TW386048B - Ternary solder for the enhancement of C-4 Fatigue life - Google Patents

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Giulio Digiacomo
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Description

發明説明（ 發明背景 1. 發明範圍 2發明有關於具有改進疲勞壽命性質之焊料，尤其有關 於使用焊料以谇咖之丄· 九共百關 於、乘垃It 成份中的c_1連接。焊料也顯示相對 早破垓眭、t 卞（⑻，因而延遲焊料接點之最 干硬壞時足使用時間。 2. 相關專利案 4=接合材料如電子結構成份已廣為業者所知。在 有許多結構都要求連接其他類似結構或接到其他 ::寺、.及’例如包括將積體電路晶片裝金屬基體；將可裝 數個晶片的介面卡裝在電路板上以提供 了簡化本發明的說明及一致性，㈣金 各寺為 丨，兄月曰肘，、針對用控制崩 視印片連接（C-4)技術製造的電子成份作說明。 是由_開發“於替代接線的_種互連技術， ^ 或户個積體電路晶片裝在單一或多層基體 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 -- ' . C (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂 上，而晶片上的墊則電的連接到基體上的墊，方式是用= 數個稱為烊料凸塊的電氣連接。—種區域陣列： 平方栅陣列，其編丨中心上11C_4塾長χπ塾寬；—置二 mil ¥料凸塊位於柵中的每一交又點上，除了一般為了定 的而替代之外。-種常用晶片是電路”晶片上即是— 電恥"，其在29 X 29區域陣列中有762個C-4焊料凸塊。 C-4技術也延伸到其他應用而且現在用於混合模組應用 中的薄膜電阻與複合晶片。此應用的焊料墊在直徑上是極 大約25 1^1。在其他應用上，（>4已用於接合(^知波導中的 1 本紙張尺舰财_ 規格（2_Γ〇χ297公整） 五、發明説明（2) ::確連接輿對準。已知最密的區域陣列是在約2mil中心上 m⑶imil凸塊陣列’其可產生画個塾。 C 4技術利用BB片上可濕性的金屬端沉積電的焊料凸 ::上谭料可濕性端的匹配腳印。倒置晶“正 與基m且同時料料凸塊的找流㈣而作 的接點。晶片上的流動受限於球限冶金（b塾， 其大致是蒸發薄膜金屬如路、銅、金的圓形塾，以提ς密 合以及焊料凸塊的可焊料傳導基。一種蒸發焊料的極厚沉 積電可當成晶片與基體之間的主傳導與接合材料。 鎔點是選擇C-4焊料合金的考慮之一，錯焊料特別是％ =5 Sn已廣泛用於㈣基體因為其具有約贼的高錐點。 Έ：在晶片連接上的使用充許其他要用於模组至介面卡，或 介面卡至母板封包等級的低鎔點焊料都不必再熔化晶片上 的C-4。。中鎔點焊料如鎔點最低的幻Sfl/37 pb (鎔點⑻。c )和 約220°C的50Pb/50In鎔點都已使用了。在等馬拉和里馬茲編 輯的微電子封包手冊，1989，Van N〇strand Reinh_ p36⑽ 中C 4日曰片土封包互連以及c-4技術中使用的一般焊料都 作了說明，其在此併供參考。 雖然有許多技術可用以形成墊與焊料凸塊，金屬罩蓋 技術疋目削取$使用的，BLM與焊料蒸發通過金屬罩蓋中 的孔而沉積為晶圓表面上的墊陣列。可用Cr_Cu_M說明一 種典型的BLM多層結構及例子。一典型蒸發器可具有許多 個具有熱能的金屬電荷，該熱能由電阻，電感或電子束產 生·先热發Cr以.附著在純化層’’並形成銘的焊料反應障礙 -5- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 五、發明説明（3 ) 阻要营络發Cr與Cu的相層以提供多重重溶流佈的電 接者是純Cu層以形成可鎔冶金。接著提供一塊金作 作=保護層’雖然錯與錫通常在相同的電荷（單溶池）， ::先沉積較南蒸發壓力成份pb ’接著形成鉛上的錫。Η 周圍鋼中的㈣流怖在約峨溶化並使墊的性質相同， ::焊料凸塊形成其圓球形。