专利名称：一种基于铟凸点的无助焊剂回流工艺方法
技术领域：
本发明涉及到一种基于铟凸点阵列的无助焊剂回流工艺方法，主要用于需进行免 助焊剂的微机电(MEMS)系统，光电芯片(Photoelectric chip)与生物芯片(Bio-chip)等 倒装焊接工艺中，属于微电子封装领域。
背景技术：
焊料在微电子封装中是必定要用到的，它主要实现器件内部及器件间信号传输与 机械支撑等。常用的金属焊料，如锡基焊料，由于其表面极易形成一层金属氧化层，在用它 对器件进行封装焊接时，该氧化层会阻碍焊接过程的顺利进行，在不去除该氧化层的情况 下焊接，往往很难获得高质量的互连效果。为得到好的互连效果，通常需在焊接时使用助焊 剂而去除焊料表层氧化层从而得到高质量的焊接。但是在某些特殊的应用中，如某些光电 芯片(带光学镜头)，微机电系统和生物检测芯片的焊接中，焊接过程中如果引入助焊剂将 会不可避免地给器件带来污染，这些污染对器件性能的影响通常是致命的，因此在此类应 用中，助焊剂一般是禁用的。为达到上述要求，开发一些可实现免助焊剂情况下可实现良好 焊接的工艺技术是必须的。实现该技术的可用方案有两种采取特殊的助焊剂(如用氢气 等还原性强的气体或用等离子对焊料表面进行清洗)，采取特殊方法防止焊料表面发生氧 化。对无助焊剂的倒装焊工艺而言，第一步是如何实现焊料凸点在无助焊剂情况下 成功实现回流。迄今为止，Chin C. Lee领导的课题组对基于锡基焊料的免助焊剂焊接工 艺做出了一些研究，实现了两片状芯片间无助焊剂的键合[Chin C. Lee, Ricky W. Chuang， Fluxless Non-Eutectic Joints Fabricated Using Gold-Tin Multilayer Composite, IEEE TRANSACTIONS ON COMPONENTS AND PACKAGING TECHNOLOGIES, VOL. 26，NO. 2，JUNE 2003. ] Jeong-Won ^on等利用顺次序电镀工艺实现了锡基凸点阵列的凸点阵列回流 工艺，为利用凸点阵列实现无助焊剂回流提供了一种思路[Jeong-Won Yoon, Hyun-Suk Chun, Seung-Boo Jung, Reliability evaluation of Au_20Sn flip chip solder bump fabricated by sequential electroplating method with Sn and Au. Materials Science and Engineering A 473 (2008) 119-125. ] 0本发明试图实现基于铟无助焊剂凸点回流工 艺，我们知道，铟是一种性能极佳的低温焊料，也是锡基等常用焊料所没有的特性，被广泛 用于光电芯片等的封装中。本发明提出一种基于两次电镀，并选择适当的方式保持了铟焊 料的特性。基于此方法既可实现其无助焊剂回流，而且还可以使回流温度保持在较低的温 度范围内。此工艺尚未见报道。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于铟凸点的无助焊剂回流的工艺方法，常用的阻止 氧化的金属材料是金和银。实际工艺中，在铟的表层引入一层金层来阻止铟的氧化而实现 其在较低温度下回流成球是不现实的。这是因为从金-铟平衡相图可知，在铟中引入少量的金，就会使其熔点急剧上升，而这一点是不希望看到的，因为这样会失去铟作为一种性能 优良的低温焊料的优势。而如果在铟的表面引入银层则不会出现这种情况，显然可以避免 这种情况但从铟-银平衡相图知，向铟中引入银后，其焊料熔点先降低，当铟银质量比约 为96% 4%时到达共晶点，此时焊料熔点为144°C，比铟的熔点156. 6°C C还低，其后随着 银含量的增加，Ιη-iVg焊料熔点缓慢上升。由此可见，用银对铟包覆既可防止铟凸点表面氧 化，同时还能保证焊料熔点不会迅速上升，从而可实现低温回流。