在Sn膜中晶須的減少的製作方法

2023-07-12 21:56:51 1

專利名稱：在Sn膜中晶須的減少的製作方法
技術領域：
本公開一般涉及包括Sn(錫)膜的電子組件，並且更具體地說，涉及在Sn膜中晶 須形成的抑制。
背景技術：
在Sn(錫)膜中「晶須」的形成是具有重大研究興趣的主題。多種電子裝置具有 十年或更長的預期操作壽命。而晶須可以在數月或更短的時段中形成。已經觀察到一些晶 須達到幾毫米的長度。諸如這些之類的晶須由於形成不希望的導電路徑(短路)或對於諸 如磁碟驅動器之類的顆粒敏感裝置引起機械損壞的可能性，在電子系統中呈現顯著的可靠 性危險。已經長久地知道，將Sn與鉛(Pb)熔合成合金減少Sn晶須的形成。然而，對於 Pb的不利生態影響的環境擔心已經導致世界各地區的立法，該立法明確地限制1 在電子 儀器中的使用。例如，由歐洲聯盟在2003年採納的並在2006年開始生效的有害物質限制 (Restriction of Hazardous Substances) (RoHS)命令將鉛在任何均質成分中的濃度限制 到0.1% (IOOOppm)或更少。1 的允許濃度一般地太低，以致於不能在這樣的晶須呈現不 可接受可靠性危險的全部情況下都抑制Sn晶須的形成。Sn晶須的形成仍然缺少理解。當前理論沒有為對1 摻雜提供可接受的、環境良好 的和低成本的替換方法供給足夠的指導。

發明內容
為了消除現有技術的以上討論缺陷，呈現電子裝置的一個實施例。電子裝置包括 具有表面的金屬導電引線。焊前(pre-solder)塗層在表面上，並且主要包括錫和從Al或 稀土元素中選擇的一種或多種摻雜物。另一個實施例是一種在電引線上形成焊前塗層的方法。該方法包括提供具有表面 的金屬導電引線。錫層形成在表面上。錫層包括由晶粒邊界區域分離的晶粒。錫層用從Al 或稀土元素中選擇的一種或多種摻雜物的平均濃度進行摻雜，使得一種或多種摻雜物在晶 粒邊界區域中具有比平均值顯著大的濃度。上文已經概述了本發明的特徵，使得本領域的技術人員可以較好地理解隨後的本 發明的詳細描述。下文將描述本發明的另外特徵，這些特徵形成本發明的權利要求書的主 題。本領域的技術人員應該認識到，他們可容易地將公開的概念和具體實施例用作用來設 計或修改其它結構的基礎，以便實現本發明的相同目的。本領域的技術人員也應該認識到， 這樣的等同構造不脫離本發明的精神和範圍。


為了更完全理解本發明，現在參考並結合附圖所做的如下描述，在附圖中圖1表明根據本發明形成的各種示範電子裝置；
圖2表明在襯底上的錫膜；圖3表明在錫膜上的晶須；圖4A和4B表明晶體晶粒和晶粒邊界的方面；圖5表明純錫膜、摻雜有Cu的錫膜及摻雜有1 的錫膜的蠕變特性；圖6表明製造電子裝置的方法；及圖7A和7B表明製造電子裝置的方法的一個例子。
具體實施例方式降低在錫膜中的鉛濃度的最近努力幾乎僅僅集中在提高錫膜的純度上。例如，電 鍍過程已經被精選以降低有機化合物的濃度，這些有機化合物可能導致可釘扎(pin)晶格 擴散機制的夾雜物。如下面進一步討論的那樣，認為這樣的釘扎可能使松馳-驅動擴散機 制在能量方面是有利的，這些機制導致晶鬚生長。目前認識到，晶鬚生長可以理解成是，由在錫膜中的應力松馳驅動的和由在對晶 粒邊界釘扎敏感的系統中的長距離晶粒邊界擴散使能的一種蠕變形式。這種認識使得有可 能識別個別摻雜物和一類摻雜物，這些摻雜物預期顯著地減小錫膜產生晶須的傾向。這樣 的摻雜物的添加被認為減少晶粒邊界釘扎，由此通過不會促使晶須形成的擴散途徑使能導 致應力松馳的擴散路徑。