TWI357368B - Lead-free solder ball - Google Patents

Description

(3) (3)1357368 以，63Sn- Pb具有產生很少焊接缺陷之優良性質。 不過，業經發現者含鉛焊料，包括含鉛焊料球，之使 用爲一種環境污染源。當使用Sn-Pb焊料焊接的電子零件 發生故障或變舊而不再方便使用之時，彼等係以丟棄來處 置。於此等設備被丟棄時，某些設備部份可再使用或回收 。例如’殼中的塑膠，框中的金屬，及電子零件中的貴金 屬’都常被回收。相異者，黏合焊料的印刷電路板典型地 係不能再用或回收者。所以，丟棄的印刷電路板常經粉碎 然後經由埋置於掩埋場中予以處置掉。 若經由掩埋而棄置的印刷電路板採用含鉛焊料，例如 Sn-Pb焊料，且若該印刷電路板接觸到有高pH的酸雨時， Sn - Pb焊料中的鉛可能溶解出並與酸雨混合而進入地下水 供給之內。若人類或牲畜長期飲用含鉛的地下水，該鉛可 能在體內蓄積且可能造成鉛中毒。 爲了避免使用含鉛焊料伴隨的環境和健康問題，於電 子工業中有朝向使用不含鉛的所謂無鉛焊料之趨勢。 最普通的無鉛焊料類型爲以S η - A g爲基底的焊料， 以Sn-Cu爲基底的焊料，以Sn — Bi爲基底的焊料及以Sn —Zn爲基底的焊料等具有作爲主成分的sn，於其中適當地 加入作爲加添的合金化兀素之Ag，Cu，Zn，In，Ni，Cr ’ Fe’ Co’ Ge，P’ Ga和類似者之中的一或更多者。 因此，有廣多種類型的無鉛焊料。每一類型各具其自 己的強度和弱性，所以各種類型各具不同的用途。 於日本特許第3 02 744 ]號中，本案申請人揭示一種無 (4) (4)1357368 給焊料’其中係將Cu添加到Sn— Ag合金。於該特許中揭 不的諸組成物之中’ Sn — 3Ag — 0.5Ca在諸如可焊接性，黏 合強度，及抗熱疲乏性等性質上係較優者。所以，於目_ ’該合金廣被用於電子器件之焊接。其他用來形成焊料壬求 以形成BGA封裝所用的凸塊。 在將以Sn - Ag — Cu爲基底的無錯焊料形成爲焊料球 之時，焊料球的表面可能不會完善地平滑且可能具有表@ 不規則性。此等表面不規則性係不宜者，因爲彼等可能p且 止焊料球順暢地滾動且可能妨礙焊料球準確地供給到將焊 料球安裝到BG A封裝上所用的裝設裝置。爲了消除在&Sn —Ag_Cu爲基底的無錯焊料球表面上之不規則性，日本 公開未審特許申請第2 002 - 5 7 ] 77號揭示出焊料球，其中 於以Sn — Ag — Cu爲基底的合金中加入0.006— 〇.1質量％的 Ge，Ni，P，Mn’ Au，Pd，Pt，S，Bi，Sb，和 In 中至少 «4·/ —者。 該特許申請的焊料球不具表面不規則性，使彼等可順 暢且準確地供給到焊料球的女裝設備。此外，彼等具有高 黏接強度。根據該特許申請，Ge具有防止氧化之效應，Ni ，P，Μη，Au，Pd’ Pt，S’和In具有降低溶點及增加黏 接強度之效應，且S b具有增加強度之效應。 【發明內容】 在使用焊料球於BGA封裝上形成焊料凸塊之時，焊料 球典型地係用安裝裝置的抽氣盤車（suction jig)予以固 (5) 1357368 持住且由該盤車移動到BG A封裝基板上面的預定位置。然 後由該抽氣盤車釋出焊料球以將彼等放置在BGA 基板的 電極上面。然後將其上面配置著焊料球的BGA基板置於 一回流爐（reflow furnace )中加熱到適當溫度以熔化該 焊料球及將彼等形成在BGA基板的電極上面之凸塊。 若在BGA基板上有即使是單一焊料凸塊漏失或不正 確配置，則整個BG A封裝可能都有缺陷。所以，在將BGA 基板和焊料球置於一回流爐內加熱以將該焊料球形成爲焊 料凸塊之後，使用影像處理設備檢查BG A封裝的底部表面 以測定出是否有任何凸塊漏失或誤配者。該影像處理設備 係依賴從焊料凸塊表面反射出的光。焊料凸塊表面的黃化 會減低彼等的反射率且可能促使影像處理設備作出焊料凸 塊漏失或誤配之不正確判定。所以，於回流中焊料凸塊的 表'面黃化係不宜者。表面黃化也爲不良者，因爲，根據習 知常識，其經認爲係金屬惡化之表徵。 在日本公開未審查特許申請第2002 - 57177號所揭示 的焊料球在表面不規則性上有改良，所以彼等可以容易且 準確地供給到B G A基板。不過，此等焊料球不具足夠的 可焊性’亦即對B G A基板的電極或印刷電路板的岸面之 可濕性》 在該特許申請中揭示的焊料球於用來形成大尺寸焊料 球，例如直徑大於0.5毫米的焊料球之時具有高黏接強度 。此係因爲該焊料本身具有高黏接強度之故。不過，特別 是在焊料球的直徑爲0.5毫米或更小之時，焊料球的黏接 (6) 1357368 強度可能變低。 此外’也有從此等焊料球製成的焊料凸塊在一段長使 用時間之後，從彼等所焊接的基板剝離之情況，所以有需 要對彼等的可靠性予以改良。 本發明的一項目標爲提供一種焊料球，.其即使在具有 小直徑時也具有優良的黏接強度，不會發生變黃現攀，且 其在長時間後仍具有良好的黏接可靠性。 本案諸發明人曾實施多項硏究，其目標在於開發出一 種改良的用於形成焊料凸塊之焊料球。由於此等硏究的結 果，他們作出下列發現因而完成本發明。 (1) 小直徑焊料球的黏接強度減低之原因在於當 焊接點發展出空隙時，此空隙佔有大比例的焊接點。於焊 接時在焊接點中發現出的空隙，.不論·接合的尺寸爲何，都 具有大約相同的尺寸，使得在接合爲大時，空隙佔有接合 的比例較爲小，且由沒有空隙的接合部份可確保足夠的強 度。不過，在焊接的接合爲小，例如於使用小直徑焊料球 形成接合之情況中者，空隙所佔有的接合比例變得較大， 且接合的焊料與電子零件.的電極1或印刷電路板的岸面之 間實際彼此黏接的面積會減低，使得接合的黏接強度會變 弱。 (2 )於探討以Ag - Cu — P爲基的無鉛焊料之可濕性 及空隙形成之後，本案發明人發現P含量對於焊料的可濕 性和空隙形成具有大幅影響。亦即’若以s n _ A g_ c u — p 爲基的無鉛焊料所具p含量太高時’焊料的可焊接性會受 -10 - (7) 1357368 損且在焊接後的接合中會形成空隙，導致減低的黏接強度 不過，P的添加具有防止焊料表面變黃之效益，所以 不宜從以Sn_ Ag_ Cu爲基的無鉛焊料球完全消除掉P »

