專利名稱：對(duì)電連接中具有高遷移率的組分的束縛的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及半導(dǎo)體，并且更具體地，涉及用于這樣的裝置的電連接。
背景技術(shù)：
用于倒裝式管芯附接的典型的焊球是由63%鉛-37%錫制成的。就在作為傳統(tǒng)的焊球形成處理的最后一個(gè)步驟并在附接之前發(fā)生的回流之后，焊接材料在成分和稠度方面是均勻的。圖1是就在回流之后的典型的焊球100的橫截面的放大照片。在該焊接材料中，存在非常易動(dòng)的錫離子。結(jié)果，隨著時(shí)間的過去，這些錫離子將在焊料中遷移。即使在適度的溫度，遷移離子也將趨向于在一起結(jié)塊，致使鉛和錫經(jīng)受相間隔離處理。圖2是典型的焊球200在150°C的溫度下(該溫度在某些芯片的工作溫度之內(nèi))經(jīng)過1000小時(shí)之后的橫截面的放大照片。在圖2中很明顯，對(duì)錫進(jìn)行的顯著的相間隔離形成圖2中的淺色的塊202。由于發(fā)生了該相間隔離，焊球變得更加易碎并且它的可靠性下降。同樣的相間隔離也可以由于可動(dòng)原子的電遷移而發(fā)生。圖3是典型的焊料塊300在由于可動(dòng)原子的電遷移而已經(jīng)發(fā)生相間隔離302時(shí)的橫截面的放大照片。如同圖2 —樣，結(jié)果是易碎的焊料塊和下降的可靠性。在這兩種情況中，當(dāng)連接涉及已經(jīng)經(jīng)受相間隔離的焊料塊時(shí)，連接的壽命被減少。除了縮短壽命之外，相間隔離降低了焊料塊的載流能力。這是因?yàn)樵拥臄U(kuò)散會(huì)留下不攜帶電流的空隙304，而且隨著處理繼續(xù)以及連接經(jīng)受使用中伴隨的加熱和冷卻循環(huán),空隙304變大并最終成為接觸失敗的根源。不會(huì)導(dǎo)致相間隔離的一個(gè)方法是使用如同金的單個(gè)的非活性金屬來形成連接。雖然這種方法避免了這個(gè)問 題，但是卻顯著地增加了每個(gè)連接的成本，在商業(yè)應(yīng)用中成本競爭是個(gè)問題，因此這對(duì)商業(yè)應(yīng)用來說是不能令人滿意的。因此，在電連接的領(lǐng)域中需要不具有如上所述的現(xiàn)有技術(shù)中存在的相間隔離問題的接觸方法。而且，需要能夠以成本競爭方式達(dá)到上述目的的方法。

發(fā)明內(nèi)容
我們已經(jīng)設(shè)計(jì)出使用通常遭受相間隔離問題的焊料或者其它金屬合金來形成連接的連接，即使沒有消除相間隔離問題，但實(shí)質(zhì)上減少了相間隔離問題。我們的方法的一個(gè)方面涉及制造電觸點(diǎn)的方法。該方法涉及在電連接的位置設(shè)置阻隔材料，在阻隔材料上設(shè)置導(dǎo)電的接合金屬，導(dǎo)電的接合金屬具有擴(kuò)散的可動(dòng)成分，選擇阻隔材料的體積和擴(kuò)散的可動(dòng)成分的體積，使得阻隔材料的體積至少是阻隔材料的體積和擴(kuò)散的可動(dòng)成分的體積的組合體積的20%。另一個(gè)方面涉及電連接。電連接在兩個(gè)觸點(diǎn)之間具有導(dǎo)電的接合金屬，設(shè)置于導(dǎo)電的接合金屬至少一側(cè)的阻隔材料，以及位于阻隔材料和導(dǎo)電的接合金屬之間的交界面的合金。合金包括至少一些阻隔材料，至少一些接合金屬，和可動(dòng)材料。另外的方面涉及一種設(shè)備。該設(shè)備包括在兩個(gè)電觸點(diǎn)之間的連接，該連接包括接合金屬，阻隔材料和合金，該合金具有能夠隨著時(shí)間的過去相間隔離的可動(dòng)組成成分，在200° C的溫度下維持1000小時(shí)之后，該合金實(shí)質(zhì)上沒有經(jīng)受過相間隔離。在此說明的優(yōu)點(diǎn)和特點(diǎn)是可從代表性實(shí)施例中獲得的許多優(yōu)點(diǎn)和特點(diǎn)中的一部分，并且僅是為幫助理解本發(fā)明而陳述的。