CN102672365A - 焊球及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种焊球及其制造方法。所述焊球包括：至少一个内核，包含铁磁材料；金属中间层，分别覆盖所述至少一个内核；焊料外壳，一体地覆盖金属中间层。因此，可以得到可用于感应加热的核壳结构的无铅焊球。

Description

焊球及其制造方法

技术领域

本发明涉及焊球制造领域，更具体地讲，本发明涉及一种焊球及其制造方法。

背景技术

目前，球栅阵列(BGA)封装件已成为电子封装技术的主流，BGA封装件采用焊球来代替引脚从而满足电气互连及机械互连要求。

传统焊球的微观结构在径向上大多都是均一的。然而，在采用均一焊球的传统回流焊工艺中，元器件和基板都达到了焊球的熔化温度，在焊接完成后，会产生一定的翘曲。同时较高的回流温度会对某些不耐高温的芯片产生一定的损伤。

随着材料科学的发展，具有核壳结构的微球在实验室中制备成功(参见C.P.Wang，X.J.Liu，I.Ohnuma，et al.，Science，297-9(2002)990)后得到了广泛的瞩目。图1A至图1C是C.P.Wang等人制备的Cu-Fe系的核壳结构微球的照片。图1A中的微球具有富Fe相内核和富Cu相外壳的结构；图1B中的微球具有富Fe相多核和富Cu相外壳的结构；图1C中的微球具有富Cu相内核、富Fe相金属中间层和富Cu相外壳的三层核壳结构。此外，C.P.Wang等人还成功制备了Cu-Sn-Bi三相的核壳焊球，如图2所示，其中，内核为富Cu-Sn相，外壳为SnBi合金。但是该核壳结构焊球的直径小于0.1mm，并不适用于目前BGA封装件的需要，所以中国科学院过程工程研究所的李建强等人在第CN 101642858A号专利申请中提出了一种新的制备方法，其中，加入了一定质量比(0.01～1％)的稀土来促进核壳结构的形成，从而达到制备直径最大可达5mm的BGA焊球，如图3所示。

Sekisui公司运用该公司的专利US 7,045,050 B2投入生产，推出了塑料内核核壳结构焊球，受到了广泛的关注。该焊球结构如图4所示，内核401为二乙烯基苯，金属中间层402为Cu导电金属层，外壳403为无铅焊料。由于这种结构的核壳焊球的内核尺寸不易变形，所以能在基板和元器件之间保持理想的空隙高度并同时保证传输线路不会超过预设值。

由于和传统的对流加热或者红外加热相比，感应加热具有局部加热、加热和冷却速率较快等优点，已被尝试运用于电子封装的微连接技术中。

Chan等人在专利US 4,983,807中描述了当启用电磁场时，含有铁磁内核的焊球会被加热至熔化并焊接在基板焊盘上，从而完成电子元件和基板的电路连接，如图5所示。这种用感应加热焊接的方法替代传统的回流焊工艺，可以达到局部加热的效果，即，只有焊球、焊盘等被加热，而其他元器件和基板基本上没被加热，从而减少翘曲等问题的发生。图6是Chan等人的专利中焊球的结构示意图，其中，磁性内核601为Fe-Co-Ni三元合金，其中，Fe的含量为50％～75％，Co的含量为2％～20％，Ni的含量为20％～35％，外壳602为焊料。

Takahashi等人在专利US 4,097,266中描述了一种带金属核的焊球，如图7所示，其中，内核701为导电的非磁性金属或者金属合金，内核701的熔点高于焊料的熔点，例如为Cu、Ag或者是这两者的合金。金属中间层702为磁性材料层，磁导率大于1且居里温度高于焊料熔点温度。外壳703为焊料外壳，包含Sn、Pb、Sn-Pb、Sn-Pb-Ag、Sn-Pb-Cd、Pb-Ag、Pb-Sn-In、Pb-In、Sn-In和Pb-Ag-In系列焊料。

Harada等人在专利US 6,793,116 B2中描述了3种多孔沉积金属核焊球，如图8～图11所示。在如图8所示的结构中，在表面多孔结构的金属内核801外面沉积焊料外壳802，焊料同时还沉积在内核801的孔中。图9示出了中空多孔沉积金属核焊球结构，多孔结构的金属内核902中含有中空内腔901，焊料外壳903沉积在内核902的外面和孔中。图10是第三种多孔沉积金属核焊球结构，多孔结构的金属内核1001外面包覆焊料外壳1002。图11是图10中的A部分的放大图，标号1101为多孔金属内核，标号1102为内核孔洞，在内核孔洞内无焊料沉积填充，标号1103是和外层焊料外壳1104相连通的孔洞，在该相连通的孔洞内有焊料沉积。这三种结构的多孔金属内核都由熔点高于焊料熔点的金属组成，并且此金属内核和外层焊料之间润湿性良好。

