專利名稱：在襯底上形成焊料沉積的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及通過電鍍形成焊料沉積，特別是涉及倒裝芯片封裝，更特別是涉及由錫和錫合金的電鍍焊料所形成的倒裝芯片接點(diǎn)以及板到板焊點(diǎn)。
背景技術(shù)：
自從20世紀(jì)60年代早期由IBM引入了倒裝芯片技術(shù)起，就已經(jīng)將倒裝芯片器件安裝在昂貴的陶瓷襯底上，在這種情況下，硅芯片和陶瓷襯底之間的熱膨脹失配不是很關(guān)鍵。與絲焊技術(shù)相比，倒裝芯片技術(shù)更好在于能夠提供更高的封裝密度(更小的器件外形輪 廓)和更高的電性能(盡可能更短的引線和更低的電感)。在此基礎(chǔ)上，在過去的40年里已經(jīng)通過在陶瓷襯底上使用高溫焊料(受控塌陷芯片連接，C4)來對(duì)倒裝芯片技術(shù)在工業(yè)上進(jìn)行實(shí)踐。然而，近年來，針對(duì)現(xiàn)代電子產(chǎn)品的微型化的趨勢(shì)，由高密度、高速、和低成本半導(dǎo)體器件的需求所驅(qū)使，安裝在具有環(huán)氧樹脂底層填料(epoxy underfill)的低成本有機(jī)電路板(例如，印刷電路板或襯底)上的倒裝芯片器件已經(jīng)經(jīng)歷了爆炸性增長(zhǎng)，該底層填料緩解了由硅芯片和有機(jī)板結(jié)構(gòu)之間的熱膨脹失配所誘發(fā)的熱應(yīng)力。低溫倒裝芯片接點(diǎn)和基于有機(jī)物的電路板的引人注意的出現(xiàn)已經(jīng)使得當(dāng)前的行業(yè)能夠獲得用于倒裝芯片器件的制作的廉價(jià)解決方案。在當(dāng)前的低成本倒裝芯片技術(shù)中，半導(dǎo)體集成電路(IC)芯片的頂表面具有電接觸焊盤陣列。有機(jī)電路板還具有對(duì)應(yīng)的接觸網(wǎng)格。將低溫焊料凸點(diǎn)或者其他導(dǎo)電粘合材料在芯片和電路板之間放置并使其準(zhǔn)確地對(duì)準(zhǔn)。芯片被顛倒翻轉(zhuǎn)并安裝在電路板上，其中，焊料凸點(diǎn)或?qū)щ娬澈喜牧显谒鲂酒碗娐钒逯g提供電輸入/輸出(I/o)和機(jī)械互連。對(duì)于焊料凸點(diǎn)接點(diǎn)而言，可以將有機(jī)底層填料密封劑進(jìn)一步分配到芯片和電路板之間的縫隙中，從而約束熱失配，以及降低焊點(diǎn)上的應(yīng)力。一般而言，為了通過焊點(diǎn)實(shí)現(xiàn)倒裝芯片組裝，通常在芯片的焊盤電極表面上預(yù)先形成金屬凸點(diǎn)，諸如，焊料凸點(diǎn)、金凸點(diǎn)或銅凸點(diǎn)，其中，所述凸點(diǎn)可以是任何形狀，例如，紐扣形凸點(diǎn)、球形凸點(diǎn)、圓柱形凸點(diǎn)或其他凸點(diǎn)。通常還使用低溫焊料來在電路板的接觸區(qū)域上形成對(duì)應(yīng)的焊料凸點(diǎn)(或者說預(yù)焊凸點(diǎn))。在回流溫度下，借助于焊點(diǎn)將芯片接合到電路板。因而，在分配了底層填料密封劑之后，就構(gòu)造了倒裝芯片器件。這樣的方法是本領(lǐng)域所熟知的，并且例如，在美國(guó)專利No. 7098126 (H. -K. Hsieh等)中描述了使用焊點(diǎn)的倒裝芯片器件的典型例子。當(dāng)前，用于在電路板上形成預(yù)焊凸點(diǎn)的最常見的方法是模版印刷法。與模版印刷法相關(guān)的一些先前的提議可以參考美國(guó)專利No. 5203075 (C. G. Angulas等)、美國(guó)專利No. 5492266 (K. G. Hoebener 等)和美國(guó)專利 No. 5828128 (Y. Higashiguchi 等)。用于倒裝芯片組裝的焊料隆凸(bumping)技術(shù)需要關(guān)于凸點(diǎn)間距和尺寸微型化這兩方面的設(shè)計(jì)考慮。根據(jù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，一旦凸點(diǎn)間距降到了 O. 15毫米以下，模版印刷就將變得不可行。相比之下，通過電鍍所沉積的焊料凸點(diǎn)則提供了使凸點(diǎn)間距進(jìn)一步降至O. 15毫米以下的能力?？梢栽诿绹?guó)專利 No. 5391514 (T. P. Gall 等)和美國(guó)專利 No. 5480835 (K. G. Hoebener等)中找到與用于倒裝芯片接合的電路板上的電鍍凸點(diǎn)有關(guān)的先前提議。盡管電路板上的電鍍焊料隆凸相比模版印刷提供了更為精細(xì)的凸點(diǎn)間距，但是其對(duì)于初始實(shí)現(xiàn)存在一些挑戰(zhàn)。在美國(guó)專利No. 7098126 (H.-K. Hsieh等)中描述了一種在有機(jī)襯底上形成焊料的多步驟過程。