專(zhuān)利名稱(chēng)：焊料組合物和制備焊接物的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種焊料組合物。
本發(fā)明還涉及一種通過(guò)焊料組合物在第一基板的焊接區(qū)和第二基板的焊接區(qū)之間制備導(dǎo)電連接的方法，包括以下步驟在第一基板的焊接區(qū)上面提供焊料組合物；組合第一和第二基板，使得該焊料組合物夾在所述第一和第二基板的焊接區(qū)之間，以及通過(guò)加熱焊料組合物來(lái)提供導(dǎo)電連接。
本發(fā)明還涉及一種帶有焊接區(qū)的基板，在焊接區(qū)上存在一個(gè)焊料組合物層，本發(fā)明還涉及一種包括具有焊接區(qū)的第一和第二基板的部件，通過(guò)導(dǎo)電焊料連接使第一和第二基板的所述焊接區(qū)相互連接。
背景技術(shù)：
本質(zhì)上已知焊料組合物用于連接金屬表面。該金屬表面可以在較大區(qū)域上延伸，但也可以將其限定在一個(gè)不同的電絕緣表面處的小區(qū)域。后一種情況尤其是出現(xiàn)在電子元件和產(chǎn)品的環(huán)境中。集成電路等表示具體關(guān)聯(lián)性的應(yīng)用。這些集成電路日益地通過(guò)多個(gè)焊料或金屬突起以倒裝芯片的方向與載體相連。在該連接中，其趨勢(shì)在于對(duì)每個(gè)集成電路使用大量突起并減小相鄰?fù)黄鹬g的間距，尤其是這兩種的組合。
對(duì)電子元件與載體的連接要求是該連接提供機(jī)械穩(wěn)定性和導(dǎo)電性。焊料組合物以?xún)?yōu)越的方式滿(mǎn)足這些要求。這存在多個(gè)原因首先，所有焊料的導(dǎo)電性都優(yōu)于例如各向異性導(dǎo)電膠等那樣的可選物；而且，該焊料可以以球狀部分應(yīng)用，也稱(chēng)為突起；此外，可以在組合前應(yīng)用焊料突起，而且該焊料突起只會(huì)在熱處理階段中的高溫時(shí)向外流。在所述熱處理階段甚至可以傳送一個(gè)帶有突起的基板。然而，所述高溫不能太高以使載體或元件擊穿或損壞。
特別注意所謂的擴(kuò)散焊料。這些焊料包括第一和第二金屬成分。在焊接中，使第二金屬成分熔化，而第一金屬成分是固態(tài)。第一成分?jǐn)U散進(jìn)入第二成分中將導(dǎo)致形成一種金屬間相，其具有比第一金屬成分低的熔化溫度。然而金屬間相往往引起易脆性和不利于焊接點(diǎn)的機(jī)械特性。WO 96/19314A建議包含一個(gè)濾波器來(lái)解決該問(wèn)題。WO02/20211A建議提供第一金屬成分作為第二成分的焊料中的粒子。WO03/72288A建議為這一擴(kuò)散焊料添加納粒子。最后，該焊料連接物吸收由于成分與載體之間的熱膨脹差別所產(chǎn)生的壓力。
然而目前可用的焊料組合物也具有缺點(diǎn)。缺點(diǎn)之一是在觸點(diǎn)包括某種金屬時(shí)需要粘附層。這種金屬還歸類(lèi)為可焊接性較差的觸點(diǎn)。所述較差的可焊接性經(jīng)常歸因于在觸點(diǎn)上形成的氧化物表層。該氧化物表層是電絕緣的而且阻止焊料與金屬的直接連接。因此，會(huì)出現(xiàn)粘接問(wèn)題和導(dǎo)電問(wèn)題。為了解決這些問(wèn)題，觸點(diǎn)通常具有粘附層。需要分別地提供這種粘附層，其涉及附加的處理步驟和額外的費(fèi)用。此外，該粘附層限制使用這種可焊接性較差的金屬，尤其是在需要耐某種最小溫度的成分和載體中。在第一基板的觸點(diǎn)中，該問(wèn)題的復(fù)雜性增加，其中該第一基板的觸點(diǎn)包括了一種不同于面向第一基板的第二基板的觸點(diǎn)的金屬。

發(fā)明內(nèi)容
因此本發(fā)明的第一目的是提供一種焊料組合物，它可以用來(lái)建立在兩個(gè)相對(duì)的基板的焊接區(qū)之間的電連接，其中至少一個(gè)觸點(diǎn)的可焊接性較差。
本發(fā)明的第二目的是提供一種制備在公開(kāi)的段落中提及那樣導(dǎo)電連接的方法，其中可以在可焊接性較差的焊接區(qū)上建立連接而無(wú)需引用一個(gè)單獨(dú)的粘附層。
