本發(fā)明涉及三維封裝互連制造，尤其是涉及一種優(yōu)選取向銅六錫五(cu6sn5)界面結構的制造方法，及基于上述結構形成高性能與高可靠性全imc微凸點的技術方案。

背景技術：

微凸點(μ-bump)互連是先進三維封裝(3dpackaging)制造工藝的關鍵連接技術之一，該技術與傳統(tǒng)平面集成封裝常用的sn球互連工藝如bga(ballgridarray)、fc(flipchip)等一脈相承，其互連本質均為伴隨有界面imc(intermetalliccompound)生成的sn/cu潤濕反應。一般來說，sn/cu潤濕反應生成的imc主要包括cu6sn5和cu3sn。cu6sn5是潤濕反應的先導產物和主體產物，在一般軟釬焊條件下(250℃加熱1min)，其晶粒尺寸可達3～5μm；cu3sn緩慢生成于cu6sn5與cu的固態(tài)界面，在相同條件下其晶粒生長尺寸只有100～200nm。相較于傳統(tǒng)bga或fs所用互連sn球(直徑>80μm)，微凸點互連采用尺寸極小的sn鍍層結構(5～25μm)；這種微細結構顯著的提升了互連密度，然而也加劇了尺度與界面效應，造成以少數(shù)cu6sn5晶粒為主體的界面imc層占微凸點的體積比急劇增加?？紤]到imc與sn的物理、力學性能差異較大，其中cu3sn的綜合性能略優(yōu)于sn，而cu6sn5的綜合性能卻遠遜于sn，所以以少數(shù)cu6sn5晶粒為主體的界面imc層占微凸點的體積比增加，將導致微凸點的電、熱、力學性能惡化且不同凸點的性能差異巨大，從而對三維封裝器件的性能與可靠性造成惡劣影響。

另外，由于三維封裝采用多層芯片垂直堆疊，微凸點中的sn鍍層需要在一次熔化過程中完全轉變?yōu)楦呷埸c的imc結構，防止未轉變的sn鍍層在后續(xù)芯片的重熔堆疊過程中發(fā)生坍塌。不過，由于cu6sn5晶粒生長速度隨熔化時間延長而逐漸放緩；當互連間隙超過10μm時，實現(xiàn)以cu6sn5為主體的全imc微凸點所需時間超過數(shù)十分鐘。顯然長時間互連操作無法滿足三維封裝的快速制造工藝要求，所以如何快速實現(xiàn)以cu6sn5為主體的全imc微凸點已成為三維封裝微凸點互連技術面臨的重要挑戰(zhàn)。

中國專利cn201310648319.0公開的一種單一取向cu6sn5金屬間化合物微互連焊點結構的制備及應用方法和中國專利cn201510409778.2公開的一種高溫封裝用cu6sn5基單晶無鉛焊點的定向互連方法，主要是解決了如何獲得性能一致的微凸點結構；中國專利cn201610391373.5公開的一種低溫連接高溫使用cu/sn/cu釬焊界面的制備方法及結構主要關注于如何實現(xiàn)全imc互連結構；中國專利cn104862701a公開一種采用多層微米、亞微米薄膜快速制備可高溫服役全imc微焊點的方法，關注于如何通過減少互連間隙從而實現(xiàn)大互連間隙全imc互連結構的快速制造。不過，上述公開或授權專利并沒有充分考慮imc對互連微凸點的性能與可靠性的影響，更沒有解決高性能與高可靠性全imc微凸點的快速制造難題。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于針對現(xiàn)有技術中沒有充分考慮imc對互連微凸點的性能與可靠性的影響，更沒有解決高性能與高可靠性全imc微凸點的快速制造難題，提供可解決三維封裝大互連間隙無鉛耐高溫微凸點難以快速制造及微凸點性能與可靠性不佳等一系列技術難題，工藝簡單、成本低廉、且可快速形成高性能與高可靠性的一種銅六錫五(cu6sn5)全imc微凸點的快速制造方法。

