專利名稱：具有改進(jìn)的機(jī)械性能的無(wú)Pb焊料凸點(diǎn)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本公開一般涉及半導(dǎo)體制造，更特別地，涉及具有改進(jìn)的機(jī)械性能的焊料凸點(diǎn)。
背景技術(shù)：
焊料凸點(diǎn)被用于使某些半導(dǎo)體器件與器件封裝基板接合和電連接。一般地，半導(dǎo)體器件形成有與封裝基板上的電觸點(diǎn)對(duì)應(yīng)的電觸點(diǎn)。焊料凸點(diǎn)在電氣上以及在機(jī)械上使半導(dǎo)體器件的觸點(diǎn)與基板的觸點(diǎn)連接?；灏糜趶碾娪|點(diǎn)向可與例如電路板連接的封裝引線路由信號(hào)和功率的導(dǎo)電路徑。

發(fā)明內(nèi)容
本公開在一個(gè)實(shí)施例中提供一種形成半導(dǎo)體器件的方法。提供具有第一觸點(diǎn)和在其上面形成的未摻雜的電鍍的無(wú)鉛焊料凸點(diǎn)的半導(dǎo)體基板。提供具有第二觸點(diǎn)和第二觸點(diǎn)上的包含摻雜劑的摻雜無(wú)鉛焊料層的器件封裝基板。當(dāng)摻雜劑被加入無(wú)鉛焊料凸點(diǎn)中時(shí)， 摻雜劑降低未摻雜的無(wú)鉛焊料凸點(diǎn)的凝固(solidification)過(guò)冷(undercooling)溫度。 未摻雜的電鍍無(wú)鉛焊料凸點(diǎn)和摻雜的無(wú)鉛焊料層被熔融，由此將摻雜劑加入未摻雜的無(wú)鉛焊料以形成摻雜的焊料凸點(diǎn)。焊料凸點(diǎn)在第一觸點(diǎn)和第二觸點(diǎn)之間提供電連接。另一實(shí)施例是一種電子器件。該電子器件包含半導(dǎo)體基板和器件封裝。半導(dǎo)體基板具有在其上面形成的第一金屬焊盤，并且，器件封裝基板具有在其上面形成的第二金屬焊盤。包含Sn的無(wú)鉛焊料凸點(diǎn)處于第一和第二金屬焊盤之間并與它們接觸，并且具有約 5E-4cm3或更小的體積。降低焊料凸點(diǎn)的凝固過(guò)冷溫度的摻雜劑被加入焊料凸點(diǎn)中。焊料凸點(diǎn)包含比在Sn的熔點(diǎn)處Sn中摻雜劑的溶度極限大的摻雜劑的濃度。以上概述了本發(fā)明的特征，使得本領(lǐng)域技術(shù)人員可以更好地理解以下的本發(fā)明的詳細(xì)的描述。以下描述形成本發(fā)明的權(quán)利要求的主題的本發(fā)明的其它的特征。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)理解，他們可以很容易地使用公開的概念和特定的實(shí)施例作為用于設(shè)計(jì)或修改用于實(shí)施本發(fā)明的相同的目的的其它的結(jié)構(gòu)。本領(lǐng)域技術(shù)人員還應(yīng)理解，這些等同的構(gòu)造不背離本發(fā)明的精神和范圍。


現(xiàn)在，為了能夠更徹底地理解本發(fā)明，結(jié)合附圖參照以下的描述，其中，圖1示出根據(jù)本公開形成的電子器件；圖2示出具有高度相關(guān)結(jié)晶取向的少量晶粒的現(xiàn)有技術(shù)焊料凸點(diǎn)；圖3示出根據(jù)本公開形成的具有低度相關(guān)結(jié)晶取向的大量晶粒的焊料凸點(diǎn)；圖4示出根據(jù)本公開的方法；圖5示出具有在其上面形成焊料層的封裝基板的金屬觸點(diǎn)；圖6示出具有在其上面形成未摻雜焊料凸點(diǎn)的電子器件的觸點(diǎn)；圖7A和圖7B示出接合電子器件和封裝基板以生成本公開的摻雜焊料凸點(diǎn)。