通過(guò)這樣來(lái)實(shí)現(xiàn)第一目的，即在焊料組合物中擴(kuò)散一種熱力亞穩(wěn)定合金的粒子，該合金包括這樣一種元素，一旦對(duì)包含金屬氧化物表面應(yīng)用該組合物，該元素就形成與所述表面的金屬混合的金屬間化合物。
通過(guò)這樣來(lái)實(shí)現(xiàn)第二目的，即所述第一和第二基板的焊接區(qū)中的第一焊接區(qū)包括一個(gè)合金金屬，應(yīng)用一種焊料組合物，其中分散一種熱力亞穩(wěn)定合金的粒子，該合金包括一種將形成與第一觸點(diǎn)的合金金屬混合的金屬間化合物的元素。
本發(fā)明的焊料組合物實(shí)際上是一種允許對(duì)相對(duì)著的基板上的觸點(diǎn)提供良好電連接的在化學(xué)上穩(wěn)定的、化合物的雙相混合物。然而，盡管從本質(zhì)上已知焊料組合物是化學(xué)穩(wěn)定的，但是該組合物中的粒子是熱力亞穩(wěn)定的。這意味著如果加熱該組合物，粒子的組成結(jié)構(gòu)就會(huì)傾向于呈現(xiàn)一種不同的物理化學(xué)形狀，例如擴(kuò)散到焊料組合物中并有可能起反應(yīng)?？梢赃x擇其中亞穩(wěn)定粒子的結(jié)構(gòu)以便消除可焊接性較差的觸點(diǎn)表面的任何氧化物表層。然后不僅僅消除該氧化物表層，還用一種金屬間化合物的導(dǎo)電粘附層進(jìn)行代替。該金屬間化合物包括一種觸點(diǎn)的元素和一種來(lái)源于熱力亞穩(wěn)定粒子的元素。
因此觀(guān)察到本發(fā)明的焊料組合物在焊接過(guò)程中相比于介紹中所提及的擴(kuò)散焊料是致力于一種完全不同的反應(yīng)。擴(kuò)散焊料的反應(yīng)是在焊料本身的第一和第二成分之間的。在焊料中形成金屬間相。相反，在本發(fā)明中，該反應(yīng)在亞穩(wěn)定粒子的組成結(jié)構(gòu)與其中一個(gè)將要連接的物體的金屬表面之間。在這方面，本發(fā)明的焊料具有弄濕表面的能力，特別是具有消除氧化物層的能力，反之，現(xiàn)有技術(shù)中的擴(kuò)散焊料不具備任何固有的能力來(lái)實(shí)現(xiàn)這些。
此外，粒子的組成結(jié)構(gòu)是不同的。根本沒(méi)有任何現(xiàn)有技術(shù)的文件公開(kāi)粒子包括合金。在WO 02/20211A中，這些粒子具有特定的核和具有較高熔點(diǎn)的金屬殼體(即，第一金屬成分)。在WO 03/72288A中，該粒子是納粒子，它們根本不起反應(yīng)，但是增強(qiáng)了金屬間相的機(jī)械特性。
最優(yōu)選但并不限制地，本發(fā)明的焊料的粒子主要由第一和第二成分構(gòu)成。認(rèn)為這些粒子的成分以按照不同的相存在；更像一種金屬成分的一個(gè)核、在第一相內(nèi)的合金的第一殼體和在第二相內(nèi)的合金的第二殼體的結(jié)構(gòu)?？梢源嬖谝环N其他金屬成分的外殼。然而假設(shè)在把粒子帶入基質(zhì)組合物之后，實(shí)質(zhì)上交換該外殼或使其分解。第二殼體存在于熱力亞穩(wěn)定相內(nèi)，例如是由于在粒子制備過(guò)程中的快速冷卻步驟所導(dǎo)致的。觀(guān)察到核與殼體的圖像是一種內(nèi)部簡(jiǎn)單化的圖片。該圖像并不排除殼體內(nèi)的孔或一個(gè)殼體內(nèi)的區(qū)域或另一個(gè)相內(nèi)的核。
本發(fā)明的發(fā)明人相信，不進(jìn)行綁定，焊料組合物中并非所有的粒子都參與表面反應(yīng)。然后粘附層提供在觸點(diǎn)和焊料組合物之間的粘接。此外本發(fā)明的一個(gè)重要特征在于在冷卻后，焊料組合物中任何剩余的粒子將繼續(xù)作為第二相存在于焊料組合物中，而實(shí)質(zhì)上不會(huì)對(duì)焊料連接物的機(jī)械穩(wěn)定性或?qū)щ娦云鹭?fù)面影響。
