本發(fā)明屬于半導體器件制造工藝領(lǐng)域和微電子互連封裝領(lǐng)域，具體涉及一種用于減少錫鉍焊點金屬間化合物形成的方法。

背景技術(shù)：

隨著如今對環(huán)境保護意識的增強，鉛被列為了對人體和環(huán)境傷害最大的化學物質(zhì)，所以現(xiàn)電子封裝要以無鉛焊料為主。目前公認的無鉛焊料為:以Sn為基體，加入Ag、Cu、Sb、Bi等合金元素。錫鉍釬料以其優(yōu)異的性能和低廉的價格，成為微電子互連封裝中主要的焊接材料。傳統(tǒng)Sn-58Bi共晶釬料熔點是138℃，溫度曲線的提升會帶來的是金屬間化合物生長迅猛及焊料易氧化等很多問題。

在電子封裝中普遍存在焊盤與焊料反應(yīng)生成的金屬間化合物的問題。釬料和焊盤間形成的金屬間化合物是其機械連接和散熱的基礎(chǔ)，適當?shù)慕饘匍g化合物的形成可實現(xiàn)釬料和基板之間良好的冶金結(jié)合?；亓骱附舆^程中，錫鉍焊料與Cu發(fā)生界面反應(yīng)生成金屬間化合物，金屬間化合物的出現(xiàn)表明錫鉍焊料與Cu基體結(jié)合良好。但金屬間化合物具有本征脆性，是微裂紋萌生源，且其許多熱物理性能，例如熱膨脹系數(shù)，彈性模量，導電導熱系數(shù)等都是和各類的釬料與基體材料有一定的差距。此外在在焊點的時效過程和產(chǎn)品服役過程中，新的金屬間化合物也可能生成，脆性中間相的出現(xiàn)會改變原始的界面組織結(jié)構(gòu)，會直接影響焊點界面處的性能，從而影響到電子封裝的可靠性。

一般Cu焊板與焊料錫鉍界面處形成Cu₆Sn₅化合物，界面金屬間化合物的生長是由Cu元素的原子擴散機制控制的。一般隨著時效時間的延長，在Cu焊板與錫鉍焊料界面還會生長出Cu₃Sn化合物，也會出現(xiàn)Bi的偏聚和kirkendall(柯肯達爾)空洞現(xiàn)象。所產(chǎn)生的Cu-Sn化合物是脆性物質(zhì)，當形成較厚的Cu-Sn化合物時，會大大的降低焊接處的使用性能，受到較大的應(yīng)力時會造成焊點互連處的脆性斷裂。因此，延長接頭服役壽命的關(guān)鍵是控制界面金屬間化合物和時效過程的生長。

為改善釬焊接頭的穩(wěn)定性，進行了大量的對互連焊點界面IMC層結(jié)構(gòu)的研究。因為金屬間化合物在室溫下生長很緩慢，為了縮短實驗時間，人們普遍采用高溫時效老化的方法來模擬服役條件下金屬間化合物的形成。

無鉛焊料被加熱到熔點以上，焊料融化后經(jīng)助焊劑凈化的金屬表面進行潤濕、擴散、冶金結(jié)合，最后在焊料與金屬表面之間形成金屬間化合物層，冷卻后形成焊點。形成良好焊點的關(guān)鍵不僅在于焊接界面的良好的潤濕性，還包括形成合適厚度的金屬間化合物。焊點的基本作用是電氣連接和機械連接，一個焊點的破壞往往會導致整個封裝結(jié)構(gòu)的失效，焊點的可靠性對整個器件的壽命起著關(guān)鍵的作用，因此控制金屬間化合物增加可提高焊點的可靠性。通常控制金屬間化合物生長是通過控制焊點的熱暴露的程度和焊盤鍍鎳的方法，但因為焊點必須要經(jīng)過多次的回流工藝導致的熱循環(huán)，會導致增加熱暴露的程度，控制焊點熱暴露的方法不太實際，焊盤鍍鎳的成本較高且會對焊點機械性能有影響。

因此，為避免上述方法的缺點和過厚的金屬間化合物所帶來的缺陷，本發(fā)明人提出了在焊盤上鍍層的方法來減少金屬間化合物形成的方法。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明目的是為了克服現(xiàn)有技術(shù)的缺點，提供一種用于減少錫鉍焊點金屬間化合物形成的方法。本發(fā)明能明顯減小錫鉍焊料與Cu焊盤互連焊點間的金屬間化合物的厚度，從而減少因過厚金屬間化合物的生成而導致的危害。

