一种基于铟凸点的无助焊剂回流工艺方法技术

本发明专利技术涉及一种基于铟凸点的无助焊剂回流的工艺方法，其特征在于包括基板金属化、钝化层开口、凸点下金属化层增厚、电镀铟凸点、电镀银层包覆铟凸点、凸点回流。采用本发明专利技术提供的工艺可实现铟凸点阵列的无助焊回流，该工艺可应用于某些特殊的光电芯片，ＭＥＭＳ芯片和生物检测芯片中的倒装互连中。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及到一种基于铟凸点阵列的无助焊剂回流工艺方法，主要用于需进行免 助焊剂的微机电(MEMS)系统，光电芯片(Photoelectric chip)与生物芯片(Bio-chip)等 倒装焊接工艺中，属于微电子封装领域。
技术介绍
焊料在微电子封装中是必定要用到的，它主要实现器件内部及器件间信号传输与 机械支撑等。常用的金属焊料，如锡基焊料，由于其表面极易形成一层金属氧化层，在用它 对器件进行封装焊接时，该氧化层会阻碍焊接过程的顺利进行，在不去除该氧化层的情况 下焊接，往往很难获得高质量的互连效果。为得到好的互连效果，通常需在焊接时使用助焊 剂而去除焊料表层氧化层从而得到高质量的焊接。但是在某些特殊的应用中，如某些光电 芯片(带光学镜头)，微机电系统和生物检测芯片的焊接中，焊接过程中如果引入助焊剂将 会不可避免地给器件带来污染，这些污染对器件性能的影响通常是致命的，因此在此类应 用中，助焊剂一般是禁用的。为达到上述要求，开发一些可实现免助焊剂情况下可实现良好 焊接的工艺技术是必须的。实现该技术的可用方案有两种采取特殊的助焊剂(如用氢气 等还原性强的气体或用等离子对焊料表面进行清洗)，采取特殊方法防止焊料表面发生氧 化。对无助焊剂的倒装焊工艺而言，第一步是如何实现焊料凸点在无助焊剂情况下 成功实现回流。迄今为止，Chin C. Lee领导的课题组对基于锡基焊料的免助焊剂焊接工 艺做出了一些研究，实现了两片状芯片间无助焊剂的键合[Chin C. Lee, Ricky W. Chuang， Fluxless Non-Eutectic Joints Fabricated Using Gold-Tin Multilayer Composite, IEEE TRANSACTIONS ON COMPONENTS AND PACKAGING TECHNOLOGIES, VOL. 26，NO. 2，JUNE 2003. ] Jeong-Won ^on等利用顺次序电镀工艺实现了锡基凸点阵列的凸点阵列回流 工艺，为利用凸点阵列实现无助焊剂回流提供了一种思路[Jeong-Won Yoon, Hyun-Suk Chun, Seung-Boo Jung, Reliability evaluation of Au_20Sn flip chip solder bump fabricated by sequential electroplating method with Sn and Au. Materials Science and Engineering A 473 (2008) 119-125. ] 0本专利技术试图实现基于铟无助焊剂凸点回流工 艺，我们知道，铟是一种性能极佳的低温焊料，也是锡基等常用焊料所没有的特性，被广泛 用于光电芯片等的封装中。本专利技术提出一种基于两次电镀，并选择适当的方式保持了铟焊 料的特性。基于此方法既可实现其无助焊剂回流，而且还可以使回流温度保持在较低的温 度范围内。此工艺尚未见报道。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种基于铟凸点的无助焊剂回流的工艺方法，常用的阻止 氧化的金属材料是金和银。实际工艺中，在铟的表层引入一层金层来阻止铟的氧化而实现 其在较低温度下回流成球是不现实的。这是因为从金-铟平衡相图可知，在铟中引入少量的金，就会使其熔点急剧上升，而这一点是不希望看到的，因为这样会失去铟作为一种性能 优良的低温焊料的优势。而如果在铟的表面引入银层则不会出现这种情况，显然可以避免 这种情况但从铟-银平衡相图知，向铟中引入银后，其焊料熔点先降低，当铟银质量比约 为96% 4%时到达共晶点，此时焊料熔点为144°C，比铟的熔点156. 6°C C还低，其后随着 银含量的增加，Ιη-iVg焊料熔点缓慢上升。由此可见，用银对铟包覆既可防止铟凸点表面氧 化，同时还能保证焊料熔点不会迅速上升，从而可实现低温回流。因此，本专利技术中设计出了一种工艺方法以实现银对铟凸点阵列的包覆，该工艺步 骤的设计是本专利技术的关键点。所以本专利技术是以在硅基板上的制作流程为例说明具体的工艺 过程。该专利技术的具体工艺过程如下A.基板金属化(a)对硅片进行热氧化，以得到绝缘的基板；(b)在基板上溅射种子层，如溅射Ti/Cu/Ti，在铜表面溅射Ti层是为了增强钝化 层与该金属层间的附着力且避免铜层的氧化；铜与钝化层间的粘附力很差，Ti与SiO2的粘 附力较强；B.