專利名稱：焊料球及基材板的接合方法及應(yīng)用其的封裝結(jié)構(gòu)的制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明有關(guān)一種焊料球及基材板的接合方法及應(yīng)用其的封裝結(jié)構(gòu)的制造方 法，且特別是有關(guān)一種應(yīng)用于無(wú)鉛工藝的焊料球及基材板的接合方法及應(yīng)用其的 封裝結(jié)構(gòu)的制造方法。
背景技術(shù)：
隨著電子產(chǎn)品在市場(chǎng)上愈來(lái)愈受到消費(fèi)者的喜愛(ài)，業(yè)界無(wú)不致力發(fā)展多功能 化的產(chǎn)品，以符合市場(chǎng)需求。隨著電子產(chǎn)品的多功能化，其中所包含的電子零組 件數(shù)量也愈來(lái)愈多。因此，如何有效且可靠地將各式各樣的電子零組件接合于基 板上，為目前產(chǎn)品工藝中重要課題之一。常見(jiàn)的接合電子零組件與基板的方法， 是采用共晶組成的錫鉛焊料來(lái)進(jìn)行焊接，但由于鉛為重金屬，除了會(huì)對(duì)于環(huán)境造 成污染之外，還會(huì)對(duì)人體造成不良的影響。因此目前業(yè)界均致力開(kāi)發(fā)更為環(huán)保的 無(wú)鉛焊料來(lái)進(jìn)行焊接，以降低產(chǎn)品中含鉛的量。
一般而言，無(wú)鉛焊料的液化溫度約為217°C，相較于傳統(tǒng)錫鉛焊料的液化溫度，大約高了 4(TC。也就是說(shuō)，采用無(wú)鉛焊料來(lái)進(jìn)行焊接的方式，相對(duì)提高了工藝溫度，增加了對(duì)于基板或是電子元 件造成的傷害，限制了此種無(wú)鉛工藝的應(yīng)用領(lǐng)域。冃前業(yè)界是提出一種降低無(wú)鉛焊料的方法，利用在無(wú)鉛焊料的中添加銦或鉍 等低熔點(diǎn)的金屬，以降低無(wú)鉛焊料的液化溫度。然而其中的銦為貴金屬，且由于 其必須大量使用于無(wú)鉛焊料中，方能產(chǎn)生降低無(wú)鉛焊料液化溫度的效果，不僅增 加了工藝的成本，還相對(duì)降低了其產(chǎn)業(yè)利用的價(jià)值。此外， 一般來(lái)說(shuō)焊接后的焊 接面均會(huì)殘留有銦金屬，其是導(dǎo)致焊接面間的液化溫度降低，甚至讓焊接面間的 液化溫度降至電子零件的操作溫度以下，使得當(dāng)電子產(chǎn)品運(yùn)作時(shí)，焊接面的可靠 度受到嚴(yán)重的考驗(yàn)，進(jìn)一步影響了產(chǎn)品的良率。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明是提供一種焊料球及基材板的接合方法及應(yīng)用其的封裝結(jié)構(gòu)的制 造方法，其是借助一薄金屬層來(lái)進(jìn)行焊料球及基材板間的焊接，并且此金屬 層于反應(yīng)完成后是完全消耗，使其具有降低回焊溫度、增加焊接面強(qiáng)度、降 低材料成本以及相容于原有工藝等優(yōu)點(diǎn)。根據(jù)本發(fā)明的一方面，提出一種焊料球及基材板的接合方法。首先，提 供一基材板，包括一電極層及一基底材料層，電極層是設(shè)置于基底材料層上。 其次，形成一阻障層于電極層上。接著，形成一金屬層于阻障層上，此金屬層的厚度大約為10微米 18微米。再者，配置一焊料球于金屬層上。接下來(lái)， 加熱焊料球、金屬層、阻障層及電極層至一反應(yīng)溫度，并且維持反應(yīng)溫度達(dá) 一持溫時(shí)間。