專利名稱：焊料凸點(diǎn)的無(wú)助焊劑制作工藝的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及半導(dǎo)體制造中的封裝方法，特別是涉及一種凸點(diǎn)的無(wú)助焊劑制作方法。
背景技術(shù)：
雖然倒裝芯片技術(shù)已經(jīng)具有30年的歷史，但是開(kāi)始量產(chǎn)只有幾年。基板技術(shù)和材料技術(shù)開(kāi)發(fā)的發(fā)展已經(jīng)加速了采用高級(jí)封裝技術(shù)。終端客戶對(duì)更復(fù)雜和更多功能的器件的封裝要求繼續(xù)快速增長(zhǎng)。隨著這種增長(zhǎng)帶來(lái)了對(duì)更復(fù)雜和更多功能器件封裝的需求。最早的高級(jí)封裝技術(shù)是晶片凸點(diǎn)的應(yīng)用，其是以凸點(diǎn)或球的形式將焊接應(yīng)用于晶片級(jí)器件。晶片凸點(diǎn)取代了金屬線連接作為用于組件數(shù)量增長(zhǎng)的互連的選擇。晶片凸點(diǎn)的應(yīng)用是受性能、波形因數(shù)或陣列互連需要的驅(qū)動(dòng)。典型的電鍍焊料凸點(diǎn)制作流程如圖2所示，包括凸點(diǎn)下金屬淀積、涂光刻膠和曝光、顯影、電鍍、凸點(diǎn)下金屬刻蝕、涂助焊劑、再回流、去除助焊劑等。在該流程中，首先用于焊料凸點(diǎn)著陸的焊盤2被定義在晶片1上和用電介質(zhì)層4隔離以后，凸點(diǎn)下的金屬層5通過(guò)均厚膜淀積形成，如圖1A所示。然后形成光刻膠層6，如圖1B所示。然后在該焊盤2上光刻產(chǎn)生通孔，如圖1C所示。電化學(xué)淀積到開(kāi)口區(qū)域制作電鍍的焊料凸點(diǎn)7，如圖1D所示。去除光刻膠層，并以電鍍的焊料凸點(diǎn)為掩?？涛g凸點(diǎn)下的金屬層，如圖1E所示。在焊料凸點(diǎn)上有一層高熔點(diǎn)的氮化鈦氧化物層，因?yàn)樵摰佈趸飳酉拗坪噶贤裹c(diǎn)的流動(dòng)，而且嚴(yán)重阻礙焊料對(duì)臨近連接表面的潤(rùn)濕，因此需要去除。為了去除覆蓋在焊料凸點(diǎn)上的高熔點(diǎn)氮化鈦氧化物，通常在焊料結(jié)構(gòu)上淀積一層助焊劑，然后對(duì)焊料凸點(diǎn)在爐管回流工藝中進(jìn)行再回流，形成焊料球71，如圖1F所示。但是助焊劑的應(yīng)用不僅需要額外的應(yīng)用步驟、額外的制程設(shè)備，而且需要后續(xù)的清洗步驟以去除助焊劑殘留物。助焊劑殘留物與錫鉛共金結(jié)合還存在影響環(huán)境的危險(xiǎn)。
這種方法形成的焊料凸點(diǎn)還容易產(chǎn)生孔洞。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是解決上述問(wèn)題，提供一種在制作導(dǎo)電的焊料凸點(diǎn)時(shí)不用傳統(tǒng)助焊劑的制作工藝。
本發(fā)明還有一個(gè)目的是提供沒(méi)有孔洞的焊料球凸點(diǎn)。
本發(fā)明的焊料凸點(diǎn)的無(wú)助焊劑制作方法，包括在接觸焊盤上淀積一層電介質(zhì)層；形成凸點(diǎn)下金屬層；形成光刻膠層和部分開(kāi)口以形成通孔圖案于接觸焊盤上；將焊料填充入所述通孔中；去除光刻膠層；以焊料凸點(diǎn)為掩?？涛g凸點(diǎn)下金屬層；在真空反應(yīng)腔中去除凸點(diǎn)上的氧化物層；在真空反應(yīng)腔中回流焊料凸點(diǎn)。
根據(jù)本發(fā)明的凸點(diǎn)上氧化物是高熔點(diǎn)氮化鈦氧化物。
