專利名稱：一種制備Sn-Ag-In三元無鉛倒裝凸點(diǎn)的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種制備Sn-Ag-h三元無鉛倒裝凸點(diǎn)的方法，屬于高密度微電子封裝領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
倒裝芯片封裝技術(shù)具有許多優(yōu)點(diǎn)，如最高的輸入/輸出端數(shù)能力、針對不同性能要求基板的可適應(yīng)性、通常提供可能最短的引線、最小的電感、最高的頻率、最好的噪聲控制、最小的器件外形以及最低的器件安裝高度，因而在封裝技術(shù)向高密度化、小型化、集成化演變過程中扮演著舉足輕重的角色。倒裝芯片封裝技術(shù)中凸點(diǎn)的制備尤為關(guān)鍵。在UBM(Under Bump Metallization) 上形成凸點(diǎn)常用的方法有蒸發(fā)、印刷和電鍍等。蒸發(fā)需要將物理模板和芯片上的輸入/輸出端對準(zhǔn)，在沉淀完成后取走。模板必須有一個(gè)脫模斜角，以保證通過開口處焊料可從模板上均勻地留下，這對于高輸入/輸出端數(shù)的器件是相當(dāng)困難的，且成本昂貴。印刷技術(shù)運(yùn)用精密的模板和自動(dòng)化的模板或絲網(wǎng)印刷機(jī)可以完成特別設(shè)計(jì)的焊膏的刮板印刷。在較窄節(jié)距的情況(節(jié)距小于250μπι)下，這種方法比較困難。電鍍法是焊料通過聚合物光刻膠掩模電鍍以控制體積和對準(zhǔn)定位，由于電鍍的焊料是分離相沉積的，這些凸點(diǎn)電鍍后需要經(jīng)過回流焊來達(dá)到焊料微觀結(jié)構(gòu)的均勻化。電鍍法制備凸點(diǎn)具有尺寸均勻、高度一致性好、節(jié)距小、可批量生產(chǎn)和成本低等優(yōu)點(diǎn)，但是目前較成熟的電鍍工藝大多僅局限于一元金屬如Cu、 Ni、Au、In等或二元合金如Sn-Ag等，對于三元合金，由于元素間電極電位各不相同，因此要想研制出性能穩(wěn)定的三元合金電鍍液并實(shí)現(xiàn)不同元素的共沉淀非常困難。另一方面，電子工業(yè)的無鉛化使得傳統(tǒng)Srfb焊料的應(yīng)用面臨極大的挑戰(zhàn)。目前的無鉛焊料大多基于Sn-Ag 二元體系，然而，Sn-Ag焊料的熔點(diǎn)高、潤濕性差、焊料中容易生成大塊Ag3Sn等缺陷限制了其在電子行業(yè)中的應(yīng)用。大量研究表明，h的加入可以明顯降低 Sn-Ag焊料熔點(diǎn)、改善潤濕性和抑制大塊Ag3Sn缺陷的生長，遺憾的是，目前對Sn-AgHn三元焊料的研究大多集中在塊體材料中，而在電子封裝尤其是高密度凸點(diǎn)陣列中的應(yīng)用卻很少。因此，本發(fā)明將針對電子封裝高密度、小型化的趨勢，避開研制Sn-AgHn三元合金電鍍液所面臨的困難，采用分步電鍍Sn-^Vg和^之后通過熱處理促進(jìn)各元素相互混合均勻的方法來制備Sn-Ag-h三元微小尺寸凸點(diǎn)。從而引導(dǎo)出本發(fā)明的構(gòu)思。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了一種制備Sn-AgHn三元無鉛倒裝凸點(diǎn)的方法，也即本發(fā)明提供了一種采用電鍍法制備Sn-AgHn三元無鉛凸點(diǎn)的方法。所述的方法分兩大步，(1)是采用IC 工藝制備基板首先將硅片進(jìn)行熱氧化處理形成一層SiO2,隨后正面濺射Al金屬導(dǎo)電層，光刻腐蝕形成鋁焊盤O^ad)，之后利用PECVD再沉積一層S^2鈍化層，并光刻、干法腐蝕出鈍化層開口，露出鋁焊盤(Pad)，之后濺射TiW/Cu分別作為粘附層和電鍍種子層；(2)在所述的基板上制作凸點(diǎn)進(jìn)行厚膠光刻，并光刻出電鍍窗口，然后依次電鍍CiuSn-^Vg和焊料，電鍍完畢后由濕法腐蝕方法去除厚膠和多余的種子層金屬，最后回流焊料形成凸點(diǎn)。