TWI576195B - High temperature resistant high strength lead free solder - Google Patents

Description

抗高溫時效高強度無鉛焊錫

本發明是有關於一種焊料合金組成物，特別是指一種適合電子零件焊點之用的抗高溫時效高強度無鉛焊錫。

在已知的技藝中，錫鉛合金經常被用來作為電子零件的焊料合金，但因為鉛及其化合物對環境的污染嚴重，再加上現今環保意識抬頭，含鉛焊錫近年來逐漸遭到國際限用，因此逐漸以「無鉛焊錫」來取代。

而一般傳統的非晶圓級封裝須經過打線與填膠等步驟，封裝之後的尺寸比原來晶粒還大，此乃為早期IC封裝技術的共同特色。又，無鉛焊錫合金在應用上可製作為錫球的形態，透過錫球可將電子元件與印刷電路板或基板隔著一預定間距而接合，乃相當電子元件之間的接合劑與間隔件(spacer)。而焊錫合金之錫球必須考量球的粒徑尺寸大小以及材料強度，才能適用於封裝時的焊接接合劑。

隨著封裝技術的進展，目前已發出一種晶圓級封裝(Wafer Level Packaging，簡稱WLP)，此為IC封裝方 式的一種，是指整片晶圓生產完成後，其所有步驟都在切片之前的晶圓上完成，因此乃直接在晶圓上進行封裝測試，完成之後才切割製成單顆IC，不需要經過打線或填膠的步驟。而封裝後的晶片尺寸幾乎與原來的晶粒大小相同，因此也可以稱為晶片尺寸晶圓級封裝(Wafer Level Chip Scale Package，簡稱WLCSP)。

又，由於晶圓級封裝具有較小的封裝尺寸，應 用於其中的焊料合金錫球尺寸以及合金強度之要求當然與傳統的非晶圓級封裝的焊料要求不同。一般晶圓級封裝IC其相對於傳統封裝對於環境變化包含溫度、濕度之抵抗力會比較弱，因此，本案乃提出一種創新的焊錫組成物可適用於晶圓級封裝之焊料需求。

本發明之目的，即在提供一種材料組成創新且具有抗高溫時效高強度的無鉛焊錫。

本發明抗高溫時效高強度無鉛焊錫，以該抗高溫時效高強度無鉛焊錫所含總重量為100 wt%，該抗高溫時效高強度無鉛焊錫包含：3~5 wt%的銀、0.2~0.8 wt%的銅、1~7 wt%的鉍、0.005~0.06 wt%的鎳、0.005~0.02 wt%的鍺，以及餘量為錫。

本發明之功效：藉由上述各元素的適當添加比例所形成的創新材料組成，可提升並維持材料在高溫時效後材料強度與硬度，同時提升介面強度與抗氧化性，形成完整的無鉛焊錫材料設計，並可使該晶圓級封裝IC適用於 高溫熱循環之嚴苛環境。

本發明抗高溫時效高強度無鉛焊錫之較佳實施例，以該抗高溫時效高強度無鉛焊錫所含總重量為100 wt%，該抗高溫時效高強度無鉛焊錫包含：3~5 wt%的銀(Ag)、0.2~0.8 wt%的銅(Cu)、1~7 wt%的鉍(Bi)、0.005~0.06 wt%的鎳(Ni)、0.005~0.02 wt%的鍺(Ge)，以及餘量為錫(Sn)。

本發明於錫基材中添加此五種元素，可將該焊料合金製作成錫球形態，並可應用於晶圓級封裝(簡稱WLP)，具有優良的焊接結合力，即使該焊料合金於高溫環境下經過長時間(以下簡稱為高溫時效)後仍可維持相同的足夠強度，不會因長時間高溫時效或冷熱變化衝擊而造成焊料合金產生裂紋或焊料合金與一PCB電路板焊墊(PCB Pad)或者一基板之間的介面發生破裂分離。

