TWI632701B - 固晶結構之製造方法 - Google Patents

Abstract

本發明是一種固晶結構及其製造方法，其以複合金屬層作為發光二極體(light-emitting diode,LED)的固晶材料，前述的複合金屬層係以電鍍方式預先在一散熱基板上沉積多層金屬所構成。本發明之特點在於控制複合金屬層各層的厚度，使固晶反應僅發生在前述複合金屬層的交界面處，且部分金屬層在固晶反應結束後被完全消耗並生成介金屬化合物層(intermetallic compound,IMC)，藉此大幅提高固晶結構的耐熱能力。

Description

固晶結構之製造方法

本發明是一種固晶結構及其製造方法，特別是一種利用控制複合金屬層厚度而提高耐熱性之固晶結構及其製造方法。

二十世紀末以來，封裝技術的開發使得電路體積大幅縮小，令消費性電子產品終於得以被普遍投入到一般市場中，而隨著這些電子產品的性能提升(通常伴隨著廢熱增加)，支撐這些電子產品的封裝結構之穩定性也備受考驗，其中最難解決的便是封裝結構的強度以及劇烈溫變等耐受力問題。

最常見的一種封裝方式即為固晶，而由於固晶結構為多層材質相異的材料所構成，這樣的先天特性使得固晶結構相當容易因熱膨脹係數不同的問題而顯得十分脆弱，在高溫環境下進行共晶接合而冷卻後，固晶結構必然會產生大小不一之殘留應力，且在接合溫度越高時，上述的問題越顯嚴重。

再者，因各種材料的熔點高低並不一致，在固 晶反應的過程中即是利用這樣的特點使某些金屬融化以利擴散接合，但同時也為此留下了不穩定的因子。在固晶結構處於高溫運作環境下，部分金屬即有可能因環境溫度到達其熔點而熔化，或是接近其熔點使其發生軟化現象，如此一來將使固晶結構的性能發生不良變異。

習用的固晶結構大致可分為三類製法，一種製 法為在一預先接合溫度下(加溫至約110℃)先行對複合金屬層施壓短暫時間而形成初步的固晶結構，其後再以另一道熱壓合製程(加溫至約80℃並維持0.5小時至3小時)使內部固晶層成為介金屬化合物層(intermetallic compound,IMC)。

然而，此製法不僅相當費時，更重要的缺點 為：介金屬化合物層質硬而脆，其在固晶作用上雖扮演重要角色，但太長的反應時間會導致介金屬化合物層變得過厚，進而容易因後續應用時的熱應力問題而造成介金屬化合物層脆裂，因此上述的固晶方式顯然存在嚴重後遺症。

第二種製法為省略前者的預先接合步驟，直接 以高溫(加溫至約400℃至700℃)熱壓合前述的複合金屬層，使其在接合界面處生成一擴散合金層，此種製法在擴散過程中不會生成介金屬化合物層，因此避免了上述的問題。然而，此製法所需要的環境溫度過高，十分耗費能源。

第三種製法為使用共晶銲錫作為固晶材料，由 於在大部分的情況下銲錫並不會被完全消耗，所以在接合界面處會形成IMC/共晶銲錫/IMC的結構，這樣的結構的耐熱性受共晶銲錫的熔點所影響，因此若使用較低熔點的共晶銲錫，雖可能避免高溫固晶製程可能產生的熱應力問題，但後續固晶結構的耐熱性會較差。此外，未完全反應消耗的共晶銲錫會繼續與基材或是晶片端的金屬層反應，使得IMC層變厚，存在IMC厚度無法明確控制的缺點。

