAC/Cu (FeM)為鐵4勤錫銀銅焊料連接體。鐵4勤焊料連接體的剪切力接近甚至 稍微高出銅/焊料的剪切力，并且隨時效時間保持相對穩(wěn)定。圖7顯示了該連接結(jié) 構(gòu)體斷裂后韌性的斷裂表面形貌。這些都說明了該鍍層與焊料形成的界面具有較 好的力學(xué)可靠性。
由此可見，與一般的銅或鎳的鍍層相比，本發(fā)明鐵鎳鍍層不僅具有良好的可 焊性能，而且具有良好的界面反應(yīng)性能。即使在較高的溫度環(huán)境下，與焊料凸點(diǎn) 的界面反應(yīng)也極其變匱。該鍍層與焊料的連接界面也表現(xiàn)出較好的力學(xué)可靠性能。 另外，本發(fā)明中鍍層中的鐵含量可以根據(jù)不同連接材料進(jìn)行調(diào)節(jié)，以使連接層具 有較好的熱匹配性能。所以，本發(fā)明非常適合作為微電子連接中基板或者印刷電 路板焊盤的金屬化層，以及芯片倒裝焊連接中焊料凸點(diǎn)下金屬化層。
實(shí)施例2
與實(shí)施例l不同之處在于，按重量百分含量計，鐵鎳層的成份為鐵30%, 余量為鎳及不可避免雜質(zhì)，不可避免雜質(zhì)的重量含量在1%以下。 實(shí)施例3
與實(shí)施例l不同之處在于，按重量百分含量計，鐵鎳層的成份為鐵40%, 余量為鎳及不可避免雜質(zhì)，不可避免雜質(zhì)的重量含量在1%以下。 實(shí)施例4
與實(shí)施例l不同之處在于，按重量百分含量計，鐵鎳層的成份為鐵50%, 余量為鎳及不可避免雜質(zhì)，不可避免雜質(zhì)的重量含量在1%以下。
7實(shí)施例5
與實(shí)施例l不同之處在于，按重量百分含量計，鐵鎳層的成份為鐵70%, 余量為鎳及不可避免雜質(zhì)，不可避免雜質(zhì)的重量含量在1%以下。 實(shí)施例6
與實(shí)施例l不同之處在于，按重量百分含量計，鐵鎳層的成份為鐵80%, 余量為鎳及不可避免雜質(zhì)，不可避免雜質(zhì)的重量含量在1%以下。 實(shí)施例7
與實(shí)施例l不同之處在于，按重量百分含量計，鐵鎳層的成份為鐵15%， 余量為鎳及不可避免雜質(zhì)，不可避免雜質(zhì)的重量含量在1%以下。 實(shí)施例8
與實(shí)施例l不同之處在于，按重量百分含量計，鐵鎳層的成份為鐵5%, 余量為鎳及不可避免雜質(zhì)，不可避免雜質(zhì)的重量含量在1%以下。
實(shí)驗(yàn)結(jié)，明，在本發(fā)明技術(shù)方案的范圍內(nèi)，鐵鎳合皿層具有優(yōu)良的潤濕 性能及抗氧化性能。本發(fā)明鐵鎳合德層中的組成成分具有較大的可調(diào)節(jié)范圍， 其鐵重量百分比為5-80%(尤其是30-70%范圍內(nèi)更為適合，因?yàn)殍F焊料過少，化 合物生長就可能加快；鐵過多(>70%)，潤濕性能會有所下降)，余量為鎳及不可 避免雜質(zhì)，其組成成分可以通過調(diào)整工藝條件進(jìn)行控制。本發(fā)明可以在導(dǎo)電基體 表面，或者在導(dǎo)電薄膜覆蓋的非導(dǎo)電基體表面電鍍或化學(xué)鍍一層鐵鎳合金，鐵鎳 合*層作為微電子互聯(lián)技術(shù)中焊料凸點(diǎn)連接金屬化層。鐵鎳合M層可以作為 BGA封裝形式中對反和印刷電路板焊盤金屬化層；或者，作為其他封裝形式中的 焊料凸點(diǎn)連接金屬化層。鐵鎳合金鍍層作為芯片倒裝焊互聯(lián)中的焊料凸點(diǎn)下金屬 化層或者基板焊盤金屬化層。鐵鎳合M層還可以用作最外層與焊料凸點(diǎn)直接連 接。鐵鎳合金鍍層可以在表面另外沉積金、鉑、銀、錫或其合金鍍層，然后與焊 料凸點(diǎn)進(jìn)行連接。鐵鎳合金鍍層可以在常見的銅或鎳金屬層沉積；或者，在其他 類型的過渡金屬層上沉積。本發(fā)明鐵鎳合^4度層的膨脹系數(shù)可以通過鍍層中鐵的 含量進(jìn)行調(diào)節(jié)，適用于不同要求的基體。
