TWI241351B - Solder hierarchy for lead free solder joint - Google Patents

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TWI241351B
TWI241351B TW092124582A TW92124582A TWI241351B TW I241351 B TWI241351 B TW I241351B TW 092124582 A TW092124582 A TW 092124582A TW 92124582 A TW92124582 A TW 92124582A TW I241351 B TWI241351 B TW I241351B
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Description

1241351 五、發明說明 一、【發 ⑴
明所屬之技術領域】 本發明係有關 結構’更特定來說 料連接，例如將電 焊料層次。 於一種用於電子元件 ，關於一種用於電子 子模組接合至電路卡 裝配之無錯軟焊料 凡件中第二層軟焊 或板者，之無鉛軟 二、【先前技術】 在電子元件裝配中使用軟焊料以接合元件，在本技蓺 中早已習知。有多種需要連接至其他電子元件或其他層^ 裟之電子元件。典型的實例為第二層表面跨接技術，其將 柱橋陣列封裝（Column Grid Array) ( CGA)或球腳袼狀 陣列封裝（Bal 1 Grid Array) ( BG A)用於形成一介於一 電路板與一電子模組裝配，例如一半導體晶片連至一多層 陶瓷基材（multilayer ceramic substrate)(社 曰 之内部互聯。 间 此模組裝配係藉由 金以連接至板或是卡。 之板或是卡。 將軟焊料球或柱接合至基材底面冶 模組隨後接合至被稱為第二層裝配 口素’本產業正向著用於元件裝配之I 錯軟焊料策略方向移勳。 乂 …、 使用錫/銀/銅共熔物作為 ^疋 此合金的原因疋，大容鉍卜一 用 之其他問題。例如，錕絲r 〇 〇 r 。 ， 4河相關 „ ^ , 場锦（235- 2 4 0°C )具有與銻氧化物古 關之環保議題。 y…π /不半uc物有
ill
第7頁 1241351 五、發明說明（2) 目前無鉛系統之解決方法是將相同之軟焊料合金（具 有特定組份之錫/銀/銅合金，例如3 · 8銀、〇 · 7銅、其餘為 錫）用於模組及板或是卡側管之接合。這有兩個隨之而來 的問題。第一，由於位於模組側之條片會熔化，在第二層 裝配期間管柱會傾斜或崩毀。在模組底面冶金墊（BSM)上 使用錫、銀與銅（SAC)與在卡側使用SAC糊造成在2 3 5°C接 合時模組的傾倒。S A C共熔物在2 1 7°C炼化。第二，因為在 將模組自卡的移除過程中，幾乎所有的管柱都會留在卡 上，而其後又必須於再接合之前辛苦地將之移除，使得卡 之再作業（rework)會變的非常的棘手。模組從卡上的再 作業會使得許多的管柱留在卡上。這是在製造時一個非常 麻煩又耗時的問題。另一個問題是，現存並沒有熔點介於 2 2 0至2 6 0°C間之合金，同時又不會衍生出環境、製程或是 可靠度方面的議題。 本發明經由產生出一個用於第二層裝配之軟焊料炫化 層次而解決此等問題。本發明提供一種錫/銅或是錫/银之 後共溶（off-eutectic)濃度，其將足量之金屬間化人加 入模組BSM條片以滿足後續之要求。材料必須在標準接人、、w 度2 3 5至2 6 0°C之間重熔（re f 1 ow)與濕潤，以滿足所有°無1 鉛軟焊料之應用。材料必須穩定模組BSM接合，以防止模''組 在接合至卡或是電路板期間傾倒。材料必須在卡或是板再 作業期間保持附著性，以保證盡量多之支柱維持與$ 2相 連，而不留在卡或是板上。 .....
