倒装芯片用全金属间化合物互连焊点的制备方法及结构的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明属于电子制造领域，涉及一种倒装芯片用全金属间化合物互连焊点的制备方法及结构。
【背景技术】
[0002]倒装芯片(flip chip)技术是电子器件封装、LED封装、微系统封装、功率组件封装中的核心技术之一，是一种采用焊点将晶片或芯片连接到载体、基板或电路板的一种封装技术，而无需使用金属引线。芯片表面的钎料凸点置于接合焊盘上并以此作为接合方式，翻转芯片使得芯片表面上的钎料凸点朝下面向载体。钎料凸点经由焊盘能够电连接到载体中的布线。上述钎料凸点通过钎焊反应在焊盘上生成界面金属间化合物层，形成焊点，实现芯片到载体的连接，焊点由芯片焊盘-金属间化合物-钎料-金属间化合物-载体焊盘组成。通常在钎焊反应过程中界面金属间化合物的生长速率较慢，钎焊结束后，焊点中钎料的厚度要远大于金属间化合物的厚度，它们的厚度比为几十比一，甚至是几百比一。
[0003]电子封装器件不断追求高频高速、多功能、高性能和小体积，使其工作电流密度持续增大，焦耳热随之增大，需要所述的器件在越来越高的温度下服役，并保持长时间可靠性。在此情况下，倒装芯片技术存在的主要问题是:1、传统的芯片焊盘-金属间化合物-钎料-金属间化合物-载体焊盘结构包含多个连接界面，在较高温度长期服役时，由于金属间化合物层会生长粗化，引起焊盘/金属间化合物和金属间化合物/钎料的界面上形成柯肯达尔空洞等缺陷，在外力或热应力作用下界面上会形成裂纹或发生断裂，导致焊点失效。2、传统的钎料均为低熔点合金，如 Sn-37Pb、Sn-3.5Ag、Sn-0.7Cu、Sn_3.5Ag-0.5Cu 和 Sn_9Zn等的熔点均低于230°C，钎料焊点不能在高温环境下可靠工作，互连部位相对较差的高温服役性能已成为制约高密度封装发展的主要瓶颈之一。要想提高焊点的服役温度必须选择熔点更高的钎料，然而过高的钎焊连接温度会造成元器件的损伤。
[0004]为解决上述问题，出现了全金属间化合物焊点的技术方案，即在一定条件下使界面反应充分进行，直至钎料全部转化为金属间化合物，形成芯片焊盘-金属间化合物-载体焊盘的结构，以实现低温连接高温服役的要求。但缺点是常规钎焊、热压键合等方法所需钎焊反应时间长，生产效率低，且会因为原子间的互扩散而在金属间化合物层中产生空洞；采用纳米金属间化合物颗粒制备全金属间化合物焊点，工艺复杂，制作纳米颗粒成本过高，生成渣滓不易清理；而低温超声键合方法缺点是工艺复杂，需要对生产设备作较大改动，与现有封装工艺技术兼容性低；此外，上述方法形成的金属间化合物通常取向随机，不具有择优取向。
[0005]热迀移是在温度梯度(两点温度差Δ T与两点间距Ad的比值，即Λ T/Ad)作用下发生的原子迀移过程。从材料热力学和动力学观点看，金属原子的热迀移是在一定温度梯度作用下发生的、由扩散控制的质量迀移过程，其机理是高温区的电子具有较高的散射能，驱动金属原子沿温度降低的方向进行定向扩散迀移，产生金属原子的质量迀移。文献[RA Johns, D A Blackburn.Thin Solid Films, 25 (2): 291-300，1975]报道了在 202_322°C下纯Pb (熔点327.5°C )中发现晶界处Pb原子流比晶格内Pb原子流对温度梯度更为敏感，证明了金属原子热迀移现象的存在。
【发明内容】
[0006]本发明提供了一种倒装芯片用全金属间化合物互连焊点的制备方法及结构，通过钎焊回流时在焊点内形成一定的温度梯度，诱发金属原子由焊点内温度相对较高的热端焊盘向液态钎料中快速溶解，并在温度梯度的作用下向焊点内温度相对较低的冷端进行大量的、快速的迀移扩散，从而显著加速焊点冷端界面金属间化合物的形成生长，最终得到全金属间化合物互连焊点。
[0007]本发明采用的技术方案如下:
[0008]一种倒装芯片用全金属间化合物互连焊点的制备方法，包括以下步骤:
[0009]步骤一:提供芯片，所述芯片上采用电镀、溅射、气相沉积或蒸镀的方法制备至少一个第一金属焊盘，所述第一金属焊盘上采用电镀、溅射、气相沉积、蒸镀或植球后再回流制备钎料凸点；提供基板，所述基板上采用电镀或溅射的方法制备至少一个第二金属焊盘，所述第二金属焊盘上采用电镀、溅射或化学沉积制备第二可焊层；
