TWI394633B - 用於半導體裝置上之無需清潔、低殘留銲膏 - Google Patents

Description

用於半導體裝置上之無需清潔、低殘留銲膏

本發明關於用於半導體裝置的晶粒黏著或回流銲接之無需清潔、低殘留銲膏。該銲膏具有均質的稠密度且沒有膏分離的傾向。最終殘留的殘留物係透明晶體狀且係與後續加工步驟相容而無需事先經溶劑清潔以除去助熔劑殘留。

銲膏係藉由將銲劑粉分散在通常亦稱為媒劑的助熔劑中所製備成的結合性材料。銲膏係例如藉由網版印刷使用模板(stencil)施加至印刷電路板或藉由透過注射筒分配至任何經塗敷金屬的表面以沉積適當小量之膏於每一待銲區且隨後在爐中加熱以熔化銲劑及實施黏合。此種銲接技術通常稱為回流銲接。有多種加熱方法包括紅外線加熱、雷射加熱、熱空氣加熱、及電熱板加熱皆可用於回流爐中。銲膏必須具有適於網版印刷或分配的流變學特性。

銲膏之助熔劑或媒劑包含至少一種活化劑，其可自黏合表面及自銲劑粉移除氧化層以促成良好的黏合。該助熔劑進一步包含多種組份，其可調整銲膏之流變學性質。習用的助熔劑之主要組份係以40至70重量%的濃度使用之松香及松香衍生物，與以20至50重量%的濃度使用之溶劑組合物，各濃度係相對於助熔劑之總重量。

此等習用助熔劑之一缺點在於下述事實：有顯著量的該助熔劑之松香及其他固體組份會以助熔劑殘留之形式保留在所得銲接接合上或附近。在回流期間，於松香，助熔劑之其他組份，與銲劑合金表面上之金屬氧化物之間會發生許多化學反應。反應產品的不揮發部份及原料的鈍性組份會以殘留形式保留在工作部件之上。商業上的無需清潔銲膏具有6至7重量%之殘留。

該殘留，若以明顯量保留，會導致銲接區之不良外觀且會損及所焊接的電子部件之插腳與銲膏之接觸。而且，助熔劑殘留可能因助熔劑殘留之水份吸收造成工作部件的電路之間的絕緣電阻減低或可能經由來自助熔劑殘留的腐蝕產物形成造成電路被斷路或不連接。所以，預期用於要求高可靠性的電子設備中之工作部件，在回流銲接後，必須用清潔劑洗滌以移除保留在銲接區中的助熔劑殘留。

時常地，電子設備必須針對水份而密封以增加可靠性。密封係藉由將整體工作部件予以樹脂模塑而完成。在此情況中，該工作部必須用清潔劑洗滌以樹脂塗覆或模塑之前移除任何助熔劑殘留。以氟化及氯化溶劑為基底的清潔劑業經成功地用於溶解助熔劑殘留中之松香。不過，在樹脂模塑之前清潔工作部件之需要係導入一附加的昂貴生產步驟。並且，此等溶劑由於彼等的蒸氣會造成大氣中臭氧耗乏，其使用於目前都受到管制。

因此，過去業經開發具有低助熔劑殘留之銲膏，所謂的無需清潔銲膏。例如，US 5,176,759揭示一種在銲接後具有最少量剩餘助熔劑殘留之銲膏，其包含粉化銲劑及助熔劑之混合物。該助熔劑構成載劑組份重量的從約5%至約40%，該載劑組份包含松香或松香衍生物、活化劑、和觸變劑及從約60至約95重量%的溶劑。該溶劑主要(高於50%重量)包含烷基中具有1至4個碳原子之2－烷基－1,3－己二醇。溶劑中所用2－烷基－1,3－己二醇之黏度係低者－典型者為在20℃下約323 cps的範圍。在此專利中，該剩餘殘留係目視可觀察者且經指定為四等級1至4之一。沒有給出剩餘助熔劑之百分比。用此類銲膏在回流銲接後減少的助熔劑殘留之保留在要求高度可靠性的普通電子設備中沒有引起實質的問題。不過，對於現代要求超高可靠性的電子設備，該減少銲膏殘留並未完全令人滿意。

US 6,887,319 B2揭示一種不含任何松香之無殘留銲膏。該無殘留銲膏在回流銲接後留下很少或沒有留下助熔劑殘留且其包含與沒有松香的糊狀助熔劑混合之銲劑粉。除了至少一種液體溶劑之外，該助熔劑包含至少一種固體溶劑及至少一種高黏稠溶劑，總量為30至90質量%，所有的溶劑都在回流銲接溫度蒸發。該助熔劑可進一步含0.5至12%之觸變劑諸如脂肪酸醯胺及1至15%選自有機酸及彼等的胺鹽之活化劑，觸變劑及活化劑在溶劑蒸發時於溶劑存在中蒸發。從回流銲接後留下的殘留之量看來，此銲膏符合要求，但關於均質性，對膏分離之穩定性，及濕潤要求等仍不合格。