具體實(shí)施例方式這里的實(shí)施例描述包含提高其機(jī)械性能的摻雜劑的焊料凸點(diǎn)?？梢韵嘈牛瑩诫s劑促進(jìn)在摻雜的凸點(diǎn)中比在類似的未摻雜的凸點(diǎn)中形成更多的晶粒。摻雜的凸點(diǎn)中的更多的晶粒被視為向摻雜凸點(diǎn)賦予比未摻雜凸點(diǎn)更多的各向同性的機(jī)械性能，從而減少會(huì)導(dǎo)致電氣失效的封裝的半導(dǎo)體器件中的凸點(diǎn)的機(jī)械失效的比率。在沒(méi)有限制的情況下給出以下的討論中的各種理論考慮，以提供解釋本公開的背景。理論的討論限于與本當(dāng)前的討論有關(guān)的那些考慮。為了在不沒(méi)有限制的情況下澄清或簡(jiǎn)化本討論，某些因素可以被省略。鉛(Pb)-錫(Sn)焊料在過(guò)去已被使用，并且在寬的溫度范圍上提供與操作兼容的電氣和機(jī)械性能的組合。該兼容性的一個(gè)方面是形成大量的具有低度相關(guān)結(jié)晶取向的隨機(jī)取向晶粒。低度的相關(guān)性在寬的溫度范圍上導(dǎo)致各向同性機(jī)械性能和韌性行為。這些性能容納電子組件的部件之間的熱應(yīng)力，不向部件傳遞過(guò)量的應(yīng)力。但是，Pb的不利的生態(tài)效果上的環(huán)境考慮導(dǎo)致世界各地的立法明確限制1 在電子器件中的使用。例如，由歐盟在2003年采用并在2006年開始生效的有害物質(zhì)(RoHS) 指示的限制將任何均勻成分中的鉛的濃度限制到0. lwt. % (IOOOppm)或更低。這里，具有 0. Iwt. %或更少的鉛的焊料被稱為無(wú)鉛(無(wú)Pb)焊料。1 的允許濃度一般太低，而不能賦予Sn基焊料希望的晶體結(jié)構(gòu)。由焊料的凝固過(guò)冷溫度(這里，簡(jiǎn)稱為“過(guò)冷”)部分確定焊料的晶體結(jié)構(gòu)。如這里使用的那樣，過(guò)冷是元素或合金金屬的正常熔點(diǎn)和金屬必須降溫以導(dǎo)致金屬凝固的熔點(diǎn)以下的溫度之間的溫度差。一般地，如下面進(jìn)一步描述的那樣，更小的過(guò)冷與有利于焊料的希望的機(jī)械性能的晶體性能有關(guān)。影響過(guò)冷的因素包括例如焊料樣品的雜質(zhì)和尺寸。如這里使用的那樣，焊料是包含至少約95wt. %的Sn并可包含諸如例如銅或銀的合金化金屬的金屬成分(composition)。如后面進(jìn)一步討論的那樣，該定義不考慮一種或更多種摻雜劑的存在。示例性焊料包含例如純Sn、Sn-Ag, Sn-Cu和Sn-Ag-Au(SAC)。摻雜的焊料包含例如為上述的成分之一的焊料，和摻雜劑。如后面進(jìn)一步描述的那樣，在各實(shí)施例中，摻雜劑可選自例如為Sc、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni和Si的第四行過(guò)渡金屬之一(由標(biāo)準(zhǔn)門捷列夫(Mendeleev)元素周期表確定)。Cu被表示為在降低過(guò)冷上無(wú)效，并且特別地從摻雜劑的列表排出。在上述的過(guò)渡金屬中，某些會(huì)是優(yōu)選的。例如，Mn、Fe、Ni和Si可能不易于氧化，并因此在某些器件中具有更大的可用性。如后面進(jìn)一步描述的那樣，由這里的實(shí)施例設(shè)想的摻雜劑的濃度為約2wt. %或更少。雖然已發(fā)現(xiàn)某些摻雜劑降低無(wú)1 的Sn基焊料成分的過(guò)冷，但是，形成具有在這里的實(shí)施例中公開的范圍中的濃度的焊料凸點(diǎn)的方法仍然是難以找到的。如這里使用的那樣，焊料凸點(diǎn)是被附接到下凸點(diǎn)金屬化(UBM)焊盤上的，并具有約250 μ m的最大直徑、約 5E-4cm3的最大體積或約3mg的最大質(zhì)量的無(wú)1 的Sn基的少量焊料成分。如后面進(jìn)一步描述的那樣，凸點(diǎn)的形成包含將摻雜的焊料成分電鍍到UBM焊盤上。在某些情況下，凸點(diǎn)可以為凸點(diǎn)陣列的成員。