其中，本發明添加3~5 wt%的銀的功能在於：適當的銀含量可提升焊料合金的抗拉強度及焊料硬度，但是超過5 wt%銀含量會使焊料合金熔點過高而無法應用。

添加銅的功能在於降低焊料合金熔點及提升焊料合金強度，但是當銅的濃度過高時，反而會提高焊料合金熔點，因此較佳地銅的含量為0.2~0.8wt%。

添加鉍可幫助焊料合金中的銀均勻分散於整個 焊料合金材料中，避免聚集形成顆粒粗大的Ag₃Sn介金屬。而且添加的鉍會分散於整個焊料合金中以提升焊料合金強度與硬度，同時避免焊料合金因長時間高溫時效後，其中的銀與銅元素聚集形成粗大化介金屬，造成裂縫沿著介金屬成長擴大，而最後造成焊錫接點失效。但是過高的鉍含量會造成焊料合金脆化、韌性降低而容易使無鉛焊錫基材承受外力時形成脆性破裂，所以較佳地鉍的含量為1~7wt%。

添加鎳的功能：焊料合金於焊接使用過程中不 僅要能維持焊料合金本身的強度及硬度，同時也要考慮焊料合金與基板或PCB電路板焊墊之間的結合強度。若基板或PCB電路板焊墊之材質為銅時，則在高溫時效後，焊料合金與焊墊或基板的介面會形成較脆的Cu₃Sn介金屬層，如此將造成焊料合金與焊墊或基板的結合力降低。而本發明添加適量的鎳可以幫助結合力較佳的Cu₆Sn₅形成，從而抑制Cu₃Sn的生成，並能提升及強化結合力。另一方面，添加鎳不僅可抑制焊料合金與基板或焊墊間的Cu₃Sn的生成，同時也可以抑制焊料合金本身材料中的Cu與Sn形成脆性的Cu₃Sn。然而，過高的鎳元素濃度對於焊料合金不僅在製造上不易添加，而且容易有添加不均勻的問題，同時過高的鎳元素會造成過飽和析出，使焊料合金有脆化疑慮，反而會造成合金強度與硬度降低，所以較佳地鎳的含量為0.005~0.06wt%。

添加鍺的功能：焊料合金除了需要考慮錫基材 強度及結合介面強度之外，由於焊料合金在迴焊及長時間高溫時效過程中表面容易氧化，所以需要添加抗氧化元素鍺來避免基材氧化所導致的結合力降低。而且由於鍺含量過低時無抗氧化效果或者效果不佳，而鍺含量過高並大於0.02wt%時則會造成焊料合金與基板或焊墊的介面結合強度降低，因此較佳地鍺的含量為0.005~0.02wt%。

由以上說明可知，於錫基材中必須同時添加上 述五種元素以維持及確保無鉛焊料合金能在長時間高溫或冷熱交替改變的環境中維持基材強度及介面結合力、避免錫基材產生破裂及分離，以及避免氧化。進一步地，使本發明可使用於晶圓級封裝IC，並可適用於高溫熱循環嚴苛環境，乃具有抗高溫時效及高強度等優異特性。

接著透過本發明的數個實驗例與數個比較例來 證實本發明的功效，並透過實驗來比較各實驗例與各比較例的焊料合金整體的基材強度、高溫時效後的基材強度、焊料合金與銅焊墊之接點處的介面強度，或焊料合金的抗氧化性。

基材強度的判斷，是使用微硬度機偵測各實驗 例與各比較例的焊料合金整體的硬度，並使用Vickers Pyramid Diamond Indenter以50克重施壓於各實驗例與各比較例15秒後，測量形成於表面之壓痕大小，而換算出微硬度值(Hv)。各表中的實驗結果的記載方式如下：○：表示微硬度值>20Hv； △：表示15Hv<微硬度值≦20Hv；×：表示微硬度值≦15Hv。