根據(jù)本發(fā)明的焊料是共晶體、無(wú)鉛焊料或高鉛焊料。無(wú)鉛焊料是如錫銀焊料。
根據(jù)本發(fā)明，是用酸還原去除氧化物，其步驟包括氮?dú)馔ㄈ胙b有酸的起泡器；酸被氮?dú)鈹y帶進(jìn)入反應(yīng)腔；在反應(yīng)腔中酸與覆蓋在凸點(diǎn)上的氧化物發(fā)生反應(yīng)。
其中，所述的酸是檸檬酸、草酸或酒石酸。通入氮?dú)饬恐辽贋?標(biāo)準(zhǔn)升每分鐘(slm)。較好是氮?dú)饬繛?～8標(biāo)準(zhǔn)升每分鐘(slm)。所述的酸的攜帶量為少于5體積％。較好是酸的攜帶量為2～3體積％。
根據(jù)本發(fā)明，去除氧化物的真空反應(yīng)腔的真空度在10到20豪托(mtorr)。
根據(jù)本發(fā)明，用氫氣與惰性氣體的混合氣體還原去除所述氧化物，其步驟包括將氫氣和惰性氣體的混合物通入反應(yīng)腔中；
在真空反應(yīng)腔中氫氣與所述凸點(diǎn)上的氧化物進(jìn)行還原反應(yīng)。
其中，所述的氣體混合物中氫氣含量為5體積％。所述的真空反應(yīng)腔的真空度為10到20豪托(mtorr)。
根據(jù)本發(fā)明，焊料凸點(diǎn)的再回流在真空反應(yīng)腔中進(jìn)行，其真空度為10到20豪托(mtorr)。
本發(fā)明的無(wú)助焊劑制作方法，可以提供沒(méi)有孔洞的焊料凸點(diǎn)。本發(fā)明的方法適合應(yīng)用于導(dǎo)電性焊料凸點(diǎn)的制作，可以設(shè)置于芯片封裝襯底上的錫球陣列封裝中。該方法不僅采用完全沒(méi)有助焊劑的組合物形成而且也不用任何助焊劑清洗溶劑，而且省去了在襯底上電鍍導(dǎo)電的焊料凸點(diǎn)時(shí)通常采用的助焊劑設(shè)備和清洗助焊劑設(shè)備。


下面結(jié)合附圖詳細(xì)介紹本發(fā)明。然而需要注意的是，這些附圖只是用來(lái)說(shuō)明本發(fā)明的典型實(shí)施例，而不構(gòu)成為對(duì)本發(fā)明的任何限制，在不背離本發(fā)明的構(gòu)思的情況下，可以具有其他更多等效實(shí)施例。而本發(fā)明的保護(hù)范圍由權(quán)利要求書(shū)決定。
圖1A～1F表示現(xiàn)有技術(shù)的典型的焊料凸點(diǎn)的形成過(guò)程的截面示意圖。
圖2表示現(xiàn)有技術(shù)的典型的焊料凸點(diǎn)的制作工藝流程的示意圖。
圖3表示本發(fā)明的焊料凸點(diǎn)的無(wú)助焊劑制作工藝流程的示意圖。
圖4表示本發(fā)明的氧化物去除反應(yīng)腔的工作流程示意圖。
圖5表示本發(fā)明的再回流反應(yīng)腔的工作流程示意圖。
圖6表示本發(fā)明的無(wú)助焊劑制作工藝獲得的無(wú)孔焊料凸點(diǎn)的X射線檢測(cè)結(jié)果。
圖7表示顯微鏡下觀察到的本發(fā)明的焊料凸點(diǎn)的剪切模式圖。
圖8表示顯微鏡下觀察到的具有孔洞的焊料凸點(diǎn)的剪切模式圖。
附圖標(biāo)記說(shuō)明1晶片2焊盤3鈍化層 4電介質(zhì)層5凸點(diǎn)下金屬 6光刻膠
61光刻膠圖案7焊料71焊料球具體實(shí)施方式
本發(fā)明的無(wú)助焊劑制作方法，可以提供沒(méi)有孔洞的焊料凸點(diǎn)。本發(fā)明的方法適合應(yīng)用于導(dǎo)電性焊料凸點(diǎn)的制作，可以設(shè)置于芯片封裝襯底上的錫球陣列封裝中。該方法不僅采用完全沒(méi)有助焊劑的組合物形成而且也不用任何助焊劑清洗溶劑，因此省去了在襯底上電鍍導(dǎo)電的焊料凸點(diǎn)時(shí)通常采用的助焊劑設(shè)備和清洗助焊劑設(shè)備。
