ES2881222T3 - Circuito semiconductor que incluye una soldadura sin plomo - Google Patents

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Ken Tachibana
Yuya NAGASAWA
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Abstract

Circuito semiconductor en el que se usa un chip WL-CSP, estando caracterizado el circuito semiconductor por uniones de soldadura que comprenden soldadura sin plomo que consiste en Ag del 1,2 % en masa al 4,5 % en masa; Cu del 0,25 % en masa al 0,75 % en masa; Bi del 1 % en masa al 5,8 % en masa; Ni de 0,01 % en masa al 0,03 % en masa; y Sn como resto, en el que el circuito semiconductor tiene un valor de resistencia del mismo cuando se realizan 1000 ciclos como un ciclo térmico en el que se aplica una temperatura de -40 °C durante 10 minutos y, a continuación, se aplica una temperatura de +125 °C durante 10 minutos, siendo el valor de resistencia inferior a un valor de resistencia doble como valor de resistencia inicial del mismo, y en el que a la soldadura sin plomo se le añade opcionalmente una cantidad total del 0.0002 % en masa al 0,05 % en masa de al menos uno seleccionado del grupo que consiste en P y Ge.

Description

DESCRIPCIÓN
Circuito semiconductor que incluye una soldadura sin plomo
Campo técnico
La presente invención se refiere a un circuito semiconductor que tiene uniones de soldadura que comprenden soldadura sin plomo, que se usa preferentemente para una cápsula semiconductora tal como CSP, en particular, una cápsula semiconductora a nivel de oblea (chip semiconductor) o similar.
Antecedentes
Junto con la multifuncionalidad y miniaturización de equipos electrónicos tales como un terminal multifuncional (teléfono inteligente) y un teléfono celular, los componentes electrónicos que se van a montar en los equipos electrónicos también tienden a la miniaturización (microminiaturización).
Por ejemplo, la miniaturización avanza incluso en una cápsula semiconductora, tal como una cápsula de tamaño de chip (CSP) y similares, de modo que aparece una cápsula semiconductora a nivel de oblea, WL-CSP (CSP a nivel de oblea). La FIG. 1 muestra una vista en sección de una cápsula semiconductora de tipo CSP (cápsula CSP) que muestra una parte importante de la misma; y la FIG. 2 muestra una vista en sección de una cápsula semiconductora WL-CSP de tamaño de chip (chip WL-CSP) que muestra una parte importante de la misma. En la cápsula CSP 10 mostrada en la FIG. 1, un chip semiconductor 2 montado en un intercalador 1 se moldea con cualquier resina mientras conecta electrodos del intercalador 1 mediante una unión cableada 3 usando una línea de Au. 4 indican este cuerpo moldeado.
Una pluralidad de electrodos de protuberancia de soldadura 5 está formada en una superficie inferior del intercalador 1 y las bolas de soldadura mostradas en esta figura están conectadas a estos electrodos de protuberancia de soldadura 5. La cápsula CSP 10 en la que está formada la pluralidad de electrodos de protuberancia de soldadura 5 está montada en una placa de circuito 7 de modo que se fabrica un circuito semiconductor 15.
Por otro lado, el chip WL-CSP 20 está configurado de modo que el intercalador 1 y el cuerpo moldeado 4 se eliminan y la pluralidad de electrodos de protuberancia de soldadura 5 se conectan directamente a los electrodos del chip semiconductor 2, como se muestra en la FIG. 2.
La cápsula CSP 10 tiene un tamaño de cápsula de 10 * 10 mm aproximadamente ya que el intercalador 1 está interpuesto en la misma, mientras que el chip WL-CSP 20 tiene teóricamente un tamaño de chip de (por ejemplo, 4 * 4 mm aproximadamente). Por lo tanto, el chip WL-CSP 20 puede reducir su área ocupada sustancialmente en un sustrato que tiene un tamaño de cápsula, lo que permite realizar un circuito semiconductor de muy alta densidad (circuito de implementación).
Por otro lado, como propiedades de evaluación (elementos de evaluación) de la soldadura sin plomo, que se usa para bolas de soldadura o similares para la unión en un chip WL-CSP o similares, se enumeran, en términos generales, humectabilidad (extensibilidad por humectación), propiedades de resistencia a la cizalladura (propiedades de cizalladura), resistencia a la fatiga térmica (características de ciclo de calor: TCT) y similares. La humectabilidad es una propiedad que se requiere cuando se forma una protuberancia de soldadura. Las propiedades de resistencia a la cizalladura son propiedades que se requieren para mantener la resistencia en una superficie de contacto unida entre la soldadura y cada electrodo del sustrato. Por lo tanto, las propiedades de humectabilidad y resistencia a la cizalladura son propiedades de soldadura requeridas cuando se une principalmente la soldadura sin plomo a una cápsula semiconductora.
La resistencia a la fatiga térmica es una propiedad de soldadura requerida cuando se implementa principalmente la cápsula semiconductora en una placa de circuito. La resistencia a la fatiga térmica es una propiedad de soldadura requerida en un caso en el que se usa en un circuito electrónico de un vehículo o similar, que se usa en cualquier condición estricta en la que haya un cambio considerable de temperatura, u otro caso. Esta resistencia a la fatiga térmica también es una propiedad que debe estudiarse en un caso en el que exista una diferencia considerable en los coeficientes de expansión térmica entre una cápsula semiconductora y una placa de circuito.
