专利名称：含Co基薄膜的凸点底部金属层与无铅焊点连接的方法
技术领域：
本发明属于微电子封装的技术领域，特别涉及一种含Co基薄膜的凸点底部金属层与无铅焊点连接的方法。
背景技术：
随着电子产品不断向小型化、高密度化、大功率化发展，微电子封装技术也在不断革新。焊点作为电、热和机械连接的通道，其可靠性已成为新一代电子产品使用的核心问题之一。焊点在服役过程中伴随着循环的电、热、机械应力等作用，极易发生疲劳和蠕变，因此，如何提高它的可靠性变得非常迫切。近年来，欧洲、日本、中国和美国等都已经出台法规分阶段限制含铅焊料的使用， 微电子行业向绿色环保型制造业的转变已成为全球发展的必然趋势，由此导致焊料向环保型即无铅焊料转变也成为微电子封装材料发展的必然趋势。与传统含铅焊料相比，无铅焊料与衬底上的凸点底部金属层(Under Bump Metal)连接后所构成的焊点具有很多缺点，例如无铅焊料在凸点底部金属层的浸润性差，两者反应所形成的金属间化合物容易使焊点的可靠性降低等。如何提高无铅焊料焊点的可靠性已成为当今微电子封装领域一个重要的研
J Li ^^ ； ^^ ο根据已有的研究结果，焊点要想具有好的可靠性，它所连接的凸点底部金属层需要满足三个要求能够与衬底很好附着；能够被焊料浸润，但不能迅速熔于焊料；能够阻挡焊料扩散。因此，如何改进凸点底部金属层的结构、性能或探索新型金属层是实现无铅焊料焊点可靠性的关键。如图1所示，是现有技术中凸点底部金属层与无铅焊料的连接结构示意图。基座 11上方设置有凸点底部金属层，凸点底部金属层上方焊接有无铅焊料15。凸点底部金属层从下往上依次是粘结层12、扩散阻挡层13和浸润层14，粘结层12为Ti (钛)膜，扩散阻挡层13为Ni-P(镍-磷)膜，浸润层14为Au(金)膜。目前，工业上广泛使用的凸点底部金属层主要是化学镀镍金，但是，虽然镍金作为凸点底部金属层结构所需要的金层仅约为lOOnm，但这仍然是工业生产中非常昂贵的成本， 因此，镍基材料(M-P，Ni-Zn-P)等具有不同成分的材料作为凸点底部金属层也不断被探索和研究。然而，无铅焊料与镍基薄膜凸点底部金属层通过热反应连接后，很容易在界面处形成Ni3P(镍三磷)层，从而导致焊点在循环热、电、机械作用下失效；Co(钴)基薄膜已被证实是一层非常好的阻挡扩散层，因此，利用Co基薄膜作为凸点底部金属层与无铅焊料连接将是未来新的发展趋势。
发明内容
本发明提供一种含Co基薄膜的凸点底部金属层与无铅焊点连接的方法，改进了凸点底部金属层的结构，解决了现有技术中无铅焊料与凸点底部金属层连接后构成的无铅焊点可靠性差、焊点极易发生疲劳和蠕变的问题。
技术内容如下一种含Co基薄膜的凸点底部金属层与无铅焊点连接的方法，包括制备基板，将选取的基板用超声波清洗并烘干；在所述基板上制备凸点底部金属层；将无铅焊料添加在所述凸点底部金属层上；将所述带有无铅焊料的基板放入回流焊炉中进行焊接。进一步所述凸点底部金属层从下往上依次是Ti膜、Cu膜和Co基薄膜。进一步所述Ti膜的厚度为50nm ；所述Cu膜的厚度为200nm，所述Cu膜的表面粗糙度为5-10nm。进一步所述Co基薄膜的厚度为2 4 μ m，所述Co基薄膜的表面粗糙度在3. 5 IOnm之间，所述Co基薄膜的颗粒尺寸在17 IOOnm之间，所述Co基薄膜的Co元素的含量在70 96%之间，所述Co基薄膜与所述Cu膜之间的界面结合在36 70mN之间。进一步利用电镀或化学镀的方法在Cu膜上覆盖厚度为2μπι的Co基薄膜；Co基薄膜的表面粗糙度为lOnm，颗粒尺寸为30nm，Co元素的含量为96%，Co基薄膜与Cu膜之间的界面结合力为70mN。