TWI496683B - 可抑制錫鬚晶生長之非晶材料結構 - Google Patents

Description

可抑制錫鬚晶生長之非晶材料結構

本發明係關於一種應用於電子元件封裝技術中的抑制錫鬚晶生長的方法，尤指以金屬玻璃薄膜為中間層的一種可抑制錫鬚晶生長之非晶材料結構。

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，並且，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。

有鑑於此，一種抑制錫鬚晶生長的方法係被提 出。請參閱第一圖，係習用的一種抑制錫鬚晶生長的方法的流程圖；並且，請同時參閱第二圖，係由抑制錫鬚晶生長的方法所製成的一多層材料結構的示意圖。該抑制錫鬚晶生長的方法主要包括3個步驟：如第一圖與第二圖所示，首先，該方法係執行步驟(S01’)，提供一鐵鎳合金基材202’，其中，該鐵鎳合金基材202’中鎳的重量百分比係介於42wt%至60wt%之間；接著，係執行步驟(S02’)，在該鐵鎳合金基材202’的表面上形成一鎳層204’，且該鎳層204’的厚度係介於1μ m至2μ m之間；最後則執行步驟(S03’)，在該鎳層204’上形成一錫層206’，其中該鎳層204’的厚度係介於3μ m至20μ m之間；如此，該鎳層204’係可抑制應力於錫層206’之中產生，藉此方式進一步地抑制該錫層206’的錫鬚晶的生長，進而避免錫鬚晶於該錫層206’之表面上產生。

如此，經由上述之方法，吾人可以得知的是，藉由在銅/錫介面中置入一層厚度介於3μ m至20μ m之間的電鍍鎳層作為中間層(underlayer)，係的確可以有效防止錫鬚晶於錫表面之上產生。然而，另一方面，吾人必須考慮的是厚度最高達20μ m電鍍鎳層會造成電子元件封裝的整體成本的增加。

因此，有鑑於習用的抑制錫鬚晶生長的方法仍具有缺點與不足，本案之發明人係極力加以研究發明，終於 研發完成本發明之一種可抑制錫鬚晶生長之非晶材料結構。

本發明之主要目的，在於提供一種可抑制錫鬚晶生長之非晶材料結構，其主要係以一金屬玻璃薄膜取代習用的抑制錫鬚晶生長的方法所採用的厚錫層，進而以低製程本的方式有效地改善Cu/Sn介面之間的相互反應及錫鬚晶的生成。

因此，為了達成本發明上述之目的，本案之發明人提出一種可抑制錫鬚晶生長之非晶材料結構，其係為一金屬玻璃薄膜，並形成於一金屬基材與一錫層之間；其中，非晶質(amorphous)的該金屬玻璃薄膜(Thin Film Metallic Glass,TFMG)係作為一中間層以阻擋該金屬基材與該錫層介面之間的相互反應，進而成功且完全地阻止錫鬚晶之生成。

如上所述之可抑制錫鬚晶生長之非晶材料結構，較佳地，該金屬玻璃薄膜為一鋯基金屬玻璃薄膜(Zr-based metallic glass)，其係由一鋯材料與一鎳材料依一定的原子百分比所組成，且其厚度係介於0.05μ m至0.2μ m之間。

並且，如上所述之可抑制錫鬚晶生長之非晶材料 結構，該金屬玻璃之組成係更包含一鈦材料，且該鋯材料、該鈦材料與該鎳材料於該金屬玻璃之中的原子百分比分別為46at%、26at%與28at%。

此外，如上所述之可抑制錫鬚晶生長之非晶材料結構，較佳地，該金屬玻璃之組成係更包含一銅材料與一鋁材料，且該鋯材料、該銅材料、該鋁材料、與該鎳材料於該金屬玻璃之中的原子百分比分別為51.7at%、32.3at%、9at%與7at%。

<本發明>

1‧‧‧可抑制錫鬚晶生長之非晶材料結構

10‧‧‧外部導電基材

101‧‧‧附著力改善層

11‧‧‧金屬基材

12‧‧‧中間層

13‧‧‧錫層

<習知>

S01’~S03’‧‧‧方法步驟

202'‧‧‧鐵鎳合金基材

204'‧‧‧鎳層

206'‧‧‧錫層

第一圖係習用的一種抑制錫鬚晶生長的方法的流程圖；第二圖係由抑制錫鬚晶生長的方法所製成的一多層材料結構的示意圖；第三圖係本發明之一種可抑制錫鬚晶生長之非晶材料結構的側面剖視圖；第四圖係可抑制錫鬚晶生長之非晶材料結構的X-光繞射分析圖；第五圖係不具金屬玻璃中間層之金屬基材與錫層之材料結構的側面剖視圖；第六圖係一對照組與一實驗組之材料結構的掃描式電子顯微鏡表面微結構影像圖；以及 第七圖係該對照組與該實驗組之材料結構的SEM表面微結構影像圖。

