[发明专利]一种采用多层微米、亚微米薄膜快速制备可高温服役全IMC微焊点的方法

说明书

技术领域

本发明属于微连接技术领域，涉及一种面向电子器件、组件、或微系统中圆片或芯片与基板、圆片或芯片与其它圆片或芯片的互连方法，具体涉及一种采用多层微米、亚微米薄膜快速、低温制备可实现高温服役全金属间化合物(Intermetallic Compounds-IMC)微焊点的方法。

背景技术

连接技术是实现电子元器件或组件封装、微机电系统(MEMS)封装、圆片三维立体封装的核心技术之一。随着电子系统向高性能、高功率、高密度方向的发展，电子系统的发热量将显著提升，导致芯片与基板、圆片与基板、圆片与圆片之间互连焊点需要在更高的温度条件下服役。然而传统的钎料合金或各向异性导电胶等均不能在高温环境下可靠的工作，已经成为制约电子元器件或组件、微系统、三维封装向高密度、高功率发展的主要瓶颈。

对于使用钎料合金制备的焊点，如Sn37wt.%Pb、Sn3.5wt.%Ag等，钎焊的峰值温度范围是220~250℃，而焊点的服役温度必须低于125℃。如果使用更高熔点的焊料，如Au20wt.%Sn、Au31wt.%Si，其熔点分别为280℃和363℃，则需要使用超过320~400℃的高温进行键合，在如此高温的键合条件下，会增加圆片、芯片或其它组件高温失效的风险。

为解决上述问题，出现了低温键合高温服役的连接方法。现在较常见的技术有纳米银焊膏低温烧结、全金属间化合物互连等。根据纳米颗粒的热力学性质，纳米银颗粒的烧结温度可降至200℃以下，且其接头服役温度可达到300℃以上，即实现了低温连接、高温服役；然而，此种接头制备工艺时间较长，一般为十几甚至几十分钟、且接头为多孔结构，会影响接头的导电导热性能。此外，银本身成本较高，也制约了该材料的广泛应用。全金属间化合物互连是使用单层金属箔或焊料，在正常钎焊温度下使界面充分反应，直至接头全部转化为金属间化合物，如Cu₆Sn₅、Cu₃Sn、Ag₃Sn等，接头所能承受的服役温度由熔点较高的金属间化合物决定而非钎料，同样可以实现低温连接、高温服役。然而，如果制备十微米或更大尺寸的全IMC焊点，其反应时间至少需要几十分钟，生产效率过低，且接头成分无法实现精确控制，很难实现大规模工业应用。

发明内容

本发明的目的是提供一种能够在较低连接温度下，利用多层微米、亚微米薄膜结构，快速制备可高温服役全IMC焊点的方法。较低的连接温度(超过Sn熔点30~60℃)可以避免在连接或键合过程中对元器件、组件、微系统或三维封装结构中芯片或温度敏感部件造成高温退化或损伤。

所述目的是通过如下技术方案实现的：

一种采用多层微米、亚微米薄膜快速制备可高温服役全IMC微焊点的方法，如图1所示，包括如下步骤：

步骤一：在圆片或芯片表面需要键合的焊盘区域通过光刻技术在光刻胶膜上制备出相应的开口，或利用激光蚀刻、化学腐蚀等方法制备出掩膜板，掩膜的开口区域同样与圆片或芯片需要键合的焊盘区域对应并对准。

步骤二：采用溅射、蒸镀或电镀方法在圆片或芯片的焊盘区域制备Cu膜或Ag膜，该膜层的厚度范围为0.1~10微米，膜层最小厚度以在后续连接或键合过程中提供足够金属，保证多层薄膜能演变成全IMC焊点并有盈余为原则。

步骤三：采用蒸镀或电镀方法在步骤二中的薄膜表面制备Sn膜，该膜层的厚度为0.1~1.5微米。

步骤四：采用溅射或蒸镀的方法在步骤三中的Sn膜表面沉积Cu或Ag，沉积膜层的厚度按照与上一层Sn膜转换成Cu:Sn或Ag:Sn原子的摩尔比均略小于3:1(2.4≤Cu:Sn比≤2.95或2.4≤Ag:Sn≤2.95)进行制备。在溅射和蒸镀过程中，Cu或Ag原子会携带一定的热量以气态向Sn膜表面沉积，部分的Cu或Ag原子会与Sn膜发生反应形成Cu₆Sn₅、Cu₃Sn或Ag₃Sn层，在溅射或蒸镀过程中，可以选择加热与圆片或芯片接触的底座，以加速Cu-Sn或Ag-Sn的界面反应。完成该步骤之后，所形成的表面层结构为Cu₆Sn₅/Cu₃Sn或Cu₆Sn₅/Cu₃Sn/Cu；Ag₃Sn或Ag₃Sn/Ag，本步骤可以同时实现薄膜沉积和IMC薄膜的一体化制备。