本發(fā)明的第一優(yōu)勢(shì)在于焊料組合物粘附在大量不同的表面上。這些表面包括像鋁、銅、金、鎳及其合金那樣的金屬；像摻雜的硅的歐姆觸點(diǎn)那樣的半導(dǎo)體材料；像銦-錫-氧化物、氧化釕和氮化鈦那樣的導(dǎo)電的氧化物和氮化物。特殊優(yōu)勢(shì)在于其在環(huán)境中的應(yīng)用，即考慮到氧化表面而不允許一種標(biāo)準(zhǔn)的焊料突起，特別是關(guān)于鋁、鎳(另外具有金的表面)、硅和銦-錫-氧化物的應(yīng)用。其主要應(yīng)用分別為標(biāo)簽和其他傳統(tǒng)的集成電路；用于細(xì)距處理的浸焊，特別是對(duì)包括像BiSn或PbSn那樣的錫基質(zhì)的焊料組合物；芯片附著處理；以及將玻璃上芯片(COG)的處理，尤其是驅(qū)動(dòng)顯示器。
本發(fā)明的第二優(yōu)勢(shì)在于在相對(duì)的基板上的觸點(diǎn)可以包括一種不同的金屬作為它們的主要成分。在此情況下，可以?xún)H僅在單個(gè)基板的觸點(diǎn)上形成粘附層。適當(dāng)?shù)膶?shí)例包括鋁和銅；鋁和金；銦-錫-氧化物和銅或鋁等。
焊料組合物的另一個(gè)優(yōu)勢(shì)在于可以為無(wú)鉛的。由于環(huán)境的原因要求應(yīng)用無(wú)鉛的的焊料。
可應(yīng)用的具有熱力穩(wěn)定性的粒子包括如同金屬間化合物的合金元素，特別地并優(yōu)選為銦、錫、鉍和鋅組中的一個(gè)或多個(gè)。這些元素可以形成金屬間化合物，特別是帶有鋁的金屬間化合物，也可以帶有其他像鎢、鈦、釩和鎳那樣的元素。實(shí)際上，從元素周期表的較高組(V，V I，Vb)中選擇在此使用的合金元素，反之，存在于觸點(diǎn)中的元素是在元素周期表的較低組(III，IIIa，Iva)中，因此能夠形成一種惰性氣體結(jié)構(gòu)，其形成該合金。
在另一個(gè)實(shí)施例中，該粒子還包括一種元素，該元素能夠形成一種優(yōu)選在氧化鋁或氧化錫之上的氧化物。特別地從鈦、鉻、鋁和鎳組中選擇該元素。利用適合于去除氧化鋁層的酸性溶液來(lái)處理一種可供選擇的方案。觀(guān)察到，不管氧化鋁表面，鋁可以充當(dāng)該成分，這是因?yàn)樵摫砻娴难趸X變?yōu)榫哂辛硪粋€(gè)不同于由亞穩(wěn)定元素組成的氧化物粒子的能量級(jí)的能量級(jí)。產(chǎn)生的情況就是在焊料突起中擴(kuò)散這些氧化物粒子。
舉例來(lái)說(shuō)，亞穩(wěn)定粒子的適當(dāng)組合物是SnAg4Ti4和ZnAl6Ag6。盡管這些粒子組合物在本質(zhì)上是已知的，但是使用這些組合物作為標(biāo)準(zhǔn)焊料組合物中的粒子來(lái)獲得焊料液滴是未知的，該焊料液滴可以用于形成半導(dǎo)體裝置的突起。此外，目前根據(jù)特殊要求可以將它們應(yīng)用到半導(dǎo)體裝置。在此所使用基于錫的粒子的熔化溫度為200-238℃，基于鋅的粒子的熔化溫度為380-426℃。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)不必將焊料組合物加熱到粒子的熔化溫度以上的溫度，而只需將其加熱到基質(zhì)材料的熔化溫度以上的溫度。
在特別地優(yōu)選實(shí)施例中，反應(yīng)元素為錫，而且焊料組合物包括錫。在粒子和溶液中都存在錫就提高了組合物穩(wěn)定性。此外在半導(dǎo)體部件領(lǐng)域中非常確定使用包含錫的焊料。這種焊料的適當(dāng)?shù)膶?shí)例為SAC(錫-銀-銅)焊料和基于錫的焊料，例如SnCu、SnBi、PbSn、SnIn、SnZn和錫、銦、鉍和鋅的三元或四元合金。最為優(yōu)選地組合這種包含錫的焊料與金的金屬化物或突起，其中能夠形成共熔的AuSn互連。此外，使用包含錫的焊料的優(yōu)勢(shì)還在于它具有相對(duì)較低的熔點(diǎn)。因此，本發(fā)明的焊料組合物可以應(yīng)用于在只能耐相對(duì)較低溫度的載體上的焊接性較差的觸點(diǎn)。這種載體是特別有有機(jī)物和柔性的載體。
