一种单一取向Cu6Sn5金属间化合物微互连焊点结构的制备及应用方法
【专利摘要】本发明提供一种单一取向Cu6Sn5金属间化合物微互连焊点结构的制备及应用方法，包括以下几个步骤：步骤A:采用电镀工艺在晶圆上阵列出Cu焊盘；步骤B:在所述Cu焊盘上制备的钎料，制成凸台；步骤C:对制备得到的凸台进行热风重熔30s-120s；步骤D:将步骤C得到的芯片进行固相老化处理；步骤E:将步骤D制备的焊点凸台放置于盐酸中，再用超声振荡，清洗，烘干，即得具有择优取向的Cu6Sn5焊盘；步骤F:将步骤E制备的焊点凸台倒置于倒扣于对应的电路板Cu金属层上，经回流焊工艺即可得到单一取向Cu6Sn5金属间化合物微互连焊点结构。本发明中的单一取向Cu6Sn5金属间化合物微互连焊点结构应用于较大尺度的二级封装中的在适当的工艺条件下，可以获得均一稳定的焊点结构。
【专利说明】一种单一取向Cu6Sn5金属间化合物微互连焊点结构的制备及应用方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种单一取向Cu6Sn5金属间化合物微互连焊点结构的制备及应用方法。
【背景技术】
[0002]现如今，微电子工业生产正面临着由2D封装向3D封装的转变，芯片集成度越来越高，芯片内焊点尺寸进一步减小。当前倒装芯片上焊点直径已降至100 μ m,随着硅通孔技术的发展，这个尺寸还会进一步的下降。受钎料熔点的制约，芯片的互连温度不会降低，对于如此小的焊点在完成互连后其内仅存在少量的晶粒，并且界面金属间化合物将会占据很大的比例，在电子器件服役或者存储过程中其内的焊点甚至全部被少量的金属间化合物晶粒所占据。由于原子和电子沿晶粒不同取向的扩散速率不同，焊点不同取向的金属间化合物晶粒其电迁移和热迁移抗性也不同。对于倒装芯片结构来说，其中存在大量的微焊点，因此在完成互连后不可避免的会有一些焊点由于其中晶粒的取向不利，在电子产品使用过程中提前失效，进而降低电子产品的使用寿命。因此控制倒装芯片中所有焊点内的界面化合物的取向尽可能的一致就显得尤为重要，是提高3D封装可靠性的一个重要的因素。
[0003]业界主要的尝试是在芯片上制备出均一取向的单晶铜Ubm层，利用金属间化合物Cu6Sn5与Cu的某些晶向上特定匹配关系，以达到焊点内Cu6Sn5晶粒取向一致，但是就目前的技术水平在芯片上均匀的制备出特定取向单晶铜ubm层还很难实现。2012年美国加州大学洛杉矶分校的K.N.Tu教授及其团队通过电镀的工艺制备出了(111)取向的纳米孪晶铜，在其上生长的化合物为得到(0001)取向的Cu6Sn5，实现了晶圆上所有焊点内微观组织均一的结果。但是此种方法需对现有的已成熟的电镀工艺及设备进行大量的改进，工艺复杂，成本较高，不宜大规模生产。
[0004]
【发明内容】
[0005]本发明所要解决的技术问题是提供一种单一取向Cu6Sn5金属间化合物微互连焊点结构的制备方法，包括以下几个步骤:
步骤A:采用电镀工艺在晶圆上阵列出Cu焊盘；
步骤B:在所述Cu焊盘上制备的钎料，制成凸台；
步骤C:对制备得到的凸台进行热风重熔30s-120s ；
步骤D:将步骤C得到的芯片进行固相老化处理；
步骤E:将步骤D制备的焊点凸台放置于盐酸酒精中，再用超声振荡，清洗，烘干，即得具有择优取向的Cu6Sn5焊盘；
步骤F:将步骤E制备的焊点凸台倒置于倒扣于对应的电路板Cu金属层上，经回流焊工艺即可得到单一取向Cu6Sn5金属间化合物微互连焊点结构。[0006]或者，包括以下几个步骤:
