CN102198566B - 铁粉锡基复合焊锡合金球及其覆晶植球的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种铁粉锡基复合焊锡合金球及其覆晶植球的方法，主要是将极小的铁金属颗粒添加在焊锡合金球内，以制造出含有铁粉的焊锡合金球，可通过磁性设备将整颗复合焊锡合金球有效吸引，使在覆晶植球的过程中，可有效协助超微小焊锡合金球定位，而将其牢固地吸引、充填在植球钢板孔洞内，另配合适当的除球工艺，除去多余焊锡合金球，便可抵抗超微小焊锡合金球的表面吸湿、静电效应所产生的团簇集结现象，从而顺利完成植球工艺，以增益微小型电路基板和电子组件的结合。

Description

铁粉锡基复合焊锡合金球及其覆晶植球的方法

技术领域

本发明涉及一种铁粉锡基复合焊锡合金球及其覆晶植球的方法，主要为一种用于覆晶构装的技术，将含有铁粉的焊锡合金球植球于电路基板上，进行最有效的焊接功能。

背景技术

近年来电子构装技术，受到上游芯片设计、制造能力不断提升，产出高密度、高I/O数、高速度及高功率等相关电子组件的冲击；以及下游消费者对3C电子产品轻、薄、短、小的殷切需求，两面夹击下，迫使电子构装的从业人员不断的推陈出新发展新技术，达到减小体积、增加良率、提高散热效果、降低成本及强化可靠度等，以符合市场需求。针对高密度封装，覆晶方式已成为最重要的联机方法。由于焊锡具备自我对位及可重工的特性，因此覆晶凸块大多使用焊锡材料，其技术关键在于焊锡凸块的制作及组装，传统焊锡凸块的制作方法主要可分为电镀及锡膏钢板印刷两种，电镀法除了环保问题，最大的发展障碍在于电镀特定焊锡合金组成的困难性，尤其因应欧盟要求焊锡需采用无铅成份，其镀液配方、电镀参数及稳定性均不易掌握，且必须耗费巨额的光罩成本，无法满足市场普及性及低价化的要求，所以近年来大部分封装从业人员针对覆晶组装均逐渐采用锡膏钢板印刷方法，然而当覆晶凸块尺寸被要求至0.1mm以下时，即使采用直径10μm的锡粉，其单点焊锡凸块，也仅由少数几颗锡粉构成，回焊后势必造成因焊点大小不一造成芯片共平面度不佳的问题，而若要制作更小的锡粉，则包括喷粉、氧化、粒径筛选及粉尘污染等问题均很难克服；另一方面，以锡膏制作覆晶凸块工艺，经常会有助焊剂回焊后在焊锡内部产生孔洞的现象，这些因素使得锡膏钢板印刷技术生产覆晶凸块，面临严峻挑战。因此，为解决锡膏在细间距(0.1mm以下)方法能力不足的缺点，最新的发展趋势是直接使用超微小焊锡合金球(0.1mm以下)，进行植球、回焊形成覆晶焊锡凸块。但在超微小锡球的植球方法中，如何克服锡球表面吸湿及静电力的影响，而能精准操控锡球置于正确位置，将面临极大挑战，目前尚无相关的技术足以有效的完成。

发明内容

本发明的目的在于制作出含有铁粉的焊锡合金球，并将其用在覆晶植球方法上，以达到增进覆晶的有效性并简化程序，且使结合后电路基板和构件的结合强度增加，具有显著的进步性及创新性。

为达上述目的，本发明采用如下技术方案：

提供一种铁粉锡基复合焊锡合金球，是在锡球内结合微小的铁粒子。所述铁粒子的粒径≤5μm。

本发明还提供一种覆晶植球的方法，是使用上述焊锡合金球为植球基材，在植球过程中，于基板底部设以磁性构件，通过其磁性吸住焊锡合金球，使焊锡合金球落入钢板的细微孔洞内，且在于基板的焊垫上方，再配有除球设备或装置，以除去钢板表面多余的焊锡合金球，完成覆晶植球工艺。

本发明的铁粉锡基复合焊锡合金球及其覆晶植球的方法，主要是将极小的铁金属颗粒添加在焊锡球内，以制造出含有铁粉的焊锡合金球，而可利用磁铁将整颗复合焊锡合金球有效地吸引，利用此特性，可有效协助超微小焊锡合金球定位，而将其牢固地吸引、充填在植球钢板孔洞内，配合适当的真空除球法，吸去多余焊锡合金球，便可抵抗超微小焊锡合金球的表面吸湿、静电效应所产生的团簇集结现象，从而顺利完成植球工艺。

附图说明

图1为本发明覆晶植球方法的示意图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步说明，应该理解的是，这些实施例仅用于例证的目的，决不限制本发明的保护范围。

本发明主要包括两个阶段的技术特征，其一为将铁粉混合于焊锡合金球内，形成复合焊锡合金球的组合结构，以提升电路基板与电子组件的结合强度；然后再将焊锡合金球用于覆晶植球技术，同时兼具简化工艺的功效。