首先轉(zhuǎn)向圖1，示出根據(jù)本公開形成的統(tǒng)一表示為100的電子器件。電子器件100 包含與器件封裝基板120電氣和機(jī)械連接的半導(dǎo)體基板110。基板110可以為例如電子器件芯片。器件100在沒(méi)有限制的情況下被示為包含例如用于使基板110免受環(huán)境影響的常規(guī)蓋子130。在某些實(shí)施例中，替代性地或者另外通過(guò)密封劑保護(hù)基板110。由與在半導(dǎo)體基板110和基板120上形成的電觸點(diǎn)(例如，在圖2中表示)連接的焊料凸點(diǎn)140提供基板110和封裝基板120之間的電連接。在基板110和基板120之間形成常規(guī)的底部填充 (underfill) 150?；?20包含被配置為使在其上面形成的觸點(diǎn)與在沒(méi)有限制的情況下被示為球狀柵陣列(BGA)的封裝觸點(diǎn)160電連接的導(dǎo)電路徑(未示出)。圖2示出現(xiàn)有技術(shù)焊料凸點(diǎn)210和現(xiàn)有技術(shù)焊料凸點(diǎn)210的附近的封裝100的結(jié)構(gòu)元件的詳細(xì)斷面圖。半導(dǎo)體基板110包含UBM焊盤220。例如，UBM焊盤220可與半導(dǎo)體基板110的電路電連接，或者，向其提供功率和接地連接?；?20包含可由例如銅形成的常規(guī)的接線柱230。UBM焊盤220或接線柱230可以可選地包含例如為鎳的屏障金屬層。 焊料屏蔽240包含使得現(xiàn)有技術(shù)焊料凸點(diǎn)210可與接線柱230進(jìn)行電接觸的開口?，F(xiàn)有技術(shù)焊料凸點(diǎn)210由例如為Sn-Ag或Sn-Cu的常規(guī)的(未摻雜)焊料配制形成?，F(xiàn)有技術(shù)焊料凸點(diǎn)210的直徑與高密度凸點(diǎn)陣列一致，例如為約250μπι或更小。在該比例上，現(xiàn)有技術(shù)焊料凸點(diǎn)210的結(jié)晶的熱機(jī)械有利于形成相對(duì)較少的晶粒250。晶粒250 可具有高度相關(guān)的結(jié)晶取向。換句話說(shuō)，晶粒250會(huì)一般對(duì)準(zhǔn)，使得與晶粒250相關(guān)的晶格軸具有相近的取向。這種取向會(huì)對(duì)現(xiàn)有技術(shù)焊料凸點(diǎn)210和/或半導(dǎo)體基板110的可靠性產(chǎn)生有害的影響。特別地，這種對(duì)準(zhǔn)的晶?？蓪?dǎo)致現(xiàn)有技術(shù)焊料凸點(diǎn)210的斷裂失效。Tin具有體心四方單位晶胞。四方單位晶胞導(dǎo)致其彈性和熱膨脹特性的明顯的各向異性?？梢哉J(rèn)為，該各向異性隨著熱循環(huán)導(dǎo)致取向的焊料凸點(diǎn)中的損傷的累積，這會(huì)導(dǎo)致凸點(diǎn)的斷裂以及凸點(diǎn)作為一部分的封裝的電子器件的相關(guān)失效。并且，當(dāng)Sn晶粒取向?yàn)槭沟?lt;001>結(jié)晶方向大致與基板焊盤平行時(shí)，某些取向會(huì)導(dǎo)致剪切應(yīng)變?cè)黾?。相反，?dāng)晶粒取向?yàn)槭沟?lt;100>或<010>方向與基板焊盤平行時(shí)，則剪切應(yīng)變被認(rèn)為被最小化。并且，該各向異性可導(dǎo)致剪切應(yīng)力超過(guò)基板110中的電介質(zhì)層的臨界應(yīng)力，從而導(dǎo)致電介質(zhì)的粘附或粘著失效和分層。當(dāng)<001>方向大致與焊料焊盤和電介質(zhì)層平行時(shí)，但不是在<100>或 <010>方向類似地取向時(shí)，分層的危險(xiǎn)被認(rèn)為是特別明顯的。當(dāng)基板110使用諸如有機(jī)或多孔電介質(zhì)的某些“低k”電介質(zhì)層時(shí)，該危險(xiǎn)是特別明顯的。