專利名稱：用于減少焊料中金屬間化合物形成的鎳合金薄膜的制作方法
技術領域：
本發明涉及用來減少在半導體器件電子封裝的電連接中采用的焊點中的金屬間化合物形成的方法。
在電子封裝中普遍存在著因焊點與通常用來覆蓋與焊料粘接的焊盤的鎳合金形成金屬間化合物而導致的問題。金屬間化合物是脆性材料，是微裂紋萌生源，并成為裂紋擴展以導致焊料互連早期破壞的擴展路徑。這一點嚴重阻礙了新生的BGA(球柵陣列)和CSP(芯片級封裝)技術的發展，這兩項技術對于半導體工業的持續發展是極其關鍵的。因此，減少焊點中的金屬間化合物的形成成為大量研究開發的目標。現有的抑制金屬間化合物生長的方法是限制焊點的熱暴露程度。由于主動的熱暴露如焊料重流工藝是不可避免的，所以上述限制常常是很不夠的。
在通常的焊點中，焊料將兩個焊盤浸潤以形成互連。焊盤通常是芯片或印刷電路板的電路構圖中的I／O位置。芯片中的線路是鋁，而對于印刷電路板是銅。現在的新的芯片金屬化工藝是用銅置換鋁。焊料浸潤層必須覆蓋焊盤表面。在熔化時，焊料與該層結合形成強的鍵合，這對于獲得高可靠性是必需的。由于焊料與鋁不結合，而銅易于氧化，焊盤需要確保可靠焊料鍵合的焊料浸潤層。只有有限的金屬具有可靠和持久的焊料浸潤性。在電子工業中最常用的金屬，是覆蓋有一薄層金的鎳。不能采用覆蓋金的銅，因為銅易于擴散穿過金而形成氧化層。因此，常規的銅焊盤，如
圖1A所示，在襯底1上具有覆蓋銅焊盤10的鎳層11，且具有覆蓋鎳的金層12。
鎳易于與錫形成金屬間化合物。電子工業中常用的焊料都包含錫。在重流工藝中焊料熔化以形成連接或焊點(如圖1B所示)時，用于保護的金會幾乎瞬時溶入熔化的焊料中，有時把金稱作“犧牲貴金屬”。鈀和鉑也可用作該保護膜。金溶解后，焊料15與鎳層11直接接觸，在一短時間的成核和長大后，開始形成鎳／錫金屬間化合物層14。已經發現，形成薄的金屬間化合物層(優選厚度小于1微米)對獲得強的焊料鍵合是必需的。但是，厚度繼續增加會導致焊點可靠性下降，尤其是采用的焊料體積相當小時，如在倒裝片和BGA應用中。
金屬間化合物的生長需要鎳原子的通過金屬間化合物層與錫原子相遇并反應以生成金屬間化合物的活動能力強。隨著金屬間化合物層厚度增加，由于原子必須擴散通過的路徑變長，其生長速度與時間呈拋物線下降。但是，這種生長速度的下降在金屬間化合物相當厚時(幾個微米)才發生。
限制金屬間化合物層增加的常規方法是限制焊點熱暴露的程度。這一點在許多應用中是不實際的，因為焊料必須經過多次重流工藝和芯片散熱導致的熱循環。
而且，本發明人已發現，用純金屬與焊料接觸不能提供減少金屬間化合物形成的有效環境。已知金屬間化合物的形成和生長是被形成金屬間化合物的鎳原子的擴散制約的。眾所周知，純鎳是良好的焊料浸潤材料，在與焊料接觸時可形成相當厚的金屬間化合物層。如上所述，形成的金屬間化合物層的厚度最好小于1微米。因此，為了僅形成薄的金屬間化合物層，最好形成有效的鎳原子擴散阻擋層以減慢金屬間化合物的生長。
本發明的提出正是為了滿足上述在焊盤上形成焊點時對減薄的金屬間化合物層的需要。
根據本發明，提供一種形成焊盤上的焊點的方法。其可大大減小因鎳與焊料接觸而形成的金屬間化合物層的厚度。該方法包括下列步驟在焊盤上提供鎳的第一層；提供覆蓋第一層的貴金屬的第二(優選為金)層；以及對第一層和第二層退火，由此在第一層和第二．層之間形成包含鎳和貴金屬的合金層。然后使第二層與熔融焊料(包含錫)接觸，使貴金屬溶入焊料，然后使焊料浸潤合金層，以在合金層和焊料之間形成包含鎳、貴金屬和錫的金屬間化合物層。
該方法具有許多重要的優點。最主要的是，它顯著降低形成金屬間化合物的速度，由此提高焊點的機械可靠性。該方法還消除了現有的對焊料重流工藝中的熱暴露施加的限制。
