專利名稱：包括抗疲勞三元焊接合金的半導(dǎo)體裝置的組裝方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明大體上涉及應(yīng)用于電子系統(tǒng)和半導(dǎo)體裝置的冶金系統(tǒng)的領(lǐng)域，且更具體地說，涉及包括抗疲勞三元焊接合金的結(jié)構(gòu)和方法。
背景技術(shù)：
在集成電路(IC)芯片通過焊料重熔而組裝到例如襯底、陶瓷或電路板的外部零件期間和之后，且接著在裝置操作期間，半導(dǎo)體芯片與襯底之間出現(xiàn)顯著的溫差和溫度循環(huán)。這對于倒裝芯片型安裝方案來說尤其正確。焊點的可靠性強烈地受半導(dǎo)體材料和襯底材料的熱膨脹系數(shù)影響。舉例來說，在硅與FR-4的熱膨脹系數(shù)之間存在大于一個數(shù)量級的差異。此差異導(dǎo)致熱機械應(yīng)力，其中的大多數(shù)由焊點吸收。
焊球的共面性問題和獲得有利的高度與直徑比率和焊料互連的均一性中涉及的難度加重了熱機械應(yīng)力難度。這些難度開始于焊球附接過程。舉例來說，當(dāng)分配焊膏時，焊膏的體積可能改變，使得難以控制焊球高度。當(dāng)整個焊球在重熔過程期間熔化且必須在重熔過程結(jié)束時均一地凝固時，加重了控制難度。
此外，事實表明，具有較短長度和非均一寬度的焊接連接對應(yīng)力分布和應(yīng)變吸收不利。應(yīng)力保持集中在芯片側(cè)焊點的區(qū)域中，在那里可導(dǎo)致早期材料疲勞和斷裂現(xiàn)象。當(dāng)焊點的圓角(fillet)在重熔過程結(jié)束時具有控制不佳的成分且包括應(yīng)力敏感冶金相時，此事實導(dǎo)致特定的可靠性風(fēng)險。
對于包括芯片級封裝(CSP)在內(nèi)的球柵陣列型封裝來說，涉及倒裝芯片的制造方法和可靠性問題以稍微修改過的形式重新出現(xiàn)。大多數(shù)CSP方法都基于倒裝芯片組合件，其中焊料突起或焊球位于封裝的外部以便與系統(tǒng)或布線板建立界面。
在焊料重熔步驟之后，倒裝組裝的芯片和封裝通常在芯片或封裝與插入物、襯底或印刷電路板(PCB)之間使用聚合底部填充劑。這些底部填充材料減輕了由封裝成分的熱膨脹系數(shù)(CTE)的失配導(dǎo)致的熱機械應(yīng)力中的一些。但作為工序，底部填充耗時且昂貴，且優(yōu)選地避免底部填充。
在最近的十年期間，已經(jīng)在制造中對裝置結(jié)構(gòu)、材料或工序?qū)嵤┝嗽S多變化，以便減輕熱機械應(yīng)力問題。其中的所有變化都遭受成本、制造流程、材料選擇等等中的某一缺點。
因此，出現(xiàn)了對于組裝提供高度的熱機械應(yīng)力可靠性的倒裝芯片集成電路芯片和半導(dǎo)體裝置的連貫的、低成本方法的需要。所述方法應(yīng)足夠靈活以應(yīng)用于不同的半導(dǎo)體產(chǎn)品系列和較寬范圍的設(shè)計和工藝變化。優(yōu)選地，應(yīng)通過使用安裝好的設(shè)備基座來實現(xiàn)這些革新，使得不需要在新的制造機器中投資。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一個實施例是一種具有抗疲勞互連元件的半導(dǎo)體裝置的組裝方法。在此方法中，半導(dǎo)體芯片具有至少一個焊料突起，所述焊料突起包含錫與鉛的合金，其熔化溫度高于所使用的焊膏的熔化溫度。另外，提供二元焊膏，其包含錫和銀，且具有約221℃的熔化溫度。在下一工序中，焊料突起與焊膏接觸，且突起部分地陷入在膏體中。施加熱能以便以約235℃來熔化焊膏?？刂聘囿w熔化后的能力和時間的量，使得熔化的膏體溶解預(yù)定量的焊料突起以便形成約共晶成分的錫/鉛/銀三元合金，而不熔化焊料突起。
本發(fā)明的技術(shù)優(yōu)勢在于，焊料圓角的三元合金是抗疲勞的且因此較好地適于吸收熱機械應(yīng)力。
在優(yōu)選實施例中，突起合金包含約10重量百分比的錫和約90重量百分比的鉛，且具有高于275℃的熔化溫度；二元焊膏具有約2.5重量百分比的銀和約97.5重量百分比的錫的成分。在重熔后，膏體圓角將為包含1.5與1.7之間的重量百分比的銀、36與38之間的重量百分比的鉛和60.3與62.5之間的重量百分比的錫的三元合金，且在約70秒后達到約176℃的溫度。優(yōu)選的三元合金成分為約1.62重量百分比的銀、36.95重量百分比的鉛和61.43重量百分比的錫。