本發明揭示後共熔無鉛軟焊料合金之使用，其含有T
1
II 1241351 五、發明說明（3) 列之二者或更多：錫、銀、銅。此等後共熔組合物含有在 2 8 0°C以上之溫度熔化之二級金屬間化合相，並對模組BSM 接合處加入了實質上的結構性支持。本發明在模組/柱BSM 接合處達成了所希冀之溫度層次，接合處使得卡或是板相 連，而不需要機械護線套（standoff)的輔助，以及自卡 或是板模組的移除/再作業，大部份的柱即因此維持與模組 BSM相連。這樣消除了當相同之軟焊料一起用於模組側與卡 側墊所涉及之問題。在沒有軟焊料溫度層次的情況下，所 有的或是大多數的柱維持在卡或是板上，要經由再作業以 產生勞力相當密集的手續來製備與新模組接合之位置。本 發明係使用不同之合金，在初始卡接合與後續模組/卡再作 業時，產生一個穩定的結構以避免柱崩毀。 此等材料上的解決亦可取代意圖用於無鉛BGA單熔錫、 銀與銅（SAC)之軟焊料球。藉由參考本發明圖式與下列說 明，將可更容易理解及掌握本發明之各主要與次要目的。 三、【發明内容】 本發明之目的與優點已藉由提供一用於第二級封裝裝 配之無鉛軟焊料層次結構來達成。在一實施例中，後共熔 軟焊料組合物，介於9 0 . 0 - 9 9 . 0 %錫，介於1 0 . 0 - 1. 0 %銅，並 具有熔點高於2 8 0°C之金屬間化合，係用於模組之側連接。 在一較佳實施例中，後共熔軟焊料組合物係大約9 3 . 0 %錫， 7 . 0 %銅，並具有錫銅之金屬間化合相結構之分散晶粒。 在另一實施例中，後共熔軟焊料組合物，介於8 0. 0 -
1241351 五、發明說明（4) 9 6 . 0 %錫，介於2 0 . 0 - 4 . 0 %銀，並具有熔點高於2 8 0°C之金屬 間化合，係用於模組之侧連接。在一較佳實施例中，後共 熔軟焊料組合物係大約8 2 . 0 %錫，1 8 . 0 %銀，並具有錫銀之 金屬間化合相結構之分散晶粒。在另一較佳實施例中，後 共熔軟焊料組合物係大約8 8 . 0 %錫，1 2 . 0 %銀，並具有錫銀 之金屬間化合相結構之分散晶粒。 本發明的另一方面，此後共熔軟焊料組合物係用來提 供一用於第二層無鉛軟焊料裝配以產生一軟焊料熔化層次 之方法。 四、【實施方式】 本發明之目的已藉由提供一用於第二級裝配之軟焊料 炫化層次來達成。 由於卡封裝廠（card assembly houses)的一般性解 決方案正逐漸朝向以無鉛軟焊料來將模組連至卡或是電路 板，於是驅使著軟焊料溶化層次的殷切需要。然而，接合 溫度不可以超過頂層冶金學（TSM)結構所允許者。業界的 趨勢朝向共溶物9 5 · 5錫/ 3 . 8銀/ 0 · 7銅（或接近此比例）之 卡側軟焊料意味著，在卡的軟焊料糊中一種具有金屬間化 合相結構而有高於9 5 . 5錫/ 3 . 8銀/ 0 . 7銅軟焊料（此後稱為 SAC)三相共炫（ternary eutect i c)溫度的液化溫度的後 共熔組合物是合意的。SAC共熔溫度為2 1 7°C。在卡接合 時，共熔組合物允許金屬間化合相結構存在於模組側條片 中。此等金屬間化合相結構，其為不完全液化的證據，在