可以認(rèn)為，可通過(guò)減小焊料凸點(diǎn)中的晶粒的尺寸并且減少晶粒取向的相關(guān)性減輕具有高度相關(guān)的晶粒的高度相關(guān)的錫基焊料凸點(diǎn)的上述的缺點(diǎn)。實(shí)現(xiàn)這種改善的特性的一種方法是降低焊料凸點(diǎn)的過(guò)冷溫度。由于例如表面能效應(yīng)和可用形核點(diǎn)，開始錫的凝固所需要的過(guò)冷量一般隨著熔融錫樣品的尺寸的減小而增加。在未摻雜的錫中，例如，晶粒被認(rèn)為在隨機(jī)熱運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致足夠多的錫原子落入固態(tài)錫晶格的正確位置中以形成晶胚的位置上形核。隨著熔融錫樣品的尺寸減小，可望在熔體中存在更少的晶胚。根據(jù)合金和樣品尺寸，必要的過(guò)冷可為50C或更大。 因此，用于凝固的驅(qū)動(dòng)能量會(huì)變得相當(dāng)大。當(dāng)晶粒的形核出現(xiàn)時(shí)，驅(qū)動(dòng)力會(huì)導(dǎo)致晶粒迅速生長(zhǎng)。并且，在前進(jìn)的凝固前端上由凝固錫晶粒釋放的熔合的熱會(huì)熔融相鄰的形核晶粒。因此，在小的樣品中，并且，對(duì)于高度相關(guān)的某些晶粒的取向，這些因素的組合被認(rèn)為有利于僅形成少量晶粒。圖3示出根據(jù)本公開形成的焊料凸點(diǎn)140。焊料凸點(diǎn)140包含晶體取向低度相關(guān)的許多小晶粒?？梢哉J(rèn)為降低熔融的錫的過(guò)冷會(huì)增加熔融的錫中的晶粒的數(shù)量，并且減少其相對(duì)未摻雜的錫的尺寸。在某些情況下，焊料球140可具有10個(gè)或更多的晶粒。當(dāng)隨著較低的過(guò)冷出現(xiàn)晶粒的形核和生長(zhǎng)時(shí)，由生長(zhǎng)的晶粒釋放的能量更少，并且，前進(jìn)的固體/ 液體界面進(jìn)展更慢。其它的晶胚使晶粒形核存在更多的時(shí)間，并且，生長(zhǎng)的晶粒不太可能通過(guò)重熔融相互消耗。以這種方式，獲得凸點(diǎn)的改進(jìn)的機(jī)械性能。摻雜劑的有益的濃度足以降低過(guò)冷，但是，足夠低以使得摻雜和未摻雜的焊料的熔點(diǎn)的任意差值不明顯，例如，低于約5C。一般地，該濃度小于摻雜劑的約2wt. %。在某些情況下，例如，小于Iwt. %的濃度是優(yōu)選的，以相對(duì)于大于2wt. %的濃度的可能的負(fù)面效果確保過(guò)程余量。摻雜劑在約232C的錫的熔點(diǎn)處具有Sn中的溶度極限。這里，具有溶度極限處的摻雜劑的濃度的焊料凸點(diǎn)被稱為飽和。這里，低于該極限的摻雜劑濃度被稱為未飽和，并且， 大于該極限的摻雜劑濃度被稱為過(guò)飽和。在某些情況下，可希望在焊料凸點(diǎn)中具有過(guò)飽和濃度的摻雜劑。雖然沒(méi)有理論上的限制，但是，可以認(rèn)為，與飽和或未飽和的焊料凸點(diǎn)相比， 這種濃度導(dǎo)致在焊料凸點(diǎn)內(nèi)可能形成更多的形核點(diǎn)，從而導(dǎo)致更多的晶粒和晶粒的更低度的晶體取向相關(guān)性。在具有約250 μ m或更小的直徑或具有約5E-4cm3或更小的體積或具有約3mg或更小的質(zhì)量的焊料凸點(diǎn)中，該效果是特別有益的。過(guò)飽和的摻雜劑濃度與已知的具有所記載的尺寸特性的焊料凸點(diǎn)相反。例如，焊料凸點(diǎn)可以溶解UBM焊盤的一部分，由此將焊盤中的元素引入焊料凸點(diǎn)中。但是，這種元素的濃度是溶度限制的。M例如在232C下在Sn中具有約0. 2wt. %或更小的溶度極限。該濃度被視為一般不足以向焊料凸點(diǎn)的機(jī)械性能賦予足夠的益處。