這裡呈現的使用這樣的摻雜物的實施例與為了減輕擴散釘扎機 制，像例如第二相釘扎，而提高錫膜純度的流行常識背道而馳。初始參照圖1，表明的是本公開的示範電子裝置100的一部分的透視圖。電子裝 置100包括襯底105，在該襯底105上形成或連結元件，這些元件具有在其上形成的錫層。 襯底105具有安裝在其上的裝置組件110。在某些實施例中，裝置組件110由引線框形成。 引線框是可以包括晶片-安裝區域、支撐結構、及引線的金屬結構，這些引線以後從支撐結 構切開並且彎曲以形成組件引線。引線框可以用來在封裝過程中促進在其上放置的多個集 成電路的封裝。由引線框形成的組件的非限制性例子包括塑料雙列直插式集成電路組件 (plastic dual in-line integrated circuit packages (PDIP)、小夕卜形集成電路(SOIC)、 四方扁平組件(quad flat packages) (QFP)、薄QFP (TQFP)、小收縮外形塑料組件(SSOP)、 薄SSOP(TSSOP)、薄非常小外形組件(TVSOP)、或其它含引線組件。裝置組件110可以包括 金屬元件，以提供對於環境溼度的RF屏蔽或氣密隔離。裝置組件110包括一根或多根引線120。元件引線120可以是任何常規或非常規 金屬導體。元件引線120可以連接到印刷電路互連件130上。連接可以包括焊接135。互 連件130又可以定路線到卡邊緣連接器140、連接器引腳150、或通孔通路160。連接器插座 (未表示)可以連接到卡邊緣連接器140或連接器引腳150上。電子裝置100可以包括散 熱器170，以幫助一個或多個器件組件的溫度控制。具有金屬絲引線185的一個或多個離散 裝置180也可以連結到襯底105上。以上金屬元件的任一個、以及類似範圍的其它金屬導 電引線認為供這裡描述的實施例使用。轉到圖2，表明的是金屬襯底210。金屬襯底210可以是以前描述的或類似範圍的 金屬元件的任一種。可選的底板(underplate)層220放置在金屬襯底210與摻雜錫膜230 之間。摻雜錫膜230可以是薄膜，意味著摻雜錫膜230具有小於約50 μ m、更優選地小於約 25 μ m及甚至更優選地小於約12 μ m的厚度。薄膜由於例如表面區域相對於體區域的更大的自由能，希望表現得與較厚膜不同。這點在下面展開。金屬襯底210可以是任何金屬材 料，在該金屬材料上，無晶須錫完成層是希望的。在某些情況下，襯底是電子元件或元件的 一部分。例子包括電路板互連件(包括鍍敷引線和通孔)、散熱器、連接器引腳、捲曲觸點、 裝置組件或組件引線。在一些實施例中，金屬襯底210包括銅或銅/鈹合金，但本發明不限 於此。底板層220可以是例如常規鎳、銀、金或其它金屬層。底板層220在某些情況下可能 是希望的，以減少在金屬襯底210與摻雜錫膜230之間的相互擴散。摻雜錫膜230在概念上可以分離成體和表面區域。體區域是摻雜錫膜230的、其 中錫原子佔據預期位置而沒有擾動的部分。換句話說，錫原子相對於彼此按與未乾擾晶格 的晶體結構和原子間隙相一致的方式定位。表面區域是靠近在摻雜錫膜230與環境之間的 界面的區域，在該區域中，原子受到幹擾離開它們的預期晶格位置。無序可能是來自例如表 面的自由能的減少的結果。一般地，表面區域限於表面/環境界面下面的幾個(2-3)個單 原子層。因為幹擾的晶格，在表面區域中的材料性能可能與在體中的那些性能顯著地不同。當錫層足夠薄時，表面區域的性能可以具有對於層的性能的顯著影響。況且，當錫 層的厚度在晶粒尺寸的量級上、或更小時，在層中的大多數晶粒邊界預期與層的表面相交。 