專利名稱：在襯底上形成焊料合金沉積的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及通過電鍍形成焊料合金沉積，并且涉及例如IC襯底和有效組分之間的焊點(diǎn)。
背景技術(shù)：
自從20世紀(jì)60年代早期由IBM引入了倒裝芯片技術(shù)起，就已經(jīng)將倒裝芯片器件安裝在昂貴的陶瓷襯底上，在這種情況下，硅芯片和陶瓷襯底之間的熱膨脹失配不是很關(guān)鍵。與絲焊技術(shù)相比，倒裝芯片技術(shù)更好在于能夠提供更高的封裝密度(更小的器件外形輪廓)和更高的電性能(盡可能更短的引線和更低的電感)。在此基礎(chǔ)上，在過去的40年里已經(jīng)通過在陶瓷襯底上使用高溫焊料(受控塌陷芯片連接，C4)對(duì)倒裝芯片技術(shù)在工業(yè)上進(jìn)行實(shí)踐。然而，近年來，針對(duì)現(xiàn)代電子產(chǎn)品的微型化的趨勢(shì)，由高密度、高速和低成本的半導(dǎo)體器件的需求所驅(qū)使，安裝在具有環(huán)氧樹脂底層填料(epoxy underfill)的低成本有機(jī)電路 板(例如，印刷電路板或襯底)上的倒裝芯片器件已經(jīng)經(jīng)歷了明顯爆炸性增長(zhǎng)，該底層填料緩解了由硅芯片和有機(jī)板結(jié)構(gòu)之間的熱膨脹失配所誘發(fā)的熱應(yīng)力。低溫倒裝芯片接點(diǎn)和基于有機(jī)物的電路板的引人注意的事件已經(jīng)使得當(dāng)前的行業(yè)能夠獲得用于倒裝芯片器件的制作的廉價(jià)解決方案。在當(dāng)前的低成本倒裝芯片技術(shù)當(dāng)中，半導(dǎo)體集成電路(IC)芯片的頂表面具有電接觸焊盤陣列。有機(jī)電路板還具有對(duì)應(yīng)的接觸網(wǎng)格。將低溫焊料凸點(diǎn)或者其他導(dǎo)電粘合材料在芯片和電路板之間被放置并使其準(zhǔn)確地對(duì)準(zhǔn)。芯片被顛倒翻轉(zhuǎn)并安裝在電路板上，其中，焊料凸點(diǎn)或?qū)щ娬澈喜牧显谒鲂酒碗娐钒逯g提供電輸入/輸出(I/o)和機(jī)械互連。對(duì)于焊料凸點(diǎn)接點(diǎn)而言，可以將有機(jī)底層填料密封劑進(jìn)一步分配到芯片和電路板之間的縫隙中，從而約束熱失配，以及降低焊點(diǎn)上的應(yīng)力。一般而言，為了通過焊點(diǎn)實(shí)現(xiàn)倒裝芯片組裝，通常在芯片的焊盤電極表面上預(yù)先形成金屬凸點(diǎn)，諸如，焊料凸點(diǎn)、金凸點(diǎn)或銅凸點(diǎn)，其中，所述凸點(diǎn)可以是任何形狀，諸如，紐扣形凸點(diǎn)、球形凸點(diǎn)、圓柱形凸點(diǎn)或其他凸點(diǎn)。通常還使用低溫焊料在電路板的接觸區(qū)域上形成對(duì)應(yīng)的焊料凸點(diǎn)(或者說預(yù)焊凸點(diǎn))。在回流溫度下，借助于焊點(diǎn)來將芯片接合到電路板。在分配了底層填料密封劑之后，倒裝芯片器件因此被構(gòu)造。這樣的方法是本領(lǐng)域所熟知的，并且例如，在美國(guó)專利No. 7098126 (H. -K. Hsieh等)中描述了使用焊點(diǎn)的倒裝芯片器件的典型例子。當(dāng)前，用于在電路板上形成預(yù)焊凸點(diǎn)的最常見的方法是模版印刷法。與模版印刷法相關(guān)的一些先前提議可以參考美國(guó)專利No. 5203075CC. G. Angulas等)、美國(guó)專利No.5492266 (K. G. Hoebener 等)和美國(guó)專利 No. 5828128 (Y. Higashiguchi 等)。用于倒裝芯片組裝的焊料隆凸(bumping)技術(shù)需要關(guān)于凸點(diǎn)間距和尺寸微型化這兩方面的設(shè)計(jì)考慮。根據(jù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，一旦凸點(diǎn)間距降到了 0.15毫米以下，模版印刷就將變得不可行。相比之下，通過電鍍所沉積的焊料凸點(diǎn)則提供了使凸點(diǎn)間距進(jìn)一步降至0. 15毫米以下的能力。可以在美國(guó)專利 No. 5391514 (T. P. Gall 等)和美國(guó)專利 No. 5480835 (K. G. Hoebener等)中找到與用于倒裝芯片接合的電路板上的電鍍凸點(diǎn)有關(guān)的先前提議。盡管電路板上的電鍍焊料隆凸相比模版印刷提供了更為精細(xì)的凸點(diǎn)間距，但是其對(duì)于初始實(shí)現(xiàn)存在一些挑戰(zhàn)。在美國(guó)專利No. 7098126 (H.-K. Hsieh等)中描述了一種在有機(jī)襯底上形成焊料的多步驟過程。