在所述方法中，最初提供了包括表面承載電路的有機(jī)電路板，所述表面承載電路包括至少一個(gè)接觸區(qū)域。焊料掩模層被置于板表面上，并被圖案化，從而使焊盤暴露。隨后，通過物理氣相沉積、化學(xué)氣相沉積、利用催化銅的無電鍍、或者利用催化銅的電鍍來在板表面上沉積金屬種層。在金屬種層上形成具有位于所述焊盤處的至少一個(gè)開口的抗蝕劑層。然后，通過電鍍?cè)谒鲩_口中形成焊料材料。最后，去除所述抗蝕劑和處于所述抗蝕劑之下的金屬種層。為了應(yīng)用該方法，需要各種圖案化步驟，這從過程效率的總體觀點(diǎn)來看是不期望的。此外，如果作為電子器件的微型化的結(jié)果而使相鄰接觸區(qū)域之間的距離(間距)非常小，那么所述方法具有其局限性。在US 2007/0218676A1中公開了一種用于形成金屬凸點(diǎn) 的方法。其中公開的方法包括在沉積導(dǎo)電層之前施加且平面化第一光致抗蝕劑，并且需要圖案化的光致抗蝕劑，從而去除多余的焊料材料和部分所述導(dǎo)電層。圖1中示出了例如在印刷電路板和IC襯底之間形成無空洞BGA (gall GridArray)焊點(diǎn)的常規(guī)過程。利用焊料抗蝕劑層112來涂覆襯底103a、103b，所述襯底103a、103b具有微盲孔(blind micro via，BMV)104，所述微盲孔使內(nèi)接觸焊盤102暴露。對(duì)焊料抗蝕劑層112進(jìn)行結(jié)構(gòu)化，以形成焊料抗蝕劑開口(SRO) 113。接下來，利用金屬層115，例如，銅層，來對(duì)所述BMV 104進(jìn)行共形涂覆。使焊球117附著到SRO (圖lb)，具有外層接觸焊盤120的第二襯底116被安裝到襯底上，使焊球117被附著并受到回流過程。然后，在回流期間，焊球117變成了焊點(diǎn)118。在焊點(diǎn)118和BMV 104內(nèi)側(cè)形成了空洞119，這降低了焊點(diǎn)118的機(jī)械穩(wěn)定性和導(dǎo)電性，并且因此這是不期望的。已知的過程還使用絲網(wǎng)印刷焊膏替代焊球117。然而，在這種情況下也發(fā)生空洞119的形成。對(duì)于具有小于200Mm的直徑的BMV而言，空洞119的形成尤其是未解決的問題。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明的目的在于提供一種用于在如電路板之類的襯底上形成焊料沉積的方法，其避免了在回流操作期間或之后形成空洞，并同時(shí)涉及減少數(shù)量的過程步驟。此外，本發(fā)明的目的在于提供一種產(chǎn)生具有高度均勻性的焊料材料的鍍敷方法，其適于在非常精細(xì)的結(jié)構(gòu)上形成焊料沉積。此外，本發(fā)明的目的在于避免在回流過程期間在焊料材料中形成空洞，所述空洞將降低以后形成焊點(diǎn)的機(jī)械穩(wěn)定性和導(dǎo)電性。因此，本發(fā)明的目的在于采取一種錫和錫合金的電鍍方法，從而在襯底上產(chǎn)生均勻的焊料沉積層。這樣的鍍液應(yīng)當(dāng)適于在不留下不期望的空洞或微坑的情況下填充具有高縱橫比的諸如BMV的凹陷結(jié)構(gòu)。本發(fā)明的另一目的在于提供一種用于焊料沉積方法，其具有降低數(shù)量的鍍敷步驟，并且即使當(dāng)焊料抗蝕劑開口具有不同尺寸時(shí)，其是普遍可適用的。與此同時(shí)對(duì)外銅層的圖案化是可行的?？傊?，公開了一種在襯底上制作電鍍焊料沉積以便形成倒裝芯片接點(diǎn)和板到板焊點(diǎn)的方法。根據(jù)本發(fā)明，提供了一種如電路板之類的非導(dǎo)電襯底，其包括具有至少一個(gè)接觸區(qū)域的表面承載電路。這樣的接觸區(qū)域可以是任何導(dǎo)電表面區(qū)域，例如，接觸焊盤、電路朝向襯底之外的最頂端的區(qū)域或者通過BMV暴露給襯底表面的內(nèi)接觸焊盤。在整個(gè)表面區(qū)域上形成導(dǎo)電種層。任選地，可以在沉積種層之前將擴(kuò)散阻擋層(diffusion barrier)沉積到所述接觸焊盤上。接下來，抗蝕劑層被沉積到襯底表面上，并被圖案化，以形成用于接觸焊盤和BMV的開口。通過電鍍將由錫或錫合金構(gòu)成的焊料沉積層沉積到不受所述圖案化的抗蝕劑層保護(hù)的區(qū)域中。
此后，去除所述圖案化的抗蝕劑層，并從未被所述焊料沉積層所覆蓋的那些表面區(qū)域去除導(dǎo)電種層。接下來，將焊料抗蝕劑層沉積到具有焊料材料層和暴露所形成的焊料材料的SRO的襯底表面上。


圖1示出了獲得兩個(gè)襯底之間的球柵陣列(BGA)焊點(diǎn)的現(xiàn)有技術(shù)方法。圖2示出了獲得兩個(gè)襯底之間的無空洞BGA焊點(diǎn)的根據(jù)本發(fā)明的方法。圖3示出了獲得具有增加的焊料沉積體積的無空洞BGA焊點(diǎn)的根據(jù)本發(fā)明的方法。圖4示出了獲得具有增加的導(dǎo)電性的無空洞BGA焊點(diǎn)的根據(jù)本發(fā)明的方法。圖5示出了獲得具有增加的導(dǎo)電性的無空洞BGA焊點(diǎn)的根據(jù)本發(fā)明的方法。圖6示出了獲得具有按照兩個(gè)步驟所沉積的焊料沉積的無空洞BGA焊點(diǎn)的根據(jù)本發(fā)明的方法。101外層銅層