有鑒於上述問題，一種能夠同時避免固晶結構內殘留應力過高、克服固晶結構耐熱力薄弱以及兼顧節能與固晶結構品質的解決方案，顯然是目前的產業界所迫切亟需的。

依據本發明之方法態樣之一實施方式，提供一種固晶結構之製造方法，其包含以下步驟：沉積一第一金屬層於一基板上。沉積一第二金屬層於前述之第一金屬層上。沉積一第三金屬層於前述之第二金屬層上。沉積一第四金屬層於前述之第三金屬層上。將一第五金屬層接觸前述之第四金屬層。以及提供一反應溫度以及一反應壓力，並以前述之反應溫度及反應壓力熱壓合第一金屬層、第二金屬層、第三金屬層、第四金屬層以及第五金屬層並經過一反應時間，使第二金屬層轉變為一第一介金屬化合物 層，且使第四金屬層與第五金屬層轉變為一第二介金屬化合物層。

在本實施方式中，前述之第一金屬層、第二金 屬層、第三金屬層、第四金屬層採用電鍍、無電電鍍、蒸鍍或濺鍍方式依序沉積附著，但並不限制於此種方式。而前述的第五金屬層可預先沉積在一發光二極體之晶片背面或其他電子物件上，再利用熱壓合與第四金屬層結合而形成第二介金屬化合物層。

由於第二金屬層與第四金屬層、第五金屬層分 別轉變為第一介金屬化合物層以及第二介金屬化合物層，使得固晶結構得以克服高溫操作環境下，部分金屬層到達熔點而重新融化或是接近其熔點發生軟化的問題。

在上述實施方式中，可使用錫作為第二金屬層 及第四金屬層的材料之一，同時第二金屬層之厚度與第四金屬層之厚度可以控制為0.3μm至1μm之間。而第三金屬層之選用可以鉍作為材料之一，且其沉積厚度可以是4μm至10μm之間。

透過如上實施方式，由於第二金屬層與第四金 屬層被設置得極薄，因而此二層與第五金屬層在反應過程中被完全消耗而轉變成介金屬化合物，加上錫的熔點較低，使得前述熱壓合之反應時間可被縮短為10分鐘至30分鐘，且反應溫度可以設定為155℃至185℃，反應壓力則可以設定為120MPa至260MPa，除大幅度地降低製 程耗能之外，亦可排除介金屬化合物層過厚或是固晶結構內部殘留應力過高之問題。

另外，因第三金屬層相對於第二金屬層以及第 四金屬層較厚，其在反應過程中僅有部分轉變為介金屬化合物，如此使固晶結構在反應完畢後成為介金屬/鉍/介金屬之高熔點結構，增加固晶結構的耐熱性。

在上述實施方式中，可分別使用銅與金作為第 一金屬層與第五金屬層的材料之一，並利用熱壓合而分別使第一介金屬化合物層與第二介金屬化合物層成為銅-錫化合物及金-錫化合物，但並不限制於上述之材料，例如第一金屬層亦可選擇銅、鎳、銀或包含這些金屬之一的合金，而第五金屬層可選擇金、鉑、鈦或包含這些金屬之一的合金做為材料。

依據本發明之結構態樣之一實施方式，提供一 種利用前述方法態樣之製造方法所製得之固晶結構，包含前述之第一介金屬化合物層、前述之第三金屬層以及前述之第二介金屬化合物層。

其中第一介金屬化合物層係固著在第一金屬層 上，而第三金屬層又固著於第一介金屬化合物層，第二介金屬化合物層則固著於第三金屬層上。

如同上述方法所載，本實施方式的要點在於第 二金屬層會完全消耗而成為第一介金屬化合物層，而第四金屬層與第五金屬層亦同時完全消耗而成為第二介金屬化合物層。

在本結構態樣的實施方式中，固晶結構之第一 介金屬化合物層所固著的第一金屬層係作為與前述基板結合的媒介，而前述之晶片亦藉由第五金屬層之完全消耗而直接固著第二介金屬化合物層。

前述之第一金屬層可包含銅、鎳或銀。而第一 介金屬化合物層可以為銅-錫化合物，第二介金屬化合物層可以為金-錫化合物。

前述之第三金屬層可以包含鉍，且第三金屬層 的厚度可以為4μm至10μm之間。前述第一介金屬化合物層之熔點可大於等於415℃，而第二介金屬化合物層之熔點可大於等於252℃。