本發(fā)明的具體工藝步驟如下1.采用的硅片為單面拋光N型或P型(100)硅片；2.熱氧化處理工藝為濕法或干法工藝，SiO2層厚度0. 5 1. 0微米；3.正面濺射Al導(dǎo)電層起到與底層二氧化硅的粘附和導(dǎo)電的作用，其厚度為0.5 2. 0微米；4. PECVD沉積SiA鈍化層，起絕緣和保護(hù)Al焊盤的作用，其厚度為0. 2 1. 0微米；5.濺射金屬粘附層和電鍍種子層，以TiW作為金屬粘附層，其厚度為0. 05 0. 1 微米，Cu作為電鍍種子層，厚度為0. 2 0. 5微米；6.涂覆光刻膠并光刻電鍍窗口，電鍍窗口半徑至少大于SiO2鈍化層開口半徑10 微米，并距離Al焊盤邊緣最少6微米，這樣設(shè)計(jì)的目的主要是為了提高凸點(diǎn)的可靠性；7.電鍍3 5微米Cu或Ni作為凸點(diǎn)下金屬層，凸點(diǎn)回流過程中起到浸潤焊料和擴(kuò)散阻擋的作用，實(shí)際制備中采用Cu作為凸點(diǎn)下金屬層，Cu電鍍工藝在商用的Cu電鍍液中進(jìn)行，電流密度為20mA/cm2 30mA/cm2，電鍍速率約為10 μ m/h 15 μ m/h ；8.依次電鍍Sn-iVg和h焊料，Sn-Ag電鍍工藝在khlotter公司生產(chǎn)的SL0T0L0Y SNA30鍍液中進(jìn)行，電流密度在15mA/cm2 25mA/cm2，電鍍速率控制在10 μ m/h 14 μ m/h 范圍，In電鍍工藝是在氨基磺酸銦溶液中進(jìn)行，電流密度范圍為8mA/cm2 12mA/cm2，電鍍速率約為10 μ m/h 15 μ m/h，Sn-Ag與h鍍層總厚度與電鍍窗口直徑和凸點(diǎn)節(jié)距相關(guān)，一般而言，回流后凸點(diǎn)高度應(yīng)與電鍍窗口直徑相當(dāng)，并約等于凸點(diǎn)節(jié)距的1/3 1/2，不同的 In含量可通過調(diào)節(jié)鍍層中^的相對厚度來實(shí)現(xiàn)；9.采用濕法腐蝕的方法去除厚膠和多余的粘附層和電鍍種子層，腐蝕溶液不應(yīng)對 Sn-^Vg和h焊料產(chǎn)生腐蝕作用；10.在氮?dú)鈿夥毡Ｗo(hù)下回流，回流溫度高于Sn-^Vg焊料熔點(diǎn)溫度。綜上所述，本發(fā)明特征在于①所述的基板包括熱氧化硅片、金屬Al導(dǎo)電層、SiO2鈍化層和金屬種子層；②電鍍窗口尺寸大于鈍化層開口尺寸，電鍍窗口尺寸限定了凸點(diǎn)尺寸；③焊料下方有數(shù)微米的凸點(diǎn)下金屬層；通常金屬層為Cu層，也可以用Ni取代；④焊料由依次電鍍的錫銀和銦組成，銦在焊料中的含量可由鍍層厚度來調(diào)控；⑤多余的金屬種子層由濕法腐蝕去除，且腐蝕溶液對錫銀和銦均無腐蝕性；⑥在氮?dú)鈿夥毡Ｗo(hù)下，在錫銀焊料熔點(diǎn)溫度以上回流焊料。由此可見，本發(fā)明的提供的方法是與IC制作工藝兼容，充分發(fā)揮了電鍍法制備凸點(diǎn)所具備的可最大限度地減小凸點(diǎn)尺寸、降低凸點(diǎn)節(jié)距、產(chǎn)量高、成本低等優(yōu)勢，所制備的凸點(diǎn)最小直徑可達(dá)40微米，凸點(diǎn)節(jié)距100微米。同時(shí)由于采用分步電鍍Sn-Ag和h之后回流的工藝，避開了研制Sn-Ag-h三元合金電鍍液所面臨的巨大困難，并且h在凸點(diǎn)中的含量可以通過調(diào)節(jié)其電鍍高度來調(diào)節(jié)。因此，該發(fā)明在多功能、高密度和小型化微電子封裝領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。


