微电子封装中焊料凸点/金属化层连接结构体及其应用

摘要

本发明涉及微电子封装领域的微互联技术，具体地说是一种可焊性良好的微电子封装中焊料凸点/金属化(过渡)层连接结构体及其应用，适用于一般微电子连接中基板和印刷电路板焊盘上，以及芯片倒装焊互联中焊料凸点下的金属化过渡层的制作技术领域。该连接结构体为焊料凸点与金属化层连接而成，金属化层为铁、镍、钴元素共沉积的合金层，铁重量百分比范围为59-69％，镍重量百分比范围为31-41％，其余为钴；焊料为熔点相对较高的锡-银或者锡-银-铜系无铅焊料合金。本发明采用电镀的方法在铜(或镍)层上镀铁镍钴合金层。相对铁镍镀层，少量钴的添加可以允许铁、镍含量比例在更宽的范围内保持较低的膨胀系数和在较宽的温度范围内保持恒定。

说明书

技术领域

本发明涉及微电子封装领域的微互联技术，具体地说是一种可焊性良好的微 电子封装中焊料凸点/金属化(过渡)层连接结构体及其应用，适用于一般微电子 连接中基板和印刷电路板焊盘上，以及芯片倒装焊互联中焊料凸点下的金属化过 渡层的制作技术领域。

背景技术

半导体集成电路元件被称为“工业之米”。但在一般情况下，人们所使用的是 带有外壳的封装体。电子封装具有机械支撑、电气连接、外场屏蔽、应力缓和、 散热防潮等多种功能。现今，电子设备迅速轻、薄、短、小型化促进电子封装产 业的快速发展。特别是芯片性能的不断提高，对电子封装密度提出更高的要求。 这主要表现在：封装的引脚数越来越多；布线节距越来越小；封装厚度越来越薄； 封装体所占面积比例越来越大等。

在电子封装工程的四大基础技术，即薄厚膜技术、微互联技术、基板技术、 封接与封装技术中，微互联技术起着呈上启下的作用。无论芯片装连到载体上， 还是封装体实装到基板上，都要用到微互联技术。倒装焊微互联(FCB)技术是 在整个芯片表面按栅阵形状布置I/O端子，芯片直接以倒扣方式安装到布线板上， 通过栅阵I/O端子与布线板上相应的电极焊盘实现电气连接。这样，可以在有限 的面积内，布置更多的端子，从而满足高密度封装中引脚窄节距化的要求。倒装 焊微连接中的关键技术是在原芯片Al布线电极区形成凸点，其中焊料凸点最为普 遍。为达到凸点与Al及钝化层有良好的黏附性，又要防止凸点金属与Al之间的 元素扩散，一般先在凸点下制备多层金属化层，即UBM(under bump  metallization)。典型的粘附金属有Ti、Cr、TiN等，它们必须同芯片上电极形成 足够强的粘附。典型的阻挡金属有W、Mo、Ni、Cu等，作为阻挡层，能有效阻 挡因元素扩散而生成脆性化合物。典型的接连层有Au、Cu、Pd等，它们应该与 焊料合金良好的可焊性能。同样，焊料凸点同基板上金属布线焊盘连接时，也需 要基板焊盘的金属化，即TSM(topside metallization)。在一般的BGA(ball grid  array)封装中，将芯片封装体实装到印刷电路板上，也需要在印刷电路板上制备 与焊料球连接的金属化层。

在微电子连接过程中，过去一般使用共晶锡铅焊料，其中37％是铅。全世界 每年约有20,000吨的铅作为焊料使用。若这些含铅的电子产品被废弃和掩埋后， 合金中的铅会逐渐被自然环境中的水溶液腐蚀、溶解、扩散和富集，最终对自然 环境、土壤、天然水体及其动植物生物链造成不可恢复的环境污染。由此人们开 始寻找锡铅焊料的替代品，目前主要集中在锡银、锡铜及锡银铜上，这几种焊料 的熔点都较传统的锡铅焊料高出30-40℃。若这些无铅焊料作为凸点材料，当它 们与凸点下或者焊盘金属层液态反应时，则需要更高的回流温度。在这种高温度 条件下的回流工艺过程中，则会使金属化层与焊料反应速率加快，液态焊料与金 属化层发生反应时，则容易使金属化层被快速消耗掉，使其失去应有的功能。