本發(fā)明的技術(shù)優(yōu)勢在于使用含有銀的焊膏，例如二元焊膏。在無銀的情況下，例如通過使用共晶錫/鉛膏體，接點的熱疲勞將較低。在三元焊膏的情況下，例如通過使用錫/鉛/銀膏體，在重熔后，圓角的鉛含量將高于所需，從而減少圓角的熱疲勞。
本發(fā)明的另一實施例是包含三元合金的抗疲勞焊接合金，所述三元合金包括具有近似共晶熔化溫度的錫、銀和鉛；所述合金包含約1.0到1.7重量百分比的銀、優(yōu)選約1.62重量百分比的銀。
本發(fā)明的另一實施例是包含半導(dǎo)體芯片的經(jīng)組裝的半導(dǎo)體裝置，所述半導(dǎo)體芯片包括至少一個接合焊墊，所述結(jié)合焊墊附接有金屬互連元件；此元件由在附接過程期間不重熔的材料制成。所述裝置進一步包括具有至少一個接觸焊墊的襯底。芯片互連元件借助一種附接合金而附接到襯底接觸焊墊上，所述附接合金包含錫、鉛和約1.5到1.7重量百分比的銀的三元合金。三元合金的優(yōu)選含量為約1.62重量百分比的銀、約36.95重量百分比的鉛和約61.43重量百分比的錫。
所述優(yōu)選的銀含量的技術(shù)優(yōu)勢在于，能阻止在圓角/焊墊界面處形成Ag3Sn層，這會防止焊點可靠性的降級。
當(dāng)結(jié)合附圖和所附權(quán)利要求書中陳述的新穎特征來考慮時，從下文對本發(fā)明的優(yōu)選實施例的說明中將對本發(fā)明所帶來的技術(shù)進步以及其各個方面一目了然。


圖1、2和3是依照1990年由ASM International出版且由T.B.Massalski所著的“Binary Alloy Phase Diagrams”的二元相位圖。
圖1描繪鉛/錫二元相位圖。
圖2描繪銀/錫二元相位圖。
圖3描繪銀/鉛二元相位圖。
圖4示意說明由本發(fā)明所使用的將圖1、2和3中這三個二元相位圖組合到三維系統(tǒng)中且將這三個液相面投射到一個平面上的方法的透視圖。
圖5是根據(jù)本發(fā)明的液相面的投影，其提供三元共晶點和溫度。
圖6展示圍繞三元共晶點的圖5的放大部分。
圖7是根據(jù)本發(fā)明使用熔化膏體而組裝的具有固體互連元件的半導(dǎo)體裝置的一部分的示意橫截面。
圖8是根據(jù)本發(fā)明的裝置組裝工藝流程的方框圖。
具體實施例方式
為了形成包含三個成分的抗疲勞焊接合金(三元合金)，本發(fā)明部分地依靠所述三元合金中涉及的元件的三個二元相位圖。圖1說明二元鉛/錫(Pb/Sn)合金系統(tǒng)的相位圖。二元合金的數(shù)據(jù)和圖表已經(jīng)公開且可查閱(例如)1990年ASM International出版的由T.B.Massalski所著的“Binary Alloy Phase Diagrams”。在圖1中，重量百分比錫(Sn)標(biāo)繪在橫坐標(biāo)上，從0％Sn(對應(yīng)于100％鉛，Pb)到100％Sn(對應(yīng)于1％Pb)，且溫度以℃標(biāo)繪在縱坐標(biāo)上，從0℃到超過個別金屬的熔點的溫度。液體狀態(tài)“L”由液相曲線的部分101和102來標(biāo)記。鉛的熔點121指示為327.502℃，且錫的熔點122為231.9681℃。對于合金中61.9重量％的錫來說，在183℃達到共晶溫度123。
圖2說明二元銀/錫(Ag/Sn)合金系統(tǒng)的相位圖(在1990年ASM International公開的T.B.Massalski的“Binary Alloy Phase Diagrams”后)。
橫坐標(biāo)標(biāo)繪從0％Sn(對應(yīng)于100％Ag)到100％Sn(對應(yīng)于0％Ag)的重量百分比的錫，且縱坐標(biāo)標(biāo)繪從0℃到1000℃的溫度。銀的熔點221指示為961.93℃，且錫的熔點222為231.9681℃。在合金中96.5重量％錫時，在221℃處達到共晶溫度223。液相曲線具有四個部分201、202、203和204。
