TWI752178B - 焊接材料、焊膏、焊料泡沫以及焊接頭 - Google Patents

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Abstract

提供可抑制電子遷移發生的焊接材料。焊接材料為核球1A，包括Cu或Cu合金所構成的球狀的核2A及披覆核2A的焊料層3A，焊料層3A中， Cu含量為0.1質量%以上、3.0質量%以下， Bi含量為0.5質量%以上、5.0質量%以下， Ag含量為0質量%以上、4.5質量%以下， Ni含量為0質量%以上、0.1質量%以下， 其餘為Sn。

Description

焊接材料、焊膏、焊料泡沫以及焊接頭
本發明係關於以焊料合金披覆金屬之核之焊接材料、使用此焊接材料之焊膏、焊料泡沫以及焊接頭。
近年，隨著小型資訊機器的發達，所搭載之電子組件急速朝小型化發展。電子組件在小型化的需求下，為了因應連接端子的窄小化或組裝面積的縮小化，適用在背面設置電極的球柵陣列（Ball Grid Array，以下稱為「BGA」）。
適用BGA的電子組件，例如有半導體封裝。半導體封裝中，將具有電極之半導體晶片用樹脂密封。半導體晶片的電極上形成焊料凸塊。此焊料凸塊係藉由將焊料球接合於半導體晶片的電極而形成。適用BGA的半導體封裝，以各焊料凸塊與印刷基板之導電性墊(land)接觸的方式置於印刷基板上，並藉由經加熱而熔融之焊料凸塊與墊接合而搭載於印刷基板。
由於連接端子的窄小化或組裝面積的縮小化，焊料致使接合部變得細微化，接合部的電流密度上升。由於接合部的電流密度上升，會有焊料所致在接合部發生電子遷移(electromigration)的疑慮。
已提出所謂銅核焊料球之焊接材料的製作技術，該銅核焊料球係以Sn-Ag-Cu組成之焊料合金層披覆銅核而成，該銅核係表面具有1.0～5.0μm之Ni層的直徑20~80μm之銅球（例如，參照專利文獻1）。類似於銅核焊料球，以焊料層披覆金屬之核（核）的焊接材料，相較於以同一組成之焊料合金構成但沒有金屬之核的所謂焊料球之焊接材料，已知可抑制電子遷移現象。 [先前技術文獻] [專利文獻]
[ 專利文獻1] 日本特開2010-103501號公報
[發明所欲解決之問題]
但是，如上所述，隨著接合部的細微化發生電子遷移的可能性增高，因此需要比專利文獻1所記載的具有Sn-Ag-Cu所組成之焊料層的銅核焊料球更能抑制電子遷移的焊接材料。
本發明意欲解決此類問題，其目的在於提供比習知焊接材料更能抑制電子遷移發生的焊接材料、使用此焊接材料的焊膏、焊料泡沫及焊接頭。 [解決問題之手段]
本發明之發明人發現，藉由對包括金屬之核及披覆核之焊料層的焊接材料的焊料層添加一定量的Bi並抑制接合部的溫度上升，相較於習知的焊料球或具有金之核的焊接材料，可以更加抑制電子遷移的發生。
因此，本發明係如下所述。 (1)一種焊接材料，包括金屬之核及披覆該核之焊料層，該焊料層中， Cu含量為0.1質量%以上、3.0質量%以下， Bi含量為0.5質量%以上、5.0質量%以下， Ag含量為0質量%以上、4.5質量%以下， Ni含量為0質量%以上、0.1質量%以下， 其餘為Sn。
(2)一種焊接材料，包括金屬之核及披覆該核之焊料層，該焊料層中， Cu含量為0.1質量%以上、3.0質量%以下， Bi含量為超過1.0質量%、5.0質量%以下， Ni含量為0質量%以上、0.1質量%以下， 不含Ag，其餘為Sn。
(3)上述(1)所記載的焊接材料，其中Ag含量為超過1.5質量%、4.5質量%以下。 (4)上述(1)～(3)任一項所記載的焊接材料，其中該核由Cu、Ni、Ag、Au、Al、Mo、Mg、Zn、Co之金屬單體或合金構成。
(5)上述(1)～(4)任一項所記載的焊接材料，其中該核係球狀的核球。
