TWI503196B - 具多層介金屬層的銲點結構 - Google Patents

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Description

具多層介金屬層的銲點結構
本發明是有關於一種銲點(solder joint)結構，且特別是有關於一種於銲料與銅銲墊之間具多層介金屬層的銲點結構。
銲接(soldering)為利用銲料(solder)將兩分離的金屬進行金屬化(metallization)銜接的一種加工製程。一般用於電子工業的銲料係以錫(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。常見的接合金屬(如銲墊(pad))主要為銅(Cu)、鎳(Ni)、鈀(Pd)、金(Au)、銀(Ag)、鐵(Fe)或以上金屬之混合結構。
一般來說，在銲接的過程中，含錫銲料與銲墊經由液固反應(或一般稱之為銲接反應)以形成銲點(solder joint)。當銲墊與含錫銲料進行液固反應時，銲墊與銲料間會產生介金屬化合物(intermetallic compound，IMC)。介金屬化合物可影響銲料與銲墊的潤溼性，以及其間的接合強度，亦即介金屬化合物的生長情形對銲點的機械及電氣可靠度係具有一定之影響。因此，銲墊與銲料間的介金屬化合物的研究，一直以來都是微電子製造中的關鍵課題。
本發明提供一種具多層介金屬層的銲點結構，其具有多層介金屬層於銲料與銲墊的界面處。
本發明提出一種具多層介金屬層的銲點結構，包括銅銲墊、含錫銲料、第一介金屬層、第二介金屬層以及第三介金屬層。含錫銲料與銅銲墊相對配置。第一介金屬層配置於銅銲墊與含錫銲料之間。第一介金屬層為一Cu3 Sn層。第二介金屬層配置於第一介金屬層與含錫銲料之間。第二介金屬層為一(Cu1-x1-y1 Nix1 Pdy1 )6 Sn5 層，其中x1介於0至0.15之間，y1介於0至0.02之間。第三介金屬層配置於第二介金屬層與含錫銲料之間。第三介金屬層為一(Cu1-x2-y2 Nix2 Pdy2 )6 Sn5 層，其中x2介於0至0.4之間，y2介於0至0.02之間，且x2大於x1。
依照本發明實施例所述的具多層介金屬層的銲點結構，上述的第一介金屬層的厚度例如介於0.01 μm至2 μm之間。
依照本發明實施例所述的具多層介金屬層的銲點結構，上述的第二介金屬層的厚度例如介於0.5 μm至5 μm之間。
依照本發明實施例所述的具多層介金屬層的銲點結構，上述的第三介金屬層的厚度例如介於1 μm至3 μm之間。
依照本發明實施例所述的具多層介金屬層的銲點結構，更包括配置於第二介金屬層與第三介金屬層之間的混 合介金屬層，此混合介金屬層含有Ni2 SnP與Ni3 P。
依照本發明實施例所述的具多層介金屬層的銲點結構，上述的混合介金屬層的厚度例如介於0.01 μm至1 μm之間。
依照本發明實施例所述的具多層介金屬層的銲點結構，上述的含錫銲料更含有銅。
依照本發明實施例所述的具多層介金屬層的銲點結構，以含錫銲料的總重計，銅的含量例如不超過3 wt.%。
依照本發明實施例所述的具多層介金屬層的銲點結構，上述的錫銲料更含有銀。
依照本發明實施例所述的具多層介金屬層的銲點結構，以含錫銲料的總重計，銀的含量例如不超過5 wt.%。
依照本發明實施例所述的具多層介金屬層的銲點結構，上述的第二介金屬層更含有金，且以第二介金屬層的總重計，金的含量例如不超過1 wt.%。
依照本發明實施例所述的具多層介金屬層的銲點結構，上述的第二介金屬層更含有銀，且以第二介金屬層的總重計，銀的含量例如不超過3 wt.%。
依照本發明實施例所述的具多層介金屬層的銲點結構，上述的第二介金屬層更含有磷，且以第二介金屬層的總重計，磷的含量例如不超過1 wt.%。
依照本發明實施例所述的具多層介金屬層的銲點結構，上述的第三介金屬層更含有金，且以第三介金屬層的總重計，金的含量例如不超過1 wt.%。
依照本發明實施例所述的具多層介金屬層的銲點結構，上述的第三介金屬層更含有銀，且以第三介金屬層的總重計，銀的含量例如不超過3 wt.%。
依照本發明實施例所述的具多層介金屬層的銲點結構，上述的第三介金屬層更含有磷，且以第三介金屬層的總重計，磷的含量例如不超過1 wt.%。
基於上述，本發明的銲點結構中具有多層介金屬層。此銲點結構可符合實際運用上的需求，且其製作方法可相容於現有的銲點結構製程。
為讓本發明的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。
