CN1052179C - 用于球栅格阵列的焊料膏 - Google Patents
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Abstract
用于球栅格阵列的高质量的隆起可以利用由钎剂与合金粉末混合产生的焊料膏以高产率形成，该合金粉末包括不同成份的两种或多种合金粉末，每一种合金粉末的液相线温度低于回流温度，至少合金粉末的一种在液相线与固相线之间具有10℃或更大的差别，全部的合金粉末的平均成份是58%-65%(重量)的锡和35-42%(重量)的铅，或者60-65%(重量)锡，34-38%(重量)的铅和重量为1-3%(重量)的银。
Description
本发明涉及一种用于球栅格阵列的形成隆起的焊料膏。
近几年在具有较大尺寸和较高速度的大规模集成(LSIs)推广以后，半导体组件已变得导线数增加和较窄的导线间距。虽然装配间距为0.5mm的正方平组件(QFPs)大量制造，但是由于导线变形和不良焊接，例如未焊接的导线和由间距窄引起的导线间的跨接，人们提心装配间距为0.4mm和0.3.mm会增加成本。
所以球栅格阵列(BGA)3发展起来了。球栅格阵列是如图1所示的表面装配型半导体组件，在这里球形的焊料隆起形成在不同种类的基质上。由于这种球形焊料的导线(球形焊料隆起2)按两个尺寸方向配置在基质1上，这样与QFP组件相比提供了较宽的导线间距，并且排除了焊料球变形。所以在大量生产时与QFP组件相比焊接缺陷期望可以急剧下降。
目前，用于BGA的球形焊料隆起通过把预定的焊料球焊接在基质上的基座上来形成。但是，在它们被提供到规定的位置之后，防止焊料球的错位是有困难的。并且，该方法需要大量特殊的夹紧装置和涉及到由于昂贵的焊料球的高的生产费用。
对照此背景技术，一种新型加工方法现在被越来越多地应用，就是通过焊料膏的印刷和回流在球栅格阵列基质上形成球形的焊料隆起。在这种方法中，焊料降起可以由已经在表面固定中应用的焊料膏的印刷和回流方法形成。于是一般的印刷机和回流炉可以被应用并且没有特别的装置或夹紧装置是必需的。并且，焊料膏比焊料球便宜一些。新的加工方法因此被期望能导致较低的生产费用。
然而，在利用一般的焊料膏印刷和回流在球栅格阵列基质上形成球形的焊料隆起的上述方法中，只有球栅格阵列才有的缺陷产生于一些球形成在专门的基座位置之外。
其它发明已揭示了具有不同成份的两类或更多的合金粉末混合而成焊料膏。(例如，日本未审查的专利公开Nos.Hei3-13952，Sho57-66993，Sho63-149094，Sho63-154288，Hei1-241395，Hei1-271094，Hei1-266987，Hei2-117794，Hei2-211995，Hei4-22595，和Hei4-29365)。
然而，大部分在它们的工作实例中揭示的含有铋或铟的低熔点焊料与本发明的焊料组合物有相当的区别。虽然日本未审查的专利公开Sho63-154288和Hei2-117794所包括的工作实例不含有铋或者铟，但每个焊料合金的液相线温度高于回流温度，所以这些发明和本发明有所区别。其它发明不包括涉及用于球栅格阵列的隆起的形成的任何说明。
而且，这样一种焊料膏的应用都需要高的回流温度和长的回流时间，所得到的不是在半导体蕊片和基质上的高热负载，就是差的光泽、低的润湿性和不够的强度，这归因于不完全的合金化。所以只有本发明的焊料膏可以无缺陷地为球栅格阵列形成高质量的隆起。同时，应用的合金粉末具有过高的液相线温度是不利的，这就要求利用的合金粉末要有高的锡含量以便调整平均成份。至于这种成分，应当指出的是这种粉末产品的粉化是一个困难的过程，并且所得到的焊料膏是不稳定的，这是因为粉末表面是活泼的，容易与焊剂反应。本发明中应用的任何合金粉末并不特别限制用它的形状和颗粒尺寸。形状可以是球形的或无规的，以及大约73μ(200目)的颗粒尺寸或更小一些的也被应用。