1241351 五、發明說明（5) 消除組裝時傾斜與崩毀之問題上是不可或缺的 相似地，金屬間化合相結構會藉由提供一個更具附著 性的接合而允許柱自卡上分離，而輔助卡的再作業，又不 須同時自模組分離。此等具有所述傑出結果之後共熔軟焊 料合金之貫例為8 2錫/ 1 8銀及9 3锡/ 7銅。 本發明係關於錫銅與錫銀之合金。在錫銅之例中，共 熔合金組合物為9 9 · 3%錫與〇 · 7%銅（2 2 7°C )，合金據估計 為9 7錫/ 3銅與9 3錫/ 7銅。在2 3 5°C以9 7錫/ 3銅合金之卡接合 時得到令人振奮的結果，但仍需要對達成一更具韌性之卡 接合與再作業程序加以改進。以9 3錫/ 7銅在2 3 5°C之卡接合 時’所有的模組維持直立而不須任何之再作業。相反地， 先前在2 3 5°C卡接合之嘗試，同時使用SAC作為模組與卡側 軟焊料糊時’會造成所有的模組傾倒。唯一的選擇，就是 用連至模組角隅的護線套作為模組之物理性支持。 錫/銀共熔組合物為9 6 · 5 %錫/ 3 · 5 %銀（2 2 rc )。後共 熔合金組合物據估計為9 0錫/ 1 〇銀、8 8錫/ 1 2銀與8 2錫/ 1 8
銀。在2 3 5°C以9 0錫/ 1 〇銀合金之卡接合時得到令人振奮的 結果，但依然仍需要對達成一更具韌性之卡接合與再作業 程序加以改進。在以8 8錫/ 1 2銀合金之卡接合時，所有的模 組通過2 3 5°C卡接合重熔。在以8 2錫/ 1 8銀合金之卡接合 時，所有的模組在2 4 5°C重熔時依然保持直立。 因此，在2 3 5°C重熔時對於第二級之軟焊料裝配，較佳 之後共熔軟焊料合金不是9 3錫/ 7銅、8 8錫/ 1 2銀就是8 2 錫/ 1 8銀。對於在2 4 5°C或以上重熔時第二級之裝配，較佳
第11頁 1241351 五、發明說明（6) 之後共熔軟焊料合金是82錫/18銀。此等後共熔軟焊料合八 在連至核組BSM時’形成金屬間化合相結構。在後共炼軟二 料合金是93錫/7銅的情形時，金屬間化合為Μ%與 ^ C^Sri:在後共熔軟焊料合金是88錫/12銀或是82錫/18銀的 情形恰’金！間化合為、〜。較高之卡接合重熔溫度可能 需要具有較咼金屬間化合相結構濃度之後共熔軟焊料合 金，這對=熟習本項技藝者而言是很明顯的。 後共熔軟焊料合金之較佳體積存乎於 = 也就是球、柱等，之尺寸。對於各丄 ·】後二料組合物之較佳體積係在2, 〇〇〇-7，。。〇立方 = t接觸塾的直徑是32mils而柱的直徑是 ^ a ,則述之評估中所使用之無鉛柱為銅柱。缺而，本 制於只使用銅柱。本發明軟焊料層次二用ί 已/、備有可焊接鍍層之標準kovar (NiFe)合金，與鎳、 ^惶==之合金。相似地，本發明一般而言，亦斑益錯 軟知料球與無鉛軟焊料連接相容。 … 將^I之第二甚或第四種元素加入所揭示之、
Si Γ二疋 顯的，此類之加成因此係隸屬於本發明 内。所加入之元素係得以與锡、還有跟銅及 括鎳、缺鱼成一金屬間化合物。有可能添加元素的實例包 化合物、。人金而鎳/錫、鈷/錫、金/錫均為共知之錫金屬間 本發明亦不限制於只使用柱内部互聯。其亦可應用於
第12頁 1241351 五、發明說明（7) 彈育、連接為、s -連接器、C -連接器、懸臂樑以及幾乎任 何的I配’其中之元件之兩端具有硬式接合，亦即，陶磁 與卡側。本發明允許使用可接受的無鉛合金系統，以及加 入了溫度層次的額外優點，而不須機械護線套以輔助接合/ 再作業程序。
參考圖1 a以闡明一較佳之方法，其中電路晶片1 〇連至 電子模組2 0之頂側。底面冶金BSM塾3 〇位於電子模組2 〇之底 面上。雛形舟40( preform boat)，典型地由石墨所製 成，含有被排列以與位於模組2 0上之BSM墊3 0之位置一致之 開口 5 0。本1¾明之後共谷軟焊料雛形（p r e f 〇 r m) 6 〇隨後放 置在舟開口 50中。模組20放在舟4〇上的位置是使得BSM, 3〇 與後共溶軟焊料雛形60相接觸。其後模組/舟之組合被加熱 到所須之重炫溫度，通常介於235 —24 5°c間，使得軟焊料^ 形6 0重溶至BSM塾3 0上。