102內(nèi)層接觸焊盤
103a外非導(dǎo)電襯底層
103b內(nèi)非導(dǎo)電襯底層
104用于內(nèi)層接觸焊盤的開口(BMV)
105導(dǎo)電種層
106鍍敷抗蝕劑層
107用于金屬抗蝕劑的開口
108焊料沉積層
109圖案化的金屬抗蝕劑層
110圖案化的外層銅層
111銅環(huán)
112焊料抗蝕劑層
113焊料抗蝕劑開口
114錫蝕刻抗蝕劑層
115附加金屬層116印刷電路板或IC襯底
117焊球
118回流后的焊點(diǎn)
119焊點(diǎn)中的空洞
120外層接觸焊盤
121中間焊料沉積頂層
122中間圖案化金屬抗蝕劑頂層。
具體實(shí)施方式
本發(fā)明提供了一種通過電鍍錫或錫合金層來在襯底上形成焊料沉積的方法。所述過程尤其適于在電路板上制作焊料凸點(diǎn)。在下文中更詳細(xì)地描述所述方法。本文中示出的附圖只是對(duì)所述過程的說明。所述附圖不是按比例繪制的，即，它們不反映芯片封裝結(jié)構(gòu)或印刷電路板中的各層的實(shí)際尺寸或特征。遍及說明書，相同的數(shù)字指代相同的元件?，F(xiàn)在參考圖2，根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，提供了一種非導(dǎo)電襯底103a/103b，其具有作為接觸區(qū)域?qū)嵤├膬?nèi)接觸焊盤102和在其表面上的銅層101(圖2a)。非導(dǎo)電襯底103a/103b可以是電路板，其可以由有機(jī)材料或者纖維強(qiáng)化有機(jī)材料或顆粒強(qiáng)化有機(jī)材料等制成，例如，環(huán)氧樹脂、聚酰亞胺、雙馬來酰亞胺三嗪、氰酸鹽酯、聚苯并環(huán)丁烯或者其玻璃纖維合成物等。通過機(jī)械或者激光鉆孔形成微通孔(BMV) 104，以便暴露內(nèi)接觸焊盤102(圖2b)。典型地，由諸如銅的金屬形成所述內(nèi)接觸焊盤102。任選地，在內(nèi)接觸焊盤102上形成阻擋層(圖2中未示出)，并且該阻擋層例如可以是鎳的粘合層或者金的保護(hù)層。所述阻擋層還可以由鈀、銀、錫、鎳/金疊層、鎳/鈀疊層、鉻/鈦疊層、鈀/金疊層、或者鎳/鈀/金疊層等制成，其可以通過電鍍、無電鍍、化學(xué)氣相沉積(CVD)或者物理氣相沉積(PVD)等被制成。接下來，將導(dǎo)電種層105沉積到包括外銅層101、內(nèi)接觸焊盤102和BMV 104的壁的襯底表面上(圖2c)。一般而言，所述種層例如通過在非導(dǎo)電表面的常規(guī)制造業(yè)中的并且本領(lǐng)域中熟知的無電沉積所形成。所述導(dǎo)電種層105是導(dǎo)電的，其提供粘附力，允許對(duì)其上表面的暴露部分進(jìn)行電鍍，并且能防止隨后的焊料沉積金屬遷移到接觸區(qū)域的底層金屬。替代地，所述種層可以由兩個(gè)金屬層構(gòu)成。用于第二金屬的優(yōu)選例子是銅，因?yàn)槠錇殡S后的電鍍提供合適的表面?？梢酝ㄟ^施加導(dǎo)電種層來在電鍍之前使所述非導(dǎo)電襯底活化。例如，PrintedCircuits Handbook, C. F. Coombs Jr. (Ed.), 6th Edition, McGraw Hill, 28. 5至28. 9和30.1至30. 11頁中描述的各種方法可以被用于所述活化。這些過程涉及形成包括碳顆粒、Pd膠體或?qū)щ娋酆衔锏膶?dǎo)電層。專利文獻(xiàn)中描述了這些過程中的一些，并且下面給出了例子
歐洲專利EP 0616053描述了用于向(不具有無電鍍涂層)的非導(dǎo)電襯底施加金屬涂層的過程，其包括
a.利用包括貴金屬/IVA族金屬溶膠的活化劑來接觸所述襯底，以獲得處理的襯底；
b.利用具有pH11以上到pH 13的自加速和補(bǔ)充浸潰金屬成分來接觸所述處理的襯底，所述金屬成分包括下述的溶液(i)Cu(II)、Ag、Au或Ni的可溶金屬鹽或其混合物，
(ii)IA族金屬氫氧化物，