关于铁粉锡基的复合焊锡合金球的制造方法，由于铁在焊锡中的溶解度与扩散能力极低，因此不会有粗化的顾虑，根据文献可知铁的添加可有效提高焊锡的常温抗拉强度，尤其在抵抗高温潜变的能力表现上更是出色，约可比无强化相颗粒的焊锡高出五倍之多。为了提高铁与焊锡的润湿性，本发明的一个较佳实施例是在铁粉表面上先镀一层锡，使其表面可形成FeSn₂金属间化合物，方法虽较为繁琐，但较易使铁粉末与锡熔汤融合在一起；为了均匀散布，可更好地应用到磁场的环境作用。另外，本发明可采用化学镀的方法，其主要原因为，化学镀不需额外供应电流，没有电流断路或分布不均的问题，因此镀层较为均匀且平坦，而利用镀液中的还原剂将锡离子还原沉积在铁粉的表面，但此表面必须能催化镀锡反应进行，附着第一层金属锡后，此锡层又继续催化下一层锡的还原沉积，故化学镀锡亦称自身催化镀(Autocatalytic Plating)。另外，本发明在制备铁颗粒强化无铅复合焊锡时是以Sn3Ag0.5Cu锡条与表面预镀锡的铁颗粒配置成复合焊锡合金锡条，制作成不同比例铁颗粒含量的复合焊锡，来达成改善焊锡热机强度的目的。其中，铁颗粒重量占复合焊锡重量的百分比≤10％。

在方法上，首先将铁粉(粒径为5μm)表面镀上一层化学锡(chemicalplating)，化学锡是指水溶液中的金属离子在控制的环境下，进行化学还原，而不需借助电就能将锡金属镀在铁粉上，所得镀层是连续的，且自身具有催化性(autocatalytic)。化学镀液配方需具备的特性包括：还原剂的氧化还原电位必须足以还原金属离子，使金属析出；镀浴需稳定，在未使用时则不起作用，只有在催化性的镀件表面接触时才迅速开始作用析出金属镀层；析出速率要能被控制，pH值、温度能调节析出速率；析出的金属须具有催化作用，以进行自身催化电镀，镀层才能连续形成，以达到所需镀层厚度；镀液反应生成物须不妨碍镀液的功能，镀液的寿命才能长久。

进行化学镀锡方法前，本发明的一个实施例是先用脱脂剂清洁铁粉，脱脂剂为酸性并且是界面活性剂混合液体，操作温度为50℃，浸泡时间为1分钟，然后再用去离子水清洗。接着再用微蚀液将铁颗粒表面粗糙化，以提升锡面的附着力，微蚀时间为5秒钟。为了防止化学锡主槽液受到污染或稀释，在室温下，先将铁粉在化学镀锡液中预浸1分钟，以避免铁粉直接与主槽液反应，而能维持浸锡液的酸当量与锡当量。化学锡通过置换反应镀在铁粉表面上。然后，将化学镀完成的试片浸泡于乙醇中清洗2分钟，再用80℃的热水清洗2～3次，将残留在试片中的化学锡液彻底洗净，最后将铁粉烘干。铁粉完成镀锡后，再与熔融Sn3Ag0.5Cu锡汤均匀混合，以熔炼完成复合焊锡合金球，根据本发明方法所完成的焊锡合金球在其内部含有铁成分，铁含量为10％(重量百分比)。

另关于在0.1mm以下的超微细锡球的植球技术方面，目前已知的方式是在钢板网印助焊剂之后，使用特殊技术将微小锡球填入钢板孔洞内，完成回焊植球步骤，而在晶片上，制作出的锡球直径为80μm，锡球之间的间距为150μm，属于高密度接点；或是利用精密度高的超微小管路传输焊锡球，当锡球到达出口的焊垫位置后，施予激光束迅速加热焊锡，使其顺利熔融在芯片焊垫上。但对超微细锡球进行植球时遭遇到最严重的问题在于锡球微小化后衍生的表面吸湿、静电效应所产生的团簇集结现象，因此微细锡球的植球操控方法将是植球方法技术发展的重要关键，而前述已知方式均仍难以有效控制。

为了克服超微小锡球的植球困难问题，本发明采用具备前述备受磁性的铁金属颗粒复合焊锡合金球，请参阅图1所示，本发明的覆晶植球方式如下，主要是在植球过程中，于基板1底部设有磁性构件2，通过其磁性可有效吸住焊锡合金球3，使焊锡合金球3落入钢板4的细微孔洞41内，且位于基板1的焊垫11上方，而后再用真空除球设备5或刮板6，除去钢板4表面多余的焊锡合金球3，即可完成覆晶植球的工艺，在此过程中，由于受到磁性的吸力作用，从而能有效抵抗超微小焊锡合金球3因表面吸湿、静电效应所产生的团簇集结现象，而能顺利植球于基板1上，以提供后续的焊接工作，而能完成整个后续工艺。

上述覆晶植球所完成的电路基板，其各组件的结合强度，经由冲击可靠度试验，通过加载质量反复进行不同高度及方向的掉落冲击测试，测验结果显示，根据本发明方法完成产品的焊接强度远优于现有的焊锡凸块的产品，因此，本发明的技术具备实用进步性，并可提供产业利用价值，即本发明符合发明专的要求。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，对本发明而言仅仅是说明性的，而非限制性的。本专业技术人员理解，在本发明权利要求所限定的精神和范围内可对其进行许多改变，修改，甚至等效，但都将落入本发明的保护范围内。

Claims (1)

1.一种覆晶植球的方法，其特征在于，是使用焊锡合金球为植球基材，在植球过程中，于基板底部设以磁性构件，通过其磁性吸住焊锡合金球，使焊锡合金球落入钢板的细微孔洞内，且位于基板的焊垫上方，另再配有除球设备或装置，以除去钢板表面多余的焊锡合金球，完成覆晶植球工艺；所述焊锡合金球为在锡球内结合铁粒子的铁粉锡基复合焊锡合金球。

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