在所述方法中，最初提供包括表面承載電路的有機(jī)電路板，所述表面承載電路包括至少一個(gè)接觸區(qū)域。焊料掩模層被置于板表面上，并被圖案化，從而使焊盤暴露。隨后，通過物理氣相沉積、化學(xué)氣相沉積、利用催化銅的無電鍍、或者利用催化銅的電鍍來在板表面上沉積金屬種層。在金屬種層上形成具有位于所述焊盤處的至少一個(gè)開口的抗蝕劑層。然后，通過電鍍?cè)谒鲩_口中形成焊料材料。最后，去除所述抗蝕劑和處于所述抗蝕劑之下的金屬種層。要應(yīng)用這種方法，需要各種圖案化步驟，這從過程效率的總體觀點(diǎn)來看是不期望的。此外，如果作為電子器件 的微型化的結(jié)果而使得相鄰接觸區(qū)域之間的距離(間距)非常小，那么所述方法具有其局限性。在US 2006/0219567 Al中公開了一種電路板的導(dǎo)電凸點(diǎn)結(jié)構(gòu)的制作方法。將焊料材料電鍍到受到焊料掩模局部保護(hù)但是不具有附加抗蝕劑的襯底上。接下來，將粘合層沉積到焊料材料層上。然后以一種方式使所述粘合層圖案化，該方式在隨后的蝕刻步驟期間使焊料材料涂覆的連接焊盤受到保護(hù)。然后將對(duì)于焊料儲(chǔ)存(solder cbpot)不需要的焊料材料蝕刻掉，只留下連接焊盤之上的受到蝕刻抗蝕劑保護(hù)的焊料儲(chǔ)存。所述粘合層既起著用于焊料材料回蝕的金屬抗蝕劑的作用，又在以后起到對(duì)焊料材料的腐蝕保護(hù)的作用。專利文件US 7174630 B2公開了一種用于制造焊料沉積的方法。第一抗蝕劑層被沉積到襯底表面上，并被圖案化，隨后是電鍍第一金屬層。接下來，第二抗蝕劑層被沉積到襯底表面上，并被圖案化，隨后是電鍍第二金屬層。所述過程需要兩次不同的抗蝕劑施加、結(jié)構(gòu)化和去除過程，這導(dǎo)致了附加的不期望的過程步驟。因此，需要提供一種涉及降低數(shù)量的過程步驟的用于在如電路板之類的襯底上形成焊料沉積的方法。此外，還需要提供一種鍍敷方法，其按照適合于在非常精細(xì)的結(jié)構(gòu)上形成焊料沉積的焊料合金成分產(chǎn)生高度均勻性的焊料材料。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明的目的在于提供一種焊料材料層的電鍍方法，其用于在襯底上產(chǎn)生焊料合金沉積的均勻的層和體積。這樣的方法應(yīng)當(dāng)適于在不留下空洞或微坑的情況下填充具有高縱橫比的凹陷結(jié)構(gòu)。此外，在回流操作之后，所述焊料合金沉積應(yīng)當(dāng)具有期望的合金成分，所述合金成分具有期望的熔點(diǎn)。優(yōu)選的焊料合金沉積為三元合金Sn-Ag-Cu和四元合金Sn-Ag-Cu-Ni,并且被稱為縮寫詞SAC合金(Sn_Ag-￡u (-Ni)合金),通過之前沉積的金屬種層、第一電鍍焊料材料層和第二電鍍焊料材料層的體積和成分來控制回流操作之后的焊料合金沉積成分。本發(fā)明的另一目的在于提供一種用于焊料合金沉積的方法，其具有降低數(shù)量的鍍敷步驟，并且即使當(dāng)焊料抗蝕劑開口具有不同尺寸時(shí)，是普遍可適用的。本發(fā)明的另一目的在于提供一種在例如印刷電路的非導(dǎo)電襯底上形成金屬種層的方法，所述金屬種層被用于產(chǎn)生用于形成倒裝芯片焊點(diǎn)和板到板焊點(diǎn)的電鍍焊料。此外，所述金屬種層在回流操作期間起著用于合金形成的源的作用，例如，由所述金屬種層提供了以后形成SAC合金的Cu組分?？傊_了一種在襯底上制作電鍍焊料合金沉積以便形成倒裝芯片焊點(diǎn)和板到板焊點(diǎn)的方法。根據(jù)本發(fā)明，提供了一種如電路板之類的非導(dǎo)電襯底，其包括具有至少一個(gè)接觸區(qū)域的表面承載電路。這樣的接觸區(qū)域可以是任何導(dǎo)電表面區(qū)域，例如，接觸焊盤或者電路朝向襯底之外的最頂端的區(qū)域。在將焊料掩模施加在襯底表面的一部分上并且形成了使所述至少一個(gè)接觸區(qū)域暴露的至少一個(gè)焊料掩模開口之后，在整個(gè)表面區(qū)域上形成導(dǎo)電種層。接下來，抗蝕劑層被沉積到所述金屬種層上，并被結(jié)構(gòu)化，從而使所述至少一個(gè)焊料掩模開口和所述至少一個(gè)接觸區(qū)域暴露。然后，優(yōu)選將含有錫的第一焊料材料層電鍍?cè)谝r底的導(dǎo)電區(qū)域上，從而形成焊料沉積。此后，將優(yōu)選由錫合金構(gòu)成的第二焊料材料層電鍍到第一焊料材料層上。去除所述金屬種層上的抗蝕劑層。而且，從所述焊料掩模層區(qū)域去除所述金屬種層。然后，使如是處理的襯底受到回流操作，其中，所述第一焊料材料層熔化，并且所述金屬種層和所述第二焊料材料層被溶解到熔化的第一焊料材料層中，形成了具有期望成分的合金焊料沉積。