(6)上述(1)～(4)任一項所記載的焊接材料，其中該核係柱狀的核柱。
(7)上述(1)～(6)任一項所記載的焊接材料，其中選自Ni及Co的1個元素以上所構成的層披覆的該核，以該焊料層披覆。
(8)一種焊膏，使用上述(1)～(7)任一項所記載的焊接材料。
(9)一種焊料泡沫，使用上述(1)～(7)任一項所記載的焊接材料。
(10)一種焊接頭，使用上述(1)～(7)任一項所記載的焊接材料。 [發明效果]
本發明中，由於在接合部產生的熱、傳遞至接合部的熱係在金屬之核放熱，抑制接合部的溫度上升，金屬元素保持於難以移動的狀態。因此，可得到含有Bi所造成的電子遷移抑制效果。
本實施型態之焊接材料係由金屬之核、覆蓋此核之焊料層所構成。在核係球體的情況下，焊接材料稱為核球。以下的實施型態將說明核球。
圖1係表示本實施型態之核球的示意性結構的剖面圖。本實施型態之核球1A係由球狀的核2A及披覆核2A之焊料層3A所構成。
核2A，可以是Cu單體的組成，亦可以是Cu為主成份的合金組成。核2A由合金構成的情況下，Cu的含量係50質量%以上。此外，作為核2A，由於導電率比Sn系焊料合金之焊料層3A好即可，除了Cu以外，亦可由Ni、Ag、Au、Al、Mo、Mg、Zn、Co的金屬單體或合金構成。
核2A，從控制間隙(standoff)高度的觀點來看，真球度(sphericity)較佳為0.95以上。真球度更佳為0.990以上。本發明中，真球度係表示自真球的發散度。真球度，例如，可由最小平方中心法(LSC法)、最小環帶中心法(MZC法)、最大內切中心法(MIC法)、最小外接中心法(MCC法)等的各種方法求得。詳言之，所謂真球度，係將500個核2A之各者的直徑除以長徑時所算出的算術平均值，其值越接近上限之1.00表示越接近真球。本發明中的長徑之長度、及直徑之長度，係以MITSUTOYO公司製的ULTRAQUICKVISION，ULTRAQV350-PRO測定裝置所測定的長度。
構成本發明之核2A的直徑較佳為1～1000μm。若在此範圍中，則可穩定地製造球狀的核2A，並且，可抑制端子間為窄間距(pitch)時的連接短路。
焊料層3A由Sn-Ag-Cu-Bi系之焊料合金或Sn-Cu-Bi系之焊料合金構成。核球1A，在核2A之表面進行焊劑電鍍(solder plating)以形成焊料層3A。
關於Bi之含量，係0.5質量%以上、5.0質量%以下。若Bi之含量未滿0.5質量%，則電子遷移的抑制效果不足。此外，即使Bi之含量超過5.0質量%，電子遷移的抑制效果亦變差。關於Bi之含量，較佳為超過1.0質量%、5.0質量%以下，更佳為1.5質量%以上、3.0質量%以下。
關於Cu之含量，係0.1質量%以上、3.0質量%以下。若Cu之含量未滿0.1質量%，熔融溫度沒有充分降低，將接合材接合至基板時需要以高溫加熱，恐會對基板造成熱損傷。除此之外，濡濕性亦不足，接合時無法擴散濡濕。另外，若Cu之含量超過3.0質量%，熔融溫度上升，並且濡濕性亦下降。關於Cu之含量，較佳為0.3質量%以上、1.5質量%以下。
關於Ag之含量，係0質量%以上、4.5質量%以下，其為可選擇性添加之元素。若添加超過0質量%、4.5質量%以下的Ag，相較於沒有添加Ag的合金，更加提升電子遷移的抑制效果。若Ag之含量超過4.5質量%，則機械性強度下降。在Sn-Ag-Cu-Bi系之焊料合金的情況下，關於Ag之含量，較佳為0.1質量%以上、4.5質量%以下，更佳為超過1.5質量%、4.5質量%以下。
關於Ni之含量，係0質量%以上、0.1質量%以下，其為可選擇性添加之元素。若添加超過0質量%、0.1質量%以下的Ni，相較於沒有添加Ni的合金，會提升濡濕性。若Ni之含量超過0.1質量%，熔融溫度上升，並且濡濕性亦下降。添加Ni的情況下，關於Ni之含量，較佳為0.02質量%以上、0.08質量%以下。