圖3說明二元銀/鉛(Ag/Pb)合金系統(tǒng)的相位圖(在1990年ASM International公開的T.B.Massalski的“Binary Alloy Phase Diagrams”后)。橫坐標(biāo)標(biāo)繪從0％Pb(對應(yīng)于100％Ag)到100％Pb(對應(yīng)于0％Ag)的重量百分比的鉛，且縱坐標(biāo)標(biāo)繪從0℃到1000℃的溫度。銀的熔點321指示為961.93℃，且鉛的熔點322為327.502℃。在合金中97.6重量％鉛時，在304℃處達到共晶溫度323。液相曲線具有兩個部分301和202。
通過使用圖1、2和3的三個二元相位圖，如(例如)由Mats Hillert 1998年在英國劍橋大學(xué)出版社(Cambridge University Press，U.K.)出版的“Phase Equilibria，PhaseDiagrams and Phase TransformationsTheir Thermodynamic Basis”中論述，可通過將二元相位圖配置在3維系統(tǒng)中來理解本發(fā)明。在圖4的示意透視圖中展示結(jié)果。在形成3維系統(tǒng)的三個平面中，縱坐標(biāo)標(biāo)繪從0℃到1000℃的溫度(以℃計)。如圖4所示，系統(tǒng)類似棱鏡，所述棱鏡具有三角形基底，其具有邊401、402和403；和矩形側(cè)面(在圖4的透視圖中看起來像平行四邊形)，其具有相同的縱坐標(biāo)411、412和413。
圖1的鉛/錫二元系統(tǒng)的液相曲線在圖4中在由橫坐標(biāo)401和縱坐標(biāo)413形成的左側(cè)平行四邊形中再現(xiàn)。在327.502℃處的鉛的熔點421(當(dāng)然)與圖1中的點121和圖3中的點322相同；在231.9681處的錫的熔點422(當(dāng)然)與圖1中的點122和圖2中的點222相同。在183℃處標(biāo)繪鉛/錫二元系統(tǒng)的共晶點423，其與圖1的點123相同。
類似考慮適用于圖2的銀/錫二元系統(tǒng)的液相曲線，其在圖4中在由橫坐標(biāo)402和縱坐標(biāo)411形成的右側(cè)平行四邊形上再現(xiàn)。錫的熔點422出現(xiàn)在231.9681℃處，且銀的熔點424出現(xiàn)在961.93℃處。在221℃處標(biāo)繪銀/錫二元系統(tǒng)的共晶點425，其與圖2的點223相同。
最后，類似考慮適用于圖3的銀/鉛二元系統(tǒng)的液相曲線，其在圖4中在由橫坐標(biāo)403和縱坐標(biāo)412形成的后側(cè)平行四邊形上再現(xiàn)。銀的熔點424出現(xiàn)在961.93℃處，且鉛的熔點421出現(xiàn)在327.502℃處。在304℃處標(biāo)繪銀/鉛二元系統(tǒng)的共晶點426，其與圖3的點323相同。
為了達到錫/鉛/銀系統(tǒng)的三元相位圖，本發(fā)明將圖4的液相曲線投射在由邊401、402和403形成的三角形基底上((例如)在上文引用的由Mats Hillert所著的書中描述的方法)。在圖5中展示結(jié)果。邊401標(biāo)繪三元系統(tǒng)中的鉛的重量百分比，且邊402標(biāo)繪銀的質(zhì)量百分比。三元錫/鉛/銀系統(tǒng)的合成液相曲線由圖5中的深黑線501指示。在1.62重量百分比的銀和36.95重量百分比的鉛和61.43重量百分比的錫的成分時，達到三元系統(tǒng)的共晶點502。在1.5與1.7之間的重量百分比的銀、36與38之間的重量百分比的鉛和60.3與62.5之間的重量百分比的錫的狀態(tài)下獲得就抗疲勞三元合金來說令人滿意的結(jié)果。
圖6中放大了邊401的在45與30之間的重量百分比的鉛的相位圖區(qū)域，連同邊402的在0與15之間的重量百分比的銀的相位圖區(qū)域。在1.62重量％的銀、36.95重量％的鉛和61.43重量％的錫時，達到三元錫/鉛/銀系統(tǒng)的共晶點601。
如上文所提及，雖然1.62重量％的銀的成分代表優(yōu)選成分，但1.5到1.7重量百分比的銀的稍寬范圍仍在實際應(yīng)用中傳遞可接受的結(jié)果。鉛的范圍為36與38之間的重量百分比，這留下60.3到62.5之間的重量百分比的錫的范圍。