在上面描述的核壳结构焊球中，有采用金属熔化法制备(如图1A～图3所示)的，在该方法制备的核壳焊球中，内核的金属是体积比较小的相，外壳的金属为体积比较大的相。但是核壳金属都不是纯金属，而是一种富含某种金属的合金。在工业生产中，核壳物质的成分和直径都比较难稳定控制。

塑料核壳焊球(图4)已经能够大规模工业生产，但是由于其不含磁性物质，所以只能用传统的回流焊工艺而被焊接到基板上。在回流焊过程中，整个元器件和基板都会被加热。由于各种材料的热膨胀系数(CTE)不同，会造成元器件和基板在回流焊后有翘曲。同时高温对某些元器件也有一定的损伤，所以如果能使用含有磁核的焊球，就能采用感应加热替代传统的对流加热，从而达到局部加热的效果。

Chan等制备出了如图6所示的核壳焊球，其中，磁性内核局限在一定范围内的Fe-Co-Ni三元合金。Takahashi等人制备出了如图7所示的带金属核的焊球，其中，外层焊料很多为含铅焊料，而目前常用的一些Sn-Ag-Cu系焊料被排除在外。Harada等人制备出了如图8至图11中所示的多孔沉积金属核焊球，其中，多孔金属内核的制备工艺比较复杂，不易控制，而且金属内核如果不具备铁磁性就不能使用感应加热。

发明内容

实施例的目的在于克服在现有技术中的上述和其他缺点。为此，实施例提供一种焊球及其制造方法，因此，可以采用感应加热方法来替代传统回流焊工艺完成元器件和基板的微连接。感应加热和传统对流加热相比，能够实现局部加热，在元器件和基板完成微连接过程中，只有焊球和焊盘部分被加热，其余部分如基板、塑封胶、芯片等，基本不产生热量，这样可以减少焊接过程中所产生的翘曲，降低高温对芯片的热损伤等。同时，由于焊球内部具有熔化温度高于焊料的磁性内核在整个焊接过程中不会被熔化，使得元器件和基板之间的间隙高度与传统均一介质焊球相比，可控性得到很大的提升。

根据实施例，提供了一种焊球，所述焊球包括：至少一个内核，包含铁磁材料；金属中间层，分别覆盖所述至少一个内核；焊料外壳，一体地覆盖金属中间层。

内核包含Fe、Co、Ni和它们的合金中的至少一种。

金属中间层包含Cu、Ni和它们的合金中的至少一种。

焊料外壳包含Sn、Sn-Ag、Sn-Cu、Sn-Ag-Cu、Sn-Bi、Sn-Zn、Sn-In中的至少一种。

内核的熔点和居里温度高于焊料外壳的熔点和居里温度。

内核的饱和磁化率大于1。

内核的粒径在50μm至500μm的范围内。

金属中间层的厚度在2μm至30μm的范围内。

焊料外壳的厚度在5μm至50μm的范围内。

根据实施例，提供了一种制造如上所述的焊球的方法，所述方法包括如下步骤：制备包含铁磁材料的至少一个内核；形成分别覆盖所述至少一个内核的金属中间层；形成一体地覆盖金属中间层的焊料外壳。

制备内核的步骤包括：通过气体雾化工艺来制备包含铁磁材料的内核。

形成金属中间层的步骤包括：通过滚镀工艺来形成覆盖内核的金属中间层。

形成焊料外壳的步骤包括：通过滚镀工艺来形成覆盖金属中间层的焊料外壳。

所述滚镀工艺为振动滚镀工艺。

形成焊料外壳的步骤包括：利用多个覆盖有金属中间层的内核与焊料熔体的混合物，采用焊球成型工艺形成一体地覆盖多个覆盖了内核的金属中间层的焊料外壳。

根据实施例，可以制造出一种可用于感应加热的核壳结构的无铅焊球，其可以广泛应用于电子封装行业。在利用根据实施例的焊球进行焊接时，焊球外层的低熔点的无铅焊料主要起连接元器件和基板的作用，而焊球内部的铁磁内核则承担感应发热使外层焊料熔化的功能。同时铁磁内核还能承担起控制元器件和基板之间空隙高度的作用。