圖1是Sn-AgHn三元凸點(diǎn)制備流程圖。(a)在硅片上熱氧化形成一層SiO2,并濺射Al ;(b)光刻Al焊盤；(C)Al腐蝕形成I^ad; (d) PECVD沉積鈍化層；(e)光刻鈍化層開口圖形；(f) IBE干法刻蝕鈍化層開口 ；(g)濺射金屬粘附層和電鍍種子層；(h)厚膠光刻電鍍窗口圖形；(i)依次電鍍凸點(diǎn)下金屬層、Sn-^Vg焊料和h焊料；(j)去除厚膠和多余的金屬粘附層以及電鍍種子層；(k)回流形成凸點(diǎn)。101——硅片，102——熱氧化SW2層，103——Al導(dǎo)電層，104——光刻Al焊盤圖形，105——Al焊盤，106——鈍化層，107——光刻鈍化層開口圖形，108——鈍化層開口， 109——金屬粘附層和電鍍種子層，110——電鍍窗口圖形，111——凸點(diǎn)下金屬層，112—— Sn-Ag焊料，113——In焊料，114——去除厚膠、多余粘附層和電鍍種子層，115——凸點(diǎn)。圖2是所制備的Sn-AgHn三元凸點(diǎn)陣列的SEM照片，(a)低倍數(shù)SEM照片，(b)高倍數(shù)SEM照片。圖3是所制備的Sn-Ag-h三元凸點(diǎn)截面的SEM照片及元素分布圖，(a)截面的SEM 照片，(b) Sn元素分布圖，(cMg元素分布圖，(dnn元素分布圖，(e) Cu元素分布圖。
具體實(shí)施例方式為了能使本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)和積極效果得到充分體現(xiàn)，下面結(jié)合附圖1和實(shí)施例對本發(fā)明實(shí)質(zhì)性特點(diǎn)作進(jìn)一步說明。本發(fā)明采用分步電鍍法在芯片基板上電鍍無鉛焊料。具體分兩大步一、采用IC工藝制備基板(1)首先將單面拋光N型或P型(100)硅片進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)清洗，然后進(jìn)行熱氧化處理， 氧化硅層102厚度約0. 6微米；(2)真空濺射Al導(dǎo)電層103，厚度約為0.6微米，且Al導(dǎo)電層與氧化硅層間有良好的粘附性(a)；(3)采用正型光刻膠LC100A光刻出Al焊盤圖形104 (b)，在H3PO4溶液中進(jìn)行Al 腐蝕，溫度45 0C，腐蝕速率0. 35 μ m/min,形成Al焊盤105 (c)；(4) PECVD沉積SW2鈍化層106 (d)，沉積厚度0. 3微米，之后光刻出鈍化層開口圖形107 (e)，采用IBE干法刻蝕鈍化層開口，刻蝕速率0. 06 μ m/min,刻蝕時(shí)間6分鐘，形成鈍化層開口 108(f)，其直徑約70微米；露出Al焊盤；(5)真空濺射金屬粘附層TiW和電鍍種子層Cul09，厚度分別為0. 05微米和0. 2 微米，TiW與SW2和Al之間粘附性良好(g)；二、在所述的基板上制作凸點(diǎn)(1)涂覆AZ9260型厚光刻膠，旋轉(zhuǎn)速度600r/min，旋轉(zhuǎn)時(shí)間30秒，涂覆后室溫靜置10分鐘，膠厚30微米；隨后曝光，光強(qiáng)18mW/cm2，曝光時(shí)間100秒；最后顯影，顯影溶液為25vol. % AZ400k+75vol. %水，顯影時(shí)間90 100秒，所得電鍍窗口 110直徑約80微米 (h)；(2)在室溫條件下依次電鍍凸點(diǎn)下金屬層Cu 111，Sn-Ag焊料112和h焊料 113 (i)，鍍層厚度分別為3-5微米、40 41微米和4 5微米，Cu電鍍時(shí)電流密度為20mA/ cm2，電鍍速率約為10 μ m/h, Sn-Ag電鍍電流密度為20mA/cm2，電鍍速率為12 μ m/h, In電鍍電流密度為lOmA/cm2，電鍍速率約為13ym/h，電鍍之前打底膜以去除殘留光刻膠等有機(jī)雜質(zhì)，電鍍完畢去除厚光刻膠；(3)室溫下去除多余種子層和金屬粘附層114(j)，腐蝕溶液為15vol. % H202+85vol. % NH3 · H2O,該溶液對Sn-Ag和h焊料均無腐蝕性，腐蝕時(shí)間為8 15秒；(4)涂覆5RMA型銦助焊劑后回流，采用五段式回流爐，選用氮?dú)鈿夥?