CN103187324A - 一种焊点制备方法及其结构 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种焊点制备方法及其结构，该方法包括以下步骤：步骤一，在硅片(1)正面溅射金属层(2)，作为电镀种子层；步骤二，在所述金属层(2)上涂光刻胶(3)并前烘；步骤三，图形化光刻胶并后烘；步骤四，使用图形化光刻胶做掩膜，电镀铜以形成铜层，直到该铜层的厚度超过光刻胶层的厚度，并形成伞状铜柱结构（4）；步骤五，继续使用光刻胶(3)做掩膜，电镀锡以形成包裹伞状铜柱结构（4）的锡层（5）；步骤六，回流，形成包含该伞状铜柱的焊点结构。本发明提供的焊点结构具有成本低，剪切力、热机械可靠性高的特点。

Description

一种焊点制备方法及其结构
技术领域
本发明专利涉及一种焊点制备方法及其结构，应用于使用焊点的倒装焊、芯片尺寸封装等电子封装技术领域。
背景技术
电子封装技术中，使用焊球的倒装焊等封装形式，它区别于传统的封装形式的特点是通过焊点连接芯片和基板，而不是使用金属线连接。这种区别使倒装焊能够提供良好的电连接等性能，具有较高的封装密度。
倒装焊使用焊球回流的方法连接芯片和基板。传统的封装形式，使用外力等将金属线键合在芯片上，这种外力有可能损坏芯片中的连线或电路，从而引起失效。而倒装焊使用回流的方法，不施加这种外力，从而减小了这种失效的可能性。焊球在倒装焊中广泛使用。
通常，焊球主要由金属材料制得。常用的金属材料有Sn、Ag、Cu，有时会添加少量的稀土元素等其它材料来提高焊球的性能。
由于铜有较高的熔点，远高于回焊之温度，因此在回焊过程中铜核不会熔融，并且在固态时可抗任何变形的情况，因此可精确地控制焊点高度和共平面性。此外，相较于普遍的共晶焊料，铜亦具有优越的电性与热传等性质。因此，为因应未来提升BGA焊点可靠度更严苛之要求，使用铜核焊锡球可能是有效的方法之一。
在界面反应的研究中，铜核焊锡球焊点制作需做二次回焊处理。铜核焊锡球为一种复合式的焊锡球，它的内部是铜球，而焊料包覆于外层。而铜核将使用三种不同尺寸来做为焊接。在铜核焊锡球中，外层的焊料部份采用共晶锡铅焊料。在回焊焊接后，试样将经过120℃、160℃、175℃下，热处理时间从24到960小时。回焊后，于共晶锡铅焊点中，界面上只有Ni3Sn4生成，然后经固态热处理期间，则有(AuxNi1-x)Sn4回聚于界面上。在铜核焊锡球焊点中，有四种金属间化合物生成，其中Cu3Sn和(Cu1-p-qAupNiq)6Sn5生成于铜核/焊料界面上，而Ni3Sn4和(Cu1-x-yAuxNiy)6Sn5生成于焊料/镍层界面上。由此可知，铜核加入BGA焊料内，可有效抑止(AuxNi1-x)Sn4的回聚，并且生成(Cu1-x-yAuxNiy)6Sn5进而取代之。锡铅焊锡球和铜核焊锡球焊点的金属间化合物成长情况大致上遵循抛物线定律。另外，再利用金属间化合物厚度与热处理时间，计算出各焊点的成长速率常数和活化能。
在机械性质的研究中，锡铅焊锡球与铜核焊锡球的剪切与拉伸焊点强度会随着固态热处理的时间增加而有下降趋势，但铜核焊点中强度下降速率较为缓慢。此外，铜核尺寸的大小对于焊点强度并没有明显之趋势。由剪切与拉伸试验也得知，铜核焊锡球焊点比锡铅焊锡球焊点有较好之强度。
发明内容
本发明的目的在于提供一种焊点制备方法及其结构，用于使焊点和芯片具有更好的连接可靠性。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种焊点制备方法，该方法包括以下步骤：
步骤一，在硅片正面溅射金属层，作为电镀种子层；
步骤二，在所述金属层上涂光刻胶并前烘；
步骤三，图形化光刻胶并后烘；
步骤四，使用图形化光刻胶做掩膜，电镀铜以形成铜层，直到该铜层的厚度超过光刻胶层的厚度，并形成伞状铜柱结构；
步骤五，继续使用图形化光刻胶做掩膜，电镀锡以形成包裹伞状铜柱结构的锡层；
步骤六，回流，形成包含该伞状铜柱的焊点结构。
优选地，所述步骤二中光刻出的图形为圆孔形。
优选地，所述金属层的材料包括但不限于TiW/Cu、Ti/Cu、Ti/Cu/Ni、Al/Ni/Au、Ti/Ni/Au、Al/Ni/Au。
本发明还提供一种焊点结构，该焊点结构包括硅片、位于该硅片上的图形化金属层，该焊点结构还包括位于该图形化金属层上的伞状铜柱结构以及包裹所述伞状铜柱结构的锡层。
优选地，所述伞状铜柱结构包括圆柱状支撑部以及位于该支撑部上的伞状头部。
本发明提到的包含伞状铜柱的焊点结构是使用光刻胶做掩膜电镀铜，电镀完掩膜内的空间后继续进行电镀，从而形成伞状铜柱结构。伞状铜柱上的锡层是电镀铜完成后，使用电镀铜的掩膜继续电镀锡，电镀锡结构后回流形成包含伞状铜柱核的焊点结构。
本发明专利使用电镀方法，具有成本低、可靠性高的特点。
附图说明
图1a-1f为本发明焊点制备方法流程示意图。
元件标号说明
硅片    1
金属层  2
光刻胶        3
伞状铜柱结构  4
锡层          5
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
请参阅图1a-1f所示。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
如图1a-1f所示，本发明提供一种焊点制备方法，具体包括以下步骤：
第一步，在硅圆片1正面溅射金属层2，作为电镀种子层。如图1a所示。所述金属可以为金属或金属复合层，例如TiW/Cu、Ti/Cu、Ti/Cu/Ni、Al/Ni/Au、Ti/Ni/Au、Al/Ni/Au。
第二步，在金属层2上涂光刻胶3并前烘。如图1b所示。
第三步，在光刻胶3光刻出图形，并后烘。光刻出的图形可以为周期性排列的圆孔形。如图1c所示。
第四步，使用图形化光刻胶做掩膜，在圆孔内电镀铜，形成铜层，直到该铜层的厚度超过光刻胶的厚度，形成伞状铜柱结构4。如图1d所示。
第五步，继续使用光刻胶做掩膜，电镀锡(或银)，形成包裹伞状铜柱结构4的锡层(或银层)5。如图1e所示。
第六步，回流锡球，形成包含伞状铜柱的焊点结构。如图1f所示。
本发明还包括一种包含伞状铜柱核的焊点结构，包括硅圆片1、溅射于硅圆片1正面的用于将来制作图形的金属层2、金属层2上的伞状铜柱4以及伞状铜柱4上包裹的锡5。
所述伞状铜柱结构4包括圆柱状支撑部以及位于该支撑部上的伞状头部。该圆柱状支撑部的高度大于等于所述金属层2的高度(厚度)。
本发明提到的包含伞状铜柱的焊点结构是使用光刻胶做掩膜电镀铜，电镀完掩膜内的空间后继续进行电镀，从而形成伞状铜柱结构。伞状铜柱上的锡层是电镀铜之后，使用电镀铜的掩膜继续电镀锡，电镀锡结构后回流形成包含伞状铜柱核的焊点结构。
本发明采用了铜柱做内核，在铜柱外回流锡球包裹该铜柱，形成具有铜柱核的焊点结构。铜柱核通常为圆柱形，由于铜出色的热、电性能，这种包含铜柱的焊点结构具有较高的连接可靠性，热学、电学性能。
综上所述，本发明使用的焊点制备方法，具有成本低、可靠性高的特点。有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (5)

