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用于减少焊料中金属间化合物形成的镍合金薄膜

基本信息

  • 申请号 CN00121787.9 
  • 公开号 CN1282645A 
  • 申请日 2000/08/01 
  • 公开日 2001/02/07 
  • 申请人 国际商业机器公司  
  • 优先权日期  
  • 发明人 皮德罗·阿门高·查尔科 埃德蒙·大卫·布莱克薛尔  
  • 主分类号  
  • 申请人地址 美国纽约 
  • 分类号  
  • 专利代理机构 中国国际贸易促进委员会专利商标事务所 
  • 当前专利状态 发明专利申请公布 
  • 代理人 王以平 
  • 有效性 授权 
  • 法律状态 审查中-公开
  •  

摘要

一种形成焊盘上的焊点的方法,可大大降低因镍和焊料接触而形成的金属间化合物层的厚度,提高焊点的可靠性。
其包括下列步骤:在焊盘上提供镍的第一层;提供覆盖第一层的贵金属的第二(优选为金)层;对第一层和第二层退火,由此在第一层和第二层之间形成包含镍和贵金属的合金层;并使第二层与包含锡的熔融焊料接触,使贵金属溶入焊料,然后使焊料浸润合金层,以在合金层和焊料之间形成包含镍、贵金属和锡的金属间化合物层。
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权利要求书

1.一种形成焊盘上的焊点的方法,包括下列步骤: 在焊盘上提供镍的第一层; 提供覆盖第一层的贵金属的第二层; 对第一层和第二层退火,由此在第一层和第二层之间形成包含 镍和贵金属的合金层;以及 使第二层与包含锡的熔融焊料接触,使贵金属溶入焊料,然后 使焊料浸润合金层,以在合金层和焊料之间形成包含镍、贵金属和 锡的金属间化合物层。
2.如权利要求1所述的方法,其中:所述贵金属从包括金、 钯和铂的组中选择。
3.如权利要求1所述的方法,其中在不高于375℃的温度下 执行所述退火步骤。
4.如权利要求1所述的方法,其中所述接触步骤包括焊料重 流工艺。
5.一种形成焊盘上的焊点的方法,包括下列步骤: 在焊盘上淀积合金层,该合金包含镍和从包括金、钯和铂的组 中选择的合金元素; 在合金层上淀积金层以在焊盘上形成镍合金/金结构;以及 使镍合金/金结构与包含锡的熔融焊料接触,使金溶入焊料, 然后焊料浸润合金层,以在合金层和焊料之间形成包含镍、金和锡 的金属间化合物层。
6.如权利要求5所述的方法,其中用电镀工艺淀积所述合金 层。
7.如权利要求5所述的方法,其中所述合金是包含镍和从包 括金、钯和铂的组中选出的两种元素的三元合金。
8.如权利要求5所述的方法,其中所述合金元素占所述合金 的1~50原子%。
9.一种把含锡的焊料与焊盘连接起来的焊点结构,包括: 在焊盘上淀积的镍层; 覆盖镍层的合金层,该合金层包含从镍和从包括金、钯和铂的 组中选择的合金元素;以及 焊料和合金层之间的金属间化合物层,该金属间化合物层包含 镍、合金元素和锡,且是通过焊料浸润合金而形成。
10.如权利要求9所述的焊点结构,其中所述合金层通过对 与合金元素层接触的镍层退火而形成。
11.如权利要求10所述的焊点结构,其中所述退火在不高于 375℃的温度下进行。
12.如权利要求9所述的焊点结构,其中在焊料重流工艺中 所述合金层被焊料浸润。
13.一种把含锡的焊料与焊盘连接起来的焊点结构,包括: 在焊盘上淀积的合金层,该合金包含镍和从包括金、钯和铂的 组中选择的合金元素;以及 焊料和合金层之间的金属间化合物层,该金属间化合物层包含 镍、合金元素和锡,且是通过焊料浸润合金层而形成。
14.如权利要求13所述的焊点结构,其中通过电镀在所述焊 盘上淀积所述合金层。
15.如权利要求13所述的焊点结构,其中所述合金是包含镍 和从包括金、钯和铂的组中选出的两种合金元素的三元合金。
16.如权利要求13所述的焊点结构,其中所述合金元素占所 述合金的1~50原子%。
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说明书