光刻處理與光刻及金屬罩蓋 的合併是日漸廣泛用於製造端子的方法。 ，一旦BLM ’ TSM(要接合的基體的上表面冶金）與焊料在 :位，而使用C-4技術使晶片與基體接合的技術是較直接 自/烊料流不論是高料料用的水白樹脂，其具有低錯的 =鎔性焊料流與其他低特料，—般都置於錢上作為暫 ^付者劑以便將晶片定位。這種組裝接著作重㈣佈熱猶 %，其中晶片上的塾與基體會自對齊，這是因為焊料的言 表面張力’以冤成組裝。—旦完成晶片接合操作，即 這㈣劑如氯化義或二甲苯來清料料流㈣餘物 著對組裝作電氣測試。 较 如上所述新技術持續增加每一裝置的c_4互連數目，與 或晶片大小，2者都會影響焊料互連的應力。當晶片’ M/ 越舍時，咼輸入/輸出計數值會驅動端子的區域陣列 20 mm晶片上155000個墊。這導因於墊數增加而墊大小與2 間減少時，新技術會在焊料接合點上產生大的 ’、空 焊料需要符合這些類型互連的疲乏需求β 〜’而新 要記住這些習用的問題與缺失，因此本發明的目 提供一種具有改進疲勞壽命性質之焊料。 ’疋 6 - 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) Α4規格（21〇χ297公釐） (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) "裝 訂 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 A7 -: 〜-------Β7— 五、發明説明（4~ ~--- '本發明之另-目的是提供一種使用本發明特別定義的 万去以製造焊料互連，尤其是互連。 本發明之又一目的是提供電子結構，尤其是使用本發 明方法而製造的C-4包含結構。 從以下專利說明中可以了解本發明之其他目的與優 點〇 發明之概述 本發明可實現熟於此技術者了解的上述與其他目的，其 入改進之抗疲乏烊料有關，可有效的用於接合電子成份包 含：約1-3 %重量之錫’最好是約丨_2 %的錫，約w %重量 之銀’取好是約1-2 %的銀及大致均衡之錯。較佳地，悍 料包含錫的量約1.25%-1、75%，最好是約1.4%_ 1.6%，如1.5% 而銀的量約1.25%-1.75% ’最好是約1.4%-1.6%如1.5 %。 本發明之另一特徵是提供一種方法以便於電子成份中製 造焊料電氣互連，特別是C-4互連，其包含以下步騾： 施加焊料到電子成份之第一基體之一表面，而焊料包含： 約1-3 %重量之錫’最好是約丨_2 %的錫，約丨_3 %重量之 銀’最好是約1-2 %的銀及大致均衡之鉛； 將要接合之電子成份之第二基體表面帶入第一基體以便與 焊料接觸；及 將接觸基體加熱到一溫度其足以在基體之間形成焊料互 連0 本發明之另一特徵是要接合之電子成份係多層陶基體與 半導體晶片。 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） — (請先閱讀背面之注意事項再.填寫本頁) ;裝· 訂
、發明説明（5) 經濟部中央標隼局員工消費合作社印製 本發明<7 份。 又一特徵是也提供由上述方法製造之電子成 附圖之簡單說明 二：：申請專利範圍可明了本發明之特徵係新穎的， 並= 性有獨特性。以下附圖僅供說明目的 並配I附厂广、’惟本發明本身藉由參考以下^細說明 πσ附圖，即可完全明了，其中： 和：1 攄疋常態圖形，以顯示破壞循環之間的關係， 和一對數'常態圖形，以顯示破壞循環之間的關係， 、根據C-4叶异出的累加百分破壞率，以比較本發明合金 《17 X 17腳印晶片中的c_4接合點與習用合金。 圖3是-對數-線性圖形，以顯示每—晶片丹累如百分比 p與場循環之間的關係，以比較本發明合金 金。 較佳具體實例之詳細說明 在此參考圖Μ以說明本發明之較佳具體實例，其中相 同數字表示本發明之相同特徵。本發明之特徵不必按照照 圖的尺寸。 ' 本發明之焊料包含：約；1_3%重量之銀，最好是約Μ% 的銀’約1-3%重量之錫，最好是約Q。/。的錫而餘下的均° 為包括一般雜質之鉛。較好是使用純鉛。最好的是使用包 含下列成份的合金··約1.25%-1.75%的銀，約125%_175% 5 -8 - 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) Μ規格（210Χ 297公釐） (请先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) >装- A7
