TWI404588B

TWI404588B - 一種控制銲點結構中錫晶體結構取向的方法

Info

Publication number: TWI404588B
Application number: TW100123896A
Authority: TW
Inventors: Cheng En Ho; Bo Zong Chen; Chih Nan Chen
Original assignee: Univ Yuan Ze
Priority date: 2011-07-06
Filing date: 2011-07-06
Publication date: 2013-08-11
Also published as: TW201302364A; US8702878B2; US20130008288A1

Description

一種控制銲點結構中錫晶體結構取向的方法

本發明提出一種可控制錫晶體結構取向(crystal orientation)的方法，適於大幅提升微電子銲點(solder joints)之可靠度。

銲接(soldering)係利用銲料(solder)將兩相對配置的金屬進行金屬化銜接的一種加工。一般用於電子工業之銲料係以錫(Sn)為主體，再加上其它金屬元素，以組成二元或多元合金，例如錫鉛合金、錫鋅合金、錫鉍合金、錫銦合金、錫銻合金、錫銅合金、錫銀合金、錫銀銅合金、錫銀鉍合金等。常見之接合金屬，主要為銅(Cu)。

在電子產品之日常使用時，部份作為電流通路的銲點可能因通電而承受極高的電流密度。在此情況下，銲點中之金屬原子受大量電子的撞擊，而造成原子循電子流方向進行擴散。此一因電子流所造成之擴散遷移現象一般稱為電遷移(electromigration)。銲點電遷移所造成之材料缺陷如下：(1)金屬銲墊(如銅銲墊)快速消耗；(2)銲料形變。以銲料形變為例，銲料中之金屬原子因受電流應力(current stress)推擠，金屬原子會由陰極端遷移至陽極端，故造成陽極端產生凸起物(hillock)，而在陰極端留下凹陷(valley)或孔洞(void)。在情況嚴重時，銲點就會因此短路或斷路，而造成電子元件的失效。

為了解決銅銲墊過度消耗的問題。常見的技術是在銅銲墊上，再額外鍍上鎳或鎳(磷)之表面處理層(surface finish)，以阻止銅直接與銲料相接觸。這是基於鎳是很好的擴散阻絕層(diffusion barrier)，能阻止大量的銅直接溶入銲料中。同時鎳亦可減緩易脆之銅-錫介金屬(intermetallic compound，IMC)的過度生長。然而，鎳膜有一定厚度，使得鎳銲墊終究難逃電遷移的破壞。當鎳層被消耗殆盡時，底下的銅也隨之被快速消耗，造成電子元件內層線路斷路或過多易脆的介金屬於銲料點中增生。

此外，銲料中加入銀亦可提升銲點抵抗電遷移的效果。然而，銀屬於貴重金屬，因此當銲料中含有銀時，將導致材料成本提高。此外，"Journal of Alloys and Compounds ,352 ,p.226,2003"一文中亦提到，當銲料中的銀含量在3.2 wt.%以上時，銀板(Ag₃ Sn plates)易形成於銲料中而導致銲料的機械特性劣化。

因此為了兼顧(1)避免金屬銲墊被大量消耗；(2)避免銲料形變；(3)避免銀板產生；以及(4)減低製造成本等考量，銲料中各成份的含量控制，已成為微電子製造中重要的課題。

本發明提供一種控制銲點結構中錫晶體結構取向的方法，可控制錫晶體之[001]軸實質平行於金屬銲墊與銲料之接合界面。具有此一特定錫晶體取向之銲點結構，可避免金屬銲墊因電遷移而被大量消耗。此外本發明可避免通電時產生的銲料形變以及於銲料中形成銀板等問題，且其具有較低的材料成本。

本發明提出一種控制銲點結構中錫晶體結構取向的方法，其適用於銲料與金屬銲墊的接合。銲料包含錫與銀。此方法藉由控制銲料中的銀含量，以控制銲料中錫晶體的[001]軸實質平行於銲料與金屬銲墊的接合界面，其中銲料中的銀含量大於等於2.5 wt.%且小於3.2 wt.%。

依照本發明實施例所述之控制銲點結構中錫晶體結構取向的方法，上述之銲料成份還可以包含銅或其它微量金屬元素。

依照本發明實施例所述之控制銲點結構中錫晶體結構取向的方法，上述之金屬銲墊的材質例如為銅基金屬或鎳基金屬。依照本發明實施例所述之控制銲點結構中錫晶體結構取向的方法，上述之銲料的銅含量大於等於0 wt.%且小於等於1.5 wt.%。