應(yīng)當(dāng)了解這些優(yōu)點(diǎn)和特點(diǎn)不被認(rèn)為是對(duì)權(quán)利要求所限定的本發(fā)明的限制，或者是對(duì)權(quán)利要求的等同物的限制。例如，這些優(yōu)點(diǎn)中的一些優(yōu)點(diǎn)互相矛盾，因?yàn)樗鼈儾荒芡瑫r(shí)存在于單個(gè)實(shí)施例中。類似地，一些優(yōu)點(diǎn)可適用于本發(fā)明的一個(gè)方面，不適用于其他方面。因此，這些特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)的概括在確定等效性時(shí)不應(yīng)當(dāng)被認(rèn)為是決定性的。本發(fā)明另外的特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)在以下說明中從附圖和權(quán)利要求中變得顯而易見。


圖1是就在回流之后的典型的焊球的橫截面的照片；圖2是典型的焊球在150°C的溫度下經(jīng)過1000小時(shí)之后的橫截面的放大照片；圖3是典型的焊料塊在由于可動(dòng)原子的電遷移已經(jīng)發(fā)生相間隔離時(shí)的橫截面的放大照片；圖4是實(shí)例的韌性觸點(diǎn)的橫截面的照片；圖5是在釘扎循環(huán)處理已經(jīng)被完成之后剛性觸點(diǎn)和韌性觸點(diǎn)的橫截面的照片；圖6是在熔合處理 已經(jīng)被完成之后剛性觸點(diǎn)和韌性觸點(diǎn)的橫截面的照片；圖7是在熔合處理已經(jīng)被完成之后芯片的類似圖6的剛性觸點(diǎn)和韌性觸點(diǎn)的橫截面的照片；以及圖8是在200°C經(jīng)過1000小時(shí)之后，來自相同芯片的類似的剛性觸點(diǎn)的韌性觸點(diǎn)的橫截面的照片，其中部分802被進(jìn)一步放大顯示。
具體實(shí)施例方式本申請(qǐng)涉及與此同時(shí)申請(qǐng)的標(biāo)題為“可循環(huán)熱連接”的美國專利申請(qǐng)，其全部內(nèi)容通過引用結(jié)合在本文中，如同在本文中全部陳述一樣。我們的方法涉及兩個(gè)方面，每個(gè)方面可以單獨(dú)使用或者可以彼此相結(jié)合使用。第一個(gè)方面涉及在諸如焊料或者合金的接合金屬下使用被稱為阻隔物的材料，以束縛和/或吸引接合金屬中的可動(dòng)原子。這是通過選擇合適的材料以及通過確保阻隔材料的接觸面積和厚度(即體積)相對(duì)于焊料或者連接形成合金(以下通常被稱為“接合金屬，，)是大的來完成的，在上述結(jié)合的申請(qǐng)中所述的柱和穿透連接的情況中，該材料將是韌性材料?；蛘撸徒雍辖饘僮钜讋?dòng)的元素的體積可以被估計(jì)或者確定這方面來說，我們的方法只需要阻隔材料的體積相對(duì)于接合金屬中最易動(dòng)的成分的體積是大的，而不是相對(duì)于整個(gè)接合金屬的體積。在兩種情況下都希望阻隔材料的體積至少大約是總體積的20%，或者至少是最易動(dòng)的成分的體積的20%，優(yōu)選是具有更高的百分比。注意，20%這個(gè)數(shù)字并不是嚴(yán)格的限制，而是期望需要確保束縛大多數(shù)可動(dòng)原子。情況可以是接合金屬和阻隔物的特定組合可以具有較少的限制。通過一個(gè)代表性的實(shí)例，假定在兩個(gè)匹配的觸點(diǎn)的每一個(gè)上使用阻隔物，并且觸點(diǎn)具有恒定的表面積，則高度可以代替體積。如果接合金屬的總厚度大約是15μπι或以下，則它的20%將大約是3 μ m,并且在每個(gè)觸點(diǎn)上的阻隔材料的厚度大約是1. 5 μ m。在另一個(gè)代表性的實(shí)例中，涉及在兩個(gè)匹配連接的每一個(gè)上的阻隔物，其中阻隔材料是如上述結(jié)合的申請(qǐng)中描述的韌性材料，如果在韌性材料的每一側(cè)上的阻隔物將具有至少大約1. 