TWI714420B - 無鉛無銅錫合金與用於球柵陣列封裝的錫球 - Google Patents

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Abstract

一種無鉛無銅錫合金，包含3.0~5.0 wt%的銀、0.01~3.5 wt%的鉍、0.01~3.5 wt%的銻、0.005~0.1 wt%的鎳、0.005~0.02 wt%的鍺及餘量的錫。本發明的無鉛無銅錫合金能製成用於球柵陣列封裝的錫球，且由該錫球所形成的焊錫凸塊能承受電子元件本身或環境出現溫度變化時所帶來的熱應力，以及同時具有承受高機械衝擊的能力。

Description

無鉛無銅錫合金與用於球柵陣列封裝的錫球
本發明是有關於一種錫合金與由該錫合金所製成之用於球柵陣列封裝的錫球，特別是指一種無鉛無銅錫合金與由該無鉛無銅錫合金所製成之用於球柵陣列封裝的錫球。
隨著半導體元件之I/O數(input/output)的提高，封裝技術由原本只能使用晶片周邊進行封裝的打線結合(wire bonding)演變成至今能使用晶片底部表面進行封裝的球柵陣列(ball grid array；簡稱BGA)封裝，其技術是對半導體元件進行IC焊墊重新佈局(I/O distribution)，將焊墊分佈在半導體元件底部從而提高I/O密度。
球柵陣列封裝的導通方式可分為金屬凸塊、導電膠及導電膜等，其中又以屬於金屬凸塊技術之焊錫凸塊(solder bump)為主。而球柵陣列封裝又可分為非晶圓級封裝及晶圓級封裝。
非晶圓級封裝是指矽晶片透過打線或覆晶(flip chip)的方式焊接在有機基板後，在矽晶片及有機基板之間灌入底部填膠(underfill)，然後在有機基板的另一端焊接上錫球形成焊錫凸塊，以形成一電子元件。電子元件將在後續製程中與電路板焊接形成一構裝好的電路板。因為矽晶片、有機基板與電路板之間的膨脹係數差距過大，當構裝好的電路板本身或環境出現溫度變化時，由熱膨脹係數不匹配(mismatch in coefficient of thermal expansion)所帶來的熱應力會造成電子元件與電路板之間的焊點(焊錫凸塊)出現損壞，而有機基板和矽晶片之間的焊點因有底部填膠而通常不會出現損壞。
晶圓級封裝是指直接在矽晶圓上進行大部分或是全部的封裝測試程序後，再進行切割製成單顆晶片，晶片不通過有機基板，而是直接在晶片上進行IC焊墊重新佈局，然後焊接上錫球，以形成焊錫凸塊。由於封裝後的晶片尺吋與裸晶片幾乎一致，故稱為晶圓級晶片尺吋封裝(wafer level chip scale package；簡稱WLCSP)。然而，由於矽晶片和電路板的膨脹係數差距過大，作為兩者間之連接體的焊點(焊錫凸塊)需能承受電子元件本身或環境出現溫度變化時所帶來的熱應力，此外，因晶圓級封裝多運用在有輕薄短小的行動裝置上，故焊點(焊錫凸塊)也需具有承受高機械衝擊的能力。
因此，如何找到一種能製成用於球柵陣列(BGA)封裝之錫球的錫合金，且由該錫球所製得的焊錫凸塊能承受電子元件本身或環境出現溫度變化時所帶來的熱應力，以及同時具有承受高機械衝擊的能力，成為目前致力研究的目標。
因此，本發明之第一目的，即在提供一種無鉛無銅錫合金。該無鉛無銅錫合金能製成用於球柵陣列(BGA)封裝之錫球，且由該錫球所形成的焊錫凸塊能承受電子元件本身或環境出現溫度變化時所帶來的熱應力，以及同時具有承受高機械衝擊的能力。