根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提出一種封裝結(jié)構(gòu)的制造方法，首先提供一基 材板，包括一基底材料層及一電極層，基底材料層具有相對(duì)設(shè)置的一第一表 面及一第二表面，電極層設(shè)置于第一表面上。接著，形成一阻障層于電極層 上。其次，形成一厚度大約為10微米 1S微米的金屬層于阻障層上。而后， 提供一芯片于第二表面，并且打線接合此芯片及基材板。再者，配置一焊料 球于金屬層上。接下來(lái)，加熱焊料球、金屬層、阻障層及電極層至一反應(yīng)溫 度，并且維持反應(yīng)溫度達(dá)一持溫時(shí)間。為讓本發(fā)明的上述內(nèi)容能更明顯易懂，下面將特舉較佳的實(shí)施例，并配合附圖進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明


圖1A是依照本發(fā)明第一實(shí)施例的基材板、阻障層及金屬層的示意圖； 圖1B是焊料球配置于圖1B的金屬層上的示意圖；圖1C是圖1B的焊料球、金屬層、阻障層及電極層經(jīng)過(guò)加熱及持溫后的示意圖；圖2A是于16(TC及持溫3分鐘的條件下進(jìn)行接合后的焊料球及阻障層間界面 的示意圖；圖2B是于20(TC及持溫3分鐘的條件下進(jìn)行接合后的焊料球及阻障層間界面的示意圖；圖3A是依照本發(fā)明第二實(shí)施例的基材板、阻障層及金屬層的示意圖； 圖3B是芯片提供于圖3A的第二表面的示意圖； 圖3C是焊料球配置于圖3B的金屬層上的示意圖；圖3D是圖3C的焊料球、金屬層、阻障層及基材板經(jīng)過(guò)加熱及持溫后的示意圖；圖4是依照本發(fā)明第二實(shí)施例的封裝結(jié)構(gòu)的示意圖； 圖5是圖2A的背向散射圖；以及 圖6是圖2B的背向散射圖。
具體實(shí)施方式
以下提出兩實(shí)施例作為本發(fā)明的詳細(xì)說(shuō)明。然而，本發(fā)明并不限制于此， 且此實(shí)施例并不會(huì)限縮本發(fā)明欲保護(hù)的范圍。再者，實(shí)施例中的圖示還省略 不必要的元件，以清楚顯示本發(fā)明的技術(shù)特點(diǎn)。第一實(shí)施例請(qǐng)同時(shí)參照?qǐng)D1A 1C，圖1A是依照本發(fā)明第一實(shí)施例的基材板、阻障層 及金屬層的示意圖；圖1B是焊料球配置于圖1B的金屬層上的示意圖；圖1C 是圖1B的焊料球、金屬層、阻障層及電極層經(jīng)過(guò)加熱及持溫后的示意圖。依照本發(fā)明第一實(shí)施例的接合焊料的方法，首先提供一基材板11，包括 --電極層12及一基底材料層11，電極層12是設(shè)置于基底材料層11上。然后 依序形成一阻障層13及一金屬層14于電極層12上，如圖1A所示。其次，如圖1B所示，配置一焊料球15于金屬層14上。接著，加熱悍料球15、金屬層14、阻障層13及電極層12至一反應(yīng)溫度， 然后維持此反應(yīng)溫度達(dá)一持溫時(shí)間。經(jīng)過(guò)上述加熱及持溫的步驟后，金屬層14是完全溶解于焊料球15中， 并于焊料球15及阻障層13之間形成介金屬相16，以將焊料球15及基材板10 緊密接合，如圖1C所示。于本實(shí)施例中，焊料球的材質(zhì)例如是錫-3.0銀-O. 5銅(SAC)或錫-0. 7銅(SC)的錫基無(wú)鉛焊料。電極層12的材質(zhì)例如是銅(c叩per)或鋁(aluminum)。 