[发明专利]一种铜六锡五全IMC微凸点的快速制造方法

说明书

一种铜六锡五全IMC微凸点的快速制造方法，涉及三维封装互连制造。提供可解决三维封装大互连间隙无铅耐高温微凸点难以快速制造及微凸点性能与可靠性不佳等一系列技术难题，工艺简单、成本低廉、且可快速形成高性能与高可靠性的一种Cu₆Sn₅全IMC微凸点的快速制造方法。形成的互连微凸点是以Cu₆Sn₅优选取向晶粒为主体的完全IMC结构。

技术领域

本发明涉及三维封装互连制造，尤其是涉及一种优选取向铜六锡五(Cu₆Sn₅)界面结构的制造方法，及基于上述结构形成高性能与高可靠性全IMC微凸点的技术方案。

背景技术

微凸点(μ-Bump)互连是先进三维封装(3D Packaging)制造工艺的关键连接技术之一，该技术与传统平面集成封装常用的Sn球互连工艺如BGA(Ball Grid Array)、FC(FlipChip)等一脉相承，其互连本质均为伴随有界面IMC(Intermetallic Compound)生成的Sn/Cu润湿反应。一般来说，Sn/Cu润湿反应生成的IMC主要包括Cu₆Sn₅和Cu₃Sn。Cu₆Sn₅是润湿反应的先导产物和主体产物，在一般软钎焊条件下(250℃加热1min)，其晶粒尺寸可达3～5μm；Cu₃Sn缓慢生成于Cu₆Sn₅与Cu的固态界面，在相同条件下其晶粒生长尺寸只有100～200nm。相较于传统BGA或FS所用互连Sn球(直径>80μm)，微凸点互连采用尺寸极小的Sn镀层结构(5～25μm)；这种微细结构显著的提升了互连密度，然而也加剧了尺度与界面效应，造成以少数Cu₆Sn₅晶粒为主体的界面IMC层占微凸点的体积比急剧增加。考虑到IMC与Sn的物理、力学性能差异较大，其中Cu₃Sn的综合性能略优于Sn，而Cu₆Sn₅的综合性能却远逊于Sn，所以以少数Cu₆Sn₅晶粒为主体的界面IMC层占微凸点的体积比增加，将导致微凸点的电、热、力学性能恶化且不同凸点的性能差异巨大，从而对三维封装器件的性能与可靠性造成恶劣影响。

另外，由于三维封装采用多层芯片垂直堆叠，微凸点中的Sn镀层需要在一次熔化过程中完全转变为高熔点的IMC结构，防止未转变的Sn镀层在后续芯片的重熔堆叠过程中发生坍塌。不过，由于Cu₆Sn₅晶粒生长速度随熔化时间延长而逐渐放缓；当互连间隙超过10μm时，实现以Cu₆Sn₅为主体的全IMC微凸点所需时间超过数十分钟。显然长时间互连操作无法满足三维封装的快速制造工艺要求，所以如何快速实现以Cu₆Sn₅为主体的全IMC微凸点已成为三维封装微凸点互连技术面临的重要挑战。

中国专利CN201310648319.0公开的一种单一取向Cu₆Sn₅金属间化合物微互连焊点结构的制备及应用方法和中国专利CN201510409778.2公开的一种高温封装用Cu₆Sn₅基单晶无铅焊点的定向互连方法，主要是解决了如何获得性能一致的微凸点结构；中国专利CN201610391373.5公开的一种低温连接高温使用Cu/Sn/Cu钎焊界面的制备方法及结构主要关注于如何实现全IMC互连结构；中国专利CN104862701A公开一种采用多层微米、亚微米薄膜快速制备可高温服役全IMC微焊点的方法，关注于如何通过减少互连间隙从而实现大互连间隙全IMC互连结构的快速制造。不过，上述公开或授权专利并没有充分考虑IMC对互连微凸点的性能与可靠性的影响，更没有解决高性能与高可靠性全IMC微凸点的快速制造难题。

发明内容