圖1示出了一種獲得具有微盲孔(blind micro via,BMV)的焊料掩模限定的焊盤的方法，所述微盲孔具有含有期望成分的電鍍合金焊料沉積。圖2示出了一種獲得具有微盲孔(BMV)的非焊料掩模限定的焊盤的方法，所述微盲孔具有含有期望成分的電鍍合金焊料沉積。101非導(dǎo)電襯底 102接觸焊盤
103焊料掩模層 104金屬種層 105抗蝕劑層 106第一焊料材料層 107第二焊料材料層 108均勻焊料合金沉積 109焊料掩模開口 110抗蝕劑開口。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明提供了一種通過沉積優(yōu)選由銅或銅合金構(gòu)成的金屬種層，電鍍優(yōu)選由錫構(gòu)成的第一焊料材料層，并且此后電鍍優(yōu)選由錫合金構(gòu)成的第二焊料材料層，來在襯底上形成具有均一的且作為目標(biāo)的成分的焊料合金沉積的方法。所述過程尤其適于在電路板、IC襯底或插入機(jī)構(gòu)上制作焊料凸點(diǎn)。本發(fā)明的方法導(dǎo)致了具有良好的鍍覆均勻性和均一的元素成分的焊料凸點(diǎn)。
術(shù)語“均一成分”指的是在回流之后焊料沉積中的化學(xué)元素的均一分布。術(shù)語“均勻性”和“均勻”指的是均勻鍍敷的體積和層厚度，其在回流之后，導(dǎo)致了相似或相等高度的焊料合金沉積。術(shù)語“元素成分”指的是諸如第二焊料材料層107的材料的體積中的化學(xué)元素的濃度。在下文中將更詳細(xì)地描述所述方法。本文中所示出的附圖只是對(duì)所述過程的說明。附圖不是按比例繪制的，即，它們不反映芯片封裝結(jié)構(gòu)中的各層的實(shí)際尺寸或特征。遍及說明書，相同的數(shù)字指代相同的元件?，F(xiàn)在參考圖1，根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，提供了一種非導(dǎo)電襯底101，其具有作為接觸區(qū)域?qū)嵤├?圖1a)的接觸內(nèi)層焊盤102。所述內(nèi)層接觸焊盤102通常由諸如銅的金 屬形成。非導(dǎo)電襯底101可以是電路板或IC襯底，其可以由有機(jī)材料或者纖維強(qiáng)化有機(jī)材料或顆粒強(qiáng)化有機(jī)材料等制成，例如，環(huán)氧樹脂、聚酰亞胺、雙馬來酰亞胺三嗪、氰酸鹽酯、聚苯并環(huán)丁烯或者其玻璃纖維合成物等。在所述非導(dǎo)電襯底101的表面上沉積焊料掩模層103。所述焊料掩模層103是永久性焊料掩模，并且在制造印刷電路板之后保持附著到所述非導(dǎo)電襯底101的表面。通過已知技術(shù)將焊料掩模層103沉積到所述非導(dǎo)電襯底101的表面上?？蛇m用于本發(fā)明的例子為絲網(wǎng)印刷和/或光刻工藝。根據(jù)本發(fā)明可以使用各種類型的焊料掩模UV-硬化焊料掩模、可熱固二組分焊料掩模和光可成像焊料掩模。任選地，在接觸焊盤102上形成阻擋層(圖1中未示出)。所述阻擋層可以是鎳的粘合層、鎳合金或者金的保護(hù)層。所述阻擋層還可以由鎳、鎳磷光體、鈀、鈀磷光體、銀、錫、鎳/鈀、鉻/鈦、鈀/金或者鎳/鈀/金等制成，其可以通過電鍍、無電鍍、浸潰或者物理氣相沉積等來制成。為了通過非導(dǎo)電表面上的電鍍和回流來制作優(yōu)選含有錫的均勻焊料合金沉積，需要在所述非導(dǎo)電表面上形成金屬種層104以開始電鍍。在圖1b中描繪了這樣的金屬種層104。一般而言，所述金屬種層104例如通過非導(dǎo)電表面的常規(guī)制造業(yè)中的并且本領(lǐng)域中熟知的無電沉積所形成。根據(jù)本發(fā)明，在包括接觸焊盤區(qū)域102和焊料掩模層103的非導(dǎo)電襯底101的整個(gè)表面上沉積金屬種層104。最優(yōu)選的金屬種層104材料為銅和銅合金，諸如，銅鎳合金、銅釕合金以及銅銠合金。所述金屬種層104是導(dǎo)電的，其提供粘附力，允許對(duì)其上表面的暴露部分進(jìn)行電鍍，并且可以防止隨后的焊料沉積金屬向接觸區(qū)域的底層金屬的遷移。替代地，所述金屬種層可以由兩個(gè)金屬層構(gòu)成。例如，可以通過Printed Circuits Handbook, C. F. Coombs Jr. (Ed. ), 6thEdition, McGraw Hill, 28. 5至28. 9以及30.1至30. 11頁中描述的各種方法來使所述非導(dǎo)電襯底活化。這些過程涉及形成包括碳顆粒、Pd離子、Pd膠體或?qū)щ娋酆衔锏膶?dǎo)電層。專利文獻(xiàn)中描述了這些過程中的一些，并且下面給出了例子
歐洲專利EP 0616053描述了用于對(duì)(不具有無電涂層的)非導(dǎo)電襯底施加金屬涂層的過程，其包括a.利用包括貴金屬/IVA族金屬溶膠的活化劑來接觸所述襯底，以獲得處理的襯底；
b.利用具有pH11以上到pH 13的自加速和補(bǔ)充浸潰金屬成分來接觸所述處理的襯底，所述金屬成分包括下述的溶液