钝化层开口(a) MPECVD (plasma-enhanced chemical vapor deposition, i^^il^M^ffiiiL 积法)沉积S^2作为钝化层；(b)涂覆薄胶(厚度为1-3 μ m，此厚度是为了利用电镀铜来实现铜UBM制作)并 光刻，之后对光刻胶清边，用BOE (bufferrd-oxide-etch，缓冲氧化层腐蚀)湿法腐蚀或 RIE (reaction ion etching，反应离子刻蚀)实现钝化层进行开口和硅片边缘的接触电极 的形成，钝化层开口直径是根据凸点直径而定，一般为30-50 μ m ；C.凸点下金属化层增厚(a)利用电镀法对Ti/Cu UBM层进行铜增厚。因溅射的铜层不能做得较厚，一般只 做到1000 A-6000 A间；较薄的铜层极易导致凸点在回流过程发生脱落，增加铜层厚度可 以改善焊球脱落发生脱落的现象；通常增厚后厚度为3-4 μ m ；D.电镀铟凸点(a)丙酮去胶(也可在凸点回流前进行)；(b)电镀铟凸点，电镀过程以及电镀完成后应避免铟凸点与空气的直接接触，将电 镀完成的硅片置于去离子水或酒精等中可实现其与空气的接触；E.电镀银层包覆铟凸点(a)铟凸点表面镀银；镀层厚度通过电镀电流大小和电镀时间控制，最终结果是 用银层实现对铟凸点表层的完全包覆；但同时要保证银镀层较薄，从而使得^jg焊料熔 点不会太高；银铟原子比例接近Ag-In共晶点；F.凸点回流(a)选择恰当的回流曲线，将凸点阵列置于氮气气氛或氢气气氛退火炉中进行回 流，回流峰值温度在180-220°C之间；在回流峰值温度上回流3-8min，使之回流成球；(b)对回流好的凸点进行切片等后期处理。由此可见，本专利技术提出了可实现凸点在无助焊剂帮助下成功实现回流的工艺方法。以性能优良、熔点低的铟焊料为主要成分；采取比较简单的按次序两次电镀工艺，即先 电镀出铟凸点，再在其表层电镀一层用于阻止氧化的银镀层；较低的回流峰值温度，由于 铟-银在一个较大的原子比例范围内均保持较低的熔点，因此实现了银对铟的包覆后，凸 点仍可在较低的温度下实现回流成球，范例中的回流峰值温度为200°C，此特点可满足某些 需低温焊接的应用场合。采用本专利技术提供的工艺可实现铟凸点阵列的无助焊回流，该工艺 可应用于某些特殊的光电芯片，MEMS芯片和生物检测芯片中的倒装互连中。本专利技术的特征在于①对衬底进行金属化和实现钝化层开口后，采取依次顺序电镀的方式实现凸点制 备的工艺步骤，这是本专利技术的关键之处；②用Ti/Cu/Ti对基板进行金属化；③用PECVD制作SW2作为凸点钝化层，用BOE湿法腐蚀对其进行开口 ；④通过控制电镀条件来实现银层对铟凸点表层的完美包覆；⑤凸点回流将需回流的芯片放于温度过程可控的退火炉中，且回本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于铟凸点的无助焊剂回流工艺方法，其特征在于包括以下各步：Ａ．基板金属化（ａ）对硅片进行热氧化，以得到绝缘的基板；（ｂ）在基板上溅射Ｔｉ／Ｃｕ／Ｔｉ种子层；Ｂ．钝化层开口（ａ）用离子增强型气相沉积法沉积ＳｉＯ↓［２］作为钝化层；（ｂ）涂覆薄胶并光刻，之后对光刻胶清边，用缓冲氧化层腐蚀湿法腐蚀或反应离子刻蚀实现钝化层开口和硅片边缘形成接触电极；Ｃ．凸点下金属化层增厚（ａ）利用电镀法对Ｔｉ／Ｃｕ　ＵＢＭ层进行铜增厚；Ｄ．电镀铟凸点（ａ）在上述步骤Ｃ铜层增厚后，丙酮去胶；（ｂ）电镀铟凸点，电镀过程以及电镀完成后应避免铟凸点与空气的直接接触，将电镀完成的硅片置于去离子水或酒精中实现其与空气的接触；Ｅ．电镀银层包覆铟凸点铟凸点表面镀银，使银层实现对铟凸点表层的包覆，铟凸点仍可在较低温度下实现成球；Ｆ．凸点回流（ａ）将步骤Ｅ的包覆银层的铟凸点，在氮气或氢气氛退火炉中进行回流成球，回流峰值温度为１８０－２２０℃之间；（ｂ）对回流后成球的凸点进行切片后处理。

【技术特征摘要】
1.一种基于铟凸点的无助焊剂回流工艺方法，其特征在于包括以下各步A.基板金属化(a)对硅片进行热氧化，以得到绝缘的基板；(b)在基板上溅射Ti/Cu/Ti种子层；B.钝化层开口(a)用离子增强型气相沉积法沉积S^2作为钝化层；(b)涂覆薄胶并光刻，之后对光刻胶清边，用缓冲氧化层腐蚀湿法腐蚀或反应离子刻蚀 实现钝化层开口和硅片边缘形成接触电极；C.凸点下金属化层增厚(a)利用电镀法对Ti/Cu UBM层进行铜增厚；D.电镀铟凸点(a)在上述步骤C铜层增厚后，丙酮去胶；(b)电镀铟凸点，电镀过程以及电镀完成后应避免铟凸点与空气的直接接触，将电镀完 成的硅片置于去离子水或酒精中实现其与空气的接触；E.电镀银层包覆铟凸点铟凸点表面镀银，使银层实现对铟凸点表层的包覆，铟凸点仍可在较低温度下实现成球；F.凸点回流(a)将步骤E的包覆银层的铟凸点，在氮气或氢气氛退火炉中进行回流成球，回流峰值 温度为180-220°C之间；(b)对回流后成球的凸点进行切片后处理。2.按权利要求1所述的方法，其特征在于在基板上溅射T...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄秋平，罗乐，徐高尉，袁媛，
申请(专利权)人：中国科学院上海微系统与信息技术研究所，
类型：发明
国别省市：31[中国|上海]