一般地，擴(kuò)散的粒子占0.1到90％的重量濃度，而且優(yōu)選為占0.5到60％的重量濃度。而且該濃度優(yōu)選為該范圍的下端，大約直至10％，因?yàn)檫@足以形成金屬間化合物的一個(gè)薄層?？梢愿鶕?jù)需要選擇精確的濃度，還可以考慮到組合物的粘性和粒子大小。應(yīng)當(dāng)理解為了確定將會(huì)像要求的那樣用金屬間化合物覆蓋觸點(diǎn)表面，該組合物的流變能力是一個(gè)重要因素。當(dāng)然對(duì)于化學(xué)穩(wěn)定性和導(dǎo)電性而言，高度優(yōu)選用金屬間化合物覆蓋整個(gè)觸點(diǎn)。
舉例來(lái)說(shuō)，擴(kuò)散的粒子的平均直徑在0.1到80μm的范圍內(nèi)。該平均直徑優(yōu)選為在0.3到20μm的范圍內(nèi)。僅僅通過(guò)焊料組合物中的分散傾向確定分散粒子的最小尺寸，因而分解會(huì)改變粒子中元素的相位，并因此改變反應(yīng)性。將理解為了獲得具有均勻厚度的金屬間化合物的一個(gè)薄層而優(yōu)選一個(gè)小的尺寸。此外，小的尺寸提高了焊料組合物中粒子分布的均勻性。另外，小的粒子尺寸需要應(yīng)用的在焊料的單個(gè)點(diǎn)之間的間距很小。通常把該間距定義為從一個(gè)焊料突起的中心到相鄰焊料突起的中心之間的距離。在此情況小，“小”暗示從15到40μm的距離，而且將理解該粒子需要至少小于該距離的幅值，并且優(yōu)選為甚至比該距離更大。
本發(fā)明的組合物特別適合用作電子應(yīng)用中的焊料突起，其中焊接區(qū)限定為在一個(gè)另外的實(shí)質(zhì)上電絕緣的基板上的焊盤(pán)。這種焊盤(pán)的尺寸一般小于100*100微米，也包括小于10*10微米，然而它們也可以較大。另外，本發(fā)明的焊料組合物用于其他應(yīng)用。一種特殊的應(yīng)用是將芯片元件附著到載體上。通過(guò)芯片附著處理獲得好得出奇的結(jié)果，該芯片包括一個(gè)半導(dǎo)體基板。其他應(yīng)用包括連接兩個(gè)較大的盤(pán)和提供焊料環(huán)。可以在該環(huán)境中修改粒子大小使其充當(dāng)確定兩個(gè)相對(duì)基板的單個(gè)表面之間距離的墊片。
在本發(fā)明的方法中，高度優(yōu)選為其中一個(gè)焊接區(qū)包括鋁，尤其是還稱(chēng)為觸點(diǎn)的焊盤(pán)。該金屬不僅用作集成電路中的互連材料，還用作其他元件，例如無(wú)源網(wǎng)絡(luò)。它還可以在低溫中應(yīng)用在標(biāo)簽或其他柔韌基板上，并且由于其天然的氧化物層而較好地保護(hù)不受潮濕等影響。然而，鋁的使用經(jīng)常會(huì)導(dǎo)致在必須應(yīng)用的分離的粘附層中的問(wèn)題和額外費(fèi)用，通常是在高溫下。在本發(fā)明中是沒(méi)有問(wèn)題的。
此外更合適的是在第一基板上存在第一觸點(diǎn)，而且在第二基板上的觸點(diǎn)包括一個(gè)變厚的頂層，它將形成帶有焊料組合物的合金。盡管不排除可以反過(guò)來(lái)，但是在應(yīng)用了焊料組合物的基板上將會(huì)形成金屬間化合物的試驗(yàn)中獲得了良好的結(jié)果。其優(yōu)勢(shì)在于可以提供焊料組合物之后直接形成第一觸點(diǎn)的穩(wěn)定連接和保護(hù)?？梢栽诤笠浑A段形成第二基板的連接，并且可能是在另一個(gè)位置?？紤]到金屬間化合物的穩(wěn)定性，在后面的焊接步驟中將不會(huì)使其又再分散；然而，由于連續(xù)的沉積，金屬間化合物層變厚。
存在一個(gè)變厚的頂層導(dǎo)致形成帶有焊料組合物的合金。變厚的頂層實(shí)例包括下面的突起金屬化物、鈕扣突起、電鍍突起等。適當(dāng)?shù)牟牧显诒举|(zhì)上已為本領(lǐng)域技術(shù)人員所公知，舉例來(lái)說(shuō)，其包括鎳、銅和金。
