TWI415978B - 抑制錫鬚晶生長的方法 - Google Patents

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Description

抑制錫鬚晶生長的方法
本發明係與一種抑制錫鬚晶生長的方法有關，特別係與一種用於在電子元件封裝技術的接合結構上抑制錫鬚晶生長的方法有關。
在目前的電子元件封裝技術中，主要是以銅或鐵鎳合金，來作為提供晶片承載以及晶片與印刷電路板之間電性連接的導線架，由於這兩種導線架材料與印刷電路板之間的接合狀況不佳，因此就需要在導線架表面披覆銲錫鍍層，以協助導線架和印刷電路板之間的接合作用。
傳統上是以錫鉛合金做為導線架表面披覆的銲錫鍍層，但由於鉛具有毒性，對環保不利，因此目前多以無鉛銲料取代傳統的錫鉛銲料，然而，無鉛銲料在室溫下會產生自發性的錫鬚晶(tin whisker)生長。當錫鬚晶成長到一定長度，其將會連接導線架的兩個相鄰的引腳，而導致短路現象發生，並且在錫鬚晶成長至接近兩個相鄰引腳之間距時，就會有尖端放電的現象產生，而其所產生的火花會導致封裝的電子元件失效。
目前抑制錫鬚晶生長的方法主要有三種：
1.改變銲錫鍍層厚度：使用厚度小於0.5μm或是大於20μm的銲錫鍍層來抑制錫鬚晶生成，但是較厚的銲錫鍍層在微細化的製程中容易形成架橋現象，並增加短路發生的風險；而較薄的銲錫鍍層會使得其之如抗腐蝕性、穩定性等等的功能性減低。
2.利用合金鍍層作為阻障層：在銲錫鍍層與銅基材之間形成一層鎳或銀作為阻障層，來抑制錫鬚晶生長。然而，考慮到熱膨脹係數的影響，此方法之多層金屬或介金屬相層的組合仍會產生壓縮應力，並造成錫鬚晶生長。
3.結構退火處理：將銲錫鍍層與銅基材的結構同時以低於錫熔點(231.89℃)的溫度進行退火處理，以抑制錫鬚晶生長，但是此結構經過低於錫熔點的退火處理後，將會加速介金屬化合物(intermetallic compound；IMC)的生成，而使得銲錫鍍層的可接合度減少，並降低引腳的可銲性。此外，銲錫鍍層在退火過程中，其表面會產生變色，並影響可銲性。
因此，業界亟需要一種可以抑制錫鬚晶生長的方法，其可以避免上述方法的缺點，並達到有效抑制錫鬚晶生長之目的。
本發明提供一種抑制錫鬚晶生長的方法，其係在金屬基材表面先形成錫層，然後對表面披覆錫層的金屬基材進行退火處理，此方法可有效抑制錫層的錫鬚晶生長。
依據本發明之實施例，其提供一種抑制錫鬚晶生長的方法，包括：提供金屬基材，於金屬基材的表面上形成錫層覆蓋，並且對表面覆蓋有錫層的金屬基材進行退火處理，其中該退火處理的溫度係介於400℃至600℃之間，且錫層表面並無錫鬚晶產生。
為了讓本發明之上述目的、特徵、及優點能更明顯易懂，以下配合所附圖式，作詳細說明如下：
本發明之抑制錫鬚晶生長的方法係先在金屬基材的表面鍍上錫層，然後對表面披覆錫層的金屬基材結構進行退火處理，此退火處理的溫度係介於400℃至600℃之間，藉此可抑制錫層的錫鬚晶生長。
請參閱第1圖，其係顯示依據本發明一實施例之抑制錫鬚晶生長的方法流程圖。首先，在步驟S100中提供金屬基材，在本發明之實施例中，此金屬基材可以是銅或鐵鎳合金。
接著，在步驟S102中於金屬基材的表面上形成錫層披覆，在本發明之實施例中，金屬基材表面所披覆的錫層可以是利用電鍍的方式來形成之無鉛全錫層，其可以是霧錫(matte tin)或亮錫(bright tin)。錫層的厚度可以是大約落在3μm至20μm之間。
然後，在步驟S104中對表面披覆錫層的金屬基材結構進行退火處理，此退火處理的溫度範圍係介於約在400至600℃之間，在本發明之實施例中，退火處理的時間可約為2分鐘至60分鐘，較佳地為2分鐘至30分鐘。
接著，對該表面披覆有鍍錫層的金屬基材結構進行測試，將此結構放置於最適合錫鬚晶生長的溫度下(亦即60℃的環境中)，進行加速測試500小時，觀察錫層是否有錫鬚晶生長，結果顯示本發明之方法可有效抑制錫鬚晶生長。
錫鬚晶的生長是一種不可逆的連續性應力產生及連續性應力釋放的結果，其會在錫鍍層表面自發生成錫單晶體，亦即錫鬚晶，錫鬚晶係突出於錫鍍層表面。錫鬚晶生長最主要的驅動力為壓縮應力，其來源可包括鍍錫層內部應力以及外在應力。內部應力的產生主要來自電鍍過程中雜質原子的影響、鍍錫層與金屬基材之間的熱膨脹係數不匹配、錫表面的氧化物生成致使其之體積變化，以及在金屬基材與鍍錫層之間的相互擴散作用所產生的介金屬化合物(intermetallic compound,IMC)所造成。外部應力的產生可能為置放時鍍錫層之間的擠壓，或是鍍錫層表面受到外部壓力所造成，此外，鍍錫層刮痕、電鍍元件置放的環境條件、鍍錫層厚度、結晶狀態以及電鍍條件等均會影響錫鬚晶的生成。