如此，對於良好濕潤、高穩定性及均質的具有最多2%回流銲接後剩餘助熔劑之低－殘留銲膏具有持續的需求。該助熔劑殘留應該與後續加工步驟可相容，甚至在必須實施模塑程序時亦然，因而可避免經由洗滌移除助熔劑殘留之需要。

在各具體實例中，本發明提供一種低殘留銲膏。在回流銲接後留下的剩餘殘留係透明、硬且為晶體狀並可與後續加工步驟相容而無需先洗滌掉該殘留。該銲膏可耐高至390℃的回流最高溫度。該剩餘殘留可耐高至185℃之模塑溫度。

在各具體實例中，該銲膏包含分散於助熔劑中之銲劑粉，該助熔劑包含一種含溶劑系統、至少一種觸變劑、至少一種活化劑、及松香之均質混合物，其中該溶劑系統包含高度黏稠溶劑及/或在室溫為固體的溶劑且該溶劑系統之濃度為達55至75重量%且松香之濃度達10至25重量%，每一濃度都是相對於助熔劑總重量。

為更佳瞭解本發明連同其他和進一步的優點及具體實例，乃提出下面配合實施例的說明部份，本發明範圍係在後附申請專利範圍中陳述者。

發明詳細說明

至此本發明要與較佳具體實例相關地予以說明。此等具體實例係經呈出以幫助對於本發明之瞭解而無意，且不應理解為，以任何方式限制本發明。可由熟諳此技藝者於閱讀此揭示所顯而知悉的所有替代物、修飾及等效物都包括在本發明旨意和範圍之內。

在各具體實例中，本發明銲膏只具最多為助熔劑的2%之非常低的助熔劑殘留。該殘留係非－傳導性、具化學惰性、硬質且晶體般透明者。銲膏之殘留，根據本發明各具體實例，在進一步的裝配程序之前不必洗掉，因而可降低裝配成本。

該銲膏包括分散在助熔劑中之銲劑粉。如所設計者，該銲膏之有益性質可用包含下列之助熔劑達成：一含溶劑系統、至少一種觸變劑、至少一種活化劑、及松香之均質混合物，其中該溶劑系統包含高度黏稠溶劑及/或固體溶劑且該溶劑系統的濃度為達55至75重量%且松香之濃度達10至25重量%，每一者皆相對於助熔劑總重量。

較佳者，該銲膏包含80至90重量%銲劑粉且其餘皆為助熔劑。

該銲膏之助熔劑包含相對於溶劑為相當低量的松香。為了保證銲膏之足夠高黏度，溶劑系統在室溫下要包含高黏稠溶劑及/或固體溶劑。術語“高黏稠溶劑”於用在本文中時係指其在30℃具有至少10,000 cps之黏度及其在室溫類似濃糖漿之流變性質。更佳者，該高度黏稠溶劑之黏度係高於100,000 cps。術語“固體溶劑”意指該溶劑在室溫中為固體狀態。

均質混合物包括均質溶劑混合物(例如高度黏稠溶劑及/或固體溶劑之均勻混合物)。在各具體實例中，該均質混合物包括溶劑之均勻混合物(例如高度黏稠溶劑、固體溶劑、二醇醚、及/或醇之均勻混合物)。此溶劑系統可改良助熔劑之穩定性。

除了高度黏稠溶劑及/或固體溶劑之外，該溶劑系統包含一或多種醇類與一或多種二醇醚類，其具有比該高度黏稠溶劑較低的黏度。

較佳者，該溶劑系統之均質混合物包含一含有選自三甲基丙烷、1,2－辛二醇、1,8－辛二醇、2,5－二甲基－2,5－己二醇、異冰片基環己醇、或彼等的組合物之在室溫中為高度黏稠的溶劑及/或固體溶劑之混合物。

該二醇醚係選自單－、二－或三－丙二醇甲醚、單－、二－或三－丙二醇正丁醚、單－、二－或三－乙二醇正丁醚、乙二醇甲醚、三－乙二醇甲醚、二－乙二醇二丁醚、四－乙二醇二甲醚、或彼等的組合。