(i)Cu (II)、Ag、Au或Ni的可溶金屬鹽或其混合物，
(ii)IA族金屬氫氧化物，
(iii)包括有機(jī)材料的絡(luò)合劑，對(duì)于所述金屬鹽的金屬的離子而言，其具有從0.73到21. 95的累計(jì)形成常數(shù)log K。該過程導(dǎo)致了可被用于隨后的電涂覆的薄導(dǎo)電層。在本領(lǐng)域中將該過程稱為“連接(Connect) ” 過程。
美國(guó)專利5503877描述了非導(dǎo)電襯底的金屬化，其涉及使用絡(luò)合物以便在非金屬襯底上生成金屬種子。這些金屬種子為隨后的電鍍提供了充分的導(dǎo)電性。在本領(lǐng)域中將該過程稱為所謂的“Neoganth”過程。美國(guó)專利5693209涉及一種用于非導(dǎo)電襯底的金屬化的過程，其涉及使用導(dǎo)電吡咯聚合物。本領(lǐng)域中將所述過程稱為“Compact CP”過程。歐洲專利1390568B1還涉及非導(dǎo)電襯底的直接電解金屬化。其涉及使用導(dǎo)電聚合物來獲得用于后續(xù)的電涂覆的導(dǎo)電層。所述導(dǎo)電聚合物具有噻吩單元。本領(lǐng)域?qū)⑺鲞^程稱為“Seleo CP”過程。最后，還可以用膠質(zhì)的或者含有離子化鈀離子的溶液來使所述非導(dǎo)電襯底活化，例如，在 Printed Circuits Handbook, C. F. Coombs Jr. (Ed.), 6th Edition, McGrawHill, 28. 9和30. 2至30. 3頁中描述了用于此的方法?？梢匀芜x執(zhí)行薄中間金屬涂層的隨后的無電鍍，以便提高金屬種層104的厚度。然后，可利用所述種層的輔助來執(zhí)行根據(jù)本發(fā)明的對(duì)焊料材料層的電鍍。根據(jù)本發(fā)明，所述導(dǎo)電種層104可以由單個(gè)金屬層、單個(gè)金屬合金層制成，或者由至少兩個(gè)不同的單層的多層制成。從由銅、錫、鈷、鎳、銀、錫鉛合金、銅鎳合金、銅鉻合金、銅釕合金、銅銠合金、銅銀合金、銅銥合金、銅鈀合金、銅鉬合金、銅金合金和銅稀土合金、銅鎳銀合金、銅鎳稀土金屬合金構(gòu)成的組中選擇適于作為導(dǎo)電種層的金屬和金屬合金。銅和銅合金被優(yōu)選作為導(dǎo)電種層104。根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，也可以通過無電鍍方法來形成所述金屬種層104，其中，催化金屬不使用貴金屬，而是使用銅作為催化金屬?？梢栽诿绹?guó)專利No. 3993491和No. 3993848中找到用于在非導(dǎo)電表面上形成這樣的催化銅的典型例子。所述金屬種層104的厚度優(yōu)選小于0.1毫米，并且更優(yōu)選處于0. 0001毫米和0. 005毫米之間。根據(jù)所述金屬種層104在焊料材料層中的溶解度，所述金屬種層104能完全溶解到焊料沉積中，或者在回流過程之后仍然至少部分地存在。在本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例中，金屬種層104在回流期間或者回流之后被完全溶解到焊料材料層中。由于可以在蝕刻溶液中更快地去除較薄的種層，因而較薄的所述金屬種層104是優(yōu)選的。由于在蝕刻液中的較短的接觸時(shí)間，因而由所述蝕刻溶液對(duì)所述焊料掩模層103的損害將被降低至可接受的低水平?，F(xiàn)在參考圖lc，利用已知技術(shù)來將抗蝕劑層105施加到焊料掩模層103，并使其圖案化，以便暴露焊料掩模開口以及至少一個(gè)接觸焊盤102。
接下來，然后通過電鍍?cè)诮饘俜N層104上形成第一焊料材料層106 (圖1d)。用于第一焊料材料層106的第一焊料材料從以下構(gòu)成的組中選擇錫、銦、鉍以及含有上述金屬中的至少一種的合金。最優(yōu)選的金屬為純錫。然后，通過電鍍將第二焊料材料107沉積到所述第一焊料材料層106上。第二焊料材料含有從以下構(gòu)成的組中選擇的至少一種元素錫、鉛、銀、金、銅、鉍、銻、鋅、鎳、鋁、鎂、鋼、締、鎵、釕、錯(cuò)、銥、鈕和怕。更優(yōu)選地，第二焊料材料107是由錫和從以下元素構(gòu)成的組中選擇的至少一種元素的混合物所制成的錫合金鉛、銀、銅、秘、鋪、鋅、鎳、招、鎂、銦、締、鎵、釕、錯(cuò)、銥、鈕和鉬。用于第二焊料材料層107的最優(yōu)選的第二焊料材料是錫銀合金。在第一焊料材料層106和第二焊料材料107的優(yōu)選組合中，第一焊料材料層106由純錫構(gòu)成，并且第二焊料材料層107由錫合金構(gòu)成。