為了能夠更清楚地描述本發明所提出之一種可抑制錫鬚晶生長之非晶材料結構，以下將配合圖式，詳盡說明本發明之較佳實施例。

請參閱第三圖，係本發明之一種可抑制錫鬚晶生長之非晶材料結構的側面剖視圖。如第三圖所示，本發明之可抑制錫鬚晶生長之非晶材料結構1係其係為一金屬玻璃薄膜，並形成於一金屬基材11與一錫層13之間；其中，非晶質(amorphous)的該金屬玻璃薄膜(Thin Film Metallic Glass,TFMG)係作為一中間層12以阻擋該金屬基材11與該錫層13介面之間的相互反應，進而成功且完全地阻止錫鬚晶之生成。本發明中並不對該金屬玻璃薄膜之實施態樣加以限制，因此，金屬玻璃薄膜之實施態樣可以是：鋯基金屬玻璃薄膜(Zr-based metallic glass)、釔基金屬玻璃薄膜(Y-based metallic glass)、釩基金屬玻璃薄膜(V-based metallic glass)、鈦基金屬玻璃薄膜(Ti-based metallic glass)、鉭基金屬玻璃薄膜(Ta-based metallic glass)、釤基金屬玻璃薄膜(Sm-based metallic glass)、鐠基金屬玻璃薄膜(Pr-based metallic glass)、鉑基金屬玻璃薄膜(Pt-based metallic glass)、鈀基金屬玻璃薄膜(Pd-based metallic glass)、鎳基金屬玻璃薄膜(Ni-based metallic glass)、釹基金屬玻璃薄膜(Nd-based metallic glass)、鎂基金屬玻璃薄膜(Mg-based metallic glass)、鑭基金屬玻璃薄膜(La-based metallic glass)、鉿基金屬玻璃薄膜(Hf-based metallic glass)、鐵基金屬玻璃薄膜(Fe-based metallic glass)、銅基金屬玻璃薄膜(Cu-based metallic glass)、鈷基金屬玻璃薄膜(Co-based metallic glass)、鈰基金屬玻璃薄膜(Ce-based metallic glass)、鈣基金屬玻璃薄膜(Ca-based metallic glass)、金基金屬玻璃薄膜(Au-based metallic glass)、或者鋁基金屬玻璃薄膜(Al-based metallic glass)。

本發明係以鋯基金屬玻璃薄膜(Zr-based metallic glass)為最佳實施態樣，並以一鋯材料及一鎳材料為主要組成成分，進而以一定的原子百分比將該鋯材料與該鎳材料製成該金屬玻璃薄膜。更佳地，該金屬玻璃薄膜之組成成分必須更包含一鈦材料，並且使得該鋯材料、該鈦材料與該鎳材料於該金屬玻璃薄膜之中的原子百分比分別為46at%、26at%與28at%；如此，Zr₄₆ Ti₂₆ Ni₂₈ 之金屬玻璃中間層(underlayer)即形成於該金屬基材11與該錫層13之間，且其可有效防止錫鬚晶產生於該錫層13之表面上。

除了Zr₄₆ Ti₂₆ Ni₂₈ 之最佳實施態樣外，該金屬玻璃中間層12係更包含一第二最佳實施態樣，即，將一銅材 料與一鋁材料加入於該金屬玻璃薄膜之主成分(即，鋯材料與鎳材料)之中，使得該鋯材料、該銅材料、該鋁材料、與該鎳材料於該金屬玻璃薄膜之中的原子百分比分別為51.7at%、32.3at%、9at%與7at%，如此，Zr_51.7 Cu_32.3 Al₉ Ni₇ 之金屬玻璃中間層即形成於該金屬基材11與該錫層13之間，且其可有效防止錫鬚晶產生於該錫層13之表面上。於此，必須補充說明的是，無論是Zr₄₆ Ti₂₆ Ni₂₈ 之金屬玻璃中間層或者Zr_51.7 Cu_32.3 Al₉ Ni₇ 之金屬玻璃中間層，兩者之厚度範圍皆係介於0.05μ m至0.2μ m之間；並且，兩者之最佳厚度皆為0.1μ m。