1.一种焊点制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤一，在硅片(1)正面溅射金属层(2)，作为电镀种子层；
步骤二，在所述金属层(2)上涂光刻胶(3)并前烘；
步骤三，图形化光刻胶并后烘；
步骤四，使用图形化光刻胶做掩膜，电镀铜以形成铜层，直到该铜层的厚度超过光刻胶层的厚度，并形成伞状铜柱结构(4)；
步骤五，继续使用图形化光刻胶做掩膜，电镀锡以形成包裹伞状铜柱结构(4)的锡层(5)；
步骤六，回流，形成包含该伞状铜柱的焊点结构。
2.根据权利要求1所述的一种焊点制备方法，其特征在于，所述步骤二中光刻出的图形为圆孔形。
3.根据权利要求1所述的一种焊点制备方法，其特征在于，所述金属层(2)的材料包括但不限于TiW/Cu、Ti/Cu、Ti/Cu/Ni、Al/Ni/Au、Ti/Ni/Au、Al/Ni/Au。
4.一种焊点结构，该焊点结构包括硅片(1)、位于该硅片上的图形化金属层(2)，其特征在于：该焊点结构还包括位于该图形化金属层(2)上的伞状铜柱结构(4)以及包裹所述伞状铜柱结构(4)的锡层(5)。
5.根据权利要求3所述的一种焊点结构，其特征在于，所述伞状铜柱结构(4)包括圆柱状支撑部以及位于该支撑部上的伞状头部。
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