為達到上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：

一種用于減少錫鉍焊點間金屬間化合物形成的方法，包括如下步驟：

(1)制作PCB基板或襯底元件；

(2)采用金屬表面鍍層工藝在步驟(1)所述PCB基板或襯底元件的Cu焊盤上鍍上一層厚度為5-10um的釬料；

(3)在步驟(2)所述PCB基板或襯底元件的Cu焊盤的鍍層上以錫鉍焊料的回流溫度曲線在回流設(shè)備中焊上一層厚度為10-200um的焊料；

(4)將步驟(3)所述PCB基板或襯底元件與另一元件作回流焊接處理，即得到微互連焊點結(jié)構(gòu)。

進一步，步驟(1)所述制作PCB基板或襯底元件的工藝流程，包括選材、曝光、顯影、刻蝕和脫模。

進一步，所述PCB基板的材料為DBC陶瓷基板、絕緣金屬基板、玻璃布基板或柔性基板中的任意一種。

進一步，所述襯底元件的材料為半導體芯片、硅芯片、高分子或玻璃中的任意一種。

進一步，步驟(2)所述金屬表面鍍層工藝為電鍍、化學鍍、熱噴鍍或熱浸鍍中的任意一種。

進一步，步驟(2)所述釬料為Sn基釬料。

進一步，步驟(3)所述焊料為錫鉍焊料。

進一步，步驟(2)所述釬料和步驟(3)所述焊料，當所述釬料采用Sn基釬料和所述焊料采用錫鉍焊料時，則采用Sn基釬料鍍層的熔點溫度比錫鉍焊料焊接溫度高20℃-100℃。

進一步，所述錫鉍焊料回流曲線的設(shè)定由錫鉍焊料的熔點溫度決定，其最低回流溫度大于錫鉍釬料的熔點溫度138℃。

本發(fā)明的優(yōu)點和有益效果主要體現(xiàn)如下：

1、本發(fā)明在Cu焊盤添加Sn基釬料鍍層經(jīng)過回流處理后形成微互連焊點結(jié)構(gòu)。隨著時效時間的延長，金屬間化合物的厚度變得更厚。在時效時間為0-10天內(nèi)，SnBi/Cu界面處生長的金屬間化合物厚度與SnBi/Sn基釬料/Cu界面處生長的金屬間化合物厚度大致相同。在時效20天后，SnBi/Sn基釬料/Cu界面處生長的金屬間化合物厚度較SnBi/Cu界面處生長的金屬間化合物厚度減少了33％-54％。在時效30天后，SnBi/Sn基釬料/Cu界面處生長的金屬間化合物厚度較SnBi/Cu界面處生長的金屬間化合物厚度減少50％-70％，由此表明添加Sn基釬料能明顯的抑制金屬間化合物的生長。因為隨著IMC的生長，IMC層與焊料界面處的應(yīng)力不斷的增大，當應(yīng)力增大達到一定量時會導致焊點的失效，從而可能導致整個器件的失效。

2、本發(fā)明能明顯減小錫鉍焊料與Cu焊盤互連焊點間的金屬間化合物的厚度，從而減少因過厚金屬間化合物的生成而導致的危害。

3、本發(fā)明能明顯提高錫鉍焊料形成的微互連焊點間的可靠性，從而進一步提高整個電子產(chǎn)品的壽命。

附圖說明

圖1是描述錫鉍釬料與鍍層Cu焊盤之間形成的互連焊點的流程示意圖。

圖2是在36um厚的Cu焊盤上鍍上5um釬料的剖面掃描電子顯微鏡的圖像(SEM)。

圖3是描述襯底上含有鍍層Sn0.7Cu釬料的Cu焊盤在峰值溫度160℃下回流30s后，形成Sn58Bi/Sn0.7Cu/Cu界面圖像。(a)-(d)分別是在120℃下時效0天，10天，20天，30天Sn58Bi/Sn0.7Cu/Cu界面的掃描電子顯微鏡的圖像。

圖4是描述襯底上含有鍍層為Sn1.2Cu釬料的Cu焊盤在峰值溫度160℃下回流30s后，形成Sn58Bi/Sn1.2Cu/Cu界面圖像。(a)-(d)分別是在120℃下時效0天，10天，20天，30天Sn58Bi/Sn1.2Cu/Cu界面的掃描電子顯微鏡的圖像。

