[發(fā)明專利]具有改進(jìn)的機(jī)械可靠性和熱可靠性的半導(dǎo)體裝置

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 200680028208.8
• 申請日: 2006-08-09
• 公開（公告）號(hào): CN101233613A
• 公開（公告）日: 2008-07-30
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 阿野一章
• 申請（專利權(quán)）人: 德州儀器公司
• 主分類號(hào): H01L23/48
• 分類號(hào): H01L23/48;H01L29/40;H01L23/52
• 代理公司: 北京律盟知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限責(zé)任公司
• 代理人: 劉國偉

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及具有鍍銅接觸墊的半導(dǎo)體裝置且在加速應(yīng)力測試下解決其可靠性。

背景技術(shù)

在用于表面安裝組合件的半導(dǎo)體裝置封裝中，球柵陣列(BGA)封裝越來越普遍。其可用于許多消費(fèi)者產(chǎn)品并有助于當(dāng)前的小型化趨勢。分布在整個(gè)封裝區(qū)域上的焊料元件提供大量輸入/輸出端子。另外，焊料元件提供具有非常低的故障率(“6西格瑪處理”)的板附接技術(shù)的機(jī)會(huì)。

然而，最近存在影響B(tài)GA封裝的挑戰(zhàn)性要求。僅舉一些例子來說：越來越要求焊料元件不含鉛(出于環(huán)境考慮)；這個(gè)要求造成冶金學(xué)挑戰(zhàn)。接觸墊將銅作為其基底金屬；這種選擇對焊料元件形成冶金學(xué)接口挑戰(zhàn)。封裝組件的特征尺寸不斷減小對以可接受的殘存率通過加速應(yīng)力測試形成新的障礙；舉例來說，在高溫下且在潮濕環(huán)境中的加速壽命測試變得更具挑戰(zhàn)性。含有BGA封裝的裝置產(chǎn)品正散布到越來越多的消費(fèi)者應(yīng)用；通常，這些應(yīng)用形成更嚴(yán)格或甚至全新的驗(yàn)收測試。作為最近的實(shí)例，無線電話應(yīng)用引發(fā)對于經(jīng)受住電話跌落測試的要求，以便證實(shí)BGA封裝的焊料接點(diǎn)在測試之后仍是可靠的。

發(fā)明內(nèi)容

申請人認(rèn)識(shí)到需要一種靈活但成本低且穩(wěn)固的方法來制造具有焊料接點(diǎn)的裝置(尤其是半導(dǎo)體封裝)，使得接點(diǎn)給予所述裝置應(yīng)用專有的機(jī)械和熱可靠性且所述裝置將通過產(chǎn)品專項(xiàng)測試。

本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例是一種具有由特定區(qū)域的接觸墊和在墊區(qū)域上以冶金學(xué)方式附接到接觸墊的合金層制成的焊料接點(diǎn)的裝置。接觸墊的表面具有銅。合金層在接觸區(qū)域上包括銅/錫合金和銅/鎳/錫合金。銅/錫合金包括Cu₆Sn₅金屬間化合物。銅/鎳/錫合金包括(Ni，Cu)₆Sn₅金屬間化合物。包括錫的焊料元件在墊區(qū)域上以冶金學(xué)方式附接到合金層。

以銅/錫合金為主的第一合金有助于將跌落測試性能改進(jìn)到由具有銅墊的焊料接點(diǎn)實(shí)現(xiàn)的最佳水平。以含鎳合金為主的第二合金通過減緩老化條件而有助于改進(jìn)壽命測試性能。

一種形成上述實(shí)施例中的合金區(qū)的所需數(shù)目、分布和厚度的優(yōu)選方法是在銅接觸墊上方沉積具有預(yù)定厚度的薄鎳層，將含錫焊料元件附接到鎳層，且根據(jù)選定時(shí)間-溫度曲線回流焊料。

在本發(fā)明的另一實(shí)施例中，合金層可包括金或鈀。

附圖說明

圖1說明具有用于外部連接的焊料元件的球柵陣列(BGA)型半導(dǎo)體裝置的示意性橫截面圖。

圖2是襯底的部分“A”(圖1)的示意性橫截面圖，其展示焊料元件附接之前的接觸墊的細(xì)節(jié)。

圖3是襯底的部分“A”(圖1)的示意性橫截面圖，其展示焊料元件回流之后的接觸墊的細(xì)節(jié)。

圖4是焊料接點(diǎn)的部分“B”(圖3)的示意性橫截面圖。

圖5說明具有薄鎳層的銅觸點(diǎn)的時(shí)間-溫度曲線的實(shí)例，其用以回流錫焊料且形成銅/錫和鎳/錫、鎳/銅/錫合金區(qū)。

具體實(shí)施方式

圖1示意性說明球柵陣列(BGA)半導(dǎo)體裝置大家族中的代表。半導(dǎo)體芯片101通過使用用于機(jī)械附接的芯片附接材料103和用于電連接的接合線104而組裝在襯底102上。組合件通常囊封在模制化合物105中。

襯底102具有一個(gè)或一個(gè)以上圖案化金屬層以用于內(nèi)部互連(圖1中未展示)，以尤其在線腳接合點(diǎn)106與接觸墊107之間形成連接線以用于外部連接。金屬層由絕緣層分開。焊料元件108附接到接觸墊107。這種焊料附接在各種測試和使用條件下的可靠性值得特殊考慮。

圖2和圖3更詳細(xì)地展示裝置的部分“A”。圖2說明焊料元件208回流之前的裝置接觸墊，且圖3說明回流工序之后的裝置接觸墊。在圖2中，襯底102具有絕緣表面層201，其通常稱為焊料掩模。已經(jīng)在焊料掩模201中打開具有寬度202的窗口，其暴露襯底的互連涂敷金屬210的一部分，且因此界定接觸區(qū)域。涂敷金屬210由銅制成，且所暴露銅的區(qū)域由焊料掩模窗口的寬度202確定。

在所暴露銅的區(qū)域上方沉積鎳層211；另外，貴金屬(例如金或鈀)層212沉積在所述鎳層上方。在此實(shí)施例中，鎳層的厚度在約0.01與0.3μm之間；優(yōu)選厚度范圍為0.12±0.04μm。金層的厚度在約0.1與1.0μm之間；優(yōu)選厚度范圍為0.5±0.25μm。

焊料回流元件208含有錫；另外，其可含有選自由鉛、銀、鉍、銦、鋅、銅、鎳和銻組成的群組的金屬中的一者或一者以上。對于本實(shí)施例中的鎳層厚度來說，回流元件208中的錫和其它回流金屬的量比鎳的量大得多。