圖1為依照本發明第一實施例所繪示的銲點結構之剖面示意圖。請參照圖1，銲點結構10包括銅銲墊100、含錫銲料102、第一介金屬層104、第二介金屬層106以及第三介金屬層108。銅銲墊100的材料例如為銅或銅鎳合金。含錫銲料102與銅銲墊100相對配置。含錫銲料102的材料可以為錫、錫鉍合金、錫鉛合金、錫銅合金、錫銀合金、錫銀銅合金或上述材料的混合。在本實施例中，含錫銲料102例如為錫銀銅合金，且以含錫銲料的總重計，銅的含量例如不超過3 wt.%，銀的含量例如不超過5 wt.%。舉例來說，銅的含量例如大於或等於0.3 wt.%且不超過3 wt.%之間，銀的含量例如大於或等於0.01 wt.%且不超過5 wt.%。
第一介金屬層104配置於銅銲墊100與含錫銲料102之間。第一介金屬層104為Cu3 Sn層。第一介金屬層104的厚度例如介於0.01 μm至2 μm之間。第二介金屬層106配置於第一介金屬層104與含錫銲料102之間。第二介金屬層106為(Cu1-x1-y1 Nix1 Pdy1 )6 Sn5 層，其中x1介於0至0.15之間，y1介於0至0.02之間。第二介金屬層106的厚度例如介於0.5 μm至5 μm之間。第三介金屬108層配置於第二介金屬層106與含錫銲料102之間。第三介金屬層108為(Cu1-x2-y2 Nix2 Pdy2 )6 Sn5 層，其中x2介於0至0.4之間，y2介於0至0.02之間。此外，x2大於x1，即第三介金屬層108中的鎳含量大於第二介金屬層106中的鎳含量。第三介金屬層108的厚度例如介於1 μm至3 μm之間。
此外，在其它實施例中，第二介金屬層106與第三介金屬層108中各自可額外含有微量的金、銀以及磷。舉例來說，以第二介金屬層106與第三介金屬層108各自的總重計，金的含量不超過1 wt.%，銀的含量不超過3 wt.%，磷的含量不超過1 wt.%。
本實施例中的銲點結構10的製作可與現有的銲點結構的製作相容，以下將對此進行說明。
實例一 銲點結構10的製作
首先，於銅銲墊100上配置表面處理層。此表面處理層為鎳層(或鎳-磷層)，其厚度小於或等於0.2 μm。然後， 於表面處理層上配置含錫銲料102。接著，進行一次迴銲(reflow)反應，將含錫銲料102銲接至銅銲墊100上。迴銲頂溫約介於250℃至260℃之間，迴銲時間(亦即銲料處於液態的時間)約60秒至180秒之間。在迴銲之後，得到具有五層結構(含有三層介金屬層)的銲點結構10。銲點結構10的實際界面金相微結構如圖2的掃描式電子顯微鏡圖(scanning electron micrograph)所示。
在上述實例一中，鎳層(或鎳-磷層)的厚度小於或等於0.2 μm，因此形成具有三層介金屬層的銲點結構10。然而，本發明並不限於此。在其它實施例中，可藉由調整鎳層(或鎳-磷層)的厚度，得到另一種具有多層介金屬層的銲點結構。
圖3為依照本發明第二實施例所繪示的銲點結構之剖面示意圖。在本實施例中，與圖1相同的元件將以相同的標號表示，於此不另行說明。在本實施例中，銲點結構20與銲點結構10的差異在於：在銲點結構20中，第二介金屬層106與第三介金屬層108之間配置有混合介金屬層109。混合介金屬層109含有Ni2 SnP 110與Ni3 P 112。混合介金屬層109的厚度介於0.01 μm至1 μm之間。
本實施例中的銲點結構20的製作可與現有的銲點結構的製作相容，以下將對此進行說明。
實例二 銲點結構20的製作
首先，於銅銲墊100上配置表面處理層。此表面處理 層為鎳層(或鎳-磷層)，其厚度介於0.2 μm至1 μm之間。然後，於表面處理層上配置含錫銲料102。接著，進行一次迴銲反應，將含錫銲料102銲接至銅銲墊100上。迴銲頂溫約介於250℃至260℃之間，迴銲時間(亦即銲料處於液態的時間)約介於60秒至120秒之間。一次迴銲，得到具有六層結構(含有四層介金屬層)的銲點結構20。銲點結構20的實際界面金相微結構如圖4的掃描式電子顯微鏡圖所示。
由上述實例一與實例二可知，藉由調整表面處理層(鎳層或鎳-磷層)的厚度，可得到具有不同層數的介金屬層的銲點結構。當表面處理層的厚度小於或等於0.2 μm時，在一次迴銲之後不會有含有Ni2 SnP與Ni3 P的混合介金屬層形成；當表面處理層的厚度介於0.2 μm至1 μm之間(不含0.2 μm)時，在一次迴銲之後則會形成含有Ni2 SnP與Ni3 P的混合介金屬層。上述二種銲點結構皆可符合實際運用上的需求。
