CN101425489A - 微电子封装中焊料凸点连接金属化层及应用 - Google Patents
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Abstract
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铁镍镀层作为微电子封装中焊料凸点连接金属化(过渡)层及其应用。该发明可以广泛应用于微电子封装行业，特别适合于BGA等形式的高密度微互联技术，具体可以作为基板或印刷电路板上焊盘金属化层、芯片倒装焊互联中的凸点下金属化层等。本发明采用电镀的方法在铜(或镍)层上镀铁镍合金层，铁重量百分比为5－80％，该镀层厚度及铁元素含量可以根据要求调节。该镀层在与焊料凸点的液态反应中，表现出良好的可焊性能、抗氧化性能以及非常慢的反应速率。在较高温度条件下，镀层和焊料之间生成及其薄且平整的化合物层，并且镀层与焊料凸点的连接界面具有较好的力学可靠性能。
Description
技术领域
本发明涉及微电子封装领域的微互联技术，具体地说是可焊性良好的铁镍镀层作为微电子封装中焊料凸点连接金属化(过渡)层及其应用，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 bumpmetallization)。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(ballgridarray)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，当他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。在这种高的温度条件下，则会使金属化层与焊料反应速率加快，从而容易使金属化层被快速消耗掉，使其失去应有的功能。由于快速反应所生成的厚的金属间化合物层也将会严重降低连接的可靠性能。另外，如果接焊层完全被消耗掉，则可能出现严重的脆性断裂。
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铁镍镀层作为微电子封装中焊料凸点连接金属化(过渡)层及其应用，利用铁镍镀层作为焊料凸点连接金属化层，该镀层与焊料润湿性能良好；与焊料界面反应速度极慢；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。
为实现以上目的，本发明的技术方案如下：
微电子封装中焊料凸点连接金属化层，该金属化层为铁、镍元素共沉积的合金层，铁重量百分比为5-80％(优选范围为30-70％)，余量为镍及不可避免杂质。
所述的微电子封装中焊料凸点连接金属化层的应用，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合金，铁镍合金镀层作为微电子互联技术中焊料凸点连接金属化层。
本发明中，铁镍合金镀层可以作为BGA封装形式中基板和印刷电路板焊盘金属化层；或者，作为其他封装形式中的焊料凸点连接金属化层。
本发明中，铁镍合金镀层可以作为芯片倒装焊互联中的焊料凸点下金属化层或者基板焊盘金属化层。
本发明中，铁镍合金镀层用作最外层与焊料凸点直接连接。
本发明中，铁镍合金镀层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。
本发明中，铁镍合金镀层可以在常见的铜或镍金属层沉积；或者，在其他类型的过渡金属层上沉积。
本发明中，铁镍合金镀层的膨胀系数可以通过镀层中铁的含量进行调节，适用于不同要求的基体。
本发明具有如下优点：
1、本发明焊料在该镀层表面表现良好的润湿性能。因而，可以金属化层的外表面层直接与焊料反应。
2、本发明镀层与焊料间的界面反应速度非常慢。由于铁元素比镍元素容易与锡元素反应，生成极其薄而且平整的铁锡化合物层，能够起到扩散阻挡层的作用。
3、本发明镀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，铁镍/焊料连接界面保持与铜/焊料界面相当的剪切强度。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、本发明镀层可以通过调整镀层中铁的含量，得到不同热膨胀系数的镀层，从而能够与其他连接层的热膨胀系数相匹配，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，可适用于不同要求的基板材料。
5、本发明镀层采用的是电镀或化学镀的方法，工艺相对简单，适用性强。
6、本发明采用电镀的方法在铜(或镍)层上镀铁镍合金层，该镀层厚度及铁元素含量可以根据要求调节。该镀层在与焊料凸点的液态反应中，表现出良好的可焊性能、抗氧化性能以及非常慢的反应速率。在较高温度条件下，镀层和焊料之间生成极其薄且平整的化合物层，并且镀层与焊料凸点的连接界面具有较好的力学可靠性能。所以，该铁镍镀层非常适合作为焊料凸点连接金属化层，满足无铅焊接工艺中回流温度较高的需要。
7、本发明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或化学镀一层铁镍合金，其成分和电镀层厚度均可以根据实际要求进行调节。本发明所实现的镀层可以作为基板上和印刷电路板上焊盘金属化层，以及芯片倒装焊连接中焊料凸点下金属化层使用。
8、本发明铁镍合金镀层中的组成成分具有较大的可调节范围，其铁重量百分比为5-80％，余量为镍及不可避免杂质，其组成成分可以通过调整工艺条件进行控制。
9、本发明铁镍合金镀层具有优良的润湿性能及抗氧化性能，可用作为外表面层，还可以在其表面沉积金、铂、钯、锡及其合金等其他镀层。
10、本发明以铁镍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BGA(ball grid array)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下金属化层；6焊料凸点；7焊盘金属化层；8印刷电路板。
图2为铁镍镀层/锡银铜球形凸点连接体宏观截面图。
图3为铁镍镀层/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为铁镍镀层/锡银铜界面剪切以及铜/锡银铜界面剪切力随时效天数的变化曲线。