进一步利用电镀或化学镀的方法在Cu膜上覆盖厚度为3 μ m的Co基薄膜；Co基薄膜的表面粗糙度为4nm，颗粒尺寸为17nm，Co元素的含量为85%，Co基薄膜与Cu膜之间的界面结合力为54mN。进一步利用电镀或化学镀的方法在Cu膜上覆盖厚度为4 μ m的Co基薄膜；Co基薄膜的表面粗糙度为3. 5nm、颗粒尺寸为50nm、Co元素的含量为70%，Co基薄膜与Cu膜之间的界面结合力为36mN。进一步将所述制备有凸点底部金属层的基板用超声波清洗并烘干后平行放置， 将Sn-Ag-Cu无铅焊料加入到所述Co基薄膜上。进一步将氮气或惰性气体通入所述回流焊炉中，所述回流焊接的次数为1-3次。进一步所述回流焊炉的最高温度为256 257度。技术效果如下1、本发明改变了凸点底部金属层的结构，使无铅焊点不易发生疲劳和蠕变。2、本发明增强了无铅焊料在凸点底部金属层的浸润性，无铅焊点的可靠性稳定。3、本发明改变了现有技术中镀镍金的方法，代为使用Co基薄膜，使整个生产成本降低。4、使用本发明制作的凸点底部金属层能够与衬底很好附着，并且能够阻挡焊料扩散。5、本发明的工艺简单，操作方便，技术参数可控性强。
图1是现有技术中凸点底部金属层与无铅焊料的连接结构示意图；图2是本发明中凸点底部金属层与无铅焊料的连接结构示意图；图3a是本发明中优选实施例1中Co基凸点底部金属层与无铅焊料连接后横切面的扫描电镜图片；
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图北是本发明中优选实施例1中Co基凸点底部金属层与无铅焊料连接后横切面的EDS能谱线性扫描分析图；图如是本发明中优选实施例2中Co基凸点底部金属层与无铅焊料连接后横切的扫描电镜图片；图4b是本发明中优选实施例2中Co基凸点底部金属层与无铅焊料连接后横切面的EDS能谱线性扫描分析图；图fe是本发明中优选实施例3中Co基凸点底部金属层与无铅焊料连接后横切面的扫描电镜图片；图恥是本发明中优选实施例3中Co基凸点底部金属层与无铅焊料连接后横切面的EDS能谱线性扫描分析图。
具体实施例方式下面结合附图和优选实施例，对本发明的技术方案做详细描述。首先，制备基板。如图2所示，是本发明中凸点底部金属层与无铅焊料的连接结构示意图。选取厚度约为1mm，成分为Si/Si02(硅/ 二氧化硅，其中S^2的厚度为300nm)的基板21，将选取的基板21用超声波清洗并烘干。其次，在基板上制备凸点底部金属层。凸点底部金属层从下往上依次是Ti膜对、 Cu (铜)膜25和Co基薄膜沈；粘结层是由Ti膜M和Cu膜25构成的双层膜结构组成，扩散阻挡层和浸润层是由Co基薄膜沈组成，使用物理沉积的方法在基板上沉积厚度为50nm 的Ti膜M ；之后在使用物理沉积的方法在Ti膜M上沉积厚度为200nm的Cu膜25，使用电化学方法对Cu膜25表面进行处理，使Cu膜25的表面粗糙度为5-lOnm ；将制备有Cu膜 25的基板21用超声波清洗并烘干，利用电镀或化学镀的方法在Cu膜25上覆盖厚度约为 2 μ m-4 μ m的Co基薄膜沈；Co基薄膜沈的表面粗糙度小于lOnm、颗粒尺寸小于100nm、Co 元素的含量为70 96% (原子百分比)，Co基薄膜沈与Cu膜25之间的界面结合力大于 20mNo再次，将无铅焊料添加在凸点底部金属层上。将制备有凸点底部金属层的基板21 用超声波清洗并烘干后平行放置，根据所需焊点的大小将Sn-Ag-Cu (锡-银-铜)无铅焊料15加入到Co基薄膜沈上。最后，将带有无铅焊料的基板放入回流焊炉中进行焊接。将带有无铅焊料15的基板21平行放入回流焊炉，关闭炉门并通入氮气或者惰性气体，打开回流焊炉进行回流焊接，回流焊接的次数为1-3次，便可制得浸润性好、抗蠕变能力强、可靠性强的无铅焊点15。 其中，回流焊炉的加热参数如下表所示。