此外，在固态扩散过程中，界面化合物层迅速生长，厚的脆性化合物以及产 生的柯肯达尔孔洞都将严重影响连接体的可靠性。此外，在封装体的使用过程中， 由于器件与电路板材料的热不匹配，将会使连接体处于热循环应力场，从而导致 连接体发生疲劳失效。

发明内容

鉴于上述现有技术的实际情况，本发明的目的在于提供一种可焊性良好的微 电子封装中焊料凸点/金属化(过渡)层连接结构体及其应用，解决现有技术中存 在的无铅焊料与金属化层连接时，容易使金属化层被快速消耗掉，使其失去应有 的功能，以及连接体发生疲劳失效等问题。

为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种微电子封装中焊料凸点/金属化层连接结构体，该连接结构体为焊料凸点 与金属化层连接而成，金属化层为铁、镍、钴元素共沉积的合金层，铁重量百分 比范围为59-69％，镍重量百分比范围为31-41％，其余为钴；焊料为熔点相对较 高的锡-银或者锡-银-铜系无铅焊料合金。

所述的微电子封装中焊料凸点/金属化层连接结构体，金属化层中，铁重量百 分比优选范围为60-65％，镍重量百分比优选范围为32-35％，钴重量百分比优选 范围3-8％。

所述的微电子封装中焊料凸点/金属化层连接结构体，焊料成份中，银重量百 分比范围为1-4％，铜重量百分比范围为0-3％，其余为锡。

所述的微电子封装中焊料凸点/金属化层连接结构体的应用，在导电基体表 面，或者在导电薄膜覆盖的非导电基体表面电镀或化学镀一层铁镍钴合金；焊料 通过用焊膏模板印刷方式或者置球方式定位，然后经回流后形成结构体。

所述的微电子封装中焊料凸点/金属化层连接结构体的应用，铁镍钴合金镀层 作为球栅阵列(BGA)封装、芯片倒装(flip chip)、叠层芯片封装或微机电系统 (MEMS)的微器件封装中，焊料凸点下金属化层或者基板焊盘金属化层。

所述的微电子封装中焊料凸点/金属化层连接结构体的应用，铁镍钴合金镀层 用作最外层与焊料凸点形成连接结构体。

所述的微电子封装中焊料凸点/金属化层连接结构体的应用，铁镍钴合金镀层 在表面另外沉积金、铂、钯、锡或其合金镀层，然后与焊料凸点形成连接结构体。

所述的微电子封装中焊料凸点/金属化层连接结构体的应用，该结构体作为球 栅阵列(BGA)封装、芯片倒装(flip chip)、叠层芯片封装或微机电系统(MEMS) 的微器件封装中，微器件与基板或者印刷电路板之间的连接。

所述的微电子封装中焊料凸点/金属化层连接结构体的应用，铁镍钴合金镀层 的膨胀系数通过镀层中铁的含量进行调节，适用于不同要求的基体；Sn-Ag-Cu焊 料根据工艺条件以及产品类型调整银和铜的含量。

所述的微电子封装中焊料凸点/金属化层连接结构体的应用，铁镍钴合金镀层 在常见的铜或镍金属层上电沉积；或者，铁镍钴合金镀层在其他类型的过渡金属 层上电沉积。

本发明具有如下优点：

1、本发明利用铁镍钴镀层与锡-银或者锡-银-铜无铅焊料形成连接结构体，锡 -银或者锡-银-铜焊料在该金属化层表面表现良好的润湿性能及抗氧化性能，可用 作为外表面层，此连接结构可以通过焊料与金属化层的外表面层直接反应而形成。

2、本发明铁镍钴镀层(金属化层)与锡-银或者锡-银-铜焊料间润湿性能良好， 与焊料界面的液态反应速度非常慢，生成极其薄(亚微米级厚度)而且平整的铁 锡化合物层，满足无铅焊接工艺中回流温度较高的需要；在在电器正常工作温度 范围内和固态时效中，化合物生长速度极慢。并且与焊料形成的连接界面具有良 好的可靠性能，非常适合微电子封装中无铅连接技术的需要。

3、本发明铁镍钴镀层/锡-银或者锡-银-铜焊料连接结构体具有良好的力学可 靠性能，在高温环境时效后，此连接体保持与铜/锡-银或者锡-银-铜焊料结构相当 的剪切强度。断裂主要发生在靠近化合物层的焊料内，说明界面可靠性良好且稳 定。

