TWI555143B - 錫基焊球以及具有該錫基焊球的半導體封裝 - Google Patents

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Description

錫基焊球以及具有該錫基焊球的半導體封裝
本發明是有關於一種錫(Sn)基焊球，且特別是有關於一種錫(Sn)基焊球以及具有所述錫基焊球的半導體封裝。
隨著高效能的趨勢，在電子裝置的裝配過程期間，縮減尺寸的電子裝置及小型化的封裝乃是必須的。因此，取代以往習知的導線架(lead frame)而以焊球來實現封裝的小型化。焊球可用以將基板與封裝結構接合以及將信號從封裝結構的晶片傳送至基板。
為了減少環境的汙染，無鉛(Pb)焊球乃是眾所推薦的。舉例來說，雖然已建議使用由三元合金無鉛焊料(如錫(Sn)-銀(Ag)-銅(Cu))所構成的焊球，然而焊球可能具有低熱循環特性(thermal cyclic characteristics)且極易氧化，以及其焊料具有低延展特性與低可濕性。因此，所建議的焊球對於機械性衝擊(mechanical impacts)具有低劣的可加工性及低劣的抗性，所以此焊球並不適合用於可攜式電子產品。相對應地，現已嘗試藉由更進一步地將另 一元素加入至錫-銀-銅來增進焊球的特性，然而焊球的特性卻會根據元素的種類及含量而大大地變化。
<相關技術文獻>
1.日本註冊專利 編號3602529(2004年10月1日)
2.日本註冊專利 編號4392020(2009年10月16日)
3.日本公開專利 編號2004-188453(2004年7月8日)
本發明提供一種由合金所構成的錫(Sn)基焊球，且此合金具有適用於電子產品的焊球所需的特性。
本發明又提供一種具有錫基焊球的半導體封裝。
根據本發明的一觀點，其提供一種錫基焊球，此錫基焊球包括約0.3到3.0wt.%的銀(Ag)、約0.4到0.8wt.%的銅(Cu)、約0.01到0.09wt.%的鎳(Ni)、約0.1%到0.5wt.%的鉍(Bi)以及剩餘部份的錫(Sn)與不可避免雜質。
所包含的鉍的含量可約0.1到0.3wt.%。所包含的鉍的含量可約0.2(±0.02)wt.%。
所包含的鎳的含量可約0.05(±0.01)wt.%。
所包含的銀的含量可約2.5wt.%，所包含的銅的含量可約0.8wt.%，所包含的鎳的含量可約0.05wt.%，以及所包含的鉍的含量可約0.2wt.%。
根據本發明的另一觀點，其提供一種包括銀、銅、鎳、 鉍以及剩餘部份的錫與不可避免雜質的錫基焊球。磷(P)乃從錫基焊球中移除。
根據本發明的另一觀點，其提供一種具有錫(Sn)基焊球的半導體封裝。錫基焊球包括約0.3到3.0wt.%的銀、約0.4到0.8wt.%的銅、約0.01到0.09wt.%的鎳、約0.1%到0.5wt.%的鉍以及剩餘部份的錫與不可避免雜質。
10‧‧‧焊球
10a‧‧‧內部焊球
20‧‧‧印刷電路板
30‧‧‧半導體晶片
40‧‧‧接合接線
50‧‧‧封膠
100、200、300‧‧‧半導體封裝
本發明的上述及其它特徵與優點能藉由參照下列附圖來詳述其實施例，藉以使其更加顯而易見：圖1為根據本發明的實施例的錫(Sn)基焊球的示意圖。
圖2到圖4為根據本發明的實施例的具有錫基焊球的半導體封裝的示意圖。
在下述說明中將參照顯示本發明的實施例的附圖，藉以全面描述本發明。在圖示中，相同的參考數字用以代表相同的元件，從而省略其重複的描述。然而，本發明可以許多不同的形式來實施，而不應解釋為限於在此所述的實施例。更確切地說，這些實施例乃是提供來徹底及完全的揭露本發明，並將本發明的範圍充分傳達給所屬技術領域具有通常知識者。在此所用的術語"及/或"包括一或更多相關所列出的項目的任一及所有的組合。在全文 中，相同的標號指的是相同的元件。此外，由於在圖示中乃是簡要地來說明各種不同的元件及部位，因此本發明並不受限於圖示中的相對尺寸或間隔。在本發明的實施例中，重量百分比(wt.%)指的是對應元素的比重，且此乃是自整個合金的比重的百分比項來轉換。