本發(fā)明包括以下步驟：

1)將商用sn顆粒、(111)或(001)優(yōu)選取向的單晶或納米孿晶cu箔分別浸泡于丙酮溶液中，超聲清洗，去除金屬表面油污后浸泡于質量濃度為0.5％～2％的鹽酸酒精的腐蝕溶液中，按照浸泡產物與腐蝕溶液體積比1︰5添加腐蝕溶液，超聲清洗，去除金屬表面氧化物后浸泡于質量濃度為0.5％～2％的硝酸酒精的腐蝕溶液中，按照浸泡產物與腐蝕溶液體積比1︰5添加腐蝕溶液，超聲清洗，去除金屬表面難溶氯化物后浸泡于酒精溶液中，超聲清洗后吹干，得清洗后的(111)或(001)優(yōu)選取向的單晶或納米孿晶cu箔；

2)將清洗后的(111)或(001)優(yōu)選取向的單晶或納米孿晶cu箔用丙烯酸酯膠水粘在玻璃載片上，并置于真空蒸鍍設備基片處，將清洗后的sn顆粒置于鉑金舟內，將工作壓強設為(4～5)×10^-4pa，基片轉速設為5～20r/min，蒸發(fā)時間為5min～3h，基片溫度為50～100℃，蒸發(fā)功率為50～100w，通過控制真空蒸鍍時間、蒸發(fā)功率和基片溫度，實現(xiàn)優(yōu)選cu箔單側表面0.5～10μm厚度可控的sn鍍層結構，將上述玻璃載片加熱至150℃，保溫2min，使丙烯酸酯膠水失效，翻轉金屬箔，并再次用丙烯酸酯膠水將金屬箔粘在玻璃載片上，重復蒸鍍sn工藝，使雙側cu箔的蒸鍍sn層厚度相同，得粘有金屬箔的玻璃載片；

3)將粘有金屬箔的玻璃載片放置于激光打標機的加工臺表面，將優(yōu)選cu箔裁剪成厚度不大于300μm，再將玻璃載片加熱，使丙烯酸酯膠水失效，將剝落的鍍sn優(yōu)選cu箔加工片收集備用；

4)將si片浸泡于丙酮溶液中，超聲清洗，去除si片cu焊盤表面的污染物，再浸泡于硝酸酒精的腐蝕溶液中，按照浸泡產物與腐蝕溶液體積比1︰10添加腐蝕溶液，超聲清洗，去除cu焊盤氧化層，再浸泡于酒精溶液中，超聲清洗后吹干備用；

5)將鍍sn優(yōu)選cu箔加工片表面涂敷助焊劑后，放置在si片的cu焊盤表面，校準后對加工片的放置位置校準；

6)對加工片加熱，使加工片的底部sn層與si片cu焊盤潤濕互連，形成可靠的垂直互連微凸點；

7)將冷卻后的加工片表層重新噴涂助焊劑，倒置整個si片，將步驟6)中形成的互連結構放置在對應的下層si片的cu焊盤頂部；

8)使用加熱裝置對倒裝si片堆疊結構整體加熱，使整個互連微凸點形成以cu6sn5晶粒為主體的完全imc結構，即得銅六錫五(cu6sn5)全imc微凸點。

在步驟1)中，每一次超聲清洗的時間可為5min。

在步驟3)中，所述將粘有金屬箔的玻璃載片放置于激光打標機的加工臺表面后，控制激光功率可為10w，激光移動速度可為10m/s；所述加熱的溫度可為150℃，加熱的時間可為2min。

在步驟4)中，每次超聲清洗的時間可為1min；所述硝酸酒精的腐蝕溶液的質量濃度可為0.1％～1％。

在步驟5)中，所述助焊劑可采用免清洗型助焊劑；所述放置在si片的cu焊盤表面可使用真空吸筆放置在si片的cu焊盤表面，真空吸筆的放置誤差應不大于5μm；所述校準后對加工片的放置位置校準可通過光學顯微鏡對放置后的加工片位置進行校準，可以避免后續(xù)加熱過程可能出現(xiàn)的微凸點互連虛焊問題。

在步驟6)中，所述加熱，可采用紅外加熱裝置或熱風加熱裝置等對加工片進行加熱，加熱的溫度可為240～300℃，加熱的時間可為30～90s；由于熔融sn釬料具有自對準特性，因此鍍sn優(yōu)選cu箔加工片可以矯正放置誤差。另外，由于加熱溫度低、時間短，加工片頂部sn層不會與內層cu完全反應，從而保證了加工片在隨后倒裝-回流過程中可以與倒裝si片的cu焊盤實現(xiàn)潤濕互連，進而形成可靠的垂直互連微凸點。