因此，本发明中设计出了一种工艺方法以实现银对铟凸点阵列的包覆，该工艺步 骤的设计是本发明的关键点。所以本发明是以在硅基板上的制作流程为例说明具体的工艺 过程。该发明的具体工艺过程如下A.基板金属化(a)对硅片进行热氧化，以得到绝缘的基板；(b)在基板上溅射种子层，如溅射Ti/Cu/Ti，在铜表面溅射Ti层是为了增强钝化 层与该金属层间的附着力且避免铜层的氧化；铜与钝化层间的粘附力很差，Ti与SiO2的粘 附力较强；B.钝化层开口(a) MPECVD (plasma-enhanced chemical vapor deposition, i^^il^M^ffiiiL 积法)沉积S^2作为钝化层；(b)涂覆薄胶(厚度为1-3 μ m，此厚度是为了利用电镀铜来实现铜UBM制作)并 光刻，之后对光刻胶清边，用BOE (bufferrd-oxide-etch，缓冲氧化层腐蚀)湿法腐蚀或 RIE (reaction ion etching，反应离子刻蚀)实现钝化层进行开口和硅片边缘的接触电极 的形成，钝化层开口直径是根据凸点直径而定，一般为30-50 μ m ；C.凸点下金属化层增厚(a)利用电镀法对Ti/Cu UBM层进行铜增厚。因溅射的铜层不能做得较厚，一般只 做到1000 A-6000 A间；较薄的铜层极易导致凸点在回流过程发生脱落，增加铜层厚度可 以改善焊球脱落发生脱落的现象；通常增厚后厚度为3-4 μ m ；D.电镀铟凸点(a)丙酮去胶(也可在凸点回流前进行)；(b)电镀铟凸点，电镀过程以及电镀完成后应避免铟凸点与空气的直接接触，将电 镀完成的硅片置于去离子水或酒精等中可实现其与空气的接触；E.电镀银层包覆铟凸点(a)铟凸点表面镀银；镀层厚度通过电镀电流大小和电镀时间控制，最终结果是 用银层实现对铟凸点表层的完全包覆；但同时要保证银镀层较薄，从而使得^jg焊料熔 点不会太高；银铟原子比例接近Ag-In共晶点；F.凸点回流(a)选择恰当的回流曲线，将凸点阵列置于氮气气氛或氢气气氛退火炉中进行回 流，回流峰值温度在180-220°C之间；在回流峰值温度上回流3-8min，使之回流成球；(b)对回流好的凸点进行切片等后期处理。由此可见，本发明提出了可实现凸点在无助焊剂帮助下成功实现回流的工艺方法。以性能优良、熔点低的铟焊料为主要成分；采取比较简单的按次序两次电镀工艺，即先 电镀出铟凸点，再在其表层电镀一层用于阻止氧化的银镀层；较低的回流峰值温度，由于 铟-银在一个较大的原子比例范围内均保持较低的熔点，因此实现了银对铟的包覆后，凸 点仍可在较低的温度下实现回流成球，范例中的回流峰值温度为200°C，此特点可满足某些 需低温焊接的应用场合。采用本发明提供的工艺可实现铟凸点阵列的无助焊回流，该工艺 可应用于某些特殊的光电芯片，MEMS芯片和生物检测芯片中的倒装互连中。本发明的特征在于①对衬底进行金属化和实现钝化层开口后，采取依次顺序电镀的方式实现凸点制 备的工艺步骤，这是本发明的关键之处；②用Ti/Cu/Ti对基板进行金属化；③用PECVD制作SW2作为凸点钝化层，用BOE湿法腐蚀对其进行开口 ；④通过控制电镀条件来实现银层对铟凸点表层的完美包覆；⑤凸点回流将需回流的芯片放于温度过程可控的退火炉中，且回流设备提供氮 气或氢气等保护氛围。
图1为本发明提供的无助焊剂回流工艺流程图。
具体实施例方式为了能使本发明的优点和积极效果得到充分体现，下面结合附图1，有8个步骤， 包括实现衬底金属化，钝化层开口，电镀铜、铟和银，凸点回流成球等工艺，具体描述了在硅 片上实现直径为40 μ m左右的铟凸点无助焊回流工艺之一例。