在电子元件上形成焊料区的方法和具有焊料区的电子元件技术

公开了在电子元件上形成焊料区的方法。该方法包括：（ａ）提供具有一个或多个接触垫的基板；和（ｂ）在该接触垫上施加焊料膏。该焊料膏包括载体和含有金属颗粒的金属成分。该焊料膏具有比该焊料膏熔化而且该熔体再次凝固后产生的固相线温度低的固相线温度。同时提供了可以通过本发明专利技术的方法形成的电子元件。可以在半导体工业中在半导体元件上形成互连凸起中得到具体的应用，例如使用凸起连接工艺将集成电路连接至模块电路或印制线路板。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及在电子元件上形成焊料区(solder area)的方法。同时，本专利技术涉及具有焊料区的电子元件。可以在半导体工业中在半导体器件上形成互连凸起(bump)中得到具体的应用，例如使用焊料凸起连接工艺将集成电路(IC)连接至模块电路，插入器(interposer)，或印制线路板(PWB)。
技术介绍
半导体制造工业中目前集中于晶片级封装(WLB)。在晶片级封装中，在晶片上大量(en masse)制造IC互连，并且可以在切割晶片前在其上构建完整的IC模块。使用WLP可获得如下益处，例如增大的输入/输出(I/O)密度，提高的操作速度，增强的功率密度和热管理，减小的封装尺寸，和提高的制造成本效率。在WLP中，可以在晶片上提供导电互连凸起。例如，最初的C4(“可控塌陷芯片连接”)工艺使用沉积在芯片的扁平接触垫区上的焊料凸起将一个或多个芯片连接至模块电路。芯片上的这些焊料凸起与模块电路上相应的接触垫相匹配。使该芯片和模块电路互相接触并加热使焊料熔化。这些互连凸起起到IC芯片和模块电路之间的电子和物理连接的作用。然后通过将焊料涂覆到模块电路上的其它接触垫，使该模块电路与PWB上的接触垫接触并加热该结构使焊料回流，从而典型将该模块电路附着到PWB。可选地，也可以使用引线连接代替焊料制作某些互连。已经提出了在半导体器件上形成互连凸起的几种方法，例如电镀起凸，蒸发起凸，和凸起印刷。这些技术中，电镀起凸和蒸发起凸通常需要大的用于加工设备的资金投入。另一方面，凸起印刷是耗资(capitalintensive)较少的方法。在凸起印刷中，在基板上放置或形成带有图案的金属掩模。该掩模具有对应于有待在其上形成凸起的接触垫的开口。通过首先在该掩模上涂覆焊料膏然后使用例如刮板之类的工具将焊料膏挤入开口，从而使焊料膏填充掩模中的开口。移去掩模并加热焊料膏，从而由该焊料膏形成金属焊料凸起。该金属焊料凸起应当能够在半导体元件的连接垫和模块电路之间制造可靠且稳定的电子连接。在凸起印刷中使用的焊料膏典型为金属颗粒和载体的组合，该载体可以包括例如溶剂，有机助熔剂，和活化剂。传统的焊料膏具有许多局限性。例如，载体成分的残渣在热处理之后通常会残留在焊料凸起中。这种残渣会对该接触的物理和/或电性能产生不利影响。为了最大程度上减小或阻止这种残渣，可能需要使用不适合该器件或基板的过高温度。基于严格的连接层次对用于C4或其它晶片起凸工艺和随后将模块连接至PWB中的连接材料进行选择。例如，当元件通过焊接连至基板，随后的处理期间不应接近该焊料的固相线温度以便防止该焊接点的软化和劣化。在C4工艺中用于在晶片上形成凸起的典型焊料膏是高含铅的材料，其中该金属成分包括95wt％的铅和5wt％锡。由该组成得到的焊料凸起具有315℃的液相线温度。对于这种焊料凸起组成，在随后的处理期间必须使温度不接近315℃以便防止该焊接连接的软化和劣化。由于这个目的，典型使用具有183℃的液相线温度的共晶锡/铅0.37焊料膏。因此该连接层次严格限制了可使用的焊料材料的类型。将材料最初开始熔化的温度称为固相线温度，而将最后的金属最终熔入液相的温度称为液相线温度。可用焊料材料的选择的进一步限制是基板的构成材料。例如，对于不能耐高温的基板如聚酯需要较低温度的焊接技术。为了在较低的焊接温度下产生可靠的互连，通常需要使用熔点较低的材料。例如，从70Sn/30Pb至70In/30Pb的改变可导致熔点温度从193℃降低到174℃。遗憾地是，这些熔点较低的焊料通常会在电子元件的工作期间发生疲劳或变形(如蠕变)，从而导致较低的可靠性。因此，通常需要使用耐高温的基板材料，例如陶瓷。