於是，本發明無鉛無銅錫合金，以該無鉛無銅錫合金的總重為100 wt%計，包含： 3.0~5.0 wt%的銀； 0.01~3.5 wt%的鉍； 0.01~3.5 wt%的銻； 0.005~0.1 wt%的鎳； 0.005~0.02 wt%的鍺；及 餘量的錫。
因此，本發明之第二目的，即在提供一種用於球柵陣列封裝的錫球。由該錫球所形成的焊錫凸塊能承受電子元件本身或環境出現溫度變化時所帶來的熱應力，以及同時具有承受高機械衝擊的能力。
於是，本發明用於球柵陣列封裝的錫球，是由前述的無鉛無銅錫合金所製成。
本發明之功效在於：由於本發明的無鉛無銅錫合金同時包含3.0~5.0 wt%的銀、0.01~3.5 wt%的鉍、0.01~3.5 wt%的銻、0.005~0.1 wt%的鎳、0.005~0.02 wt%的鍺及餘量的錫。因此，本發明的無鉛無銅錫合金能製成用於球柵陣列(BGA)封裝之錫球，且由該錫球所形成之焊錫凸塊能承受電子元件本身或環境出現溫度變化時所帶來的熱應力，以及同時具有承受高機械衝擊的能力。
以下將就本發明內容進行詳細說明：
本發明的無鉛無銅錫合金，以該無鉛無銅錫合金的總重為100 wt%計，包含3.0~5.0 wt%的銀、0.01~3.5 wt%的鉍、0.01~3.5 wt%的銻、0.005~0.1 wt%的鎳、0.005~0.02 wt%的鍺，及餘量的錫。
需先說明的是，本發明的無鉛無銅錫合金實質上不包含鉛(Pb)與銅(Cu)。前述實質上不包含鉛與銅是指原則上只要非蓄意在錫合金中添加鉛與銅者，例如於製造過程中無意但不可避免的雜質或接觸，因此，基於本發明主旨即可被視為實質上不包含鉛與銅，或可視為無鉛與無銅。wt%指的是重量百分比，本文以下wt%同指重量百分比。另外，本發明及專利範圍所述之數值範圍的限定總是包括端值。
此外，「餘量的錫」的用語為了避免誤解，不應被理解為排除其它於製造過程中無意但不可避免的雜質。因此，若假設雜質存在時，「餘量的錫」應被理解為補足該無鉛無銅錫合金至100 wt%的重量百分比例且是由錫加上不可避免的雜質所組成。
較佳地，該無鉛無銅錫合金包含3.5~4.5 wt%的銀。更佳地，該無鉛無銅錫合金包含3.75~4.25 wt%的銀。
較佳地，該無鉛無銅錫合金包含2.5~3.5 wt%的鉍。更佳地，該無鉛無銅錫合金包含2.75~3.25 wt%的鉍。
較佳地，該無鉛無銅錫合金包含0.5~1.5 wt%的銻。更佳地，該無鉛無銅錫合金包含0.75~1.25 wt%的銻。
較佳地，該無鉛無銅錫合金包含0.045~0.055 wt%的鎳。更佳地，該無鉛無銅錫合金包含0.0475~0.0525 wt%的鎳。
較佳地，該無鉛無銅錫合金包含0.005~0.015 wt%的鍺。更佳地，該無鉛無銅錫合金包含0.0075~0.0125 wt%的鍺。
> 實施例 1~11 與比較例 1~10 >
製備無鉛無銅錫合金
實施例1~11與比較例1~10的無鉛無銅錫合金是依據下表1所示的金屬成分與重量百分比(wt%)，以及下列步驟所製得：
步驟 (1) ：依據對應的金屬成分及重量百分比，準備對應的金屬材料。
步驟 (2) ：將已經準備好的金屬材料加熱熔化及鑄造，形成實施例1~11與比較例1~10的無鉛無銅錫合金。 表1
  金屬成分比例 (wt%) 性質測試結果
Sn Ag Bi Sb Ni Ge 推力 硬度 拉伸 冷熱循環 板階焊接 整體評核
實施例 1 餘量 4.0 3.0 1.0 0.05 0.01 ○ ○ ○ ○ ○ ○
實施例 2 餘量 3.0 3.0 1.0 0.05 0.01 ○ △ ○ ○ ○ △
實施例 3 餘量 5.0 3.0 1.0 0.05 0.01 △ ○ △ △ △ △
