TWI419280B - 防止金屬遷移的電子封裝件 - Google Patents

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TWI419280B TW098101557A TW98101557A TWI419280B TW I419280 B TWI419280 B TW I419280B TW 098101557 A TW098101557 A TW 098101557A TW 98101557 A TW98101557 A TW 98101557A TW I419280 B TWI419280 B TW I419280B
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Cheng Heng Kao
Jinn P Chu
Hsin Yi Chuang
Chon Hsin Lin
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Description

防止金屬遷移的電子封裝件
本發明是有關於一種電子封裝件，特別是指一種防止金屬遷移的電子封裝件
參閱圖1，圖1是一般電子封裝件，包含一基板11、複數電連接塊12，及一電子晶片13，該基板11及該電子晶片13具有彼此對應之接點並藉由複數等對應於該等接點的電連接塊12彼此電連接。該基板11包括一具有複數焊接部112的預定電路111，及複數配合形成於該等焊接部112的焊墊113，該電子晶片13具有一預定之積體電路集合131，及複數與該積體電路集合131電連接的金屬墊132，該等電連接塊12為可導電且對應形成於該等金屬墊132上，該基板11的複數焊墊113則為與該等電連接塊12相對應並提供濕潤附著的焊接點，該等電連接塊12則分別對應該等焊墊113，經由高溫迴焊方式而將該電子晶片13藉由該等電連接塊12與該基板11電連接。
上述該電子封裝件的電連接塊12一般為由含錫(Sn)之焊料所構成，由於含錫的銲料與構成該預定電路111的銅在適度的反應下所生成的銅-錫介金屬化合物可提供介面間良好的鍵結力，因此銅-錫介金屬化合物的生成在該等電連接塊12與該基板11焊接的過程中扮演著重要的角色。然而，銅與錫的焊接點在歷經長時間、高溫之固-液反應(Reflow)，或在長時間的高溫儲藏下，則會因大量產生的銅-錫介金屬化合物，造成界面脆化而使應力沿著銅-錫介金屬化合物成長層斷裂，導致焊接點強度劣化。
為了防止因大量產生的銅-錫介金屬化合物產生所導致的焊接點強度劣化，目前常用的方法是將焊墊113結構改良，形成如圖2所示之多層金屬結構，一般最外層為金屬層114，其次為介於該金屬層114與該焊接部112之間，並以鎳為材料構成的擴散阻絕層115。該金屬層114的目的為促使電連接塊12與該金屬層114產生較大的濕潤性(wetting)，該擴散阻障層115目的在阻止該電連接塊12與該由銅為材料構成之焊接部112之間的快速溶解及擴散現象；利用鎳與錫的低反應性及消耗速率，而達到降低銅金屬擴散遷移的阻障目的，以抑制銅-錫反應後介金屬化合物之生成。
然而，該以鎳為材料構成之擴散阻絕層115，不僅會使得製造成本增加，且因該擴散阻絕層115是以化學鍍鎳方式形成，亦會造成污染問題，因此如何簡化製程降低成本及減低污染，則為在此領域研究者不斷努力研究的課題之一。
因此，本發明之目的，即在提供一種製程簡化且可防止金屬遷移的電子封裝件。
再者，本發明之另一目的，即在提供一種可防止金屬遷移的基板。
又，本發明之又另一目的，即在提供一種可防止金屬遷移的電子晶片。
於是，本發明一種防止金屬遷移的電子封裝件，包含至少一電子晶片、一基板、複數擴散阻絕層，及複數電連接塊。
該電子晶片，包括一積體電路集合，及複數與該積體電路集合電連接的金屬墊。
該基板具有一預定電路。
該等擴散阻絕層形成於該預定電路上，與該等金屬墊彼此對應，且包括至少一Cu100-x-y Rux Ny 之組成物，以原子百分比計，0＜x≦5，0＜y≦5。
該等電連接塊為可導電，對應形成於該等擴散阻絕層及金屬墊上，將該電子晶片與該基板電連接。
本發明一種防止金屬遷移的基板，可經由複數電連接塊電連接於一電子晶片，包含一預定電路，及複數擴散阻絕層。
該等擴散阻絕層配合形成於該預定電路上，包括至少一Cu100-x-y Rux Ny 之組成物，以原子百分比計，0＜x≦5，0＜y≦5，該等電連接塊為對應連接該等擴散阻絕層並與該電子晶片電連接。
本發明一種防止金屬遷移的電子晶片，可經由複數電連接塊電連接於一具有預定電路的基板，該電子晶片具有一積體電路集合，及複數金屬墊。