基於上述，本發明銲料之銀含量為大於等於2.5 wt.%，且小於3.2 wt.%。銲料接合後，可控制錫晶體之[001]軸實質平行於金屬銲墊與銲料的接合界面。具有此一特定錫晶體取向之銲點結構，除可降低金屬銲墊因通電所導致的大量消耗外，同時亦能減低通電所造成的銲料形變，並避免銲料內部產生銀板，以及可達到降低材料成本等目的。

為了讓本發明之上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明。

本發明提出一種具有特定銀含量的銲料，其以錫為主體，其中銀含量大於等於2.5 wt.%，且小於3.2 wt.%。

此外，在另一實施例中，本發明的銲料還可以包含銅或其它微量金屬元素，其中銅用以降低銲料的液化溫度，並增進銲料之機械特性。銅含量例如是大於等於0 wt.%，且小於等於1.5 wt.%。當本發明的銲料與金屬銲墊進行接合後，在通電時，可以有效避免金屬銲墊因電遷移而被大量消耗，且可防止銲料形變等問題。以下將對此作進一步說明。一般來說，金屬銲墊的材質例如是銅基金屬或鎳基金屬。在以下實例中，銲料係與兩銅銲墊進行接合，銲料中的銀含量為0 wt.%至4 wt.%。銀含量為0 wt.%時，以純錫(pure Sn)表示。銀含量為1 wt.%且銅含量為0.5 wt.%時，則以Sn1Ag0.5Cu表示，以此類推。但本發明並不以此為限，銲料亦可接合於其它金屬元件間。

在以錫為主體的銲料中，當銲料接合於二金屬銲墊間，其係以固態錫存在。固態錫在13℃至其熔點(約232℃)間以體心正方(body center tetragonal，BCT)結構存在，一般稱之為beta(β)-錫。β-錫晶體結構，如圖1所示。在β-錫結構中，其單位晶格在[001]方向之長度約為3.18埃()，而在[100]與[010]方向之長度約為5.83埃。故[001]軸一般也稱為短軸。相對的，[100]與[010]軸則稱為長軸。圖2為不同銀含量之銲料於銲接後，將銲點先行剖半，接著再輔以電子背向散射繞射(electron backscattered diffraction，EBSD)得到β-錫結晶取向(crystal orientation)。此圖係由正向(normal direction，ND)角度，對銲點內之β-錫結晶方位進行觀察。另外，圖中TD(transverse direction)則表示平行金屬銲墊與銲料界面之方向；RD(rolling direction)則表示垂直金屬銲墊與銲料界面之方向。圖中之顏色深淺則代表錫晶體結構的取向不同。顏色越暗，錫晶體之[001]軸越平行於TD(或垂直RD)。相反的，顏色越亮，則錫晶體之[001]軸越垂直於TD(或平行RD)。由圖2可以清楚看出，當銲料不含銀時，錫晶體之[001]軸的方向為任意方向之不規則排列。隨著銀含量的增加，錫的排列逐漸趨向一致。當銲料之銀含量大於等於2.5 wt.%，β-錫結晶方位幾乎一致，而呈錫晶體之[001]軸實質平行於TD(或金屬銲墊與銲料的接合界面)。由此一實施例可知，利用銀含量係可控制錫晶體取向；當銀含量大於等於2.5 wt.%時，錫晶體取向趨於一致，此時錫晶體之[001]軸實質平行於金屬銲墊與銲料的接合界面。

此外，當銲料之銀含量較高時(例如實施例之Sn4Ag0.5Cu銲料)，可明顯看到銲料內部將產生許多銀板(Ag₃ Sn plates)。而當銀含量減少至3.2 wt.%以下時(例如實施例之Sn3Ag0.5Cu銲料)，則銀板就會因此減少。由此可知，利用本發明所提之銀含量範圍(亦即大於等於2.5 wt.%，且小於3.2 wt.%)，當銲點在形成後，錫晶體取向非但可被控制，且銲料中亦不會有不利於銲點機械特性之銀板產生。