，各溫區(qū)溫度值分別為80°C、160°C、200 V、260 V和80 V，每個(gè)溫區(qū)保溫時(shí)間30秒，相鄰兩溫區(qū)時(shí)間間隔 15秒，回流后去除殘留助焊劑，最后依次用丙酮、無水乙醇和水徹底清洗凸點(diǎn)。 經(jīng)上述工藝過程制備的三元凸點(diǎn)，尺寸均勻，表面光潔度好(如圖2所示)，凸點(diǎn)中元素分布均勻，凸點(diǎn)和凸點(diǎn)下金屬層截面潤濕良好(如圖3所示)，可靠性高，具有重要的應(yīng)用前景。
權(quán)利要求
1.一種制備Sn-AgHn三元無鉛倒裝凸點(diǎn)的方法，其特征在于采用分步電鍍法在基板上電鍍?nèi)獰o鉛焊料，分為兩大步A.采用IC工藝制備基板首先將硅片進(jìn)行熱氧化處理形成一層SiO2,隨后正面濺射Al金屬導(dǎo)電層，光刻腐蝕形成鋁焊盤，之后利用PECVD再沉積一層SiO2鈍化層，并光刻、干法腐蝕出鈍化層開口，露出呂焊盤；之后濺射TiW/Cu分別作為粘附層和電鍍種子層；B.在所屬的基板上制作凸點(diǎn)在步驟A制作的基板上接著進(jìn)行厚膠光刻，并光刻出電鍍窗口，然后依次電鍍Cu、 Sn-Ag和h焊料，電鍍完畢后由濕法腐蝕方法去除厚膠和多余的種子層金屬，最后回流焊料形成凸點(diǎn)。
2.按權(quán)利要求1所屬的方法，其特征在于具體步驟是A.采用IC工藝制備基板(1)首先將單面拋光N型或P型(100)硅片進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)清洗，然后進(jìn)行熱氧化處理生成，氧化硅層；(2)正面真空濺射Al導(dǎo)電層，且Al導(dǎo)電層與步驟(1)生成的氧化硅層間有良好的粘附性；(3)采用正型光刻膠LC100A光刻出Al焊盤圖形，并在H3PO4溶液中進(jìn)行Al腐蝕，形成 Al焊盤；(4)PECVD沉積SW2鈍化層，之后光刻出鈍化層開口圖形并采用IBE干法刻蝕形成鈍化層開口 ；(5)真空濺射金屬粘附層TiW和電鍍種子層Cu；B.在所述的基板上制作凸點(diǎn)(1)涂覆AZ9260型厚光刻膠，隨后曝光，最后顯影，制作出電鍍窗口；(2)在室溫條件下依次電鍍凸點(diǎn)下金屬層Cu、Sn-^Vg焊料和化焊料，鍍層厚度分別為 3-5微米、40 41微米和4 5微米；電鍍之前打底膜以去除殘留光刻膠等有機(jī)雜質(zhì)，電鍍完畢由濕法腐蝕方法去除厚光刻膠；(3)室溫下由濕法腐蝕去除多余種子層和金屬粘附層，腐蝕溶液為15vol.% H202+85vol. % NH3 · H2O,該溶液對Sn-Ag和h焊料均無腐蝕性；(4)涂覆5RMA型銦助焊劑后回流，采用五段式回流爐，選用氮?dú)鈿夥眨鳒貐^(qū)溫度值分別為80°C、160°C、200°C、260°C和80°C，每個(gè)溫區(qū)保溫時(shí)間30秒，相鄰兩溫區(qū)時(shí)間間隔15 秒，回流后去除殘留助焊劑，最后依次用丙酮、無水乙醇和水徹底清洗凸點(diǎn)。
3.按權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于所述的A步驟中a)所述的熱氧化處理工藝為濕法或干法，SiO2層厚度為0.5-1. 0微米；b)所述的真空濺射的Al導(dǎo)電層厚度為0.5-2. 0微米；c)步驟(3)中所述WH3PO4溶液中腐蝕溫度為45°C；d)所述的PECVD沉積的S^2鈍化層厚度為0.2-1. 0微米；采用干法刻蝕形成鈍化層開口的刻蝕速率為0. 06 μ m/mm,刻蝕時(shí)間為6分鐘；e)步驟(5)中真空濺射的金屬粘附層厚度為0.05-0.1微米，作為電鍍種子層的Cu層厚度為0. 2-0. 5微米；f)所述的基板包括熱氧化硅片、金屬Al導(dǎo)電層、SiO2鈍化層和金屬種子層組成。