(iii)包括有機(jī)材料的絡(luò)合劑，對(duì)于所述金屬鹽的金屬的離子而言，其具有從O. 73到21. 95的累計(jì)形成常數(shù)log K。該過程導(dǎo)致了能被用于隨后的電涂覆的薄導(dǎo)電層。在本領(lǐng)域中將所述過程稱為“連接(Connect) ”過程。美國(guó)專利5503877描述了非導(dǎo)電襯底的金屬化，其涉及使用絡(luò)合物以便在非金屬襯底上生成金屬種子。這些金屬種子為隨后的電鍍提供了充分的導(dǎo)電性。在本領(lǐng)域中將所述過程稱為所謂的“Neoganth”過程。美國(guó)專利5693209涉及一種用于非導(dǎo)電襯底的金屬化的過程，其涉及使用導(dǎo)電吡咯聚合物。本領(lǐng)域中將所述過程稱為“Compact CP”過程。 歐洲專利1390568B1還涉及非導(dǎo)電襯底的直接電解金屬化。其涉及使用導(dǎo)電聚合物來獲得用于隨后的電涂覆的導(dǎo)電層。所述導(dǎo)電聚合物具有噻吩單元。本領(lǐng)域中將所述過程稱為“Seleo CP”過程。最后，還可以利用膠質(zhì)的或者含有離子化鈀離子的溶液來使所述非導(dǎo)電襯底活化，例如，在Printed Circuits Handbook, C. F. Coombs Jr. (Ed.), 6th Edition, McGrawHill, 28. 9和30. 2至30. 3頁中描述了用于此的方法。根據(jù)本發(fā)明，所述導(dǎo)電種層105可以由單個(gè)金屬層、單個(gè)金屬合金層制成，或者可以由至少兩個(gè)不同的單層的多層制成。從由銅、錫、鈷、鎳、銀、錫鉛合金、銅鎳合金、銅鉻合金、銅釕合金、銅銠合金、銅銀合金、銅銥合金、銅鈀合金、銅鉬合金、銅金合金和銅稀土合金、銅鎳銀合金、銅鎳稀土金屬合金構(gòu)成的組中選擇適于作為導(dǎo)電種層的金屬和金屬合金。銅和銅合金被優(yōu)選作為導(dǎo)電種層105。根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，也可以通過無電鍍方法來形成所述導(dǎo)電種層105，其中，所述催化金屬不使用貴金屬，而是使用銅作為催化金屬?？梢栽诿绹?guó)專利No. 3993491和3993848中找到用于在非導(dǎo)電表面上形成這樣的催化銅的典型例子。所述導(dǎo)電種層105的厚度優(yōu)選小于0.1毫米，并且更優(yōu)選處于0. 0001毫米和0. 005毫米之間。根據(jù)所述種層105在焊料材料中的溶解度，所述種層105能完全溶解到焊料沉積中，或在回流過程之后仍然至少部分地存在。在本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例中，所述種層105由銅制成。在回流操作期間，所述種層105被完全溶解到焊料沉積層108中，并且形成了均一的錫銅合金?？梢愿鶕?jù)所要沉積的焊料材料108的體積來調(diào)整種層105的目標(biāo)厚度，以便在回流之后獲得錫銅合金，其與典型的無鉛焊料材料，例如，具有3wt. -%的銅的錫銅合金類似。在本發(fā)明的另一實(shí)施例中，通過無電鍍來沉積銅鎳合金作為導(dǎo)電種層105。在回流操作期間，使導(dǎo)電種層105溶解到焊料沉積層108中，并且形成均一的錫銅鎳合金。再者，相對(duì)于稍后沉積的焊料沉積層108的預(yù)期體積來調(diào)整所述種層105的厚度以及調(diào)整所述種層105中的鎳含量在回流操作之后得到作為目標(biāo)的錫銅鎳合金成分，其與典型的Sn-Cu-Ni焊料材料的成分相似。較薄的種層105是優(yōu)選的，因?yàn)槟軌蛟谖g刻溶液中更快地去除較薄的種層，可以縮短對(duì)于將所述非導(dǎo)電襯底103a/103b浸入所述蝕刻溶液中所需要的時(shí)間。
現(xiàn)在參考圖2d，通過本領(lǐng)域已知的技術(shù)來將抗蝕劑層106沉積到所述襯底上，并使其圖案化。在圖案化之后，暴露所述BMV。接下來，通過電鍍?cè)贐MV 104中形成焊料沉積層108 (圖2e)。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，該過程步驟還能夠通過形成開口 107來在涂覆有導(dǎo)電種層105的外銅層101上形成抗蝕劑圖案(圖2d)。該實(shí)施例允許在BMV 104中制造焊料沉積層的同時(shí)創(chuàng)建外部電路110 (圖2h)。在這種情況下，焊料材料還起著為形成外部電路110所必需的圖案化的金屬抗蝕劑層109的作用。根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，所述焊料材料108是錫或者錫合金，所述錫合金是由錫和從鉛、銀、銅、鉍、銻、鋅、鎳、鋁、鎂、銦、碲和鎵構(gòu)成的組中選擇的元素的混合物制成的。錫和錫合金電鍍液在本領(lǐng)域是已知的。通常使用的錫或錫合金電鍍液成分以及用于鍍敷的工藝參數(shù)在下文中被描述。 連同其他鍍液的組分一起可以添加Sn2+離子源、抗氧化劑和表面活性劑。Sn2+離子源可以是可溶解的含錫陽極，或者在使用不可溶陽極的情況下，其可以是可溶解Sn2+離子源。甲烷磺酸錫Sn(MSA)2因?yàn)樗母呷芙舛榷莾?yōu)選的Sn2+離子源。典型地，Sn2+離子源的濃度足以向所述鍍液中提供處于大約10g/l和大約100g/l之間的Sn2+離子，優(yōu)選處于大約15g/l和大約95g/l之間的Sn2+離子，更優(yōu)選處于大約40g/l和大約60g/l之間的Sn2+離子。