圖3為銲點通電後，再輔以光學顯微鏡(optical microscope，OM)，對銲點微結構進行觀察。由於本發明的銲料，在與銅銲墊接合後，可控制錫晶體之[001]軸實質平行於金屬銲墊與銲料的接合界面。具有此一特定錫晶體取向之銲點結構，在通電48小時後，銅銲墊可避免被大量消耗，如圖3所示。相反的，錫之晶體結構取向未被控制的銲點(即銀含量小於2.5 wt.%)，銅銲墊則會因通電而被大量消耗。此外，在圖3中，當銲料銀含量大於3.2 wt.%時，亦可明顯看出銲料中形成銀板。綜合上述，使用本發明之銲料(銀含量大於等於2.5 wt.%且小於3.2 wt.%)與銅銲墊進行銲接後，銅銲墊不易因通電而被大量消耗，且銲料內部也不會形成不利銲點之銀板。

圖4為通電後銲料之銀含量與銅銲墊耗損厚度之關係圖。由圖4可知，銲料之銀含量達2.5 wt.%時為降低銅銲墊耗損厚度的臨界值。亦即當銲料中之銀含量大於等於2.5 wt.%時，電遷移所造成之銅銲墊耗損可以被有效降低。

另外，對於接合於銅銲墊之間的銲料來說，當銲料中的銀含量大於等於2.5 wt.%，可有效地避免在通電時發生形變的問題。圖5為銲點在通電16小時後，利用雷射共軛焦顯微鏡(confocal laser scanning microscopy，CLSM)所拍攝之銲料表面輪廓圖。其中銲點之平均電流密度為8500安培/平方公分(A/cm² )。經過此圖以灰階表示不同高度差，當銲點產生凸起時，以亮色表示。反之，當銲點產生凹陷或孔洞時則以暗色表示。如圖5所示，在通電16小時後，銀含量小於2.5 wt.%的銲料產生了大幅形變。然而，銀含量大於等於2.5 wt.%的銲料，在通電16小時後，銲料區域幾乎不受電遷移影響，亦即未產生大幅形變。此時僅有部分區域，因銅-錫介金屬相(phase)的產生，而有凸起現象。由此可知，採用本發明的銲料(銀的含量大於等於2.5 wt.%且小於3.2 wt.%)與銅銲墊進行接合後，經通電後的銲料不致大幅形變，且銲料中亦不會形成銀板。

另外值得一提的是，在本發明中，銲料之銀含量控制在大於等於2.5 wt.%且小於3.2 wt.%。由於高價格的銀在銲料中的含量能降低至小於3.2 wt.%，因此銲料的成本可獲得控制。就成本效益而言，較佳的銀含量為2.5 wt.%。

綜上所述，在本發明中，由於銲料之銀含量大於等於2.5 wt.%，因此當本發明的銲料接合於金屬銲墊間時，可達到下列優點。在通電後，可以有效避免銲料形變，且避免金屬銲墊因電遷移而產生大量消耗的問題。此外，由於本發明之銲料銀含量小於3.2 wt.%，因此也可以避免銲料中形成銀板，且可降低銲料成本。因此，本發明可同時具有避免金屬銲墊被大量消耗、避免銲料形變、避免銀板產生，以及降低生產成本等功效。

雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作些許之更動與潤飾，故本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

圖1為β-錫單位晶格的示意圖。

圖2為以電子背向散射繞射(electron backscattered diffraction，EBSD)所得到之β-錫結晶取向(crystal orientation)。

圖3為通電48小時後利用光學顯微鏡(optical microscope，OM)所拍攝之銲點微結構。

圖4為銲料之銀含量與銅銲墊耗損厚度之關係圖。

圖5為通電16小時後利用雷射共軛焦顯微鏡(confocal laser scanning microscopy，CLSM)所拍攝之銲料表面輪廓圖。

Claims

一種控制銲點結構中錫晶體結構取向的方法，適用於一銲料與一金屬銲墊的接合，該銲料包含錫與銀，其中藉由控制該銲料中的銀含量，以控制該銲料中錫晶體的[001]軸實質平行於該銲料與該金屬銲墊的接合界面，其中該銲料中的銀含量大於等於2.5 wt.%，且小於3.2 wt.%。
如申請專利範圍第1項所述之控制銲點結構中錫晶體結構取向的方法，其中該銲料更包含銅或其它微量金屬元素。
如申請專利範圍第1項所述之控制銲點結構中錫晶體結構取向的方法，其中該金屬銲墊的材質包括銅基金屬或鎳基金屬。
如申請專利範圍第2項所述之控制銲點結構中錫晶體結構取向的方法，其中銅的含量大於等於0 wt.%，且小於等於1.5 wt.%。