附图说明

图1A至图11是示出根据现有技术制造出的焊球的照片或示意图；

图12是根据本发明实施例的焊球的示意性剖视图；

图13是根据本发明另一实施例的焊球的示意性剖视图；

图14至图16是示出在根据本发明实施例的制造焊球的方法使用的设备的示意图。

具体实施方式

下文中，将参照附图来详细描述本发明实施例。然而，实施例可以以许多不同的形式来实施，且不应该限于这里阐述的示例。相反，提供这些示例使得本公开将是彻底并完整的，并将实施例的范围充分地传达给本领域技术人员。为了清楚起见，在附图中夸大了层和区域的尺寸和相对尺寸。在附图中，相同的标号始终表示相同的元件。

图12是示出根据实施例的焊球的示意性剖视图。如图12所示，根据实施例的焊球可以包括内核1201、金属中间层1202、焊料外壳1203。

内核1201可以包含铁磁材料，诸如Fe、Co、Ni或它们的合金等。为了实现电镀工艺并且改善内核1201和焊料外壳1203的润湿性，金属中间层1202覆盖内核1201。金属中间层1202可以包含Cu、Ni、它们的合金、或者其他有相似功能的材料。焊料外壳1203覆盖金属中间层1202。焊料外壳1203可以由无铅焊料形成。例如，焊料外壳1203可以包含Sn、Sn-Ag、Sn-Cu、Sn-Ag-Cu、Sn-Bi、Sn-Zn、Sn-In中的至少一种。

图13是根据另一实施例的焊球的示意性剖视图。与图12中示出的焊球的结构不同，图13中示出了一个焊球中包括了多个磁性内核1301。如图13所示，根据实施例的焊球可以包括多个内核1301和分别覆盖所述多个内核1301的多个金属中间层1302。焊料外壳1303一体地覆盖所述多个金属中间层1302。内核1301、金属中间层1302、焊料外壳1303的材料与参照图12描述的内核1201、金属中间层1202、焊料外壳1203的材料相同。

Fe、Co、Ni或它们的合金等具有铁磁性的材料可以在特定的外加电磁场作用下被加热。而与此同时，其他不具备铁磁性的金属或者合金或者其他非金属物质在同样的外加电磁场作用下，不会产生磁力线的聚集，所以基本不产生热量或者产生的热量有限。因此，根据本发明实施例的这样含有铁磁内核1201、1301的焊球在外加电磁场作用下，可以产生足够的热量，使得外层的焊料熔化，从而被焊接到基板焊盘，因此完成了诸如BGA封装件的包括根据实施例的焊球的元器件与基板的微连接。在这个过程中，元器件和基板的其他组成部分(如芯片、塑封胶、基板材料等)基本上不会被加热，因此能有效地减少或防止翘曲的出现，同时可以减轻或防止高温对芯片的损伤。

同时，由于铁磁内核1201、1301的熔化温度远高于焊料外壳(1203、1303)，所以在整个焊接过程中，铁磁内核1201、1301不会被熔化，这也使得元器件和基板之间的空隙高度可控性要优于传统的均一焊球。

在一个示例中，内核1201、1301的熔点和居里温度可以高于焊料外壳(1203、1303)的熔点和居里温度。内核1201、1301的饱和磁化率可以大于1。内核1201、1301的粒径可以在50μm至500μm的范围内。金属中间层(1202、1302)的厚度可以在2μm至30μm的范围内。焊料外壳(1203、1303)的厚度可以在5μm至50μm的范围内。

下面将详细描述根据实施例的制造焊球的方法。

根据实施例，诸如图12和图13中示出的核壳结构的焊球可以由如下步骤制备。

首先，制备包含铁磁材料的至少一个内核。可以通过与粉末冶金领域中使用的气体雾化工艺相同的工艺来制备包含铁磁材料的内核。例如，制备包含铁磁材料的内核的步骤可以包括：

合金熔炼

把诸如Fe、Co、Ni和它们的合金中的一种或者多种按照一定比例称重，装入感应熔炉中，通入氩气，加热至金属熔化后冷却，重复2～3次至混合均匀。

气体雾化

使熔化的均匀的合金熔体连续均匀地流出，当合金熔体通过喷嘴时被高压氩气或氮气破碎雾化成弥散的液滴，液滴在雾化罐内自由下落，在表面张力作用下收缩成完整的球形，下落的同时在保护气氛中自然连续冷却，形成大小均一的铁磁内核。