Por ejemplo, hay una diferencia casi doble en los coeficientes de expansión térmica entre la cápsula CSP (en particular el intercalador 1) y la placa de circuito (sustrato de montaje) 7 cuando se monta la cápsula CS 10 en la placa de circuito descrita anteriormente. Por otro lado, hay una diferencia de casi cinco veces en los coeficientes de expansión térmica entre la cápsula (chip semiconductor 2) y la placa de circuito 7 en el chip WL-CSP 20. En consecuencia, el chip WL-CSP 20 recibe una influencia más considerable sobre la resistencia a la fatiga térmica de la soldadura unida en base a una repetición de calor y frío, lo que afecta considerablemente a la fiabilidad de un circuito electrónico. Teniendo esto en cuenta, se ha propuesto una soldadura sin plomo que mejora considerablemente su resistencia a la fatiga térmica (ver documento de patente 1). El documento de patente 2 describe un material de soldadura sin plomo que puede usarse como material de conexión en un proceso de montaje de un componente electrónico, que contiene de 1,0 a 4,0 % en peso de Ag, de 1,0 a 20 % en peso de Bi, de 0,1 a 1,0 % en peso de Ni y de 75 a 97,9 % en peso de Sn. El documento de patente 3 describe un dispositivo semiconductor con una estructura de almohadilla con una capa amortiguadora de tensión en forma de anillo entre una almohadilla metálica y una capa de metalización bajo una protuberancia, en el que la capa amortiguadora de tensión está formada por una capa dieléctrica con una constante dieléctrica inferior a 3,5, una capa polimérica o una capa de aluminio.
Las propiedades de evaluación mencionadas anteriormente son propiedades de soldadura requeridas en un caso en el que un circuito electrónico está montado en dispositivos electrónicos de consumo, pero en cualquiera de sus usos se requiere soldabilidad (propiedades de soldadura), tales como las propiedades de humectabilidad y resistencia a la cizalladura mencionadas anteriormente, junto con la resistencia a la fatiga térmica. En este caso, los dispositivos electrónicos de consumo se refieren a un teléfono celular, un terminal multifuncional (teléfono inteligente), un ordenador personal y similares, además de electrodomésticos ampliamente conocidos.
Documento de la técnica anterior
Documento de patente
Documento de patente 1: Publicación internacional n.° 2009/011341
Documento de patente 2: Publicación de solicitud de patente de EE. UU. n.° 2003/0015575
Documento de patente 3: Publicación de solicitud de patente de EE. UU. n.° 2012/0061823
Sumario de la invención
Problema a resolver por la invención
Cabe mencionar que la soldadura sin plomo (aleación de soldadura que incluye Sn, Ag, Cu, Bi, Ni o similar) divulgada en el documento de patente 1 ha logrado una resistencia a la fatiga térmica que las soldaduras de aleación ternaria convencionales (Sn-3Ag-0,5 Cu o similares) no han podido obtener, pero una mejora adicional en las propiedades de soldadura, tales como humectabilidad, propiedades de resistencia a la cizalladura y similares, también es un objeto de mejora importante. En particular, en un circuito electrónico que se va a montar en un teléfono celular o similar, se han hecho progresos en la microminiaturización de los elementos del circuito y el teléfono celular se ha dejado caer a menudo durante su uso, de modo que la humectabilidad, las propiedades de resistencia a la cizalladura y similares también han constituido importantes factores de mejora de las propiedades.
Por lo tanto, la presente invención resuelve un problema convencional de este tipo y proporciona un circuito semiconductor que tiene uniones de soldadura que comprenden soldadura sin plomo, en el que se intenta mejorar aún más las propiedades de soldadura, tales como la humectabilidad, las propiedades de resistencia a la cizalladura y similares, además de la resistencia a la fatiga térmica.
Medios para resolver los problemas
La presente invención se describe en las reivindicaciones adjuntas. La resolución del problema mencionado anteriormente se describe en las reivindicaciones adjuntas.
Efecto de la invención
De acuerdo con esta invención, en un circuito semiconductor que tiene uniones de soldadura que comprenden una aleación de soldadura que contiene Sn, Ag, Cu, Bi, Ni y similares, es posible mejorar aún más las propiedades comunes de soldadura, tales como la humectabilidad, las propiedades de resistencia a la cizalladura y similares, además de la resistencia a la fatiga térmica.
Breve descripción de los dibujos
La FIG. 1 es una vista en sección de un concepto de cápsula CSP que muestra una parte importante de la misma. La FIG. 2 es una vista en sección de un concepto de chip WL-CSP que muestra una parte importante del mismo. La FIG. 3 es un gráfico que muestra una relación entre el contenido de Ag y la resistencia a la fatiga térmica o la humectabilidad en la soldadura sin plomo usada en esta invención.
La FIG. 4 es un gráfico que muestra una relación entre el contenido de Cu y la humectabilidad o las propiedades de cizalladura en la soldadura sin plomo usada en esta invención.
La FIG. 5 es un gráfico que muestra una relación entre el contenido de Bi y la resistencia a la fatiga térmica en la soldadura sin plomo usada en esta invención.
La FIG. 6 es un gráfico que muestra una relación entre el contenido de Ni y la resistencia a la fatiga térmica o la humectabilidad en la soldadura sin plomo usada en esta invención.
Modos de implementación de la invención
Modos de realización
A continuación se describirá la soldadura sin plomo usada en esta invención con referencia a modos de realización. En esta invención, se refieren a la soldadura sin plomo del sistema quinario, que contiene Sn, Ag, Cu, Bi y Ni. Las cantidades de adición de los mismos son las siguientes: Ag de 1,2 % en masa a 4,5 % en masa, Cu de 0,25 % en masa a 0,75 % en masa, Bi de 1 % en masa a 5,8 % en masa, Ni de 0,01 % en masa a 0,03 % en masa y Sn como resto.
(1) Consideraciones acerca de la cantidad de adición (1,2 % en masa a 4,5 % en masa) de Ag
La cantidad de adición de Ag no es inferior al 1,2 % en masa ni superior al 4,5 % en masa (1,2<Ag<4,5). Ag forma un compuesto intermetálico, Ag3Sn con Sn, y contribuye a mejorar la resistencia a la fatiga térmica (características de resistencia al ciclo de calor). Ag también tiene el efecto de mejorar la humectabilidad de una parte que se va a soldar en el momento de la soldadura y de hacer que la temperatura de líquido baje.