當(dāng)前的現(xiàn)有技術(shù)的焊料凸點(diǎn)形成一般使用電鍍以將焊料成分沉積于器件基板的 UBM焊盤上。由于元素電負(fù)性的不同，用例如低于約2wt. %的希望的摻雜劑濃度在可控制的成分中電鍍摻雜的Sn基焊料在技術(shù)上是困難的，并且當(dāng)前在許多情況下是不可行的。例如，Sn的電負(fù)性為約1. 96 (Pauling單位)，而Si的電負(fù)性為約1. 65。在許多的電鍍過(guò)程中，由于Sn的更高的電負(fù)性，該過(guò)程將趨于優(yōu)先沉積Sn。例如，該過(guò)程偏好對(duì)于諸如濃度、 電鍍電流和電鍍槽混合的過(guò)程變化敏感，從而使得難以控制電鍍層中的Sn和Si的相對(duì)濃度。當(dāng)摻雜諸如Sn-Ag、Sn-Cu或SAC的二元或三元合金時(shí)，該困難更大。本公開反映可通過(guò)以希望的濃度間接摻雜焊料凸點(diǎn)140克服現(xiàn)有技術(shù)的電鍍焊料凸點(diǎn)和形成焊料凸點(diǎn)的方法的缺點(diǎn)的認(rèn)識(shí)?？梢栽诮雍匣?10和基板120之前在在基板120上形成的焊料層中提供摻雜劑。與實(shí)際的或可行的在電鍍中直接摻雜焊料凸點(diǎn)相比，焊料凸點(diǎn)140可由此在更大的控制下以更低的濃度摻雜。返回圖4，示出摻雜焊料凸點(diǎn)的統(tǒng)一表示為400的方法中的步驟。同時(shí)參照示出方法的各步驟的圖5、圖6和圖7A/圖7B描述圖4。圖5示出具有在其上面形成的焊料層 510的基板120的斷面圖。圖6示出具有在UBM焊盤220上形成的未摻雜的焊料凸點(diǎn)610 的基板110的斷面圖。圖7A和圖7B示出通過(guò)過(guò)程400的接合中的焊料層510和未摻雜的焊料凸點(diǎn)610的斷面圖。首先，在步驟410中，如圖5所示，諸如例如基板120的基板設(shè)置有在其上面形成的觸點(diǎn)230和在觸點(diǎn)230上形成的焊料層510。焊料層510被示為重度陰影區(qū)域，以反映在接合基板110和基板120之后其中的摻雜劑的濃度比焊料凸點(diǎn)140中的濃度大。以下更詳細(xì)地討論該方面。
這里，設(shè)置包括從執(zhí)行方法400中的其它步驟的本地制造環(huán)境外面的來(lái)源獲得基板。設(shè)置還包括在本地制造環(huán)境內(nèi)在基板上形成焊料層。當(dāng)從本地制造環(huán)境外面的獲得時(shí)， 可從第三方，或者，從執(zhí)行以下的步驟的實(shí)體的商業(yè)單位獲得上面形成焊料層510的基板。某些實(shí)施例中的焊料凸點(diǎn)140中的摻雜劑的有益的濃度的范圍為約0. 35wt. % 約2. Owt. %。可以認(rèn)為，當(dāng)濃度太低時(shí)，摻雜劑將不提供希望的過(guò)冷的降低，和/或沉積過(guò)程將難以或者在技術(shù)上無(wú)法提供希望的控制容差。在某些情況下，例如，提供高到足以確保整個(gè)焊料凸點(diǎn)被摻雜到至少0. Iwt. %的摻雜劑濃度是有利的。如果不是，那么會(huì)存在具有大的過(guò)冷的局部化接合區(qū)域。在這種情況下，添加摻雜劑的益處會(huì)明顯降低或者丟失。由于摻雜劑分布會(huì)是不均勻的，因此，為了在整個(gè)焊料凸點(diǎn)中確保濃度至少為約0. Iwt. %, 0. 35wt. %或更大的濃度會(huì)是希望的。另一考慮是過(guò)程均勻性。在某些實(shí)施例中，希望將跨基板或基板之間的摻雜劑濃度的偏差限制到其平均濃度的約20%或更小。在這些情況下， 0. 25wt. %的較低的有益的濃度被認(rèn)為在許多情況下滿足該目的。