阻障層13的材質(zhì)較佳地為鎳(nickel)，并且是利用電鍍的方式形成于電極 層12上。阻障層13的厚度大約為3微米 7微米，用以防止焊料球15中的 材料(例如錫)與電極層12的材料(例如銅)反應(yīng)，進(jìn)而維持焊料球15及 基材板10間的接合面強(qiáng)度。此外，金屬層14的材質(zhì)較佳地為銦(indium)， 并且同樣利用電鍍的方式形成于阻障層13上。金屬層的厚度較佳地大約為10 微米 18微米，經(jīng)過(guò)上述加熱及持溫的步驟后，金屬層14實(shí)質(zhì)上是完全消耗。 而基材板10是可例如是一大規(guī)模集成電路(large scale integration circuit)芯片或一封裝結(jié)構(gòu)的封裝基板(packaging substrate)。此大規(guī) 模集成電路可應(yīng)用本實(shí)施例的接合方法進(jìn)行倒裝片(flip-chip)接合的工藝， 而此封裝基板例如是一球柵陣列(Ball Grid Array, BGA)封裝結(jié)構(gòu)或一倒 裝片封裝結(jié)構(gòu)的封裝基板。另一方面，本實(shí)施例中接合焊料球15及基材板10 的反應(yīng)溫度，大約為16(TC至200°C，而持溫時(shí)間大約為3分鐘至5分鐘。根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例所提出的接合焊料球及基材板的方法，進(jìn)行接合 焊料球15與基材板10后反應(yīng)界面狀態(tài)的分析，以下為其中一組分析結(jié)果， 其中焊料球15、阻障層13、金屬層14及電極層12的材質(zhì)是分別以錫-3.0銀 -0.5銅、鎳、銦及銅為例做說(shuō)明。請(qǐng)同時(shí)參照?qǐng)D2A及圖5，圖2A是于160。C 及持溫3分鐘的條件下進(jìn)行接合后的焊料球及阻障層間界面的示意圖；圖5 為圖2A的背向散射圖。經(jīng)過(guò)成分分析后可知，阻障層13及焊料球15之間已 無(wú)銦材質(zhì)的金屬層14存在，即金屬層14已完全消耗。在焊料球15與阻障層 13的界面上方，具有一層呈現(xiàn)剝離狀態(tài)的一第一介金屬相16a，其材質(zhì)為 Cu6Sn5。另外，在剝離的第一介金屬相16a上方，具有呈不規(guī)則狀且大小不均 勻的一第二介金屬相16b，其材質(zhì)為Aglri2。此外，請(qǐng)同時(shí)參照?qǐng)D2B及圖6，圖2B是于20(TC及持溫3分鐘的條件下 進(jìn)行接合后的焊料球及阻障層間界面的示意圖；圖6為圖2B的背向散射圖。 圖2B及圖6中，焊料球15、阻障層13、金屬層14及電極層12的材質(zhì)是同 樣分別以錫-3.0銀-0.5銅、鎳、銦及銅為例做說(shuō)明。經(jīng)過(guò)成分分析后得知， 焊料球15及阻障層13的界面間僅具有一第三介金屬相16c，并且無(wú)剝離狀態(tài) 的介金屬相存在，此第三介金屬相16c的材質(zhì)也為Cu6Sn5。另外在悍料球15中則發(fā)現(xiàn)有第四介金屬相16d的析出，其材質(zhì)為Ag3Sn。此外，阻障層13及 焊料球15之間也無(wú)銦材質(zhì)的金屬層14存在。由上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果知，借助電鍍厚度為10微米 18微米的金屬層14于阻 障層13上，并且經(jīng)過(guò)16(rC的反應(yīng)溫度及3分鐘的持溫時(shí)間后，金屬層14即 完全溶于焊料球15中，并且于焊料球15及電極層12間的界面形成第一介金 屬相16a、第二介金屬相16b、第三介金屬相16c及第四介金屬相16d，使接 面形態(tài)完整，并且有效增強(qiáng)接面強(qiáng)度。