高溫時效後的基材強度的判斷則是使焊料合金於150℃環境並經過7天後，再以相同於上述基材強度的測定方式來進行實驗。其實驗結果的記載方式如下：○：表示微硬度值>16Hv；△：表示11Hv<微硬度值≦16Hv；×：表示微硬度值≦11Hv。

抗氧化性的判斷，是將焊料合金放置於烤箱內，並在200℃的溫度且通以空氣的環境下放置30分鐘後，取出並觀察焊料合金的表面亮度變化。其中，抗氧化的能力即為抗色變的能力，且記載方式如下：○：表示焊料合金的表面仍保有金屬亮度；△：表示焊料合金的表面呈現微黃色；×：表示焊料合金的表面呈現黃或藍或紫之相近色。

介面強度的判斷，是將焊料合金配合銅焊墊進行迴焊後，以高速推力機破壞焊料合金與銅焊墊之接點處，並透過分析破壞面脆性破壞程度以評價前述接點處之介面強度。其中，前述測試過程即為zone shear test，且記載方式如下：○：表示脆性破裂率<10%；△：表示10%≦脆性破裂率<15%；×：表示脆性破裂率≧15%。

由表1可看出本發明實驗例1~3的銀含量適當 ，焊料合金之基材強度佳。而比較例1不含銀，焊料合金強度較差而不利於焊接使用。比較例2的銀含量為6.0wt%而過高，導致焊料合金熔點過高，且高於WLP製程溫度而無法應用。

由表2可看出本發明實驗例4~6的銅含量適當，焊料合金之基材強度佳。而比較例3不含銅，焊料合金強度較差而不利於焊接使用。比較例4的銅含量為1.0wt%而過高，導致焊料合金熔點過高，且高於WLP製程溫度而無法應用。

由表3可看出本發明實驗例7~9的鉍含量適當 ，在150℃的環境下持續7天後，該焊料合金之高溫時效後的基材強度仍然良好。而比較例5不含鉍，焊料合金於長時間高溫後的強度差。比較例6的鉍含量為9.0wt%而過高，反而造成焊料合金韌性降低而容易形成脆性、易於破裂，所以比較例6之高溫時效後的基材強度差。

由表4可看出本發明實驗例10、11的鍺含量適當，焊料合金強度良好，焊料合金與銅焊墊介面之間的強度亦佳。而且藉由鍺金屬可在焊料合金外部形成抗氧化層，以阻隔外界氧氣，進而增進焊料合金整體之抗氧化性及抗色變能力。而比較例7不含鍺，焊料合金的抗氧化性差，如此將導致焊料合金易受氧化而焊接結合力差。比較例8的鍺含量為0.030wt%，雖然能提供良好的抗氧化性，但卻因為鍺含量過高而導致基材產生脆性且強度變差，並且介面強度亦變差。

【表4】改變Ge含量：

由表5可看出本發明實驗例12、13的鎳含量適當，焊料合金與銅焊墊介面之間的強度佳，代表有良好的焊接結合力。而比較例9不含鎳，無法抑制介面之脆性的Cu₃Sn形成，因此介面強度較差。比較例10的鎳含量為0.10wt%而過高，反而導致鎳不易均勻添加分散於整個焊料合金中，並且會造成鎳過飽和而析出，反而導致焊料合金容易脆化，介面強度因而變差。

惟以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍，即大凡依本發明申請專利範圍及專利說明書內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。

Claims (2)

1. 一種抗高溫時效高強度無鉛焊錫，以該抗高溫時效高強度無鉛焊錫所含總重量為100wt%，該抗高溫時效高強度無鉛焊錫包含：4~5wt%的銀；0.2~0.5wt%的銅；1~7wt%的鉍；0.005~0.06wt%的鎳；0.005~0.02wt%的鍺；及餘量為錫。
2. 如請求項1所述的抗高溫時效高強度無鉛焊錫，適用於晶圓級封裝。