本發(fā)明的另一實施例是圖7中部分地且示意地描繪的經(jīng)組裝的半導(dǎo)體裝置。通常表示為700的裝置包含半導(dǎo)體芯片701，其由外涂層702保護；所述芯片包括至少一個接合焊墊703。接合焊墊703具有附接的金屬互連元件，優(yōu)選為固體突起或球。此元件由在裝置附接到襯底(705)的過程期間不會重熔的材料制成。典型的元件由90重量百分比的鉛和10重量百分比的錫的合金組成。經(jīng)組裝的裝置700進一步包含襯底705(例如，由陶瓷、塑料或例如FR-4的復(fù)合材料制成)，其具有至少一個接觸焊墊706。
由熔化的焊膏707來提供芯片互連元件704到襯底接觸焊墊706的附接，所述熔化的焊膏707優(yōu)選由97.5重量百分比的錫和2.5重量百分比的銀的二元膏體組成?；蛘撸墒褂镁哂行∮?0重量百分比的鉛和小于3重量百分比的銀的三元膏體(其余為錫)。在附接過程期間，熔化的膏體溶解來自固體突起704的鉛(和錫)，在圖7中由具有溶解向量711的鉛原子710進入熔化的膏體707中來象征。通過小心地控制重熔過程，熔化的焊膏的成分可設(shè)計為接近Sn/Ag/Pb系統(tǒng)的共晶點。當(dāng)附接完成且圓角凝固時，圓角包含錫、鉛和約1.5到1.7重量百分比的銀的三元合金。優(yōu)選銀含量為1.62重量百分比，且優(yōu)選鉛含量為36.95重量百分比，且其余為61.43重量百分比的錫。Sn+Pb+Ag3Sn的共晶或接近共晶微結(jié)構(gòu)將給予焊料圓角對熱疲勞的高抵抗力。
將錫/銀膏體的銀含量限制在2.5重量％的銀的上限的原因是，防止熔化的焊膏的成分進入相位圖的初級Ag3Sn區(qū)域(圖5中的503)中。假如使用具有3.5重量百分比的銀的共晶錫/銀焊膏，那么在附接過程中來自突起704的鉛的持續(xù)溶解將使得在某一時刻達到36.95重量％的Pb的水平，此時膏體的銀含量將大于2重量百分比。當(dāng)具有如此多的銀時，將會在附接界面處形成初級Ag3Sn鍍層，從而導(dǎo)致焊點可靠性大大降級。
本發(fā)明的另一實施例是具有抗疲勞互連元件的半導(dǎo)體裝置的組裝方法。在圖8的方框圖中即概述此種工藝流程。開始于801的所述方法首先包含步驟802，在步驟802中提供具有包含錫與鉛的合金的至少一個焊料突起的半導(dǎo)體芯片；突起合金的熔化溫度高于錫/鉛共晶溫度。優(yōu)選的突起合金成分為10重量百分比的錫和90重量百分比的鉛，且熔化溫度優(yōu)選高于275℃。接下來是步驟803，其提供包含錫和銀的二元焊膏。優(yōu)選的膏體成分為約2.5重量百分比的銀和約97.5重量百分比的錫。焊膏具有約221℃的熔化溫度。另一種可能性是具有2到3重量百分比的銀和97到98重量百分比的錫(在這兩種情況下均能避免在最終圓角中形成Ag3Sn鍍層)的成分的焊膏?；蛘?，可使用具有多達20重量百分比的鉛和3重量百分比的銀(其余為錫)的三元膏體。
在步驟804中，使焊料突起與焊膏接觸，且使所述突起部分地浸入在膏體中。在步驟805中，接著提供熱能以便在約235℃下重熔焊膏。
在步驟806中，控制熔化焊膏后的能量和時間的量，使得熔化的膏體溶解預(yù)定量的焊料突起以便形成約共晶成分的三元合金，而不熔化焊料突起。優(yōu)選使高于176℃的溫度維持約70秒。優(yōu)選地，最終圓角為包含約1.62重量百分比的銀、約36.95重量百分比的鉛和約61.43重量百分比的錫的三元合金。
在步驟807中，移除熱能以冷卻三元合金圓角和突起，這在步驟808處完成工藝流程。
權(quán)利要求
1.一種抗疲勞焊接合金，其包含一三元合金，其包含錫、銀和鉛，所述合金近似地提供共晶熔化溫度；所述合金包含約1.5到1.7重量百分比的銀。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的焊接合金，其中所述合金包含1.5與1.7之間的重量百分比的銀、36與38之間的重量百分比的鉛和60.3與62.5之間的重量百分比的錫。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的焊接合金，其中所述銀百分比近似為1.62重量百分比。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的焊接合金，其中所述合金包含近似1.62重量百分比的銀、近似36.95重量百分比的鉛和近似61.43重量百分比的錫，所述合金具有一約176℃的共晶熔化溫度。