本发明涉及到当通过焊料膏的印刷和回流在基质上形成球形的焊料隆起时形成隆起的用于球栅格阵列的焊料膏，球栅格阵列不含缺陷，并且涉及一种利用所说的焊料膏在球栅格阵列上形成隆起的球栅格阵列。
本发明的发明者已经进行了涉及到焊料膏的广泛的研究，这些焊料膏将不会导致只有球栅格阵列才有的缺陷，例如通过焊料膏的印刷和回流所形成的球的错位。结果，发明者已经发现应用本发明的焊料膏可以排除这些缺点。
也说是说，本发明提供一种用于球栅格阵列的形成隆起的焊料膏，它是由焊剂和含有两种或更多种具有不同成分焊料合金粉末的合金粉末的混合物组成的，所说的焊剂粉末的每一种具有低于回流温度的液相线温度，至少所说的焊剂合金粉末的一种在其液相线与固相线之间具有10℃或者更大的差别，合金粉末的平均成分是锡的重量百分比为58-65％和铅的重量百分比为35-42％，或者锡的重量百分比为60-65％，铅的重量百分比为34-38％和银的重量百分比为1-3％。
本发明也提供一种利用如上所述焊料膏在球阵列上形成隆起的球阵列。
图1是本发明的球栅格阵列的一实施例平面图；
图2表示沿A-A′部分的截面图；
图3表示半导体组件的一个实施例；
图4是在一般的印刷方法中印刷时的截面图；
图5是通过印刷形成球栅格阵列隆起时印刷时的截面图；和
图6表示已错位的焊料球。
如图4中表示的在一般的焊料膏印刷中焊料膏9印刷到基质的每个基座8上和覆盖几乎相同的面积。在为球栅格阵列而形成隆起的情况下，必须提供较大体积的焊料膏，因为必须形成大于基座的球形的隆起。这样，如图5所示，有必要使印刷焊料膏9显著地从基座8上凸起。回流之后，如图6所示在基座以外的位置形成一些焊料球，这只是球栅格阵列才有的问题。这种现象被认为可归因于当只有由接近共晶成分的合金粉末所组成的焊料膏在基座的边界受热熔化时，焊料膏未熔化的部分仍然是固态粉形式，因此不能维持它的形状，这就意味着，当球形成时，未熔化部分的膏被吸收到首先熔化的液相部分中。如果使用本发明的焊料膏，则不会出现错位的球。假设，由于所说的焊料膏包括具有熔化区间的合金粉末，当外界加热时，这种焊料膏有一个固相和液相共存的区域，甚至在焊料膏未熔的部分中有部分的液相，由于该相液的表面张力使它能够维持一定的形状和确保在基座上正确地形成球。
既然，当利用焊料膏形成球栅格阵列隆起时认为球错位是由于上述的机理而发生，就有必要确保至少一种合金粉末在它的固相线和它的液相线之间有差别，以便防止上述机理起作用。这个差别应当至少为10℃或更多，最好是20℃或更多。
在本发明中，焊料膏中的每一种合金粉末应当是液相线温度低于回流温度。其原因是，如果液相线温度高于回流温度，向着平均成份的合金化过程不能平滑地继续进行，并且变得必须提高回流温度或者延长回流时间，大量热负载给予半导体芯片和基质。并且，合金化不能令人满意地在一般的回流温度和时期内完成，结果焊料具有不够的焊料光泽和低于平均焊料成份的机械强度。因此，本发明应用具有低于回流温度的液相线温度的合金粉末。
所谓共晶焊料(平均的成分：锡的重量百分比为58-65％和铅的重量百分比为35-42％)或者所谓含银的焊料(锡的重量百分比为60-65％，铅的重量百分比为34-38％，和银的重量百分比为1-3％)之所以应用在本发明，是因为作为合金它们都能提供良好的润湿性和高的机械强度。这些成分也普遍应用于电子元件的结合。这些类型焊料的回流温度一般在210℃至240℃的变化范围内，特别是大约230℃。就锡的重量百分比为58-65％和铅的重量百分比为35-42％的一般成分来说，要求混合锡的重量百分比为45-60％和铅的重量百分比为40-55％的合金粉末，和一种锡的重量百分比为70-100％和铅的重量百分比为0-30％的合金粉末，能使得焊料组合物具有不超过回流温度的液相线温度和具有液相线与固相线之差为10℃或更大。在这种情况下锡可以被单独使用因为它的熔点为232℃。