進一步硏究的結果，本案發明人發現若以Sn — Ag_ Cu- P爲基底的焊接所具P含量爲一恰當含量値時，可以 防止P對於可濕性的不良影響且防止空隙形成，同時使P可 有效地防止焊接所製成的焊料球在加熱中的表面變黃。 (3) 焊料的最重要性質爲其在黏接中的可靠性。焊 料凸塊從彼等所黏接的表面剝離會造成傳導缺陷，所以其 爲一種不宜的現象。所以’黏接可靠性經認爲比焊料本身 的強度更爲重要。如下述實施例中所展現者，本案發明人 發現於包括以Sn — Ag - Cu爲基底的無鉛焊料合金的焊料 球中添加在上述範圍內的少量P對於增加焊接部份的長期 可靠性上具有顯著且意外的效應。

所以，於其他特點中’本發明提供一種無鉛焊料球， 其包括1.0 — 4.0質量％的六§’ 0.05 — 2.0質量％的Cu， 0.0005-0.005質量％的卩，及餘比例的Sn。 本發明焊料球的表面在其經形成爲焊料凸塊後不會發 生表面黃化現象，其可在即使具有小直徑時，提供高黏接 強度，且其可在長時間內提供黏接可靠性。所以，其極爲 適合用於BGA封裝的製造。 【實施方式〕 -11 - (8) (8)1357368 實施本發明之最佳方式 接著要解釋將本發明無鉛焊料球的合金組成所含諸成 分給予限制之理由。於下面的解說中，除非有不同載明， 否則％指的是質量％。 於本發明無給焊料球中，若A g含量小於1 · 〇質量％， 則液相溫度會變高，焊接溫度也必定變高，且使用該焊料 球焊接中，BGA封裝或其他電子零件發生熱損壞的槪率也 會增加。Ag也是影響可焊接性的一種元素。若Ag的含量 低於1 _〇質量％，可焊接性會變差且焊接缺陷的可能性會增 加。不過，若Ag含量超過4.0質量％，會發生AgSn配料的 顯著粗糙化且黏接可靠性會減低。此外，會因焊料合金所 具液相溫度之增加導致焊接溫度不當地增高。所以本發明 中的Ag含量下限爲1.0質量％，且其上限値爲4〇質量％。 較佳者’ Ag含量爲1.0— 3.5質量％。 於一以Sn-Ag爲基底的合金中，Cu的添加會降低合 金的熔化溫度且增高其強度。若“含量低於〇.〇5質量％時 ’不能得到此等效應。不過，若C u含量超過2.0質量。/〇， 則合金的液相溫度會增加，如此不僅焊接溫度會變高，而 且會沈澱出大量的S n Cu金屬間化合物而使可焊接性變壞。 所以，Cu含量爲〇.〇5 — 2.0質量％且較佳者爲〇·05 — 0.7 5質 量％。 於具有Sn作爲主成分的焊料合金中，ρ的添加不僅可 以有效地防止老化（a g i n g )後的焊料凸塊之剝離，而且 可防止黃化現象。不過’若添加大量的P，其存在會使可 -12 - 1357368 ⑼ 濕性變差且促成空隙的形成。於—以“_ Ag— Cu爲基底 的合金中’若P含量低於0.0005質量％，則p在防止黃化的 效應不能獲得’而若P含量超過〇 . 〇 〇 5質量％，則P的添加 會使可焊接性變差並造成空隙的形成。所以，於本發明中 ，P 含量爲 0.00 05 — 0.005 質量 ％。 本發明無鉛焊料球較佳地在安裝到B G A基板的電極 上且在回流爐內加熱熔化形成焊料凸塊之後，其表面不會 發生黃化。這是因爲’如稍早所述者，表面黃化可能在用 影像處理設備檢査BGA封裝的焊料凸塊之中造成失誤的發 生之故。 此外’本發明無鉛焊料球在置於高溫之下即使沒有熔 化之後’較佳者也不含發生黃化現象。在置於高溫之後較 佳地不發生焊料球黃化之原因在於表面黃化之不存在係無 鉛焊料球使用者實施接受性檢驗所要求者。若置於高溫中 不發生焊料球表面黃化，則在熔化時也不會發生黃化。 用於許多BGA封裝中的焊料球最常具有0.5— 076毫米 的直徑，不過，對於CSP和晶圓，係使用有0.04— 0.5毫米 的直徑之焊料球。