圖5是描述襯底上含有鍍層為Sn3.0Ag0.5Cu釬料的Cu焊盤在峰值溫度160℃下回流30s后，形成Sn58Bi/Sn3.0Ag0.5Cu/Cu界面圖像。(a)-(d)分別是在120℃下時效0天，10天，20天，30天Sn58Bi/Sn3.0Ag0.5Cu/Cu界面的掃描電子顯微鏡的圖像。

圖6是描述襯底上含有鍍層為Sn4.0Ag0.5Cu釬料的Cu焊盤在峰值溫度160℃下回流30s后，形成Sn58Bi/Sn4.0Ag0.5Cu/Cu界面圖像。(a)-(d)分別是在120℃下時效0天，10天，20天，30天Sn58Bi/Sn4.0Ag0.5Cu/Cu界面的掃描電子顯微鏡的圖像。

圖7是描述在峰值溫度160℃下Sn58Bi釬料在Cu焊盤上回流30s后，形成Sn58Bi/Cu界面圖像，(a)-(d)分別是在120℃下時效0天，10天，20天，30天Sn58Bi/Cu界面的掃描電子顯微鏡的圖像。

圖8是不同的界面所形成IMC厚度與時效時間的關(guān)系圖。

圖中主要元件符號說明：10-PCB基板，11-Cu焊盤，12-Sn基釬料，13-金屬間化合物，14-錫鉍焊料，15-襯底元件。

具體實施方式

為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實施例，對本發(fā)明進行進一步的詳細說明。應(yīng)當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用于解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。

如圖1所示，為本發(fā)明中錫鉍釬料與鍍層Cu焊盤之間形成的互連焊點的流程示意圖，其中圖(a)所示，首先制作一PCB基板10，在PCB基板10上陣列出4*4，直徑為0.6mm，厚度36um的Cu焊盤11。圖(b)采用熱浸鍍工藝將Sn基釬料12鍍在PCB基板的Cu焊盤11上，形成一層厚度約5um鍍層，其鍍層材料為Sn-Cu釬料或Sn-Ag-Cu釬料等。圖(c)在該PCB基板10上以峰值溫度160℃，回流時間30s的回流條件焊上100um厚度的錫鉍共晶焊料14。接著采用電鍍工藝在襯底元件15上陣列出4*4，直徑為0.6mm，厚度36um的Cu焊盤11，通過熱浸鍍工藝將Sn基釬料12鍍在襯底的Cu焊盤11上，形成一層厚度約5um鍍層。圖(d)將上述PCB基板10與上述襯底元件15在峰值溫度160℃，回流時間30s的回流條件下作后續(xù)互連，即得到微互連焊點結(jié)構(gòu)。將形成不同的互連焊點放在時效溫度120℃下，分別進行不同的時效時間，分別為0天，10天，20天，30天。通過不同的時效時間會發(fā)現(xiàn)生長出不同厚度的金屬間化合物13。

實施例1

選用玻璃布基板、Si芯片、Sn0.7Cu釬料作為實驗的原材料，首先，在玻璃布基板上陣列出4*4，直徑為0.6mm，厚度36um的Cu焊盤。通過熱浸鍍工藝將Sn0.7Cu釬料鍍在玻璃布基板的Cu焊盤上，浸鍍時間為10s，形成約5um的鍍層，獲得如圖2所示掃描電鏡圖像的樣品。接著，在該PCB基板上以峰值溫度160℃，回流時間30s的回流條件焊上100um厚度的錫鉍共晶焊料。

然后用電鍍工藝在Si芯片上陣列出4*4，直徑為0.6mm，厚度36um的Cu焊盤，通過熱浸鍍工藝將Sn0.7Cu釬料鍍在Si芯片的Cu焊盤上，浸鍍時間為10s，形成約5um的鍍層，獲得如圖2所示掃描電鏡圖像的樣品。將上述的玻璃布基板倒扣在對應(yīng)的Cu焊盤上，在峰值溫度160℃，回流時間30s回流條件下形成PCB基板/Sn58Bi/Si芯片微互連焊點結(jié)構(gòu)。