圖1說明根據本發明的實施例的錫(Sn)基焊球10。
如圖1所示，錫基焊球10可具有球形的形狀。然而，本發明的錫基焊球10可具有圓柱形的形狀或多邊形的形狀，其並不限於球形的形狀。
錫基焊球10可由錫基合金所構成。舉例來說，錫基焊球10可包括銀(Ag)、銅(Cu)、鎳(Ni)與鉍(Bi)以及剩餘部份的錫與其它不可避免雜質。舉例來說，錫基焊球10可由0.3到3.0wt.%的銀、0.4到0.8wt.%的銅、0.01到0.09wt.%的鎳、0.1到0.5wt.%的鉍以及剩餘部份的錫與其它不可避免雜質所構成。舉例來說，錫基焊球可包括含量約有95.61到98.99wt.%的錫與不可避免雜質。
錫基焊球10可包含含量約0.1到0.3wt.%的鉍。錫基焊球10可包含含量約0.2(±0.02)wt.%的鉍。錫基焊球10可包含含量約0.05(±0.01)wt.%的鎳。此外，可將磷(P)從錫基焊球10中移除。也就是說，錫基焊球10在不可避免雜質的含量範圍內可包含磷。舉例來說，錫基焊球10可包含含量小於約0.003wt.%(或30ppm) 的磷，舉例來說，其含量為小於約0.001wt.%(或10ppm)。
根據本發明的錫基焊球10可基於錫來構成。由於環境保護法規禁止在常見的焊球中使用鉛(Pb)，取代鉛基焊球而採用錫基焊球的意圖也將因而增加。錫是元素週期表中的第14族及第5週期的元素，並具有約118.7克/莫耳(g/mol)的標準原子量及約231.93℃的熔點。相較之下，鉛是週期表中第14族及第6週期的元素，並具有約207.2克/莫耳的標準原子量及約327.5℃的熔點。因此，錫具有與鉛相似的物理特性。錫具有良好的可塑性、延展性、耐腐蝕性以及可鑄性。然而，為了滿足如熱循環(thermal cyclic)特性、下降耐用性(drop durability)或可濕性(wettability)的焊球需求，焊球可由錫及其它金屬的合金所構成，而不僅是由錫所構成。為了滿足上述需求，本發明提供利用由錫與銀、銅、鎳及鉍的合金所構成的錫基合金來形成焊球的技術。
根據本發明的錫基焊球10可包含銀，而銀可減少焊球的電阻，增加焊球進入接合部分的擴散率(diffusion rate)，以及增加耐腐蝕性(corrosion resistance)。當焊球10包含含量小於0.1wt.%的銀，此將難以確保焊球10有足夠的電導率以及熱導率，且難以增加焊球10的擴散率。此外，當焊球包含含量大於約5wt.%的銀，此將難以控制焊球10在回流焊接製程(reflow process)的熔化溫度。因此，焊球10可包含含量約0.1到5wt.%的銀，尤其是含量約0.3到3wt.%的銀。
根據本發明的錫基焊球10可包含銅，而銅可影響焊球10的抗拉強度(tensile strength)。當焊球10包含含量小於約0.1wt.%的銅時，其將難以將焊球10的抗拉強度增加至所欲的程度。此外，當焊球10包含含量大於約1wt.%的銅時，焊料將可能變硬，以致於焊球可能易遭損壞，因而減少其加工性(processibility)。因此，在本實施例中，焊球10可包含含量約0.1到1wt.%的銅，尤其是含量約0.4到0.8wt.%的銅。特別是，隨著焊球10的銅含量增加(例如，當焊球10包含含量約0.6到0.8wt.%的銅時)，可抑制化合物Cu3Sn(其為弱介金屬化合物(inter-metallic compound))的生成。
根據本發明的錫基焊球10可包含鎳，而鎳可在熔煉過程(melting process)期間增進流動性以及提高熱循環特性與下降耐用性。舉例來說，錫基焊球10可包含含量約0.01到0.09wt.%的鎳。當焊球10包含含量小於約0.01wt.%的鎳時，鎳不會適當地產生影響，而當焊球10包含含量大於約0.09wt.%的鎳時，焊球10在熔煉過程期間的熔點可能提高，可濕性可能下降，以及流動性可能減少。
