專利名稱：制造無鉛焊料凸塊的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及通過使用倒裝片(flip-chip)互連制造焊料凸塊(solderbump)的方法，所述焊料凸塊是半導(dǎo)體的終端，本發(fā)明尤其涉及容易地制造無鉛焊料凸塊的方法，從而減少了制造成本，并且能夠容易地實(shí)現(xiàn)電鍍控制。
背景技術(shù)：
傳統(tǒng)的絲焊方法是將半導(dǎo)體基片的電極焊盤(electrode pad)電氣連接到帶有金線的鉛框架的鉛線上。相反地，倒裝片方法是將半導(dǎo)體基片連接到PCB(印刷電路板)的終端，其中半導(dǎo)體基片是嵌入的，在半導(dǎo)體基片上形成有凸塊。
傳統(tǒng)上使用以鉛(Pb)和錫(Sn)作為主要成分的焊料，以便凸塊可以形成在半導(dǎo)體基片的電極焊盤上。
由于不斷增加的環(huán)境問題，在電子產(chǎn)品中消除對(duì)鉛的使用的規(guī)定已被提出，先始于歐洲和日本，最近已遍布全世界。在歐洲，汽車再循環(huán)法控制基于鉛的焊料。在日本，根據(jù)廢物和清潔法(廢物處理和公共清潔法，即“Waste Treatment and Public Cleanup Law”)以及家庭用具再循環(huán)法(the Home appliances Recycling Law)，必須將鉛從家庭用具中去除。因此，制造含鉛電子產(chǎn)品的工藝就需要轉(zhuǎn)化成無鉛工藝，在半導(dǎo)體基片上的焊料凸塊就需要通過使用無鉛焊料來形成。
因此，使用鉛-銀-銅(Pb-Ag-Cu)三元合金，或錫-銀(Sn-Ag)或錫-銅(Sn-Cu)二元合金代替?zhèn)鹘y(tǒng)上使用的鉛-錫(Pb-Sn)焊料。
然而，因?yàn)樯鲜龅臒o鉛焊料的熔點(diǎn)根據(jù)合金組分的比率變化而變化很大，因此可用在270℃回流(reflow)溫度下的無鉛焊料的合金組分比率具有很窄的合金組分變化范圍，在大約3％到大約7％的范圍內(nèi)。并且，因?yàn)橐苑浅Ｐ〉牧考尤氲你~和銀(大約1％到2％)使合金的熔點(diǎn)增加10℃或更多，而且會(huì)使連接失敗，所以合金組分的比率必須被精確地設(shè)定。此外，傳統(tǒng)上使用絡(luò)合劑，因?yàn)榕c錫相比具有高還原電勢(shì)的銀和銅會(huì)優(yōu)先被電鍍。然而，由于絡(luò)合劑的價(jià)格高，因此制造成本高。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一方面是提供一種僅使用一元錫電鍍?nèi)菀椎刂圃於獰o鉛焊料凸塊，或僅使用二元錫-銀電鍍?nèi)菀椎刂圃戾a-銀-銅三元無鉛焊料凸塊的方法，這是通過在回流焊料時(shí)，把作為無鉛焊料成分之一的銅敷設(shè)在焊料凸塊下部中的UBM(底部凸起金屬化，under bumpmetallization)層上，從而將銅擴(kuò)散入焊料中而實(shí)現(xiàn)的。
本發(fā)明的附加方面內(nèi)容和/或優(yōu)點(diǎn)將在以下的描述中部分得到闡述，部分從說明書中可以得到顯而易見的了解，或者可以通過實(shí)施本發(fā)明而得知。
為了實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的以上和/和其他方面，提供一種制造無鉛焊料凸塊的方法，包括提供基片，所述基片具有帶開放電極焊盤的保護(hù)層；在基片上形成UBM(底部凸起金屬化)層；在UBM層上光刻光刻膠，除UBM層對(duì)應(yīng)電極焊盤的部分之外；在UBM層對(duì)應(yīng)電極焊盤的部分上形成銅層；將焊料電鍍?cè)阢~層上；去除光刻膠；以及使用焊料作為掩模蝕刻UBM層，并且回流焊料、制造焊料凸塊。
在一個(gè)實(shí)例中，焊料包括錫。
在另一個(gè)實(shí)例中，焊料進(jìn)一步包括銀。
在大約230℃到大約270℃的溫度下實(shí)施回流大約1分鐘到大約20分鐘。
銅層的厚度范圍從大約5μm到大約20μm。