5 μ m的厚度，并且優(yōu)選是大約2 μ m到3 μ m。由于存在兩個(gè)阻隔物(在每一側(cè)上有一個(gè))，因此阻隔材料的總高度將大約在3 μ m和大約6 μ m之間。結(jié)果，使用20%的度量，韌性材料的總厚度應(yīng)當(dāng)小于15 μ m,并且在這種情形中，優(yōu)選是大約9 μ m或以下。在這種情況下，如果阻隔物在一側(cè)上是3 μ m并且韌性材料的厚度是9 μ m,則阻隔物相對(duì)于總體積的百分比在最小的大約20% (3 μ m/15 μ m)到大約67% (即，6μπι/9μηι)的范圍內(nèi)。當(dāng)然，如上所述，取決于用于阻隔物和接合金屬的具體材料，最小的比率可能會(huì)略微更低，但不會(huì)相當(dāng)?shù)?，只要滿足上述標(biāo)準(zhǔn)即可。然而，由于更大體積的阻隔物在吸引和束縛方面只會(huì)更好，因此優(yōu)選的是，將使用更好的比率。例如，當(dāng)我們使用Au75% /Sn25%到Au85% /Snl5 %的金-錫合金作為接合金屬并使用鎳作為阻隔物時(shí)，我們已經(jīng)特別發(fā)現(xiàn)事情就是如此。因此，應(yīng)當(dāng)認(rèn)識(shí)到百分比越高越好，因?yàn)樵谠S多實(shí)踐中它們將可能獲得更好的結(jié)果。使用大體積的阻隔材料使得阻隔物以順序的方式吸引和捕獲或者吸收接合金屬中的可動(dòng)原子，從而即使沒有完全防止，也能基本上減少相間隔離問題。而且，在吸收材料的過程中，典型的大約20%的最小比率確保阻隔物不會(huì)趨近“飽和”，或者在阻隔物在觸點(diǎn)焊點(diǎn)之上的情況中，阻隔物不會(huì)被“穿透”。通常，一般不使用小于大約20%的阻隔物的理由是，在較低的百分比，阻隔物的較小體積不能吸引、捕獲或者束縛可動(dòng)材料的體積。因此，未被吸引、捕獲或者束縛的 可動(dòng)材料將自由地遷移并在一起結(jié)塊，從而導(dǎo)致現(xiàn)有技術(shù)中的相間隔離問題，盡管是潛在的較小的程度。第二個(gè)方面涉及確保使阻隔物和接合金屬中的原子之間的距離保持為較短。實(shí)際上，由于觸點(diǎn)的寬度或者直徑將較小，因此高度將是距離的最主要的因素。因而，接合金屬的高度絕對(duì)值應(yīng)當(dāng)是小的。通過將接合金屬的高度保持在大約20到25 μ m以下，并且優(yōu)選的是，即使在大約15 μ m以下，典型的期望高度是從大約9 μ m到大約6 μ m，必須移動(dòng)的可動(dòng)材料的距離也將是短的，以便可動(dòng)材料遇到阻隔物的可能性將比較大。例如，如果在連接的兩側(cè)上使用合適的阻隔物，則在25 μ m高的塊中距離任一阻隔物最遠(yuǎn)的可動(dòng)原子只需要移動(dòng)一半的距離就能夠到達(dá)阻隔物，即，只有12.5μπι。因此，通過將總高度保持為較小，趨勢是在連接階段的加熱部分期間，即在上述結(jié)合的申請(qǐng)中描述的釘扎&熔合處理的釘扎或熔合階段，可動(dòng)原子到達(dá)阻隔材料，并且阻隔材料快速地吸收可動(dòng)原子，而不是在聯(lián)接后留下可動(dòng)材料在接合金屬中自由地到處活動(dòng)?，F(xiàn)在應(yīng)當(dāng)理解和領(lǐng)會(huì)的是，由于柱和穿透連接方法的特性，通過在韌性材料之下放置足夠量的阻隔材料，上述方法特別適合于與那樣的連接處理(如上所述)使用。而且，如果柱也被涂覆上足夠的阻隔材料，則會(huì)增強(qiáng)該方法，這是因?yàn)楫?dāng)柱穿透進(jìn)入韌性材料時(shí)，離子需要移動(dòng)以到達(dá)阻隔材料的距離被減少。