图7为铁镍镀层/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或化学镀一层铁镍合金，其成分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上的焊盘金属化层7，以及芯片4倒装焊连接中焊料凸点6的下金属化层5使用。如图2所示，铁镍镀层/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层，其成份为：铁57％，镍42％，其余为磷等不可避免杂质(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。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代表铁镍镀层；箭头所指部分为所生成的铁锡化合物层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4×10-6/℃，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/锡银铜焊料连接体，进行在170℃环境下不同天数时效，然后对其连接界面的剪切力进行测试。在焊料球被刮掉前所记录得到的最大力，即为连接体的剪切力。在相同的条件下，得到铜/锡银铜焊料的剪切力。图6显示了两种连接体剪切力随时效天数的变化曲线，图中SAC/Cu为锡银铜焊料连接体，SAC/Cu(Fe/Ni)为铁镍/锡银铜焊料连接体。铁镍/焊料连接体的剪切力接近甚至稍微高出铜/焊料的剪切力，并且随时效时间保持相对稳定。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，与一般的铜或镍的镀层相比，本发明铁镍镀层不仅具有良好的可焊性能，而且具有良好的界面反应性能。即使在较高的温度环境下，与焊料凸点的界面反应也极其缓慢。该镀层与焊料的连接界面也表现出较好的力学可靠性能。另外，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。所以，本发明非常适合作为微电子连接中基板或者印刷电路板焊盘的金属化层，以及芯片倒装焊连接中焊料凸点下金属化层。
实施例2
与实施例1不同之处在于，按重量百分含量计，铁镍层的成份为：铁30％，余量为镍及不可避免杂质，不可避免杂质的重量含量在1％以下。
实施例3
与实施例1不同之处在于，按重量百分含量计，铁镍层的成份为：铁40％，余量为镍及不可避免杂质，不可避免杂质的重量含量在1％以下。
实施例4
与实施例1不同之处在于，按重量百分含量计，铁镍层的成份为：铁50％，余量为镍及不可避免杂质，不可避免杂质的重量含量在1％以下。
实施例5
与实施例1不同之处在于，按重量百分含量计，铁镍层的成份为：铁70％，余量为镍及不可避免杂质，不可避免杂质的重量含量在1％以下。
实施例6
与实施例1不同之处在于，按重量百分含量计，铁镍层的成份为：铁80％，余量为镍及不可避免杂质，不可避免杂质的重量含量在1％以下。
实施例7
与实施例1不同之处在于，按重量百分含量计，铁镍层的成份为：铁15％，余量为镍及不可避免杂质，不可避免杂质的重量含量在1％以下。
实施例8
与实施例1不同之处在于，按重量百分含量计，铁镍层的成份为：铁5％，余量为镍及不可避免杂质，不可避免杂质的重量含量在1％以下。
实验结果表明，在本发明技术方案的范围内，铁镍合金镀层具有优良的润湿性能及抗氧化性能。本发明铁镍合金镀层中的组成成分具有较大的可调节范围，其铁重量百分比为5-80％(尤其是30-70％范围内更为适合，因为铁焊料过少，化合物生长就可能加快；铁过多(>70％)，润湿性能会有所下降)，余量为镍及不可避免杂质，其组成成分可以通过调整工艺条件进行控制。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电镀或化学镀一层铁镍合金，铁镍合金镀层作为微电子互联技术中焊料凸点连接金属化层。铁镍合金镀层可以作为BGA封装形式中基板和印刷电路板焊盘金属化层；或者，作为其他封装形式中的焊料凸点连接金属化层。铁镍合金镀层作为芯片倒装焊互联中的焊料凸点下金属化层或者基板焊盘金属化层。铁镍合金镀层还可以用作最外层与焊料凸点直接连接。铁镍合金镀层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。铁镍合金镀层可以在常见的铜或镍金属层沉积；或者，在其他类型的过渡金属层上沉积。本发明铁镍合金镀层的膨胀系数可以通过镀层中铁的含量进行调节，适用于不同要求的基体。
Claims (9)
1、微电子封装中焊料凸点连接金属化层，其特征在于：该金属化层为铁、镍元素共沉积的合金层，铁重量百分比为5-80％，余量为镍及不可避免杂质。
2、按照权利要求1所述的微电子封装中焊料凸点连接金属化层，其特征在于：铁重量百分比优选范围为30-70％。
3、按照权利要求1所述的微电子封装中焊料凸点连接金属化层的应用，其特征在于：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合金，铁镍合金镀层作为微电子互联技术中焊料凸点连接金属化层。
4、按照权利要求3所述的微电子封装中焊料凸点连接金属化层的应用，其特征在于：铁镍合金镀层作为BGA封装形式中基板和印刷电路板焊盘金属化层；或者，作为其他封装形式中的焊料凸点连接金属化层。
5、按照权利要求3所述的微电子封装中焊料凸点连接金属化层的应用，其特征在于：铁镍合金镀层作为芯片倒装焊互联中的焊料凸点下金属化层或者基板焊盘金属化层。
6、按照权利要求3所述的微电子封装中焊料凸点连接金属化层的应用，其特征在于：铁镍合金镀层用作最外层与焊料凸点直接连接。
7、按照权利要求3所述的微电子封装中焊料凸点连接金属化层的应用，其特征在于：铁镍合金镀层在表面另外沉积金、铂、钯、锡或其合金镀层，然后与焊料凸点进行连接。
8、按照权利要求3所述的微电子封装中焊料凸点连接金属化层的应用，其特征在于：铁镍合金镀层在常见的铜或镍金属层沉积；或者，在其他类型的过渡金属层上沉积。
9、按照权利要求3所述的微电子封装中焊料凸点连接金属化层的应用，其特征在于：铁镍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。
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