可以通过与粉末冶金领域中使用的气体雾化工艺的控制方式相同的控制方式来得到粒径均匀的内核。例如，可以将内核的粒径控制在50μm至500μm的范围内。

然后，形成分别覆盖所述至少一个内核的金属中间层。可以通过滚镀工艺或其他工艺(诸如物理气相沉积、离子镀等)来形成覆盖内核的金属中间层。例如，可以通过滚镀工艺在内核外面覆盖厚度均匀的包含Cu、Ni和它们的合金中的至少一种的金属中间层，来改善内核和焊料外壳之间的润湿性，同时满足滚镀焊料工艺的需求。

接下来，形成一体地覆盖已经覆盖了内核的金属中间层的焊料外壳。可以通过滚镀或者其他工艺(诸如物理气相沉积、离子镀等)来形成覆盖金属中间层的焊料外壳。例如，可以通过再次执行滚镀工艺在金属中间层外面覆盖厚度均匀的焊料外壳层。因此，可以得到具有如图12所示结构的焊球。

滚镀严格意义上讲叫做滚筒电镀。它是将一定数量的小零件置于专用滚筒内、在滚动状态下以间接导电的方式在零件表面上沉积各种金属或合金镀层、以达到表面防护装饰及各种功能性目的的一种电镀加工方式。典型的滚镀过程是这样的：将经过镀前处理的小零件装进滚筒内，零件靠自身的重力作用将滚筒内的阴极导电装置紧紧压住，以保证零件受镀时所需的电流能够顺利地传输。然后，滚筒以一定的速度按一定的方向旋转，零件在滚筒内受到旋转作用后不停地翻滚、跌落。同时，主金属离子受到电场作用后在零件表面还原为金属镀层，滚筒外新鲜溶液连续不断地通过滚筒壁板上无数的小孔补充到滚筒内，而滚筒内的旧液及电镀过程中产生的氢气也通过这些小孔排出筒外。

小零件在滚筒内是堆积在一起的，其中一部分零件分布在堆积体的内部，称为内层零件；另一部分零件则分布在堆积体的外表面，称为表层零件。滚镀时，主金属离子实际只在表层零件的表面还原形成金属镀层，而内层零件由于受到表层零件的屏蔽、遮挡等影响只有电流通过，却几乎没有电化学反应发生。所以，为了能够有机会受镀，内层零件就需要从堆积体的内部翻出变为表层零件。而表层零件也不能长时间停留，电镀进行一段时间后，受到滚筒的旋转作用又变成了内层零件。这样，小零件只有不停地翻滚，才能促使内层零件与表层零件不断地变化、转换，并最终保证每个零件都有均匀受镀的机会。

滚镀工艺主要可以分为三种：卧式滚镀、倾斜式滚镀、振动滚镀。

卧式滚镀

卧式滚镀的滚筒形状为“竹筒”或“柱”状，使用时卧式放置。滚筒轴向为水平方向，所以卧式滚镀也叫水平卧式滚镀。生产中常见的六角形滚筒、镀铬滚筒、杆状(或辐条)滚筒、缝衣针滚筒等都属于卧式滚镀的范畴。其中以六角形滚筒应用最广泛。典型的卧式滚筒结构如图14所示。卧式滚镀以劳动生产效率高、镀件表面质量好、适用的零件范围广等诸多优越性在滚镀生产中应用最广泛。但是，由于卧式滚筒的封闭式结构，造成了卧式滚镀电镀时间长、镀层厚度不均匀、零件低电流区镀层质量不佳等缺陷，使其在生产中的应用受到影响。

倾斜式滚镀

倾斜式滚镀的滚筒轴向与水平面约成40°～45°角，零件的运行方向倾斜于水平面，倾斜式滚镀的名字即由此而来。目前常见的倾斜式滚镀设备如图15所示。倾斜式滚镀设备操作轻便灵活、易于维护。另外，使用倾斜式滚镀镀件受损较轻，比较适合易损或尺寸精度要求较高的零件。但是，倾斜式滚镀机滚筒装载量小、零件翻滚强度不够，在劳动生产效率和镀件表面质量等方面逊色于卧式滚镀机。

振动滚镀

振动滚镀的滚筒形状为“圆筛”或“圆盘”状，滚筒内零件的运动靠来自振荡器的振动力来实现。所以，振动滚镀的滚筒一般被形象地称作“振筛”(如图16所示)。振筛的振动轴向与水平面垂直，则振筛内零件的运动方向为水平方向。