本發明之實施例係先在金屬基材的表面鍍上錫層，接著對表面具有鍍錫層的金屬基材結構進行溫度介於400至600℃之間的退火處理，以使得金屬基材表面上的錫層可以充分融化，再進行重新排列，因此可避免金屬基材表面上的錫層產生內部應力，並藉此可有效抑制錫鬚晶的生成。
此表面具有錫層披覆的金屬基材可以作為電子元件封裝體的接合元件，而使得電子元件例如晶片與外部電路例如印刷電路板產生電性連接，其可以應用在表面黏著技術(surface mount technology；SMT)或針通孔(pin through hole；PTH)的接合技術中，以作為導線架(lead frame)的引腳材料，或是作為覆晶(flip-chip)接合的球柵陣列(ball grid array；BGA)結構。
請參閱第2圖，其係顯示在依據本發明之一實施例中，電子元件封裝體利用表面具有錫層披覆的金屬基材，來作為導線架的引腳材料之剖面示意圖。如第2圖所示，電子元件封裝體200中具有包埋於其中之例如晶片(未繪出)的電子元件，並且利用導線架的引腳202來使得晶片與印刷電路板產生電性連接，其中引腳202的本體202a可由銅形成，並且在引腳本體202a的表面上披覆有錫層202b。接著，對表面具有錫層202b披覆的引腳202進行溫度介於約400至600℃之間的退火處理，藉此可避免錫層202b產生錫鬚晶。
請參閱第3圖，其係顯示在依據本發明之另一實施例中，電子元件封裝體係利用表面具有錫層披覆的金屬基材，來作為覆晶接合的球柵陣列結構之局部剖面示意圖。如第3圖所示，首先在矽基底300上形成例如為銅的基材302以作為導電墊，矽基底300可以例如是其上形成有晶片的基底，然後在銅基材302的表面鍍上錫層304。接著，對第3圖的結構進行溫度介於約400至600℃之間的退火處理，藉此可避免錫層304產生錫鬚晶。
以下將藉由所列舉之各實施例與比較例，來說明本發明之抑制錫鬚晶生長的實施方法及其結果：
下述各實施例與比較例的結構之局部剖面示意圖係如第4圖所示，其係以銅片作為基材402，並在基材402表面上電鍍霧錫層404，其中各實施例的結構係經過溫度介於約400至600℃之間的退火處理，而各比較例的結構則未經過退火處理。將各實施例與各比較例的結構放置於60℃的環境中進行加速測試500小時後，觀察錫層404是否有錫鬚晶產生。
【實施例1-2】
將銅片以研磨及拋光處理，使其表面平滑並除去表面的氧化物及污染物，然後分別以電流密度為5及10Amp/dm2 (ASD)的電鍍條件，在銅片表面鍍上霧錫層，其可以得到霧錫層厚度分別為5μm及6μm之實施例1-2的霧錫/銅結構。接著，在550℃的高溫爐中對實施例1-2的霧錫/銅結構進行2分鐘的退火處理。之後，將經過退火處理後的實施例1-2之霧錫/銅結構置於室溫下冷卻，並以掃描式電子顯微鏡觀察霧錫層表面，結果顯示實施例1-2之經退火處理的霧錫層表面平坦，未出現較突出的結晶結構。
將實施例1-2的霧錫/銅結構放置於60℃的烘箱中進行加速測試500小時，然後藉由掃描式電子顯微鏡(scanning electron microscope；SEM)觀察霧錫層，結果顯示實施例1-2的霧錫層表面皆無錫鬚晶產生。
實施例1-2的霧錫層之掃描式電子顯微鏡照片分別如第5圖及第6圖所示。
【比較例1-2】
將銅片以研磨及拋光處理，使其表面平滑並除去表面的氧化物及污染物。接著，分別以電流密度為5及10Amp/dm2 (ASD)的電鍍條件，在銅片表面鍍上霧錫層，得到霧錫層厚度分別為5μm及6μm之比較例1-2的霧錫/銅結構。以掃描式電子顯微鏡觀察霧錫層表面，結果顯示比較例1-2在未經過退火處理的霧錫層表面，會具有較突出的結晶結構。
接著，將比較例1-2的霧錫/銅結構直接放置於60℃的烘箱中進行加速測試500小時，然後藉由掃描式電子顯微鏡(scanning electron microscope；SEM)觀察霧錫層，結果顯示比較例1-2的霧錫層表面有錫鬚晶產生，並且在電鍍電流密度較小(5ASD)下，所形成的霧錫層之錫鬚晶生成量較多。
比較例1-2的霧錫層之掃描式電子顯微鏡照片分別如第7A圖及第8A圖所示，且第7A圖及第8A圖的局部放大圖分別如第7B圖及第8B圖所示。
由各實施例與各比較例之鍍錫層的掃描式電子顯微鏡觀察結果可得知，經過溫度介於約400至600℃之間退火處理的霧錫/銅結構，可以有效抑制霧錫層的錫鬚晶生長。