本發(fā)明的方法特別適用于在柔韌載體上提供元件，例如集成電路。然而，它必然不限制于該應(yīng)用。其他適當(dāng)?shù)膽?yīng)用包括芯片上芯片應(yīng)用，其中將一個(gè)芯片上的焊盤(pán)連接到另一個(gè)芯片上的焊盤(pán)。通常，盡管不是必要的，但是其中至少一個(gè)焊盤(pán)包括鋁或鋁合金。該芯片的第一種組合是存儲(chǔ)器芯片與處理器或其他邏輯芯片。一種可供選擇的組合是集成電路與作為載體的無(wú)源元件網(wǎng)絡(luò)。舉例來(lái)說(shuō)，另一種組合是在集成電路的上面提供一個(gè)無(wú)源元件網(wǎng)絡(luò)。特別是對(duì)所述元件來(lái)說(shuō)，本發(fā)明的焊料顯示出較高的適應(yīng)性，當(dāng)需要小間距溶液時(shí)。而且，由于不需要單獨(dú)的粘附層，所以降低了成本并提高了柔韌性。在現(xiàn)在的方案中，由鋁組成這一無(wú)源網(wǎng)絡(luò)的金屬化物層。使用本發(fā)明的組合物允許實(shí)質(zhì)上減小掩模步驟。此外，本發(fā)明的組合物能較好地改變以便具有只包括鋁或氧化鋁的受限的可濕性。照這樣，可以無(wú)掩模地應(yīng)用焊料組合物，而且通過(guò)形成金屬間化合物將形成連續(xù)的粘附。
可以局部地或在整個(gè)基板上提供形成金屬間化合物所需要的任何加熱處理。使用回流焊爐是可選的，而不是必要的。
如上所述，可以在基板上應(yīng)用焊料組合物，其后將焊接該基板并將其傳送到另一個(gè)位置。因此中間產(chǎn)品是帶有本發(fā)明的以液滴等形式的焊料組合物的基板。該基板一般是元件的一部分，例如集成電路。觸點(diǎn)的圖案可以是如通常所使用的球柵陣列。然后，它當(dāng)然不排除使用有源的焊盤(pán)圖案，其中焊盤(pán)圖案覆蓋半導(dǎo)體裝置的有源元件。
可以將焊料應(yīng)用到以突起方式的元件表面，即通過(guò)單獨(dú)沉積液滴。一種可供選擇但適當(dāng)?shù)姆椒ㄊ鞘褂媒竿黄?。在該方法中，通過(guò)浸入在下面的一個(gè)適當(dāng)?shù)睦珂嚮蜚~的突起金屬化物上提供特別包含了錫的層。在此情況下，相對(duì)的基板會(huì)包括可焊接性較差的觸點(diǎn)。浸焊的優(yōu)勢(shì)在于可以獲得減小的間距。
本發(fā)明還涉及一種包括第一和第二基板的部件，通過(guò)導(dǎo)電焊接物使第一和第二基板所具有的觸點(diǎn)相互連接。
本發(fā)明的另一個(gè)目的提供一種包括提供良好接觸的粘附層的部件。
通過(guò)這樣來(lái)實(shí)現(xiàn)該目的，即在觸點(diǎn)和焊料連接中至少一個(gè)的接口上存在一個(gè)包括金屬間化合物的粘附層，該金屬間化合物包括一個(gè)存在于觸點(diǎn)上的元件和一個(gè)來(lái)源于焊料組合物的合金元件。


將參照附圖進(jìn)一步闡明本發(fā)明的組合物和方法的各方面，其中圖1顯示了現(xiàn)有技術(shù)中基板的示意性橫截面視圖；圖2顯示了根據(jù)本發(fā)明的基板的示意性橫截面視圖；圖3顯示了根據(jù)本發(fā)明的部件的示意性橫截面視圖；圖4顯示了第一測(cè)試結(jié)果的照片；圖5顯示了第二測(cè)試結(jié)果的照片；
圖6顯示了相比較實(shí)例的測(cè)試結(jié)果的相片；圖7顯示了根據(jù)本發(fā)明的部件第二實(shí)例的示意性橫截面視圖；圖8顯示了根據(jù)本發(fā)明的部件第三實(shí)例的示意性橫截面視圖。
具體實(shí)施例方式
附圖并非按比例繪制，不同附圖中相同的參考數(shù)字指表示相同部分。
圖1顯示了現(xiàn)有技術(shù)的基板的示意性橫截面視圖。該基板是一種集成電路裝置。它包括多個(gè)元件，在此情況下為MOS晶體管2和多晶硅軌跡3。該電路提供在半導(dǎo)體主體1的表面上的一個(gè)有源電路區(qū)4中。在與電路裝置2、3相關(guān)的覆蓋關(guān)系中，提供一種互連結(jié)構(gòu)8用于互連電路裝置2、3以形成電路。在該實(shí)施例中，互連結(jié)構(gòu)8包括第一圖案化金屬層5、第二圖案化金屬層6和互連通孔7。在該實(shí)例中，圖案化金屬層5、6包括鋁或鋁合金，例如AlCu。在互連結(jié)構(gòu)8的上面布置一層鈍化材料9。該鈍化材料例如氮化硅或氧化硅。該鈍化結(jié)構(gòu)還包括防輻射以及在化學(xué)上穩(wěn)定的耐反應(yīng)性蝕刻劑的層，以便提供一種防止非法訪(fǎng)問(wèn)該集成電路的障礙。