[发明专利]具有改进的机械可靠性和热可靠性的半导体装置

说明书

技术领域

本发明涉及具有镀铜接触垫的半导体装置且在加速应力测试下解决其可靠性。

背景技术

在用于表面安装组合件的半导体装置封装中，球栅阵列(BGA)封装越来越普遍。其可用于许多消费者产品并有助于当前的小型化趋势。分布在整个封装区域上的焊料元件提供大量输入/输出端子。另外，焊料元件提供具有非常低的故障率(“6西格玛处理”)的板附接技术的机会。

然而，最近存在影响BGA封装的挑战性要求。仅举一些例子来说：越来越要求焊料元件不含铅(出于环境考虑)；这个要求造成冶金学挑战。接触垫将铜作为其基底金属；这种选择对焊料元件形成冶金学接口挑战。封装组件的特征尺寸不断减小对以可接受的残存率通过加速应力测试形成新的障碍；举例来说，在高温下且在潮湿环境中的加速寿命测试变得更具挑战性。含有BGA封装的装置产品正散布到越来越多的消费者应用；通常，这些应用形成更严格或甚至全新的验收测试。作为最近的实例，无线电话应用引发对于经受住电话跌落测试的要求，以便证实BGA封装的焊料接点在测试之后仍是可靠的。

发明内容

申请人认识到需要一种灵活但成本低且稳固的方法来制造具有焊料接点的装置(尤其是半导体封装)，使得接点给予所述装置应用专有的机械和热可靠性且所述装置将通过产品专项测试。

本发明的一个实施例是一种具有由特定区域的接触垫和在垫区域上以冶金学方式附接到接触垫的合金层制成的焊料接点的装置。接触垫的表面具有铜。合金层在接触区域上包括铜/锡合金和铜/镍/锡合金。铜/锡合金包括Cu₆Sn₅金属间化合物。铜/镍/锡合金包括(Ni，Cu)₆Sn₅金属间化合物。包括锡的焊料元件在垫区域上以冶金学方式附接到合金层。

以铜/锡合金为主的第一合金有助于将跌落测试性能改进到由具有铜垫的焊料接点实现的最佳水平。以含镍合金为主的第二合金通过减缓老化条件而有助于改进寿命测试性能。

一种形成上述实施例中的合金区的所需数目、分布和厚度的优选方法是在铜接触垫上方沉积具有预定厚度的薄镍层，将含锡焊料元件附接到镍层，且根据选定时间-温度曲线回流焊料。

在本发明的另一实施例中，合金层可包括金或钯。

附图说明

图1说明具有用于外部连接的焊料元件的球栅阵列(BGA)型半导体装置的示意性横截面图。

图2是衬底的部分“A”(图1)的示意性横截面图，其展示焊料元件附接之前的接触垫的细节。

图3是衬底的部分“A”(图1)的示意性横截面图，其展示焊料元件回流之后的接触垫的细节。

图4是焊料接点的部分“B”(图3)的示意性横截面图。

图5说明具有薄镍层的铜触点的时间-温度曲线的实例，其用以回流锡焊料且形成铜/锡和镍/锡、镍/铜/锡合金区。

具体实施方式

图1示意性说明球栅阵列(BGA)半导体装置大家族中的代表。半导体芯片101通过使用用于机械附接的芯片附接材料103和用于电连接的接合线104而组装在衬底102上。组合件通常囊封在模制化合物105中。

衬底102具有一个或一个以上图案化金属层以用于内部互连(图1中未展示)，以尤其在线脚接合点106与接触垫107之间形成连接线以用于外部连接。金属层由绝缘层分开。焊料元件108附接到接触垫107。这种焊料附接在各种测试和使用条件下的可靠性值得特殊考虑。

图2和图3更详细地展示装置的部分“A”。图2说明焊料元件208回流之前的装置接触垫，且图3说明回流工序之后的装置接触垫。在图2中，衬底102具有绝缘表面层201，其通常称为焊料掩模。已经在焊料掩模201中打开具有宽度202的窗口，其暴露衬底的互连涂敷金属210的一部分，且因此界定接触区域。涂敷金属210由铜制成，且所暴露铜的区域由焊料掩模窗口的宽度202确定。

在所暴露铜的区域上方沉积镍层211；另外，贵金属(例如金或钯)层212沉积在所述镍层上方。在此实施例中，镍层的厚度在约0.01与0.3μm之间；优选厚度范围为0.12±0.04μm。金层的厚度在约0.1与1.0μm之间；优选厚度范围为0.5±0.25μm。

焊料回流元件208含有锡；另外，其可含有选自由铅、银、铋、铟、锌、铜、镍和锑组成的群组的金属中的一者或一者以上。对于本实施例中的镍层厚度来说，回流元件208中的锡和其它回流金属的量比镍的量大得多。