實施例 4 餘量 4.0 0.01 1.0 0.05 0.01 ○ △ ○ △ ○ △
實施例 5 餘量 4.0 3.5 1.0 0.05 0.01 ○ ○ △ ○ ○ △
實施例 6 餘量 4.0 3.0 0.01 0.05 0.01 ○ △ ○ △ ○ △
實施例 7 餘量 4.0 3.0 3.50 0.05 0.01 △ ○ △ ○ △ △
實施例 8 餘量 4.0 3.0 1.0 0.005 0.01 ○ ○ ○ △ ○ △
實施例 9 餘量 4.0 3.0 1.0 0.1 0.01 ○ ○ △ ○ ○ △
實施例 10 餘量 4.0 3.0 1.0 0.05 0.005 ○ ○ ○ ○ △ △
實施例 11 餘量 4.0 3.0 1.0 0.05 0.02 △ ○ ○ ○ ○ △
比較例 1 餘量 2.0 3.0 1.0 0.05 0.01 ○ X ○ X ○ X
比較例 2 餘量 6.0 3.0 1.0 0.05 0.01 X ○ X X X X
比較例 3 餘量 4.0 0 1.0 0.05 0.01 ○ X ○ X ○ X
比較例 4 餘量 4.0 4.0 1.0 0.05 0.01 ○ ○ X △ ○ X
比較例 5 餘量 4.0 3.0 0 0.05 0.01 ○ X ○ X ○ X
比較例 6 餘量 4.0 3.0 4.0 0.05 0.01 X ○ X △ X X
比較例 7 餘量 4.0 3.0 1.0 0 0.01 ○ ○ ○ X ○ X
比較例 8 餘量 4.0 3.0 1.0 0.2 0.01 ○ ○ X △ ○ X
比較例 9 餘量 4.0 3.0 1.0 0.05 0 ○ ○ ○ △ X X
比較例 10 餘量 4.0 3.0 1.0 0.05 0.05 X ○ ○ △ X X
「餘量」為補足該無鉛無銅錫合金至100 wt%的重量百分比例。
> 合金性質測試 >
先說明的是，實施例與比較例的該無鉛無銅錫合金是藉由推力測試(ball shear test)評估焊接性；藉由硬度測試(hardness test)評估合金硬度；藉由拉伸測試(tensile test)評估合金延展性；藉由板階焊接測試(board level soldering test)評估抗氧化特性；藉由冷熱循環測試(thermal cycle test)評估焊點及接合結構對熱疲勞的抵抗能力。
推力測試、硬度測試、拉伸測試、板階焊接測試及冷熱循環測試的測試方法如下：
[ 推力測試 ]
參照JESD22-B117B標準測試方法，進行實施例與比較例之無鉛無銅錫合金的推力測試。首先於尺寸為14 mm×14 mm的BGA元件上塗佈助焊劑，然後以球徑為0.45 mm的實施例或比較例之無鉛無銅錫合金所製成的錫球，於BGA元件上進行植球作業(ball attach)。BGA元件的焊盤表面處理為裸銅，使用峰值溫度為240℃的迴焊曲線(reflow profile)進行焊接，完成後錫球會焊接於BGA元件上形成焊錫凸塊，然後以推力測試機進行焊錫凸塊之推力測試(推刀移動速度為100 μm/s)。
每組合金BGA樣本推15顆焊錫凸塊並記錄其推力強度，將15顆焊錫凸塊的推力強度取平均值為實驗結果，結果判定標準為：平均推力強度超過15牛頓則判定為植球焊接性良好並標示為「○」，平均推力強度介於12~15牛頓之間則判定為植球焊接性可接受並標示為「△」，平均推力強度小於12牛頓則判定為植球焊接性不足並標示為「X」。實施例與比較例之無鉛無銅錫合金的推力測試結果整理於表1中。