在太高的濃度上，摻雜劑會(huì)形成足夠大以不希望地影響焊料凸點(diǎn)的諸如韌性的機(jī)械性能，或者會(huì)影響諸如熔點(diǎn)的熱性能或諸如氧化穩(wěn)定性的化學(xué)性能的沉淀物。該上限對(duì)于不同的摻雜劑一般是不同的，但是對(duì)于本公開的范圍內(nèi)的摻雜劑可望達(dá)約2. Owt. %。在某些情況下，由于存在摻雜劑不帶來(lái)進(jìn)一步的益處的最大濃度，或者由于諸如這些上述的效果的不希望的效果在高于最大有益濃度之后變得明顯，因此，該極限將較低。該較低的最大摻雜劑濃度被認(rèn)為為約0. 5wt. %。焊料層510被關(guān)注的摻雜劑過(guò)摻雜。過(guò)摻雜意味著焊料層以大于由過(guò)程400形成的焊料凸點(diǎn)140的濃度的濃度包含上述的摻雜劑中的一種。焊料層510可以為例如微細(xì)分割的粒子，或者是從熔融體凝固的。在某些實(shí)施例中，焊料層以比在焊料熔點(diǎn)處焊料層510 中的摻雜劑的溶度極限大的濃度提供摻雜劑，例如過(guò)飽和溶體。當(dāng)焊料層510包含微細(xì)分割的粒子時(shí)，它可由例如焊料糊劑形成?？赏ㄟ^(guò)使用諸如例如絲網(wǎng)印刷的常規(guī)的方法施加焊料糊劑。微粒的高的表面面積提供幫助形成過(guò)飽和溶體的自由能。焊料層510中的摻雜劑的濃度可以縮放，以在焊料凸點(diǎn)中提供預(yù)定的濃度。例如， 焊料層510—般提供焊料凸點(diǎn)140的總體積的固定的預(yù)定部分。在一個(gè)解釋性的實(shí)施例中， 例如，焊料層被配置為提供焊料凸點(diǎn)140的總體積的約25%，并且，未摻雜的焊料凸點(diǎn)610 被配置為提供總體積的約75 %。在這種情況下，焊料層510可包含焊料凸點(diǎn)140中的摻雜劑的希望的預(yù)定濃度的約4倍。例如，如果焊料凸點(diǎn)140中的摻雜劑濃度可為約0. 35wt. V0 約2wt. %的范圍，那么焊料層510中的摻雜劑濃度可為約% 約8wt. %的范圍。在焊料層510提供不同的比例的焊料凸點(diǎn)140體積的情況下，焊料層中的摻雜劑的濃度可根據(jù)需要縮放，以在焊料凸點(diǎn)140中導(dǎo)致希望的摻雜劑濃度。焊料層510可具有與未摻雜的焊料凸點(diǎn)610相同或不同的非摻雜劑元素的濃度。 例如，焊料層510可以以與存在于未摻雜的焊料凸點(diǎn)610中的濃度相同的濃度包含Cu或 Ag。在其它的情況下，焊料層510是不同的焊料成分。例如，焊料層610可基本上僅包含 Sn,并且，除了導(dǎo)致諸如例如SAC的希望的焊料允許物的摻雜劑以外，焊料層510可包含Cu 和/或Ag。參照?qǐng)D4，同時(shí)繼續(xù)參照?qǐng)D6，在步驟420中，電子器件基板110設(shè)置有在UBM焊盤 220上形成的未摻雜的焊料凸點(diǎn)610。未摻雜的焊料凸點(diǎn)610由電鍍形成，并且可以為諸如例如Sn-Cu、Sn-Ag或SAC的Sn的任何無(wú)鉛合金。未摻雜的焊料凸點(diǎn)610在未摻雜的焊料凸點(diǎn)610呈現(xiàn)球形形狀的可選的回流過(guò)程之后被示出。在其它的情況下，回流過(guò)程可被省略，在這種情況下，未摻雜的焊料凸點(diǎn)610將一般不是球形的。參照?qǐng)D4、圖7A和圖7B，在步驟430中，未摻雜的焊料凸點(diǎn)610和焊料層510如圖 7A所示的那樣物理接觸。未摻雜焊料凸點(diǎn)610和焊料層510的溫度升高到足以使兩者熔融的溫度，例如，升高到約232C。在液相中，由未摻雜的焊料凸點(diǎn)610和焊料層510提供的元素迅速地互擴(kuò)散以產(chǎn)生具有帶有希望的摻雜劑濃度的熔融焊料凸點(diǎn)140的組件710。組件710的溫度然后下降到熔點(diǎn)以下。在某些實(shí)施例中，熔融的焊料凸點(diǎn)140保持高于熔融溫度少于約10秒，以減少會(huì)消耗摻雜劑的熔融的固態(tài)沉淀物的數(shù)量或尺寸。