专利名称：一种基板可重复使用的制备微小焊球的方法
技术领域：
本发明涉及一种基板可重复使用的制备微小焊球的方法，属于电子封装 领域。
技术背景随着消费性电子产品朝"轻、薄、短、小"及多功能化方向的迅速发展， 对电子组装技术提出了更高的要求，迫使封装技术向高密度化、小型化、集成化的方向演变。新的高密度封装技术不断涌现，其中球栅阵列封装(Ball Grid Array, BGA)和芯片尺寸封装(Chip Scale Package, CSP)等面阵列封 装形式是未来高密度封装技术的主流。在BGA和CSP封装工艺中，用精密 焊球替代引脚，实现电路基板与芯片之间的电连接和机械连接，己成为电子 封装的关键材料。先进的电子封装对精密焊球的直径误差、球形度和表面质 量等方面的要求都非常严格，从而对传统的焊球制备技术提出了新的挑战。 当前，精密焊球的制备方法主要有切丝重熔法、喷雾法和滴注法等。其中， ①切丝重熔法首先通过拉丝一剪切或箔片一冲压等机械加工方法把焊料合 金加工成均匀质量的微小合金单元，然后把加工好的合金单元放入某一高温 球化溶液中重熔成形，在表面张力的作用下，合金单元最终凝结成需要的球 形。该方法的主要优点是工艺可控性好，产品的成品率高，但它同时具有明 显的缺点制备工序繁多、设备投资大、成本高，并且在多次加工的工艺过 程中容易引入各种杂质；②喷雾法是从传统粉体制备技术延伸而来，其特点是生产能力强，但工艺可控性差，为获得所需粒径范围的焊球，必须经过多 道分级工艺，容易引起焊球表面氧化及损伤的问题。滴注法是将熔化金属定 径滴注成型，其特点同样是生产能力较强，但缺点是不能有效控制液滴的大 小和连生，焊球均匀性差、球形度低并具有表面氧化的现象。发明内容本发明的目的是提供一种基板可重复使用的制备微小焊球的方法。 所采取的技术方案是(O采用IC制作工艺，制备可重复使用的基板。首先将硅片进行热氧化处理；正面溅射金属导电层；在导电层上沉积一层阻 挡层保护导电层不被破坏，并光刻出阻挡层开口露出导电层金属；(2)在该 基板上制备焊球。首先溅射金属牺牲层并光刻出牺牲层图形覆盖在导电层开 口上；涂覆厚光刻胶并光刻出电镀窗口；然后电镀焊料；电镀完毕后去除厚 光刻胶；在保护气氛下，使用助焊剂在焊料熔点温度以上的回流温度下将焊 料进行回流；焊料回流成球后彻底清洗表面残留的助焊剂；然后湿法腐蚀去 除焊料球下的牺牲层，焊料球从基板上脱离，收集焊料球。回流时焊料在相 对较长的时间内保持熔融液态，有足够的时间在表面张力的作用下转变成为 表面积最小的球体状态，从而形成球形度高的焊料球，通过控制回流温度曲 线获得组织性能最佳的焊料球，同时在助焊剂的作用下，焊料表面的氧化物 得以去除，使最终得到的产品的含氧量非常低，焊球表面具有足够的表面光 洁度。i) 所述的硅片为单面抛光的N型或P型(100)硅片；ii) 所述的热氧化处理工艺为湿法或干法工艺，生成的氧化层厚度0.1 2.0微米；iii) 所述的正面溅射金属层由一层或一层以上的金属层构成，起到与底 层氧化硅的粘附牢固和导电的作用，金属层的厚度0.1 2.0微米；iv) 所述的阻挡层为Si02或Si3N4，阻挡层的厚度0.1 2.0微米；v) 所述的金属牺牲层是由一层或一层以上的金属层构成，如TiW或Cu; 牺牲层的厚度0.1 5.0微米，起到与导电层、电镀焊料之间的粘附作用；牺 牲层图形的尺寸大于或等于阻挡层开口的尺寸；牺牲层可用湿法腐蚀去除， 腐蚀牺牲层的溶液的要求是不腐蚀电镀焊料也不腐蚀导电层金属；vi) 所述的电镀窗口的尺寸要比牺牲层图形的尺寸大，起到了增大电镀 面积，减小电镀时间，提高效率的作用；vii) 所述的保护气氛为氮气气氛。