UBM層包括涂到基片上的第一層和涂到第一層上的第二層，其中所述第一層具有鈦(Ti)、鎢(W)、鉻(Cr)和鈦/鎢(TiW)其中之一，而第二層具有銅(Cu)、鎳(Ni)、鎳/釩(Ni-V)合金以及銅/鎳(Cu-Ni)合金其中之一。
為了實(shí)現(xiàn)根據(jù)本發(fā)明的以上和/或其他方面，提供一種半導(dǎo)體基片的無鉛焊料凸塊，包括半導(dǎo)體基片；形成在半導(dǎo)體基片上的電極焊盤；形成在半導(dǎo)體基片上電極焊盤周圍的保護(hù)層；形成在電極焊盤和保護(hù)層上的底部凸起金屬化層(UBM)；形成在UBM層上的光刻膠，除UBM層對(duì)應(yīng)電極焊盤的部分之外；形成在對(duì)應(yīng)電極焊盤的UBM層上的銅層；以及電鍍?cè)阢~層上的焊料，其中光刻膠被去除，使用焊料作為掩模蝕刻UBM層，以及回流焊料以形成焊料凸塊。
隨后將變得明顯的這些和其他方面和/或優(yōu)點(diǎn)存在于以下對(duì)結(jié)構(gòu)和操作的更全面的描述和闡述中，并且參考附圖形成描述和闡述的一部分，其中全文中相同的標(biāo)號(hào)表示相同的部件。
附圖簡(jiǎn)述參照附圖，通過以下對(duì)優(yōu)選實(shí)施例的描述，本發(fā)明的這些和/或其他方面內(nèi)容和優(yōu)點(diǎn)將變得更加清楚和更易于理解，其中

圖1A至1F示出的是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的制造無鉛焊料凸塊的過程的剖視圖；以及圖2A和2B示出的是根據(jù)本發(fā)明的無鉛焊料回流期間銅擴(kuò)散入無鉛焊料中的剖視圖。
具體實(shí)施例方式
下面將參考附圖詳細(xì)描述本發(fā)明的實(shí)施例，其中相同的標(biāo)號(hào)指示相同的元件。然而，本發(fā)明可以以許多不同的形式實(shí)施，并且不應(yīng)理解為局限于所述的實(shí)施例。提供本實(shí)施例只是為了使本發(fā)明的公開更充分、更完全，并且將本發(fā)明的概念更充分地傳遞給本領(lǐng)域普通技術(shù)人員。
圖1A是半導(dǎo)體基片10的剖視圖，其中半導(dǎo)體基片10具有帶開放電極焊盤12的保護(hù)層14，圖1B是UBM(底部凸起金屬化)層20的剖視圖，所述UBM層20形成在半導(dǎo)體基片上。UBM層20防止在焊料被電鍍到由諸如鋁等金屬制成的電極焊盤12上之后回流焊料時(shí)電極焊盤12和焊料之間產(chǎn)生擴(kuò)散。UBM層20還提供連接半導(dǎo)體基片10的所有區(qū)域的電通路，并且增強(qiáng)倒裝片互連中電極焊盤12與焊料凸塊34之間界面的粘合性。UBM層20的第一層16涂在半導(dǎo)體基片10上，并且包括鈦(Ti)、鎢(W)、鉻(Cr)以及鈦/鎢(TiW)其中之一，第二層18涂在第一層16上，并且包括銅(Cu)、鎳(Ni)、鎳/釩(Ni-V)合金以及銅/鎳(Cu-Ni)合金其中之一。UBM層20通過噴濺被依次形成，它需要與半導(dǎo)體基片10之間具有好的粘合性，并且在連續(xù)的形成過程中不能被損害。
如圖1C所示，在UBM層20上光刻光刻膠30，除對(duì)應(yīng)電極焊盤12的部分除外。此外，如圖1D所示，銅層22形成在UBM20對(duì)應(yīng)電極焊盤12的部分上。然后，焊料32電鍍到銅層22上(參考圖1E)，直接接觸銅層22。焊料32包括錫作為主要成分。這時(shí)，銅層22的厚度范圍在大約5μm到大約20μm之間。
接著，如圖1F所示，光刻膠30被去除，使用焊料32作為掩模蝕刻UBM層20(未示出)。最后，焊料32被回流。圖2A示出銅層22中的銅在焊料32回流過程中擴(kuò)散到焊料32中，圖2B示出通過銅擴(kuò)散到焊料32中而形成錫-銅二元焊料凸塊34。
在溫度范圍為大約230℃到大約270℃的有機(jī)溶劑中實(shí)施回流。當(dāng)焊料32僅包括錫時(shí)，如果焊料32的回流溫度高于232℃，即高于錫的熔點(diǎn)，則在UBM層20上形成層的銅層22中的銅擴(kuò)散到錫焊料32中，同時(shí)焊料32中的錫擴(kuò)散到銅層22中以在焊料32與銅層22之間的界面處形成銅-錫金屬化合層，其中銅-錫金屬化合層增強(qiáng)導(dǎo)電性能?；亓髦箢A(yù)定量的銅留在焊料凸塊34中。