本發(fā)明的無(wú)助焊劑制作過(guò)程包括兩個(gè)反應(yīng)腔，氧化物去除反應(yīng)腔和再回流反應(yīng)腔，適用于所有焊料凸點(diǎn)的應(yīng)用，如共晶體(63錫37鉛)、無(wú)鉛、高鉛和超低alpha焊料凸點(diǎn)。
在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，按照如圖3所示流程進(jìn)行無(wú)助焊劑凸點(diǎn)的制作，而本發(fā)明的焊料凸點(diǎn)的形成過(guò)程也可參考圖1A～1F。首先如圖1A所示，在形成有鋁接觸焊盤2、鈍化層3、電介質(zhì)層4的芯片1上，電鍍形成凸點(diǎn)下金屬5，如錫鉛；然后如圖1B所示，形成光刻膠層6，并部分開(kāi)口以形成通孔圖案于接觸焊盤2上，如圖1C所示；淀積一焊料7(如錫鉛合金)填充于所述通孔中，如圖1D所示；去除光刻膠61，并以該焊料凸點(diǎn)7為掩?？涛g掉凸點(diǎn)下金屬5，如圖1E所示；其中，在焊料凸點(diǎn)7上，由于錫鉛氧化層覆蓋有氮化鈦氧化物層，其阻止焊料的流動(dòng)，需要去除掉。
圖4所示是本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的氧化物去除反應(yīng)腔的示意框圖。其中，包括真空反應(yīng)腔，其內(nèi)部設(shè)置有氣體分配板、真空前置線(vacuumforeline)(用于抽真空)、氣體控制板以及酸起泡器(未示出)。
在一個(gè)實(shí)施例中，至少5標(biāo)準(zhǔn)升每分鐘(slm)，優(yōu)選為5～8標(biāo)準(zhǔn)升每分鐘(slm)的氮?dú)鈧魉屯ㄟ^(guò)檸檬酸起泡器，攜帶約少于5％(2～3％)的檸檬酸、草酸或酒石酸，優(yōu)選為用檸檬酸，然后與氮?dú)?多于2slm)混合，進(jìn)入反應(yīng)腔。其中氧化物的還原過(guò)程是MeO+CxHxO(COOH)x→Me(COOH)+H2OMe(COOH)→Me+CO2+H2
式中的MeO是金屬氧化物。在金屬氧化物還原制程以后，將晶片傳送到如圖5所示的再回流反應(yīng)腔中。
在另一個(gè)實(shí)施例中，氧化物去除制程還可以結(jié)合氫氣(5％)和氦氣。用具有1mm均勻開(kāi)孔的氣體分配板將氣體均勻分配到晶片上。該制程是在10到20豪托(mtorr)的真空環(huán)境下進(jìn)行。其中氧化物的還原過(guò)程是MeO+H2→Me+H2O式中的MeO是金屬氧化物。在金屬氧化物還原制程以后，將晶片傳送到如圖5所示的再回流反應(yīng)腔中。
圖5是本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的再回流反應(yīng)腔的示意框圖。其中，包括真空反應(yīng)腔，其中設(shè)置有加熱臺(tái)、前置真空線(vacuum foreline)，以及氣體控制板。
在一個(gè)實(shí)施例的再回流過(guò)程中，5～10slm的氮?dú)鈧魉偷皆倩亓鞣磻?yīng)腔中，其加熱溫度根據(jù)再回流溫度進(jìn)行設(shè)定，即無(wú)鉛焊料的回流溫度在200～260℃，共晶體焊料回流溫度在150～200℃。整個(gè)再回流制程在10mtorr到20mtorr的真空環(huán)境下進(jìn)行，該過(guò)程可以有效去除焊料中的氣泡，可以確保無(wú)孔洞的產(chǎn)品。