例如，可以添加Sn(MSA)2，從而向電鍍液提供處于大約30g/l和大約60g/l之間的Sn2+離子。優(yōu)選的合金為錫銀合金。在這樣的情況下，所述電鍍液附加地含有可溶解的銀鹽，通常使用的是硝酸鹽、醋酸鹽，并且優(yōu)選使用甲烷磺酸鹽。典型地，Ag+離子源的濃度足以向所述鍍液中提供處于大約O. lg/Ι和大約1. 5g/l之間的Ag+離子，優(yōu)選處于大約O. 3g/l和大約O. 7g/l之間的Ag+離子，更優(yōu)選處于大約O. 4g/l和大約O. 6g/l之間的Ag+離子。例如，可以添加Ag (MSA)，從而向電鍍液提供處于大約O. 2g/l和大約1. Og/Ι之間的Ag+離子?？梢韵虮景l(fā)明的鍍液添加抗氧化劑，從而對(duì)抗溶液中的Sn2+離子的氧化而使鍍液穩(wěn)定?？梢砸蕴幱诖蠹sO. lg/Ι和大約10g/l之間的濃度,優(yōu)選處于大約O. 5g/l和大約3g/I之間的濃度來添加諸如對(duì)苯二酚、兒茶酚、羥基和氨基取代吡啶以及羥基、二羥基或三羥基苯甲酸中的任何一種的優(yōu)選抗氧化劑。例如，可以將對(duì)苯二酚以大約2g/l的濃度添加到鍍液。可以添加表面活性劑以促進(jìn)襯底的潤(rùn)濕。表面活性劑似乎起著溫和的沉積抑制劑的作用，其能在一定程度上抑制三維生長(zhǎng)，由此改善所述膜的形態(tài)和形貌。其還有助于使晶粒尺寸細(xì)化，這產(chǎn)生了更加均勻的凸點(diǎn)。示范性陰離子表面活性劑包括烷基磷酸酯、烷基醚磷酸鹽、烷基硫酸鹽、烷基醚硫酸鹽、烷基磺酸鹽、烷基醚磺酸鹽、羧酸醚、羧酸酯、烷基芳基磺酸鹽、芳基烷基醚磺酸鹽、芳基磺酸鹽和磺基丁二酸酯。本發(fā)明的電解電鍍液優(yōu)選具有酸性pH，以抑制陽極鈍化，實(shí)現(xiàn)更好的陰極效率，并且實(shí)現(xiàn)更具延展性的沉積。因此，鍍液pH優(yōu)選處于大約O和大約3之間。在優(yōu)選實(shí)施例中，鍍液的PH為O。因此，可以使用硝酸、乙酸和甲烷磺酸來實(shí)現(xiàn)優(yōu)選的酸性pH。在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，所述酸為甲烷磺酸。所述酸的濃度優(yōu)選處于大約50g/l和大約200g/l之間，更優(yōu)選處于大約70g/l和大約120g/l之間。例如,可以將處于大約50g/l和大約160g/l之間的甲烷磺酸添加到電鍍液，從而實(shí)現(xiàn)PH O的鍍液，并且所述甲烷磺酸充當(dāng)導(dǎo)電電解質(zhì)。
例如，在Jordan: The Electrodeposition of Tin and its Alloys, 1995, p.71-84中公開了典型的鍍液成分?？梢酝ㄟ^直流(DC)或脈沖鍍敷來執(zhí)行用于焊料儲(chǔ)存(solder depot)鍍敷的錫和錫合金的鍍敷。脈沖鍍敷技術(shù)尤其適于填充如圖2-6中所示的本發(fā)明的結(jié)構(gòu)。脈沖鍍敷的優(yōu)點(diǎn)是更好的表面分布均勻性和改善的晶體結(jié)構(gòu)，其中，錫沉積具有更加精細(xì)的晶粒尺寸，并且因此具有更好的可焊性屬性。而且，與DC鍍敷相比，通過脈沖鍍敷可以獲得更高的可適用電流密度，因此可以獲得更高的吞吐量。一般而言，可以施加l_20A/dm2的有效電流密度下的電流脈沖。替代地，可以利用·
1-3A/dm2的電流密度下的DC來執(zhí)行鍍液的操作。例如，施加具有3A/dm2的電流密度的錫脈沖鍍敷在30分鐘的鍍敷時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生了40 μ m的錫沉積的平均厚度。所述表面上的厚度變化僅為+/_15%。施加DC鍍敷可以獲得僅lA/dm2的最大電流密度。獲得40 μ m的錫沉積的厚度的鍍敷時(shí)間為86分鐘。表面上的變化為+/_33%，因而比脈沖鍍敷高得多。優(yōu)選脈沖參數(shù)如下
將至少一個(gè)正向電流脈沖的持續(xù)時(shí)間與至少一個(gè)反向電流脈沖的持續(xù)時(shí)間的比值調(diào)整為至少1:0-1:7，優(yōu)選為至少1:0. 5-1:4,以及更優(yōu)選為至少1:1-1:2. 5?？梢詫⒅辽僖粋€(gè)正向電流脈沖的持續(xù)時(shí)間調(diào)整為優(yōu)選至少5ms到1000ms。優(yōu)選將至少一個(gè)反向電流脈沖的持續(xù)時(shí)間調(diào)整為最多0. 2-5ms,以及最優(yōu)選為0. 5-1. 5ms。優(yōu)選將工件處的至少一個(gè)正向電流脈沖的峰值電流密度調(diào)整為l_30A/dm2的值。尤其優(yōu)選的是，在水平過程中工件處的至少一個(gè)正向電流脈沖的峰值電流密度具有大約