[ 硬度測試 ]
參照ASTM-E92-17標準測試方法進行，使用維氏硬度測量儀量測實施例與比較例之無鉛無銅錫合金的硬度。測試方法是將各合金製作為長20 mm、寬20 mm及高10 mm平的板形樣本，樣品的測試表面需先經過研磨拋光處理，接著以維氏硬度測量儀之標準測試壓頭對樣本進行壓痕測試(壓載條件為荷重500 g，荷重持續時間10秒)，再經由合金樣本留下的壓痕尺寸計算出合金之硬度結果。
本測試中各合金進行三個硬度樣本的測試，再將所得三個硬度結果取平均值，判定標準為：平均硬度大於25 Hv則判定為合金具備良好硬度表現並標示為「○」，平均硬度介於22~25 Hv之間則判定為合金硬度表現可接受並標示為「△」，平均硬度小於22 Hv則判定為合金硬度表現不佳並標示為「X」。實施例與比較例之無鉛無銅錫合金的硬度測試結果整理於表1中。
[ 拉伸測試 ]
參照ASTM-E8/E8M-16a，進行實施例與比較例之無鉛無銅錫合金的拉伸測試。拉伸速率為6 mm/min，以拉伸測試之伸長率結果比較合金的延展率。
本測試中各合金進行三個拉伸樣本的測試，再將所得三個伸長率結果取平均值，結果判定標準為：平均伸長率大於20%則判定為合金具備良好延展性並標示為「○」，平均伸長率介於17~20%之間則判定為合金延展性可接受並標示為「△」，平均伸長率小於17%則判定為合金延展性不佳並標示為「X」。實施例與比較例之無鉛無銅錫合金的拉伸測試結果整理於表1中。
[ 板階焊接測試 ]
首先於尺寸為35 mm×35 mm的BGA元件上塗佈助焊劑，然後以球徑為0.63 mm的實施例或比較例之無鉛無銅錫合金所製成的錫球，於BGA元件上進行植球作業(ball attach)。BGA元件的焊盤表面處理為裸銅，使用峰值溫度為240℃的迴焊曲線(reflow profile)進行焊接，完成後錫球會焊接於BGA元件上形成焊錫凸塊，然後將樣品在溫度85℃及相對濕度85%的環境下放置240小時加速焊錫凸塊的氧化，再將BGA元件焊接於相對應的電路板上，電路板的焊盤表面處理為有機保焊膜(organic solderability preservative；簡稱 OSP)。本測試目的是測試以實施例或比較例之無鉛無銅錫合金所製成的錫球於BGA元件形成焊錫凸塊後的抗氧化能力。合金的抗氧化能力會影響其焊錫凸塊與電路板焊接時的焊接性，若合金抗氧化能力不足而使得焊錫凸塊與電路板焊接時的焊接性不佳則會增加板階製程後發生焊接不良的發生率。
本測試針對板階後樣本進行X-ray分析焊接不良的比例，判定標準為焊接不良發生比例小於10%則判定為板階焊接性良好並標示為「○」，焊接不良發生比例介於10~20%則判定為板階焊接性可接受並標示為「△」，焊接不良發生比例大於20%則判定為板階焊接性失敗並標示為「X」。實施例與比較例之無鉛無銅錫合金的板階焊接測試結果整理於表1中。
[ 冷熱循環測試 ]
參照JESD22-A104E，進行進行實施例與比較例之無鉛無銅錫合金的冷熱循環測試。首先於尺寸為14 mm×14 mm的BGA元件上塗佈助焊劑，然後以球徑為0.45 mm的實施例或比較例之無鉛無銅錫合金所製成的錫球，於BGA元件上進行植球作業(ball attach)。BGA元件的焊盤表面處理為裸銅，使用峰值溫度為240℃的迴焊曲線(reflow profile)進行焊接，完成後錫球會焊接於BGA元件上形成焊錫凸塊，再將BGA元件焊接於相對應的電路板上，電路板的焊盤表面處理為有機保焊膜(OSP)，然後對焊接好的電路板進行冷熱循環測試(測試條件為‒40~125℃，升、降溫速率為15 ℃/min，持溫時間為10分鐘，共進行1000循環)。冷熱循環測試進行前對針對各焊接好的電路板樣本測量電阻(初始電阻值)，冷熱循環測試後再測試一次電阻(測試後電阻值)。本測試目是測試實施例或比較例之無鉛無銅錫合金錫球植球後所形成之焊錫凸塊以及焊錫凸塊與銅基材接合結構之熱疲勞抗性，若焊錫凸塊本身及對銅基材接合結構的熱疲勞抗性不足，則會導致焊點或接合結構於反覆冷熱循環應力下產生熱疲勞破壞，進而影響焊點可靠度。