在某些情況下，對於在表面處的晶粒邊界的接近提供將摻雜物引入到膜的有利路徑。在其 下錫層被認為提供這樣的好處的厚度被認為是約50 μ m。儘管具有比這個範圍大的厚度的 錫層的摻雜可以減緩晶鬚生長，但這裡描述的實施例預期在具有這個值以下的厚度的膜中 具有特別好處。也想到的是，在錫膜中晶粒邊界的百分比一般地隨膜厚度減小而增大。在 某些實施例中，在摻雜錫膜230中大於約70%的晶粒邊界與表面相交。然而，當錫膜變得太 薄時，孔洞和針孔缺陷的危險變得太大。認為錫膜厚度的這個下限是約0.1 μ m。具有範圍 在約0. 1 μ m與約50 μ m之間的厚度的錫膜在這裡稱作「錫薄膜」。圖3表明常規無鉛錫膜310。錫膜310包括晶粒320a、320b、320c，具有晶粒邊界 330a、330b。晶粒320a、320b承受壓應力，如由應力向量340a、340b表明的那樣。壓應力可 能歸因於例如沉積後應力或在鬆弛後產生的應力，因為錫原子通過各種途徑擴散以降低薄 膜310的整體自由能。在某些情況下，鬆弛過程導致由晶須350的形成表明的蠕變，該晶須 350可能源於晶粒邊界處，如源於晶粒邊界330a處。這裡所使用的術語晶須是指在錫膜上 的生長構造，該生長構造具有至少約10微米的長軸長度360、和至少約4 1的長軸長度 360與在構造的基底處的寬度370的比值。本領域的技術人員將認識到，晶粒是固體材料的區域，在該區域中，材料的原子呈 現與結晶材料相關聯的周期性。特定晶粒將典型地具有內部區域，該內部區域呈現結晶性 能，並且具有特定的晶體取向。一般地，膜的晶粒相對於彼此任意取向。在晶粒之間的界面 稱作晶粒邊界，並且特徵在於原子相對於晶體晶格的較差排序。晶粒邊界典型地富有空位、 畸變鍵長、及懸空鍵。況且雜質通過晶粒的成核和生長典型地集中在晶粒邊界處。雜質原 子和主材料原子的擴散一般沿晶粒邊界比在晶粒的內部(體)中大。然而，一些雜質可幹 擾沿晶粒邊界的擴散，「釘扎」否則會擴散的原子。圖4A和4B用來更詳細地表明晶粒邊界的性質。在圖4A中，表明多個晶粒，如它們 例如在錫膜310的表面上向下看時可能出現的那樣。晶粒典型地不規則地成形，並且具有 變化的尺寸，因為晶粒的成核和生長過程本質上是固有可變的。為了討論目的使兩個特定 晶粒突出顯示，而不受理論限制。晶粒410具有在例如垂直方向上的[100]晶向，並且晶粒420具有對於晶粒410的晶向轉動45°的[100]晶向。在圖4B中，這些晶粒藉助於在每一 個中的原子晶格的簡化表明而表明。因為晶格不同地取向，所以它們在晶粒410、420相交 處一般不對準。排序晶格的終止導致在晶粒邊界區域430中的原子的比較高自由能狀態。 原子可以從晶格位置移動，在這些晶格位置處它們否則預期減小局部系統的自由能。因而， 在晶粒邊界區域430中的原子相對於在晶粒晶格中的那些比較無序。晶粒邊界區域的大小 在寬度方面可以是幾個晶格常數，或者約l-2nm。況且，在錫膜310中的一些雜質可以從生 長晶粒排除，使雜質集中在晶粒邊界區域中。因而雜質原子440在晶粒邊界區域430中具 有比在錫膜310中的雜質原子的平均濃度高的濃度。返回圖3，隨時間流逝，在錫膜310中的應力典型地導致蠕變。這裡所使用的蠕變 是指材料從應力-誘導高能位置到低能位置的固態運動，使得系統趨向於低能狀態。在本 上下文中，錫膜310構成尋求低能狀態的系統。各種蠕變模型對於相關領域的技術人員是 已知的。—種良好特徵化機制是冪定律蠕變。冪定律蠕變模型與由位錯滑移和/或爬移造 成的應力鬆弛相關聯。見例如McCabe和Fine的MetMater Trans, 33A，1531，2002。這樣， 它描述由錫原子通過晶體晶粒的晶格的運動造成的蠕變。模型可以由如下描述