Viii)所述的回流温度为焊料熔点温度以上。 本发明的优点是① 与IC制作工艺相容，根据需要设计制备不同尺寸的焊料球，尤其是制备微小尺寸的焊球具有更明显优势，焊球最小粒径可小于0.15mm，制备 的焊球的粒径分布范围很窄，避免了多道分级筛分引起的表面氧化以及拉丝 或起毛现象；电镀焊料在其熔点温度以上回流，在表面张力的作用下回复到 表面积最小的球体状态，凝固后形成球形度很高的焊球，避免了碎裂毛刺以 及粘连现象，焊球质量稳定且可控性好；可重复使用基板的制备大大降低了 生产成本；② 制作了可重复使用的基板，分别由热氧化硅片、阻挡层、金属导电 层和金属牺牲层组成；③ 电镀焊料层下方由金属牺牲层和金属导电层组成。牺牲层能用湿法 腐蚀去除，并且起到电镀焊料与导电层之间的粘附作用，腐蚀牺牲层的液体 不腐蚀电镀焊料也不腐蚀导电层金属，导电层起到与底层二氧化硅形成粘附 和导电的作用；④ 牺牲层图形的尺寸限定了牺牲层与电镀焊料间的互连面积。
图1是微小焊球制备的工艺流程图。(a)首先在硅片上热生长一层二氧 化硅，(b)正面溅射金属导电层，(c)沉积阻挡层，(d)光刻出阻挡层开口 露出导电层金属，(e)溅射金属牺牲层，(f)光刻出牺牲层图形覆盖在阻挡 层开口上，(g)涂覆厚光刻胶并光刻出电镀窗口， (h)电镀焊料，电镀完毕 后去除厚光刻胶，(i)回流焊料成球，(j)腐蚀去除牺牲层并收集焊料球。 101^硅片 102——二氧化硅氧化层-金属导电层 104-103-105-107-109-111--阻挡层开口 -牺牲层图形 -电镀窗口106--阻挡层 -金属牺牲层焊料球108-110-112--厚光刻胶-电镀焊料-可重复用的基底具体实施方式
典型的微小焊球的制备工艺流程包括下列步骤一. 采用IC制作工艺，制备可重复使用的基板(1 )首先将单面抛光N型(100)硅片进行清洗，然后进行热氧化处理， 二氧化硅氧化层102的厚度约0.3微米；(2) 真空溅射金属导电层TiW和Au 103，厚度分别约为0.05微米和 0.2微米；二氧化硅层与Au之间的粘附性差，所以用TiW作为二氧化硅上 的金属粘附层，这三层金属均在同一真空室中依次溅射完成；(3) 接着在导电层上用等离子增强化学气相沉积(PECVD)方法沉积 一层阻挡层SiO2或Si3CM04，厚度约为0.1微米；采用正型光刻胶光刻出圆 形阻挡层开口露出导电层金属，圆形阻挡层开口 105的直径为80微米。由 此便得到了可重复使用的基板；二、 在制备的可重复使用的基板上制作焊球(4) 在步骤(3)所制得的可重复使用的基板上，溅射金属牺牲层TiW 和Cul06，厚度分别为0.1微米和0.3微米；采用与步骤(3)相同的光刻板， 不同的仅是采用负型光刻胶，光刻出覆盖在导电层开口上的圆形牺牲层图形107，它的直径与阻挡层Si02或Si304的圆形开口的直径一致；(5) 涂覆AZ 9260型厚光刻胶，并光刻出圆形的电镀窗口 109，电镀 窗口的直径为240微米，厚度为50微米；(6) 电镀无铅焊料合金Sn-3.0Ag，电镀焊料的高度为40微米，电镀完 毕后用丙酮去除厚光刻胶110;(7) 焊料涂覆助焊剂后在回流炉中回流成球，助焊剂选用活性好的松 香型，焊料的最高回流温度选用260°C，(注Sn-3.0Ag合金的熔点约为 230°C)，回流炉的气氛选用氮气，氮气气流量约为0.8 1.4mmVmin，回流 后焊料球111的直径约为160微米；(8) 彻底清洗残留表面的助焊剂；(9) 采用体积比为1: 2的浓度为5volX的稀硫酸和30vol^的分析纯 H202的混合溶液完全去除焊料球下的Cu牺牲层，采用浓度约30volX的分 析纯H202去除TiW牺牲层，焊料球从基板上完全脱离，收集焊料球；经上述工艺过程制备成焊球，最小尺寸小于0.15mm且分布很窄，最重 要的特征在于经彻底清洗后的基板可以重复使用。