后者對(duì)于智能卡等的集成電路的應(yīng)用是首要重要的。通過(guò)光刻步驟和進(jìn)行蝕刻，形成一個(gè)從第二圖案化金屬層6延伸并穿過(guò)鈍化材料層9的通路接觸孔10。在鈍化材料層9上和通路接觸孔10內(nèi)提供一個(gè)例如包括TiW或Ti/Pt的阻擋層11，例如通過(guò)濺射處理來(lái)實(shí)現(xiàn)。阻擋層11相對(duì)于鈍化材料層9較薄，其厚度大約為200到300nm。例如通過(guò)濺射處理在阻擋層11的上面布置一個(gè)金屬層12。金屬層12例如可以包括金而且厚度為100到200nm。接著，在光刻步驟之前就已經(jīng)通過(guò)電鍍法在阻擋層11和金屬層12上生成了一個(gè)Pb/Sn突起13以限定突起尺寸。阻擋層11、金屬層12和突起13一起形成突起電極。該突起電極實(shí)質(zhì)上直線(xiàn)地位于有源電路區(qū)4之上。
圖2以示意性橫截面視圖的方式顯示了本發(fā)明的基板。在該基板中不存在阻擋層11和金屬層12。作為代替，使用本發(fā)明的焊料組合物作為突起13的材料。印刷該材料作為焊膏，而鈍化層9充當(dāng)阻焊材料。使用共熔的Sn43Bi57焊接合金作為基質(zhì)材料，按粒子重量來(lái)計(jì)算，其包括4.5％的Sn92Ag4Ti4和0.5％的Sn90Al6Ag4。在接觸孔10中該焊料組合物被用于鋁或鋁合金的焊盤(pán)，在第二圖案化金屬層6中限定該焊盤(pán)。這些焊盤(pán)具有一個(gè)天然氧化鋁層。通過(guò)加熱步驟使超出基質(zhì)材料的熔點(diǎn)來(lái)將焊料組合物附著于焊墊。在該實(shí)例中，當(dāng)共熔的錫-鉍的熔點(diǎn)為139℃時(shí)，在170℃執(zhí)行加熱步驟。把結(jié)果產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)應(yīng)用于載體。焊盤(pán)的大小約為50×50微米，然而這并不是臨界值而且還有減小的余地。
圖3以示意性橫截面視圖的方式顯示了本發(fā)明的部件100。在此情況下，把帶有所述焊料突起13的集成電路30應(yīng)用于載體20，在載體20的第一表面21上包括鋁軌跡23。接著執(zhí)行焊接步驟，其中以35kHz和5W的輸出，在250℃的溫度下和在10秒的過(guò)程中執(zhí)行超聲波焊接。結(jié)果產(chǎn)生的連接包括金屬間化合物SnAl的粘附層16、26。另外，在焊料突起13內(nèi)形成和存在SnTi的粒子17，該粒子結(jié)合從原來(lái)存在的氧化鋁表層釋放出來(lái)的氧。除了SnTi粒子17之外還存在的SnAgTi粒子18。這些粒子在粘附層16的形成過(guò)程中并不起作用或者僅僅起部分作用。
圖4顯示了對(duì)比實(shí)例的照片。在該實(shí)例中，使用沒(méi)有添加任何粒子的SnBi合金?？梢钥吹靡?jiàn)指示為D的裂縫，其顯示出該連接是不可靠的。指示為A的黑色相包括Tin(Sn)；最有可能是還包括Bi的富錫的組合物。指示為B的白色相包括Bi；最有可能是還包括Sn的富鉍的相。SnBi合金的分離是一種經(jīng)過(guò)一定的時(shí)間發(fā)生的常規(guī)處理。它對(duì)導(dǎo)電性或機(jī)械穩(wěn)定性都沒(méi)有負(fù)面影響。
圖5和6顯示了在第一實(shí)例中的連接的橫截面的照片。該照片的差別在于粒子的形態(tài)。圖5顯示了針狀粒子C的結(jié)果，而圖6顯示了具有不規(guī)則形狀的粒子C的結(jié)果。這些粒子包括本發(fā)明的亞穩(wěn)定合金。觀(guān)察到那些相對(duì)遠(yuǎn)離表面的粒子并不與其起反應(yīng)。還觀(guān)察到至今為止還不知道在與基板反應(yīng)之后究竟對(duì)第二合金元件發(fā)生了什么。在此情況下使用SnTi粒子。Sn與表面起反應(yīng)來(lái)形成Al-Sn。Ti最有可能形成氧化物。不清楚TiO2是否作為游離相存在，或者是SnTi粒子的一部分或者溶于SnBi之中。由于它涉及相對(duì)小的數(shù)量，所以這對(duì)于所形成連接的性質(zhì)不是重要的。表面6、23包括鋁。如圖4所示可以按照相同的方式區(qū)分A相和B相。在表面上存在金屬間化合物的AlSn的粘附層16、26。在整個(gè)表面6、23上的延伸是優(yōu)選的，但不是必須的。