根據本發明的錫基焊球10可包含鉍，而鉍是元素週期表中第15族及第6週期的元素。鉍具有約208.98克/莫耳的標準原子量以及約271.5℃的熔點。鉍可降低焊球10的熔點，增進可濕性來增加其機械強度(mechanical strength)，以及增加焊球10的剪應力(shear stress)。當焊球10包含含量約0.1wt.%或更多的鉍時， 可使化合物Ag3Sn(其為介金屬化合物)均勻地分布，並可將晶粒(crystal grains)小型化來增進熱循環特性。然而，當焊球10包含含量大於0.5wt.%的鉍時，可能沈澱析出(precipitate)富含鉍的析出相(precipitate phase)來增進焊球10的脆性(brittleness)。
根據本發明的錫基焊球可不包含磷，或是其所包含的磷在不可避免雜質的含量範圍內，舉例來說，其含量小於約0.003wt.%(或30ppm)，尤其是其含量小於0.001wt.%(或10ppm)。磷可形成焊球10表面上的磷氧化層且降低可濕性。
以下將基於實驗數據，根據本發明的錫基焊球10的各元素的含量範圍來檢驗錫基焊球10的特性變化。為了分析錫基焊球10的特性變化，將對錫基焊球10的熱循環特性、下降耐用性以及可濕性來進行實驗。
用來做實驗的焊球具有約300微米(μm)的大小。用來做熱循環特性及下降耐用性的實驗的基板為銅有機可焊性保護(copper-organic solderability preservative，Cu-OSP)基板，且其上具有焊墊(pad)。可藉由在光滑的銅板上塗上助焊劑(flux)以及將回流帶速度(reflow belt speed)增加為兩倍來測量可濕性。為了分析熱循環特性，在一個週期的期間內所執行的步驟為：將焊球維持至約-45℃的溫度大約30分鐘，突然地提高溫度至約125℃，以及將焊球維持至約125℃的溫度大約30分鐘。然後，計數其週期數，直到發生初始損壞(initial destruction)為止。下降耐用性是根 據聯合電子設備工程委員會(Joint Electron Device Engineering Council，JEDEC)的標準(JESD22-B104)來測量。更特別的是，施加約900G的脈衝至焊球所接合的封裝結構上，藉以計數脈衝所施加的次數，直到發生各初始損壞以及最終損壞(final destruction)為止。可濕性的分析是利用Rhesca公司的彎月透鏡檢驗器(Meniscus Tester)(焊接檢查器型號SAT-5000)。
表1以及表2顯示當錫基焊球的銀含量改變時錫基焊球的特性變化。
表1顯示由銀、銅及錫的合金所構成的焊球的銀含量在約0.3到3wt.%的範圍內改變的情況。在此情況中，焊球包含約0.8wt.%的銅以及剩餘部份的錫與其它不可避免雜質。
表2顯示由銀、銅、鎳、鉍及錫的合金所構成的焊球的銀含量改變的情況。在此情況中，焊球包含約0.8wt.%的銅、0.05wt.%的鎳、0.2wt.%的鉍以及剩餘部份的錫與其它不可避免雜質。
如表1及表2所示，隨著銀含量的增加，熱循環數趨向增加。然而，在初始損壞以及最終損壞的情況中的下降耐用性皆趨向減少。可濕性沒有太大的變化。此外，將包含鎳及鉍兩者的情況(如表2所示)相較於不包含鎳及鉍的情況(如表1所示)，各熱循環數以及下降耐用性皆為增加。在熱循環數以及下降耐用性為對立的趨勢的考量下，焊球可包含含量約2到2.5wt.%的銀。
[表1]
表3及表4顯示當錫基焊球的銅含量改變時錫基焊球的特性變化。
表3顯示由銀、銅及錫的合金所構成的焊球的銅含量在約0.4到1wt.%的範圍內改變時的情況。在此情況中，焊球包含2.5wt.%的銀以及剩餘部份的錫與其它不可避免雜質。
表4顯示由銀、銅、鎳、鉍及錫的合金所構成的錫基焊球的銅含量改變的情況。在此情況中，錫基焊球包含約2.5wt.%的銀、約0.05wt.%的鎳、約0.2wt.%的鉍以及剩餘部份的錫與其 它不可避免雜質。
如圖3及圖4所示，當所包含的銅的含量約0.8wt.%時，顯示出熱循環數的最大值，而當銅含量從約0.8wt.%增加或減少時，熱循環數趨向降低。在初始損壞以及最終損壞兩者的情況中，根據銅含量，下降耐用性並沒有太大的改變。可濕性沒有太大的變化。此外，將包含鎳及鉍的情況(如表4所示)相較於不包含鎳及鉍的情況(如表3所示)，各循環數以及下降耐用性皆為增加。在熱循環數及下降耐用性的趨勢的考量下，錫基焊球可包含含量約0.8wt.%的銅。