焊料32也可以包括銀，而錫作為主要成分，從而形成錫-銀二元無鉛合金，與錫-銀-銅三元無鉛合金相比，它的組分比率可以容易地被控制。因?yàn)楦鶕?jù)本發(fā)明，通過對(duì)回流溫度和時(shí)間量的調(diào)節(jié)可以控制銅到焊料32中的擴(kuò)散量，因此可以用二元凸塊制造過程代替具有高制造成本的三元凸塊制造過程和困難的質(zhì)量控制。
表1提供了焊料凸塊34上部中的銅含量的分析結(jié)果，其中是在錫/3.5銀合金被電鍍到BM層20的各種結(jié)構(gòu)上并且在各種溫度和時(shí)間下實(shí)施回流過程之后使用能量分散X射線光譜(EDX，energy dispersive X-rayspectroscopy)進(jìn)行分析的。如表1所示，在回流過程之后，在焊料凸塊34中的銅含量根據(jù)熱處理的條件在大約1.5％到3％的范圍內(nèi)。這些結(jié)果示出，在制造小尺寸(例如，小于大約150μm)無鉛焊料凸塊時(shí)，電鍍過程中銅不需要被分別加入以便加入非常少量(大約1％)的銅。
表1。
回流錫/3.5銀之后，在焊料凸塊中的銅含量在具有不同層的UBM上的焊料凸塊

在限定氧含量的氮環(huán)境下的普通回流爐中，焊劑擴(kuò)展，焊料凸塊34可以熔化。焊料凸塊34的回流可以在蝕刻UBM層20之前或之后實(shí)施。
通過以上結(jié)構(gòu)，根據(jù)本發(fā)明，不需要制造用于二元和三元焊料合金的電鍍?nèi)芤?，通過UBM層20上的銅擴(kuò)散入焊料32中就可以容易地控制包含在焊料凸塊34中的組分比率。
如上所述，根據(jù)本發(fā)明，通過在焊料回流期間使銅在UBM上形成層來將銅擴(kuò)散入焊料中，并且由此，僅通過使用一元或二元錫電鍍就可以容易地制造二元或三元無鉛焊料凸塊。
這樣，可以制造具有低制造成本并且電鍍?nèi)菀卓刂频臒o鉛焊料凸塊。
盡管對(duì)本發(fā)明的一些優(yōu)選實(shí)施例進(jìn)行了展示和描述，但本領(lǐng)域技術(shù)人員將會(huì)理解在不偏離本發(fā)明的原理和實(shí)質(zhì)的情況下，可對(duì)這些實(shí)施例進(jìn)行改變，其范圍也落入本發(fā)明的權(quán)利要求及其等同物所限定的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種制造無鉛焊料凸塊的方法，包括提供基片，所述基片具有帶開放電極焊盤的保護(hù)層；在基片上形成UBM(底部凸起金屬化)層；在UBM層上光刻光刻膠，除UBM層對(duì)應(yīng)電極焊盤的部分之外；在UBM層對(duì)應(yīng)電極焊盤的部分上形成銅層；將焊料電鍍?cè)阢~層上；去除光刻膠；以及使用焊料作為掩模蝕刻UBM層，并且回流焊料、制造焊料凸塊。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制造無鉛焊料凸塊的方法，其特征在于，焊料包括錫。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的制造無鉛焊料凸塊的方法，其特征在于，焊料進(jìn)一步包括銀。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制造無鉛焊料凸塊的方法，其特征在于，在大約230℃到大約270℃的溫度下實(shí)施回流大約1分鐘到大約20分鐘。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制造無鉛焊料凸塊的方法，其特征在于，銅層的厚度范圍為從大約5μm到大約20μm。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制造無鉛焊料凸塊的方法，其特征在于，UBM層包括涂到基片上的第一層和涂到第一層上的第二層，其中所述第一層具有鈦(Ti)、鎢(W)、鉻(Cr)和鈦/鎢(TiW)其中之一，而第二層具有銅(Cu)、鎳(Ni)、鎳/釩(Ni-V)合金以及銅/鎳(Cu-Ni)合金其中之一。