權(quán)利要求
1、微電子封裝中焊料凸點(diǎn)連接金屬化層，其特征在于該金屬化層為鐵、鎳元素共沉積的合金層，鐵重量百分比為5-80％，余量為鎳及不可避免雜質(zhì)。
2、 按照權(quán)利要求1所述的微電子封裝中焊料凸點(diǎn)連接金屬化層,其特征在于: 鐵重量百分比優(yōu)選范圍為30-70%。
3、 按照權(quán)利要求1所述的微電子封裝中焊料凸點(diǎn)連接金屬化層的應(yīng)用，其特 征在于在導(dǎo)電基體表面，或者在導(dǎo)電薄膜覆蓋的非導(dǎo)電基體表面電鍍或化學(xué)鍍 一層鐵鎳合金，鐵鎳合金鍍層作為微電子互聯(lián)技術(shù)中焊料凸點(diǎn)連接金屬化層。
4、 按照權(quán)利要求3所述的微電子封裝中焊料凸點(diǎn)連接金屬化層的應(yīng)用，其特 征在于鐵鎳合^4度層作為BGA封裝形式中基板和印刷電路板焊盤金屬化層； 或者，作為其他封裝形式中的焊料凸點(diǎn)連接金屬化層。
5、 按照權(quán)利要求3所述的微電子封裝中焊料凸點(diǎn)連接金屬化層的應(yīng)用，其特 征在于鐵鎳合金鍍層作為芯片倒裝焊互聯(lián)中的焊料凸點(diǎn)下金屬化層或者基板焊 盤金屬化層。
6、 按照權(quán)利要求3所述的微電子封裝中焊料凸點(diǎn)連接金屬化層的應(yīng)用，其特 征在于鐵鎳合金鍍層用作最外層與焊料凸點(diǎn)直接連接。
7、 按照權(quán)利要求3所述的微電子封裝中焊料凸點(diǎn)連接金屬化層的應(yīng)用，其特 征在于鐵鎳合姚層在表面另外沉積金、鉬、鎧、錫或其合魏層，然后與焊 料凸點(diǎn)進(jìn)行連接。
8、 按照權(quán)利要求3所述的微電子封裝中焊料凸點(diǎn)連接金屬化層的應(yīng)用，其特 征在于鐵鎳合金鍍層在常見的銅或鎳金屬層沉積；或者，在其他類型的過渡金 屬層上沉積。
9、 按照權(quán)利要求3所述的微電子封裝中焊料凸點(diǎn)連接金屬化層的應(yīng)用，其特 征在于鐵鎳合金鍍層的膨脹系數(shù)通過鍍層中鐵的含量進(jìn)行調(diào)節(jié)，適用于不同要 求的基體。
全文摘要
本發(fā)明涉及微電子封裝領(lǐng)域的微互聯(lián)技術(shù)，具體地說是一種可焊性良好的鐵鎳鍍層作為微電子封裝中焊料凸點(diǎn)連接金屬化(過渡)層及其應(yīng)用。該發(fā)明可以廣泛應(yīng)用于微電子封裝行業(yè)，特別適合于BGA等形式的高密度微互聯(lián)技術(shù)，具體可以作為基板或印刷電路板上焊盤金屬化層、芯片倒裝焊互聯(lián)中的凸點(diǎn)下金屬化層等。本發(fā)明采用電鍍的方法在銅(或鎳)層上鍍鐵鎳合金層，鐵重量百分比為5-80％，該鍍層厚度及鐵元素含量可以根據(jù)要求調(diào)節(jié)。該鍍層在與焊料凸點(diǎn)的液態(tài)反應(yīng)中，表現(xiàn)出良好的可焊性能、抗氧化性能以及非常慢的反應(yīng)速率。在較高溫度條件下，鍍層和焊料之間生成及其薄且平整的化合物層，并且鍍層與焊料凸點(diǎn)的連接界面具有較好的力學(xué)可靠性能。
文檔編號H01L23/48GK101425489SQ20071015785
公開日2009年5月6日 申請日期2007年10月31日 優(yōu)先權(quán)日2007年10月31日
發(fā)明者尚建庫, 磊 張, 張新房, 祝清省, 郭建軍, 郭敬東 申請人:中國科學(xué)院金屬研究所