[0010]所述第一金属焊盘和第二金属焊盘具有相同的材质，为Cu、Ni或Ag，且具有相同的排布图形；
[0011]所述第二可焊层由N1、Au、Pd、Ag、OSP中的一种或几种组成，且不同于所述二金属焊盘的材质；
[0012]所述钎料凸点为Sn、In、SnAg> SnCu> SnB1、SnPb> SnAgCu> InAg 中的一种；
[0013]步骤二:第二可焊层的表面涂覆焊剂；
[0014]步骤三:将钎料凸点和第二可焊层一一对准，并接触放置，形成一个组合体；
[0015]步骤四:对步骤三形成的组合体加热至所需温度下进行钎焊回流，并使第一金属焊盘的温度低于第二金属焊盘的温度，即在第一金属焊盘和第二金属焊盘之间形成温度梯度，直至钎料凸点熔化后发生钎焊反应全部转变为金属间化合物；
[0016]所述温度梯度定义为Λ T/Λ d，所述Δ T为第二金属焊盘上表面与第一金属焊盘下表面之间的温度差，所述△ d为第二金属焊盘上表面与第一金属焊盘下表面之间的距离；
[0017]所述温度梯度不小于20°C /cm,优选为20?200°C /cm ；
[0018]所述金属间化合物在第一金属焊盘上形成生长；
[0019]优选的，所述钎料凸点的直径为I?100 μπι ;
[0020]所述第二金属焊盘的厚度，根据钎料凸点和金属焊盘的材质，并使钎料在钎焊反应中全部反应形成金属间化合物为准，本领域的技术人员可根据实际需求进行选择，优选为 2 ?100 μπι ；
[0021 ] 所述第一金属焊盘和第二金属焊盘在钎焊反应后仍有剩余；
[0022]所述金属间化合物为Cu-Sn、N1-Sn、Cn-1n、Ni_In、Ag-Sn、Ag-1n中的一种或几种；
[0023]所述第一金属焊盘为单晶或具有择优取向；
[0024]第一金属焊盘为单晶或择优取向Cu时，钎料凸点为Sn、In或SnCu中的一种；
[0025]第一金属焊盘为单晶或择优取向Ni时，钎料凸点为Sn或In中的一种；
[0026]第一金属焊盘为单晶或择优取向Ag时，钎料凸点为Sn、In、SnAg或InAg中的一种。
[0027]所述形成的金属间化合物会因所用金属焊盘和钎料凸点的材质种类不同而含(或不含)残余相，残余相为Ag3Sru富Pb相或富Bi相。使用哪种金属焊盘和对应钎料凸点会含(或不含)残余相，所属技术领域的技术人员根据现有技术即可判断。在所述步骤一中第一金属焊盘和钎料凸点之间还包含采用电镀、溅射、气相沉积或蒸镀方法制备的第一可焊层，所述第一可焊层为Ni ,Au,Pd和Ag中的一种或几种，且不同于所述第一金属焊盘的材质。
[0028]本发明在步骤四中，使第一金属焊盘的温度低于第二金属焊盘的温度以形成温度梯度，由于焊点的尺寸微小，即使焊点内存在较小的温度差，仍然会形成较大的温度梯度。例如，100 μπι焊点两侧焊盘之间的温度差为1°C时，所形成的温度梯度将达到100°C /Cm。温度梯度的存在引发大量金属原子由温度相对较高的热端金属焊盘快速溶解到液态钎料中，并向温度相对较低的冷端界面进行快速扩散迀移，从而显著加速冷端界面金属间化合物的生长，同时使金属间化合物从温度相对较低的冷端向温度相对较高的热端连续生长，从而有效避免形成的金属化合物中孔洞的出现。
[0029]本发明中的加热装置为可形成温度梯度的加热器。
[0030]本发明中，在温度梯度存在的条件下进行钎焊回流的过程中，金属焊盘和钎料的材质、温度梯度和回流温度是影响金属间化合物的生长速率和结构的最主要因素，其它因素影响较小；金属间化合物的生长速率随温度梯度的增大而增加。因此，本发明不限于上述技术方案中的结构。
[0031]一种倒装芯片用全金属间化合物互连焊点结构，包括芯片和位于所述芯片上的至少一个第一金属焊盘，基板和位于所述基板上的至少一个第二金属焊盘，所述第一金属焊盘为单晶或具有择优取向，所述第一金属焊盘和第二金属焊盘通过金属间化合物连接，所述金属间化合物沿所述温度梯度的方向具有单一取向。
[0032]优选的，所述第一金属焊盘为单晶或择优取向Cu、Ni或Ag。
[0033]本发明的有益效果是:钎焊回流时引入温度梯度促使金属原子发生热迀移，加速界面金属间化合