表5顯示當錫基焊球的鉍含量改變時錫基焊球的特性變化。
表5顯示由銀、銅、鎳、鉍及錫的合金所構成的焊球的鉍含量在約0到1wt.%的範圍內改變的情況。在此情況中，焊球包含約2.5wt.%的銀、約0.8wt.%的銅、約0.05wt.%的鎳以及剩餘部份的錫與其它不可避免雜質。
如表所示5，當所包含的鉍的含量約0.2wt.%時，顯示出熱循環數的最大值，而當銅含量從約0.2wt.%增加或減少時，熱循環數趨向降低。同樣地，在初始損壞以及最終損壞兩者的情況中，當所包含的鉍的含量約0.2wt.%時，顯示出下降耐用性的最大值，而當銅含量從約0.2wt.%增加或減少時，下降耐用性趨向降低。可濕性沒有太大的變化。在熱循環數及下降耐用性的趨勢的考量下，錫基焊球可包含含量約0.2wt.%的鉍。
表6顯示包含鎳及鉍的錫基焊球的特性變化。在表6中，參考合金為銀(2.5wt%)-銅(0.8wt%)-錫的合金，且更進一步將約0.05wt.%的鎳以及約0.2wt.%的鉍加入至參考合金。當參考合金更進一步包含鎳時，將增進所有的受檢特性。也就是說，熱循環數增加多達約6%，用以檢驗下降耐用性的初始損壞數增加多達約26%，而用以檢驗下降耐用性的最終損壞數增加多達約18%。此外，當參考合金更進一步包括鎳及鉍兩者時，將更進一步增進所有的受檢特性。也就是說，熱循環數增加多達約100%，用以檢驗下降耐用性的初始損壞數增加多達約46%，而用以檢驗下降耐用性的最終損壞數增加多達約30%。
表7顯示由銀、銅、鎳、鉍及錫的合金所構成的錫基焊球更進一步包含磷的情況。在此情況中，錫基焊球包含約2.5wt.%的銀、約0.8wt.%的銅、約0.05wt.%的鎳、約0.2wt.%的鉍以及剩餘部份的錫與其它不可避免雜質。
如表7所示，當所包含的磷的含量約0.005wt.%(50ppm)時，將降低所有的特性。更特別的是，熱循環數減少多達約50%，用以檢驗下降耐用性的初始損壞數減少多達約45%，用以檢驗下降耐用性的最終損壞數減少多達約18%，以及可濕性減少多達約45%。因此，藉此可清楚的看出，有必要將焊球中磷含量限制至極低的程度。因此，根據本發明的錫基焊球10可不包含磷，或是其所包含的磷在不可避免雜質的含量範圍內。
圖2到圖4為根據本發明的示例性實施例的具有錫基焊球10的半導體封裝100、200及300的示意圖。
如圖2所示，半導體封裝100可包括如同上述根據本發 明的錫基焊球10。半導體封裝100可包括印刷電路板(printed circuit board，PCB)20、配置於印刷電路板20上的半導體晶片30、配置以電性連接半導體晶片30及印刷電路板20的接合接線40以及配置以密封半導體晶片30及接合接線40的封膠50。錫基焊球10可黏附於印刷電路板20的底部表面，並透過印刷電路板20電性連接至半導體晶片30。在此，雖然圖2顯示半導體封裝100包括一個半導體晶片30，然而根據本發明的另一實施例，半導體封裝100可更進一步包括多個半導體晶片。
如圖3所示，半導體封裝200可包括如同上述的根據本發明的錫基焊球10。半導體封裝100可包括印刷電路板20、配置於印刷電路板20上的半導體晶片30、配置以將半導體晶片30與印刷電路板20電性連接的內部焊球10a以及配置以密封半導體晶片30a的封膠50。錫基焊球10可黏附至印刷電路板20的底部表面，並透過印刷電路板20電性連接至半導體晶片30。內部焊球10a可包含相同於錫基焊球10的含量的材料。相較於錫基焊球10，內部焊球10a可具有較小的尺寸。雖然圖3顯示半導體封裝200包括一個半導體晶片30，然而根據本發明的另一實施例，半導體封裝200可更進一步包括多個半導體晶片。