Cuando la cantidad de adición de Ag es inferior al 1,2 % en masa (Ag <1,2), la humectabilidad (extensibilidad por humectación) disminuye y cuando es superior al 4,5 % en masa (4,5 <Ag), la mejora de la resistencia a la fatiga térmica y la humectabilidad con esta adición de Ag no sólo pueden ser inesperadas sino que la temperatura de líquido aumenta, deteriorando así la soldabilidad. Dado que la Ag es cara, es preferente en términos económicos que una cantidad adicional de la misma sea lo más pequeña posible. Es particularmente preferente que la cantidad de adición de Ag sea del 2 % en masa al 4 % en masa dentro del intervalo mencionado anteriormente, y en el mismo, es preferente que la cantidad de adición de Ag sea del 2,5 % en masa al 3,5 % en masa.
(2) Consideraciones acerca de la cantidad de adición (0,25 % en masa a 0,75 % en masa) de Cu
La cantidad de adición de Cu no es inferior al 0,25 % en masa ni superior al 0,75 % en masa (0,25<Cu<0,75). Cuando la cantidad de adición de Cu es inferior al 0,25 % en masa (Cu <0,25), las propiedades de resistencia a la cizalladura (propiedades de cizalladura) y la humectabilidad (extensibilidad por humectación) en una superficie de contacto de la porción de soldadura unida se deterioran y cuando la cantidad de adición de Cu es más del 0,75 % en masa (0,75 <Cu), la humectabilidad (extensibilidad por humectación) se deteriora particularmente. Por lo tanto, para tener como objetivo cualquier mejora adicional en las características generales de la soldadura sin plomo, es necesario que la cantidad de adición de Cu se limite a no más del 0,75 % en masa (Cu<0,75). Es particularmente preferente que el contenido de Cu sea del 0,3 % en masa al 0,75 % en masa dentro del intervalo mencionado anteriormente, y en el mismo, es más preferente que el contenido de Cu sea del 0,5 % en masa al 0,75 % en masa. (3) Consideraciones acerca de la cantidad de adición (1 % en masa a 5,8 % en masa) de Bi
La cantidad de adición de Bi no es inferior al 1 % en masa ni superior al 5,8 % en masa (1 < Bi < 5,8). Incluso cuando se añade una cantidad de Bi que excede su límite superior (5,8 <Bi) y se añade una cantidad de Bi que no alcanza su límite inferior (Bi<1), la resistencia a la fatiga térmica se deteriora (se reduce) en ambos casos. Por lo tanto, la cantidad de adición de Bi es del 1 % en masa al 5,8 % en masa, y entre dichos valores, es preferente que la cantidad de adición de Bi sea del 1 % en masa al 5 % en masa, y es particularmente preferente que la cantidad de adición de Bi sea del 3 % en masa al 5 % en masa. Cuando la cantidad de adición del mismo excede el 5 % en masa (5<Bi), se produce una fase independiente de Bi. Dado que el Bi es un metal de naturaleza frágil, sus características de impacto se deterioran. Además, a este respecto, un intervalo de temperatura de fusión (una diferencia entre la temperatura de sólido y la temperatura de líquido) se vuelve amplio de modo que en una etapa de montaje puede producirse un fallo de montaje, tal como la desalineación de las piezas.
(4) Consideraciones acerca de la cantidad de adición (0,01 % en masa a 0,03 % en masa) de Ni
En el semiconductor de la invención, se usa Ni del 0,01 % en masa al 0,03 % en masa.
La adición de Ni es necesaria para permitir que se mejore aún más la resistencia a la fatiga térmica y para permitir que se mejore la resistencia mecánica de la propia aleación de soldadura. Cuando la cantidad de adición del mismo es inferior al 0,01 % en masa (Ni<0,01), la resistencia a la fatiga térmica no mejora y cuando supera el 0,03 % en masa, la humectabilidad (extensibilidad por humectación) se deteriora.
(5) Consideraciones acerca de otras cantidades de adición
A la soldadura sin plomo usada en esta invención se le puede añadir P o Ge además de los aditivos esenciales mencionados anteriormente. Esto se debe a que evitan que la soldadura se oxide y evitan que cambie el color de una superficie de la soldadura. En consecuencia, es posible añadir una cantidad total del 0,0002 % en masa al 0,05 % en masa de al menos uno seleccionado del grupo que consiste en P y Ge a los aditivos esenciales mencionados anteriormente. Sus adiciones permiten mejorar aún más las características generales de la soldadura sin plomo.
Cuando la cantidad de adición total de P, Ge no llega al 0.0002 % en masa, no hay efecto antioxidante. Cuando la cantidad de adición total de los mismos supera el 0,05 % en masa, la soldabilidad (propiedades de humectabilidad y resistencia a la cizalladura) se deteriora. Cuando se añaden por separado, es preferente que una cantidad de adición de P sea del 0,0002 % en masa y es preferente que una cantidad de adición de Ge sea del 0,03 % en masa.
De acuerdo con esta invención, es posible obtener las propiedades (características generales de soldadura) que se muestran en una tabla 1 seleccionando las cantidades de adición de Sn, Ag, Cu, Bi y Ni como las mencionadas anteriormente en la soldadura sin plomo que contiene Sn, Ag, Cu, Bi y Ni. Se probaron la humectabilidad (extensibilidad por humectación), las propiedades de resistencia a la cizalladura (mediante una prueba de cizalladura) y la resistencia a la fatiga térmica (mediante una prueba de fatiga térmica).
Las formas de la soldadura sin plomo usadas en la invención no están particularmente limitadas. Pueden adoptar cualquier forma opcional útil, tal como una línea (alambre), una bola, polvo, un gránulo, una preforma, una forma de varilla, una forma masiva o un recubrimiento de soldadura para una bola de núcleo de Cu.