本發明之抑制錫鬚晶生長的方法可以應用在任何需在金屬基材上形成錫層，並且需抑制錫鬚晶生長的結構上，例如在印刷電路板的銅基材表面的電鍍錫層之結構，或是在矽基底表面的銅墊表面上之電鍍錫層的結構，或者在晶片封裝體的導線架之銅引腳表面的電鍍錫層之結構，其中金屬基材與鍍錫層係一起經過退火處理，以抑制錫鬚晶的生長。
雖然本發明已如上所述地揭露較佳實施例，然而其並非用於侷限本發明，任何熟悉此項技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可做些許更動與潤飾，因此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。
S100-S104．．．抑制錫鬚晶生長的方法之各步驟
200．．．電子元件封裝體
202．．．導線架的引腳
202a．．．引腳本體
202b、304、404．．．鍍錫層
300．．．矽基底
302、402．．．金屬基材
第1圖係顯示依據本發明一實施例之抑制錫鬚晶生長的方法流程圖。
第2圖係顯示依據本發明一實施例之電子元件封裝體的導線架之引腳材料的剖面示意圖。
第3圖係顯示依據本發明另一實施例之覆晶接合的球柵陣列結構之局部剖面示意圖。
第4圖係顯示依據本發明各實施例與各比較例的結構之局部剖面示意圖。
第5圖係顯示依據本發明實施例1之霧錫層的掃描式電子顯微鏡照片。
第6圖係顯示依據本發明實施例2之霧錫層的掃描式電子顯微鏡照片。
第7A圖係顯示依據本發明比較例1之霧錫層的掃描式電子顯微鏡照片。
第7B圖係顯示第7A圖的局部放大圖。
第8A圖係顯示依據本發明比較例2之霧錫層的掃描式電子顯微鏡照片。
第8B圖係顯示第8A圖的局部放大圖。
S100-S104．．．抑制錫鬚晶生長的方法之各步驟

Claims (13)

  1. 一種抑制錫鬚晶生長的方法，其包括：提供一金屬基材；於該金屬基材的表面上形成一錫層覆蓋；並且對表面覆蓋有該錫層的該金屬基材進行一退火處理，其中該退火處理的溫度係介於400℃至600℃之間且該退火處理的時間係介於2分鐘至60分鐘，且其中該錫層並無錫鬚晶產生。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之抑制錫鬚晶生長的方法，其中該金屬基材包括有銅或鐵鎳合金。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之抑制錫鬚晶生長的方法，其中該退火處理的時間係介於2分鐘至30分鐘。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之抑制錫鬚晶生長的方法，其中該錫層的形成方式包括電鍍作用。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之抑制錫鬚晶生長的方法，其中該錫層的厚度係介於3μm至20μm之間。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之抑制錫鬚晶生長的方法，其中該錫層係為無鉛全錫層。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之抑制錫鬚晶生長的方法，其中該錫層包括霧錫或亮錫。
  8. 如申請專利範圍第1項所述之抑制錫鬚晶生長的方法，其中在該退火處理的步驟後，進一步包括將表面覆蓋有該錫層的該金屬基材，放置於60℃下進行熱處理500小時，其中該錫層並無錫鬚晶產生。
  9. 如申請專利範圍第1項所述之抑制錫鬚晶生長的方法，其中表面覆蓋有該錫層的該金屬基材，係被用來作為一電子元件的封裝體與一外部電路之間的一接合結構。
  10. 如申請專利範圍第9項所述之抑制錫鬚晶生長的方 法，其中該電子元件包括一晶片，且該外部電路包括一印刷電路板。
  11. 如申請專利範圍第9項所述之抑制錫鬚晶生長的方法，其中該接合結構包括一導線架的引腳，或是一覆晶接合的球柵陣列結構。
  12. 如申請專利範圍第1項所述之抑制錫鬚晶生長的方法，其中於該退火處理的步驟前，進一步包括將該金屬基材形成於一矽基底上，以及形成該覆蓋於該金屬基材的表面上之錫層。
  13. 如申請專利範圍第12項所述之抑制錫鬚晶生長的方法，其中該矽基底、該金屬基材以及該錫層係一起進行該退火處理步驟。
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