然後模組/舟之組合被冷卻，使得 BSM墊3 0被覆上後共熔軟焊料合金。 參考圖1 b，顯示重熔後之模組2 〇。所得到覆上後共炫 物之BSΜ塾通常被稱為得錫隆點7〇(solder bump)。參考圖 1 c ’第二舟8 0，典型地由石墨所製成，含有被排列以與^ 錫隆點7 0之位置一致之開口 9 0。無鉛軟焊料柱，在本實例 中銅柱100’被放置在舟開口 90中。 ' 參考圖Id，模組20放在舟80上的位置是使得銲錫隆點 7 0與柱1 0 0的尾端相接觸。其後模組/舟之組合被加熱到 須之重熔溫度。對於銅柱而言，達2 6 (TC，較佳為。 依據所使用之特定軟焊料層次，重熔溫度可能會超過
第13頁 1241351 五、發明說明（8) 3 5 ΟΧ：,。鮮錫隆點70在柱i 00的尾端上重熔，並且在冷卻 後’形成將柱1 〇 〇附著於模組2 0之模組側軟焊料條片。
爹考圖1 e，所示之模組2 0係藉由本發明所得到之金屬 間化合相結構1丨〇將柱i 00與其連接。參考圖1 f，所得與柱 1〇〇相連之模組20現在要被裝配至電路板或是卡12〇。電路 板120具有電性接觸墊14〇。將SAC軟焊料糊13〇塗在接觸墊 140上。將柱100放在電路板12〇上使得柱1〇〇的自由端與sac 軟焊料糊1 3 0相接觸。將模組/板之組合加熱，使得SAC軟焊 料糊在柱端上重熔。在冷卻時，重熔的SAC軟焊料糊形成使 柱得附著於電路板丨20之軟焊料接合。所得之模組/板組合 包含介於模組與本發明板側接合之軟焊料層次。
二考圖2a例示一第一方法’其係使用screen 一 柱方 法，藉由將本發明呈糊狀之後共熔軟焊料合金篩析 (screened onto)至柱陣列上然後予以重熔。此方法節省了 一道重熔步驟。一只篩罩2〇〇，典型地由鉬或是不鏽鋼所製 成，放置在含有無鉛軟焊料柱i 〇 〇之柱舟8 〇上。於本實施例 中^舟8 0含有條片開口 1 8 0或是柱開口 9 0之經放大的上區 域。篩罩2 0 0具有被安排以與軟焊料柱} 〇 〇之位置一致之罩 眼1 5 0。後共熔軟焊料糊丨6 〇，其由與共熔軟焊料雛形6 〇相 同之組合物所製成，篩析至罩眼1 5 〇與條片開口 1 8 〇中。 少$考圖2b篩罩20 〇被移除，在柱舟go中之柱1〇〇，以 後共熔軟焊料糊銲錫隆點i 7 〇位於柱i 〇 〇 一端之方式留下 來。軟焊料糊銲錫隆點170之幾何形狀，係由篩罩2 0 0之厚 度’與在柱舟80中之條片開口 180之幾何形狀之組合所決
1241351 五、發明說明（9) 定。 參考圖2c。具有BSM墊30之模組20被放在柱舟80上，而 使得B S Μ墊3 0與後共溶軟焊料糊銲錫隆點1 7 q相接觸。其後 模組/舟之組合被加熱到所須之重熔溫度。對於無鉛銅柱而 5 ，達2 4 5 C，較佳為2 5 0°C。依據所使用之特定軟焊料層 |次，重熔溫度可能會超過35(rc。後共熔軟焊料糊銲錫隆點 7 0在柱1 〇 〇的尾端上重熔，並且在冷卻後，形成將柱^ 〇附 I著於模組2 0之模組側軟谭料條片。 參考圖2d，所示之模組2 〇係藉由本發明所得到之金屬 間化合相結構1 1 〇將柱1 〇 〇與其連接。參考圖2 e，所得與柱 100相連之模組20,現在要被裝配至電路板或是卡12〇；；電 路板120具有電性接觸墊14〇。將SAC軟焊料糊13〇塗在接 墊140上。將柱1〇〇放在板12〇上使得柱1〇〇的自由端與sac軟 焊料糊130相接觸。將模組/板之組合加熱，使得sac軟焊料 2在，端上重熔。在冷卻時，重熔的SAC軟焊料糊形成使 付=著於板1 2 0之軟焊料接合。