經濟部中央標準局員工消費合作社印製 的Γ餘下的均為錯，其具有極佳的焊科，包含約n1.6。/。 龙击’約1·4%-1·6%的錫’而餘下均為M。—種特定合金， j佳是因為顯示出有效性，其係一種焊料包含：約15% 9踢，約1.5%的銀與其餘含量之鉛。 :明纟金之形成係藉由將組成份熔合混合物以 二成固態焊料。固態時，合金具有相似的結構，包含分饰 :基材的細密分離之A&Sn析出物，其由電子繞射分析決 ^ °析出物一般為片狀，大小是1〇〇 nm厚，25〇哪的直 ^由私子顯微鏡決定。於形成AgsSn相時發現銀已完 全消耗或反應，而Agjn析出物相的物質分佈被認為是較 快發生，以及固化時無未反應的銀留在固態焊料中。剩餘 錫仍保持在鉛的溶液中。 ' 田〇金在融熔虑時，各銀，錫與鉛以其元素形式出現， 本發明 < 合金通常藉由一般使用的蒸發技術從熔化狀態中 施加到要接合的電子成份的墊中。蒸發一般是以合金=填 單一金屬藉由鉬屏蔽完成，惟也可將3種金屬施加在墊表 面上。蒸發後，發現3個金屬變成層狀而在墊面上形成鉛 層，中間錫層與覆蓋的銀層。因成份的相對蒸發壓力而形 成這些層。當焊料在升高的溫度如35〇它重溶流佈 (reflow)時’即形成具有相似結構的三元合金，其包本 細分的Agjn析出物’而焊料則形成半圓球形。會形成— 些金屬間化合物成份，這是因為重熔流佈過程的結果，其 中成份與墊面上的金屬起反應。金屬間化合物成份附著於 金屬表面’但微量的金屬間化合物則溶於焊料基材中。例 本纸張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） ~-I ''J 裳--- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 A7 : _________ B7·、 五'發明説明（7) * 如右銅與金在墊金屬化狀態f則會形成銅錫與/或金錫金 ，間化合物成份。此外其他金屬成份如鎳也形成鎳锡金屬 奶合物而出現於焊料相。未發現這些金屬間化合物成份在 貝有任何重要景> 響如焊料接合點的疲乏。惟將可了解 =疋因為關係與接合操作，而通常使得原來蒸發的三元合 金成為較複雜的合金，這是由金屬墊上出現的成份而定。 已發現使甩本發明的焊料可提供焊接點如c_4接合以具 有比S用焊料作出的焊料接合更長的疲勞壽命。在容許破 壞等級中疲勞壽命的疲乏改進一般比習用合金大2至3 倍，該習用常甩於製造焊料接合。使用本發明焊料所提供 的另一可觀的利益是低的σ值（破壞次數的標準差）。這表 示第/入破壞不會發生2000循環後，而會發生於6〇〇〇循環 後此改進疋很重要的，因為一次C-4破壞即超過技術容 許範圍的。因此C7極限的緊度（低值）在使電子成份破壞次 數極小化上是一種極為重要的因子。可假設A&Sn析出物 於控制¥料晶粒大小結構的焊料固化過程中角色為孕核位 置，並為運傳權的障礙物，此裂缝傳播在破壞機構屬於速 率控制。Agjn析出物會大量減慢焊料接合中的裂缝傳 播，其也導致緊密的標準差限線。 本發明焊料的另一優點是焊料的其他需求性質都沒有受 到負面影響如腐蚀，金屬遷移，電氣遷移等。伴隨著晶界 的微析出物使得缺陷的傳播更為困難，因而其疲勞破壞以 最小分散含蓋於緊密分佈中^ C_4焊料凸塊中析出物的密 度估計為重量的2 %，這是根據完全反應的銀與錫成分。 -10- 本纸張尺度適用中國國家樣準（CNS ) A4規格（2〗0X297公釐） (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁} '11— I I I I I ! 1^ ^ n ------\J^------- m-— · A7 B7 五、發明説明（8) 本發明的焊料與習用錯_3%錫控制焊科 ;移測試，方法是在各種電壓下將晶片C-4偏壓。