Además, la soldadura sin plomo usada en esta invención puede disminuir la dosis alfa usando cualquier material de baja emisión alfa. Esta soldadura se usa alrededor de una memoria para evitar cualquier error de software. (a) Consideraciones acerca de la prueba de resistencia a la fatiga térmica
La prueba de resistencia a la fatiga térmica se evaluó usando bolas de soldadura que tenían cada una un diámetro de 0,3 mm, que se habían formado mediante un procedimiento de pulverización de gotas de gas. Las bolas de soldadura se formaron con cantidades de adición (mezcladas) de las mismas que se cambiaron por el número de muestras que se muestran en las tablas 1 a 5. En otras palabras, los sustratos a considerar se fabricaron según el número de muestras y se realizó en los mismos la prueba de resistencia a la fatiga térmica. La prueba de resistencia a la fatiga térmica se realizó sobre la base de los siguientes procedimientos. Los chips que se utilizarán como muestras fueron chips WL-CSP.
(i) Las bolas de soldadura, cada una con la misma composición, se montaron sobre electrodos de chip WL-CSP (su tamaño es de 7x7 mm) como se muestra en la FIG. 2, y se les realizó soldadura por reflujo usando fundente (Flux WF-6400 fabricado por Senju Metal Industrial K.K.) para fabricar los chips WL-CSP (chips de muestra). Las bolas de soldadura de chips de muestra se prepararon según el número de muestras que se muestran en las tablas 1 a 5.
(ii) La impresión se realizó de acuerdo con patrones de electrodo con pasta de soldadura sobre un sustrato de epoxi de vidrio (por ejemplo, FR-4) que tenía un tamaño (30*120 mm) y un grosor de 0,8 mm y, a continuación, los chips de muestra se montaron sobre el mismo y se realizó en el mismo un proceso de reflujo. En este modo de realización, los sustratos a considerar se fabricaron realizando el proceso de reflujo a una temperatura de 220 grados C o más (temperatura máxima de 245 grados C) durante 40 segundos.
(iii) Usando los sustratos a considerar, que se fabricaron en el apartado (ii), se midieron sus valores de resistencia mediante circuitos en serie en todo momento. En este modo de realización, usando una cámara de choque térmico TSA101LA, fabricada por ESPEC Corporation, se les aplicó una carga como un ciclo térmico (ciclo de calor) en el que se aplicó una temperatura de -40 grados C durante 10 minutos y, a continuación, una temperatura de 125 grados C durante 10 minutos. A continuación, se obtuvo el valor de resistencia en cada ciclo térmico. Cuando su valor de resistencia se elevó al doble de su valor de resistencia inicial (de 3 O a 5 O), se consideró como fractura por fatiga. Se totalizó el número de ciclos térmicos hasta ese momento. Estos valores totales se usaron como resultado de la prueba de resistencia a la fatiga térmica (ciclos). En este modo de realización, se establecieron 1000 ciclos como valor mínimo requerido y el valor mínimo requerido, o superior, se estableció como apropiado. (b) Humectabilidad (extensibilidad por humectación (mm cuadrados))
Primero se preparó un sustrato de epoxi de vidrio (FR-4) que tenía un grosor de 1,2 mm y se formó sobre él un electrodo en forma de hendidura con 0,24 mm por 16 mm. Se imprimió fundente (fundente WF-6400 fabricado por Senju Metal Industrial K.K.) con un diámetro de 0,24 mm en el electrodo en forma de hendidura de modo que su grosor pasó a ser de 0,1 mm.
Se hizo una muestra de modo que se montaron bolas de soldadura, cada una con un diámetro de 0,3 mm, sobre el fundente impreso y se realizó un reflujo en el mismo bajo una condición en la que la temperatura se aplicó a 220 grados C o más durante 40 segundos y una temperatura máxima es de 245 grados C. Después de que se realizó el reflujo, usando un microscopio estereoscópico, se midió el área de extensibilidad por humectación de esta muestra de acuerdo con JIS Z3197. Cuando la extensibilidad por humectación de la misma fue de 0,20 mm2 (mm cuadrados) o más, esta muestra se consideró apropiada.
(c) Prueba de cizalladura (prueba de resistencia a la cizalladura)
En primer lugar se preparó un sustrato de epoxi de vidrio (FR-4) que tenía un grosor de 1,2 mm y un diámetro de electrodo de 0,24 mm. A continuación, se imprimió en este electrodo fundente (fundente WF-6400 fabricado por Senju Metal Industrial K.K.) que tenía un diámetro de 0,24 mm y un grosor de 0,1 mm. Bolas de soldadura, cada una con un diámetro de 0,3 mm, se montaron sobre la superficie superior del fundente y se realizó un reflujo bajo esta condición a 220 grados C o más (con una temperatura máxima de 245 grados C) durante 40 segundos. La resistencia a la cizalladura se midió mediante la prueba de cizalladura (prueba de resistencia a la cizalladura) usando las muestras sometidas a reflujo.
Como aparato para medir la resistencia a la cizalladura, se usó la SERIES 4000HS fabricada por Dage Corporation y se midió la resistencia a la cizalladura (Newton, N) bajo la condición de 4000 mm/s. Según el resultado de la prueba de cizalladura, la muestra que indicaba 3,0 N o más era un buen elemento. En este caso, se preparó y fabricó una pluralidad de bolas de soldadura con diferentes cantidades de adición mostradas en las tablas 1 a 5. A continuación se describirán los resultados de las pruebas antes mencionadas, con referencia a las tablas 1 a 5, en soldadura sin plomo del sistema quinario cuando se seleccionó una combinación de Sn, Ag, Cu, Bi y Ni de modo que Ag es del 1,2 % en masa al 4,5 % en masa (excluyendo del 1,2 % en masa al 1,5 % en masa), Cu es del 0,25 % en masa al 0,75 % en masa, Bi es del 1 % en masa al 5,8 % en masa (excluyendo del 1,0 % en masa al 1,3 % en masa), Ni es más del 0,01 % en masa y menos del 0,1 % en masa y el resto es Sn. Además, dado que se puede añadir cualquier otro metal, tal como P, Ge y similares, distintos de estos cinco metales, sus modos de realización se describirán junto con los mismos. Además, en los ejemplos comparativos, la cantidad de adición de cada metal seleccionado en esta invención se seleccionó para que fuera menor que su límite inferior o para que fuera mayor que su límite superior y se seleccionó una cantidad de adición del metal diferente a los mismos de modo que esté limitada dentro de los valores mencionados anteriormente de esta invención.