根據本發明的另一方面，提供一種形成焊盤上的焊點的方法，其中包括下列步驟在焊盤上淀積合金層，該合金包含鎳和從包括金、鈀和鉑的組中選擇的合金元素；在合金層上淀積金層以在焊盤上形成鎳合金／金結構；以及使鎳合金／金結構與熔融焊料(包含錫)接觸，使金溶入焊料，然后焊料浸潤合金層，以在合金層和焊料之間形成包含鎳、金和錫的金屬間化合物層。該鎳合金層和金層可通過電鍍法形成。
根據本發明的又一方面，提供一種焊點結構，其中焊料含有錫。該焊點結構包括在焊盤上淀積的鎳層；以及覆蓋鎳層的合金層。該合金層包含從鎳和從包括金、鈀和鉑的組中選擇的合金元素。該焊點結構還包括在焊料和合金層之間的金屬間化合物層，該金屬間化合物層包含鎳、合金元素和錫，且是通過焊料浸潤合金而形成。該合金層可通過對鎳層和合金元素層退火而獲得。
根據本發明的再一方面，提供一種焊點結構，其中包括在焊盤上淀積的合金層；以及在焊料和合金層之間的金屬間化合物層。該合金層可通過電鍍形成在焊盤上。該合金包含鎳和從包括金、鈀和鉑的組中選擇的合金元素，該金屬間化合物層包含鎳、合金元素和錫，且是通過焊料浸潤合金層而形成。
圖1A是具有常規Cu-Ni-Au結構的焊盤的示意圖；圖1B示出圖1A的焊盤在焊料重流工藝后形成了焊點，并示意表示了厚的金屬間化合物層的形成；圖2A示出根據本發明優選實施方案的焊盤結構，具有鎳層、退火形成的鎳合金層以及覆蓋銅的金；圖2B示意示出采用圖2A的結構時的焊料重流工藝中，導致形成金屬間化合物薄層的反應阻擋層效果；圖3A示出根據本發明的另一方案的焊盤結構，具有鎳合金層和用電鍍在銅盤上形成的金層；圖3B示出采用圖3A的結構時在焊料重流工藝中金屬間化合物薄層的形成。
本發明人的研究表明，焊接之前對Cu-Ni-Au合金體進行退火(或時效，或熱處理)可顯著減小金屬間化合物的形成速度，以致于在焊料滴浸10秒鐘后在放大1000倍的情況下幾乎觀察不到。這表明在時效過程中鎳-金合金的形成速度取決于溫度與時間。
圖2A示出本發明的優選實施方案。在退火以前，其焊盤結構與圖1A的相同，即在銅焊盤10的上面，金層12覆蓋鎳層11。退火工藝造成金和鎳的互擴散，導致在金層22和鎳層23之間形成有梯度的Ni-Au合金層23。合金層的厚度小于Ni層和Au層的原始厚度和。應當指出，退火后薄的金層22仍保留在結構的最上方，該層用來保護合金層。
發現在125℃下退火3周可形成圖2A所示的合金層。而且，基于已知的擴散特性，可以認為下列退火條件的組合是等效的125℃3周225℃2天275℃16小時325℃5小時375℃2小時因此，用375℃×2小時的退火工藝也可得到圖2A所示的結構。
在焊料重流工藝中，金層22溶入焊料25，從而使焊料浸潤鎳合金層23。之后的瞬間，鎳合金與焊料反應生成薄的金屬間化合物層24，其成分包括鎳、錫和金(見圖2B)。金屬間化合物層的繼續生長需要鎳擴散穿過金屬間化合物層。由于金屬間化合物層中合金元素(如金)的存在，這是很困難的。由此該金屬間化合物層成為反應阻擋層，結果使金屬間化合物生長速度下降。金屬間化合物層24的厚度小于1微米，如上所述，這對于獲得強的焊料鍵合是優選的。
作為替代方案，鎳合金／金結構可通過在銅焊盤上電鍍而獲得(見圖3A)。用常規方法在銅盤10上電鍍鎳合金層31。在電鍍之前，準備焊盤，用清洗液清洗以確保與電鍍層的良好結合。接著，用常規電鍍液電鍍鎳合金層31，然后電鍍金層32以保護鎳合金層31的表面。層31中采用的合金優選為鎳-金合金。由于金的原子大小與鎳的接近，其混合物形成具有均勻面心立方晶體結構的固溶體。其它的可用的合金包括鎳-鈀合金和鎳-鉑合金。優選的合金成分包含1～50原子％的合金元素。也可采用由鎳和另兩種元素的二元合金，上述的兩種元素可以是金、鈀或鉑。作為焊料重流工藝的結果，該結構形成薄的金屬間化合物層，如圖3B所示。薄的金層32溶在焊料35中，然后焊料浸潤合金層31，結果導致在焊料和合金層之間形成金屬間化合物層34。
