CN115884514A - 低温焊锡的焊接结构及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种低温焊锡的焊接结构，由下而上至少依序包含：一印刷电路板的一线路层、一介金属化合物层、一第一焊接扩散层、一焊接金属层、一第二焊接扩散层及一电子元件的一电极层。该印刷电路板的该线路层的表面处理是使用无铅焊锡合金焊垫，使得焊接后的焊接结构拥有良好的冷热循环信赖性。本发明还提供一种焊接结构的制造方法以制作前述低温焊锡的焊接结构。

Description

低温焊锡的焊接结构及其制造方法

技术领域

本发明有关于一种电子元件的组装焊接结构，特别是指一种利用低温锡膏进行焊接而与电子元件形成的焊接结构，以形成高信赖性的低温焊锡的焊接结构及其制造方法。

背景技术

现有的组装焊接过程上，印刷电路板(Printed circuit board，PCB)线路保护的表面处理多为涂布有机保焊剂(Organic Solderability Preservative，OSP)层；电子元件的下表面则附着有锡或锡合金电极，例如晶片底部表面所附着的球栅阵列(ball gridarray；简称BGA)。组装的次序是将锡膏印刷于OSP层上之后，再将电子元件的电极置件于锡膏层上，再通过锡炉使锡膏熔融及扩散而形成焊接结构并完成组装。

近来积体电路(integrated circuit，IC)晶片的高密度化使得其封装结构多为薄而大面积。在利用SAC(锡银铜)系锡膏焊接时因为焊接时的高温约245℃～260℃会使IC的封装结构在加热过程中产生变形而失去平整度，导致空焊、短路等焊接的不良问题发生。因此降低焊接的温度来减少IC封装体的材料变形是改善焊接不良发生的方法之一。于是使用大量含铋的低温焊锡合金，例如铋含量大于10％(重量百分比)的锡铋合金锡膏(熔点约140℃～180℃)来降低焊接温度成为解决的主要手法。

前述锡铋合金锡膏因为熔点低在组装时可低温焊接以具有减少元件变形的优势。使用一般OSP表面处理的PCB用锡铋合金锡膏焊接时，因为电极多为纯锡或锡银铜等较高熔点的合金，所以为达成较好的焊接效果，前述锡铋合金锡膏的温度(熔点小于180℃)会比原来的熔点(熔点约140℃)增加约40℃以上或是增加较长回焊的时间。此时锡铋合金锡膏的流动性会变好，有时会造成大量的铋扩散至例如BGA球的零件载板端形成金铋的介金属化合物(Inter-metallic Compound，IMC)，造成球与载板间的金脆问题；因此有限制铋的扩散高度仅能达到BGA球的三分之一高度的要求。另外，以同样的锡铋合金锡膏在较低回焊温度时，虽然不会使铋大量往上扩散，会造成铜线路上部大区域的锡铋集中区。这样会使得焊接部(称为锡铋焊接层)形成一个只有低温焊接层及高脆性的区域。这区域一旦形成会使得焊接部位除了不耐机械冲击(例如摔落测试)之外，最容易造成的问题是在冷热循环下重复的高低温环境中铋容易产生扩散，造成富铋相的成长而形成空孔，再加上热胀冷缩的应力作用下，会使得锡铋区发生断裂问题，也就是所谓的热撕裂现象(hot-tearing)，因而造成低温焊锡焊接部的信赖性不如传统的锡银铜合金SAC305焊锡形成的焊接层。虽然含铋的焊锡合金种类很多，在与OSP表面处理焊接时，却很难避免这个现象发生。

发明内容

因此，本发明的目的，即在提供一种低温焊锡的焊接结构，该低温焊锡的焊接结构是使用无铅焊锡合金焊垫的印刷电路板，这使得结合电子元件后的焊接结构拥有良好的耐冷热循环信赖性。

基于上述发明目的，提供一种低温焊锡的焊接结构，至少包含：一线路层；一介金属化合物(Inter-metallic Compound，IMC)层，该IMC层形成于该线路层的上面；一第一焊接扩散层，该第一焊接扩散层形成于该IMC层的上面；一焊接金属层，该焊接金属层形成于该第一焊接扩散层的上部；一第二焊接扩散层，该第二焊接扩散层形成于该焊接金属层的上部；一电子元件的一电极层，该电极层位于该第二焊接扩散层的上部。