該醇類係選自2－乙基－1,3－己二醇、正癸醇、2－甲基－2,4－戊二醇、萜醇或異丙醇、或其混合物。

最佳結果係用包含下述的溶劑系統達成：30至50重量%之在室溫中高度黏稠溶劑及/或固體溶劑、10至30重量%之二醇醚及10至20重量%之醇類，每一者皆相對於助熔劑總量。

該松香係選自妥爾油松香(tall oil rosin)、氫化松香(hydrogenated rosin)、部份氫化松香、脫氫松香(dehydrogenated rosin)、或彼等的組合。最佳者係使用氫化松香或妥爾油松香。

為修改助熔劑之流變性質，其較佳地要包含1至6重量%選自三－12－羥基硬脂酸甘油酯、改質之三－12－羥基硬脂酸甘油酯、聚醯胺、硬脂醯胺、或彼等的組合所組成之觸變劑。最佳的是三－12－羥基硬脂酸甘油酯或硬脂醯胺。

該活化劑的量較佳者為相對於助熔劑總量的10至20重量%。要獲得良好的濕潤性質，係使用有機酸與胺之組合作為活化劑。該有機酸係選自己酸、苯基－1－醋酸、苯甲酸、水楊酸、胺基苯甲酸、4－正丁基苯甲酸、4－第三丁基苯甲酸、3,4－二甲氧基苯甲酸、草酸、琥珀酸、順丁烯二酸、蘋果酸、己二酸、丙二酸、或彼等的混合物。該胺係選自單乙醇胺、二乙醇胺、三乙醇胺、異丙醇胺、或彼等的組合。良好結果可用包含5至15重量%之有機酸及1至10重量%之胺的活化劑達到，其中係使用4－正丁基苯甲酸或4－第三丁基苯甲酸作為有機酸及使用單乙醇胺或二乙醇胺作為胺。

為進一步改良銲膏的濕潤性，可助熔劑中添加0.5至3重量%的添加劑。特別地，該添加劑係選自乙氧基化胺松香、胺松香松香、甲基酯、正油醯基肌胺酸(n－oleylsarcosin)及油基咪唑啉、或彼等的混合物。

該銲膏可包含電子應用所用的任何可用銲劑合金粉例如用於晶粒黏著之具有至少85重量%鉛的含高鉛合金，諸如PbSn－合金、PbSnAg－合金、PbAg－合金或PbInAg－合金。此等合金的特定例子為Pb90Sn10、Pb88Sn10Ag2、Pb92.5Sn5Ag2.5、Pb95.5Sn2Ag2.5、Pb97Ag3及Pb92.5In5Ag2.5。其他適合的含鉛銲劑合金為SnPb－合金、SnPbAg－合金、SnPbBi－合金及PbSnSb－合金，彼等係用於SMT應用。也可以使用SMT應用所用的無鉛銲劑合金例如SnAgCu－合金、SnAg－合金、SnCu－合金、SnCuIn－合金、SnAgCuSb－合金、SnAgSb－合金、SnSb－合金及BiSn－合金。用於SMT應用之特別含鉛合金為Sn63Pb37及Sn62Pb36Ag2，而用於SMT應用之無鉛銲劑合金可選自Sn96.5Ag3.5、Sn95.5Ag4Cu0.5、Sn96Ag3.5Cu0.5及Sn96.5Ag3Cu0.5。

對於表面黏著技術(surface mount technology,SMT)應用，較佳的是該銲劑助熔劑進一步包含0.1至2重量%之增塑劑，其可選自酞酸二甲酯、酞酸二丁酯、酞酸二異癸酯、油酸丁酯、己二酸二異丁基酯、己二酸二辛酯、二丙二醇二苯甲酸酯、癸二酸二辛酯、或彼等的混合物。對於此等應用，同樣地，該銲膏可包含無鉛或含鉛的銲劑合金。

對於此等應用，該溶劑系統較佳地經修改以包含20至40重量%在室溫中極高度黏稠的溶劑及/或固體溶劑及30至50重量%之醇類。再度地，該活化劑包含5至15重量%之酸及1至10重量%之胺，每一者都是相對於助熔劑總量。

上面所給銲膏組成物可提供良好的可焊性。在回流期間，銲膏經加熱至約140至160℃，助熔劑開始活化且溶劑開始揮發。隨著溫度持續增高，活化劑開始從合金及部件之表面移除氧化物，促進濕潤性以造成良好的接合形成。此外，隨著溫度持續升高，松香開始熔化而在銲劑粉粒子周圍形成保護塗層以減少再氧化。上面所載明的松香及活化劑之量足以滿足此等功能直到發生完全合金聚結(coalescence)為止，因而減低銲球形成之可能性。