本發明無鉛焊料球具有極低的空隙發生 率，所以，其在小球形式時也可保持高黏接強度。其結果 ，來發明焊料球可增加直徑0.004 — 0.5毫米的微小焊料球 之可靠性。 於使用中，常將電子設備中的BGA器件暴露於可能超 過1 0 0 °C之高溫。經由使用本發明焊料球來形成焊料凸塊 ，可得到不會發生剝離反而因老化結果增加其黏接強度， -13- (10) (10)1357368 導致在嚴峻使用環境中有增強的黏接可靠性之焊料凸塊。 對於製造本發明焊料球的方法沒有特別的限制，且可 以使用任何方便方法製造。例如，可用油浴法製造，其中 將焊料片投入加熱過的油浴中；或用直接法，其中係將熔 融焊料以所給尺寸之液滴通過一小孔或噴嘴滴入或掉落且 於掉落經過一室之同時予以固體化。這兩種方法都是諳於 此技者所熟知者，所以不在此處詳細說明。 實施例 本發明要用下面諸實施例予以進一步說明。 實施例1 製備具有表]中所示組成之焊料合金以評估下列諸特 丨生。其結果不於表1之中。 每一合金的固相溫度（S.T.)和液相溫度（L.T.)係 從差示熱分析所得加熱曲線測定的。 經由油浴法製備具有〇 5毫米直徑的焊料球。經由將 該焊料球暴露於]25t空氣中]2小時後，用肉眼觀察該等 球的表面之表面黃化程度以評估黃化現象。根本沒有表面 頁化的焊料球經評定爲良好者’有少量黃化者經評定爲普 通’而有嚴重黃化者經評定爲不良。 爲了評定焊料球的空隙發生，乃將焊料球置於BGa基 板的電極上’然後在—回流爐內含有l〇〇ppm或更少氧氣 的氮氣圍中加熱，於其中將BGA基板在高於有24〇t尖峯 -14 - (11) (11)1357368 溫度的L.T.以上之溫度下保持40秒以使焊料球形成爲焊料 凸塊。然後使用TOSMICRON FP7160F9 X —射線檢查裝置 (Toshiba Corporation所製）檢查焊料凸塊的空隙存在。 將空隙量少於]〇%的焊料凸塊評定爲良好，空隙量爲丨〇 — 30°/。者評定爲普通，且將空隙量超過30%者評定爲不良。 表1顯示出上述評估的結果。 從表1所示結果可以看出本發明無鉛焊料球不會發生 明顯的表面黃化或發展出明顯量的空隙° 因此，在將本發明無鉛焊料球在BGA基板上形成凸 塊且用影像處理設備檢查凸塊之時’沒有發生因表面黃化 所致誤差，所以可以準確地進行檢查。再者’不僅在焊接 時缺陷發生率小’而且可得高黏接強度° (16) (16)1357368 明人發現現象。此效應不受焊料球的直徑所影響。 工業應用性 即使本發明無鉛焊料球熔化或暴露於高溫’其表面也 不會變黃。因此，於使用本發明無鉛焊料球在BG A封裝的 電極上形成焊料凸塊之後，可以使用影像處理設備進行正 確的檢查以測定出焊料凸塊是否正確地形成° 此外，本發明無鉛焊料球對BGA封裝的電極或印刷電 路板的岸面都具有優良的可濕性，所以不僅沒有焊接缺陷 的發生，而且空隙的出現率也極爲小，所以可以獲得高黏 接強度。 本發明無鉛焊料球在用來於B G A封裝上形成焊料凸塊 時可提供上述優良效應，而且其也可用來在其他元件上形 成焊料凸塊，例如在具有比BGA封裝更小的電極之晶圓之 上。要在晶圓上形成焊料凸塊所用的焊料球具有0.1毫米 或更小的極小直徑，且黏接面積極小，所以在焊接後的接 合有出現即使是小的空隙之時，該空隙也會對黏接強度給 予大幅影響。 不過’本發明無鉛焊料球幾乎不會發生空隙，所以在 將其用來在晶圓上形成焊料凸塊之時，可得到高黏接強度 c 此外’本發明焊料球可形成即使長期暴露於高溫環境 中也具有優良黏接可靠性之焊料凸塊。特別者，本發明可 提供意料外的效應，亦即因爲添加微量p之故，老化處理 -20-

