專利名稱：一種基于電鍍工藝改善Sn-Ag焊料性能的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種基于電鍍工藝改善Sn-^Vg焊料性能的方法，屬于微電子封裝領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
電子工業(yè)的無(wú)鉛化使得傳統(tǒng)Sn-Pb焊料的應(yīng)用面臨極大的挑戰(zhàn)。目前的無(wú)鉛焊料大多基于Sn-^Vg 二元體系，這是由其良好的機(jī)械強(qiáng)度和抗疲勞性能所決定的。然而，Sn-Ag 焊料熔點(diǎn)高，潤(rùn)濕性較差，并且焊料中容易生成大塊狀的Ag3Sn缺陷，這些問(wèn)題在塊體材料中由于對(duì)焊料性能的負(fù)面影響有限或許不為人關(guān)注，但是在電子封裝中由于焊料經(jīng)常需要和Cu等金屬層連接，如果焊料熔點(diǎn)較高，則其相應(yīng)的回流溫度也被迫提高，這將對(duì)器件性能的發(fā)揮產(chǎn)生不利影響；如果焊料潤(rùn)濕性較差，則會(huì)在焊料/Cu界面處產(chǎn)生孔洞，進(jìn)而對(duì)連接可靠性構(gòu)成潛在的危害；再者，隨著電子封裝向多功能、高密度方向的發(fā)展，焊料尺寸越來(lái)越小，如果在焊料中出現(xiàn)大塊狀的Ag3Sn,則會(huì)對(duì)焊料機(jī)械強(qiáng)度和抗疲勞性能造成嚴(yán)重危害。因此，如何避免上述缺陷的產(chǎn)生成為研究者關(guān)注的焦點(diǎn)。經(jīng)過(guò)多年研究，人們發(fā)現(xiàn)，Sn-Ag焊料中加入一些第三組元如Cu、Bi、Si、IruSb等可以不同程度地降低焊料熔點(diǎn)并改善焊料微觀組織結(jié)構(gòu)，其中尤以h的加入效果最為顯著。遺憾的是，之前關(guān)于改善焊料性能的做法大多是將不同組元的純金屬按照一定的質(zhì)量比重新熔化混合，該方法對(duì)于塊體材料的制備簡(jiǎn)單易行，但是如何將經(jīng)改善的具有優(yōu)異性能的焊料“轉(zhuǎn)移”到小尺寸尤其是高密度微小尺寸電子封裝中成為焊料廣泛應(yīng)用的瓶頸。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了一種基于電鍍工藝改善Sn-Ag焊料性能的方法。本發(fā)明所采取的技術(shù)方案是首先將硅片進(jìn)行熱氧化處理形成一層SiO2,隨后濺射TiW/Cu分別作為粘附層和電鍍種子層，接著依次電鍍Cu或Ni作為焊料下金屬層，然后依次電鍍作為焊料的Sn-Ag和In，最后回流以促使SruAg和h元素之間相互混合均勻。本發(fā)明的具體工藝步驟如下1.采用的硅片為單面拋光N型或P型(100)硅片；2.熱氧化處理工藝為通用的濕法工藝或干法工藝，形成的SiO2層的厚度為0. 5 1.0微米；3.然后在SW2層上濺射金屬粘附層和電鍍種子層，以TiW作為金屬粘附層，其厚度為0. 05 0. 1微米，Cu作為電鍍種子層，厚度為0. 2 0. 5微米；4.電鍍3 5微米Cu或Ni作為焊料下金屬層，在回流過(guò)程中起到浸潤(rùn)焊料和擴(kuò)散阻擋的作用，實(shí)際制備中采用Cu作為焊料下金屬層，Cu電鍍工藝是在商用的Cu電鍍液中進(jìn)行，電流密度為20mA/cm2 30mA/cm2，電鍍速率約為10 μ m/h 15 μ m/h ；5.依次電鍍Sn-iVg和h焊料，Sn-Ag電鍍工藝在khlotter公司生產(chǎn)的SL0T0L0Y SNA30鍍液中進(jìn)行，電流密度在15mA/cm2 25mA/cm2，電鍍速率在10 μ m/h 14 μ m/h, In電鍍工藝在氨基磺酸銦溶液中進(jìn)行，電流密度為8mA/cm2 12mA/cm2，電鍍速率約為10 μ m/ h 15 μ m/h, Sn-Ag與h鍍層總厚度控制在40 μ m 60 μ m，In鍍層厚度約為Sn-Ag鍍層厚度的1/10 ；6.在氮?dú)鈿夥毡Ｗo(hù)下回流，回流溫度高于Sn-Ag焊料熔點(diǎn)溫度。很明顯本發(fā)明所提供的基于電鍍工藝以改善Sn-^Vg焊料性能的工藝是與IC制作工藝兼容，同時(shí)兼顧電子封裝中廣泛使用的Cu、Ni等金屬層與Sn基焊料之間的互連，工藝簡(jiǎn)單，可行性高。