如圖4所示，半導體封裝300可包括如同上述根據本發明的錫基焊球10。半導體封裝300可包括半導體晶片30以及錫基焊球10，且錫基焊球10可黏附至半導體晶片30的底部表面且電 性連接至半導體晶片30。半導體晶片30可以是系統晶片(system-on-chip，SOC)或是系統級封裝(system-in-package，SIP)。雖然圖4顯示半導體封裝300包括一個半導體晶片30，然而根據本發明的另一實施例，半導體封裝300可包括多個半導體封裝。
雖然在本說明書中所描述的是錫基焊球，然而本發明亦可以實施於接合接線。也就是說，根據本說明書所公開的接合接線可包含約0.3到3.0wt.%的銀、約0.4到0.8wt.%的銅、約0.01%到0.09wt.%的鎳、約0.1到0.5wt.%的鉍以及剩餘部份的錫與其它不可避免雜質。
本發明提供具有良好熱循環特性以及高下降耐用性與高耐久性(endurance)的錫基焊球以及具有此錫基焊球的半導體封裝。
本發明提供包含銀、銅、鎳及鉍的錫基焊球。根據各所加入的元素的含量範圍，錫基焊球能具有良好熱循環特性以及高下降耐用性與高耐久性。
雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明的精神和範圍內，當可作些許的更動與潤飾，故本發明的保護範圍當視後附的申請專利範圍所界定者為準。
10‧‧‧焊球

Claims (6)

  1. 一種錫(Sn)基焊球，包括：2.5到3.0wt.%的銀(Ag)；0.4到0.8wt.%的銅(Cu)；0.01到0.09wt.%的鎳(Ni)；0.1%到0.5wt.%的鉍(Bi)；以及剩餘部份的錫(Sn)與不可避免雜質，磷(P)從所述錫基焊球中移除。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的錫基焊球，其中所包含的鉍的含量為0.1到0.3wt.%。
  3. 如申請專利範圍第1項所述的錫基焊球，其中所包含的鉍的含量為0.2(±0.02)wt.%。
  4. 如申請專利範圍第1項所述的錫基焊球，其中所包含的鎳的含量為0.05(±0.01)wt.%。
  5. 如申請專利範圍第1項所述的錫基焊球，其中所包含的銀的含量為2.5wt.%，所包含的銅的含量為0.8wt.%，所包含的鎳的含量為0.05wt.%，以及所包含的鉍的含量為0.2wt.%。
  6. 一種半導體封裝，包括錫(Sn)基焊球，其中所述錫基焊球包括：2.5到3.0wt.%的銀(Ag)；0.4到0.8wt.%的銅(Cu)； 0.01到0.09wt.%的鎳(Ni)；0.1%到0.5wt.%的鉍(Bi)；以及剩餘部份的錫(Sn)與不可避免雜質，磷(P)從所述錫基焊球中移除。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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TW201201345A (en) * 2010-06-02 2012-01-01 Stats Chippac Ltd Semiconductor device and method of forming EMI shielding layer with conductive material around semiconductor die
TW201217543A (en) * 2010-10-29 2012-05-01 Harima Chemicals Inc characterized by having a reduced Ag content to lower cost, having excellent stretching properties, a melting point, strength, and also having high fatigue resistance (cold thermal fatigue resistance) and long-lasting reliability

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