藉此，本實施方式之固晶結構成為銅-錫化合 物/鉍/金-錫化合物的構造，且透過前述方法態樣之實施方式，前述的銅-錫化合物以及金-錫化合物具有極薄的厚度，因此能夠克服習知介金屬化合物層過厚而容易脆裂的問題，因此結構相對穩定許多。再者，於本實施方式之固晶結構中的各層皆具有較高的熔點，即使應用於高功率的電子產品也不易使固晶結構劣化。

100‧‧‧固晶結構之製造方法

110~160‧‧‧步驟

210‧‧‧第一金屬層

220‧‧‧第二金屬層

230‧‧‧第三金屬層

240‧‧‧第四金屬層

250‧‧‧第五金屬層

300‧‧‧固晶結構

b‧‧‧基板

c‧‧‧晶片

t‧‧‧反應溫度

p‧‧‧反應壓力

w‧‧‧反應時間

I1‧‧‧第一介金屬化合物層

I2‧‧‧第二介金屬化合物層

第1圖係繪示依據本發明之固晶結構之製造方法的步驟流程圖；以及 第2圖係繪示第1圖之固晶結構之製造方法的固晶接合示意圖。

第1圖係繪示依據本發明之固晶結構之製造方法100的步驟流程圖。第2圖係繪示第1圖之固晶結構之製造方法100的固晶接合示意圖。請一併參照第1圖以及第2圖，固晶結構之製造方法100包含以下步驟110至步驟160。步驟110為沉積一第一金屬層210於一基板b上，此處的基板b可為一般常見封裝結構中的散熱基板等物品，其為此領域內之通常知識者可自行實施的技術內容，故不在此贅述基板b的詳細特徵。

步驟120為沉積一第二金屬層220於前述的第一金屬層210上。步驟130為沉積一第三金屬層230於前述的第二金屬層220上。步驟140為沉積一第四金屬層240於前述的第三金屬層230上。步驟150為將一第五金屬層250接觸前述的第四金屬層240。

以上各步驟所述之第一金屬層210、第二金屬層220、第三金屬層230以及第四金屬層240乃透過電鍍、無電電鍍、蒸鍍或濺鍍等方式彼此固著，然而，此處所述的加工方式僅為示例，實際上只要各層金屬層可以彼此固著，則採其他加工方式並不影響本方法之可行性。

步驟160係提供一反應溫度t以及一反應壓力p，並在此環境條件下熱壓合前述的第一金屬層210、第二 金屬層220、第三金屬層230、第四金屬層240以及第五金屬層250並經過一反應時間w。在一般作法下，步驟150之第五金屬層250多為預先被沉積在一晶片c的背面，再利用步驟160使第四金屬層240結合第五金屬層250。

本發明之一主要目的係為使第二金屬層220、 第四金屬層240以及第五金屬層250在固晶反應結束後被完全消耗，在此一前提下，第二金屬層220以及第四金屬層240可選用厚度為0.3μm至1μm的錫作為材料之一，而第三金屬層230由於不需要被完全消耗，因此第三金屬層230可選用厚度為4μm至10μm的鉍作為材料之一(第2圖僅為製造方法的固晶接合示意，未依照實際比例繪製)。

在步驟120至步驟140完成後，可使第二金屬 層220至第四金屬層240形成錫/鉍/錫之結構。另外，前述的第一金屬層210可選用銅、鎳、銀或包含這些金屬之一的合金作為材料之一，而第五金屬層250可選用金、鉑、鈦或包含這些金屬之一的合金作為材料之一。以本實施方式為例，此處選用銅以及金來分別作為第一金屬層210與第五金屬層250的材料。