步骤A:采用电镀工艺在晶圆上阵列出Cu焊盘；
步骤B:在所述Cu焊盘上制备的钎料，制成凸台；
步骤C':对制备得到的凸台进行热风重熔20-600min ;
步骤D':将步骤C'制备的焊点凸台放置于盐酸酒精中，再用超声振荡，清洗，烘干，即得具有择优取向的Cu6Sn5焊盘。
[0007]步骤E':将步骤D'制备的焊点凸台倒置于倒扣于对应的电路板Cu金属层上，经回流焊工艺即可得到单一取向Cu6Sn5金属间化合物微互连焊点结构。
[0008]优选的，所述钎料采用SnAgCu或SnPbCu钎料。
[0009]优选的，所述Sn-Ag-Cu钎料中，按重量百分比,包括:3.0-4.0wt%的Ag, 0-0.7 wt%的Cu,余量为Sn。
[0010]优选的，所述Sn-Pb-Cu钎料中，按重量百分比，包括:30-45wt9^^Pb，0-0.7 ?七％的Cu,余量为Sn。
[0011]优选的，所述步骤C中重熔的加热温度为液相线5°C以上至250°C，加热时间30_120s o
[0012]优选的，所述步骤D中，老化温度100_150°C，老化时间20-100d。
·[0013]优选的，所述步骤C'中重熔的加热温度为液相线5°C以上至250°C，加热时间20_600min。
[0014]优选的，所述步骤E和D'中，盐酸酒精溶液中盐酸比酒精的质量浓度为1_5%，超声清洗时间为lmin。
[0015]优选的，所述步骤E'和F中，回流焊工艺参数为液相线以上10°C至280°C。
[0016]本发明的有益效果是:1.制备方法简单，3D封装中所有焊点内晶粒取向分布一致。2.二级封装中获取根据本发明所述的单一取向Cu6Sn5金属间化合物微互连焊点结构的制备方法，可以在芯片上制备出均一取向的Cu6Sn5UBM层，在芯片互连或者服役过程中，芯片上所有焊点保持着均一的结构，避免了个别焊点因为焊点晶粒取向的原因造成的提前失效。整个工艺过程简单，易控，成本低廉，适合大规模生产。
[0017]
【专利附图】
【附图说明】
[0018]图1是单一取向Cu6Sn5化合物微互连焊点结构制备流程图。
[0019]图2是实施例1中金属间化合物焊点纵截面的EBSD晶体取向(反极图)，焊点中Cu6Sn5金属间化合物呈现出明显的取向择优分布。
[0020]图3是实施例2中金属间化合物焊点纵截面的EBSD晶体取向(反极图)，焊点中Cu6Sn5金属间化合物呈现出明显的取向择优分布。
[0021]图4是实施例3中金属间化合物焊点纵截面的EBSD晶体取向(反极图)，焊点中Cu6Sn5金属间化合物呈现出明显的取向择优分布。
[0022]图5是实施例4中金属间化合物焊点纵截面的EBSD晶体取向(反极图)，焊点中Cu6Sn5金属间化合物呈现出明显的取向择优分布。
[0023]【具体实施方式】
[0024]下面结合附图，对本发明的较优的实施例作进一步的详细说明:
实施例1:
如图1所示，其中I为硅片(或PCB板)，2为Cu冶金焊盘，3为焊料，4为界面Cu6Sn5金属间化合物。
[0025](I)采用电镀工艺在晶圆上阵列出8X8直径200μπι，厚度36μπι的Cu焊盘；
(2)采用电镀工艺在步骤(I)制备的Cu焊盘上制备50μ m厚的钎料，钎料成分为Sn3.5Ag共晶钎料
(3)对步骤(2)制备的凸台进行热风重熔，重熔温度230°C，重熔时间60s。