更希望的情况是一种锡的重量百分比为50-60％和铅的重量百分比为40-50％的合金粉末和一种锡的重量百分比为70-85％和铅的重量百分比为15-30％的合金粉末的混合物。也可以将一种锡的重量百分含量为58-65％和铅的重量百分含量为35-42％的合金粉末与上述合金粉末混合物混合。当平均成分被调整成锡的重量百分比为60-65％，铅的重量百分比为34-38％和银的重量百分比为1-3％时，这就要考虑到液相线温度来混合锡的重量百分比为45-60％。铅的重量百分比为40-55％和银的重量百分比为0-3％的合金粉末，和一种锡的重量百分比为70-100％，铅的重量百分比为0-30％和银的重量百分比为0-3％的合金粉末。希望更好的情况是混合锡的重量百分比为50-60％，铅的重量百分比为40-50％和银的重量百分比为0-3％的合金粉末，和一种锡重量百分比为70-85％，铅的重量百分比为15-30％和银的重量百分比为0-3％的合金粉末。也可以进一步将上述混合物与锡的重量百分比为60-65％，铅的重量百分比为34-38％和银的重量百分比为1-3％的一种合金粉末混合。
本发明的焊料膏的焊剂包括树脂、溶剂、触变剂、活化剂和其它的添加剂。这种材料普遍地用作焊料膏的焊剂并且没有特别的限制。
所说的焊料膏所用的树脂的例子包括松香如自然松香和变性松香，水溶性树脂和聚合物。溶剂的例子包括醇类、二元醇和醚类。触变剂的例子包括蓖麻油、石蜡、石油化学的聚合物和酰胺。活化剂的例子包括单羧酸、双羧酸、胺类、酰胺、酰亚胺、胺盐和卤素。其它添加剂的例子包括增稠剂、表面活化剂、流动调节剂、抗腐剂和防泡剂。
在所说的焊料膏中的焊剂的重量百分比没有特别的限制。但是在印刷涂敷中，9-12％(重量)范围是普遍的。焊剂中的固体含量，例如松香，是没有特别的限制并且有宽的范围10-70％(重量)。
根据本发明，球栅格阵列的基质类型没有特别的限制。例如，印刷线路板(环氧-玻璃，酚-纸等)、柔性板、陶质板和TAB基质可以被应用。半导体芯片通过导线连接或者焊料隆起连接到带有电路的电接头的一面。在另一面，焊料基座按阵列设置。所说的焊料膏利用印刷机采用模板或网筛涂敷到每个基座上，然后在回流炉中加热熔化。通过这种方法，高质量的环形焊料隆起可以形成。回流炉的气氛无特殊的限制，可以应用空气，不活泼的气氛如氮、或还原气氛，如氢和酸。
实施例
对于实施例1到6和比较例1和2，通过按下述比例捏和而制备焊料膏。这样获得的焊料膏被印刷并通过回流而在230℃熔化，形成隆起而产生球栅格阵列。结果如表1所示。
表1
实施例1 份数(重量)合金粉末A(50％(重量)Sn-50％(重量)Pb) 60.0
| 有缺陷的非球形隆起的百分比(在一个球栅格阵上超过3,240位置) | |
| 实施例1 | 0.0 |
| 实施例2 | 0.0 |
| 实施例3 | 0.0 |
| 实施例4 | 0.0 |
| 实施例5 | 0.0 |
| 实施例6 | 0.0 |
| 比较例1 | 0.8 |
| 比较例2 | 1.2 |
液相线温度212℃，固相线温度183℃，
尺寸22-53μm合金粉末B(80％(重量)Sn-20％(重量)Pb) 30.0
液相线温度202℃，固相线温度183℃，
尺寸22-53μm聚合松香 3.0歧化松香 2.0二甘醇单己基醚 3.9氢化蓖麻油 0.5环己基胺HBr 0.1己二酸 0.5实施例2 份数(重量)合金粉末C(45％(重量)Sn-55％(重量)Pb) 43.0
液相线温度202℃，固相线温度183℃，