該等複數金屬墊為與該積體電路集合電連接，包括至少一Cu100-x-y Rux Ny 之組成物，以原子百分比計，0＜x≦5，0＜y≦5，且該等電連接塊為對應連接該等金屬墊並與該基板電連接。
本發明之功效在於：利用一具有Cu100-x-y Rux Ny ，以原子百分比計，0＜x≦5，0＜y≦5為材料構成之擴散阻絕層的電子封裝件，藉由該擴散阻絕層在高溫下與該等電連接塊之低反應性，及低消耗性的特性，而可有效抑制介金屬化合物之生成，因此可改善習知因介金屬化合物大量生成所導致的焊接點強度劣化問題。
有關本發明之前述及其他技術內容、特點與功效，在以下配合參考圖式之一個較佳實施例的詳細說明中，將可清楚的呈現。
在本發明被詳細描述之前，要注意的是，在以下的說明內容中，類似的元件是以相同的編號來表示。
參閱圖3，本發明防止金屬遷移的電子封裝件的較佳實施例為以覆晶封裝的電子封裝件，且係以一個電子晶片及其中一電連接塊的接點作說明。
該防止金屬遷移的電子封裝件包含至少一電子晶片2、一基板3、複數擴散阻絕層4，及複數電連接塊5。該電子晶片2與該基板3具有彼此對應之焊接點，該等電接塊5為將該基板3與該電子晶片2彼此電連接該電子晶片2，包括一具有保護層的基體21，及複數與該積體電路集合211電連接的金屬墊22，該積體電路集合211的製作方法為業界所周知且非為本發明之技術重點，因此不再多加贅述。
該等金屬墊22的製作方式為先在該基體21表面鍍上保護層以提供密封保護並防止焊料的任意潤濕，接著在該保護層對應該積體電路集合211的預定位置上開出導孔後再鍍上選自例如鉻、銅、金，Cu100-x-y Rux Ny ，以原子百分比計，0＜x≦5，0＜y≦5，或其中之一組合的材料後，即可形成複數與該積體電路集合211電連接的金屬墊22，以提供後續製程之黏著、擴散障礙、增進焊錫潤濕與防止氧化等功能。
於本實施例中該等金屬墊22是選自Cu100-x-y Rux Ny 所組成之合金材料所構成，且以x=0.4，y=1.7做說明，該以Cu100-x-y Rux Ny 所組成之合金構成之金屬墊22的製作方法為在內部設有一Cu-Ru靶材及引有氬氣及10%氮氣(Ar-10%N2 )混合氣體的磁控濺鍍系統中設置該基體21，在基準壓力(Base Pressure)實質為1x10-7 torr的條件下對該Cu-Ru靶材施以約150w的功率，並以約4.8nm/min的濺鍍速率在該等預定通孔上形成複數厚度為300nm的Cu100-x-y Rux Ny 金屬墊22。
該基板3具有一預定電路31，且該預定電路31具有複數焊接部311，該基板3可選自例如：一般印刷電路板(PCB)、金屬基印刷電路板(MCPCB)、陶瓷基板(Ceramic)等，於本實施例中該基板3為選自FR-4印刷電路板，該預定電路31為由銅為材料所構成，該等數焊接部311的位置則為與該等金屬墊22位置彼此對應，由於該基板3之預定電路31的製作方法為本技術領域者周知，且非為本技術之重點因此在此不再多加贅述。
該等擴散阻絕層4，配合形成於該每一焊接部311上，由包括至少一CuRux Ny ，以原子百分比計，0＜x≦5，0＜y≦5之組成物所構成；於本較佳實施例中該等擴散阻絕層4為由CuRux Ny 之組成物構成，且x=0.4，y=1.7做說明。
該等擴散阻絕層4的製作方法為在內部設有一Cu-Ru靶材及引有氬氣及10%氮氣(Ar-10%N2 )混合氣體的磁控濺鍍系統中設置該基板3，在基準壓力(Base Pressure)實質為1x10-7 torr的條件下對該Cu-Ru靶材施以約150w的功率，並以約4.8nm/min的濺鍍速率在該基板3的複數焊接部311上形成一層厚度實質為300nm的CuRux Ny 擴散阻絕層4。
該等電連接塊5為可導電，將該基板3及該電子晶片2彼此對應之該等金數墊22及擴散阻絕層4彼此電連接。於本較佳實施例中該等電連接塊5為由含3wt%的銀、0.5wt%的銅及平衡量之錫(Sn-3Ag-0.5Cu，商品名：SAC)的焊料所構成。
圖5、圖6中，◇表示該擴散阻絕層為以Cu100-x-y Rux Ny 組成物為材料，且該電連接塊為以錫為材料，△則表示無擴散阻絕層，該以錫為材料的電連接塊為直接接觸構成該預定電路的銅金屬。