而銦材質(zhì)的金屬層14，更可有效地將 無(wú)鉛焊料的回焊溫度，由24(TC 27(TC降低至大約160°C 200°C。上述依照本發(fā)明的焊料球15及基材板10的接合方法，是借助厚度為10 微米 18微米的金屬層14，于大約160。C 20(TC的反應(yīng)溫度，以及3 5分 鐘的持溫時(shí)間的條件下，進(jìn)行焊料球15以及基材板10的接合。經(jīng)過(guò)加熱及 持溫后，金屬層14是完全消耗，使得阻障層13與焊料球15接觸，進(jìn)而避免 了電極層12的材料擴(kuò)散，與焊料球15的材料發(fā)生反應(yīng)的現(xiàn)象。悍料球15以 及基材板10的界面間是形成平整的介金屬相16，可強(qiáng)化接面的強(qiáng)度。第二實(shí)施例請(qǐng)同時(shí)參照?qǐng)D3A 3D，圖3A是依照本發(fā)明第二實(shí)施例的基材板、阻障層 及金屬層的示意圖；圖3B是芯片提供于圖3A的第二表面的示意圖；圖3C是 焊料球配置于圖3B的金屬層上的示意圖；圖3D是圖3C的焊料球、金屬層、 阻障層及基材板經(jīng)過(guò)加熱及持溫后的示意圖。依照本發(fā)明第二實(shí)施例的封裝結(jié)構(gòu)的制造方法，首先提供一基材板20， 包括一基底材料層21及一電極層22，基底材料層21具有相對(duì)設(shè)置的一第一 表面21a及一第二表面21b，電極層22是設(shè)置于第一表面21a上。于本實(shí)施 例中，電極層22僅覆蓋部分的第一表面21a。接著形成一阻障層23于電極層 22上，然后形成一金屬層24于阻障層23上，金屬層24的厚度大約為10微 米 18微米，如圖3A所示。另外，于本實(shí)施例中，金屬層24的材質(zhì)較佳地 為銦，且金屬層24是利用電鍍的方式形成于阻障層23上。阻障層23的材質(zhì) 較佳地為鎳，其厚度大約為3微米 7微米，且阻障層23同樣是以電鍍的方 式形成于電極層22上。電極層22的材質(zhì)較佳地為銅。接著，提供一芯片27于第二表面21b，并且打線接合芯片27及基材板20， 如圖3B所示。其次，如圖3C所示，配置一焊料球25于金屬層24上。此焊料球25的 材質(zhì)例如是Sn-3. OAg-O. 5Cu或Sn-0. 7Cu的錫基無(wú)鉛焊料。然后，加熱焊料球25、金屬層24、阻障層23及電極層22至一反應(yīng)溫度， 并且維持此反應(yīng)溫度達(dá)一持溫時(shí)間。經(jīng)過(guò)加熱及持溫的步驟后，金屬層24是完全溶解于焊料球25中，并于 焊料球25及阻障層23之間形成介金屬相26，以將焊料球25及基材板20緊 密接合，如圖3D所示。依照本實(shí)施例的封裝結(jié)構(gòu)的制造方法再來(lái)形成一封膠28于第二表面21b， 封膠28覆蓋芯片27。請(qǐng)參照?qǐng)D4，其是依照本發(fā)明第二實(shí)施例的封裝結(jié)構(gòu)的 示意圖。完成此形成封膠28的步驟后，是完成依照本發(fā)明第二實(shí)施例的封裝 結(jié)構(gòu)200。于本實(shí)施例中，此封裝結(jié)構(gòu)200是以一球柵陣列(Ball Grid Array, BGA)封裝結(jié)構(gòu)為例作說(shuō)明，然而其也可為一倒裝片(flip chip)封裝結(jié)構(gòu)。