[0026](4)对步骤(3)制备的芯片进行固相老化处理，固相老化温度为150°C，老化时间为36天。
[0027](5)将步骤(4)制备的焊点凸台至于5%的盐酸酒精溶液中超声振荡lmin，然后烘干。
[0028](6)将步骤(5)制备的焊点凸台倒扣于对应的电路板Cu焊盘上，经240°C回流焊重熔120s即可得到单一取向Cu6Sn5金属间化合物微互连焊点结构如图1所示。
[0029]实施例2:
(1)采用电镀工艺在晶圆上阵列出8X 8直径200 μ m，厚度36 μ m的Cu金属层；
(2)采用电镀工艺在步骤(I)制备的Cu金属层上制备50μ m厚的钎料，钎料成分为Sn37Pb共晶钎料
(3)对步骤(2)制备的凸台进行热风重熔，重熔温度200°C，重熔时间60s。
[0030](4)对步骤(3)制备的芯片进行固相老化处理，固相老化温度为120°C，老化时间为36天。
[0031](5)将步骤(4)制备的焊点凸台至于5%的盐酸酒精溶液中超声清洗lmin，然后烘干。
[0032](6)将步骤(5)制备的焊点凸台倒扣于对应的电路板Cu焊盘上，经240°C回流焊重熔120s即可得到单一取向Cu6Sn5金属间化合物微互连焊点结构如图2所示(焊点纵截面EBSD取向图)，焊点中Cu6Sn5金属间化合物的取向呈现出明显的集中分布，择优取向为六方结构的Cu6Sn5的[0001]轴线方向垂直于Cu焊盘的方向。
[0033]实施例3:
(1)采用电镀工艺在晶圆上阵列出8X 8直径200 μ m，厚度36 μ m的Cu焊盘；
(2)采用电镀工艺在步骤(I)制备的Cu焊盘上制备50μ m厚的钎料，钎料成分为Sn3.5Ag共晶钎料
(3)对步骤(2)制备的凸台进行热风重熔，重熔温度230°C，重熔时间120min。
[0034](4)将步骤(3)制备的焊点凸台至于3%的盐酸酒精溶液中超声振荡lmin，然后烘干。
[0035](5)将步骤(4)制备的焊点凸台倒扣于对应的电路板Cu焊盘上，经240°C回流焊重熔120s即可得到单一取向Cu6Sn5金属间化合物微互连焊点结构如图3所示(焊点纵截面EBSD取向图)，焊点中Cu6Sn5金属间化合物的取向呈现出明显的集中分布，择优取向为六方结构的Cu6Sn5的[0001]轴线方向垂直于Cu焊盘的方向。
[0036]实施例4:
(1)采用电镀工艺在晶圆上阵列出8X 8直径200 μ m，厚度36 μ m的Cu焊盘；
(2)采用电镀工艺在步骤(I)制备的Cu焊盘上制备50μ m厚的钎料，钎料成分为Sn37Pb共晶钎料
(3 )对步骤(2 )制备的凸台进行热风重熔，重熔温度200 V，重熔时间180min。
[0037](4)将步骤(3)制备的焊点凸台至于3%的盐酸酒精溶液中超声振荡lmin，然后烘干。
[0038](5)将步骤(4)制备的焊点凸台倒扣于对应的电路板Cu焊盘上，经240°C回流焊重熔120s即可得到单一取向Cu6Sn5金属间化合物微互连焊点结构如图4所示(焊点纵截面EBSD取向图)，焊点中Cu6Sn5金属间化合物的取向呈现出明显的集中分布，择优取向为六方结构的Cu6Sn5的[0001]轴线方向垂直于Cu焊盘的方向。
[0039]以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属【技术领域】的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。