銲膏之分配性質係非常重要的。彼等會受到助熔劑之配方和進一步的銲劑粉之粒子尺寸分布與形態所影響。為易於分配，該粉末粒子應具有球體形態。

本發明銲膏之製備係藉由下述而完成：首先添加所選溶劑於一容器中、加熱及攪拌彼等。當溫度達到約100℃時，添加松香及觸變劑。在松香及觸變劑溶解後，添加酸性活化劑。在所有固體都溶解後，關掉加熱以冷卻該系統。在約50℃時，添加活化劑之胺組份且在連續攪拌下讓該組成物冷卻至室溫。

在概括地說明本發明之後，透過在下文中參照諸實施例可更輕易地了解彼等，彼等實施例係經提出以作為闡明且足非有載明，否則無意限制本發明。

實施例1

在此實施例中，製備本發明銲膏，其可藉由分配而施用於工作部件上。

為製備該銲膏，將85重量份銲劑合金Sn5Pb92.5Ag2.5(－325至＋500網目)與15重量份助熔劑混合。

該助熔劑係由30重量%之異冰片基環己醇、5重量%之1,2－辛二醇(非常黏稠的溶劑及固體溶劑)、13重量%之丁基卡必醇(乙二醇醚)、14重量%之2－乙基－1,3－己二醇、4重量%之異丙醇(醇)、16重量%之Foral AX(氫化松香，Hercules公司之商品名稱)、3重量%之硬脂醯胺(觸變劑)、5重量%之4－正丁基苯甲酸、5重量%之水楊酸(活化劑)、4重量%之二乙醇胺(活化劑)、及1重量%之Polyrad 1110(添加劑，Hercules公司之商品名稱)所組成。

加入助熔劑之每一組份，在玻璃燒杯中使用一機械攪拌葉予以加熱，及溶解以製成溶液。在加熱及混合後，所有不同的溶劑變成一均質的混合物。該膏是經由將銲劑粉與助熔劑均勻地混合而製成。助熔劑之Brookfield黏度為30至100 kcps、且該膏為200至300 kcps。

以此助熔劑製成的無需清潔膏顯示出非常好的可分配性、可銲性及濕潤特性，其亦顯示出非常好的膏穩定性(在施用期間沒有發生分離現象)，且留下約2%之殘留。

實施例2

在此實施例中製備本發明銲膏，其可藉由細小間距(fine－pitch)印刷施用於工作部件。

為製備該銲膏，將88重量份銲劑合金Sn96.5/Ag3.5(－325至＋500網目)與12重量份的助熔劑混合。

該媒劑係由20重量%之異冰片基環己醇、6重量%之三甲醇基丙烷(非常黏稠的溶劑及固體溶劑)、27重量%之萜醇、5重量%之2－乙基－1,3－己二醇、5重量%之異丙醇(醇)、16重量%之Foral AX(氫化松香)、5重量%之硬脂醯胺(觸變劑)、5重量%之4－正丁基苯甲酸、5重量%之苯甲酸、4重量%之二乙醇胺(活化劑)、1重量%之Polyrad 1110(添加劑)、及1重量%之酞酸二甲酯(增塑劑)所組成。

添加助熔劑之每一組份，在玻璃燒杯中使用一機械攪拌葉予以加熱，及溶解以製成溶液。在加熱及混合後，所有不同的溶劑變成一均質的混合物。該膏是經由將銲劑粉與助熔劑均勻地混合而製成。助熔劑之Brookfield黏度為20至80 kcps、且該膏為600至800 kcps。

以此助熔劑製成的無需清潔膏顯示出非常好的可分配性、可銲性及濕潤特性，其亦顯示出非常好的膏穩定性(在施用期間沒有發生分離現象)，且留下約2%之殘留。

雖然本發明業經關聯於其特別具體實例予以說明過，不過要了解的是其可進一步修飾且本申請案意欲涵蓋概括地採用本發明原理且包括偏離本揭示但落於本發明所屬技藝內已知或慣常實作內且如同可應用於前文陳述的必要特點及落於後附申請專利範圍內的本發明之任何變異、用法、或調適。

Claims (18)