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(i) Consideraciones acerca de características generales
La tabla 1 muestra las características generales de la soldadura sin plomo usada en esta invención. Los modos de realización 1, 2, 4, 5 y 14 y el ejemplo comparativo 22 indican datos de experimento cuando Ag se fija en un 2,0 % en masa. Como cantidades de adición de metales distintos de Ag, el modo de realización 1 indica valores numéricos cuando se seleccionan todos sus límites inferiores en la reivindicación 2 de esta invención. El modo de realización 2 indica valores numéricos cuando solo se incrementa ligeramente el Cu desde su límite inferior mencionado anteriormente. El ejemplo comparativo 22 indica valores numéricos cuando se seleccionan valores intermedios en todos los metales distintos de Ag. El modo de realización 4 indica valores numéricos cuando el valor límite superior se selecciona solamente en Cu y los valores límite inferiores mencionados anteriormente se seleccionan en todos los metales distintos de Cu. El modo de realización 5 indica valores numéricos cuando el valor límite inferior mencionado anteriormente se selecciona en Ni, el valor límite superior se selecciona en Cu y el valor intermedio (3,0) se selecciona en Bi. El modo de realización 14 indica datos cuando los valores se establecen como los mismos valores del modo de realización 1 y P como metal aditivo se añade en un 0,0002 % en masa, que es su valor límite inferior.
De acuerdo con estos modos de realización 1, 2, 4, 5 y 14 y el ejemplo comparativo 22, la prueba de resistencia a la fatiga térmica indicó valores (de 1100 a 1390 veces), todos los cuales excedieron su valor mínimo requerido (1000 veces). La prueba de extensibilidad por humectación también obtuvo valores (de 0,21 a 0,26), todos los cuales excedieron su valor mínimo requerido (0,2). La prueba de cizalladura indicó valores (de 3,6 a 4,2) que excedieron considerablemente su valor mínimo requerido (3,0). El modo de realización 14 también tiene el efecto de evitar que la soldadura se oxide y de impedir que cambie el color de la superficie de la soldadura. En consecuencia, se obtuvieron resultados satisfactorios en todas las pruebas.
El ejemplo comparativo 23 indica datos experimentales cuando las cantidades de adición de todos los metales se seleccionan para que sean valores casi intermedios de los mismos (Ag de 3,0; Cu de 0,5; Bi de 3,0 y Bi de 0,1). En este caso se obtuvieron buenos resultados obtenidos en todas las pruebas de resistencia a la fatiga térmica, la prueba de humectación y la prueba de cizalladura.
El ejemplo comparativo 24 indica datos experimentales cuando solo el Cu en los metales del ejemplo comparativo 23 se cambia a 0,7. En este caso, se obtuvieron resultados casi iguales a los del ejemplo comparativo 23. A este respecto, los resultados fueron tales que la prueba de fatiga térmica indicó 1400 veces, la prueba de humectación indicó 0,25 y la prueba de cizalladura indicó 4,1.
En los modos de realización 9, 10, 12 y 15, y los ejemplos comparativos 26 y 27, se fija que el valor límite superior de Ag sea de 4,0. El modo de realización 9 indica datos experimentales cuando todos los demás se establecen para que sean los valores límite inferiores mencionados anteriormente. El modo de realización 10 indica datos experimentales cuando Cu se establece en su valor intermedio de 0,5 y los remanentes se establecen en los valores límite inferiores mencionados anteriormente. El ejemplo comparativo 26 indica datos experimentales cuando Cu y Bi se establecen en sus valores intermedios de 0,5 y 3,0 y Ni se establece en 0,15. El modo de realización 12 indica datos experimentales cuando Cu se establece en su valor límite superior y Bi y Ni se establecen en sus valores límite inferiores de 1 y 0,02. El ejemplo comparativo 27 indica datos experimentales cuando Cu y Ni se establecen en 0,75 y 5,0 y Bi se establece para acercarse a su valor límite superior de 5,0. El modo de realización 15 indica datos cuando los valores se establecen para que sean los mismos que los del ejemplo comparativo 27 y se selecciona Ge como metal aditivo, cuya cantidad de adición es solo el 0,03 % en masa que se acerca al valor límite superior del mismo.
De acuerdo con estos modos de realización 9, 10, 12 y los ejemplos comparativos 15, 26 y 27, hubo ligeras variaciones (1200 a 1440) y (3,5 a 4,6) en la prueba de resistencia a la fatiga térmica y la prueba de cizalladura, pero la prueba de extensibilidad por humectación casi mantuvo valores de 0,24 a 0,28, que obtuvieron buenos resultados. Todas las pruebas obtuvieron resultados satisfactorios y tuvieron un efecto tal que impidieron que la soldadura se oxidara y evitaron que el color de la superficie de la soldadura cambiara.
Los ejemplos comparativos 1 y 2 indican casos en los que las cantidades de Ag se seleccionaron de manera que estuvieran fuera de su intervalo en esta invención. El ejemplo comparativo 1 indica características cuando el valor límite inferior de Ag se selecciona para que sea 1, que es menor que el de esta invención. El ejemplo comparativo 2 indica características cuando el valor límite superior de Ag se selecciona para que sea 5, que es superior al de esta invención.
Como se muestra claramente en esta tabla, en ambos ejemplos comparativos, el resultado de la prueba de cizalladura indicó valores satisfactorios (3,0 o más) pero la prueba de resistencia a la fatiga térmica no obtuvo tiempos establecidos (tiempos objetivo) de 1000 ciclos o más y la extensibilidad por humectación no pudo obtener un valor predeterminado (0,2 o más).
Por lo tanto, es preferente que la cantidad de Ag a añadir esté dentro de un intervalo del 1,2 % en masa al 4,5 % en masa (excluyendo del 1,2 % en masa al 1,5 % en masa). Su intervalo particularmente preferente incluye el valor intermedio del mismo, que se describirá más adelante.