本實(shí)施例的封裝結(jié)構(gòu)200的制造方法中，是于例如是于16(TC至20(TC的 反應(yīng)溫度，以及大約3分鐘至5分鐘的持溫時(shí)間的條件下，進(jìn)行焊料球25及 基材板20的接合。由于金屬層24僅具有大約10微米 18微米的厚度，經(jīng)過(guò) 加熱及持溫的步驟后，金屬層24是完全消耗。于本實(shí)施例中，金屬層24的 材質(zhì)較佳地為銦，可降低接合焊料球25及基材板20時(shí)的反應(yīng)溫度，避免了 封裝結(jié)構(gòu)200中的元件受到高溫傷害。此外，于焊料球25及阻障層23的接 合界面間形成平整及高溫的介金屬相26，于是提升了接合界面的可靠度。上述依照本發(fā)明較佳實(shí)施例的焊料球及基材板的接合方法及封裝結(jié)構(gòu)的 制造方法，是利用電鍍大約10微米 18微米的金屬層于阻障層上，并且加熱 至大約16(TC至20(TC的反應(yīng)溫度，并且維持大約3至5分鐘的持溫時(shí)間，以 進(jìn)行焊料球以及基材板的接合。經(jīng)過(guò)加溫及持溫的步驟后，金屬層是完全消 耗，并且于焊料球及基材板的接合界面間形成介金屬相。其優(yōu)點(diǎn)在于，借助 形成接面平整的介金屬相，可增加接面的強(qiáng)度及可靠度。此外，應(yīng)用例如是 銦材質(zhì)的金屬層，使得依照本發(fā)明較佳實(shí)施例的接合方法，可于較低的反應(yīng) 溫度下進(jìn)行。其次，由于金屬層僅電鍍10微米 18微米，于是可節(jié)省金屬層的材料成本。再者，由于依照本發(fā)明較佳實(shí)施例的接合方法僅需直接電鍍金 屬層于原有的基材板結(jié)構(gòu)上，因此可相容于現(xiàn)有的無(wú)鉛焊料制成。雖然本發(fā)明已以較佳實(shí)施例揭示如上，然而其并非用以限定本發(fā)明。本 發(fā)明所屬技術(shù)領(lǐng)域中具有通常知識(shí)者，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，當(dāng) 可作各種等同的更動(dòng)與潤(rùn)飾。因此，本發(fā)明的保護(hù)范圍當(dāng)視后附的本申請(qǐng)權(quán) 利要求范圍所界定的為準(zhǔn)。
權(quán)利要求
1. 一種焊料球及基材板的接合方法，包括提供一基材板，包括一電極層及一基底材料層，該電極層是設(shè)置于該基底材料層上；形成一阻障層于該電極層上；形成一金屬層于該阻障層上，該金屬層的厚度大約為10微米～18微米；配置一焊料球于該金屬層上；加熱該焊料球、該金屬層、該阻障層及該電極層至一反應(yīng)溫度；以及維持該反應(yīng)溫度達(dá)一持溫時(shí)間。
2. 如權(quán)利要求1所述的接合方法，其特征在于該金屬層的材質(zhì)為銦，且 利用電鍍的方式形成于該阻障層上。
3. 如權(quán)利要求1所述的接合方法，其特征在于該阻障層的材質(zhì)為鎳，且 利用電鍍的方式形成于該電極層上。
4. 如權(quán)利要求3所述的接合方法，其特征在于該阻障層的厚度大約為3 微米 7微米。
5. 如權(quán)利要求1所述的接合方法，其特征在于該焊料球的材質(zhì)為錫基的 無(wú)鉛焊料。
6. 如權(quán)利要求5所述的接合方法，其特征在于該焊料球的材質(zhì)為錫-3.0 銀-0.5銅(SAC)或錫-0.7銅(SC)。
7. 如權(quán)利要求1所述的接合方法，其特征在于該反應(yīng)溫度大約為160°C 至200'C，該持溫時(shí)間大約為3分鐘至5分鐘。