振动滚镀的振筛结构和振动轴向与传统卧式滚筒有着本质的区别，所以会产生与传统卧式滚镀迥然不同的效果：(1)振筛的料筐上部敞开后，彻底打破了传统卧式滚筒的封闭式结构，消除了滚筒内外的离子浓度差，所以，由滚筒封闭式结构带来的滚镀的缺陷得到最大程度的改善，例如，镀层沉积速度快、厚度均匀及零件低电流区镀层质量好等；(2)通过控制振筛的振动频率或振幅等条件，可以达到控制零件在振筛内混合条件的目的，从而可将各零件的镀层厚度波动性控制到最小；(3)电镀时使用大的电流密度并同时进行着机械光整作用，镀层结晶细致，表面光亮度高；(4)对零件的擦伤、磨损等均小于其它滚镀方式；(4)另外，振动电镀时阴极导电平稳，夹、卡零件现象较轻，并且可以随时对零件进行质量抽检。

根据本发明的实施例，优选地，可以采用振动滚镀来形成覆盖内核的金属中间层和覆盖金属中间层的焊料外壳。

另外，还可以采用这样的步骤来形成焊料外壳，即，利用多个覆盖有金属中间层的内核与焊料熔体的混合物，采用焊球成型工艺形成一体地覆盖多个覆盖有金属中间层的内核的焊料外壳。

首先，把焊料按照预定的比例称重，并与由采用诸如滚镀工艺得到的覆盖有金属中间层的内核混合并装入感应熔炉中，通入氩气，升温至焊料金属熔化后冷却，重复2～3次至混合均匀，从而得到多个覆盖有金属中间层的内核与焊料熔体的混合物。然后，利用已知的焊球成型工艺将混合物制备成大小均一的焊球，从而可以得到具有如图13中所示的结构的焊球。

根据本发明实施例，可以制造出一种可用于感应加热的核壳结构的无铅焊球，其可以广泛应用于电子封装行业。在利用根据实施例的焊球进行焊接时，焊球外层的低熔点的无铅焊料主要起连接元器件和基板的作用，而焊球内部的铁磁内核则承担感应发热使外层焊料熔化的功能。同时铁磁内核还能承担起控制元器件和基板之间空隙高度的作用。

虽然已经示出并描述了本发明实施例的示例，但是本领域技术人员应该理解的是，实施例不限于此，在不脱离如权利要求所限定的本发明的精神和范围的情况下，可以对实施例进行各种修改。

Claims (15)

1.一种焊球，其特征在于，所述焊球包括：

至少一个内核，包含铁磁材料；

金属中间层，分别覆盖所述至少一个内核；

焊料外壳，一体地覆盖金属中间层。

2.如权利要求1所述的焊球，其特征在于，内核包含Fe、Co、Ni和它们的合金中的至少一种。

3.如权利要求1所述的焊球，其特征在于，金属中间层包含Cu、Ni和它们的合金中的至少一种。

4.如权利要求1所述的焊球，其特征在于，焊料外壳包含Sn、Sn-Ag、Sn-Cu、Sn-Ag-Cu、Sn-Bi、Sn-Zn、Sn-In中的至少一种。

5.如权利要求1至权利要求4中的任意一项权利要求所述的焊球，其特征在于，内核的熔点和居里温度高于焊料外壳的熔点和居里温度。

6.如权利要求1至权利要求4中的任意一项权利要求所述的焊球，其特征在于，内核的饱和磁化率大于1。

7.如权利要求1至权利要求4中的任意一项权利要求所述的焊球，其特征在于，内核的粒径在50μm至500μm的范围内。

8.如权利要求1至权利要求4中的任意一项权利要求所述的焊球，其特征在于，金属中间层的厚度在2μm至30μm的范围内。

9.如权利要求1至权利要求4中的任意一项权利要求所述的焊球，其特征在于，焊料外壳的厚度在5μm至50μm的范围内。

10.一种制造如权利要求1至权利要求9中的任意一项权利要求所述的焊球的方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

制备包含铁磁材料的至少一个内核；

形成分别覆盖所述至少一个内核的金属中间层；

形成一体地覆盖金属中间层的焊料外壳。

11.如权利要求10所述的方法，其特征在于，制备内核的步骤包括：

通过气体雾化工艺来制备包含铁磁材料的内核。

12.如权利要求10所述的方法，其特征在于，形成金属中间层的步骤包括：

通过滚镀工艺来形成覆盖内核的金属中间层。

13.如权利要求10所述的方法，其特征在于，形成焊料外壳的步骤包括：

通过滚镀工艺来形成覆盖金属中间层的焊料外壳。

14.如权利要求12或权利要求13所述的方法，其特征在于，所述滚镀工艺为振动滚镀工艺。

15.如权利要求10所述的方法，其特征在于，形成焊料外壳的步骤包括：

利用多个覆盖有金属中间层的内核与焊料熔体的混合物，采用焊球成型工艺形成一体地覆盖多个覆盖了内核的金属中间层的焊料外壳。

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