在第一焊料材料層106和第二焊料材料層107的最優(yōu)選的組合中，第一焊料材料層106由純錫構(gòu)成，并且第二焊料材料層107由錫銀合金構(gòu)成。錫和錫合金電鍍液(plating bath)在本領(lǐng)域是已知的。通常使用的錫或錫合金電鍍液成分以及用于鍍敷的工藝參數(shù)在下文中被描述。連同其他鍍液的組分一起可以添加抗氧化劑和表面活性劑。Sn2+離子源可以是可溶解的含錫陽極，或者在使用不可溶陽極的情況下，其可以是可溶解Sn2+離子源。甲烷磺酸錫Sn(MSA)2因?yàn)樗母呷芙舛榷莾?yōu)選的Sn2+離子源。典型地，Sn2+離子源的濃度足以向所述鍍液中提供處于大約10g/l和大約200g/l之間的Sn2+離子，優(yōu)選處于大約15g/l和大約95g/l之間的Sn2+離子，更優(yōu)選處于大約40g/l和大約60g/l之間的Sn2+離子。例如，可以添加Sn(MSA)2，從而向電鍍液提供處于大約30g/l和大約60g/l之間的Sn2+離子。優(yōu)選的合金為錫銀合金。在這樣的情況下，電鍍液附加地含有可溶解的銀鹽，通常使用的是硝酸鹽、醋酸鹽，并且優(yōu)選使用甲烷磺酸鹽。典型地，Ag+離子源的濃度足以向所述鍍液中提供處于大約0. 01g/l和大約1. 5g/l之間的Ag+離子，優(yōu)選處于大約0. 3g/l和大約0. 7g/l之間的Ag+離子，更優(yōu)選處于大約0. 4g/l和大約0. 6g/l之間的Ag+離子。例如，可以添加Ag (MSA)，從而向電鍍液提供處于大約0. 2g/l和大約1. Og/1之間的Ag+離子?？梢韵虮景l(fā)明的鍍液添加抗氧化劑，從而對(duì)抗溶液中的Sn2+離子的氧化而使鍍液穩(wěn)定?？梢砸蕴幱诖蠹s0. lg/1和大約10g/l之間的濃度,優(yōu)選處于大約0. 5g/l和大約3g/I之間的濃度來添加諸如對(duì)苯二酚、兒茶酚以及羥基、二羥基或三羥基苯甲酸中的任何一種的優(yōu)選的抗氧化劑。例如，可以將對(duì)苯二酚以大約2g/l的濃度添加到鍍液?？梢蕴砑颖砻婊钚詣┮源龠M(jìn)襯底的潤(rùn)濕。表面活性劑似乎起著溫和的沉積抑制劑的作用，其能在一定程度上抑制三維生長(zhǎng)，由此改善薄膜的形態(tài)和形貌。其還有助于使晶粒尺寸細(xì)化，這產(chǎn)生了更加均勻的凸點(diǎn)。示范性陰離子表面活性劑包括烷基磷酸酯、烷基醚磷酸鹽、烷基硫酸鹽、烷基醚硫酸鹽、烷基磺酸鹽、烷基醚磺酸鹽、羧酸醚、羧酸酯、烷基芳基磺酸鹽、芳基烷基醚磺酸鹽、芳基磺酸鹽和磺基丁二酸酯。本發(fā)明的電解電鍍液優(yōu)選具有酸性pH，以抑制陽極鈍化，實(shí)現(xiàn)更好的陰極效率，并且實(shí)現(xiàn)更具延展性的沉積。因此，鍍液PH優(yōu)選處于大約0和大約3之間。在優(yōu)選實(shí)施例中，鍍液的PH為O。因此，可以使用硝酸、乙酸和甲烷磺酸來實(shí)現(xiàn)優(yōu)選的酸性pH。在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，所述酸為甲烷磺酸。所述酸的濃度優(yōu)選處于大約50g/l和大約200g/l之間，更優(yōu)選處于大約70g/l和大約120g/l之間。例如,可以將處于大約50g/l和大約160g/l之間的甲烷磺酸添加到電鍍液，從而實(shí)現(xiàn)pH O的鍍液，并且所述甲烷磺酸充當(dāng)導(dǎo)電電解質(zhì)。例如，在Jordan: The Electrodeposition of Tin and its Alloys, 1995, p.71-84中公開了典型的鍍液成分?？梢酝ㄟ^直流(DC)或脈沖鍍敷來執(zhí)行用于焊料儲(chǔ)存鍍敷的錫和錫合金的鍍敷。脈沖鍍敷技術(shù)尤其適于填充如圖1和圖2中所示的本發(fā)明的結(jié)構(gòu)。脈沖鍍敷的優(yōu)點(diǎn)是更高的表面分布均勻性和改善的晶體結(jié)構(gòu)，其中，錫沉積具有更加精細(xì)的晶粒尺寸，并且因此具有更好的可焊性屬性。而且，與DC鍍敷相比，通過脈沖鍍敷可以獲得更高的可適用電流密度，并且因此可以獲得更高的吞吐量。一般而言，可以施加l_20A/dm2的有效電流密度下的電流脈沖。替代地，可以利用0. 3-5A/dm2的電流密度下的DC來執(zhí)行鍍液的操作。
例如，施加具有3A/dm2的電流密度的錫脈沖鍍敷在30分鐘的鍍敷時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生了40 um的錫沉積的平均厚度。表面上的厚度變化僅為+/_15%。施加DC鍍敷可以獲得僅IA/dm2的最大電流密度。獲得40 ii m的錫沉積的厚度的鍍敷時(shí)間為86分鐘。表面上的變化為+/-33%，因而比脈沖鍍敷高得多。優(yōu)選脈沖參數(shù)如下