4.按權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于所述的S^2鈍化層開口直徑為70微米。
5.按權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于所述的步驟B中a)步驟(1)中涂敷厚光刻膠的旋轉(zhuǎn)速度為600r/min，旋轉(zhuǎn)時(shí)間30秒，膠厚30微米；b)步驟1中曝光光強(qiáng)18mW/cm2，曝光時(shí)間100秒；顯影液為25vol% AZ400K+75vol % 水，顯影時(shí)間為90-100秒；c)步驟2中i)所述的Cu電鍍工藝是在商用的Cu電鍍液中進(jìn)行，電流密度為20mA/cm2 30mA/cm2， 電鍍速率約為10 μ m/h 15 μ m/h ；ii)所述的Sn-Ag電鍍工藝在khlotter公司生產(chǎn)的SL0T0L0YSNA30鍍液中進(jìn)行，電流密度在15mA/cm2 25mA/cm2，電鍍速率控制在10 μ m/h 14 μ m/h范圍；iii)所述的^電鍍工藝是在氨基磺酸銦溶液中進(jìn)行，電流密度范圍為8mA/cm2 12mA/cm2，電鍍速率約為10 μ m/h 15 μ m/h，Sn-Ag與h鍍層總厚度與電鍍窗口直徑和凸點(diǎn)節(jié)距相關(guān)。
6.按權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于所述的電鍍窗口至少大于S^2鈍化層開口半徑10微米，并距Al焊盤邊緣最少6微米。
7.按權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于回流后形成凸點(diǎn)高度與電鍍窗口直徑相當(dāng)， 等于凸點(diǎn)節(jié)距的1/3-1/2。
8.按權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于凸點(diǎn)最小直徑為40微米，凸點(diǎn)節(jié)距為100微米。
9.按權(quán)利要求3或5所述的方法，其特征在于凸點(diǎn)下的金屬層Cu或?yàn)镹i，厚度為3-5 微米。
10.按權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征在于銦在焊料中的含量可由鍍層厚度來控制。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種制備Sn-Ag-In三元無鉛倒裝凸點(diǎn)的方法，其特征在于采用分步電鍍法在芯片基板上電鍍?nèi)獰o鉛焊料。首先以硅片為基底，熱氧化形成二氧化硅絕緣層后正面濺射鋁導(dǎo)電層，沉積二氧化硅鈍化層，光刻并干法腐蝕鈍化層開口，之后在基板上濺射金屬種子層，涂覆厚光刻膠并光刻電鍍窗口，然后分兩步分別電鍍錫銀和銦，電鍍完成后去除厚光刻膠和多余的種子層，回流焊料形成凸點(diǎn)。本發(fā)明充分利用了電鍍法制備凸點(diǎn)所具備的凸點(diǎn)一致性好、凸點(diǎn)尺寸和節(jié)距小、凸點(diǎn)產(chǎn)量高、成本低等優(yōu)點(diǎn)，克服了電鍍法在三元合金上的局限性，并為電鍍法制備Sn-Ag-In三元高密度微小尺寸無鉛凸點(diǎn)奠定了基礎(chǔ)。
文檔編號H01L21/60GK102222630SQ201110149550
公開日2011年10月19日 申請日期2011年6月3日 優(yōu)先權(quán)日2011年6月3日
發(fā)明者徐高衛(wèi), 王棟良, 羅樂, 袁媛 申請人:中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所