依据上述低温焊锡的焊接结构，该线路层是一含铜的铜线路，该IMC层主要为铜与锡反应形成的金属化合物，是于低温焊接时为一焊垫结构制作时所形成。该第一焊接扩散层为一无铅焊锡合金焊垫层于焊接时因为一无铅锡铋合金锡膏中铋的扩散进入后而形成的下铋扩散层。该焊接金属层为一无铅锡铋合金层，为该无铅锡铋合金锡膏在焊接后其中的铋未扩散的部分。该第二焊接扩散层为于焊接时该无铅锡铋合金锡膏中的铋扩散进入该电极层所造成的上铋扩散层。该电极层是一含锡或锡合金电极层，或是附着于一电子元件的下表面或封装结构下输入/输出(I/O)的锡合金球(例如BGA球)。

本发明基于前述低温焊锡的焊接结构，又提供一种焊接结构的制造方法，依序包含以下步骤：一提供有无铅焊锡合金焊垫的印刷电路板步骤、一印刷低温锡铋合金锡膏步骤、一置件电子元件步骤及一回焊加热步骤。

附图说明

图1是本发明焊垫结构的结构示意图。

图2是本发明焊接结构的结构示意图。

图号说明：

1：焊垫结构

10：印刷电路板

11：线路层

12：IMC层

13：第一焊接扩散层

14：焊接金属层

15：第二焊接扩散层

16：电极层

17：电子元件

100：焊接结构

A：无铅焊锡合金焊垫层。

具体实施方式

首先请参阅图1，本发明的一种焊垫结构1由下而上至少依序包含：一印刷电路板10、一线路层11、一IMC层12及一无铅焊锡合金焊垫层A。该线路层11位于该印刷电路板10的上表面且通常是一导电线路图案，该线路层11的材料可以是铜，换言之该线路层11是铜线路。该IMC层12形成于该线路层11的上表面，该IMC层12主要为铜与锡或其他元素形成的金属化合物。该无铅焊锡合金焊垫层A位于该IMC层12的上表面，该无铅焊锡合金焊垫层A的材料包含锡，例如为含锡合金，较佳为锡银铜合金或锡铜合金或其他含1wt％以下的铋的无铅焊锡合金。于实际运用时可以是无铅焊料SAC305(Sn 96.5wt％、Ag 3.0wt％、Cu 0.5wt％)或SAC0307(Sn99.0wt％、Ag 0.3wt％、Cu 0.7wt％)。较佳地，该无铅焊锡合金焊垫层A的材料不含故意添加的铋。又或者，该无铅焊锡合金焊垫层A为一含锡合金层或含小于1wt％铋的无铅焊锡合金层。这种无铅焊锡合金层(该无铅焊锡合金焊垫层A)可以使用电镀、喷锡或是锡膏加热法及其他方法来形成，厚度约10μm～100μm(微米)，但不包含高浓度铋(大于1wt％)的合金。需先说明的是，本发明所指的“无铅”是实质是符合RoHS(Restriction ofHazardous Substances，关于限制在电子电器设备中使用某些有害成分的指令)的无铅规范定义。前述实质上不包含铅是指原则上只要非蓄意在合金中添加铅(例如于制造过程中无意但不可避免的杂质或接触)，因此即可被视为实质上不包含铅或可视为无铅。“wt％”指的是重量百分比，另外，本发明所述的数值范围的限定总是包括端值。

请参阅图2，本发明的一种低温焊锡的焊接结构100由下往上依序包含该线路层11、该IMC层12、一第一焊接扩散层13、一焊接金属层14、一第二焊接扩散层15、一电子元件17的一电极层16。其中，该IMC层12形成于该线路层11的上面；该第一焊接扩散层13形成于该IMC层12的上面；该焊接金属层14形成于该第一焊接扩散层13的上部；该第二焊接扩散层15形成于该焊接金属层14的上部；该电极层16位于该第二焊接扩散层15的上部，该电极层16也是附着于该电子元件17的下表面。

该第一焊接扩散层13为一含有锡及铋的下铋扩散层，该焊接金属层14为一含有锡及铋的锡铋合金层，该第二焊接扩散层15为一含有锡及铋的上铋扩散层，该电极层16是一含锡的焊锡合金电极层。

该低温焊锡的焊接结构100是以一焊接结构的制造方法所制作，该焊接结构的制造方法依序包含以下步骤。

一提供有无铅焊锡合金焊垫的印刷电路板步骤：提供该焊垫结构1，焊垫结构1由下而上至少依序包含：该印刷电路板10、该线路层11、该IMC层12及该无铅焊锡合金焊垫层A。

一印刷低温锡铋合金锡膏步骤：将该焊垫结构1以一含铋的低温锡膏(无铅锡铋合金锡膏)印刷于该焊垫结构1的该无铅焊锡合金焊垫层A的上表面，例如该无铅锡铋合金锡膏为锡铋锡膏(例如42wt％的锡及58wt％的铋)，或者锡铋银锡膏(例如42wt％的锡、57wt％的铋及1wt％的银)。或者，以锡铋为主成分添加数ppm至数wt％的其他一种或一种以上的金属元素的低温锡膏。