权利要求
1、一种基板可重复使用的制造微小焊球的方法，其特征在于所述的制造方法分为二大步第一步采用IC制作工艺，制备可重复使用的基板首先将硅片进行热氧化处理；正面溅射金属导电层；在导电层上沉积一层阻挡层，并光刻出阻挡层开口露出导电层金属；第二步在步骤1制备的可重复使用的基板上制作焊球a)首先溅射金属牺牲层并光刻出牺牲层图形覆盖在导电层开口上；b)涂覆厚光刻胶并光刻出电镀窗口；c)然后电镀焊料；d)电镀完毕后去除厚光刻胶；e)在保护气氛下，使用助焊剂在焊料熔点温度以上的回流温度下将焊料进行回流；焊料回流成球后清洗表面残留的助焊剂；f)然后湿法腐蚀去除焊料球下的牺牲层，焊料球从基板上脱离，收集焊料球。
2、 按权利要求1所述基板可重复使用的制造微小焊球的方法，其特征 在于所述的硅片为单面抛光N型或P型(100)硅片。
3、 按权利要求1所述基板可重复使用的制造微小焊球的方法，其特征 在于所述的热氧化处理工艺为湿法或千法，生成的氧化层厚度为0.1 2.0微 米。
4、 按权利要求1所述基板可重复使用的制造微小焊球的方法，其特征 在于所述的正面溅射金属层是由一层或一层以上的金属层构成，金属层厚度 为0.1微米 2.0微米。
5、 按权利要求4所述基板可重复使用的制造微小焊球的方法，其特征 在于所述的金属层为TiW或Cu。
6、 按权利要求1所述基板可重复使用的制造微小焊球的方法，其特征 在于所述的阻挡层为&02或Si3N4，厚度为0.1微米 2.0微米。
7、 按权利要求1所述基板可重复使用的制造微小焊球的方法，其特征 在于所述的金属牺牲层是由一层或一层以上的金属层构成；牺牲层的厚度为 0.1微米 5微米；且牺牲层图层的尺寸大于或等于阻挡层开口的尺寸。
8、 按权利要求1所述基板可重复使用的制造微小焊球的方法，其特征在于所述的电镀窗口的尺寸比牺牲层图形尺寸大。
9、 按权利要求1所述基板可重复使用的制造微小焊球的方法，其特征在于焊球下的牺牲层用湿法腐蚀去除，腐蚀牺牲层的混合溶液不腐蚀电镀焊 料或导电层金属。
10、 按权利要求9所述基板可重复使用的制造微小焊球的方法，其特征 在于所述的湿法腐蚀时采用体积比为1:2的体积百分浓度为5%的稀硫酸和 体积百分浓度为30%的^02混合溶液，去除焊球下的Cu牺牲层，采用百 分浓度为30%的分析纯H202去除TiW牺牲层。
全文摘要
本发明涉及一种基板可重复使用的制备微小焊球的方法。其特征在于首先采用IC制作工艺，制备了可重复使用的基板以硅片为基底，热氧化处理后正面溅射金属导电层，沉积阻挡层并光刻出阻挡层开口露出导电层金属；其次，在可重复使用的基板上制备微小焊球在基板上溅射金属牺牲层覆盖在导电层开口上，涂覆厚光刻胶并光刻出电镀窗口，然后电镀焊料，电镀完成后去除厚光刻胶，回流焊料形成焊料球，然后腐蚀去除金属牺牲层，使焊料球从可重复使用的基板上完全脱落，最后收集得到焊料球。制备过程简单，能耗小，工艺可控性好，克服了生产能力低的瓶颈；且制备的焊球表面光洁，最小粒径小于0.15mm，球形度好且尺寸一致性好。
文档编号H01L21/60GK101246828SQ20081003462
公开日2008年8月20日 申请日期2008年3月14日 优先权日2008年3月14日
发明者林小芹, 乐 罗 申请人:中国科学院上海微系统与信息技术研究所