在實(shí)驗(yàn)中的粒子的尺寸是大約10-20微米。在另一個(gè)實(shí)驗(yàn)中可以將尺寸減小到小于10微米，優(yōu)選為小于5微米，最優(yōu)選為1-3微米?？紤]到IC產(chǎn)業(yè)中的小型化而進(jìn)行該減小。獲得高度歐姆接觸，而且導(dǎo)電性良好。
圖7以示意性橫截面視圖的方式顯示了根據(jù)本發(fā)明第二實(shí)施例的部件100。在該實(shí)例中，在鎳或銅金屬化物12上應(yīng)用本發(fā)明的焊料組合物13。在該實(shí)例中，使用本質(zhì)上已知的浸焊突起形成技術(shù)。鎳金屬化物12優(yōu)選地應(yīng)用于無(wú)電鍍處理中。這是一種無(wú)掩模處理，鎳金屬化物可以應(yīng)用小于40微米的非常小的間距而且可能為大約10微米。然后將基板30應(yīng)用到包含鋁焊盤(pán)24的載體20上。該載體20特別是一種包括半導(dǎo)體基板22、互連結(jié)構(gòu)28和鈍化層29的集成電路?？紤]到應(yīng)用了浸焊的焊料突起的高度較小，優(yōu)選地在鈍化層29上面提供在載體20的第一表面21上的焊盤(pán)24，例如在關(guān)于本質(zhì)上已知的有源處理的焊盤(pán)中。在這樣一種關(guān)于有源處理的焊盤(pán)中，通過(guò)垂直互連等將焊盤(pán)24改線(xiàn)連接到互連層25下面的一個(gè)鈍化層29。該實(shí)施例相比于傳統(tǒng)浸焊突起形成的優(yōu)勢(shì)在于不需要在載體20上應(yīng)用附加的金的金屬化物。其優(yōu)勢(shì)還在于可以提高分辨率，與金屬化物相反，可以在晶片制造中適當(dāng)?shù)貞?yīng)用在有源層24上的鋁焊盤(pán)24并作為標(biāo)準(zhǔn)處理的一部分。浸焊突起形成技術(shù)的優(yōu)勢(shì)在于可以無(wú)需實(shí)質(zhì)壓力的情況下來(lái)執(zhí)行焊接處理。因此能夠非常適當(dāng)?shù)嘏c有源上的焊盤(pán)結(jié)合，其通常不能耐高粘合壓力。盡管在這里沒(méi)有顯示，但是適當(dāng)?shù)赜锰畛鋭┏錆M(mǎn)在載體20與基板30之間的任何空間。在載體上沒(méi)有連接到對(duì)應(yīng)焊盤(pán)24的焊盤(pán)6和焊料突起13可以用來(lái)連接外部裝置或其他裝置。如本領(lǐng)域公知的，通過(guò)使用引線(xiàn)接合或倒裝芯片的方法適當(dāng)?shù)嘏c外部裝置連接?；?0可以包括一個(gè)集成電路，該集成電路包括例如晶體管的有源組件，另外也可以是一種包括電容器、電阻器、電感器和可選的二極管的無(wú)源芯片。
圖8以示意性橫截面視圖的方式顯示了本發(fā)明的焊料組合物的另一種應(yīng)用。在此，焊料組合物13用于焊接半導(dǎo)體裝置30的背部與載體20的散熱器200。特別地，半導(dǎo)體裝置30包括一個(gè)硅基板1作為支撐晶片。另外，它可以包括另一種例如氧化物、氮化物或甚至硅化物的材料的埋置層和/或包括SiGe、SiC和III-V材料的另一種材料層。后面的材料可以外延生長(zhǎng)。令人驚訝的是發(fā)現(xiàn)本發(fā)明的焊料組合物13對(duì)硅具有良好的粘著力。在第一實(shí)例中，在共熔的錫-鉍焊料基礎(chǔ)上使用焊料組合物13。具有更高熔點(diǎn)的焊料可以獲得類(lèi)似的結(jié)果，例如錫-銀-銅、錫-銀和錫-銅合金。如圖所示，裝置30具有互連結(jié)構(gòu)8，在其頂層上定義了焊盤(pán)6。這些通過(guò)在裝置30的上部32處存在的鈍化層9中的孔暴露的焊盤(pán)6具有金屬化物12，通常被稱(chēng)為是在突起之下的金屬化物(UBM)并帶有導(dǎo)電連接，在此情況下為引線(xiàn)接合33。引線(xiàn)接合33連接到接觸墊201、202，其為載體20的一部分。在該實(shí)例中，載體20是HVQFN類(lèi)型的引線(xiàn)框架。通過(guò)任何傳統(tǒng)材料(例如環(huán)氧材料)的密封40來(lái)保護(hù)該部件。