采用電鍍工藝沉積不同金屬層一方面是由于該方法在電子工業(yè)中應(yīng)用極廣且工藝成熟，另一方面則由于電鍍工藝幾乎不受樣品尺寸和外觀形貌影響，同時(shí)可借助光刻工藝對(duì)金屬層形貌、尺寸、分布等進(jìn)行精確規(guī)劃，換句話說(shuō)，本發(fā)明潛在的應(yīng)用領(lǐng)域可拓展到帶有不同圖形的功能器件上，因此十分適用于多功能、高密度微電子封裝。綜上所述，本發(fā)明針對(duì)微電子封裝中Cu與Sn-Ag之間焊接溫度高、Sn-Ag焊料潤(rùn)濕性差以及焊料中容易出現(xiàn)大塊Ag3Sn等缺陷，結(jié)合微電子封裝中經(jīng)常使用的電鍍工藝，采用在Sn-Ag電鍍之后接著電鍍一薄層h的方法很好地解決了 Sn-^Vg焊料的上述缺陷。


圖1是基于電鍍工藝改善Sn-Ag焊料性能的示意圖。(a)在硅片上熱氧化形成一層SiO2,并濺射TiW/Cu，隨后依次電鍍Cu、Sn-Ag和h ； (b)回流以促使Sn、Ag、In等元素相互混合均勻。圖中，101——硅片，102——熱氧化SiO2層，103——濺射TiW/Cu和電鍍Cu， 104——電鍍Sn-Ag焊料，105——電鍍h焊料，106——回流后得到的Sn-AgHn三元焊料。圖2是Sn-Ag焊料性能改善前后試樣的DSC曲線。圖3是Sn-Ag焊料性能改善前后試樣截面的SEM照片，(a)未電鍍h的試樣回流后截面的SEM照片，(b)未電鍍h的試樣回流后局部放大的截面SEM照片，(c)電鍍h的試樣回流后截面的SEM照片，(d)電鍍^！的試樣回流后局部放大的截面SEM照片。圖4是Sn-Ag焊料性能改善前后試樣的XRD圖譜。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖1和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明實(shí)質(zhì)性特點(diǎn)和顯著的進(jìn)步作進(jìn)一步說(shuō)明，實(shí)施例中將對(duì)比Sn-^Vg焊料性能改善前后的情況，以使本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)和積極效果得到充分體現(xiàn)。本發(fā)明提供的改善Sn-Ag焊料性能的方法的具體步驟是(1)首先將單面拋光N型(100)硅片或P型(100)硅片101進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)清洗，然后進(jìn)行熱氧化處理，生成的氧化硅層102厚度約0. 6微米；(2)在生成的S^2層上用真空濺射方法濺射金屬粘附層TiW和電鍍種子層Cu，它們的厚度分別為0. 05微米和0. 2微米，Tiff與氧化硅層之間粘附性良好，隨后在室溫條件下電鍍3微米Cu (103)，Cu電鍍時(shí)電流密度為20mA/cm2，電鍍速率約為10 μ m/h ；(3)室溫條件下依次電鍍Sn-iVg焊料104和h焊料105，為便于說(shuō)明問(wèn)題，試樣分為有電鍍^層和無(wú)電鍍^層兩種，即經(jīng)過(guò)改善的和未經(jīng)過(guò)改善的兩種，其中經(jīng)過(guò)改善的試樣中Sn-Ag鍍層厚度為40 41微米，h鍍層厚度為4 5微米，而未經(jīng)過(guò)改善的試樣中Sn-Ag鍍層厚度約為45微米，Sn-Ag電鍍電流密度為20mA/cm2，電鍍速率為12 μ m/h, In電鍍電流密度為lOmA/cm2，電鍍速率約為13ym/h，電鍍之前打底膜以去除基板表面的雜質(zhì)；(4)采用五段式回流爐在氮?dú)鈿夥毡Ｗo(hù)下回流鍍層，對(duì)于不含h的焊料鍍層，各溫區(qū)溫度分別為80°C、160°C、200°C、260°C和80°C，對(duì)于含h的焊料鍍層，各溫區(qū)溫度值分別為800C U600C >2000C >2400C^P 80°C，每個(gè)溫區(qū)保溫時(shí)間30秒，相鄰溫區(qū)時(shí)間間隔15秒， 回流后含h的焊料如圖1中106。經(jīng)上述簡(jiǎn)單工藝過(guò)程后，含h的Sn-^Vg焊料表現(xiàn)出良好的性能。DSC測(cè)試表明，加入h后Sn-Ag焊料的熔點(diǎn)從220. 7°C降為204°C，焊料的過(guò)冷度從39°C降為23°C (如圖2 所示)，焊料過(guò)冷度的降低有利于凝固過(guò)程中β "Sn的優(yōu)先形核和長(zhǎng)大，從而對(duì)改善焊料微觀組織結(jié)構(gòu)有著積極的作用；經(jīng)改善后的焊料對(duì)Cu基體的潤(rùn)濕性大大提高(如圖3a、c所示，加入^后焊料對(duì)Cu基體的接觸角大大降低)，未加^時(shí)，Sn-Ag焊料/基體界面處存在較多的孔洞，且焊料中出現(xiàn)大塊狀A(yù)g3Sn貫穿于整個(gè)焊料基體(如圖北所示)，而加入h 之后，上述缺陷均消失，焊料/基體界面結(jié)合良好(如圖3d所示)；如圖4所示的XRD測(cè)試結(jié)果表明，加入h之后未發(fā)現(xiàn)Ag3Sn的衍射峰，這進(jìn)一步證實(shí)了 h的加入對(duì)Ag3Sn生長(zhǎng)的有效抑制作用。