本測試對冷熱循環後的電路板樣本進行電阻檢測，藉由比較樣本進行冷熱循環測試後的電阻變化評判焊錫凸塊及接合結構的熱疲勞抗性，電阻變化的定義為電阻變化值(測試後電阻值減去初始電阻值)與初始電阻值的比值。判定標準為：電阻變化低於10%則判定為合金焊點及接合結構的熱疲勞抗性良好並標示為「○」，電阻變化介於10~20%則判定為合金焊點及接合結構的熱疲勞抗性可接受並標示為「△」，電阻變化大於20%則判定為合金焊點及接合結構的熱疲勞抗性不佳並標示為「X」。
針對圖1至3的說明如下：圖1的相片為實施例1所形成之正常焊點(焊錫凸塊)的切片，圖2的相片為比較例9所形成之不良焊點(焊錫凸塊)的切片，圖3的相片則為比較例9所形成之不良焊點(焊錫凸塊)的x-ray觀察結果。
另外說明的是，將同一實施例或同一比較例進行前述推力測試、硬度測試、拉伸測試、板階焊接測試及冷熱循環測試的五個測試，如果測試結果中出現任一個「X」，則於表1中「整體評核結果」欄位標示為「X」，代表此實施例或比較例不符合本發明的要求；如果測試結果中出現任一個「△」，則於表1中「整體評核結果」欄位標示為「△」，代表此實施例或比較例符合本發明的要求；如果全部測試結果中皆出現「○」，則於表1中「整體評核結果」欄位標示為「○」，代表此實施例不僅符合本發明的要求且為最佳實施例。
> 合金性質測試結果與討論 >
以下分別依據不同的銀含量、不同的鉍含量、不同的銻含量、不同的鎳含量，以及不同的鍺含量所得的結果分別進行討論。
[ 不同銀含量 ]表2(節錄自表1)
  金屬成分比例 (wt%) 性質測試結果
Sn Ag Bi Sb Ni Ge 推力 硬度 拉伸 冷熱循環 板階焊接 整體評核
實施例 1 餘量 4.0 3.0 1.0 0.05 0.01 ○ ○ ○ ○ ○ ○
實施例 2 餘量 3.0 3.0 1.0 0.05 0.01 ○ △ ○ ○ ○ △
實施例 3 餘量 5.0 3.0 1.0 0.05 0.01 △ ○ △ △ △ △
比較例 1 餘量 2.0 3.0 1.0 0.05 0.01 ○ X ○ X ○ X
比較例 2 餘量 6.0 3.0 1.0 0.05 0.01 X ○ X X X X
「餘量」為補足該無鉛無銅錫合金至100 wt%的重量百分比例。
由表2可知，銀之重量百分比會影響合金硬度、其形成焊接後焊點及接合界面熱疲勞抗性與抗氧化特性，錫球抗氧化特性不足則會提高植球元件進行板階製程時發生雙球不良的機率。過低的銀之重量百分比會使得無鉛無銅錫合金無法通過硬度測試及冷熱循環測試。過高的銀之重量百分比雖然會有較高的合金硬度，但會導致無鉛無銅錫合金熔點上升及延展性下降，熔點上升會導致其在等同的溫度條件下進行植球焊接的焊接性變差，使得其無法通過推力測試，而合金延展性下降也會使其無法通過拉伸測試；此外，過高的銀之重量百分比還會導致無鉛無銅錫合金無法通過冷熱循環測試及板階焊接測試。