2-8A/dm2。在垂直過程中，工件處的至少一個(gè)正向電流脈沖的最優(yōu)選的峰值電流密度為1-5A/dm2。工件處的至少一個(gè)反向電流脈沖的峰值電流密度將被優(yōu)選地調(diào)整為0_60A/dm2的值。尤其優(yōu)選的是，在水平過程中工件處的至少一個(gè)反向電流脈沖的峰值電流密度具有大約0-20A/dm2。在垂直過程中，工件處的至少一個(gè)正向電流脈沖的最優(yōu)選的峰值電流密度為0-12A/dm2?，F(xiàn)在，再次參考圖2 :在下一步驟中，通過本領(lǐng)域已知的技術(shù)來去除抗蝕劑層106(圖2e)，留下焊料沉積層108、外銅層101、導(dǎo)電種層105和任選地留下圖案化的金屬抗蝕劑層 109。參考圖2g，去除不受焊料沉積層108保護(hù)的導(dǎo)電種層105和外銅層101，并且還任選地去除圖案化的金屬抗蝕劑層109。優(yōu)選通過將不被焊料沉積層108覆蓋的導(dǎo)電種層105和外銅層101完全化學(xué)蝕亥IJ，以及可選地將圖案化的金屬抗蝕劑層109完全化學(xué)蝕刻，來執(zhí)行所述去除。在去除不被焊料沉積層108覆蓋的導(dǎo)電種層105和外銅層101時(shí)，所述焊料沉積層108具有蝕刻抗蝕劑的功能。因而，不需要諸如光致抗蝕劑的附加的蝕刻抗蝕劑或掩模?？梢噪娊獾鼗蛘呋瘜W(xué)地執(zhí)行銅和銅合金的蝕刻，其也被稱為剝離。一般而言，可以在焊料沉積層108起著蝕刻抗蝕劑作用的同時(shí)，利用相同的蝕刻溶液來在單個(gè)蝕刻步驟中去除所述導(dǎo)電種層105和外銅層101?？梢酝ㄟ^應(yīng)用例行實(shí)驗(yàn)來選擇合適的蝕刻溶液。例如，在Printed Circuits Handbook, C. F. Coombs Jr. (Ed. ), 6th Edition,McGraw Hill, 34. 6至34. 18頁中公開了用于銅和銅合金的典型蝕刻或剝離成分。用于銅和銅合金的典型蝕刻成分為過硫酸鹽和硫酸、卡羅酸的混合物、過氧化物和無機(jī)酸的混合物、CuCl2、過氧化物和無機(jī)酸的混合物、CuCl2和氨水的混合物。接下來，通過蝕刻或剝離來去除任選的圖案化的金屬抗蝕劑層109 (圖2g和2h)。例如，在Jordan: The Electrodeposition of Tin and its Alloys, 1995, p.373-377中公開了用于錫和錫合金的典型蝕刻或剝離成分。
在電解剝離方法期間，將錫或其合金陽極溶解在70_90°C的溫度下的IOwt. %的NaOH溶液中。一般在70_90°C的升高溫度下，在含有如NaOH (大約IOwt. _%)之類的強(qiáng)堿的溶液中執(zhí)行化學(xué)剝離?？梢詫⒂袡C(jī)添加劑，尤其是如P-硝基苯酚之類的硝基芳烴化合物添加到所述溶液。替代地，可以在下述溶液中執(zhí)行化學(xué)剝離
-過氧化氫，通常具有添加的氟化物，
-基于硝酸和硝酸鹽的體系，其含有5_40wt. -%的硝酸鹽，
-基于HCl/氯化銅的體系，其含有5-20wt. -%的HCl，以及具有2. 5mg/l的氯化銅的初始濃度。任選地去除所述圖案化的金屬抗蝕劑層109，并且同時(shí)去除所述焊料沉積層108的一部分(圖2h)。在這種情況下，通過由所述外銅層101的未受蝕刻的部分所形成的銅的環(huán)形圈111來使所述焊料沉積層108機(jī)械地穩(wěn)定?，F(xiàn)在參考圖2i，焊料抗蝕劑層112被沉積到襯底表面上并被圖案化，從而形成開口 113以使焊料沉積層108暴露，對(duì)圖案化的外銅層110進(jìn)行保護(hù)，并提供絕緣。為此目的可以應(yīng)用機(jī)械鉆孔和激光鉆孔兩者。激光鉆孔是用于形成具有< 150Mm的直徑的開口 113的優(yōu)選方法?？梢詰?yīng)用UV型或CO2型激光鉆孔方法。將根據(jù)圖2i的結(jié)構(gòu)中的開口 113被表示為SRO (焊料抗蝕劑開口)，并且其優(yōu)選具有大約5-1. 000 μ m的尺寸，優(yōu)選為大約10-500 μ m的尺寸，以及甚至更優(yōu)選為20-250 μ m的尺寸。SRO的高度在5-250 μ m之間變化，優(yōu)選為大約10-50 μ m。將相鄰接觸區(qū)域的中心點(diǎn)的距離表示為間距，對(duì)于IC襯底而言，其從90-300 μ m的范圍變動(dòng)，并且對(duì)于印刷電路而言，其從150-1. 000 μ m的范圍變動(dòng)。通過已知技術(shù)沉積所述焊料抗蝕劑層112。可適用于本發(fā)明的例子為絲網(wǎng)印刷和/或光刻工藝。根據(jù)本發(fā)明可以使用各種類型的焊料掩模uv-硬化焊料掩模、可熱固二組分焊料掩模和光可成像焊料掩模。接下來，使焊球117或焊膏附著到SRO 113和焊料沉積層108 (圖2j)，并通過回流操作來將其焊接到具有外層接觸焊盤120的第二襯底(圖2k)。所得到的焊點(diǎn)118是無空洞的。盡管針對(duì)根據(jù)圖2的襯底詳細(xì)描述了該過程順序，但是其不限于此，并且可以被應(yīng)用到所有種類的襯底。