最后，為了對不同時效下的界面進行掃描電子顯微鏡觀察，將形成的最后的樣品放入恒溫油槽內(nèi)，時效溫度為120℃，分別時效0天，10天，20天，30天，將樣品取出用丙酮去除油漬。用1000#，2000#，2400#，4000#砂紙將互連焊點水磨，經(jīng)過SiO₂拋光液拋光后，用FeCl₃腐蝕液腐蝕，最終顯示出焊點間生成的金屬間化合物，在表面噴金后用掃描電鏡觀察。如圖8可知，回流焊后均形成厚度不一的金屬間化合物，如圖7可知，未時效的Sn58Bi/Cu金屬間化合物厚度約為0.38um。

如圖3所示，為未時效的Sn58Bi/Sn0.7Cu/Cu金屬間化合物厚度約為0.7508um，經(jīng)過在120℃下時效30天，Sn58Bi/Sn0.7Cu/Cu金屬間化合物厚度長至3.298um，如圖7所示，經(jīng)過在120℃下時效30天后，Sn58Bi/Cu金屬間化合物厚度已長至約6.59um。由此證明，加入鍍層Sn0.7Cu能明顯減少界面金屬間化合物的厚度。

實施例2

選用玻璃布基板、Si芯片、Sn1.2Cu釬料作為實驗的原材料，首先，在玻璃布基板上陣列出4*4，直徑為0.6mm，厚度36um的Cu焊盤。通過熱浸鍍工藝將Sn1.2Cu釬料鍍在玻璃布基板的Cu焊盤上，浸鍍時間為10s，形成約5um的鍍層，獲得如圖2所示掃描電鏡圖像的樣品。接著，在該PCB基板上以峰值溫度160℃，回流時間30s的回流條件焊上100um厚度的錫鉍共晶焊料。

然后用電鍍工藝在Si芯片上陣列出4*4，直徑為0.6mm，厚度36um的Cu焊盤，通過熱浸鍍工藝將Sn1.2Cu釬料鍍在Si芯片的銅焊盤上，浸鍍時間為10s，形成約5um的鍍層，獲得如圖2所示掃描電鏡圖像的樣品。將上述的玻璃布基板倒扣在對應(yīng)的Cu焊盤上，在峰值溫度160℃，回流時間30s回流條件下形成PCB基板/Sn58Bi/Si芯片微互連焊點結(jié)構(gòu)。

最后，為了對不同時效下的界面進行掃描電子顯微鏡觀察，將形成的最后的樣品放入恒溫油槽內(nèi)，時效溫度為120℃，分別時效0天，10天，20天，30天，將樣品取出用丙酮去除油漬。用1000#，2000#，2400#，4000#砂紙將焊點水磨，經(jīng)過SiO₂拋光液拋光后，用FeCl₃腐蝕液腐蝕，最終顯示出生成的金屬間化合物，在表面噴金后用掃描電鏡觀察。如圖8可知，回流焊后均形成厚度不一的金屬間化合物，如圖7可知未時效的Sn58Bi/Cu金屬間化合物厚度約為0.38um。

如圖4所示，為未時效的Sn58Bi/Sn1.2Cu/Cu金屬間化合物厚度約為0.6366um,經(jīng)過在120℃下時效30天，Sn58Bi/Sn1.2Cu/Cu金屬間化合物厚度長至2.889um，如圖7所示，經(jīng)過在120℃下時效30天后，Sn58Bi/Cu金屬間化合物厚度已長至約6.59um。由此證明，加入鍍層Sn1.2Cu能明顯減少界面金屬間化合物的厚度。

實施例3

選用玻璃布基板、Si芯片、Sn3.0Ag0.5Cu釬料作為實驗的原材料，首先，在玻璃布基板上陣列出4*4，直徑為0.6mm，厚度36um的Cu焊盤。通過熱浸鍍工藝將Sn3.0Ag0.5Cu釬料鍍在玻璃布基板的Cu焊盤上，浸鍍時間為10s，形成約5um的鍍層，獲得如圖2所示掃描電鏡圖像的樣品。接著，在該PCB基板上以峰值溫度160℃，回流時間30s的回流條件焊上100um厚度的錫鉍共晶焊料。

然后用電鍍工藝在Si芯片上陣列出4*4，直徑為0.6mm，厚度36um的Cu焊盤，通過熱浸鍍工藝將Sn3.0Ag0.5Cu釬料鍍在Si芯片的銅焊盤上，浸鍍時間為10s，形成約5um的鍍層，獲得如圖2所示掃描電鏡圖像的樣品。將上述的玻璃布基板倒扣在對應(yīng)的Cu焊盤上，在峰值溫度160℃，回流時間30s回流條件下形成PCB基板/Sn58Bi/Si芯片微互連焊點結(jié)構(gòu)。