隨著焊料凸點(diǎn) 140冷卻，摻雜劑的存在促進(jìn)具有上述的特性、例如具有更加各向同性的機(jī)械性能的大量的晶粒的形核?？蓤?zhí)行諸如例如底部填充150和蓋子130的附加的常規(guī)的封裝步驟，以完成電子器件100。在某些實(shí)施例中，焊料層510以確保摻雜劑將以大于在焊料熔點(diǎn)處摻雜劑在焊料凸點(diǎn)140中的摻雜劑的溶度極限的濃度存在于焊料凸點(diǎn)140中的濃度提供摻雜劑，例如，摻雜劑過(guò)飽和?？梢哉J(rèn)為，當(dāng)焊料凸點(diǎn)140過(guò)飽和時(shí)，隨著熔融的焊料冷卻，摻雜劑會(huì)形成大量的納米沉淀物。這些沉淀物然后可如之前描述的那樣用作錫晶粒的形核點(diǎn)，從而相對(duì)于未摻雜的錫導(dǎo)致觀察的減少的過(guò)冷。在某些情況下，摻雜劑粒子不會(huì)完全溶解于熔融的焊料中，并且，在進(jìn)一步沉淀或不沉淀?yè)诫s劑的情況下，會(huì)用作為形核點(diǎn)。在某些實(shí)施例中，焊料糊劑會(huì)在接合基板110和基板120之前部分或完全回流。在上述的方法中，未摻雜的焊料球610和摻雜的焊料層510協(xié)作以形成焊料凸點(diǎn) 140。由于焊料層510由機(jī)械混合物形成，因此其中的成分不被諸如限制電鍍層的成分的效果的那些效果限制。因此，與常規(guī)的焊料凸點(diǎn)形成方法相比，該方法提供更大的摻雜劑選擇自由度和更大的濃度范圍。并且，焊料凸點(diǎn)中的摻雜劑濃度的控制在常規(guī)的過(guò)程上得到改進(jìn)。由所述的方法形成的焊料凸點(diǎn)可望具有優(yōu)于常規(guī)的焊料凸點(diǎn)的機(jī)械性能，并且具有更大的性能均勻性。雖然已詳細(xì)描述了本發(fā)明，但是，本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，在不在其最寬的形式中背離本發(fā)明的精神和范圍的情況下，他們可在這里提出各種變化、替代和修改。
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權(quán)利要求
1.一種形成半導(dǎo)體器件的方法，包括提供具有第一觸點(diǎn)和在所述第一觸點(diǎn)上形成的未摻雜的電鍍的無(wú)鉛焊料凸點(diǎn)的半導(dǎo)體基板；提供具有第二觸點(diǎn)和所述第二觸點(diǎn)上的包含當(dāng)被加入所述無(wú)鉛焊料凸點(diǎn)中時(shí)降低所述未摻雜的無(wú)鉛焊料凸點(diǎn)的凝固過(guò)冷溫度的摻雜劑的摻雜的無(wú)鉛焊料層的器件封裝基板; 和熔融所述未摻雜的電鍍的無(wú)鉛焊料凸點(diǎn)，并且所述摻雜的無(wú)鉛焊料層由此接合所述半導(dǎo)體基板與所述器件封裝基板，并且將所述摻雜劑加入所述未摻雜的無(wú)鉛焊料中以形成摻雜的焊料凸點(diǎn)，并且在所述第一觸點(diǎn)和所述第二觸點(diǎn)之間提供電連接。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述摻雜的焊料凸點(diǎn)中的所述摻雜劑的濃度超過(guò)在Sn的熔點(diǎn)處Sn中的所述摻雜劑的溶度極限。
3.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述摻雜的焊料凸點(diǎn)包含至少10個(gè)晶粒。
4.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述摻雜的焊料凸點(diǎn)包含約0.35wt. % 約2wt. % 的所述摻雜劑。