在圖3-6中示出了能被相應(yīng)地處理的本發(fā)明的一些附加的優(yōu)選實(shí)施例。在本發(fā)明的又一實(shí)施例中，形成了高焊料沉積層108和外部電路110 (圖3):錫蝕刻抗蝕劑層114被沉積到所述襯底表面上并被圖案化，使所述抗蝕劑層僅保護(hù)所述焊料沉積層108 (圖3g2)。然后，在保持受到抗蝕劑層114保護(hù)的焊料沉積層108的同時(shí)去除圖案化的金屬抗蝕劑層109 (圖3g3)。接下來，去除所述抗蝕劑層114。在本發(fā)明的又一實(shí)施例中，向所述圖案化的金屬抗蝕劑層109上而不是向如圖3g2中所示的所述焊料沉積層108上沉積抗蝕劑層114。然后，通過電鍍向焊料沉積層108上沉積附加的焊料材料，隨后是去除抗蝕劑層114，并去除圖案化的抗蝕劑層109?，F(xiàn)在，參考圖4，向?qū)щ姺N層105上施加金屬115的共形涂層(圖4c2)。優(yōu)選的金屬115是通過電鍍所沉積的銅或銅合金。接下來，將抗蝕劑層106附著到襯底表面，通過本領(lǐng)域已知的技術(shù)使其圖案化，以便使共形涂覆的BMV 104暴露以及任選地使用于金屬抗蝕劑107的開口暴露(圖4d)。然后，將焊料沉積層108鍍敷到共形涂覆的BMV 104中，并將其任選地作為圖案化的金屬抗蝕劑層109而鍍敷到任選的開口 107中(圖4e)。在本發(fā)明的又一實(shí)施例(圖5)中，抗蝕劑層106被附著到襯底表面，并被圖案化，以便暴露BMV 104以及任選地暴露用于金屬抗蝕劑層107的開口(圖5d)。接下來，利用附 加的金屬層115來對(duì)BMV 104進(jìn)行共形涂覆，該附加的金屬層115最優(yōu)選是銅或銅合金的電鍍層(圖5d2)。任選地,將附加的金屬層115沉積到用于金屬抗蝕劑層107的任選開口中。然后，通過電鍍將焊料沉積層108沉積到所述共形涂覆的BMV 104中(圖5e)。在本發(fā)明的又一實(shí)施例(圖6)中，將中間焊料沉積頂層121沉積到焊料沉積層108上，并且任選地將中間圖案化的金屬抗蝕劑頂層122沉積到所述圖案化的金屬抗蝕劑層109上(圖6e2)。中間焊料沉積頂層121和中間金屬抗蝕劑頂層優(yōu)選由從銀、銅、鎳以及上述金屬與錫的合金構(gòu)成的組中選擇的金屬所構(gòu)成。中間焊料沉積頂層121起著儲(chǔ)料器的作用，其用于在回流操作期間與焊料沉積層108 —起形成合金。例如，由銀構(gòu)成的中間焊料沉積層121和由錫構(gòu)成的焊料沉積層108在回流操作期間形成了均一的錫銀合金?？梢韵鄬?duì)于焊料沉積層108的體積和成分利用中間焊料沉積頂層121的厚度和成分來獲得具有期望成分和屬性的焊料材料合金。下面的例子進(jìn)一步說明了本發(fā)明。范例
過程順序是根據(jù)圖2的。使用根據(jù)圖2a的具有外銅層101和內(nèi)層接觸焊盤102的PCB襯底。在下一步驟中，利用UV激光來鉆出開口 104 (圖2b)。通過去污(dismear)過程，即包括下述步驟的堿性高錳酸鹽處理來去除開口 104內(nèi)的污跡a)使塑料材料在基于丁基乙二醇的膨脹劑內(nèi)進(jìn)行膨脹，b)利用基于高錳酸鉀的成分來進(jìn)行高錳酸鹽蝕刻，以及c)利用包括過氧化氫的還原劑溶液來進(jìn)行還原。接下來，在整個(gè)襯底表面上形成銅的導(dǎo)電種層105 (圖2c)。為此，首先利用含有離子化鈀的酸性溶液接觸所述表面，并且然后利用用于無電銅沉積的溶液接觸所述表面。然后，將干膜光致抗蝕劑106 (PM 250，DuPont)層壓到所述外銅層101上。按照標(biāo)準(zhǔn)過程使所述干膜光致抗蝕劑圖案化，從而使開口 104暴露(圖2d)。此后，根據(jù)含有下述成分的鍍液將錫焊料沉積層108和圖案化的金屬抗蝕劑層109鍍敷在所述導(dǎo)電層上(圖2e)
作為 Sn (MSA)2 的 45 g/Ι 的 Sn2+、60 ml/1 的 MSA (70% 溶液)、2 g/Ι 的氫醌和 100 mg/I的苯亞甲基丙酮。所述鍍液的pH為O,溫度為25°C。鍍敷時(shí)間為7分鐘。應(yīng)用下述參數(shù)來使用脈沖
鍍敷
正向電流脈沖的平均電流密度2A/dm2 ；
正向電流脈沖的持續(xù)時(shí)間20ms ；
反向電流脈沖的平均電流密度0A/dm2 (無反向脈沖，僅暫停脈沖)；