因此希望具有可处理的焊料组合物，该组合物能够在较低的温度下制造电子连接而且可消除或减少疲劳和变形的问题。焊接材料的使用的又一个限制涉及近期受环境因素驱动的无铅的要求，这加大了消除焊料起凸和金属化中所用的含铅材料的要求。遗憾的是，含铅材料最好的替代材料相对共晶锡-铅具有更高的固相线温度。目前，考虑使用Sn/Ag3.0/Cu0.5焊料膏作为共晶Sn/Pb替代材料。然而遗憾的是，Sn/Ag3.0/Cu0.5的固相线温度约为217℃，这比共晶Sn/Pb的固相线温度高34℃。这种合金所需要的增加的热激增(excursion)会导致电子元件的过早失效。因此，存在寻找共晶Sn/Pb的合适替代材料的需求，该替代材料具有相对低的固相线温度。在互连凸起的形成中所使用的传统的焊料膏包含具有微米范围直径的金属颗粒。Sakuyama的美国专利No.6,630,742B2公开了颗粒含量不超过10wt％的焊料粉末，该颗粒的直径大于掩模的厚度而不超过该厚度的1.5倍，且公开了作为范例的5至20μm的直径。据称这减小了如下风险当掩模用焊料涂覆并用刮板在掩模上前后移动时，填充开口的焊料膏会被擦去；和当去除掩模时附着在该金属掩模开口内壁上的焊料膏会被带走。该′742专利进一步公开了如果减小具有20μm或更小颗粒直径的焊料粉的比例，可自动改善与其制备相联系的问题，例如劳动强度大，低产量和高成本。′742专利提出了具有低比例的小颗粒直径的焊料粉的另一个优点，该焊料膏对氧化不敏感从而导致该焊料膏具有较长的寿命。因此本领域中对于在电子元件上形成焊料区的方法存在持续的需求，例如用于晶片级封装的半导体元件上的互连凸起。本领域中还存在对可以通过这样的方法形成的电子元件的需求。该方法和元件能够阻止或显著改善上面所述关于本领域情形的问题中的一个或多个。
技术实现思路
依照第一个方面，本专利技术提供了在电子元件上形成焊料区的方法。该方法包括(a)提供具有一个或多个接触垫的基板；和(b)在该接触垫上施加焊料膏。该焊料膏包含载体和含有金属颗粒的金属成分。该焊料膏具有比该焊料膏熔化且该熔体再次凝固后所得的固相线温度低的固相线温度。依照另一个方面，本专利技术提供了电子元件。该电子元件包括(a)具有一个或多个接触垫的基板；和(b)该接触垫上的焊料膏。该焊料膏包含载体和含有金属颗粒的金属成分。该焊料膏具有比该焊料膏熔化且该熔体再次凝固后所得的固相线温度低的固相线温度。参照下列描述，权利要求，和相关的附图，本领域中的技术人员将清楚的认识到本专利技术的其它特征和优点。附图说明本专利技术将参照下列附图进行讨论，其中相似的参照数字代表相似的部件，且其中图1(a)-(f)依照本专利技术以横截面说明在其不同形成阶段电子元件上以互连凸起形式的焊料区。图2(a)-(b)依照本专利技术的另一个方面以横截面说明在其不同的形成阶段通过将具有互连凸起形式的焊料区的电子元件连接至基板形成的电子元件。图3(a)-(f)依照本专利技术的另一个方面以横截面说明其不同的形成阶段电子元件上的焊料区。图4(a)-(b)依照本专利技术的另一个方面以横截面说明在其不同形成阶段将具有焊料区的电子元件连接至基板的连接。具体实施例方式现在将参照图1(a)-(f)对本专利技术的方法进行描述，该图说明了根据本专利技术第一个方面的焊料区形成过程的典型工艺流程图。正如这里所使用的，术语“一个”是指一个或多个，除非另外明确说明。术语纳米颗粒是指具有50nm或更小直径的颗粒。术语“金属”是指单组分金属，金属混合物，金属合金，和金属间化合物。本专利技术的方法包括在电子元件上形成焊料区。本发本文档来自技高网...

【技术保护点】
在电子元件上形成焊料区的方法，该方法包括：（ａ）提供包含一个或多个接触垫的基板；和（ｂ）在该接触垫上施加焊料膏，该焊料膏包含载体和含有金属颗粒的金属成分。其中该焊料膏具有比该焊料膏熔化而且该熔体再次凝固后所得的固相线 温度低的固相线温度。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：NE布雷斯，MP托本，
申请(专利权)人：罗姆和哈斯电子材料有限责任公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]