4、本发明镀层中铁的含量可以在一定范围内调整，得到最接近其他层的热膨 胀系数；焊料中银和铜的焊料可以根据工艺需要进行调整，调整后不影响界面化 合物生长速率及连接体可靠性。

5、本发明铁镍钴镀层/锡-银或者锡-银-铜焊料连接结构体的制作工艺相对简 单，适用性强。

6、本发明可以在导电基体如铜或镍的表面，或者在导电薄膜覆盖的非导电基 体表面来实现；可以作为微器件与基板上或印刷电路板之间的连接，以及芯片凸 点的制作工艺使用。

7、本发明中可以在铁镍钴镀层镀层外表面沉积金、铂、钯、锡及其合金等其 他镀层，提高抗氧化和润湿性能，然后与锡银铜焊料反应形成连接体。

8、本发明金属化层与焊料间的界面在回流和固态时效过程中，化合物生长缓 慢，能够起到扩散阻挡层的作用。

9、本发明金属化层与焊料的连接界面具有良好的力学可靠性能。在高温环境 时效后，连接界面保持较高的剪切强度。断裂主要发生在靠近化合物层的焊料内， 说明界面可靠性良好且稳定。

10、本发明通过钴含量的调节，使铁、镍百分比在较宽范围变化，金属化层 具有较低的热热膨胀系数，减小在使用过程中循环热应力造成的损伤，提高器件 的使用寿命和安全可靠性。所以，铁镍钴镀层可以在相对较宽的成份比例范围内 实现低热膨胀系数，并在较宽的温度范围内保持恒定。

11、本发明铁、镍重量百分比接近因瓦合金成份(Fe64Ni36)，相对于具有极 低热膨胀系数的因瓦合金(Fe64Ni36)金属化层，可以允许铁、镍成份比例在一 定范围内浮动，该金属化层仍能够保持低的热膨胀系数，因此其工艺容易控制， 适用性强。

12、本发明以铁镍钴合金镀层作为微电子互联技术中焊料凸点连接金属化层， 可以广泛应用于微电子封装行业，特别适合于球栅阵列、芯片倒装等形式的高密 度微互联技术。

附图说明

图1为本发明镀层适用的芯片倒装焊互连技术示意图。其中，4芯片；5下铁 镍钴金属化层；6锡银铜焊料凸点；7焊盘铁镍钴金属化层；8印刷电路板。

图2为铁镍钴镀层/锡银铜球形凸点连接体宏观截面图。

图3为铁镍钴镀层/锡银铜界面微观组织。

图4为铜/锡银铜界面微观组织。

图5为回流焊接工艺曲线。

图6为铁镍钴镀层/锡银铜界面化合物厚度随时效天数的变化曲线。

图7为铁镍钴镀层/锡银铜连接体断裂后的断口表面形貌。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进一步详细说明：

实施例1

在导电基体如铜或镍的表面，或者在导电薄膜覆盖的非导电基体表面电镀一 层铁镍钴合金，其成份和电镀层厚度均可以根据实际要求进行调节。如图1所示， 本发明所实现的镀层可以作为基板上和印刷电路板8上的焊盘铁镍钴金属化层7， 以及芯片4倒装焊连接中锡银铜焊料凸点6的下铁镍钴金属化层5使用。如图2 所示，铁镍钴镀层/锡银铜球形凸点连接体宏观截面图。

采用电镀方法在铜基体上镀薄层铁镍钴层，其成份为：铁60％，镍35％，钴 5％(重量百分含量)。对镀层表面利用丙酮试剂进行清洗，利用孔径为0.75mm掩 模板在镀层表面印制焊膏凸点，然后在其上对中放置锡银铜焊球。焊膏和焊球的 成份百分比为：锡95.8％，银3.5％，铜0.7％。回流焊接过程在美国ok公司生 产的BGA&CSP返修工作站设备中进行，其所用回流工艺曲线如图5所示。把回 流焊接后样品固封在环氧树脂中，沿截面进行磨制、抛光、以及腐蚀，利用扫描 电镜观察其组织结构。连接结构体的宏观截面图如图3所示，界面的微观组织如 图4所示。图中标号1代表锡银铜焊料；2代表铁镍钴镀层；箭头所指部分为所 生成的化合物层3，其厚度约为0.2μm。与其相比，铜/锡银铜焊料的界面生成了 非常不规则的铜锡化合物层(如图5所示)，其峰厚度达到10μm。由此可见，铁 镍钴镀层与焊料的反应速度非常慢。本实施例镀层的热膨胀系数约为4-10×10^-6/ ℃，与陶瓷基板的热膨胀系数(约为5-7×10^-6/℃)相匹配。