8. 如權(quán)利要求1所述的接合方法，其特征在于該基材板為一大規(guī)模集成 電路芯片或一封裝基板，且該電極層的材質(zhì)為銅或鋁。
9. 如權(quán)利要求1所述的接合方法，其特征在于于維持該反應(yīng)溫度達(dá)該持 溫時(shí)間后，該金屬層實(shí)質(zhì)上是完全消耗。
10. —種封裝結(jié)構(gòu)的制造方法，包括提供一基材板，包括一基底材料層及一電極層，該基底材料層具有一第 一表面及一第二表面，該第一表面及該第二表面是相對(duì)設(shè)置，該電極層設(shè)置于該第一表面上；形成一阻障層于該電極層上；形成一金屬層于該阻障層上，該金屬層的厚度大約為10微米 18微米； 提供一芯片于該第二表面，并且打線接合該芯片及該基材板； 配置一焊料球于該金屬層上；加熱該焊料球、該金屬層、該阻障層及該電極層至一反應(yīng)溫度；以及 維持該反應(yīng)溫度達(dá)一持溫時(shí)間。
11. 如權(quán)利要求10所述的制造方法，其特征在于該金屬層的材質(zhì)為銦， 且利用電鍍的方式形成于該阻障層上。
12. 如權(quán)利要求10所述的制造方法，其特征在于該阻障層的材質(zhì)為鎳， 且利用電鍍的方式形成于該電極層上。
13. 如權(quán)利要求12所述的制造方法，其特征在于該阻障層的厚度大約為 3微米 7微米。
14. 如權(quán)利要求IO所述的制造方法,，其特征在于該電極層的材質(zhì)為銅。
15. 如權(quán)利要求10所述的制造方法，其特征在于該電極層是覆蓋部分的 該第一表面。
16. 如權(quán)利要求10所述的制造方法，其特征在于該焊料球的材質(zhì)為錫基 的無(wú)鉛焊料。
17. 如權(quán)利要求16所述的制造方法，其特征在于該焊料球的材質(zhì)為Sn-3.0Ag-0.5Cu (SAC)或Sn-0.7Cu (SC)。
18. 如權(quán)利要求10所述的制造方法，其特征在于該反應(yīng)溫度大約為160 'C至200°C，該持溫時(shí)間大約為3分鐘至5分鐘。
19. 如權(quán)利要求10所述的制造方法，其特征在于于維持該反應(yīng)溫度達(dá)該 持溫時(shí)間后，該金屬層實(shí)質(zhì)上是完全消耗。
20. 如權(quán)利要求10所述的制造方法，于提供該芯片于該第二表面的步驟 后還包括形成一封膠于該第二表面，該封膠是覆蓋該芯片。
21. 如權(quán)利要求10所述的制造方法，其特征在于該封裝結(jié)構(gòu)為 一球柵陣 列封裝結(jié)構(gòu)或一倒裝片封裝結(jié)構(gòu)。
全文摘要
一種焊料球及基材板的接合方法及應(yīng)用其的封裝結(jié)構(gòu)的制造方法。焊料球及基材板的接合方法中，首先提供一基材板，基材板包括一電極層及一基底材料層，電極層是設(shè)置于基底材料層上。其次，形成一阻障層于電極層上。再來(lái)，形成一金屬層于阻障層上，此金屬層的厚度大約為10微米～18微米。而后，配置一焊料球于金屬層上。接下來(lái)，加熱焊料球、金屬層、阻障層及電極層至一反應(yīng)溫度。然后，維持反應(yīng)溫度達(dá)一持溫時(shí)間。
文檔編號(hào)H01L21/02GK101217117SQ20071000384
公開(kāi)日2008年7月9日 申請(qǐng)日期2007年1月5日 優(yōu)先權(quán)日2007年1月5日
發(fā)明者劉為開(kāi), 李嘉平, 鐃建中, 顏怡文, 魏弘堯 申請(qǐng)人:顏怡文