通常，當(dāng)使用本文中描述的方法時(shí)，合適的阻隔材料可以包括鎳(Ni)、鉻(Cr)、鈦(Ti)、鉬(Pt)、鈀(Pd)、鉭(Ta)、鶴(W)，以及它們的合金或者它們分層的組合物。更具體地說，合適的阻隔物將是與接合金屬的成分密切相關(guān)的那些金屬或合金，該接合金屬的成分具有比最高熔點(diǎn)成分低的熔點(diǎn)。例如，如果接合金屬是Ga-1n-Sn-Zn的合金，則從該合金中去除Zn和/或從該合金中去除Sn的阻隔物將使熔點(diǎn)上升，并且對(duì)某些實(shí)踐將達(dá)到本文中的目標(biāo)?；蛘?，能夠被用來一起使用的或者作為阻隔物(也被稱為蓋)使用來增加成分并提高熔點(diǎn)的合適的材料是比接合金屬的最低的熔點(diǎn)的成分具有更高熔點(diǎn)并可以與接合金屬形成合金的那些材料。通常，如同本文中圖解的那樣，對(duì)于所關(guān)心的特定合金的相位圖的查看將便于適當(dāng)?shù)慕雍辖饘俚倪x擇。下面的表I標(biāo)識(shí)了能被用作接合金屬的眾多材料中的一些，并提供了一種不借助參考相位圖來標(biāo)識(shí)變化的熔點(diǎn)的方法。表I包含在第一列中的近似的熔化溫度，在第二列中的近似的凝固溫度，并且在第三列中的具體的合適的接合金屬。
權(quán)利要求
1.一種在一對(duì)電連接點(diǎn)之間形成電連接的方法，所述方法包括 將具有組成成分的第一濃度的第一接合金屬加熱到至少大約所述第一接合金屬的熔點(diǎn)，其中第一接合金屬包括擴(kuò)散的可動(dòng)成分； 當(dāng)加熱所述第一接合金屬時(shí)，接近所述第一接合金屬設(shè)置能夠與所述第一接合金屬相互作用的材料，以便將組成成分的所述第一濃度改變成組成成分的第二濃度，使得所述第一接合金屬將變成第二接合金屬，其中能夠與所述第一接合金屬相互作用的材料包括在所述加熱期間束縛所述擴(kuò)散的可動(dòng)成分的實(shí)質(zhì)部分的阻隔材料，并且其中所述第二接合金屬的熔點(diǎn)高于所述第一接合金屬的熔點(diǎn)；以及 將所述一對(duì)電連接點(diǎn)和第二接合金屬冷卻至所述第一接合金屬的熔點(diǎn)以下。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，還包括 在所述冷卻之后，將所述連接點(diǎn)對(duì)和所述第二接合金屬再加熱至再加熱溫度，所述再加熱溫度等于或者大于所述第一接合金屬的熔點(diǎn)，但是小于所述第二接合金屬的熔點(diǎn)。
3.如權(quán)利要求2所述的方法，還包括在芯片堆疊處理中重復(fù)所述再加熱多次。
4.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述阻隔材料的體積至少是所述阻隔材料和所述擴(kuò)散的可動(dòng)成分的組合體積的20%。
5.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述第一接合金屬和所述電連接點(diǎn)對(duì)包括剛性部分和韌性部分，所述方法還包括將剛性部分穿透到所述韌性部分中。
全文摘要
一種制造電觸點(diǎn)的方法，涉及在電連接的位置設(shè)置阻隔材料，在阻隔材料上設(shè)置導(dǎo)電的接合金屬，導(dǎo)電的接合金屬具有擴(kuò)散的可動(dòng)成分，選擇阻隔材料的體積和擴(kuò)散的可動(dòng)成分的體積，使得阻隔材料的體積至少是阻隔材料的體積和擴(kuò)散的可動(dòng)成分的體積的組合體積的20％。電連接在兩個(gè)觸點(diǎn)之間具有導(dǎo)電的接合金屬，設(shè)置于導(dǎo)電的接合金屬至少一側(cè)的阻隔材料，以及位于在阻隔材料和導(dǎo)電的接合金屬之間的交界面的合金。合金包括至少一些阻隔材料，至少一些接合金屬和可動(dòng)材料。
文檔編號(hào)B23K35/30GK103050420SQ20121056097
公開日2013年4月17日 申請(qǐng)日期2008年6月5日 優(yōu)先權(quán)日2008年6月5日
發(fā)明者約翰·特雷扎 申請(qǐng)人:丘費(fèi)爾資產(chǎn)股份有限公司