如上所制备的铁镍钴/锡银铜焊料连接体，进行在125℃环境下不同天数时效， 然后对其连接界面化合物厚度进行测量。图6显示了两种界面化合物厚度随时效 天数的变化曲线，图中SnAgCu/Cu为铜/锡银铜焊料连接体，SnAgCu/Cu(FeNiCo) 为铁镍钴/锡银铜焊料连接体。可以看出，在固态时效过程中铁镍钴/锡银铜焊料 连接体界面化合物生长速率远低于铜/锡银铜连接体界面，铁镍钴/焊料连接体的 界面化合物厚度生长及其缓慢。在焊料球在刮切试验后，图7显示了该连接结构 体断裂后韧性的断裂表面形貌。这些都说明了该镀层与焊料形成的界面具有较好 的力学可靠性。

由此可见，本发明铁镍钴镀层/锡银铜连接结构体不仅具有较低的化合物生成 和生长速率而且具有较可靠的力学性能。本发明中镀层中的铁含量可以根据不同 连接材料进行调节，以使连接层具有较好的热匹配性能，焊料中银和铜的含量也 可以根据工艺需要进行调整。所以，本发明非常适用于微电子封装中微器件与基 板或印刷电路板之间连接、以及芯片倒装技术中的凸点制作等技术领域。

实施例2

与实施例1不同之处在于：

铁镍层的成份为：铁59％，镍35％，钴6％；

焊料成份：锡95.8％，银3.5％，铜0.7％。

实施例3

与实施例1不同之处在于：

铁镍层的成份为：铁63％，镍33％，钴4％；

焊料成份：锡98.5％，银1％，铜0.5％。

实施例4

与实施例1不同之处在于：

铁镍层的成份为：铁67％，镍31％，钴2％；

焊料成份：锡95.8％，银3.5％，铜0.7％。

实施例5

与实施例1不同之处在于：

铁镍层的成份为：铁65％，镍32％，钴3％；

焊料成份：锡98.5％，银1％，铜0.5％。

实施例6

与实施例1不同之处在于：

铁镍层的成份为：铁61％，镍34％，钴5％；

焊料成份：锡95.8％，银3.5％，铜0.7％。

实施例7

与实施例1不同之处在于：

铁镍层的成份为：铁69％，镍31％；

焊料成份：锡98％，银2％。

实验结果表明，在本发明技术方案的范围内，铁镍钴镀层/锡银铜连接结构体 具有较低的化合物生成和生长速率以及较好的连接可靠性能，铁镍钴合金镀层具 有优良的润湿性能及抗氧化性能，较低的界面化合物生长速度以及较好的力学可 靠性。本发明中铁镍钴镀层中的组成成份可以在一定范围内调节，其铁重量百分 比为59-69％；对于铁镍钴合金镀层，只有铁和镍的成份在接近因瓦合金成份的极 小范围内，材料才可获得零或者负膨胀系数。通过少量钴元素添加，可以允许铁 和镍成份比例在一定范围内浮动，该合金镀层仍能够保持极低或零膨胀系数，因 此其工艺适用性更强。锡银铜焊料中银和铜的成份也可以调整，其银重量百分比 范围为1-4％，铜重量百分比范围为0-3％。本发明可以在导电基体表面，或者在 导电薄膜覆盖的非导电基体表面实现。铁镍钴镀层/锡银铜连接结构体可以作为 BGA封装形式中微器件与基板或印刷电路板之间的连接结构，也可以作为芯片倒 装焊互联中的凸点制作工艺。

因此，该合金镀层可以作为微电子互联技术中焊料凸点连接金属化层使用。 铁镍钴合金镀层还可以用作最外层与焊料凸点直接连接；也可以在表面另外沉积 金、铂、钯、锡或其合金镀层，然后与焊料凸点进行连接。铁镍钴合金镀层可以 在常见的铜或镍金属层电沉积；或者，在其他类型的过渡金属层上电沉积。