將至少一個(gè)正向電流脈沖的持續(xù)時(shí)間與至少一個(gè)反向電流脈沖的持續(xù)時(shí)間的比值調(diào)整為至少1:0-1:7，優(yōu)選為至少1:0. 5-1:4,以及更優(yōu)選為至少1:1-1:2. 5。可以將至少一個(gè)正向電流脈沖的持續(xù)時(shí)間調(diào)整為優(yōu)選至少5ms到1000ms。優(yōu)選將至少一個(gè)反向電流脈沖的持續(xù)時(shí)間調(diào)整為0.2-5ms，以及最優(yōu)選為0. 5-1. 5ms。優(yōu)選將工件處的至少一個(gè)正向電流脈沖的峰值電流密度調(diào)整為l_30A/dm2的值。尤其優(yōu)選的是在水平過程中工件處的至少一個(gè)正向電流脈沖的峰值電流密度具有2-8A/dm2。在垂直過程中，工件處的至少一個(gè)正向電流脈沖的最優(yōu)選的峰值電流密度為l-5A/dm2。工件處的至少一個(gè)反向電流脈沖的峰值電流密度將被優(yōu)選地調(diào)整為0_60A/dm2的值。尤其優(yōu)選的是在水平過程中工件處的至少一個(gè)反向電流脈沖的峰值電流密度具有
0-20A/dm2。在垂直過程中，工件處的至少一個(gè)正向電流脈沖的最優(yōu)選的峰值電流密度為
0-12A/dm2。諸如錫陽極的本領(lǐng)域已知的陽極可以被用于通過電鍍來沉積錫和錫合金。然而，對(duì)于其中有比錫更加貴重的合金金屬(例如，銀)的錫合金而言，諸如鈦陽極、鍍鉬鈦陽極和鈦混合氧化物陽極的惰性陽極是優(yōu)選的。根據(jù)圖1的結(jié)構(gòu)中的焊料掩模開口 109優(yōu)選具有大約5-1. OOOiim的尺寸，該尺寸優(yōu)選為大約10-500 u m,甚至更優(yōu)選為20-100 u m。焊料掩模開口 109的寬度在5-250 iim之間變化，優(yōu)選具有10-50 ii m (圖la)。將相鄰接觸區(qū)域的中心點(diǎn)的距離表示為間距，并且對(duì)于IC襯底而言，其從90-300 u m的范圍變動(dòng)，以及對(duì)于印刷電路而言，其從150-1. OOOiim的范圍的變動(dòng)。參考圖1f，正在從焊料掩模層103去除圖案化的抗蝕劑層105以及金屬種層104。優(yōu)選地通過從焊料掩模層區(qū)域103化學(xué)蝕刻一定量的金屬種層104，在至少一個(gè)接觸區(qū)域上留下第一和第二焊料材料層106和107，來執(zhí)行所述去除?？梢噪娊獾鼗蛘呋瘜W(xué)地執(zhí)行銅和銅合金的蝕刻，其也被稱為剝離。可以通過應(yīng)用例行實(shí)驗(yàn)來選擇合適的蝕刻溶液。而且，可以單獨(dú)地或者與電解或化學(xué)剝離結(jié)合來施加機(jī)械拋光，從而去除金屬種層 104。例如，在Printed Circuits Handbook, C. F. Coombs Jr. (Ed. ), 6th Edition,McGraw Hill, 34. 6至34. 18頁中公開了用于銅和銅合金的典型蝕刻或剝離成分。用于銅和銅合金的典型蝕刻成分為過硫酸鹽和硫酸、卡羅酸的混合物、過氧化物和無機(jī)酸的混合物、CuCl2、過氧化物和無機(jī)酸的混合物、CuCl2和氨水的混合物。任選地，然后使所述襯底與處理后的成分接觸，從而防止錫或錫合金表面的氧化和褪色。用于所述目的的合適的處理后的成分經(jīng)常是以無機(jī)或有機(jī)含磷化合物及其混合物為基礎(chǔ)的。例如，在EP 2014798A1和EP 1716949B1中公開了具體的成分。 可以在回流溫度下形成倒裝芯片或BGA接點(diǎn)。此外，在回流操作期間(圖lg)，所述金屬種層104、第一焊料材料層和第二焊料材料層溶解到彼此當(dāng)中，同時(shí)形成了均勻的合金焊料沉積108。本發(fā)明提供了用于所述均勻合金焊料沉積108的成分的兩種調(diào)整模式。至少一個(gè)個(gè)體金屬種層、第一焊料材料層和第二焊料材料層中的每個(gè)的成分以及它們?cè)诔练e后的相應(yīng)的體積被用來獲得具有恰好定義的成分的最終的合金焊料沉積108，即合金焊料沉積108的期望的溶化溫度。優(yōu)選的最終焊料合金焊料沉積108含有大于50wt. -%的錫。最終的焊料合金沉積108中的優(yōu)選的銀濃度從I到6wt. -%的范圍變動(dòng)。 最終的焊料合金沉積108內(nèi)的優(yōu)選的銅濃度從0. 05到2wt. -%的范圍變動(dòng)。根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，所述電鍍焊料凸點(diǎn)可以被應(yīng)用于形成倒裝芯片接點(diǎn)以及板到板焊點(diǎn)。所述焊料凸點(diǎn)可以是任何形狀，例如，紐扣形凸點(diǎn)、球形凸點(diǎn)、圓柱形凸點(diǎn)或其他凸點(diǎn)。盡管已經(jīng)針對(duì)根據(jù)圖1的襯底詳細(xì)描述了該過程順序，但是其不限于此，并且可以被應(yīng)用于所有種類的襯底。在圖2中示出了能被相應(yīng)地處理的本發(fā)明的附加的優(yōu)選實(shí)施例。根據(jù)本發(fā)明，所述焊料掩模層103不限于覆蓋所述接觸焊盤102表面的一部分。如圖2中所示，將所述焊料掩模層103沉積在所述非導(dǎo)電表面101的表面上，但是其不覆蓋所述接觸焊盤102表面的任何部分。轉(zhuǎn)而，形成了所述導(dǎo)電種層104。隨后，在覆蓋所述接觸焊盤102的所述開口中形成焊料沉積層106和107。這樣的結(jié)構(gòu)被稱為非焊料掩模限定的焊盤襯底。下面的例子進(jìn)一步說明了本發(fā)明。范例 例I