权利要求
1.一种含Co基薄膜的凸点底部金属层与无铅焊点连接的方法，包括制备基板，将选取的所述基板用超声波清洗并烘干；在所述基板上制备凸点底部金属层；将无铅焊料添加在所述凸点底部金属层上；将所述带有无铅焊料的基板放入回流焊炉中进行焊接。
2.如权利要求1所述含Co基薄膜的凸点底部金属层与无铅焊点连接的方法，其特征在于，所述凸点底部金属层从下往上依次是Ti膜、Cu膜和Co基薄膜。
3.如权利要求2所述含Co基薄膜的凸点底部金属层与无铅焊点连接的方法，其特征在于所述Ti膜的厚度为50nm ；所述Cu膜的厚度为200nm，所述Cu膜的表面粗糙度为 5_10nmo
4.如权利要求2所述含Co基薄膜的凸点底部金属层与无铅焊点连接的方法，其特征在于所述Co基薄膜的厚度为2 4 μ m，所述Co基薄膜的表面粗糙度在3. 5 IOnm之间，所述Co基薄膜的颗粒尺寸在17 IOOnm之间，所述Co基薄膜的Co元素的含量在70 96% 之间，所述Co基薄膜与所述Cu膜之间的界面结合力在36 70mN之间。
5.如权利要求4所述含Co基薄膜的凸点底部金属层与无铅焊点连接的方法，其特征在于利用电镀或化学镀的方法在Cu膜上覆盖厚度为2 μ m的Co基薄膜；Co基薄膜的表面粗糙度为lOnm，颗粒尺寸为30nm，Co元素的含量为96%，Co基薄膜与Cu膜之间的界面结合力为70mN。
6.如权利要求4所述含Co基薄膜的凸点底部金属层与无铅焊点连接的方法，其特征在于利用电镀或化学镀的方法在Cu膜上覆盖厚度为3 μ m的Co基薄膜；Co基薄膜的表面粗糙度为4nm，颗粒尺寸为17nm，Co元素的含量为85%，Co基薄膜与Cu膜之间的界面结合力为 MmN。
7.如权利要求4所述含Co基薄膜的凸点底部金属层与无铅焊点连接的方法，其特征在于利用电镀或化学镀的方法在Cu膜上覆盖厚度为4 μ m的Co基薄膜；Co基薄膜的表面粗糙度为3. 5nm、颗粒尺寸为50nm、Co元素的含量为70%，Co基薄膜与Cu膜之间的界面结合力为36mN。
8.如权利要求1或2所述含Co基薄膜的凸点底部金属层与无铅焊点连接的方法， 其特征在于将所述制备有凸点底部金属层的基板用超声波清洗并烘干后平行放置，将 Sn-Ag-Cu无铅焊料加入到所述Co基薄膜上。
9.如权利要求1或2所述含Co基薄膜的凸点底部金属层与无铅焊点连接的方法，其特征在于将氮气或惰性气体通入所述回流焊炉中，所述回流焊接的次数为1-3次。
10.如权利要求1或2所述含Co基薄膜的凸点底部金属层与无铅焊点连接的方法，其特征在于所述回流焊炉的最高温度为256 257度。
全文摘要
本发明公开了一种含Co基薄膜的凸点底部金属层与无铅焊点连接的方法，包括制备基板，将选取的基板用超声波清洗并烘干；在基板上制备凸点底部金属层；将无铅焊料添加在凸点底部金属层上；将带有无铅焊料的基板放入回流焊炉中进行焊接。本发明改进了凸点底部金属层的结构，解决了现有技术中无铅焊料与凸点底部金属层连接后构成的无铅焊点可靠性差、焊点极易发生疲劳和蠕变的问题。
文档编号H01L21/60GK102248241SQ201110129670
公开日2011年11月23日 申请日期2011年5月18日 优先权日2011年5月18日
发明者蔡坚 申请人:清华大学