本发明涉及用来减少在半导体器件电子封装的电连接中采用 的焊点中的金属间化合物形成的方法。
在电子封装中普遍存在着因焊点与通常用来覆盖与焊料粘接 的焊盘的镍合金形成金属间化合物而导致的问题。
金属间化合物是 脆性材料,是微裂纹萌生源,并成为裂纹扩展以导致焊料互连早期 破坏的扩展路径。
这一点严重阻碍了新生的BGA(球栅阵列)和 CSP(芯片级封装)技术的发展,这两项技术对于半导体工业的持 续发展是极其关键的。
因此,减少焊点中的金属间化合物的形成成 为大量研究开发的目标。
现有的抑制金属间化合物生长的方法是限 制焊点的热暴露程度。
由于主动的热暴露如焊料重流工艺是不可避 免的,所以上述限制常常是很不够的。
在通常的焊点中,焊料将两个焊盘浸润以形成互连。
焊盘通常 是芯片或印刷电路板的电路构图中的I/O位置。
芯片中的线路是 铝,而对于印刷电路板是铜。
现在的新的芯片金属化工艺是用铜置 换铝。
焊料浸润层必须覆盖焊盘表面。
在熔化时,焊料与该层结合 形成强的键合,这对于获得高可靠性是必需的。
由于焊料与铝不结 合,而铜易于氧化,焊盘需要确保可靠焊料键合的焊料浸润层。
只 有有限的金属具有可靠和持久的焊料浸润性。
在电子工业中最常用 的金属,是覆盖有一薄层金的镍。
不能采用覆盖金的铜,因为铜易 于扩散穿过金而形成氧化层。
因此,常规的铜焊盘,如图1A所示, 在衬底1上具有覆盖铜焊盘10的镍层11,且具有覆盖镍的金层12。
镍易于与锡形成金属间化合物。
电子工业中常用的焊料都包含 锡。
在重流工艺中焊料熔化以形成连接或焊点(如图1B所示)时, 用于保护的金会几乎瞬时溶入熔化的焊料中,有时把金称作“牺牲 贵金属”。
钯和铂也可用作该保护膜。
金溶解后,焊料15与镍层11 直接接触,在一短时间的成核和长大后,开始形成镍/锡金属间化合 物层14。
已经发现,形成薄的金属间化合物层(优选厚度小于1 微米)对获得强的焊料键合是必需的。
但是,厚度继续增加会导致 焊点可靠性下降,尤其是采用的焊料体积相当小时,如在倒装片和 BGA应用中。
金属间化合物的生长需要镍原子的通过金属间化合物层与锡 原子相遇并反应以生成金属间化合物的活动能力强。
随着金属间化 合物层厚度增加,由于原子必须扩散通过的路径变长,其生长速度 与时间呈抛物线下降。
但是,这种生长速度的下降在金属间化合物 相当厚时(几个微米)才发生。
限制金属间化合物层增加的常规方法是限制焊点热暴露的程 度。
这一点在许多应用中是不实际的,因为焊料必须经过多次重流 工艺和芯片散热导致的热循环。
而且,本发明人已发现,用纯金属与焊料接触不能提供减少金 属间化合物形成的有效环境。
已知金属间化合物的形成和生长是被 形成金属间化合物的镍原子的扩散制约的。
众所周知,纯镍是良好 的焊料浸润材料,在与焊料接触时可形成相当厚的金属间化合物 层。
如上所述,形成的金属间化合物层的厚度最好小于1微米。
因 此,为了仅形成薄的金属间化合物层,最好形成有效的镍原子扩散 阻挡层以减慢金属间化合物的生长。
本发明的提出正是为了满足上述在焊盘上形成焊点时对减薄 的金属间化合物层的需要。
根据本发明,提供一种形成焊盘上的焊点的方法。
其可大大减 小因镍与焊料接触而形成的金属间化合物层的厚度。
该方法包括下 列步骤:在焊盘上提供镍的第一层;提供覆盖第一层的贵金属的第 二(优选为金)层;以及对第一层和第二层退火,由此在第一层和 第二.层之间形成包含镍和贵金属的合金层。
然后使第二层与熔融焊 料(包含锡)接触,使贵金属溶入焊料,然后使焊料浸润合金层, 以在合金层和焊料之间形成包含镍、贵金属和锡的金属间化合物 层。
该方法具有许多重要的优点。
最主要的是,它显著降低形成金 属间化合物的速度,由此提高焊点的机械可靠性。
该方法还消除了 现有的对焊料重流工艺中的热暴露施加的限制。
根据本发明的另一方面,提供一种形成焊盘上的焊点的方法, 其中包括下列步骤:在焊盘上淀积合金层,该合金包含镍和从包括 金、钯和铂的组中选择的合金元素;在合金层上淀积金层以在焊盘 上形成镍合金/金结构;以及使镍合金/金结构与熔融焊料(包含锡) 接触,使金溶入焊料,然后焊料浸润合金层,以在合金层和焊料之 间形成包含镍、金和锡的金属间化合物层。