在步驟7)中，所述助焊劑可采用免清洗型助焊劑；所述將步驟6)中形成的互連結構放置在對應的下層si片的cu焊盤頂部的放置誤差應小于5μm。

在步驟8)中，所述加熱的溫度可為240～300℃，加熱的時間可為30～900s；通過控制加熱時間與加熱溫度，使整個互連微凸點形成以cu6sn5晶粒為主體的完全imc結構。由于加熱時間短，且優(yōu)選cu箔與cu6sn5晶粒之間界面能小，因此界面cu3sn難于形核，從而減少了界面柯肯達爾空洞的生成，顯著提升互連界面可靠性。

本發(fā)明的核心是形成的互連微凸點是以cu6sn5優(yōu)選取向晶粒為主體的完全imc結構。其形成原因在于以下兩點；

(1)(111)或(001)的單晶或納米孿晶cu在與sn發(fā)生潤濕反應后，會形成以cu6sn5(10-10)或(11-20)為慣習面的單向性晶粒層。研究發(fā)現(xiàn)，由于cu6sn5的(0002)晶面比(1010)強度高11.02％且硬度高6.99％，而(10-10)晶面的法向電導率比(0002)的法向電導率高43％且該值略高于金屬sn的電導率，因此利用上述優(yōu)選cu箔形成的微凸點互連界面結構具有高性能與高可靠性。

(2)研究進一步發(fā)現(xiàn)，由于cu6sn5(10-10)或(11-20)為慣習面的單向性晶粒具有高原子密度與低界面能的特點，當以cu6sn5(10-10)或(11-20)為慣習面的單向性晶粒層與其他取向的cu6sn5晶粒發(fā)生對側接觸時，其他取向的晶粒將被以cu6sn5(10-10)或(11-20)為慣習面的單向性晶粒所吞噬，最終形成完全的以cu6sn5(10-10)或(11-20)為慣習面的高性能與高可靠性的全imc微凸點。

本發(fā)明還具備以下優(yōu)點：

1.本發(fā)明制備的鍍sn優(yōu)選cu箔具有原材料價格低廉、加工工藝簡單、與傳統(tǒng)封裝工藝兼容且對封裝設備要求低、材料加工性好且方便存儲運輸、便于批量制造。