Los ejemplos comparativos 3 y 4 indican casos en los que las cantidades de Cu se seleccionaron de manera que estuvieran fuera del alcance de esta invención. El ejemplo comparativo 3 indica características cuando el valor límite inferior de Cu se selecciona para que sea 0,2, que es menor que el de esta invención. El ejemplo comparativo 4 indica características cuando el valor límite superior de Cu se selecciona para que sea 0,8, que es superior al de esta invención.
Como se muestra claramente en esta tabla, en el ejemplo comparativo 3, el resultado de la prueba de cizalladura indicó 2,6, que no satisfizo el valor mínimo requerido (3,0 o más). En el ejemplo comparativo 4, la extensibilidad por humectación indicó 0,19, que era menor que el valor mínimo requerido (0,2). En consecuencia, se determina que una cantidad de adición de Cu que cubre todas las características está preferentemente dentro de un intervalo del 0,25 % en masa al 0,75 % en masa.
Los ejemplos comparativos 5 y 6 indican casos en los que las cantidades de Bi se seleccionaron de manera que estuvieran fuera del alcance de esta invención. El ejemplo comparativo 5 indica características cuando el valor límite inferior de Bi se selecciona para que sea 0,9, que es menor que el de esta invención. El ejemplo comparativo 6 indica características cuando el valor límite superior de Bi se selecciona para que sea 6, que es superior al de esta invención.
Como se muestra claramente en esta tabla, en ambos ejemplos comparativos, la prueba de resistencia a la fatiga térmica no obtuvo tiempos que excedieran los tiempos mínimos requeridos de 1000 ciclos o más. Con respecto a la extensibilidad por humectación, el ejemplo comparativo 5 no satisfizo el valor predeterminado (0,2 o más). En consecuencia, se dice que la cantidad de adición de Bi a añadir está preferentemente dentro de un intervalo de 1 a 5,8.
El ejemplo comparativo 7 indica un caso en el que la cantidad de Ni se selecciona de modo que no esté dentro del intervalo de esta invención e indica características cuando se selecciona Ni para que sea 0,16, que es superior al de esta invención.
Como se muestra claramente en esta tabla, el ejemplo comparativo 7 indicó la extensibilidad por humectación de 0,19, que era menor que el valor mínimo requerido (0,2). En consecuencia, se determina que la cantidad de adición de Ni es preferentemente del 0,15 % en masa o inferior.
El ejemplo comparativo 26 indica un caso en el que se selecciona una composición de metales respectivos para que se mezclen de forma óptima, en los que Ag es del 3,5 % en masa, Cu es del 0,75 % en masa, Bi es del 5,0 % en masa y Ni es del 0,1 % en masa. Como se muestra claramente en esta tabla, se obtuvieron resultados adecuados en todos los puntos de fusión (216 grados C), la prueba de resistencia a la fatiga térmica (1450 ciclos), la extensibilidad por humectación (0,25 mm cuadrados) y la prueba de cizalladura (4,1 N). A continuación se describirá la cantidad adecuada de cada parte compuesta.
(ii) Consideraciones acerca de la cantidad de Ag
La tabla 2 indica la resistencia a la fatiga térmica y la humectabilidad cuando se fijan cantidades de Cu, Bi y Ni, se cambia la cantidad de Ag y el resto es Sn (Ag = 0-6,0; Cu = 0,75; Bi = 3,0 y Ni = 0,02). La cantidad de Ag se selecciona para que sea 0 en el ejemplo comparativo 8; se selecciona para que sea 1, que es menor que la de esta invención, en el ejemplo comparativo 9; se selecciona para que sea 2 en el modo de realización 5; se selecciona para que sea 2,5 en el modo de realización 16; se selecciona para que sea 3,5 en el modo de realización 17; se selecciona para que sea 4 en el modo de realización 18; se selecciona para que sea 5, que es mayor que la de esta invención, en el ejemplo comparativo 10; y se selecciona para que sea 6, que es mayor, en el ejemplo comparativo 11. Se representan gráficamente y se muestran en la FIG. 3. Los valores mínimos requeridos de las características mencionadas anteriormente también se muestran en esta figura.
Además, cuando la muestra tiene la misma proporción de componentes que la proporción de componentes mostrada en la tabla 1, se ha descrito con el mismo título de muestra (modo de realización, ejemplo comparativo) y se le adjunta el mismo número de muestra. Lo mismo se aplicará a lo siguiente.
TABLA 2
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Como se muestra claramente en esta tabla, en todos los ejemplos comparativos y modos de realización, la resistencia a la fatiga térmica indicó valores satisfactorios (1000 ciclos o más). La humectabilidad, sin embargo, indicó 0,16 mm2 (mm cuadrados) en el ejemplo comparativo 8 e indicó 0,19 mm2 (mm cuadrados) en el ejemplo comparativo 9, que eran meramente inferiores al valor mínimo requerido (0,2). Por otro lado, con respecto a la extensibilidad por humectación, los modos de realización 5 y 16 a 18 obtuvieron resultados satisfactorios (0,25-0,29). Entre ellos, los valores medidos de la extensibilidad por humectación en los modos de realización 16 y 17 fueron datos particularmente satisfechos (0,28 y 0,29). Además, Ag tenía su mejor modo cuando era del 3,5 % en masa.
Por lo tanto, es preferente que la cantidad de Ag a añadir esté dentro de un intervalo del 1,2 % en masa al 4,5 % en masa (excluyendo del 1,2 % en masa al 1,5 % en masa). Es preferente que su cantidad esté dentro de un intervalo del 2 % en masa al 4 % en masa incluso en el intervalo mencionado anteriormente. Es particularmente preferente que su cantidad esté dentro de un intervalo del 2,5 % en masa al 3,5 % en masa.