所得之模組/板組合包含 |於模組與本發明板側接合之軟焊料層次。 在克服了卡接著重熔而不需使用機械護線套的支 發明達成了一種目前並不存在之軟焊料層次。苴曰 :始：接合係不可或缺的，其亦對卡的再作業…或J 1丄由於本發明，大多數（95%或以上）的柱在卡上戈、 自卡上移除時，均維持與模組相連。 重熔/ 雖然前面已對本發明之較佳實施例多 習本項技藝者亦會認知到’祕、錫二it:: \m< 第15頁 1241351 五、發明說明（10) 之後共熔軟焊料組合物之領域亦包括在本發明範圍之内。 當此等後共熔軟焊料溶液用在模組側時，與範圍在3 · 8至 4. 0重量％銀、〇 · 5至〇 . 9重量％銅而其餘為錫之標準
National Electronics Manufacturing Initiative (nemI)合金接合，用於卡側，就達成一自然溫度層次， 大大地方便了接合與再作業之程序。發生的原因是，共熔 車人纟干料合金包含了熔化溫度比其卡側軟焊料合金還要高之 金屬間化合物。因此，僅管會逐漸熔化，但不完全的液化 過程導致了金屬間化合相結構。這種金屬間化合相結構， 其具有f高之黏度，即為解決問題之關鍵要素。它防止了 柱’或是其他元件，在接合/再作業過程中崩壞。 本么明並不單純侷限於此等組合物。其揭示係使用其 中之一種合、 或疋相同組份之相似組合物，以解決前述 以^ t與再作業問題。愈來越多之卡封裝廠正逐漸朝向 、y b · 5锡 / 3 _ 8銀 / G · 7銅。 者亦i:r:不：於前述之二級裝配過程。熟習本項技藝 以從使用本發明:輕易採用其他之無鉛第二級裝配方法 示一實例，=^熔軟焊料組合物中獲得好處。圖3中例 其具有BSM墊、30，此後共熔軟焊料組合物係用作為模組20 , 190。使用由太称至板I20之第二級BGA裝配之軟焊料球 達成如前所述之^明_之後共熔組合物所組成之軟焊料球，能 的軟焊料球均維2同再作業好處，使得在再作業後大多數 待與模組相連。這能減低清理或打整板或
第16頁 釀 1241351 五、發明說明（11) 卡附接處所需要耗費的時間與精力。 雖然本發明的具體實施例已經參照所伴隨的圖式在此？ 述，本發明不受限在那些明確的實施例，且熟悉此技術者 可以在不脫離本發明的範圍和精神下做出其他各種各樣的 變更和修改。
第17頁 1241351 圖式簡單說明 據信本發明之特徵為新穎，而其基本之特徵特別列明 於如後之申請專利範圍中。圖式僅作為例示之用而並不依 實際比例繪製。就發明本身而言，藉由參考本發明實施方 式與下列圖式將可更容易理解及掌握本發明之操作方式與 其優點，其中 圖1 a - 1 f例示一用於第二層裝配以提供無鉛軟焊料層次 之第一方法。 圖2 a - 2 e例示一用於第二層裝配以提供無鉛軟焊料層次 之第二方法。
圖3為依據本發明之一無鉛BGA結構剖面圖。 20 電子模組 40 雛形舟 60 後共熔軟焊料雛形 80 第二舟 1 1 0金屬間化合相結構 130 SAC軟焊料糊 1 5 0罩眼 圖式元件符號說明 10 電路晶片 30 底面冶金BSΜ塾 5 0、9 0 開口 7 0 銲錫隆點 1 0 0銅柱
120電路板或是卡 1 4 0電性接觸墊 1 6 0後共熔軟焊料糊 1 7 0後共熔軟焊料糊銲錫隆點 1 8 0條片開口 1 9 0軟焊料球 2 0 0篩罩
第18頁

Claims (1)