詳細解說步驟160，其為設定反應溫度t為155 ℃至185℃、反應壓力p為120MPa至260MPa以及反應時間w為10分鐘至30分鐘，並於此條件下熱壓合前述的第一金屬層210、第二金屬層220、第三金屬層230、第四金屬層240以及第五金屬層250。

在本實施方式中，第二金屬層220與材質為銅 的第一金屬層210接觸，而第四金屬層240則與材質為金的第五金屬層250接觸。於熱壓合的過程中，步驟160使第二金屬層220與第一金屬層210反應而完全消耗，並使其成為一第一介金屬化合物層I1，而其性質即為銅-錫化合物，同理，第四金屬層240與第五金屬層250亦在熱壓合過後完全消耗而成為一第二介金屬化合物層I2，而其性質為金-錫化合物。

如第2圖所示，在熱壓合結束後，由於第三金 屬層230之鉍遠較原第二金屬層220、第四金屬層240以及第五金屬層250厚，因而第三金屬層230在反應過程中僅有部分被消耗，在上述第二、第四以及第五等三個金屬層完全消耗後，固晶結構300即成為銅-錫介金屬化合物/鉍/金-錫介金屬化合物之構造。

透過本實施方式之製造方法可使熔點較低的錫 層在反應中完全消耗，並得到IMC/Bi/IMC之層狀固晶結構，又由於此三層具有較高的熔點(固晶反應所生成的化合物中，熔點最低者為第二介金屬化合物層I2中的AuSn₄，其熔點為252℃)，可大幅度提高固晶結構的耐熱性。另外，由於第二金屬層與第四金屬層之錫被設置得極薄，因此熱壓合過程中的固晶反應幾乎只發生在兩層之錫與第三金屬層之鉍的交界面附近，如此亦使生成之第一介金屬化合物層以及第二介金屬化合物層的增生受到限制，避免習知固晶結構因介金屬化合物過厚而可能脆裂的問題。

再者，本製造方法不僅只需一道熱壓合製程即 可完成固晶結構，其反應溫度亦遠較習知做法低，反應時間也由常見的30分鐘至180分鐘縮短為10分鐘至30分鐘，有效地節省了能源耗費並且提高生產效率。

請再次參照第2圖，依據前述固晶結構之製造 方法100所得之固晶結構300，其包含前述之第一介金屬化合物層I1、第三金屬層230以及第二介金屬化合物層I2，其中第一介金屬化合物層I1固著於前述之第一金屬層210，第三金屬層230固著於第一介金屬化合物層I1，而第二介金屬化合物層I2又固著於第三金屬層230，此處之固著即等同於前述固晶結構之製造方法100在固晶反應後所形成的各層連結關係。

前述的第一金屬層210可包含銅、鎳或銀，且 第一金屬層210可固著於基板b上，而前述之晶片c則固著於第二介金屬化合物層I2。前述之第三金屬層230可以包含鉍，且第三金屬層230之厚度可以為4μm至10μm之間。

另外，前述之第一介金屬化合物層I1可以為 銅-錫化合物，且其熔點可以大於等於415℃，前述之第二介金屬化合物層I2可以為金-錫化合物，且其熔點可以大於等於252℃。

由於固晶結構300係透過前述固晶結構之製造方法100所製得，故不再次說明結構實施方式。

本實施方式之固晶結構300的另一項優點在於 可直接和一般的金屬芯印刷電路板(Metal Core Printed Circuit Board，MCPCB)作客製化整合。由前述固晶結構之製造方法100可知，在固晶結構300生成之前，原始的各層金屬層係使用一般的電鍍等方式依序鍍上。因此，固晶結構300在未成形之前即可利用第二金屬層220之錫與一基板b鍍合，如此一來，在熱壓合完畢後，前述的固晶結構300即完成與印刷電路板的整合，便於後續固晶結構300與各種晶片快速結合。這樣的好處是不需要如傳統接合方式費工，傳統方式須在固晶完成後再次加工來將固晶層固定在基板上，或是在晶片背面以及基板上方各自鍍上金屬層再接合。