雖然上面結合特定實施方案對本發明作了描述，很顯然基于上述描述，本領域技術人員可做出種種替換、改進和變更。因此，本發明意在涵蓋所有不超出本發明范圍和精神和后述權利要求書的替換、改進和變更。
權利要求
1．一種形成焊盤上的焊點的方法，包括下列步驟在焊盤上提供鎳的第一層；提供覆蓋第一層的貴金屬的第二層；對第一層和第二層退火，由此在第一層和第二層之間形成包含鎳和貴金屬的合金層；以及使第二層與包含錫的熔融焊料接觸，使貴金屬溶入焊料，然后使焊料浸潤合金層，以在合金層和焊料之間形成包含鎳、貴金屬和錫的金屬間化合物層。
2．如權利要求1所述的方法，其中所述貴金屬從包括金、鈀和鉑的組中選擇。
3．如權利要求1所述的方法，其中在不高于375℃的溫度下執行所述退火步驟。
4．如權利要求1所述的方法，其中所述接觸步驟包括焊料重流工藝。
5．一種形成焊盤上的焊點的方法，包括下列步驟在焊盤上淀積合金層，該合金包含鎳和從包括金、鈀和鉑的組中選擇的合金元素；在合金層上淀積金層以在焊盤上形成鎳合金／金結構；以及使鎳合金／金結構與包含錫的熔融焊料接觸，使金溶入焊料，然后焊料浸潤合金層，以在合金層和焊料之間形成包含鎳、金和錫的金屬間化合物層。
6．如權利要求5所述的方法，其中用電鍍工藝淀積所述合金層。
7．如權利要求5所述的方法，其中所述合金是包含鎳和從包括金、鈀和鉑的組中選出的兩種元素的三元合金。
8．如權利要求5所述的方法，其中所述合金元素占所述合金的1～50原子％。
9．一種把含錫的焊料與焊盤連接起來的焊點結構，包括在焊盤上淀積的鎳層；覆蓋鎳層的合金層，該合金層包含從鎳和從包括金、鈀和鉑的組中選擇的合金元素；以及焊料和合金層之間的金屬間化合物層，該金屬間化合物層包含鎳、合金元素和錫，且是通過焊料浸潤合金而形成。
10．如權利要求9所述的焊點結構，其中所述合金層通過對與合金元素層接觸的鎳層退火而形成。
11．如權利要求10所述的焊點結構，其中所述退火在不高于375℃的溫度下進行。
12．如權利要求9所述的焊點結構，其中在焊料重流工藝中所述合金層被焊料浸潤。
13．一種把含錫的焊料與焊盤連接起來的焊點結構，包括在焊盤上淀積的合金層，該合金包含鎳和從包括金、鈀和鉑的組中選擇的合金元素；以及焊料和合金層之間的金屬間化合物層，該金屬間化合物層包含鎳、合金元素和錫，且是通過焊料浸潤合金層而形成。
14．如權利要求13所述的焊點結構，其中通過電鍍在所述焊盤上淀積所述合金層。
15．如權利要求13所述的焊點結構，其中所述合金是包含鎳和從包括金、鈀和鉑的組中選出的兩種合金元素的三元合金。
16．如權利要求13所述的焊點結構，其中所述合金元素占所述合金的1～50原子％。
全文摘要
一種形成焊盤上的焊點的方法,可大大降低因鎳和焊料接觸而形成的金屬間化合物層的厚度,提高焊點的可靠性。其包括下列步驟:在焊盤上提供鎳的第一層;提供覆蓋第一層的貴金屬的第二(優選為金)層;對第一層和第二層退火,由此在第一層和第二層之間形成包含鎳和貴金屬的合金層;并使第二層與包含錫的熔融焊料接觸,使貴金屬溶入焊料,然后使焊料浸潤合金層,以在合金層和焊料之間形成包含鎳、貴金屬和錫的金屬間化合物層。
文檔編號H05K3/24GK1282645SQ0012178
公開日2001年2月7日 申請日期2000年8月1日 優先權日1999年8月2日
發明者皮德羅·阿門高·查爾科, 埃德蒙·大衛·布萊克薛爾 申請人:國際商業機器公司