使用具有根據(jù)圖1a的接觸焊盤結(jié)構(gòu)的IC襯底。鍍敷順序是根據(jù)圖1的。首先利用標(biāo)準(zhǔn)過程對(duì)IC襯底進(jìn)行清潔，然后在包括過氧化氫和硫酸的含水成分中對(duì)所述IC襯底進(jìn)行微蝕刻。
接下來，將具有25Mm的厚度的焊料掩模(Lackwerke Peters, ELPEMER SD 2467SG-DG(525))沉積到所述非導(dǎo)電襯底101上(圖la)。對(duì)所述焊料掩模進(jìn)行光結(jié)構(gòu)化，以便使至少一個(gè)接觸焊盤102暴露。在整個(gè)襯底表面上形成銅的金屬種層104 (圖lb)。為此，首先利用含有離子化鈀的酸性溶液接觸所述表面，并且然后利用用于無電銅沉積的溶液接觸所述表面。接下來，將干膜光致抗蝕劑105 (PM 250，DuPont)層壓到焊料掩模層103上。在標(biāo)準(zhǔn)過程中對(duì)所述干膜光致抗蝕劑進(jìn)行圖案化(圖1 c )。此后，根據(jù)含有下述成分的鍍液 在所述導(dǎo)電層(圖1d)上鍍敷錫層(第一焊料材料層 106)
作為 Sn (MSA)2 的 45 g/1 的 Sn2+、60 ml/1 的 MSA (70% 溶液)、2 g/1 的氫醌和 100 mg/
I的苯亞甲基丙酮。所述鍍液的pH低于1，溫度為25° C。鍍敷時(shí)間為20分鐘。應(yīng)用下述參數(shù)來使用DC鍍敷
平均電流密度2. 5 A/dm2。在沒有任何空洞形成的情況下利用錫焊料材料來完全填充根據(jù)圖1d的焊料掩模開口。接下來，根據(jù)含有下述成分的鍍液通過電鍍(圖1e)向所述第一焊料材料層106上沉積錫銀合金層(第二焊料材料層107)
作為 Sn (MSA) 2 的 40 g/1 的 Sn2+、作為 Ag (MSA)的1. 5 g/1 的 Ag+、60 ml/I 的 MSA (70%溶液)、2 g/1的氫醌和100 mg/1的苯亞甲基丙酮。所述鍍液的pH低于1，溫度為25° C。鍍敷時(shí)間為15分鐘。應(yīng)用下述參數(shù)來使用DC鍍敷
平均電流密度2 A/dm2。在沒有任何空洞形成的情況下利用錫銀合金材料來填充根據(jù)圖1e的抗蝕劑開口110。在沉積第一焊料材料層106和第二焊料材料層107之后，利用2wt.-%的碳酸鉀的水溶液來去除所述圖案化的干膜光致抗蝕劑(圖1f)。此后，通過在40° C的溫度下在含有30vol. _%的硝酸的溶液中處理I分鐘，來移除焊料掩模層103上的金屬種層104 (圖1f)。在所述蝕刻過程之后，已經(jīng)完全去除了所述焊料掩模區(qū)域103上的銅的金屬種層104。然后，所述襯底受到回流操作，其中，所述金屬種層104、第一焊料材料106和第二焊料材料107形成了均勻的SAC合金焊料沉積108。錫焊料沉積示出了非常均一的表面分布，并且是無晶須的(whisker free).其適于被焊接到芯片或電路。Ml
利用作為金屬種層104的無電鍍的銅鎳來涂覆具有焊料掩模開口的襯底，所述焊料掩模開口具有50Mm的直徑和20Mm的高度。沉積抗蝕劑層，并形成具有80Mm的直徑和50Mm的高度的抗蝕劑開口 110。然后，通過電鍍利用作為第一焊料材料層106的錫來填充焊料掩模開口 109以及按照抗蝕劑開口 110的高度的15Mm。接下來，通過電鍍向第一焊料材料層106上電鍍作為第二焊料材料層107的錫銀合金，其填充按照抗蝕劑開口 110的高度的15Wn。所述金屬種層104具有0. 2Mm的厚度和1. 055吒的重量。所述金屬種層由95wt. -%的銅和5wt. -%的鎳構(gòu)成。作為第一焊料材料層106而沉積在每個(gè)開口中的錫的重量為83. 7呢。作為第二焊料材料層107而沉積在每個(gè)開口中的錫銀合金的重量為55呢，并且銀含量為6wt. -%。接下來，去除抗蝕劑層106，并使所述襯底受到回流操作。所得到的焊料合金沉積·108具有96. 9wt. -%的錫、2. 36wt. %的銀、0. 75wt-%的銅和0. 04wt. -%的鎳的均勻成分，其與被用作焊料的典型的四元SAC合金的成分類似。Ml
利用50Mm的焊料掩模開口直徑和60Mm的抗蝕劑開口 110直徑來重復(fù)例2。沉積具有