【权利要求】
1.一种单一取向Cu6Sn5金属间化合物微互连焊点结构的制备方法，其特征在于，包括以下几个步骤: 步骤A:采用电镀工艺在晶圆上阵列出Cu焊盘； 步骤B:在所述Cu焊盘上制备的钎料，制成凸台； 步骤C:对制备得到的凸台进行热风重熔30s-120s ； 步骤D:将步骤C得到的芯片进行固相老化处理； 步骤E:将步骤D制备的焊点凸台放置于盐酸酒精中，再用超声振荡，清洗，烘干，即得具有择优取向的Cu6Sn5焊盘； 步骤F:将步骤E制备的焊点凸台倒置于倒扣于对应的电路板Cu金属层上，经回流焊工艺即可得到单一取向Cu6Sn5金属间化合物微互连焊点结构。
2.一种单一取向Cu6Sn5金属间化合物微互连焊点结构的制备方法，其特征在于，包括以下几个步骤: 步骤A:采用电镀工艺在晶圆上阵列出Cu焊盘； 步骤B:在所述Cu焊盘上制备的钎料，制成凸台； 步骤C':对制备得到的凸台进行重熔20-600min ； 步骤D,:将步骤C'制备的焊点凸台放置于盐酸酒精中，再用超声振荡，清洗，烘干，即得具有择优取向的Cu6Sn`5焊盘； 步骤E':将步骤D'制备的焊点凸台倒置于倒扣于对应的电路板Cu金属层上，经回流焊工艺即可得到单一取向Cu6Sn5金属间化合物微互连焊点结构。
3.如权利要求1或2所述的具有单一取向Cu6Sn5金属间化合物微互连焊点结构的制备方法，其特征在于，所述钎料采用SnAgCu或SnPbCu钎料。
4.如权利要求3所述的具有单一取向Cu6Sn5金属间化合物微互连焊点结构的制备方法，其特征在于，所述Sn-Ag-Cu钎料中，按重量百分比，包括:3.0-4.0wt%的Ag，0_0.7 wt%的Cu,余量为Sn。
5.如权利要求3所述的具有单一取向Cu6Sn5金属间化合物微互连焊点结构的制备方法，其特征在于，所述Sn-Pb-Cu钎料中，按重量百分比，包括:30-45wt%的Pb，0_0.7 wt%的Cu,余量为Sn。
6.如权利要求1所述的具有单一取向Cu6Sn5金属间化合物微互连焊点结构的制备方法，其特征在于，所述步骤C中重熔的加热温度为液相线5°C以上至250°C，加热时间30_120s o
7.如权利要求1所述的具有单一取向Cu6Sn5金属间化合物微互连焊点结构的制备方法，其特征在于，所述步骤D中，老化温度100-150°C，老化时间20-100d。
8.如权利要求2所述的具有单一取向Cu6Sn5金属间化合物微互连焊点结构的制备方法，其特征在于，所述步骤C'中重熔的加热温度为液相线5°C以上至250°C，加热时间20_600min。
9.如权利要求1或2所述的具有单一取向Cu6Sn5金属间化合物微互连焊点结构的制备方法，其特征在于，所述步骤E和D'中，盐酸酒精溶液中盐酸比酒精的质量浓度为1_5%，超声清洗时间为lmin。
10.如权利要求1或2所述的具有单一取向Cu6Sn5金属间化合物微互连焊点结构的制备方法，其特征在于，所 述步骤E'和F中，回流焊工艺参数为液相线10°C以上至300°C。
【文档编号】B23K35/26GK103658899SQ201310648319
【公开日】2014年3月26日 申请日期:2013年12月4日 优先权日:2013年12月4日
【发明者】李明雨, 杨明, 马鑫, 陈宏涛, 张志昊 申请人:哈尔滨工业大学深圳研究生院, 亿铖达焊锡制造（昆山）有限公司, 深圳市亿铖达工业有限公司, 东莞市亿铖达焊锡制造有限公司