最后，為了對不同時效下的界面進行掃描電子顯微鏡觀察，將形成的最后的樣品放入恒溫油槽內(nèi)，時效溫度為120℃，分別時效0天，10天，20天，30天，將樣品取出用丙酮去除油漬。用1000#，2000#，2400#，4000#砂紙將焊點水磨，經(jīng)過SiO₂拋光液拋光后，用FeCl₃腐蝕液腐蝕，最終顯示出生成的金屬間化合物，在表面噴金后用掃描電鏡觀察。如圖8可知，回流焊后均形成厚度不一的金屬間化合物，如圖7可知未時效的Sn58Bi/Cu金屬間化合物厚度約為0.38um。

如圖5所示，為未時效的Sn58Bi/Sn3.0Ag0.5Cu/Cu金屬間化合物厚度約為0.9209um，經(jīng)過在120℃下時效30天，Sn58Bi/Sn3.0Ag0.5Cu/Cu金屬間化合物厚度長至2.073um，如圖7所示，經(jīng)過在120℃下時效30天后，Sn58Bi/Cu金屬間化合物厚度已長至約6.59um。由此證明，加入鍍層Sn3.0Ag0.5Cu能明顯減少界面金屬間化合物的厚度。

實施例4

選用玻璃布基板、Si芯片、Sn4.0Ag0.5Cu釬料作為實驗的原材料，首先，在玻璃布基板上陣列出4*4，直徑為0.6mm，厚度36um的Cu焊盤。通過熱浸鍍工藝將Sn4.0Ag0.5Cu釬料鍍在玻璃布基板的Cu焊盤上，浸鍍時間為10s，形成約5um的鍍層，獲得如圖2所示掃描電鏡圖像的樣品。接著，在該PCB基板上以峰值溫度160℃，回流時間30s的回流條件焊上100um厚度的錫鉍共晶焊料。

然后用電鍍工藝在Si芯片上陣列出4*4，直徑為0.6mm，厚度36um的Cu焊盤，通過熱浸鍍工藝將Sn4.0Ag0.5Cu釬料鍍在Si芯片的銅焊盤上，浸鍍時間為10s，

形成約5um的鍍層，獲得如圖2所示掃描電鏡圖像的樣品。將上述的玻璃布基板倒扣在對應(yīng)的Cu焊盤上，在峰值溫度160℃，回流時間30s回流條件形成PCB基板/Sn58Bi/Si芯片微互連焊點結(jié)構(gòu)。

最后，為了對不同時效下的界面進行掃描電子顯微鏡觀察，將形成的最后的樣品放入恒溫油槽內(nèi)，時效溫度為120℃，分別時效0天，10天，20天，30天，將樣品取出用丙酮去除油漬。用1000#，2000#，2400#，4000#砂紙將焊點水磨，經(jīng)過SiO₂拋光液拋光后，用FeCl₃腐蝕液腐蝕，最終顯示出生成的金屬間化合物，在表面噴金后用掃描電鏡觀察。如圖8可知，回流焊后均形成厚度不一的金屬間化合物，如圖7可知未時效的Sn58Bi/Cu金屬間化合物厚度約為0.38um。

如圖6所示，為未時效的Sn58Bi/Sn4.0Ag0.5Cu/Cu金屬間化合物厚度約為0.7926um，經(jīng)過在120℃下時效30天，Sn58Bi/Sn4.0Ag0.5Cu/Cu金屬間化合物厚度長至2.004um，如圖7所示，經(jīng)過在120℃下時效30天后，Sn58Bi/Cu金屬間化合物厚度已長至約6.59um。由此證明，加入鍍層Sn4.0Ag0.5Cu能明顯減少界面金屬間化合物的厚度。

通過以上的具體實例可證明，根據(jù)本發(fā)明的具體方法可以明顯的減少錫鉍焊點金屬間化合物形成。

以上所述，僅為本發(fā)明較佳的具體實施方式。當然，本發(fā)明還可有其它多種實施例，在不背離本發(fā)明精神及其實質(zhì)的情況下，任何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員，當可根據(jù)本發(fā)明作出各種相應(yīng)的等效改變和變形，都應(yīng)屬于本發(fā)明所附的權(quán)利要求的保護范圍。