一置件电子元件步骤：将该电子元件17的该电极层16叠置于该无铅锡铋合金锡膏的上面，也就是说中间制程是该电子元件17或BGA球叠置于该无铅锡铋合金锡膏的上面以形成一焊接结构半成品。

一回焊加热步骤：将该焊接结构半成品以160℃～190℃进行加热4.5分钟～6.5分钟(例如以回焊炉加热)，接着冷却例如冷却至室温25℃。于本回焊加热步骤过程中，该无铅锡铋合金锡膏中的铋会部分往下迁移(也可称为扩散)至该无铅焊锡合金焊垫层A而使该无铅焊锡合金焊垫层A变成该第一焊接扩散层13，换言之该第一焊接扩散层13为该无铅焊锡合金焊垫层A于加热时因为该无铅锡铋合金锡膏中铋的扩散而形成的下铋扩散层；该无铅锡铋合金锡膏中的铋也会部分往上迁移至该电极层16的下部而使该电极层16的下部变成该第二焊接扩散层15，换言之该第二焊接扩散层15为于加热时该无铅锡铋合金锡膏中的铋扩散进入该电极层16的下部所造成的上铋扩散层；该无铅锡铋合金锡膏则于加热时形成该焊接金属层14，该焊接金属层14为一锡铋合金层，为该无铅锡铋合金锡膏在焊接后其中的铋未扩散的部分。据以，获得该低温焊锡的焊接结构100。其中，该第一焊接扩散层13中铋的浓度小于该焊接金属层14中铋的浓度，该第二焊接扩散层15中铋的浓度小于该焊接金属层14中铋的浓度。

如果不使用该无铅焊锡合金焊垫层，则于制作低温焊锡的焊接结构时无法形成该下铋扩散层(即该第一焊接扩散层)，换言之就如同先前技术所言的使用一般OSP表面处理的PCB用锡铋合金锡膏焊接时，只会形成焊接金属层上面的铋扩散层(上铋扩散层)而不会有下面的铋扩散层(下扩散层)形成。然而本发明这样的组织结构及方法相对先前技术来说可以有以下的优点：(1)减少锡铋合金层(即该焊接金属层14)厚度，避免硬脆及低温区域过大；(2)可以同时形成上、下扩散层且上、下扩散层的铋含量比该焊接金属层14少，所以韧性比先前技术的锡铋焊接层大且熔点也较高，可避免热撕裂(Hot tearing)效应及脆性高；(3)在该回焊加热步骤的过程中，由于该无铅锡铋合金锡膏并不会与该线路层11的铜接触，因此该无铅锡铋合金锡膏中的铋不会受到铋与铜相容性不佳所导致的热力学效应而使得大量的铋单方面往电极层端扩散至例如BGA球的零件端的问题，因此本发明很容易达到第二焊接扩散层的高度低于三分之一的BGA球的高度的要求。因此相较于先前技术而言，本发明该低温焊锡焊接结构100有较佳的冷热循环信赖性，其相关实施例证将于后述举例。

<实施例1～3与比较例1～3>

实施例1～3与比较例1～3是使用有25颗*25颗阵列锡球的BGA球(即为前述电极层16，SAC305成分为96.5wt％的锡、3.0wt％的银及0.5wt％的铜，球径为0.45mm)的电子元件。表1中所对应的含铋的锡膏是以钢板印刷方式进行印刷。实施例1～3的PCB上的焊垫为约25μm的无铅焊锡合金焊垫层，而含铋的锡膏的印刷厚度为50μm，回焊的峰值约190℃。比较例1～3的PCB上的焊垫为OSP，而含铋的锡膏的印刷厚度为100μm，以跟实施例同样的回焊曲线进行焊接。其中，比较例1～3的焊垫结构(OSP焊垫)由下而上依序由印刷电路板、线路及OSP层所构成，此为一般所习知故不在此赘述；而实施例1～3的焊垫结构(无铅焊锡合金焊垫)由下而上依序是由该印刷电路板10、该线路层11、该IMC层12及无铅焊锡合金焊垫层A所构成，此为本发明的结构。接着再分别将比较例1～3与实施例1～3的焊接结构放入冷热循环测试机，进行冷热循环的信赖性测试。在冷热循环测试机的测试是以低温-40℃保持7分钟后，再以升温速度为15℃/min的方式直到达高温100℃并于100℃保持7分钟后，接着再以降温速度为15℃/min的方式直到-40℃，以这样视为一个循环(cycle)。以第500个循环、第1000个循环及第2000个循环将焊接结构取出，对取出之后的焊接结构中的堆叠架构进行裂痕观察及量测。判断标准是：裂痕的长度大于25μm以上时判断为不良发生，为热撕裂(hot-tearing)发生的证据，在第500个循环、第1000个循环及第2000个循环中的出现不良数目作为实施例与比较例的对比。