Claims (1)

1357368 十、申請專利範園 第093 1 30375號專利申請案 中文申請專利範圍修正本. 民國1购#泠月^ gj修正 1. 一種直徑爲〇.5 mm或更小之無鉛焊料球，其係用 於焊接電子零件，其特徵在於具有包括1.0-4.〇質量％的八8 ’ 0.05-2.0質量 ％的 Cu ’ 0.0005-0.005 質量 ％的 p，及剩餘 者爲Sn之合金組成物。 2·如申g靑專利fe圍第1項之無給焊料球，其中於合金 組成物中，Ag爲1.0-3.5質量％。 3·如申請專利範圍第1項之無錯焊料球，其中於合金 組成物中，Cu爲0.05-0.75質量％。 4·如申請專利範圍第1項之無鉛焊料球，其中於合金 組成物中，P爲0.0005-0.003質量％。 5. 如申請專利範圍第2項之無鉛焊料球，其中於合金 組成物中，P爲0.0005-0.003質量％。 6. 如申請專利範圍第3項之無鉛焊料球，其中於合金 組成物中，P爲0.0005-0.003質量％。 7 ·如申請專利範圍第1至6項中任—項之無鉛焊料球， 其中該球的直徑爲0.04-0.5 mm〇 8· —種從如申請專利範圍第1至6項中任一項之焊料球 所形成的焊料凸塊（solder bump)。 9 .如申請專利範圍第8項之焊料凸塊，其係形成在Au_ 電鍍的電路板上。 1357368 其係形成在經 10.如申請專利範圍第8項之焊料凸塊 預焊處理的Cu電路板上。

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