1241351 7、申請專利範圍 1 · 一種後共’熔（0 f f 一 e U te c t i c )軟焊料組合物，本質上 由： ' 介於90. 0-99.0%之锡， 介於1 0 . 0 -1 · 〇 %之銅，所組成；及 具有熔點高於280 °C之一金屬間化合。 2 ·如申請專利範圍第1項的後共熔軟焊料組合物，其中今 組合物為約： 〃 ^ 9 3 · 0 %之錫； 7 · 0 %之銅；及 具有錫銅之金屬間化合相結構之一分散晶粒。 3·如申請專利範圍第2項的後共熔軟焊料組合物 金屬間化合相結構在溫度高於300 °c時包含(：116811 4·如申請專利範圍第2項的後共熔軟焊料組二^ 金孱間化合相結構在溫度高於300 t：時包含Cu3Sn 5·如申請專利範圍第2項的後共熔軟焊料組1物 組合物具有界於2, 000-7, 000立方mils的體積。 6· —種後共熔（off —eutectic)軟焊料组合物 由： " 介於80· 0-96· 0%之錫； 介於20·0-4.0%之銀，所組成；及 具有溶點高於2 8 0 °C之一金屬間化合。 7·如申請專利範圍第6項的後共熔軟焊料組合物，盆中$ 組合物為約： 八甲邊 8 2 · 0 %之錫；
II 1111
第19頁 I241351 六 =· 0%之銀；及 具有錫銀之金屬間化合相結構之 . 如申古杳皇m 刀月文日日粒0 其中該 其中該 ，其中該 金屬間化人相二圍/7項的後共熔敕焊料組合物， 9.如申‘專利？在溫度尚於280 °C時包含Ag3sn。 組合物二專二，圍第7項的後共炫軟焊料組合物， 1心Ϊίί:?〇〇:7,〇〇°立方—的體積。 組合物為約：乾圍第6項的後共熔敕焊料組合物 88· 之錫； 12 · 〇 %之銀；及 其中該 其中 11. 有：：ί=相結構之-分散晶粒。 金屬間化‘相,士二：8項的後共熔軟焊料組合物 12. 如申；度高於28(rc時包含Α_。 該缸人& m圍弟1 〇項的後共熔軟焊料組合物 广物具有界於2,00〇_7〇〇〇立方⑷ 1 3 · 一種用於第二厣^…M壯 溶化層次之方法，‘ S =料衣配以產生一無敍軟焊料 子模組’ t亥電具有— 底面之底面冶金墊； 电丁悮、、且之 ^後共炫無錯軟焊料放至於該底面冶金塾之上· ^一無鉛柱之第一端使舆該後共溶無錯軟焊料相接觸. 加熱^输軟焊料以將該後共溶 J:: 亚形成將該無錯柱之第—端附著於該 側軟焊料條片； 王隻之棋組
1241351
有位於该電路板之一上表面上 上； |;申請專利範圍 徒仏—電路板，該電路板具 之一接觸墊； 將一軟焊料糊塗在該接觸墊 放置該無鉛柱之一第二端使 加$該軟焊料糊以重熔該軟 "亥第二端附著於該接觸墊之 用於該第二層軟焊料裝配之 1 4 ·如申請專利範圍第1 3項 軟焊料條片具有約9 3 · 0 °/〇錫 間化合相結構之一分散晶粒 1 5 ·如申請專利範圍第1 3項 軟焊料條片具有約8 2 · 0 %錫 屬間化合相結構之一分散晶 1 6 ·如申請專利範圍第1 3項 車欠焊料條片具有約8 8 · 0 %锡 屬間化合相結構之一分散晶 1 7 ·如申請專利範圍第1 3項 係放置於該底面冶金墊 ^ 料雛形（preform)。 1 8 ·如申請專利範圍第1 3項 焊料係藉由將一後共熔無鉛 遠然紐杈之該第二端上。 與该軟焊料糊相接觸； 焊料糊’以形成將該無鉛柱之 一卡側軟焊料條片，藉此產生 車人焊料層次。 的方法’其中該模組側後共熔 1 7 · 〇 _之組合物與錫銅之金屬 〇 的方法’其中該模組側後共熔 ‘ 1 8 · Q %|艮之組合物與錫銀之金 粒。 的方法’其中該模組側後共熔 ‘ 12 · 〇 之組合物與錫銀之金 粒。 的方法，其中該後共熔無鉛軟 上而作為一固體後共熔無鉛軟 的方法，其中該後共熔無鉛軟 軟焊料糊篩過一篩罩以放置於
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