7.一種半導(dǎo)體基片的無鉛焊料凸塊，包括半導(dǎo)體基片；形成在半導(dǎo)體基片上的電極焊盤；形成在半導(dǎo)體基片上電極焊盤周圍的保護(hù)層；形成在電極焊盤和保護(hù)層上的底部凸起金屬化層(UBM)；形成在對(duì)應(yīng)電極焊盤的UBM層上的銅層；以及電鍍?cè)阢~層上的焊料，其中使用焊料作為掩模蝕刻UBM層，以及回流焊料以形成焊料凸塊。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的焊料凸塊，其特征在于，UBM層防止在焊料回流時(shí)電極焊盤與焊料之間發(fā)生擴(kuò)散，提供連接半導(dǎo)體基片所有區(qū)域的電通路，并且增加電極焊盤與焊料凸塊之間的界面粘合性。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的焊料凸塊，其特征在于，焊料凸塊是錫-銅二元焊料凸塊，其通過在焊料回流時(shí)銅層中的銅擴(kuò)散到焊料中而形成。
10.根據(jù)權(quán)利要求7所述的焊料凸塊，其特征在于，焊料包括錫。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的焊料凸塊，其特征在于，進(jìn)一步包括在焊料與銅層的界面處的銅-錫金屬化合層，它是通過這樣形成的當(dāng)焊料回流溫度大于錫的熔點(diǎn)時(shí)，銅層中預(yù)定量的銅擴(kuò)散到焊料中，并且同時(shí)焊料的錫擴(kuò)散到銅層中。
12.根據(jù)權(quán)利要求10所述的焊料凸塊，其特征在于，焊料進(jìn)一步包括銀，而錫作為焊料中主要的成分，從而形成錫-銀二元無鉛合金。
13.根據(jù)權(quán)利要求9所述的焊料凸塊，其特征在于，通過調(diào)整焊料回流的溫度和時(shí)間量來控制銅到焊料中的擴(kuò)散量。
14.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制造無鉛焊料凸塊的方法，其特征在于，在所述的蝕刻UBM層之前實(shí)施所述的回流焊料。
15.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制造無鉛焊料凸塊的方法，其特征在于，在所述的蝕刻UBM層之后實(shí)施所述的焊料回流。
16.一種在具有電極焊盤的基片上制造無鉛焊料凸塊的方法，包括在基片上形成UBM(底部凸起金屬化)層；在UBM層對(duì)應(yīng)電極焊盤的部分上形成銅層，并且將焊料電鍍?cè)阢~層上；以及回流焊料以形成焊料凸塊。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的制造無鉛焊料凸塊的方法，其特征在于，進(jìn)一步包括在所述的在基片上形成UBM層之后，在UBM層上光刻光刻膠，除UBM層對(duì)應(yīng)電極焊盤的部分以外；在所述的將焊料電鍍?cè)阢~層上之后，去除光刻膠；以及在所述的去除光刻膠之后，使用焊料作為掩模蝕刻UBM層。
18.根據(jù)權(quán)利要求16所述的制造無鉛焊料凸塊的方法，其特征在于，進(jìn)一步包括在所述的在基片上形成UBM層之后，在UBM層上光刻光刻膠，除UBM層對(duì)應(yīng)電極焊盤的部分之外；在所述的將焊料電鍍?cè)阢~層上之后，去除光刻膠；以及在所述的回流焊料以形成焊料凸塊之后，使用焊料作為掩模蝕刻UBM層。
全文摘要
一種制造無鉛焊料凸塊的方法，包括提供基片，所述基片具有帶開放電極焊盤的保護(hù)層；在基片上形成UBM(底部凸起金屬化)層；在UBM層上光刻光刻膠，除UBM層對(duì)應(yīng)電極焊盤的部分之外；在UBM層對(duì)應(yīng)電極焊盤的部分上形成銅層；將焊料電鍍?cè)阢~層上；去除光刻膠；以及使用焊料作為掩模蝕刻UBM層，并且回流焊料、制造焊料凸塊。
文檔編號(hào)B23K35/40GK1509838SQ200310104780
公開日2004年7月7日 申請(qǐng)日期2003年11月3日 優(yōu)先權(quán)日2002年12月23日
發(fā)明者張世映 申請(qǐng)人:三星電子株式會(huì)社