在2種Ϊ 、人中，遷移的金屬是錯，這種用水滴作水浸人的測試一般 ^子工業中’用作決定那—金屬會易於或是在最壞的可 ，下有遷移的性質。該結果顯示若任何金屬遷移的發 ^疋導因於極端的水凝情況而產生的缺陷或過程的殘餘 =而它就是鉛遷移。這些結果確認合金成份如銀與锡的 中，遷:多在化：物形式中，或是在具有基材的固態溶液 或疋以^里細微的分離相中，是不被預期或是不可能 .二以電子顯微鏡分析樹枝狀結晶沒顯示任何銀或錫。在 情況巾’金屬遷移測試與電氣偏塵下的t/h(溫度/渴 ^是在以下條件下進行，即饥舰RH(相對濕度）情況 用TCM(熱#導模組)以及施加5伏的電|。三元結果與 制在低百勿t匕中相比稍具優勢’該百分比才是我 論的。 。本發/月焊料的另一優點是提供的焊料接合的長疲勞壽命 ^以精由棱组封裝或是不藉由它而達到，與/或藉由未填 读的树脂或不藉由它而達到。模组的密封與/或使用未填 么勺树知般疋用於延長成份的壽命，而具有改進疲勞壽 I二三元焊料與低口性質的使用，會免除這種技術的需求 俨 电子成伤的筹命。當然若這種技術是使用本發明的 二料而應用’則可以達到更加改進的成份壽命性質。 %例 本發明的焊料是與習用鉛焊料相比，該鉛焊料包含1%的 -11 - 2,0X297^ ) 請 ▲ 閱 讀 背 意 事 項 再 % 本 頁 裝 訂 經濟一郅中夬標芈局員工消費合作·社印製 本紙張尺度適 A7 A7 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 B7 五、發明説明（9 ) 鎮，3%的錫與〇_5%的錫，及鉛焊料，其包含〇2%的錫與 2 %的鉍。晶片上測試的焊料具有約6 mm的DNp (至中性點 距離）。 評估的結果圖1所示，其明顯示本發明的合金與習甩合 金相比具有極高數目的循環對破壞比，此外其也顯示本發 明的極限遠小於顯示更有效焊料的其他焊料。 疲乏測試以外的測試如可濕性（WetabUity)測試’腐蝕測 4與金屬的遷移都顯示本發明的焊料與習用焊料相同比， 具有令人滿意的肖業測試結果。±述例子中的類似疲乏測 試也在晶片上作，其具有從60到大於1〇0mil的。用斗點 探針作C-4電阻測量以及3〇姆歐的破壞標準。測量的電阻 僅係C-4，而非接觸電阻或電路部分。當偵測的約4〇%的 所有焊料ΰ塊都已破;1裒（最南的DNp )，則在3〇_循環時中 止測試。每1500循環重覆作電阻測量測試於每一合金的約 100個晶片與約6000 C-4中。結果如圖2所示，其再度明確 顯示本發明焊料的優越性，這是以循環至破壞比的數目以 及低σ極限。 \本發明的焊料與習用3%的錫鉛焊料於疲乏上作比較， 每一合金的33個晶片於儲存晶片在氮中1〇〇〇小時後接合到 各基體，基體從0到则。C，每天48循環，作3〇〇〇〇循環的 循％。在每簡循環間距中作4點電阻測量，結果如圖3所 不，其中二兀焊料比鉛_ 3 %錫合金具有2倍以上的疲勞壽 命。極限也約只有二元控制的一半。在WC/8i%rh下作 5000小時的腐蚀測試’其顯示三元至少與錯_3%錫悍料的 -12- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) •I 1¾衣------ΐτ------λ----'__i I I «« 本纸浪尺度it财關家轉（格（ 替 五、發明説明（10) 抗腐蝕力相同。 =已用特定較佳具體實例說明本 於此技♦者可以從上述說明中作 ，很明顧的，熟 因此後附令請專利範圍之目的在包正及變化。 與精神之任柯的這種替代、修正及^:本發明之真範固
(請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁} 經濟部中夬標準局員工消費合作社印製 13- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210x297公釐）

Claims (1)