尺寸22-45μm合金粉末B(80％(重量)Sn-20(重量)Pb) 47.0聚合松香 3.0歧化松香 2.2二甘醇单丁基醚 3.9氢化蓖麻油 0.5环己基胺HBr 0.1己二酸 0.3实施例3 份数(重量)合金粉末D(55％(重量)Sn-45％(重量)Pb) 40.5
液相线温度201℃，固相线温度183℃，
尺寸22-38μm合金粉末E(70％(重量)Sn-30％(重量)Pb) 40.5
液相线温度190℃，固相线温度183℃，
尺寸22-38μm合金粉末F(63％(重量)Sn-37％(重量)Pb) 9.0
共晶温度183℃，尺寸22-45μm聚合松香 2.0歧化松香 1.0丙二醇单苯基醚 5.9氢化蓖麻油 0.7异丙基胺HBr 0.1丁二酸 0.3实施例4 份数(重量)合金粉末G(46％(重量)Sn-51％ 30.0
(重量)Pb-3％(重量)Ag)
液相线温度200℃，固相线温度178℃，
尺寸10-30μm合金粉末H(80％(重量)Sn-18％ 60.0
(重量)Pb-2％(重量)Ag)
液相线温度200℃，固相线温度178℃，
尺寸10-30μm聚合松香 3.4歧化松香 3.0α-萜品醇 2.5氢化蓖麻油 0.5环己基胺HBr 0.1月桂酸 0.5实施例5 份数(重量)合金粉末I(50％(重量)Sn-48％ 45.0
(重量)Pb-2％(重量Ag)
液相线温度210℃，固相线温度178℃，
尺寸22-45μm合金粉末H(80％(重量)Sn-18％ 45.0
(重量)Pb-2％(重量)Ag)聚合松香 2.4歧化松香 2.4α-萜品醇 4.1氢化蓖麻油 0.5环己基胺HBr 0.1月桂酸 0.5实施例6 份数(重量)合金粉末J(55％(重量)Sn-43％ 35.0
(重量)Pb-2％(重量)Ag)
液相线温度199℃，固相线温度178℃，
尺寸22-45μm合金粉末K(70％(重量)Sn-28％ 35.0
(重量)Pb-2％(重量)Ag)
液相线温度200℃，固相线温度178℃，
尺寸22-45μm合金粉末L(62％(重量)Sn-36％ 20.0
(重量)Pb-2％(重量)Ag)
共晶温度178℃，尺寸22-45μm氢化松香 6.0二甘醇单丁基醚 2.9氢化蓖麻油 0.5环己基胺HBr 0.1辛酸 0.5比较例1 份数(重量)合金粉末F(63％(重量)Sn-37％(重量)Pb) 90.0氢化松香 6.0α-萜品醇 2.9氢化蓖麻油 0.5环己基胺HBr 0.1丁二酸 0.5比较例2 份数(重量)合金粉末L(62％(重量)Sn-36％ 90.0
(重量)Pb-2％(重量)Ag)聚合松香 2.0歧化松香 4.0二甘醇单己基醚 2.9氢化蓖麻油 0.5环己基胺HBr 0.1己二酸 0.5
从以上的说明可以看出，用于球栅格阵列的高质量的隆起可以利用由焊剂和合金粉末混合产生的焊料膏以高产率形成，该合金粉末包含具有不同成份的两种或多种合金粉末，每一种合金粉末有低于回流温度的液相线温度，至少合金粉末中的一种在液相线与固相线之间具有10℃或更大的差别，整个合金粉末的平均成份是58％-65％(重量)的锡和35-42％(重量)的铅，或者60-65％(重量)的锡，34-38％(重量)的铅和1-3％(重量)的银。
Claims (14)
1.一种用于球栅格阵列而形成隆起的焊料膏，由焊剂和具有不同成份的两种或多种合金粉末的混合物构成。其特征在于所说的每一种合金粉末都具有低于回流温度的液相线温度，至少所说的合金粉末之一在液相线与固相线之间具有10℃或更大差别，整个合金粉末的平均成份是锡的重量百分比为58-65％和铅的重量百分比为35-42％。
2.根据权利要求1的用于球栅格阵列的形成隆起的焊料膏，其特征在于所说的合金粉末混合物包括一种锡的重量百分比为45-60％和铅的重量百分比为40-55％的合金粉末，以及一种锡的重量百分比为70-100％和铅的重量百分比为0-30％的合金粉末。