5.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述摻雜的焊料凸點(diǎn)包含約0.35wt.% 約 0. 5wt. %的所述摻雜劑。
6.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述摻雜劑包含Si。
7.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述摻雜劑包含M。
8.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述摻雜劑包含狗。
9.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述摻雜劑包含Mn。
10.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述焊料層為焊料糊劑。
11.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述摻雜的焊料凸點(diǎn)具有約5E-4cm3或更小的體積。
12.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述焊料層具有為所述焊料凸點(diǎn)中的所述摻雜劑的濃度的大約四倍的所述摻雜劑的濃度。
13.一種電子器件，包括具有在其上面形成的第一金屬焊盤的半導(dǎo)體基板； 具有在其上面形成的第二金屬焊盤的器件封裝基板；具有約5E-4cm3或更小的體積的處于所述第一金屬焊盤和所述第二金屬焊盤之間并與它們接觸的包含Sn的無(wú)鉛焊料凸點(diǎn)；和加入所述焊料凸點(diǎn)中的降低所述焊料凸點(diǎn)的凝固過(guò)冷溫度的摻雜劑，其中，所述焊料凸點(diǎn)包含比在Sn的熔點(diǎn)處Sn中的所述摻雜劑的溶度極限大的所述摻雜劑的濃度。
14.如權(quán)利要求13所述的電子器件封裝，其中，所述摻雜劑包含Si。
15.如權(quán)利要求13所述的電子器件封裝，其中，所述摻雜劑包含狗。
16.如權(quán)利要求13所述的電子器件封裝，其中，所述摻雜劑包含M。
17.如權(quán)利要求13所述的電子器件封裝，其中，所述摻雜劑包含Mn。
18.如權(quán)利要求13所述的電子器件封裝，其中，所述濃度為所述焊料凸點(diǎn)的約 0. 35wt. %或更大。
19.如權(quán)利要求13所述的電子器件封裝，其中，所述焊料凸點(diǎn)包含少于約2wt.%的所述摻雜劑。
20.如權(quán)利要求13所述的電子器件封裝，其中，所述焊料凸點(diǎn)包含少于約0.5wt. %的所述摻雜劑。
21.如權(quán)利要求13所述的電子器件封裝，其中，所述焊料凸點(diǎn)包含至少10個(gè)晶粒。
全文摘要
公開了形成半導(dǎo)體器件的方法。提供具有第一觸點(diǎn)和在其上面形成的未摻雜的電鍍的無(wú)鉛焊料凸點(diǎn)(610)的半導(dǎo)體基板。提供具有第二觸點(diǎn)和第二觸點(diǎn)上的包含摻雜劑的摻雜無(wú)鉛焊料層(510)的器件封裝基板。摻雜劑當(dāng)被加入無(wú)鉛焊料凸點(diǎn)中時(shí)降低未摻雜的無(wú)鉛焊料凸點(diǎn)的凝固過(guò)冷溫度。未摻雜的電鍍的無(wú)鉛焊料凸點(diǎn)和摻雜的無(wú)鉛焊料層被熔融，由此將摻雜劑加入未摻雜的無(wú)鉛焊料以形成摻雜的焊料凸點(diǎn)(140)。焊料凸點(diǎn)在第一觸點(diǎn)和第二觸點(diǎn)之間提供電連接。
文檔編號(hào)H01L23/485GK102197477SQ200880131666
公開日2011年9月21日 申請(qǐng)日期2008年9月16日 優(yōu)先權(quán)日2008年9月16日
發(fā)明者J·W·奧森巴赫, M·巴奇曼 申請(qǐng)人:艾格瑞系統(tǒng)有限公司