[發(fā)明專利]倒裝芯片用全金屬間化合物互連焊點的制備方法及結(jié)構(gòu)

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201510068044.2
• 申請日: 2015-02-09
• 公開（公告）號: CN104716058B
• 公開（公告）日: 2017-10-13
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 趙寧;黃明亮;鐘毅;馬海濤;劉亞偉;黃斐斐
• 申請（專利權(quán)）人: 大連理工大學(xué)
• 主分類號: H01L21/60
• 分類號: H01L21/60;H01L33/62;H01L23/488
• 代理公司: 大連理工大學(xué)專利中心21200
• 代理人: 梅洪玉

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于電子制造領(lǐng)域，涉及一種倒裝芯片用全金屬間化合物互連焊點的制備方法及結(jié)構(gòu)。

背景技術(shù)

倒裝芯片(flip chip)技術(shù)是電子器件封裝、LED封裝、微系統(tǒng)封裝、功率組件封裝中的核心技術(shù)之一，是一種采用焊點將晶片或芯片連接到載體、基板或電路板的一種封裝技術(shù)，而無需使用金屬引線。芯片表面的釬料凸點置于接合焊盤上并以此作為接合方式，翻轉(zhuǎn)芯片使得芯片表面上的釬料凸點朝下面向載體。釬料凸點經(jīng)由焊盤能夠電連接到載體中的布線。上述釬料凸點通過釬焊反應(yīng)在焊盤上生成界面金屬間化合物層，形成焊點，實現(xiàn)芯片到載體的連接，焊點由芯片焊盤-金屬間化合物-釬料-金屬間化合物-載體焊盤組成。通常在釬焊反應(yīng)過程中界面金屬間化合物的生長速率較慢，釬焊結(jié)束后，焊點中釬料的厚度要遠大于金屬間化合物的厚度，它們的厚度比為幾十比一，甚至是幾百比一。

電子封裝器件不斷追求高頻高速、多功能、高性能和小體積，使其工作電流密度持續(xù)增大，焦耳熱隨之增大，需要所述的器件在越來越高的溫度下服役，并保持長時間可靠性。在此情況下，倒裝芯片技術(shù)存在的主要問題是：1、傳統(tǒng)的芯片焊盤-金屬間化合物-釬料-金屬間化合物-載體焊盤結(jié)構(gòu)包含多個連接界面，在較高溫度長期服役時，由于金屬間化合物層會生長粗化，引起焊盤/金屬間化合物和金屬間化合物/釬料的界面上形成柯肯達爾空洞等缺陷，在外力或熱應(yīng)力作用下界面上會形成裂紋或發(fā)生斷裂，導(dǎo)致焊點失效。2、傳統(tǒng)的釬料均為低熔點合金，如Sn-37Pb、Sn-3.5Ag、Sn-0.7Cu、Sn-3.5Ag-0.5Cu和Sn-9Zn等的熔點均低于230℃，釬料焊點不能在高溫環(huán)境下可靠工作，互連部位相對較差的高溫服役性能已成為制約高密度封裝發(fā)展的主要瓶頸之一。要想提高焊點的服役溫度必須選擇熔點更高的釬料，然而過高的釬焊連接溫度會造成元器件的損傷。

為解決上述問題，出現(xiàn)了全金屬間化合物焊點的技術(shù)方案，即在一定條件下使界面反應(yīng)充分進行，直至釬料全部轉(zhuǎn)化為金屬間化合物，形成芯片焊盤-金屬間化合物-載體焊盤的結(jié)構(gòu)，以實現(xiàn)低溫連接高溫服役的要求。但缺點是常規(guī)釬焊、熱壓鍵合等方法所需釬焊反應(yīng)時間長，生產(chǎn)效率低，且會因為原子間的互擴散而在金屬間化合物層中產(chǎn)生空洞；采用納米金屬間化合物顆粒制備全金屬間化合物焊點，工藝復(fù)雜，制作納米顆粒成本過高，生成渣滓不易清理；而低溫超聲鍵合方法缺點是工藝復(fù)雜，需要對生產(chǎn)設(shè)備作較大改動，與現(xiàn)有封裝工藝技術(shù)兼容性低；此外，上述方法形成的金屬間化合物通常取向隨機，不具有擇優(yōu)取向。

熱遷移是在溫度梯度(兩點溫度差ΔT與兩點間距Δd的比值，即ΔT/Δd)作用下發(fā)生的原子遷移過程。從材料熱力學(xué)和動力學(xué)觀點看，金屬原子的熱遷移是在一定溫度梯度作用下發(fā)生的、由擴散控制的質(zhì)量遷移過程，其機理是高溫區(qū)的電子具有較高的散射能，驅(qū)動金屬原子沿溫度降低的方向進行定向擴散遷移，產(chǎn)生金屬原子的質(zhì)量遷移。文獻[R A Johns,D A Blackburn.Thin Solid Films,25(2):291-300,1975]報道了在202-322℃下純Pb(熔點327.5℃)中發(fā)現(xiàn)晶界處Pb原子流比晶格內(nèi)Pb原子流對溫度梯度更為敏感，證明了金屬原子熱遷移現(xiàn)象的存在。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明提供了一種倒裝芯片用全金屬間化合物互連焊點的制備方法及結(jié)構(gòu)，通過釬焊回流時在焊點內(nèi)形成一定的溫度梯度，誘發(fā)金屬原子由焊點內(nèi)溫度相對較高的熱端焊盤向液態(tài)釬料中快速溶解，并在溫度梯度的作用下向焊點內(nèi)溫度相對較低的冷端進行大量的、快速的遷移擴散，從而顯著加速焊點冷端界面金屬間化合物的形成生長，最終得到全金屬間化合物互連焊點。

本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下：

一種倒裝芯片用全金屬間化合物互連焊點的制備方法，包括以下步驟：

步驟一：提供芯片，所述芯片上采用電鍍、濺射、氣相沉積或蒸鍍的方法制備至少一個第一金屬焊盤，所述第一金屬焊盤上采用電鍍、濺射、氣相沉積、蒸鍍或植球后再回流制備釬料凸點；提供基板，所述基板上采用電鍍或濺射的方法制備至少一個第二金屬焊盤，所述第二金屬焊盤上采用電鍍、濺射或化學(xué)沉積制備第二可焊層；

所述第一金屬焊盤和第二金屬焊盤具有相同的材質(zhì)，為Cu、Ni或Ag，且具有相同的排布圖形；

所述第二可焊層由Ni、Au、Pd、Ag、OSP中的一種或幾種組成，且不同于所述二金屬焊盤的材質(zhì)；

所述釬料凸點為Sn、In、SnAg、SnCu、SnBi、SnPb、SnAgCu、InAg中的一種；

步驟二：第二可焊層的表面涂覆焊劑；