该镍合金层和金层可通 过电镀法形成。
根据本发明的又一方面,提供一种焊点结构,其中焊料含有 锡。
该焊点结构包括:在焊盘上淀积的镍层;以及覆盖镍层的合金 层。
该合金层包含从镍和从包括金、钯和铂的组中选择的合金元 素。
该焊点结构还包括在焊料和合金层之间的金属间化合物层,该 金属间化合物层包含镍、合金元素和锡,且是通过焊料浸润合金而 形成。
该合金层可通过对镍层和合金元素层退火而获得。
根据本发明的再一方面,提供一种焊点结构,其中包括:在焊 盘上淀积的合金层;以及在焊料和合金层之间的金属间化合物层。
该合金层可通过电镀形成在焊盘上。
该合金包含镍和从包括金、钯 和铂的组中选择的合金元素,该金属间化合物层包含镍、合金元素 和锡,且是通过焊料浸润合金层而形成。
图1A是具有常规Cu-Ni-Au结构的焊盘的示意图; 图1B示出图1A的焊盘在焊料重流工艺后形成了焊点,并示 意表示了厚的金属间化合物层的形成; 图2A示出根据本发明优选实施方案的焊盘结构,具有镍层、 退火形成的镍合金层以及覆盖铜的金; 图2B示意示出采用图2A的结构时的焊料重流工艺中,导致 形成金属间化合物薄层的反应阻挡层效果; 图3A示出根据本发明的另一方案的焊盘结构,具有镍合金层 和用电镀在铜盘上形成的金层; 图3B示出采用图3A的结构时在焊料重流工艺中金属间化合 物薄层的形成。
本发明人的研究表明,焊接之前对Cu-Ni-Au合金体进行 退火(或时效,或热处理)可显著减小金属间化合物的形成速度, 以致于在焊料滴浸10秒钟后在放大1000倍的情况下几乎观察不 到。
这表明在时效过程中镍-金合金的形成速度取决于温度与时 间。
图2A示出本发明的优选实施方案。
在退火以前,其焊盘结构 与图1A的相同,即在铜焊盘10的上面,金层12覆盖镍层11。
退 火工艺造成金和镍的互扩散,导致在金层22和镍层23之间形成有 梯度的Ni-Au合金层23。
合金层的厚度小于Ni层和Au层的原 始厚度和。
应当指出,退火后薄的金层22仍保留在结构的最上方, 该层用来保护合金层。
发现在125℃下退火3周可形成图2A所示的合金层。
而且, 基于已知的扩散特性,可以认为下列退火条件的组合是等效的: 125℃    3周 225℃    2天 275℃    16小时 325℃    5小时 375℃    2小时 因此,用375℃×2小时的退火工艺也可得到图2A所示的结 构。
在焊料重流工艺中,金层22溶入焊料25,从而使焊料浸润镍 合金层23。
之后的瞬间,镍合金与焊料反应生成薄的金属间化合 物层24,其成分包括镍、锡和金(见图2B)。
金属间化合物层的 继续生长需要镍扩散穿过金属间化合物层。
由于金属间化合物层中 合金元素(如金)的存在,这是很困难的。
由此该金属间化合物层 成为反应阻挡层,结果使金属间化合物生长速度下降。
金属间化合 物层24的厚度小于1微米,如上所述,这对于获得强的焊料键合 是优选的。
作为替代方案,镍合金/金结构可通过在铜焊盘上电镀而获得 (见图3A)。
用常规方法在铜盘10上电镀镍合金层31。
在电镀之 前,准备焊盘,用清洗液清洗以确保与电镀层的良好结合。
接着, 用常规电镀液电镀镍合金层31,然后电镀金层32以保护镍合金层 31的表面。
层31中采用的合金优选为镍-金合金。
由于金的原子 大小与镍的接近,其混合物形成具有均匀面心立方晶体结构的固溶 体。
其它的可用的合金包括镍-钯合金和镍-铂合金。
优选的合金 成分包含1~50原子%的合金元素。
也可采用由镍和另两种元素 的二元合金,上述的两种元素可以是金、钯或铂。
作为焊料重流工 艺的结果,该结构形成薄的金属间化合物层,如图3B所示。
薄的 金层32溶在焊料35中,然后焊料浸润合金层31,结果导致在焊料 和合金层之间形成金属间化合物层34。
虽然上面结合特定实施方案对本发明作了描述,很显然基于上 述描述,本领域技术人员可做出种种替换、改进和变更。
因此,本 发明意在涵盖所有不超出本发明范围和精神和后述权利要求书的 替换、改进和变更。
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