必須補充說明的是，該金屬基材11係形成於一外部導電基材10之上；並且，眾所周知的是，在目前的半導體製程技術與電子元件封裝技術中，主要係以導電性金屬來作為焊接金屬墊或者晶片與印刷電路板之間電性連接的導線架；因此，於本發明中，並不限定金屬基材11與外部導電基材10之實施態樣，在一般的應用中，金屬基材11可以是銅、銅合金、鐵、鐵合金、金、或者金合金；並且，外部導電基材10可以是半導體晶圓(例如矽晶圓)、導線架、與印刷電路板。並且，如第三圖所示，製程上通常會於金屬基材11與外部導電基材10之間形成一附著力改善層101，例如於金屬銅與矽晶圓之間形成一鈦層，以藉此附著力改善層101增加金屬基材11與外部導電基材10 之間附著力。並且，除了金屬鈦之外，該附著力改善層101也可以由金屬鉬或者金屬鉻製成。

如此，經由上述之說明，本發明之可抑制錫鬚晶生長之非晶材料結構1之所有可能的實施態樣(包含最佳實施態樣)皆已被清楚、完整地說明；以下，將藉由各種實驗數據證明本發明之可抑制錫鬚晶生長之非晶材料結構1的可行性。請參閱第四圖，係該可抑制錫鬚晶生長之非晶材料結構的X-光繞射(X-ray diffraction,XRD)分析圖。如第四圖所示，XRD結果顯示無論是Zr₄₆ Ti₂₆ Ni₂₈ 金屬玻璃薄膜與Zr_51.7 Cu_32.3 Al₉ Ni₇ 金屬玻璃薄膜皆為非晶結構；並且，如第四圖中的內嵌圖所示，差示掃描量熱儀(Differential Scanning Calorimetry,DSC)的結果顯示，Zr₄₆ Ti₂₆ Ni₂₈ 與Zr_51.7 Cu_32.3 Al₉ Ni₇ 薄膜的玻璃轉變溫度(Tg)分別為466℃和465℃，且其結晶化溫度(Tx)則分別為502℃和510℃，由此可進一步確認這兩種薄膜確實為金屬玻璃薄膜。

請再重複參閱第三圖，並請同時參閱第五圖，係不具金屬玻璃中間層之金屬基材與錫層之材料結構的側面剖視圖。如第五圖所示，為了比較金屬基材11-金屬玻璃中間層12-錫層13之材料結構以及金屬基材11-錫層13之材料結構的錫鬚晶現象的差異，吾人係以一個以錫層13-金屬基材11-附著力改善層101-外部導電基材10為構成之材料結構為對照組，並以第三圖之錫層13-金屬玻璃中間層12- 金屬基材11-附著力改善層101-外部導電基材10為構成之材料結構為實驗組來進行實驗。

請參閱第六圖，係對照組與實驗組之材料結構的掃描式電子顯微鏡(Scanning Electron Microscopy,SEM)表面微結構影像圖。如第六圖之圖(a1)-圖(a3)所示，經過5天、12天與33天的室溫時效熱處理(Aging treatment)後，係發現對照組之材料結構的錫層的表面上係產生了許多的錫鬚晶。相對地，如第六圖之圖(b1)-圖(b3)所示，經過5天、12天與33天的室溫時效熱處理後，可發現以(Zr₄₆ Ti₂₆ Ni₂₈ )金屬玻璃薄膜作為中間層之實驗組之材料結構的錫層的表面上並沒有產生任何的錫鬚晶；並且，同樣地，如第六圖之圖(c1)-圖(c3)所示，經過5天、12天與33天的室溫時效熱處理後，以(Zr_51.7 Cu_32.3 Al₉ Ni₇ )金屬玻璃薄膜作為中間層之實驗組之材料結構的錫層的表面上也沒有產生任何的錫鬚晶。

為了更加確認本發明之可抑制錫鬚晶生長之非晶材料結構的可行性，吾人係再進行一次40℃的時效熱處理。請參閱第七圖，係對照組與實驗組之非晶材料結構的SEM表面微結構影像圖。如第七圖之圖(a1)-圖(a3)所示，經過1天、3天與9天的40℃時效熱處理後，係發現對照組多層材料結構的錫層的表面上係產生了許多的錫鬚晶。相對地，如第七圖之圖(b1)-圖(b3)所示，經過1天、3天與 9天的40℃時效熱處理後，可發現以(Zr₄₆ Ti₂₆ Ni₂₈ )金屬玻璃薄膜作為中間層之實驗組的材料結構的錫層的表面上並沒有產生任何的錫鬚晶。

如此，透過上述所呈現的各種實驗數據，吾人可以進一步地得知本發明最主要的優點在於：本發明所提出的0.1μm之Zr₄₆ Ti₂₆ Ni₂₈ 或Zr_51.7 Cu_32.3 Al₉ Ni之金屬玻璃薄膜(Thin Film Metallic Glass,TFMG)，其的確可用來取代習用的抑制錫鬚晶生長的方法所採用的厚錫層(~20μ m)，進而以低製程本的方式有效地改善Cu/Sn介面之間的相互反應及錫鬚晶的生成。