權利要求
1.一種電子裝置，包括具有表面的金屬導電引線；和在所述表面上的焊前塗層，焊前塗層主要包括錫和從Al或稀土元素中選擇的一種或 多種摻雜物。
2.根據權利要求1所述的電子裝置，其中，所述焊前塗層主要包括錫和僅一種所述摻 雜物。
3.根據權利要求1所述的電子裝置，其中，導電引線是引線框的一部分。
4.根據權利要求1所述的電子裝置，其中，所述稀土摻雜物從包括Gd、％、Eu、Nd及Ce 的組合中選擇。
5.根據權利要求1所述的電子裝置，其中，所述摻雜物是稀土元素，並且所述摻雜物在 所述焊前塗層中的濃度的範圍從約0. Iwt. %至約7wt. %。
6.根據權利要求5所述的電子裝置，其中，所述濃度範圍從約1.5wt.%至約3. 5wt. %0
7.根據權利要求1所述的電子裝置，其中，所述摻雜物是Al，並且所述摻雜物在所述焊 前塗層中的濃度的範圍從約0. Iwt. %至約%。
8.根據權利要求7所述的電子裝置，其中，所述濃度範圍從lwt.%至約2wt. %。
9.根據權利要求1所述的電子裝置，其中，所述焊前塗層的厚度具有範圍從約0.Ιμπι 至約50 μ m的厚度。
10.根據權利要求1所述的電子裝置，其中，所述導電引線從包括如下的組中選擇印刷電路互連件；連接器；裝置組件引線；及導線。
11.根據權利要求1所述的電子裝置，還包括裝置組件、或散熱器，所述裝置組件或散 熱器包括所述焊前塗層。
12.一種在電引線上形成焊前塗層的方法，包括提供具有表面的金屬導電引線；在所述表面上形成錫層，所述錫層包括由晶粒邊界區域分離的晶粒；及使用從Al或稀土元素中選擇的一種或多種摻雜物的平均濃度摻雜所述錫層，使得所 述一種或多種摻雜物在所述晶粒邊界區域中具有比所述平均值顯著大的濃度。
13.根據權利要求11所述的方法，其中，所述焊前塗層包括Al和稀土元素中的至少兩種。
14.根據權利要求11所述的方法，其中，所述摻雜物是Al，該Al在所述焊前塗層中具 有範圍從約0. Iwt. %至約%的濃度。
15.根據權利要求11所述的方法，其中，所述摻雜物是Al，該Al在所述焊前塗層中具 有範圍從約Iwt. %至約2wt. %的濃度。
16.根據權利要求11所述的方法，其中，所述摻雜物從包括Gd、％、Eu、Nd及Ce的組合 中選擇。
17.根據權利要求16所述的方法，其中，所述摻雜物是稀土元素，該稀土元素在所述焊 前塗層中具有範圍從約0. Iwt. %至約7wt. %的濃度。
18.根據權利要求17所述的方法，其中，所述摻雜物在所述焊前塗層中具有範圍從約 1. 5wt. %至約3. 5wt. %的濃度。
19.根據權利要求11所述的方法，其中，所述焊前塗層具有範圍從約0.Iym至約 50 μ m的厚度。
20.根據權利要求11所述的方法，其中，所述金屬導電引線是引線框。
21.根據權利要求11所述的方法，其中，所述錫層在所述摻雜之前形成。
22.根據權利要求11所述的方法，其中，所述摻雜物經所述晶粒邊界擴散到所述錫層中。
全文摘要
一種電子裝置，包括具有表面的金屬導電引線。在表面上的焊前塗層主要包括錫和從Al或稀土元素中選擇的一種或多種摻雜物。
文檔編號H05K3/24GK102132638SQ200880130797
公開日2011年7月20日 申請日期2008年8月21日 優先權日2008年8月21日
發明者J·W·歐森巴赫 申請人:艾格瑞系統有限公司