(iii) Consideraciones acerca de la cantidad de Cu
La tabla 3 indica la humectabilidad y las propiedades de cizalladura cuando se fijan cantidades de Ag, Bi y Ni, se cambia la cantidad de Cu y el resto es Sn (Ag = 2,0; Cu = 0-1,0; Bi = 1 y Ni = 0,02). La cantidad de Cu se selecciona para que sea 0 en el ejemplo comparativo 12; se selecciona para que sea 0,2, que es menor que la de esta invención, en el ejemplo comparativo 3; se selecciona para que sea 0,3 en el modo de realización 1; se selecciona para que sea 0,5 en el modo de realización 2; se selecciona para que sea 0,7 en el modo de realización 19; se selecciona para que sea 0,75 en el modo de realización 4; se selecciona para que sea 0,8, que es mayor que la de esta invención, en el ejemplo comparativo 13; y se selecciona para que sea 1, que es mayor, en el ejemplo comparativo 14. Se representan gráficamente y se muestran en la FIG. 4. Los valores mínimos requeridos de las características mencionadas anteriormente también se muestran en esta figura.
TABLA 3
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Los ejemplos comparativos 3 y 12 satisficieron el valor mínimo requerido de la extensibilidad por humectación, pero los resultados (2,6 y 1,9) de la prueba de cizalladura no satisficieron el valor mínimo requerido (3,0 o más) de la misma. En los ejemplos comparativos 13 y 14, los resultados de la prueba de cizalladura satisficieron el valor mínimo requerido de la misma, pero los valores (0,19 y 0,17) de la prueba de extensibilidad por humectación no alcanzaron el valor mínimo requerido (0,2 o más) de la misma. Por otro lado, los modos de realización 1, 2, 4 y 19 obtuvieron buenos resultados (0,21 a 0,22) en la extensibilidad por humectación y buenos resultados (3,7 a 4,2) en la prueba de cizalladura. En particular, la extensibilidad por humectación de los modos de realización 2, 4 y 19 tuvo valores muy buenos (3,9 a 4,2). Además, Cu tenía su mejor modo cuando era del 0,75 % en masa.
Por lo tanto, es preferente que la cantidad de Cu a añadir esté dentro de un intervalo del 0,25 % en masa al 0,75 % en masa. Es preferente que su cantidad esté dentro de un intervalo del 0,3 % en masa al 0,75 % en masa incluso en el intervalo mencionado anteriormente. Es particularmente preferente que su cantidad esté dentro de un intervalo del 0,5 % en masa al 0,75 % en masa.
(iv) Consideraciones acerca de la cantidad de Bi
La tabla 4 indica la resistencia a la fatiga térmica cuando se fijan cantidades de Ag, Cu y Ni, se cambia la cantidad de Bi y el resto es Sn (Ag = 2,0; Cu = 0,75; Bi = 0-7,0 y Ni = 0,02). La cantidad de Bi se selecciona para que sea 0 en el ejemplo comparativo 15; se selecciona para que sea 0,9, que es menor que la de esta invención, en el ejemplo comparativo 16; se selecciona para que sea 1 en el modo de realización 4; se selecciona para que sea 3 en el modo de realización 5; se selecciona para que sea 4 en el modo de realización 20; se selecciona para que sea 5 en el modo de realización 21; se selecciona para que sea 6, que es mayor que la esta invención, en el ejemplo comparativo 17; y se selecciona para que sea 7, que es mayor, en el ejemplo comparativo 18. Se representan gráficamente y se muestran en la FIG. 5. Los valores mínimos requeridos de las características mencionadas anteriormente también se muestran en esta figura.
TABLA 4
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En todos los ejemplos comparativos, los resultados de la prueba de resistencia a la fatiga térmica no satisficieron el valor mínimo requerido (1000 ciclos) de la misma. Por otro lado, mediante la prueba mencionada anteriormente, todos los modos de realización indicaron que los resultados (1110 a 1410) excedían el valor mínimo requerido (1000 ciclos) de la misma. Entre ellos, los valores de los modos de realización 5, 20 y 21 (respectivamente, 1390, 1400 y 1410) fueron resultados particularmente buenos. Además, Bi tuvo su mejor modo cuando era del 5,0 % en masa.
Por lo tanto, es preferente que la cantidad de Bi a añadir esté dentro de un intervalo del 0,1 % en masa al 5,8 % en masa. Es preferente que su cantidad esté dentro de un intervalo del 1,0 % en masa al 5,0 % en masa incluso en el intervalo mencionado anteriormente. Es particularmente preferente que su cantidad esté dentro de un intervalo del 3,0 % en masa al 5,0 % en masa.
(v) Consideraciones acerca de la cantidad de Ni
La tabla 5 indica la resistencia a la fatiga térmica y la humectabilidad cuando se fijan cantidades de Ag, Cu y Bi, se cambia la cantidad de Ni y el resto es Sn (Ag = 2,0; Cu = 0,75; Bi = 3,0 y Ni = 0-0,20). La cantidad de Ni se selecciona para que sea 0 en el ejemplo comparativo 19; se selecciona para que sea 0,01, que es el valor límite inferior de esta invención, en el ejemplo comparativo 22; se selecciona para que sea 0,02 en el modo de realización 5; se selecciona para que sea 0,03 en el modo de realización 23; se selecciona para que sea 0,1 en el ejemplo comparativo 28; se selecciona para que sea 0,12 en el ejemplo comparativo 29; se selecciona para que sea 0,15 en el ejemplo comparativo 30; se selecciona para que sea 0,16, que es mayor que la de esta invención, en el ejemplo comparativo 20; y se selecciona para que sea 0,20, que es mayor, en el ejemplo comparativo 21. Se representan gráficamente y se muestran en la FIG. 6. Los valores mínimos requeridos de las características mencionadas anteriormente también se muestran en esta figura.