反向電流脈沖的持續(xù)時(shí)間4ms。在沒有任何空洞形成的情況下利用錫焊料沉積來完全填充根據(jù)圖2e的開口 108。 此外，利用圖案化的金屬抗蝕劑層109來填充開口 107。然后，利用2wt. -%的碳酸鉀的水溶液來去除所述圖案化的干膜光致抗蝕劑106(圖 2f)。通過利用包括200ml/l的HCl (32%)和160g/l的CuCl2 ·2Η20的蝕刻成分蝕刻銅層101和導(dǎo)電種層105，來形成結(jié)構(gòu)化的銅層110和銅環(huán)111(圖2g)。出于此目的，在45°C的溫度下，在具有噴嘴陣列的水平機(jī)構(gòu)中使蝕刻成分接觸所述襯底。接觸時(shí)間大約為30s。所述焊料沉積層108具有金屬抗蝕劑的功能。因而，沒有諸如光致抗蝕劑的附加的蝕刻抗蝕劑或掩模被用于形成所述結(jié)構(gòu)化的銅層110和銅環(huán)111。在下一步驟中，通過在含有30vol. -%的硝酸的溶液中，在40°C的溫度下處理I分鐘來去除所述圖案化的金屬抗蝕劑層109和所述焊料沉積層108的一部分(圖2h)。接下來，將具有25Mm的厚度的焊料抗蝕劑層112(Lackwerke Peters7ELPEMER SD2467 SG-DG (525))沉積到所述結(jié)構(gòu)化的銅層110以及非導(dǎo)電襯底103a的相鄰表面上。所述焊料抗蝕劑層被光結(jié)構(gòu)化，以便使所述焊料沉積層108暴露(圖2i)。錫焊料沉積108是無空洞的，其示出了非常均一的表面分布，并且是無晶須的(whisker free)。所述襯底適于被焊接到芯片或電路。在回流118焊接之后所得到的焊點(diǎn)是無空洞的。
權(quán)利要求
1.一種在襯底上形成焊料沉積的方法，其包括下述步驟 a.提供包括銅或銅合金表面101的襯底，該襯底包括至少一個(gè)內(nèi)層接觸焊盤102， b.貫穿銅表面101形成用于所述至少一個(gè)內(nèi)層接觸焊盤102的開口104， c.將包括開口104和至少一個(gè)內(nèi)層接觸焊盤102的整個(gè)襯底表面與適于在襯底表面上提供導(dǎo)電層105的溶液相接觸， d.沉積和圖案化抗蝕劑層106，從而使所述至少一個(gè)內(nèi)層接觸焊盤102暴露， e.將由錫或錫合金構(gòu)成的焊料沉積層108電鍍到所述開口104中， f.去除所述抗蝕劑層106， g.通過蝕刻來去除未被焊料沉積層108覆蓋的裸露的導(dǎo)電層105和處于未被錫或錫合金層覆蓋的所述導(dǎo)電層105之下的銅或銅合金表面101， 其中，所述焊料沉積層108具有蝕刻抗蝕劑的功能，h.施加焊料抗蝕劑層112，并形成焊料抗蝕劑開口113，從而使焊料沉積層108暴露。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，在步驟d.中還形成用于金屬抗蝕劑107的開口，其在步驟e.中通過電鍍錫或錫合金來用所述圖案化的金屬抗蝕劑層109進(jìn)行填充。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其中，應(yīng)用下述附加過程步驟 g2將錫蝕刻抗蝕劑層114沉積到焊料沉積層108上，并去除層109，以及 g3從所述焊料沉積層108去除所述錫蝕刻抗蝕劑層114。
4.根據(jù)權(quán)利要求1到3所述的方法，其中，通過蝕刻來去除金屬抗蝕劑層109。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，在權(quán)利要求1中的步驟c.和步驟d.之間沉積附加的金屬層115。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，在權(quán)利要求1中的步驟d.和步驟e.之間沉積附加的金屬層115。
7.根據(jù)前述權(quán)利要求中的任何一項(xiàng)所述的方法，其中，將中間焊料沉積頂層121沉積到所述焊料沉積層108上。
8.根據(jù)前述權(quán)利要求中的任何一項(xiàng)所述的方法，其中，所述導(dǎo)電種層105從由以下構(gòu)成的組中選擇銅、鎳、銀、其合金以及前述金屬和合金的多層。
9.根據(jù)前述權(quán)利要求中的任何一項(xiàng)所述的方法，其中，向襯底施加回流處理，以使焊料沉積層108和焊料抗蝕劑層112被附著。
10.根據(jù)前述權(quán)利要求中的任何一項(xiàng)所述的方法，其中，所述內(nèi)層接觸焊盤102包括通孔或溝槽。
11.根據(jù)前述權(quán)利要求中的任何一項(xiàng)所述的方法，其中，所述襯底是印刷電路板、IC襯底或插入機(jī)構(gòu)。
全文摘要
描述了一種在襯底上形成焊料沉積的方法，其包括下述步驟i)提供包括至少一個(gè)內(nèi)接觸區(qū)域的襯底，ii)將包括所述至少一個(gè)內(nèi)接觸區(qū)域的整個(gè)襯底區(qū)域與適于在襯底表面上提供導(dǎo)電層的溶液相接觸，iii)形成圖案化的抗蝕劑層，iv)將含有錫或錫合金的焊料沉積層電鍍到所述內(nèi)接觸區(qū)域上，v)去除所述圖案化的抗蝕劑層，vi)在所述襯底表面上形成具有焊料抗蝕劑開口的焊料抗蝕劑層。
文檔編號(hào)H01L21/48GK103026475SQ201180033258
公開日2013年4月3日 申請(qǐng)日期2011年6月23日 優(yōu)先權(quán)日2010年7月5日
發(fā)明者S.蘭普雷希特, K-J.馬特雅特, I.埃沃特, S.肯尼 申請(qǐng)人:安美特德國(guó)有限公司