比較例1採用2.0 wt%的銀，其於硬度測試及冷熱循環測試標示為「X」，表示過低重量百分比(小於3.0 wt%)的銀會導致合金硬度表現與合金焊點及接合界面熱疲勞抗性不佳；比較例2採用6.0 wt%的銀，其於硬度測試雖然標示為「○」，然而於推力測試、拉伸測試、冷熱循環測試、板階焊接測試及「整體評核結果」欄位中的卻被標示為「X」，代表過量重量百分比(大於5.0 wt%)的銀會導致合金之焊點及接合界面熱疲勞抗性不佳與抗氧化特性不足，且無法通過推力測試及拉伸測試；實施例2採用3.0 wt%的銀、實施例1採用4.0 wt%的銀、實施例3採用5.0 wt%的銀，其於表2「整體評核結果」欄位皆標示為「△」或「○」，代表無鉛無銅錫合金中包含3.0~5.0 wt%的銀能符合本發明的要求。
[ 不同鉍含量 ]表3(節錄自表1)
  金屬成分比例 (wt%) 性質測試結果
Sn Ag Bi Sb Ni Ge 推力 硬度 拉伸 冷熱循環 板階焊接 整體評核
實施例 1 餘量 4.0 3.0 1.0 0.05 0.01 ○ ○ ○ ○ ○ ○
實施例 4 餘量 4.0 0.01 1.0 0.05 0.01 ○ △ ○ △ ○ △
實施例 5 餘量 4.0 3.5 1.0 0.05 0.01 ○ ○ △ ○ ○ △
比較例 3 餘量 4.0 0 1.0 0.05 0.01 ○ X ○ X ○ X
比較例 4 餘量 4.0 4.0 1.0 0.05 0.01 ○ ○ X △ ○ X
「餘量」為補足該無鉛無銅錫合金至100 wt%的重量百分比例。
由表3可知，鉍之重量百分比會影響合金硬度與其形成焊接後焊點及接合界面熱疲勞抗性。過低的鉍之重量百分比會使得無鉛無銅錫合金無法通過硬度測試及冷熱循環測試；過高的鉍之重量百分比雖然會有較高的合金硬度，但會導致無鉛無銅錫合金的延展性下降而無法通過拉伸測試。
比較例3採用0 wt%的鉍，其於硬度測試及冷熱循環測試標示為「X」，表示過低重量百分比(小於0.01 wt%)的鉍會導致合金硬度表現與合金焊點及接合界面熱疲勞抗性不佳；比較例4採用4.0wt%的鉍，其於硬度測試雖然標示為「○」，然而於拉伸測試及「整體評核結果」欄位中的卻被標示為「X」，代表過量重量百分比(大於3.5 wt%)的鉍會導致合金無法通過拉伸測試；實施例4採用0.01 wt%的鉍、實施例1採用3.0 wt%的鉍、實施例5採用3.5 wt%的鉍，其於表3中「整體評核結果」欄位皆標示為「△」或「○」，代表無鉛無銅錫合金中包含0.01~3.5 wt%的鉍能符合本發明的要求。
[ 不同銻含量 ]表4(節錄自表1)
  金屬成分比例 (wt%) 性質測試結果
Sn Ag Bi Sb Ni Ge 推力 硬度 拉伸 冷熱循環 板階焊接 整體評核
實施例 1 餘量 4.0 3.0 1.0 0.05 0.01 ○ ○ ○ ○ ○ ○
實施例 6 餘量 4.0 3.0 0.01 0.05 0.01 ○ △ ○ △ ○ △
實施例 7 餘量 4.0 3.0 3.50 0.05 0.01 △ ○ △ ○ △ △
比較例 5 餘量 4.0 3.0 0 0.05 0.01 ○ X ○ X ○ X
比較例 6 餘量 4.0 3.0 4.0 0.05 0.01 X ○ X △ X X
「餘量」為補足該無鉛無銅錫合金至100 wt%的重量百分比例。
由表4可知，銻之重量百分比會影響合金硬度、其形成焊接後焊點及接合界面熱疲勞抗性與抗氧化特性，錫球抗氧化特性不足則會提高植球元件進行板階製程時發生雙球不良的機率。過低的銻之重量百分比會使得無鉛無銅錫合金無法通過硬度測試及冷熱循環測試。過高的銻之重量百分比雖然會有較高的合金硬度，但會導致無鉛無銅錫合金熔點上升及延展性下降，熔點上升會導致其在等同的溫度條件下進行植球焊接的焊接性變差，使得其無法通過推力測試，而合金延展性下降也會使得其無法通過拉伸測試；此外，過高的銀之重量百分比還會導致無鉛無銅錫合金無法通過板階焊接測試。