TABLA 5
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(continuación)
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En el ejemplo comparativo 19, la prueba de resistencia a la fatiga térmica no alcanzó los ciclos objetivo (1000 ciclos) de la misma. En los ejemplos comparativos 20 y 21, fue imposible obtener un valor predeterminado (0,2 o más) en la extensibilidad por humectación. El modo de realización 22 indicó los resultados de la resistencia a la fatiga térmica y la humectabilidad (respectivamente, 1100 ciclos y 0,26 mm cuadrados) que satisficieron sus valores mínimos requeridos. Los modos de realización 5 y 23 y los ejemplos comparativos 28 a 30 obtuvieron los resultados (1390 a 1500 y 0,22 a 0,26) de la prueba de resistencia a la fatiga térmica y la prueba de extensibilidad por humectación, que excedieron sus valores mínimos requeridos. En particular, los modos de realización 5 y 23 y los ejemplos comparativos 28 a 30 obtuvieron buenos resultados (1390 a 1500 y 0,25 a 0,26) tanto de la resistencia a la fatiga térmica como de la humectabilidad. Además, el Ni tuvo su mejor modo cuando era del 0,1 % en masa.
Por lo tanto, como se divulga en el presente documento, es preferente que la cantidad de Ni a añadir esté dentro de un intervalo del 0,01 % en masa a 0,15 % en masa. Como se divulga en el presente documento, es preferente que la cantidad del mismo esté dentro de un intervalo del 0,02 % en masa al 0,15 % en masa incluso en el intervalo mencionado anteriormente. Como se divulga en el presente documento, es particularmente preferente que la cantidad del mismo esté dentro de un intervalo del 0,03 % en masa a 0,12 % en masa.
(vi) Consideraciones acerca de los puntos de fusión
En cuanto a los puntos de fusión, dado que la cantidad de adición de los metales se seleccionó de manera que la temperatura de líquido no supere los 240 grados C, se obtuvieron valores de los mismos (215 grados C a 225 grados C) que fueron valores relativamente bajos. En consecuencia, es posible evitar previamente que los elementos de circuito reciban algún daño térmico durante el proceso de reflujo.
Como se muestra claramente en los datos experimentales, usando la soldadura sin plomo que contiene Ag del 1,2 % en masa al 4,5 % en masa (excluyendo del 1,2 % en masa al 1,5 % en masa), Cu del 0,25 % en masa al 0,75 % en masa, Bi del 1 % en masa al 5,8 % en masa, Ni del 0,01 % en masa al 0,03 % en masa y Sn como resto, el objetivo previsto se puede lograr en esta invención. En particular, es preferente usar la soldadura sin plomo que contiene Ag del 2 % en masa al 4 % en masa, Cu del 0,3 % en masa al 0,75 % en masa, Bi del 1 % en masa al 5 % en masa, Ni del 0,02 % en masa al 0,03 % en masa y Sn como resto. Además, es preferente usar la soldadura sin plomo que contiene Ag del 2,5 % en masa al 3,5 % en masa, Cu del 0,5 % en masa al 0,75 % en masa, Bi del 3 % en masa al 5 % en masa, Ni del 0,03 % en masa y Sn como resto.
(vii) Consideraciones acerca de la bola de soldadura sin plomo y similares
Según la divulgación anterior, la soldadura sin plomo usada en la invención se hizo esférica y la bola de soldadura sin plomo formada, por tanto, de manera esférica se conectó a un chip semiconductor 2 para fabricar un chip de muestra. Montando este chip de muestra en la placa de circuito 7, se formó el chip WL-CSP 20. Es posible obtener el circuito semiconductor 15 montando este chip WL-CSP 20 y otros componentes electrónicos en la placa de circuito 7.
Dado que los buenos resultados que se muestran en los modos de realización mencionados anteriormente se obtuvieron respectivamente cuando se comprobaron las propiedades de soldadura, tales como la prueba de resistencia a la fatiga térmica, la prueba de cizalladura, la humectabilidad y similares, usando el chip WL-CSP 20, es comprensible que todas las propiedades de soldadura mencionadas anteriormente se puedan realizar respectivamente en la unión de soldadura y el circuito semiconductor además de en la bola de soldadura sin plomo usando la soldadura que tiene las composiciones reivindicadas en las reivindicaciones. Por lo tanto, es posible proporcionar la soldadura sin plomo, la bola de soldadura sin plomo, la unión de soldadura usando la soldadura sin plomo y el circuito semiconductor, que tienen una alta confiabilidad.
Disponibilidad industrial
La presente invención está disponible para un circuito electrónico de vehículo y dispositivos electrónicos de consumo.
Descripción de códigos
2 Chip semiconductor;
5 Electrodos de protuberancia de soldadura;
7 Placa de circuito;
10 Cápsula CSP;
15 Circuito semiconductor; y
20 Chip WL-CSP

Claims (3)

REIVINDICACIONES
1. Circuito semiconductor en el que se usa un chip WL-CSP, estando caracterizado el circuito semiconductor por uniones de soldadura que comprenden soldadura sin plomo que consiste en Ag del 1,2 % en masa al 4,5 % en masa; Cu del 0,25 % en masa al 0,75 % en masa; Bi del 1 % en masa al 5,8 % en masa; Ni de 0,01 % en masa al 0,03 % en masa; y Sn como resto, en el que el circuito semiconductor tiene un valor de resistencia del mismo cuando se realizan 1000 ciclos como un ciclo térmico en el que se aplica una temperatura de -40 °C durante 10 minutos y, a continuación, se aplica una temperatura de 125 °C durante 10 minutos, siendo el valor de resistencia inferior a un valor de resistencia doble como valor de resistencia inicial del mismo, y
en el que a la soldadura sin plomo se le añade opcionalmente una cantidad total del 0.0002 % en masa al 0,05 % en masa de al menos uno seleccionado del grupo que consiste en P y Ge.
2. El circuito semiconductor de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado por que la soldadura sin plomo contiene Ag del 2 % en masa al 4 % en masa; Cu del 0,3 % en masa al 0,75 % en masa; Bi del 1 % en masa al 5 % en masa; Ni del 0,02 % en masa al 0,03 % en masa; y Sn como resto.
3. El circuito semiconductor de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado por que la soldadura sin plomo contiene Ag del 2,5 % en masa al 3,5 % en masa; Cu del 0,5 % en masa al 0,75 % en masa; Bi del 1 % en masa al 4 % en masa; Ni del 0,03 % en masa; y Sn como resto.
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