5.一種經(jīng)組裝的半導(dǎo)體裝置，其包含一半導(dǎo)體芯片，其包括具有一附接金屬互連元件的至少一個接合焊墊，所述元件由一在所述附接過程期間不能夠重熔的材料制成；一襯底，其具有至少一個接觸焊墊；所述芯片互連元件借助一附接合金而附接到所述襯底接觸焊墊上，所述附接合金包含錫、鉛和近似1.5到1.7重量百分比的銀的一三元合金。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的裝置，其中所述合金包含1.5與1.7之間的重量百分比的銀、36與38之間的重量百分比的鉛和60.3與62.5之間的重量百分比的錫。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的裝置，其中所述三元合金包含約1.62重量百分比的銀、約36.95重量百分比的鉛和約61.43重量百分比的錫。
8.一種用于一具有抗疲勞互連元件的半導(dǎo)體裝置的組裝方法，其包含以下步驟提供一具有包含錫與鉛的一合金的至少一個焊料突起的半導(dǎo)體芯片；提供一包含錫和銀的焊膏，所述焊膏具有一約221℃的重熔溫度，所述突起合金具有一高于所述膏體重熔溫度的熔化溫度；使所述焊料突起與所述焊膏接觸并將所述突起部分地浸入在所述膏體中；提供熱能以便在約235℃下重熔所述焊膏；控制所述焊膏的所述熔化后的能量和時間的量，以使所述熔化的膏體溶解一預(yù)定量的所述焊料突起以便形成一約共晶成分的錫/鉛/銀三元合金，而不熔化所述焊料突起；和移除所述熱能以冷卻所述三元合金圓角和所述突起。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其中所述焊膏為一二元焊膏，其具有一2到3重量百分比的銀和97到98重量百分比的錫的成分，從而避免在所述圓角中形成初級Ag3Sn鍍層。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其中所述二元焊接合金膏體具有一約2.5重量百分比的銀和約97.5重量百分比的錫的成分。
11.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其中所述焊膏為一三元焊膏，其具有多達20重量百分比的鉛、多達3重量百分比的銀和其余的錫。
12.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其中所述突起合金具有一高于275℃的熔化溫度。
13.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其中所述突起合金包含約10重量百分比的錫和約90重量百分比的鉛。
14.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其中所述對能量和時間的控制包含使一高于176℃的溫度持續(xù)約70秒。
15.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其中所述三元合金包含約1.62重量百分比的銀、約36.95重量百分比的鉛和約61.43重量百分比的錫。
全文摘要
本發(fā)明揭示一種用于組裝一具有抗疲勞互連圓角的半導(dǎo)體裝置的方法，其提供一具有至少一個焊料突起的半導(dǎo)體芯片，所述至少一個焊料突起包含一熔化溫度高于所用焊膏的錫與鉛的合金。另外，提供一焊膏(優(yōu)選二元焊膏)，其包含錫和約2.5重量百分比的銀，且具有一約 221℃的熔化溫度。使所述焊料突起與所述焊膏接觸(803)；使所述突起部分地浸入在所述膏體中(804)；且提供熱能以便在約235℃下重熔所述焊膏(805)?？刂扑龈囿w重熔后的能量和時間的量，以使熔化的膏體溶解預(yù)定量的所述焊料突起(鉛和錫)，以便形成一約為共晶成分(約1.62重量％的Ag，36.95重量％的Pb，61.43重量％的Sn)的三元合金，而不熔化所述焊料突起(806)。
文檔編號B23K35/24GK1929950SQ200580007514
公開日2007年3月14日 申請日期2005年3月9日 優(yōu)先權(quán)日2004年3月9日
發(fā)明者曾科軍 申請人:德州儀器公司