电化学制备金锡合金薄膜技术研究_刘欣

第40卷第3期2010年6月

微电子学Microelectronics

V o l 140, N o. 3Jun. 2010

电化学制备金锡合金薄膜技术研究

刘 欣, 胡立雪, 罗 驰

(中国电子科技集团公司第二十四研究所, 重庆400060)

摘 要: 共晶成分的金锡合金具有诸多优异性能, 文章介绍了一种制备金锡合金的方法, 采用该

方法在陶瓷基体上面制备金锡薄膜焊料。对焊料的成分进行了检测, 对焊料的焊接性能和焊接可靠性进行了测试。试验结果满足GJB548相关要求。关键词: 电化学; 金锡合金; 可靠性

中图分类号:T N451

文献标识码:A

文章编号:1004-3365(2010) 03-0430-04

Study on A uSn A lloy T hin -Film T echnolog y U sing Electrochemistry

LIU Xin, H U Lix ue, LUO Chi

(Sichuan I nstitute of S olid-S tate Circuits, China Electronic s T echnolog y Gr oup Cor p. , Chongqing 400060, P. R. China)

-Sn eutectic allo y features excellent per for mance. A method for preparing A u -Sn allo y w as pr esen -Abstract: Au

ted, in w hich Au -Sn so lder was depo sited on ceramic substrate. Co mpo sitio n of the solder w as t ested and analyzed, as w ell as its per for mance and r eliability. T est r esult show ed t hat the A u -Sn solder met the relevant requir ement o f GJB548standard.

Key words: Elect rochemistr y; AuSn a lloy; Reliability EEAC C: 2220E

1 引言

共晶成分(金锡重量比为8B 2) 的金锡合金因

其优异的力学性能受到研究者的广泛重视, 并被大量用于集成电路封装盖板、焊接光电器件和M EMS 器件等领域。金锡合金由于金含量很高, 焊接时氧化程度低, 因此可以实现免助焊剂焊接。这种特点对于光电子器件封装尤为重要, 因为光电子器件在封装过程中一定要防止元器件受到污染, 以免对其发光性能造成恶劣影响。金锡共晶钎料还有很多优点, 比如:屈服强度高、导热性能好、适用于大功率器件封装[1]、润湿性能好、电迁移现象不明显[2]、抗腐蚀性能好、焊接强度高、没有明显的热疲劳、抗蠕变性能好等。图1是金锡合金相图。

电路板上的金锡薄膜是金锡合金的重要形态之一, 主要用作焊料层。金锡薄膜的制备主要有以下几种方法:1) 电子束蒸镀, 即在基板上分别蒸镀金层和锡层, 然后进行热处理, 这是目前最主要的制备方法; 2) 金锡分层电镀, 即采用湿法电镀的方式, 在

收稿日期:2010-01-25; 定稿日期:2010-03-31

基板上分别电镀金层和锡层, 然后进行热处理; 3) 合金电镀, 即采用湿法电镀, 直接在基板上电镀金锡共晶合金。其他还有溅射、

印刷等方式。

图1 金锡合金相图

Fig. 1 Phase diagr am of A uSn allo y

Schenbrenner 等人[3]描述了在芯片焊盘上溅射生成金/锡多层膜的工艺。在焊接过程中, 薄膜发生

共晶反应, 在焊点处能够观察到F 相; 其不足之处是有脆性的金属间化合物生成, 并且可能出现Kirk -endall 空洞。有研究者采用电镀金/锡的方法制备

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[4]

合金。为了获得共晶成分的合金, 焊料层在使用前需要回流。回流步骤非常关键, 过多的金可能导致形成树状结晶的F 相。这样, 在焊接过程中需要的共晶成分就会更少。还有一些研究描述了交替蒸

[3]