比較例5採用0 wt%的銻，其於硬度測試標示為「X」，表示過低重量百分比(小於0.01 wt%)的銻會導致合金硬度表現與合金焊點及接合界面熱疲勞抗性不佳；比較例6採用4.0 wt%的銻，其於硬度測試雖然標示為「○」，然而於推力測試、拉伸測試、板階焊接測試及「整體評核結果」欄位中的卻被標示為「X」，代表過量重量百分比(大於3.5 wt%)的銻會導致合金抗氧化特性不足，且無法通過推力測試及拉伸測試；實施例6採用0.01wt%的銻、實施例1採用1.0wt%的銻、實施例7採用3.5wt%的銻，其於表4中「整體評核結果」欄位皆標示為「△」或「○」，代表無鉛無銅錫合金中包含0.01~3.5 wt%的銻能符合本發明的要求。
[ 不同鎳含量 ]表5(節錄自表1)
  金屬成分比例 (wt%) 性質測試結果
Sn Ag Bi Sb Ni Ge 推力 硬度 拉伸 冷熱循環 板階焊接 整體評核
實施例 1 餘量 4.0 3.0 1.0 0.05 0.01 ○ ○ ○ ○ ○ ○
實施例 8 餘量 4.0 3.0 1.0 0.005 0.01 ○ ○ ○ △ ○ △
實施例 9 餘量 4.0 3.0 1.0 0.1 0.01 ○ ○ △ ○ ○ △
比較例 7 餘量 4.0 3.0 1.0 0 0.01 ○ ○ ○ X ○ X
比較例 8 餘量 4.0 3.0 1.0 0.2 0.01 ○ ○ X △ ○ X
「餘量」為補足該無鉛無銅錫合金至100 wt%的重量百分比例。
由表5可知，鎳之重量百分比會影響其形成焊接後焊點及接合界面熱疲勞抗性。過低的鎳之重量百分比會使得無鉛無銅錫合金無法通過冷熱循環測試；過高的鎳之重量百分比雖然會有較好的焊點及接合界面熱疲勞抗性，但會導致無鉛無銅錫合金的延展性下降使得其無法通過拉伸測試。
比較例7採用0 wt%的鎳，其於冷熱循環測試標示為「X」，表示過低重量百分比(小於0.005 wt%)的鎳會導致合金焊點及接合界面熱疲勞抗性不佳；比較例8採用0.2 wt%的鎳，其於冷熱循環測試雖然標示為「○」，然而於拉伸測試及「整體評核結果」欄位中的卻被標示為「X」，代表過量重量百分比(大於0.1 wt%)的鎳會導致合金無法通過拉伸測試；實施例8採用0.005 wt%的鎳、實施例1採用0.05 wt%的鎳、實施例9採用0.1 wt%的鎳，其於表5中「整體評核結果」欄位皆標示為「△」或「○」，代表無鉛無銅錫合金中包含0.005~0.1 wt%的鎳能符合本發明的要求。
[ 不同鍺含量 ]表6(節錄自表1)
  金屬成分比例 (wt%) 性質測試結果
Sn Ag Bi Sb Ni Ge 推力 硬度 拉伸 冷熱循環 板階焊接 整體評核
實施例 1 餘量 4.0 3.0 1.0 0.05 0.01 ○ ○ ○ ○ ○ ○
實施例 10 餘量 4.0 3.0 1.0 0.05 0.005 ○ ○ ○ ○ △ △
實施例 11 餘量 4.0 3.0 1.0 0.05 0.02 △ ○ ○ ○ ○ △
比較例 9 餘量 4.0 3.0 1.0 0.05 0 ○ ○ ○ △ X X
比較例 10 餘量 4.0 3.0 1.0 0.05 0.05 X ○ ○ △ X X
「餘量」為補足該無鉛無銅錫合金至100 wt%的重量百分比例。