  1. 申請專利範圍 經濟部中央標隼局員工消費合作社印製 1. 一種改進之抗疲乏烊料，可古 f行τ有效接合電子成份，該燁料 包含·· 1-3 %重量之錫，丨_3 %舌 、 1·5/〇重量 <銀，而餘下量均為 鉛其中該焊料包含分怖於整個缚科之Α以s η。 2. 如申請專利範圍第！項之焊料，其中該錫係」_2 %而該銀 係 1-2 % 。 3. 如申請專利範園第2項之煤料 。又坪杆，其中錫係1.25-1.75%而銀 係 1.25-1.75%。 4. 如申請專利範圍第3項乏，度 矛貝之烊枓，其令錫係1·4%-1·6%而銀 係 1.4%-1.6 % 〇 5. 一種於第一基體上之墊與對應第二基體上之墊間製造電 子成份之焊料凸塊.電氣互連之方法，包含以下步驟： 施加焊料到電子成份之第—錢之―表面，而焊料 包含，· 1""3%重量之錄，IQ。/壬θ、 ^ 1-3 /β重I炙銀，而餘下量均為 鉛； 將要接合之第二基體墊與對應的第一基體之墊及凸 、塊對齊；·及 將，觸對齊之第一與第二基體加熱到—溫度其足以 在孩第一與第二基體墊之間形成焊料互連，其中該焊 料包含分佈於整個焊料之Ag3Sn。 6. 如申4專利範圍第5項之方法，其中該第—基體係半導 體晶片，而第二基體係多層陶瓷。 7. 如申清專利範圍第6項之方法，其中該锡係邮而該銀 係 1-2 %。 -14 - 本紙張尺度_巾_家標?297公羡） ϊ HI In I - i v—ii I— I - -\ (#先聞讀背面之注意事項再填寫本頁) ----、耵------J.--------------
    申請專利範圍 經濟部中央標隼局員工消費合作社印製 1. 一種改進之抗疲乏烊料，可古 f行τ有效接合電子成份，該燁料 包含·· 1-3 %重量之錫，丨_3 %舌 、 1·5/〇重量 <銀，而餘下量均為 鉛其中該焊料包含分怖於整個缚科之Α以s η。 2. 如申請專利範圍第！項之焊料，其中該錫係」_2 %而該銀 係 1-2 % 。 3. 如申請專利範園第2項之煤料 。又坪杆，其中錫係1.25-1.75%而銀 係 1.25-1.75%。 4. 如申請專利範圍第3項乏，度 矛貝之烊枓，其令錫係1·4%-1·6%而銀 係 1.4%-1.6 % 〇 5. 一種於第一基體上之墊與對應第二基體上之墊間製造電 子成份之焊料凸塊.電氣互連之方法，包含以下步驟： 施加焊料到電子成份之第—錢之―表面，而焊料 包含，· 1""3%重量之錄，IQ。/壬θ、 ^ 1-3 /β重I炙銀，而餘下量均為 鉛； 將要接合之第二基體墊與對應的第一基體之墊及凸 、塊對齊；·及 將，觸對齊之第一與第二基體加熱到—溫度其足以 在孩第一與第二基體墊之間形成焊料互連，其中該焊 料包含分佈於整個焊料之Ag3Sn。 6. 如申4專利範圍第5項之方法，其中該第—基體係半導 體晶片，而第二基體係多層陶瓷。 7. 如申清專利範圍第6項之方法，其中該锡係邮而該銀 係 1-2 %。 -14 - 本紙張尺度_巾_家標?297公羡） ϊ HI In I - i v—ii I— I - -\ (#先聞讀背面之注意事項再填寫本頁) ----、耵------J.-------------- 386048 一—--'申請專利範圍 A8 B8 ' CS 〇8 ~·' *— 經濟部中央揉隼局員工消費合作社印製 &如申請專利範圍第7項之方法，其切料包含i25_i75% 之錫與1.25-1.75 %之銀。 — 9·如申請專利範圍第7項之方法，其中焊料包含购 之錫與1.4-1.6%之銀。 10.-種用於接合電子元件之增強疲勞抵抗性烊料，包括 重量百分比i-3%之錫，b3%之銀，而餘下量均為 錯，其中該焊料是由像化各組成份並形成—燦融混合 物後冷卻該混合物所形成，形成之該焊料具有均質的 結構，其包含分佈,於烊料結構中之細微分離之_sn 析出物。 如申請專利範園第10項之焊料，其中該⑽析出物呈 片狀。 如申請專利範圍第㈣之烊料，纟中該料中的銀係 完全反應成Ag3Sn析出物。 A如申請專利範圍第10項之焊料，纟中該銀、錫與鉛係 一起熔化，而該焊料係以蒸發法藉由一屏蔽施加於一 基體上，以在該基體上形成積層，該積層包括一鉛 層、一中間錫層及一覆蓋銀層，當該焊料Hi下重 熔流佈時，這些層就形成一具含有細微分離 析出物的均質結構三元合金。 ” ；.-vr裝-- (請先閱讀背面之注意事碩再填寫本頁) 訂 -15-
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