发金/锡多层膜的方法。共晶成分的形成需要在高温下进行快速扩散[5]。

表1总结了制备金锡薄膜的几种主要方法的优点和缺点。

表1 几种金锡合金薄膜制备方法比较

Table 1 C omparison of dif ferent methods for preparation of A uSn thin films

沉积方式最小厚度纯度 沉积设备优点

电子束蒸发0. 01L m 高纯度电子束蒸发台高沉积速率, 高纯度, 厚度范围较宽。

材料利用率低, 需要后扩散处理。

合金电镀0. 25L m 含微量有机物电镀设备很好的纯度, 可以通过管壳沉积任意图形。成本高, 工艺控制很难, 沉积速率低。

分层电镀2. 5L m 含微量有机物电镀设备很好的纯度, 可以通过管壳沉积任意图形。成本低, 工艺控制较难, 需要后扩散处理。

12L m

纯度低, 含焊剂等有机物印刷烧结设备

非常低的成本和高的效率。

纯度低, 只能沉积较厚的膜层, 需要烧结和清洗。

丝网印刷

25L m 高纯度

手动拾取和安装设备高纯度, 可沉积任意图形。

只能沉积较厚的膜层, 安装较困难。

预植

缺点

2 工艺流程概述

本文采用分层电镀方式, 在陶瓷基材上制备金锡双层薄膜, 这是蒸发或溅射的一种替代方式。电镀完成后, 需要在共晶温度以上进行热处理。电镀沉积的一个优点是它可以使焊料仅沉积在导电材料上, 因此可以通过光刻胶实现局部电镀。这使得昂贵的金锡焊料的使用率更高。电镀工艺一个典型的缺点在焊料的厚度控制方面。使用挂镀, 厚度均匀性可控制在? 10%范围内; 采用喷镀, 厚度均匀性可控制在? 5%以内。要获得精确的镀层厚度非常困难。厚度均匀性差会造成合金组分的变化, 从而引起熔点变化, 以至影响后续焊接工艺。为了减少这个问题带来的影响, 有意增加锡的含量, 因为根据金锡合金相图, 合金中锡的含量变化带来的熔点变化远小于金的影响。

采用电镀法制备金锡薄膜垫片工艺流程为:清洗y 溅射Ti/Pt/Au y 光刻1y 电镀Au y 电镀Sn y 去胶y 热处理y 划片分割y 成品。薄膜垫片结构如图2所示。

3 电镀液选择

在电镀液的选择上, 应优选有机物含量低的电镀液。比如, 在电镀锡溶液中广泛使用一些有机物添加剂作晶粒细化剂及光亮剂, 这些有机物混入金锡焊料层中会影响后续的焊接工艺。表2为金/锡电镀使用的镀液配方。

表2 金/锡电镀过程中使用的镀液配方

Table 2 Formula of electrobath f or Au/Sn electroplating 工艺参数成分

镀金工艺条件

镀锡工艺条件

(N H 4) 3[A u (SO 3) ], 亚甲基磺酸锡、晶粒硫酸铵, 氨水, 晶粒细化细化剂, 整平剂, 剂, 整平剂, 稳定剂

稳定剂Sn 含量10g /L 25e 2~5L /min 1. 0

2~5mA /cm 20. 3~0. 6L m/min >95%亚光锡

金属浓度温度搅拌速率pH 电流密度电镀速率电流效率

图2 带金锡的陶瓷垫片工艺结构F ig. 2 St ruct ur e of submount w ith AuSn alloy

镀层外观阳极材料

A u 含量12g/L 55e 5~15L /m in 7. 0

1~10mA /cm 20. 3~0. 6L m/min >95%半光亮金或铂

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刘 欣等:电化学制备金锡合金薄膜技术研究2010年

4 Au/Sn 双层膜厚度比计算及工艺

参数确立

为了得到金锡重量比为8B 2的多层膜, 电镀时需要对电镀金层和锡层的厚度进行精确控制。共晶成分的金锡所需要的电镀金锡厚度比例为:W Au B W Sn =8B 2=Q Au V Au B Q Sn V Sn =Q Au L Au B Q Sn L Sn 式中, W 为重量, Q 为比重, L 为电镀层厚度。其中, Q Au 为19. 3, Q Sn 为7. 3。带入上式, 得到金锡电镀层厚度比为:

L Au B L Sn =1. 513U 1. 5

根据结构设计的要求, 将电镀金的目标值设定为2. 4L m, 电镀锡的目标值设定为1. 6L m 。由此计算出电镀工艺参数, 如表3所示。

表3 电镀工艺参数设置

Table 3 C alculated parameters f or electroplating 参数电镀厚度电镀电流密度电镀时间

电镀金2. 4L m 0. 1A /dm 2

39min

电镀锡1. 6L m 0. 4A /dm 2

8min

参照GB/T11378-2005方法, 对金属化薄膜厚度进行测试。每大片(50mm 方片) 取9个点进行测试, 电镀层厚度(S ) 如表4所示。大片内均匀性(U ) 根据下式确定:

max min

U =@100%

(S max +S min )

计算得到U Au 为3. 3%, U Sn 为5. 6%。

表4 电镀层厚度测试结果

Table 4 Measured thickness of the plated layer 序号123456789

金厚度/L m 2. 432. 472. 512. 352. 362. 452. 432. 502. 41

锡厚度/L m 1. 631. 671. 701. 591. 521. 571. 611. 641. 68

6 热处理

5 厚度均匀性的控制

为了尽量提高电镀厚度均匀性, 选用喷镀方式进行电镀金/锡薄膜的沉积, 并对镀槽结构进行优化, 镀槽结构如图3所示。图3中, A:阳极, B:镀液喷管, C:电力线屏蔽板, D:基片, E:溢流隔板, F:加热器, G:液位控制。另外, 有一个机械泵在工作过程中对电镀溶液进行循环过滤。结构C 的存在改善了基片表面的电流分布, 提高了电镀的均匀性; 结构C 开孔的大小以及在阴阳极之间的不同位置, 都

对镀层的均匀性有很大的影响。

为了形成共晶合金, 电镀金/锡双层膜需要在90%N 2/10%H 2的稳定气氛下进行热处理。热处理工艺温度曲线如图4

所示。

图4 热处理工艺温度曲线

F ig. 4 T emper ature ramping pr ofile for reflow pr ocess

在热处理过程中, 热板必须在大约3m in 以内

图3 电镀槽结构

Fig. 3 Structure of electro plating bath

加热到350e , 并在最高温度处保持大约10s 。试验发现, 在高温处的保温时间并不太关键, 因为即使保持更长的时间, 合金成分也基本不会发生变化。

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7 成分检测与可靠性测试

用Fischersco pe -XDLM -C4型X 射线荧光测试仪, 对制备的金锡合金薄膜进行分析, 结果如图5所示。从图5可以看出,

合金成分位于共晶点附近。

采用FZ1500型推力测试仪, 按图6所示的几个方向分别测试垫片、二极管及金丝的推(拉) 力。测试结果列于表5。

分析测试样品的失效模式, 推力测试后是在器件本体断裂, 键合拉力测试后是键合丝本身断裂。测试结果满足GJB548方法2011和2019的要求。

8 结论

共晶成分的金锡合金具有诸多优异性能。本文介绍了一种制备金锡合金的方法, 采用该方法在陶瓷基体上制备薄膜焊料; 对焊料的成分进行了检测, 对焊料的焊接性能和焊接可靠性进行了测试, 试验结果满足GJB548相关要求。

图5 金锡合金成分分析结果Fig. 5 Composit ion ana lysis o f A uSn alloy

参考文献:

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为了测试薄膜垫片的可靠性, 将带有金锡合金焊料的薄膜垫片焊接在基板上面, 然后在垫片上组装二极管, 焊接时不另外添加焊料, 焊接温度设定为

320e , 焊接时间为20~40s, 焊接时轻轻摩擦, 最后采用25L m 金丝键合。样品装配如图6

所示。

图6 金锡合金可靠性测试Fig. 6 Reliability test o f A uSn alloy 表5 金锡合金可靠性测试结果Table 5 Result of AuSn alloy reliability test 序号123456789

F1/N 8. 89. 38. 58. 18. 89. 69. 39. 49. 3

F2/N 17. 017. 219. 120. 418. 419. 518. 819. 619. 4

F3/g 8. 89. 48. 410. 28. 79. 38. 17. 58. 3

[5] NA K A HA RA S, M CCOY R J, BU EN E L, et al.

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作者简介:

刘 欣(1969) ) , 男(汉族) , 高级工程师, 工学学士, 1991年毕业于东南大学, 主要从事厚薄膜混合集成电路研究。