進一步論述本發明固晶結構300的其他優點， 由於固晶結構300來自於原始的錫/鉍/錫結構，而錫與鉍為單純的共晶(eutectic)系統，兩者的交界面並不會反應生成介金屬層，且由於錫與鉍的共晶溫度僅為139℃，在155℃至185℃熱壓合的反應過程中，兩層極薄的錫層會因此而能迅速地被完全液化，且錫層只與基板端(即第一金屬層210)以及晶片背端(即第五金屬層250)反應生成介金屬層，此使固晶結構300的製造時間成本降低，且如同前述所言，因各層錫可進行反應而生成介金屬的對象受到限制，此亦為第一介金屬化合物層I1與第二介金屬化合物層I2能夠維持相當薄度之輔助因素。

綜上所述，本發明至少具有如下優點：第一， 本發明所採用的固晶接合方法僅需相比於習知技術較短的反應時間以及較低的反應溫度，可提高生產效率並且降低能源消耗。第二，藉由設置極薄的錫層，經熱壓合製程後可得到IMC/Bi/IMC的高熔點固晶結構，大幅提高其耐熱能力。第三，由於本發明之固晶結構之製造方法所使用的反應時間極短，因此介金屬化合物層的生成時間亦縮短，藉此克服習知固晶結構之介金屬化合物層過厚而容易發生脆裂的問題。

雖然本發明已以實施方式揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾，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。

Claims (7)

1. 一種固晶結構之製造方法，包含以下步驟：沉積一第一金屬層於一基板上；沉積一第二金屬層於該第一金屬層上；沉積一第三金屬層於該第二金屬層上；沉積一第四金屬層於該第三金屬層上；將一第五金屬層接觸該第四金屬層；以及提供一反應溫度以及一反應壓力，並以該反應溫度及該反應壓力熱壓合該第一金屬層、該第二金屬層、該第三金屬層、該第四金屬層以及該第五金屬層並經過一反應時間，使該第二金屬層轉變為一第一介金屬化合物層，並使該第四金屬層與該第五金屬層轉變為一第二介金屬化合物層；其中，使用錫作為該第二金屬層及該第四金屬層材料之一，並控制該第二金屬層之厚度及該第四金屬層之厚度為0.3μm至1μm。
2. 如申請專利範圍第1項所述之固晶結構之製造方法，另包含：使用鉍作為該第三金屬層材料之一，並控制該第三金屬層之厚度為4μm至10μm。
3. 如申請專利範圍第1項所述之固晶結構之製造方法，另包含：設定該反應溫度為155℃至185℃，該反應壓力為120MPa至260MPa，該反應時間為10分鐘至30分鐘，並利用熱壓合使該第二金屬層、該第四金屬層、與該第五金屬層完全消耗。
4. 如申請專利範圍第1項所述之固晶結構之製造方法，另包含：分別使用銅與金作為該第一金屬層與該第五金屬層的材料之一，並利用熱壓合使該第一介金屬化合物層成為銅-錫化合物，而使該第二介金屬化合物層成為金-錫化合物。
5. 如申請專利範圍第1項所述之固晶結構之製造方法，其中該第一金屬層、該第二金屬層、該第三金屬層以及該第四金屬層以電鍍、無電電鍍、蒸鍍或濺鍍方式彼此固著。
6. 如申請專利範圍第1項所述之固晶結構之製造方法，另包含：使用銅、鎳、銀、銅合金、鎳合金或銀合金作為該第一金屬層材料之一，並使用金、鉑、鈦、金合金、鉑合金或鈦合金作為該第五金屬層材料之一。
7. 如申請專利範圍第1項所述之固晶結構之製造方法，另包含：沉積該第五金屬層於一晶片背面，並利用熱壓合使該第四金屬層結合該第五金屬層而形成該第二介金屬化合物層。