必須加以強調的是，上述之詳細說明係針對本發明可行實施例之具體說明，惟該實施例並非用以限制本發明之專利範圍，凡未脫離本發明技藝精神所為之等效實施或變更，均應包含於本案之專利範圍中。

1‧‧‧可抑制錫鬚晶生長之非晶材料結構

10‧‧‧外部導電基材

101‧‧‧附著力改善層

11‧‧‧金屬基材

12‧‧‧中間層

13‧‧‧錫層

Claims (10)

1. 一種可抑制錫鬚晶生長之非晶材料結構，其係為一非晶質(amorphous)之金屬玻璃薄膜，並形成於一金屬基材與一錫層之間；其中，該金屬玻璃薄膜係作為一中間層以阻擋該金屬基材與該錫層介面之間的相互反應，進而阻止錫鬚晶之生成，其中，該金屬玻璃薄膜為一鋯基金屬玻璃薄膜(Zr-based metallic glass)。
2. 如申請專利範圍第1項所述之可抑制錫鬚晶生長之非晶材料結構，該金屬玻璃薄膜係由一鋯材料與一鎳材料依一定的原子百分比所組成，且其厚度係介於0.05μ m至0.2μ m之間。
3. 如申請專利範圍第2項所述之可抑制錫鬚晶生長之非晶材料結構，其中，由該金屬玻璃薄膜的最佳厚度為0.1μ m。
4. 如申請專利範圍第2項所述之可抑制錫鬚晶生長之非晶材料結構，其中，該金屬玻璃薄膜之組成係更包含一鈦材料，且該鋯材料、該鈦材料與該鎳材料於該金屬玻璃之中的原子百分比分別為46at%、26at%與28at%。
5. 如申請專利範圍第2項所述之可抑制錫鬚晶生長之非晶 材料結構，其中，該金屬玻璃薄膜之組成係更包含一銅材料與一鋁材料，且該鋯材料、該銅材料、該鋁材料、與該鎳材料於該金屬玻璃之中的原子百分比分別為51.7at%、32.3at%、9at%與7at%。
6. 如申請專利範圍第1項所述之可抑制錫鬚晶生長之非晶材料結構，其中，該金屬玻璃薄膜可為下列任一種：釔基金屬玻璃薄膜(Y-based metallic glass)、釩基金屬玻璃薄膜(V-based metallic glass)、鈦基金屬玻璃薄膜(Ti-based metallic glass)、鉭基金屬玻璃薄膜(Ta-based metallic glass)、釤基金屬玻璃薄膜(Sm-based metallic glass)、鐠基金屬玻璃薄膜(Pr-based metallic glass)、鉑基金屬玻璃薄膜(Pt-based metallic glass)、鈀基金屬玻璃薄膜(Pd-based metallic glass)、鎳基金屬玻璃薄膜(Ni-based metallic glass)、釹基金屬玻璃薄膜(Nd-based metallic glass)、鎂基金屬玻璃薄膜(Mg-based metallic glass)、鑭基金屬玻璃薄膜(La-based metallic glass)、鉿基金屬玻璃薄膜(Hf-based metallic glass)、鐵基金屬玻璃薄膜(Fe-based metallic glass)、銅基金屬玻璃薄膜(Cu-based metallic glass)、鈷基金屬玻璃薄膜(Co-based metallic glass)、鈰基金屬玻璃薄膜(Ce-based metallic glass)、鈣基金屬玻璃薄膜(Ca-based metallic glass)、金 基金屬玻璃薄膜(Au-based metallic glass)、與鋁基金屬玻璃薄膜(Al-based metallic glass)。
7. 如申請專利範圍第1項所述之可抑制錫鬚晶生長之非晶材料結構，該金屬基材係形成於一外部導電基材之上。
8. 如申請專利範圍第7項所述之可抑制錫鬚晶生長之非晶材料結構，其中，該金屬基材可為下列任一種：銅、銅合金、鐵、鐵合金、金、與金合金。
9. 如申請專利範圍第7項所述之可抑制錫鬚晶生長之非晶材料結構，其中，該外部導電基材可為下列任一種：半導體晶圓、導線架、與印刷電路板。
10. 如申請專利範圍第7項所述之可抑制錫鬚晶生長之非晶材料結構，其中，該外部導電基材與該金屬基材之間更形成有一附著力改善層，且該附著力改善層可為下列任一種：鈦、鉬與鉻。