[发明专利]用于高机械可靠性用途的晶片级互连

说明书

技术领域

本公开一般涉及用于半导体器件的结构和方法，更特别涉 及用于电子晶片级芯片尺寸封装和倒装芯片封装及组件。

背景技术

在电子封装工业中，长期存在着改善无铅(Pb)焊料的机 械性能的需要，所述无铅焊料用于晶片级芯片尺寸封装和倒装芯片器 件中。现有的努力包括痕量地添加或掺杂各种元素，例如Co和Zn。 现有努力还包括关于掺杂(例如用Ti、Fe、Co、Pt、In和Ni)对无 铅焊料的机械性能影响的研究。

在现有互连结构中发现的一个问题是由单个的、结合的或 系列的机械损坏事件例如跌落冲击、振动和剪切引起的过早互连失效。 解决该问题并提高接头机械强度的现有尝试包括使用具有较低杨氏模 量和硬度的无Pb焊料以通过使焊料(例如铟基无Pb焊料、Sn-Cu无 Pb焊料、或具有较低银水平的Sn-Ag-Cu合金)更柔顺(compliant) 而帮助降低脆性互连开裂。这些现有的尝试不能令人满意地消除过早 的互连失效。

因此，当使用焊料制造晶片级芯片尺寸封装或倒装芯片器 件时，需要具有改善的接头机械强度。

附图简要说明

为了更全面地理解本公开，现在将参考以下附图，其中在 所有附图中，相同的附图标记表示相同的项目：

图1图解了根据本公开的示例性实施方案在组装到衬底之 前，晶片级芯片尺寸或倒装芯片封装一部分的横截面视图。

图2图解了根据本公开的示例性实施方案的组装焊料互 连。

图3图解了不掺杂Ni的界面IMC形貌。

图4图解了根据本公开的示例性实施方案的掺杂有Ni的界 面IMC形貌。

这里所述的示例图解了特定实施方案，这样的示例不应以 任何方式视为限制。 发明详述

以下的描述和附图说明了特定实施方案，其足以使本领域 技术人员实施本文描述的系统和方法。其它实施方案可以包括结构、 逻辑、方法和其它方面的改变。实施例仅代表可能的变体。

以下说明了实施本发明结构和方法的各个实施方案的要 素。可以使用公知的结构构建很多要素。还应理解，可以使用各种技 术实施本发明结构和方法的技术。

本发明一般涉及使用含有相对小比例Ni的焊料合金的改 善的互连结构。改善的结构典型地提供了用于长期机械可靠性的改善 的接头机械强度，对于例如用于制造晶片级芯片尺寸封装(CSP)或倒 装芯片互连的无Pb焊料。在一个实施方案中，使用0.01-0.20重量％ (wt％)的Ni增强的无Pb焊料合金。例如，该无Pb焊料合金优选基 本由Sn-Ag-Cu和0.01-0.20重量％的Ni组成。通常可以按常规比例 使用Sn、Ag和Cu。

焊料合金可以例如回流且连接到凸点下金属(under bump metal)，可以例如以真空沉积薄膜或镀覆膜形成所述凸点下金属。其 它常规制造方法可以用于制造以下所述的互连结构。

据认为，Ni增强的无Pb合金与凸点下金属层(UBM)的 结合通常通过控制焊料/UBM界面处以及主体焊料内Sn晶界(枝晶间) 处的金属间形成物而提供改善的接头机械强度。相比使用非Ni增强的 无Pb合金，本发明人在改善的高速剪切条件下观察到这种情况，并通 过跌落测试结果证实了这种情况。接头强度的这种改善对于使用晶片 级CSP或倒装芯片互连的电子器件(其中器件易于跌落)是有益的， 特别是对于移动产品例如移动电话、个人数字助理、MP3播放器、游 戏机等。

以下更详细地论述可实施Ni增强的焊料合金互连结构的 更具体的结构实施方案。在第一实施方案中，使用该焊料在两种不同 衬底之间形成互连。该互连典型地包括主体焊料组分、在主体焊料与 晶片上金属结构(例如UBM)的(一个或多个)界面处的金属间化合 物(IMC)。通过焊料和UBM之间的冶金反应形成IMC。