權(quán)利要求
1.一種基于電鍍工藝改善Sn-^Vg焊料性能的方法，其特征在于(1)首先在硅片上熱氧化形成一層二氧化硅，接著在形成的二氧化硅層上濺射TiW/ Cu，分別作為粘附層和電鍍種子層；(2)在電鍍種子層上電鍍Cu或Ni作為焊料下金屬層，然后依次電鍍作為焊料的Sn-Ag 和In，之后回流鍍層，以促使Sn、Ag和h不同原子相互混合均勻。
2.按權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述的硅片為N型或P型(100)硅片。
3.按權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于熱氧化形成的二氧化硅層厚度為0.5-1. 0微米。
4.按權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于作為粘附層的TiW厚度為0.05-0. 1微米，作為電鍍種子層的Cu厚度為0. 2-0. 5微米。
5.按權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于焊料下金屬層Cu或M厚度為3-5微米。
6.按權(quán)利要求5所述的方法，其特征在焊料下金屬層為Cu。
7.按權(quán)利要求1、5或6所述的方法，其特征在于Cu作為焊料下金屬層的工藝是在商用 Cu電鍍液中進(jìn)行的，電流密度為20mA/Cm2-30mA/Cm2，電鍍速率為10-15 μ m/h。
8.按權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于作為焊料Sn-Ag鍍層與^鍍層的總厚度為 40-60 μ m, In鍍層厚度為Sn-Ag鍍層厚度的1/10。
9.按權(quán)利要求1或8所述的方法，其特征在于(1)Sn-Ag電鍍是在Schlotter公司生產(chǎn)的SL0T0L0YSNA30鍍液中進(jìn)行，電流密度在 15mA/cm2 25mA/cm2,電鍍速率為 10 μ m/h 14 μ m/h ；(2)In電鍍是在氨基磺酸銦溶液中進(jìn)行，電流密度為8mA/cm2 12mA/cm2，電鍍速率為 10 μ m/h 15 μ m/h。
10.按權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于采用五段式回流爐在Sn-iVg焊料熔點(diǎn)以上且在氮?dú)夥毡Ｗo(hù)下回流鍍層，各溫區(qū)溫度值分別為80°C、160°C、200°C、240°C和80°C，每個(gè)溫度保溫30秒，相鄰溫度時(shí)間間隔15秒。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種基于電鍍工藝改善Sn-Ag焊料性能的方法，其特征在于首先以硅片為基底，熱氧化形成二氧化硅絕緣層，在二氧化硅絕緣層上真空濺射TiW/Cu，之后依次電鍍Cu或Ni、Sn-Ag和In，Cu層厚度為3-5微米，而后Sn-Ag焊料電鍍之后接著電鍍約為Sn-Ag焊料厚度1/10的In。最后回流以促使Sn、Ag和In原子混合均勻。本發(fā)明針對(duì)微電子封裝中Cu與Sn-Ag之間焊接溫度高、Sn-Ag焊料潤(rùn)濕性差以及焊料中容易出現(xiàn)大塊Ag3Sn等缺陷，結(jié)合微電子封裝中經(jīng)常使用的電鍍工藝，采用在Sn-Ag電鍍之后接著電鍍一薄層In的方法很好地解決了Sn-Ag焊料的上述缺陷。
文檔編號(hào)H01L23/00GK102306631SQ20111020316
公開(kāi)日2012年1月4日 申請(qǐng)日期2011年7月20日 優(yōu)先權(quán)日2011年7月20日
發(fā)明者徐高衛(wèi), 王棟良, 羅樂(lè), 袁媛 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所