步骤1基板金属化，在硅基板上热氧化一层做绝缘用的氧化层101，厚度为 5000 A,再在其上溅射Ti/Cu/Ti (200 A /2000 A /200 A )的复合金属薄膜，以作为电镀的 种子层禾口 UBM(under bump metallization,凸点下金属化层)；PM 2 ^itBMi^, PECVD (plasma-enhanced chemical vapor deposition, , ^ 增强型气相沉积法)沉积一层5000 A的Si02103作为钝化层；步骤3，涂覆并光刻1.7μπι的S1912104，为钝化层开口做准备，S1912是一种成熟 的、常用的薄胶光刻胶，用它很容易获得均勻且厚度l_3ym的涂覆效果；步骤4钝化层开口，采用BOE湿法腐蚀SW2和Ti露出溅射的铜层105，钝化层开 口直径为40 μ m左右；步骤5金属化层增厚，利用铜电镀液对铜层增厚，电镀铜106层厚度约为3_4μ m ； 铜层增厚后，用丙酮去除薄胶S1912 ；用丙酮去胶工艺也可放在步骤8凸点回流前进行。步骤6电镀铟凸点，在电流密度为5-20mA/cm2下电镀铟，通过控制电镀时间来控 制电镀铟的量，最后电镀出铟凸点107 ；将电镀完铟凸点的硅片置于去离子水中，以避免铟 凸点表层发生氧化；步骤7，在铟凸点表层利用电镀的方法实现银层108对铟凸点的包覆，银层厚度 需控制在一定的范围内，以避免银铟原子比例偏离共晶点太远而致使其熔点高于铟熔点太 多；所以应选择接近共晶点；
步骤8，将电镀完成的硅片置于氮气气氛的回流炉中进行回流，控制生成的合金成 分，其中回流时峰值温度为200°C，在此温度上回流5min，最后得到经过回流所得的109凸 点；进行切点后处理。
权利要求
1.一种基于铟凸点的无助焊剂回流工艺方法，其特征在于包括以下各步A.基板金属化(a)对硅片进行热氧化，以得到绝缘的基板；(b)在基板上溅射Ti/Cu/Ti种子层；B.钝化层开口(a)用离子增强型气相沉积法沉积S^2作为钝化层；(b)涂覆薄胶并光刻，之后对光刻胶清边，用缓冲氧化层腐蚀湿法腐蚀或反应离子刻蚀 实现钝化层开口和硅片边缘形成接触电极；C.凸点下金属化层增厚(a)利用电镀法对Ti/Cu UBM层进行铜增厚；D.电镀铟凸点(a)在上述步骤C铜层增厚后，丙酮去胶；(b)电镀铟凸点，电镀过程以及电镀完成后应避免铟凸点与空气的直接接触，将电镀完 成的硅片置于去离子水或酒精中实现其与空气的接触；E.电镀银层包覆铟凸点铟凸点表面镀银，使银层实现对铟凸点表层的包覆，铟凸点仍可在较低温度下实现成球；F.凸点回流(a)将步骤E的包覆银层的铟凸点，在氮气或氢气氛退火炉中进行回流成球，回流峰值 温度为180-220°C之间；(b)对回流后成球的凸点进行切片后处理。
2.按权利要求1所述的方法，其特征在于在基板上溅射Ti/Cu/Ti种子层厚度依次为200 A/2000 A/200 Ao
3.按权利要求1所述的方法，其特征在于步骤B中(b)所述的涂覆薄胶厚度为1-3μ m， 所述的薄胶为S1912。
4.按权利要求1所述的方法，其特征在于步骤B中(b)所述的钝化层开口直径根据凸 点直径而定，通常为30-50 μ m。
5.按权利要去1所述的方法，其特征在于步骤E中所述的铜层增厚后厚度为3-4μ m。
6.按权利要求1所述的方法，其特征在于铜层增厚后用丙酮去胶步骤或放在步骤F凸 点回流前进行。
7.按权利要求1所述的方法，其特征在于①电镀铟凸点的电流密度为5-20mA/cm2；②步骤E中银层对铟层的包覆是通过电镀电流大小和时间控制的，银铟原子比例接近 Ag-In的共晶点。
8.按权利要求1所述的方法，其特征在于步骤F中在所述的回流峰值温度时回流时间 为3-8分钟，使之回流成球。
9.按权利要求1所述的方法，其特征在于步骤E中回流峰值温度为200°C。
10.按权利要求8或9所述的方法，其特征在于在200°C峰值温度回流时间为5分钟。
全文摘要
本发明涉及一种基于铟凸点的无助焊剂回流的工艺方法，其特征在于包括基板金属化、钝化层开口、凸点下金属化层增厚、电镀铟凸点、电镀银层包覆铟凸点、凸点回流。采用本发明提供的工艺可实现铟凸点阵列的无助焊回流，该工艺可应用于某些特殊的光电芯片，MEMS芯片和生物检测芯片中的倒装互连中。
文档编号C25D3/54GK102064120SQ20101051544
公开日2011年5月18日 申请日期2010年10月22日 优先权日2010年10月22日
发明者徐高尉, 罗乐, 袁媛, 黄秋平 申请人:中国科学院上海微系统与信息技术研究所