2.所述鍍sn優(yōu)選cu箔可通過低溫短時間加熱形成耐高溫無鉛焊點，完全避免了高溫、長時間的回流過程對芯片可靠性造成的不利影響及對能源的浪費。

3.所述高溫無鉛微凸點除了具有高性能與高可靠性外，其服役工作溫度超過300℃。因此，上述微凸點可以完全滿足高溫大功率sic半導體器件的封裝使用要求。

綜上，本發(fā)明提出的一種高性能與高可靠性cu6sn5全imc微凸點的快速制造方法對高溫大功率sic半導體器件的可靠封裝有重大實用價值。

附圖說明

圖1為以cu6sn5優(yōu)選取向晶粒層為主體的全imc微凸點的互連制造原理圖。

圖2為以cu6sn5優(yōu)選取向晶粒層為主體的全imc微凸點的互連制造ebsd實驗結果。在圖2中，sn鍍層厚度10μm、加熱條件250℃+10min。

圖3為(111)cu/3μm-sn/(011)cu結構在250℃下潤濕10min后的剖面結構掃描電鏡照片。

圖4為(111)cu/3μm-sn/(011)cu結構在250℃下潤濕10min后的剖面結構透射電鏡照片。

圖5為(111)cu/3μm-sn/(011)cu結構在250℃下潤濕10min后的剖面結構cu3sn/cu6sn5界面。

具體實施方式

下面將對本發(fā)明的實施例作詳細說明，本實施例在本發(fā)明技術方案為前提下進行實施，給出詳細的實施方式和具體的操作過程。

實施例1

使用丙酮溶液、1％鹽酸酒精溶液、1％硝酸酒精溶液及酒精對50μm厚(001)單晶cu箔及100g純sn顆粒進行表面處理；將單晶cu箔用丙烯酸酯膠水粘在玻璃載片，置于真空蒸鍍基片處；sn顆粒置于鉑金舟中；設置真空度為4×10^-4pa，溫度為50℃，蒸發(fā)功率為50w,沉積時間1.3h，獲得厚度約為1μm的單側sn鍍層；加熱玻璃載片至150℃，保溫2min，使丙烯酸酯膠水失效；翻轉金屬箔，并再次用丙烯酸酯膠水將金屬箔粘在玻璃載片上；重復蒸鍍sn工藝，使雙側cu箔的蒸鍍sn層厚度相同。將粘有(001)單晶cu箔的玻璃載片放置于激光打標機的加工臺表面，控制激光功率10w，激光移動速度10m/s，將cu箔裁剪成50μm×50μm的方形陣列；將上述玻璃載片加熱至150℃，保溫2min，使丙烯酸酯膠水失效；將剝落的鍍sn(001)優(yōu)選cu箔加工片收集備用。

實施例2

使用丙酮溶液、0.5％鹽酸酒精溶液、0.5％硝酸酒精溶液及酒精對100μm厚(111)單晶cu箔及100g純sn顆粒進行表面處理；將單晶cu箔用丙烯酸酯膠水粘在玻璃載片，置于真空蒸鍍基片處；sn顆粒置于鉑金舟中；設置真空度為5×10^-4pa，溫度為100℃，蒸發(fā)功率為100w，沉積時間34min，獲得厚度約為2μm的單側sn鍍層；加熱玻璃載片至150℃，保溫2min，使丙烯酸酯膠水失效；翻轉金屬箔，并再次用丙烯酸酯膠水將金屬箔粘在玻璃載片上；重復蒸鍍sn工藝，使雙側cu箔的蒸鍍sn層厚度相同；將粘有(111)單晶cu箔的玻璃載片放置于激光打標機的加工臺表面，控制激光功率10w，激光移動速度10m/s，將cu箔裁剪成φ＝80μm的圓形陣列；將上述玻璃載片加熱至150℃，保溫2min，使丙烯酸酯膠水失效；將剝落的鍍sn(111)優(yōu)選cu箔加工片收集備用。

實施例3

如圖1所示，將10μm-sn/100μm-(111)cu箔加工片表面涂敷適當助焊劑，使用真空吸筆將其準確的放置在si片的cu焊盤表面。使用熱風加熱裝置對加工片進行加熱，加熱溫度為250℃，加熱時間60s。將冷卻后的加工片表層重新噴涂免清洗助焊劑，倒置整個si片，將形成的互連結構放置在si片cu焊盤頂部。使用熱風加熱裝置對倒裝si片結構加熱，加熱溫度為250℃，加熱時間900s。最終獲得的界面結構如圖2所示，顯然根據(jù)背散射衍射圖(ebsd)，微凸點界面獲得的cu6sn5晶粒均為以cu6sn5(10-10)晶面為慣習面的優(yōu)選取向晶粒，實驗證明該微凸點的水平剪切強度為80～100mpa、垂直電阻率為10～12μω·cm、可在300℃長期服役。

實施例4

將3μm-sn/100μm-(111)cu箔加工片表面涂敷適當助焊劑，使用真空吸筆將其準確的放置在si片的cu焊盤表面。使用熱風加熱裝置對加工片進行加熱，加熱溫度為250℃，加熱時間90s。將冷卻后的加工片表層重新噴涂免清洗助焊劑，倒置整個si片，將形成的互連結構放置在si片cu焊盤頂部。使用熱風加熱裝置對倒裝si片結構加熱，加熱溫度為250℃，加熱時間900s。最終獲得的界面結構如圖3～5所示，顯然根據(jù)投射電子顯微鏡觀察，微凸點界面獲得的cu6sn5晶粒均為以cu6sn5(10-10)晶面為慣習面的優(yōu)選取向晶粒，且該微凸點在互連界面沒有明顯的柯肯達爾空洞形成，因此該微凸點將具有極高的互連可靠性。

表1

蒸發(fā)功率、基片溫度和工作壓強控制下cu箔表面金屬sn的沉積速率如表1所示。