圖6是應(yīng)用X射線對(duì)本發(fā)明的焊料凸點(diǎn)進(jìn)行孔洞監(jiān)測(cè)的結(jié)果?？梢钥闯觯噶贤裹c(diǎn)的表面光滑無(wú)缺陷可見(jiàn)，說(shuō)明在上述再回流過(guò)程中氣泡從焊料中已經(jīng)被趕出。
可靠性數(shù)據(jù)(高溫儲(chǔ)存168小時(shí))還顯示共晶體和無(wú)鉛焊料凸點(diǎn)都滿足要求，而且該數(shù)據(jù)與應(yīng)用典型焊料制程的數(shù)據(jù)等同。無(wú)鉛和共晶體的剪切力規(guī)格都是大于35.4克/凸點(diǎn)；而無(wú)鉛焊料和共晶體焊料在可靠性測(cè)試后的剪切力規(guī)格是37.4克/凸點(diǎn)和43.6克/凸點(diǎn)。
本發(fā)明還提供一種光亮、無(wú)氧化物的焊料凸點(diǎn)，而不需要用助焊劑和去除助焊劑過(guò)程。
圖7是將無(wú)助焊劑制程應(yīng)用于共晶體凸點(diǎn)得到的凸點(diǎn)外觀圖，該共晶體的組成通過(guò)Thermal Noran XRF測(cè)定，結(jié)果錫Sn(63±-5)，鉛Pb(37±-5)。
圖8是具有孔洞的焊料凸點(diǎn)外觀圖。其測(cè)定的組成是(Sn63.5％，Pb36.5％)，剪切力規(guī)格是32.5克/凸點(diǎn)。
本發(fā)明不用助焊劑和去除助焊劑制程步驟，可以極大地降低操作成本(包括間接材料，化學(xué)品成本)，對(duì)于共晶體、高鉛和無(wú)鉛焊料可以降低成本至少80％。對(duì)于超低alpha焊料凸點(diǎn)的應(yīng)用約可降低30％。而且，整個(gè)周期將降低至少150％(對(duì)于凸點(diǎn)下金屬刻蝕以后的制程步驟，可以降低20WPH到50WPH)。因?yàn)椴挥弥竸┖腿コ竸┑幕瘜W(xué)溶劑而沒(méi)有化學(xué)廢棄物，因此該無(wú)助焊劑焊料凸點(diǎn)制作方法還提供環(huán)境友好的制程。
雖然以上所述是針對(duì)本發(fā)明的實(shí)施例，但本發(fā)明的其它及進(jìn)一步的實(shí)施例可以在不背離其基本范圍之下設(shè)計(jì)出，而其保護(hù)范圍是由權(quán)利要求書(shū)的范圍決定。
權(quán)利要求
1.一種焊料凸點(diǎn)的無(wú)助焊劑制作方法，包括在接觸焊盤上淀積一層電介質(zhì)層；形成凸點(diǎn)下金屬層；形成光刻膠層和部分開(kāi)口以形成通孔圖案于接觸焊盤上；將焊料填充入所述通孔中；去除光刻膠層；以焊料凸點(diǎn)為掩?？涛g凸點(diǎn)下金屬層；在真空反應(yīng)腔中去除凸點(diǎn)上的氧化物層；在真空反應(yīng)腔中回流焊料凸點(diǎn)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的焊料凸點(diǎn)的無(wú)助焊劑制作方法，其特征在于，所述的凸點(diǎn)上氧化物是高熔點(diǎn)氮化鈦氧化物。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的焊料凸點(diǎn)的無(wú)助焊劑制作方法，其特征在于，所述的焊料是共晶體、無(wú)鉛焊料、高鉛焊料。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的焊料凸點(diǎn)的無(wú)助焊劑制作方法，其特征在于，所述的無(wú)鉛焊料是錫銀焊料。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的焊料凸點(diǎn)的無(wú)助焊劑制作方法，其特征在于，所述的去除氧化物是用酸還原，其步驟包括氮?dú)馔ㄈ胙b有酸的起泡器；酸被氮?dú)鈹y帶進(jìn)入反應(yīng)腔；在反應(yīng)腔中酸與覆蓋在凸點(diǎn)上的氧化物發(fā)生反應(yīng)。