表1

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SAC305：96.5wt％的锡、3.0wt％的银、0.5wt％的铜；

SAC0307：99.0wt％的锡、0.3wt％的银、0.7wt％的铜；

SnBi：42wt％的锡及58wt％的铋；

SnBiAg：42wt％的锡、57wt％的铋及1wt％的银。

由表1，实施例1的最大不良数目为1个，比较例1的最大不良数目为16个，实施例1的不良发生(即发生热撕裂hot tearing)的量远小于比较例1，显然地本发明的实施例1的焊接结构改善了比较例1的传统焊接结构在冷热循环的信赖性。实施例3的最大不良数目为2个，比较例3的最大不良数目为17个，实施3的不良发生的量远小于比较例3，显然地本发明的实施例3的焊接结构改善了比较例3的传统焊接结构在冷热循环的信赖性。实施例2的最大不良数目为0个，比较例2的最大不良数目为12个，实施例2的不良发生的量远小于比较例2，显然地本发明的实施例2的焊接结构改善了比较例2的传统焊接结构在冷热循环的信赖性。

综上所述，本发明的低温焊锡的焊接结构与传统结构相比较下，本发明具有优良的冷热循环的信赖性，故确实能达成本发明的目的。

Claims (9)

1.种低温焊锡的焊接结构，其特征在于，至少包含：

一线路层(11)；

一IMC层(12)，该IMC层(12)形成于该线路层(11)的上面；

一第一焊接扩散层(13)，该第一焊接扩散层(13)形成于该IMC层(12)的上面；

一焊接金属层(14)，该焊接金属层(14)形成于该第一焊接扩散层(13)的上部；

一第二焊接扩散层(15)，该第二焊接扩散层(15)形成于该焊接金属层(14)的上部；以及

一电极层(16)，该电极层(16)位于该第二焊接扩散层(15)的上部。

2.如权利要求1所述的低温焊锡的焊接结构，其特征在于，该线路层(11)是一含铜的铜线路。

3.如权利要求2所述的低温焊锡的焊接结构，其特征在于，该IMC层(12)为铜与锡的金属化合物。

4.如权利要求3所述的低温焊锡的焊接结构，其特征在于，该第一焊接扩散层(13)为一含有锡及铋的下铋扩散层。

5.如权利要求4所述的低温焊锡的焊接结构，其特征在于，该焊接金属层(14)为一含有锡及铋的锡铋合金层，该第二焊接扩散层(15)为一含有锡及铋的上铋扩散层，该第一焊接扩散层(13)中铋的浓度小于该焊接金属层(14)中铋的浓度，该第二焊接扩散层(15)中铋的浓度小于该焊接金属层(14)中铋的浓度。

6.如权利要求5所述的低温焊锡的焊接结构，其特征在于，该电极层(16)是一含锡的锡合金电极层。

7.一种焊接结构的制造方法，其特征在于，依序包含以下步骤：

一提供有无铅焊锡合金焊垫的印刷电路板步骤：提供一焊垫结构(1)，该焊垫结构(1)由下而上至少依序包含：一印刷电路板(10)、一线路层(11)、一IMC层(12)及一无铅焊锡合金焊垫层(A)；

一印刷低温锡铋合金锡膏步骤：以一无铅锡铋合金锡膏印刷于该无铅焊锡合金焊垫层(A)的上表面；

一置件电子元件步骤：将一电子元件(17)的一电极层(16)叠置于该无铅锡铋合金锡膏的上面以形成一焊接结构半成品；

一回焊加热步骤：将该焊接结构半成品进行加热，该无铅锡铋合金锡膏中的铋部分往下迁移至该无铅焊锡合金焊垫层(A)而使该无铅焊锡合金焊垫层(A)变成一第一焊接扩散层(13)，该无铅锡铋合金锡膏中的铋部分往上迁移至该电极层(16)的下部而使该电极层(16)的下部变成一第二焊接扩散层(15)，该无铅锡铋合金锡膏则形成一焊接金属层(14)，因此获得一低温焊锡的焊接结构(100)。

8.如权利要求7所述的焊接结构的制造方法，其特征在于，该第一焊接扩散层(13)为一含有锡及铋的下铋扩散层。

9.如权利要求8所述的焊接结构的制造方法，其特征在于，该焊接金属层(14)为一含有锡及铋的锡铋合金层，该第二焊接扩散层(15)为一含有锡及铋的上铋扩散层，该第一焊接扩散层(13)中铋的浓度小于该焊接金属层(14)中铋的浓度，该第二焊接扩散层(15)中铋的浓度小于该焊接金属层(14)中铋的浓度。

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