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，在不脫離本發明的精神和範圍內，當可作些許的更動與潤飾，故本發明的保護範圍當視後附的申請專利範圍所界定者為準。
10、20‧‧‧銲點結構
100‧‧‧銅銲墊
102‧‧‧含錫銲料
104‧‧‧第一介金屬層
106‧‧‧第二介金屬層
108‧‧‧第三介金屬層
109‧‧‧混合介金屬層
110‧‧‧Ni2 SnP
112‧‧‧Ni3 P
圖1為依照本發明第一實施例所繪示的銲點結構之剖面示意圖。
圖2為利用掃描式電子顯微鏡所拍攝的第一實施例之實際銲點結構剖面圖。
圖3為依照本發明第二實施例所繪示的銲點結構之剖面示意圖。
圖4為利用掃描式電子顯微鏡所拍攝的第二實施例之實際銲點結構剖面圖。
10‧‧‧銲點結構
100‧‧‧銅銲墊
102‧‧‧含錫銲料
104‧‧‧第一介金屬層
106‧‧‧第二介金屬層
108‧‧‧第三介金屬層

Claims (16)

  1. 一種具多層介金屬層的銲點結構，包括：銲墊，至少由銅、鎳及鈀所組成；含錫銲料，與所述銲墊相對配置；第一介金屬層，配置於所述銲墊與所述含錫銲料之間，所述第一介金屬層為一Cu3 Sn層；第二介金屬層，配置於所述第一介金屬層與所述含錫銲料之間，所述第二介金屬層為一(Cu1-x1-y1 Nix1 Pdy1 )6 Sn5 層，其中x1介於0至0.15之間，y1介於0至0.02之間；以及第三介金屬層，配置於所述第二介金屬層與所述含錫銲料之間，所述第三介金屬層為一(Cu1-x2-y2 Nix2 Pdy2 )6 Sn5 層，其中x2介於0至0.4之間，y2介於0至0.02之間，且x2大於x1。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之具多層介金屬層的銲點結構，其中所述第一介金屬層的厚度介於0.01μm至2μm之間。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之具多層介金屬層的銲點結構，其中所述第二介金屬層的厚度介於0.5μm至5μm之間。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之具多層介金屬層的銲點結構，其中所述第三介金屬層的厚度介於1μm至3μm之間。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之具多層介金屬層的 銲點結構，更包括混合介金屬層，配置於所述第二介金屬層與所述第三介金屬層之間，所述混合介金屬層含有Ni2 SnP與Ni3 P。
  6. 如申請專利範圍第5項所述之具多層介金屬層的銲點結構，其中所述混合介金屬層的厚度介於0.01μm至1μm之間。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之具多層介金屬層的銲點結構，其中所述含錫銲料更含有銅。
  8. 如申請專利範圍第7項所述之具多層介金屬層的銲點結構，其中以所述含錫銲料的總重計，銅的含量不超過3wt.%。
  9. 如申請專利範圍第7項所述之具多層介金屬層的銲點結構，其中所述錫銲料更含有銀。
  10. 如申請專利範圍第9項所述之具多層介金屬層的銲點結構，其中以所述含錫銲料的總重計，銀的含量不超過5wt.%。
  11. 如申請專利範圍第1項所述之具多層介金屬層的銲點結構，其中所述第二介金屬層更含有金，且以所述第二介金屬層的總重計，金的含量不超過1wt.%。
  12. 如申請專利範圍第1項所述之具多層介金屬層的銲點結構，其中所述第二介金屬層更含有銀，且以所述第二介金屬層的總重計，銀的含量不超過3wt.%。
  13. 如申請專利範圍第1項所述之具多層介金屬層的銲點結構，其中所述第二介金屬層更含有磷，且以所述第 二介金屬層的總重計，磷的含量不超過1wt.%。
  14. 如申請專利範圍第1項所述之具多層介金屬層的銲點結構，其中所述第三介金屬層更含有金，且以所述第三介金屬層的總重計，金的含量不超過1wt.%。
  15. 如申請專利範圍第1項所述之具多層介金屬層的銲點結構，其中所述第三介金屬層更含有銀，且以所述第三介金屬層的總重計，銀的含量不超過3wt.%。
  16. 如申請專利範圍第1項所述之具多層介金屬層的銲點結構，其中所述第三介金屬層更含有磷，且以所述第三介金屬層的總重計，磷的含量不超過1wt.%。
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