參閱圖4、圖5，圖4是將該較佳實施例經過240℃，90秒，熱處理後之掃描式電子顯微鏡影像(SEM Image)，圖5則為將該較佳實施的擴散阻絕層與電連接塊在240℃的溫度條件，並於不同時間下量測擴散阻絕層與該電連接塊連接界面的消耗量。由圖4可看出，該擴散阻絕層在經過高溫的固-液反應過程後，仍可存在有完整的擴散阻絕層與電連接塊的界面，且在其界面間幾乎觀察不到介金屬化合物的生成，且由圖5的量測結果顯示，經熱處理後的擴散阻絕層消耗量極為緩慢(由圖5可知Cu100-x-y Rux Ny 在240℃，90秒的熱處理後由原300nm的厚度降為約100nm左右)，且較純銅之消耗速率約低一個數量級以上圖6為將上述本發明防止金屬遷移的電子封裝件的該較佳實施例，先經240℃，20秒的條件處理後，再持續在200℃的溫度條件下，於不同時間量測該擴散阻絕層與該電連接塊連接界面的厚度變化，由圖6的結果可知，以Cu100-x-y Rux Ny 組成物所構成的擴散阻絕層在經過240℃，20秒的固-液回焊熱處理後，再於200℃下之熱儲存條件下，可明顯看出由於Cu100-x-y Rux Ny 組成物在高溫條件(200℃)下的消耗速率及膜厚的變化極小，即，該以Cu100-x-y Rux Ny 為材料構成的防止金屬遷移的電子封裝件不僅在高溫下具有與錫的低反應性特性，且可抑制介金屬化合物的產生，而可改善習知因銅錫間介金屬化合物之生成所導致的焊接點強度劣化問題。因此，在高溫環境及儲存環境中仍可維持一良好的熱穩定性，而可有效的防止金屬遷移。
又值得一提的是，該擴散阻絕層也可直接形成在一具有預定電路的基板上，得到一具有防止金屬遷移的基板，該基板可直接取代如圖1或圖2所示之封裝件結構之基板，而可避免基板與電連接塊間之金屬遷移的問題。
又，再值得一提的是，上述該具有以Cu100-x-y Rux Ny 之組成物，以原子百分比計，0＜x≦5,0＜y≦5所構成之金屬墊的電子晶片，亦可直接取代如圖1或圖2所示之電子封裝件結構之電子晶片，由於該電子晶片的金屬墊具有低反應性及高溫穩定性，可防止金屬遷移而可避免電子晶片與電連接塊間之金屬遷移的問題。
綜上所述，本發明利用一具有以Cu100-x-y Rux Ny ，原子百分比計，0＜x≦5、0<y≦5為材料構成之擴散阻絕層的電子封裝件，藉由該擴散阻絕層在高溫下之低反應性，及低消耗性的特性，抑制介金屬化合物之生成，因此可改善習知因銅錫間介金屬化合物之生成所導致的焊接點強度劣化問題，故確實能達成本發明之目的。
惟以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍，即大凡依本發明申請專利範圍及發明說明內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。
2‧‧‧電子晶片
21‧‧‧基體
211‧‧‧積體電路集合
22‧‧‧金屬墊
3‧‧‧基板
31‧‧‧預定電路
311‧‧‧焊接部
4‧‧‧擴散阻絕層
5‧‧‧電連接塊
圖1是一示意圖，說明習知的電子封裝件；
圖2是一示意圖，說明習知具有擴散阻絕層的電子封裝件；
圖3是一示意圖，說明本發明防止金屬遷移的電子封裝件的較佳實施例；
圖4是一掃描式電子顯微鏡影像(SEM Image)，說明該較佳實施例經過熱處理後之擴散阻絕層與電連接塊的界面影像；
圖5是一擴散阻絕層的消耗速曲線圖，說明該較佳實施例在240℃的溫度條件，於不同時間下該擴散阻絕層的消耗速率；及
圖6是一擴散阻絕層的厚度變化曲線圖，說明該較佳實施例經240℃，20秒的條件處理後，再持續在200℃的溫度條件下，於不同時間量測該擴散阻絕層的厚度變化。
2．．．電子晶片
21．．．基體
211．．．積體電路集合
22．．．金屬墊
3．．．基板
31．．．預定電路
311．．．焊接部
4．．．擴散阻絕層
5．．．電連接塊

Claims (2)

  1. 一種防止金屬遷移的電子封裝件，包含：至少一電子晶片，包括一積體電路集合，及複數與該積體電路集合電連接的金屬墊，該等金屬墊包括至少一Cu100-x-y Rux Ny 之組成物，且以原子百分比計，0<x≦5，0<y≦5；一基板，具有一預定電路；複數擴散阻絕層，配合形成於該預定電路，與該等金屬墊相對應，且包括至少一Cu100-x-y Rux Ny 之組成物，以原子百分比計，0<x≦5，0<y≦5；及複數電連接塊，為可導電，對應形成於該等擴散阻絕層及金屬墊上，將該電子晶片與該基板電連接。
  2. 一種防止金屬遷移之電子晶片，可經由複數電連接塊電連接於一具有預定電路的基板，包含：一積體電路集合；及複數金屬墊，與該積體電路集合電連接，包括至少一Cu100-x-y Rux Ny 之組成物，以原子百分比計，0<x≦5，0<y≦5，且該等電連接塊為對應連接該等金屬墊並與該基板電連接。
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