3.根据权利要求1的用于球栅格阵列的形成隆起的焊料膏，其特征在于所说的合金粉末混合物包括一种锡的重量百分比为45-60％和铅的重量百分比为40-50％的合金粉末，以及一种锡的重量百分比为70-85％和铅的重量百分比为15-30％的合金粉末。
4.根据权利要求1的用于球栅格阵列的形成隆起的焊料膏，其特征在于所说的合金粉末混合物包括一种锡的重量百分比为45-60％和铅的重量百分比为40-55％的合金粉末，一种锡的重量百分比为70-100％和铅的重量百分比为0-30％的合金粉末，以及一种锡的重量百分比为58-65％和铅的重量百分比为35-42％的合金粉末。
5.根据权利要求1的用于球栅格阵列的形成隆起的焊料膏，其特征在于所说的合金粉末混合物包括一种锡的重量百分比为50-60％和铅的重量百分比为40-50％的合金粉末，一种锡的重量百分比为70-85％和铅的重量百分比为15-30％的合金粉末，以及一种锡的重量百分比为58-65％和铅的重量百分比为35-42％的合金粉末。
6.根据权利要求1至5之一的用于球栅格阵列的形成隆起的焊料膏，其特征在于所说的回流温度是210℃至240℃。
7.根据权利要求6的用于球栅格阵列的形成隆起的焊料膏，其特征在于所说的回流温度大约是230℃。
8.一种用于球栅格阵列的形成隆起的焊料膏，由焊剂和合金粉末的混合物构成，该合金粉末包括成分不同的两种或多种合金粉末，其特征在于所说的每一种合金粉末具有低于回流温度的液相线温度，至少所说的一种合金粉末在液相线与固相线之间具有10℃或者更大的差异，全部合金粉末的平均成份是锡的重量百分比为60-65％，铅的重量百分比为34-38％和银的重量百分比为1-3％。
9.根据权利要求8的用于球栅格阵列的形成隆起的焊料膏，其特征在于所说的合金粉末的混合物包括一种锡的重量百分比为45-60％，铅的重量百分比为40-55％和银的重量百分比为0-3％的合金粉末，以及一种锡的重量百分比为70-100％，铅的重量百分比为0-30％和银的重量百分比为0-3％的合金粉末。
10.根据权利要求8的用于球栅格阵列的形成隆起的焊料膏，其特征在于所说的合金粉末的混合物包括一种锡的重量百分比为50-60％，铅的重量百分比为40-55％和银的重量百分比为0-3％的合金粉末，以及一种锡的重量百分比为70-85％，铅的重量百分比为15-30％和银的重量百分比为0-3％的合金粉末。
11.根据权利要求8的用于球栅格阵列的形成隆起的焊料膏，其特征在于所说的合金粉末的混合包括一种锡的重量百分比为45-60％，铅的重量百分比为40-55％和银的重量百分比为0-3％的合金粉末和一种锡的重量百分比为70-100％，铅的重量百分比为0-30％和银的重量百分比为0-3％的合金粉末，以及一种锡的重量百分比为60-65％，铅的重量百分比为34-38％和银的重量百分比为1-3％的合金粉末。
12.根据权利要求8的用于球栅格阵列的形成隆起的焊料膏，其特征在于，所说的合金粉末混合物包括一种锡的重量百分比为50-60％，铅的重量百分比为40-50％和银的重量百分比为0-3％的合金粉末，锡的重量百分比为70-85％，铅的重量百分比为15-30％和银的重量百分比为0-3％的合金粉末，以及一种锡的重量百分比为60-65％，铅的重量百分比为34-38％和银的重量百分比为1-3％的合金粉末。
13.根据权利要求8-12之一的用于球栅格阵列的形成隆起的焊料膏，其特征在于所说的回流温度为210℃至240℃。
14.根据权利要求13的用于球栅格阵列的形成隆起的焊料膏，其特征在于所说的回流温度大约是230℃。
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