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的焊料凸點(diǎn)的無(wú)助焊劑制作方法，其特征在于，所述的酸是檸檬酸、草酸、酒石酸。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的焊料凸點(diǎn)的無(wú)助焊劑制作方法，其特征在于，所述的氮?dú)馔ㄈ肓恐辽贋?標(biāo)準(zhǔn)升每分鐘(slm)。
8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的焊料凸點(diǎn)的無(wú)助焊劑制作方法，其特征在于，所述的氮?dú)馔ㄈ肓繛?～8標(biāo)準(zhǔn)升每分鐘(slm)。
9.根據(jù)權(quán)利要求5所述的焊料凸點(diǎn)的無(wú)助焊劑制作方法，其特征在于，所述的酸的攜帶量為少于5體積％。
10.根據(jù)權(quán)利要求5所述的焊料凸點(diǎn)的無(wú)助焊劑制作方法，其特征在于，所述的酸的攜帶量為2～3體積％。
11.根據(jù)權(quán)利要求1或5所述的焊料凸點(diǎn)的無(wú)助焊劑制作方法，其特征在于，去除氧化物真空反應(yīng)腔的真空度在10到20豪托(mtorr)。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的焊料凸點(diǎn)的無(wú)助焊劑制作方法，其特征在于，用氫氣與惰性氣體的混合氣體還原去除所述氧化物，其步驟包括將氫氣和惰性氣體的混合物通入反應(yīng)腔中；在真空反應(yīng)腔中氫氣與所述凸點(diǎn)上的氧化物進(jìn)行還原反應(yīng)。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的焊料凸點(diǎn)的無(wú)助焊劑制作方法，其特征在于，所述的氣體混合物中氫氣含量為5體積％。
14.根據(jù)權(quán)利要求1或12所述的焊料凸點(diǎn)的無(wú)助焊劑制作方法，其特征在于，去除氧化物真空反應(yīng)腔的真空度為10到20豪托(mtorr)。
15.根據(jù)權(quán)利要求1所述的焊料凸點(diǎn)的無(wú)助焊劑制作方法，其特征在于，所述的再回流反應(yīng)腔的真空度為10到20豪托(mtorr)。
全文摘要
一種焊料凸點(diǎn)的無(wú)助焊劑制作方法，包括在接觸焊盤上淀積一層電介質(zhì)層；形成凸點(diǎn)下金屬層；形成光刻膠層和部分開(kāi)口以形成通孔圖案于接觸焊盤上；將焊料填充入所述通孔中；去除光刻膠層；以焊料凸點(diǎn)為掩?？涛g凸點(diǎn)下金屬層；在真空反應(yīng)腔中去除凸點(diǎn)上的氧化物層；在真空反應(yīng)腔中回流焊料凸點(diǎn)。該方法可以提供沒(méi)有孔洞的焊料凸點(diǎn)，而且省去了在襯底上電鍍導(dǎo)電的焊料凸點(diǎn)時(shí)通常采用的助焊劑設(shè)備和清洗助焊劑設(shè)備。該方法適合應(yīng)用于導(dǎo)電性焊料凸點(diǎn)的制作，可以設(shè)置于芯片封裝襯底上的錫球陣列封裝中。
文檔編號(hào)H01L21/60GK101026106SQ20061002413
公開(kāi)日2007年8月29日 申請(qǐng)日期2006年2月24日 優(yōu)先權(quán)日2006年2月24日
發(fā)明者張璋炎, 蔣瑞華 申請(qǐng)人:中芯國(guó)際集成電路制造(上海)有限公司