0.25Mm的厚度和5wt. -%的鎳含量的銅層作為金屬種層104。通過電鍍來沉積具有90. 6呢的重量的純錫層作為第一焊料材料層106。接下來，通過電鍍向抗蝕劑開口 110中沉積具有IOMm的高度和20. 6呢的重量的錫銀合金層作為第二焊料材料層107。所述第二焊料材料層107含有6wt. -%的銀。接下來，去除抗蝕劑層106，并使所述襯底受到回流操作。所得到的焊料合金沉積108具有98.1wt. -%的錫、1.1wt. %的銀、0. 76wt-%的銅和0. 04wt. -%的鎳的均勻成分，其與被用作焊料的典型的四元SAC合金的成分類似。
權(quán)利要求
1.一種在襯底上形成焊料合金沉積的方法，包括下述步驟 i)提供包括表面承載電路的襯底101，所述表面承載電路包括至少一個(gè)接觸區(qū)域102, )形成焊料掩模層103，所述焊料掩模層103被置于所述襯底表面上并且被圖案化以暴露所述至少一個(gè)接觸區(qū)域102， iii)使包括所述焊料掩模層103和所述至少一個(gè)接觸區(qū)域102的整個(gè)襯底區(qū)域與適于在所述襯底表面上提供金屬種層104的溶液相接觸， iv)在所述金屬種層上形成抗蝕劑層，并在所述抗蝕劑層105中創(chuàng)建開口，其使所述焊料掩模開口 110和所述至少一個(gè)接觸焊盤102暴露， V)將由純錫構(gòu)成的第一焊料材料層106電鍍到所述金屬種層104上， vi)將由錫銀合金構(gòu)成的第二焊料材料層107電鍍到所述第一焊料材料層106上， vii)去除所述抗蝕劑層105，并且蝕刻掉一定量的金屬種層104，其足以將所述金屬種層從所述焊料掩模層區(qū)域去除，在所述至少一個(gè)接觸區(qū)域102上留下兩個(gè)堆疊的焊料材料層， viii)對(duì)所述襯底進(jìn)行回流，并且由此根據(jù)所述金屬種層102、第一焊料材料層106和第二焊料材料層107形成焊料合金沉積108， 其中，通過所述金屬種層102、第一焊料材料層106和第二焊料材料層107的體積以及它們的相應(yīng)元素成分來控制所述焊料合金沉積108的成分。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述金屬種層102從以下構(gòu)成的組中選擇銅、錫、鈷、鎳、銀、錫鉛合金、銅鎳合金、銅鉻合金、銅釕合金、銅銠合金、銅銀合金、銅銥合金、銅鈀合金、銅鉬合金、銅金合金和銅稀土合金、銅鎳銀合金、銅鎳稀土金屬合金、銅/錫(雙層)、鉻/銅鉻合金/銅多層以及鎳/錫/銅多層。
3.根據(jù)前述權(quán)利要求中的任何一項(xiàng)所述的方法，其中，所述金屬種層102從以下構(gòu)成的組中選擇銅、銅鎳合金、銅釕合金和銅銠合金。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述焊料合金沉積108含有大于50wt.-%的錫。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述焊料合金沉積108含有I到6wt.-%的銀。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述焊料合金沉積108含有O.05到2wt. -%的銅。
7.根據(jù)前述權(quán)利要求中的任何一項(xiàng)所述的方法，其中，所述焊料合金沉積108從以下構(gòu)成的組中選擇錫銀銅合金和錫銀銅鎳合金。
8.根據(jù)前述權(quán)利要求中的任何一項(xiàng)所述的方法，其中，所述襯底是印刷電路板、IC襯底或插入機(jī)構(gòu)。
全文摘要
描述了一種在襯底上形成焊料合金沉積的方法，其包括下述步驟i)提供包括表面承載電路的襯底，所述表面承載電路包括至少一個(gè)內(nèi)層接觸焊盤，ii)形成焊料掩模層，所述焊料掩模層被置于所述襯底表面上并且被圖案化以暴露所述至少一個(gè)接觸區(qū)域，iii)使包括所述焊料掩模層和所述至少一個(gè)接觸區(qū)域的整個(gè)襯底區(qū)域與適于在所述襯底表面上提供金屬種層的溶液相接觸，iv)在所述金屬種層上形成結(jié)構(gòu)化的抗蝕劑層，v)將含有錫的第一焊料材料層電鍍到所述導(dǎo)電層上，vi)將第二焊料材料層電鍍到所述第一焊料材料層上，vii)去除所述結(jié)構(gòu)化的抗蝕劑層，并且蝕刻掉一定量的金屬種層，其足以將所述金屬種層從所述焊料掩模層區(qū)域去除，以及對(duì)所述襯底進(jìn)行回流，并且在這樣做時(shí)根據(jù)所述金屬種層、第一焊料材料層和第二焊料材料層形成焊料合金沉積。
文檔編號(hào)H01L21/48GK103026476SQ201180033313
公開日2013年4月3日 申請(qǐng)日期2011年6月23日 優(yōu)先權(quán)日2010年7月5日
發(fā)明者K-J.馬特雅特, S.蘭普雷希特, I.埃沃特 申請(qǐng)人:安美特德國(guó)有限公司