權(quán)利要求
1.一種焊料組合物，其中分散一種熱力亞穩(wěn)定合金的粒子，該合金包括這樣一種元素，一旦對(duì)包含金屬氧化物的表面應(yīng)用該組合物，該元素就形成與所述表面的金屬混合的金屬間化合物。
2.按照權(quán)利要求1所述的組合物，其特征在于從錫、鋅、銦、鋁和鉍的組中選擇對(duì)表面起反應(yīng)的合金元素。
3.按照權(quán)利要求2所述的組合物，其特征在于起反應(yīng)的元素為錫，而且焊料組合物包括錫。
4.按照前面任何一個(gè)權(quán)利要求所述的組合物，其特征在于分散的粒子占0.1到90％的重量濃度，而且優(yōu)選為占0.5到60％的重量濃度。
5.按照前面任何一個(gè)權(quán)利要求所述的組合物，其特征在于擴(kuò)散的粒子的平均直徑為0.5到80μm，優(yōu)選在1和20μm之間。
6.一種通過(guò)焊料組合物在第一基板的焊接區(qū)與第二基板的焊接區(qū)之間制造導(dǎo)電連接的方法，包括以下步驟在第一基板的焊接區(qū)上面提供焊料組合物；組合第一和第二基板，使得該焊料組合物夾在所述第一基板的焊接區(qū)和第二基板的焊接區(qū)之間，以及通過(guò)加熱焊料組合物來(lái)提供導(dǎo)電連接，其特征在于所述第一和第二基板的焊接區(qū)中的第一焊接區(qū)包括一個(gè)合金金屬和對(duì)應(yīng)的氧化物層；應(yīng)用一種焊料組合物，在該焊料組合物中擴(kuò)散一種熱力亞穩(wěn)定合金的粒子，該合金包括一種將形成與第一焊接區(qū)的合金金屬混合的金屬間化合物的元素。
7.按照權(quán)利要求6所述的方法，其中第一焊接區(qū)的合金金屬為鋁。
8.按照權(quán)利要求6或7所述的方法，其中焊接區(qū)被限定為焊盤(pán)，第一焊接區(qū)在第一基板上，第二基板上的第二焊接區(qū)包括一個(gè)變厚的頂層，該頂層將形成帶有該焊料組合物的合金。
9.按照權(quán)利要求6所述的方法，其中提供權(quán)利要求1到5中任一項(xiàng)所述的焊料組合物。
10.一種帶有焊接區(qū)的基板，在該焊接區(qū)上存在一層如權(quán)利要求1到5中任一項(xiàng)所述的焊料組合物。
11.按照權(quán)利要求10所述的基板，其中焊料組合物層是液滴狀。
12.按照權(quán)利要求10所述的基板，其特征在于基板是集成電路的一部分。
13.一種包括第一和第二基板的部件，通過(guò)在第一區(qū)上的導(dǎo)電焊料連接使第一和第二基板的表面相互連接，其特征在于在第一區(qū)和該焊料連接中的至少一個(gè)的接口上存在一個(gè)包括金屬間化合物的粘附層，所述金屬間化合物包括一種存在于第一區(qū)內(nèi)的元素和一種來(lái)源于焊料組合物的合金元素。
14.按照權(quán)利要求13所述的部件，其特征在于在所述焊料連接中擴(kuò)散一種熱力亞穩(wěn)定合金的粒子，金屬間化合物的合金元素來(lái)源于熱力亞穩(wěn)定合金。
15.按照權(quán)利要求13所述的部件，其中第一基板包括一個(gè)集成電路，第一區(qū)被限定為作為焊盤(pán)識(shí)別的區(qū)域。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種焊料組合物，其包括一種熱力亞穩(wěn)定合金的粒子。該合金中的一種元素將形成與金屬表面混合的金屬間化合物。該焊料組合物特別適用于形成半導(dǎo)體裝置的突起。
文檔編號(hào)B23K35/28GK1960832SQ200580017108
公開(kāi)日2007年5月9日 申請(qǐng)日期2005年5月11日 優(yōu)先權(quán)日2004年5月27日
發(fā)明者N·J·A·范維恩, M·H·比格拉里 申請(qǐng)人:皇家飛利浦電子股份有限公司, 馬特－科技有限公司