1. 一種用於半導體裝置的晶粒黏著之銲膏，其包含分散於助熔劑內之銲劑粉，該助熔劑包含一溶劑系統、至少一種觸變劑、至少一種活化劑及松香之均質混合物，其中該溶劑系統包含一或多種二醇醚、一或多種醇及在室溫下的高度黏稠溶劑及/或固體溶劑，且該溶劑系統之濃度達55至75重量%且該松香之濃度達10至25重量%，每一者皆相對於該助熔劑的總重量，且其中該高度黏稠溶劑及/或固體溶劑係選自三甲基丙烷、1,2-辛二醇、1,8-辛二醇、2,5-二甲基-2,5-己二醇、異冰片基環己醇、或彼等的組合。
2. 如申請專利範圍第1項之銲膏，其中該二醇醚係選自單-、二-或三-丙二醇甲醚、單-、二-或三-丙二醇正丁醚、單-、二-或三-乙二醇正丁醚、乙二醇甲醚、三-乙二醇甲醚、二-乙二醇二丁醚、四-乙二醇二甲醚、或彼等的組合。
3. 如申請專利範圍第2項之銲膏，其中該醇係選自2-乙基-1,3-己二醇、正癸醇、2-甲基-2,4-戊二醇、萜醇或異丙醇、或彼等的混合物。
4. 如申請專利範圍第3項之銲膏，其中該松香係選自妥爾油松香、氫化松香、部份氫化松香、脫氫松香、或彼等的組合。
5. 如申請專利範圍第4項之銲膏，其中該觸變劑係選自三-12-羥基硬脂酸甘油酯、改質之三-12-羥基硬脂酸甘油酯、聚醯胺、硬脂醯胺、或彼等的組合。
6. 如申請專利範圍第5項之銲膏，其中該活化劑包含選自己酸、苯基乙酸、苯甲酸、水楊酸、胺基苯甲酸、4-正丁基苯甲酸、4-第三丁基苯甲酸、3,4-二甲氧基苯甲酸、草酸、琥珀酸、順丁烯二酸、蘋果酸、己二酸、丙二酸、或彼等的混合物之有機酸且該活化劑進一步包含選自單乙醇胺、二乙醇胺、三乙醇胺、異丙醇胺、或彼等的組合之胺。
7. 如申請專利範圍第6項之銲膏，其進一步包含選自乙氧基化胺松香、胺松香、松香甲基酯、正油醯基肌胺酸(n-oleylsarcosin)或油基咪唑啉、或彼等的混合物之添加劑。
8. 如申請專利範圍第7項之銲膏，其中該助熔劑包含1至6重量%之觸變劑、10至20重量%之活化劑及0.5至3重量%之添加劑，每一者皆相對於該助熔劑的總量。
9. 如申請專利範圍第8項之銲膏，其中該溶劑系統包含30至50重量%的在室溫下極黏稠的溶劑及/或固體溶劑、10至30重量%之乙二醇醚及10至20重量%之醇類，且該活化劑包含5至15重量%之酸及1至10重量%之胺，每一者皆相對於該助熔劑的總量。
10. 如申請專利範圍第9項之銲膏，其中該銲劑粉係選自含鉛銲劑合金或無鉛銲劑合金。
11. 如申請專利範圍第10項之銲膏，其中該含鉛銲劑合金係選自含有至少85重量%鉛的PbSn-合金、PbSnAg-合金、PbAg-合金或PbInAg-合金。
12. 如申請專利範圍第7項之銲膏，其中該膏進一步包含選自酞酸二甲酯、酞酸二丁酯、酞酸二異癸酯、油酸丁酯、己二酸二異丁酯、己二酸二辛酯、二丙二醇二苯甲酸酯、癸二酸二辛酯、或彼等的混合物之增塑劑。
13. 如申請專利範圍第12項之銲膏，其中該助熔劑包含1至6重量%之觸變劑、10至20重量%之活化劑、0.5至3重量%之添加劑及0.1至2重量%之增塑劑，每一者皆相對於該助熔劑的總量。
14. 如申請專利範圍第13項之銲膏，其中該溶劑系統包含20至40重量%的在室溫下極黏稠的溶劑及/或固體溶劑及30至50重量%之醇類、且該活化劑包含5至15重量%之酸及1至10重量%之胺，每一者皆相對於該助熔劑的總量。
15. 如申請專利範圍第14項之銲膏，其中該銲劑粉係製備自含鉛銲劑合金或無鉛銲劑合金。
16. 如申請專利範圍第15項之銲膏，其中該含鉛銲劑合金係選自SnPb-合金、SnPbAg-合金、SnPbBi-合金或PbSnSb-合金。
17. 如申請專利範圍第15項之銲膏，其中該無鉛銲劑合金係選自SnAgCu-合金、SnAg-合金、SnCu-合金、SnCuIn-合金、SnAgCuSb-合金、SnAgSb-合金、SnSb-合金 或BiSn-合金。
18. 如申請專利範圍第1項之銲膏，其中該溶劑系統的該高度黏稠溶劑及/或固體溶劑係在回流銲接程序期間蒸發。