由表6可知，鍺之重量百分比會影響合金的抗氧化特性，錫球抗氧化特性不足則會提高植球元件進行板階製程時發生雙球不良的機率。過低的鍺之重量百分比會使得無鉛無銅錫合金無法通過板階焊接測試；過高的鍺之重量百分比會導致無鉛無銅錫合金的焊接性下降使得其無法通過推力測試，且同樣會使其無法通過板階焊接測試。
比較例9採用0 wt%的鍺，其於板階焊接測試標示為「X」，表示過低重量百分比(小於0.005 wt%)的鍺會導致合金抗氧化特性不足；比較例10採用0.05 wt%的鍺，其於推力測試、板階焊接測試及「整體評核結果」欄位中的卻被標示為「X」，代表過量重量百分比(大於0.02 wt%)的鍺會導致合金抗氧化特性不足，且無法通過推力測試；實施例10採用0.005 wt%的鍺、實施例1採用0.01 wt%的鍺、實施例11採用0.02 wt%的鍺，其於表6中「整體評核結果」欄位皆標示為「△」或「○」，代表無鉛無銅錫合金中包含0.005~0.02 wt%的鍺能符合本發明的要求。
[ 總結 ]
根據前述的結果與討論可知，實施例1~11的無鉛無銅錫合金之「整體評核結果」欄位皆標示為「△」或「○」，表示其同時能通過推力測試、硬度測試、拉伸測試、板階焊接測試及冷熱循環測試，說明若以本發明的無鉛無銅錫合金(實施例1~11)製成用於球柵陣列(BGA)封裝之錫球，該錫球所形成之焊錫凸塊能承受電子元件本身或環境出現溫度變化時所帶來的熱應力，以及同時具有承受高機械衝擊的能力。
綜上所述，由於本發明的無鉛無銅錫合金同時包含3.0~5.0 wt%的銀、0.01~3.5 wt%的鉍、0.01~3.5 wt%的銻、0.005~0.1 wt%的鎳、0.005~0.02 wt%的鍺及餘量的錫。因此，本發明的無鉛無銅錫合金能製成用於球柵陣列(BGA)封裝之錫球，且由該錫球所形成之焊錫凸塊能承受電子元件本身或環境出現溫度變化時所帶來的熱應力，以及同時具有承受高機械衝擊的能力，故確實能達成本發明之目的。
惟以上所述者，僅為本發明之實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍，凡是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。
本發明之其他的特徵及功效，將於參照圖式的實施方式中清楚地呈現，其中： 圖1是一相片，說明實施例1所形成之正常焊點(焊錫凸塊)的切片； 圖2是一相片，說明比較例9所形成之不良焊點(焊錫凸塊)的切片；及 圖3是一相片，說明比較例9所形成之不良焊點(焊錫凸塊)的x-ray觀察結果。

Claims (6)

  1. 一種無鉛無銅錫合金，以該無鉛無銅錫合金的總重為100wt%計，包含：3.5~4.5wt%的銀；0.01~3.5wt%的鉍；0.01~3.5wt%的銻；0.005~0.1wt%的鎳；0.005~0.02wt%的鍺；及餘量的錫。
  2. 如請求項1所述的無鉛無銅錫合金，其中，該無鉛無銅錫合金包含2.5~3.5wt%的鉍。
  3. 如請求項1所述的無鉛無銅錫合金，其中，該無鉛無銅錫合金包含0.5~1.5wt%的銻。
  4. 如請求項1所述的無鉛無銅錫合金，其中，該無鉛無銅錫合金包含0.045~0.055wt%的鎳。
  5. 如請求項1所述的無鉛無銅錫合金，其中，該無鉛無銅錫合金包含0.005~0.015wt%的鍺。
  6. 一種用於球柵陣列封裝的錫球，是由請求項1所述的無鉛無銅錫合金所製成。
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