核球1A之直徑較佳為3～2000μm。
核球1A，亦可在核2A與焊料層3A之間設置擴散防止層4。擴散防止層4由選自Ni及Co等的1個元素以上構成，防止構成核2A之Cu擴散至焊料層3A。
含有Bi之焊料合金，會抑制電子遷移的發生。在核2A之表面以其組成含有Bi之焊料合金形成焊料層3A的核球1A中，Bi所造成的電子遷移抑制效果，係藉由核2A維持。
圖2係表示由核球形成之焊料凸塊的一例的構成圖。焊料凸塊5A將基板6A之電極60A與半導體封裝7A之電極70A用焊料合金30A接合。利用圖1所示之核球1A的焊料凸塊5A，即使由焊料合金30A接合至基板6A之半導體封裝7A的重量施加至焊料凸塊5A，藉由在焊料合金30A之熔點下不熔融的核2A可以支撐半導體封裝7A。因此，抑制半導體封裝7A自身重量所導致的焊料凸塊5A的壓潰。
若驗證其原因，由於Bi的電阻比Sn大，當電流流經含有Bi之焊料凸塊時，相較於未含有Bi之焊料凸塊，焊料凸塊的溫度上升。若因焊料凸塊之細微化造成電流密度增加，則溫度上升更為顯著。此外，在半導體封裝等處產生的熱亦傳遞至焊料凸塊，焊料凸塊的溫度上升。由於焊料凸塊的溫度上升，金屬原子處於容易移動的狀態，電子遷移被認為會發生。
對此，本實施型態之核球1A中，在熱傳導率比Sn高之Cu的核2A上披覆焊料層3A。以此種核球1A形成的焊料凸塊5A，在接合基板6A與半導體封裝7A之焊料合金30A內部包含核2A。藉此，由於在焊料凸塊5A產生的熱、自半導體封裝7A傳遞的熱係在Cu之核2A處放熱，抑制焊料凸塊5A的溫度上升，使金屬元素保持於難以移動的狀態。因此，維持含有Bi所造成的電子遷移抑制效果。
再者，Cu的導電率比Sn高。雖然由焊料球形成的焊料凸塊中焊料凸塊表面的電流密度變高，但由核球1A形成的焊料凸塊5A中，核2A的電流密度變得比焊料凸塊5A表面的電流密度高。因此，抑制焊料凸塊5A中的電流密度增加，抑制電子遷移的發生。
除此之外，由在核2A之表面以其組成含有Bi之焊料合金形成焊料層3A的本實施型態之核球1A形成的焊料凸塊5A，可以獲得所需的預定強度，無論是針對墜落等衝擊的強度還是針對所謂熱循環之溫度變化所造成之伸縮的強度。
說明根據本發明之焊接材料的適用例時，焊接材料係用於揉合焊料粉末、核球1A及助焊劑的焊膏。在此，當核球1A用於焊膏時，「核球」亦稱為「核粉」。
「核粉」係各核球1A皆包括上述特性的多數核球1A的集合體。例如，調合作為焊膏中的粉末等，與單一的核球在使用形態上有所區別。同樣地，當用於焊料凸塊的形成時，通常視為集合體，因此在如此形態下使用的「核粉」與單一的銅核球有所區別。將「核球」以「核粉」之形態使用時，一般來說，核球的直徑係1～300μm。
另外，根據本發明之焊接材料，係用於核球1A分散在焊料中的焊料泡沫。焊膏及焊料泡沫中，使用例如組成為Sn-3Ag-0.5Cu（各數值係質量％）的焊料合金。此外，本發明並不限定於此焊料合金。再者，根據本發明之焊接材料，亦用於電子組件的焊接頭。另外，根據本發明之焊接材料，可應用於以柱狀Cu作為核的柱、桿或錠的型態。
圖3係表示本實施型態之Cu核柱的示意性結構的剖面圖。在上述例中，雖然說明將球狀的核球1A用作焊接材料的情況，但並不限定於此。例如，亦可將圓柱狀之Cu核柱1B用作焊接材料。此外，由於Cu核柱1B之構成及材料等係與上述Cu核球1A共通，以下僅說明不同的部分。
根據本發明之Cu核柱1B包括Cu柱2B及焊料層3B，Cu柱2B係具有預定之尺寸以確保半導體封裝與印刷基板之間間隔的核的一例，焊料層3B係披覆Cu柱2B之披覆層的一例。此外，在本例中，雖然Cu柱2B係以圓柱形構成，但並不限定於此，例如，亦可以是四角柱。
Cu柱2B較佳為線徑（直徑）D2係20～1000μm，長度L2係20～10000μm。
焊料層3B之厚度，雖然並未特別限制，但例如100μm（單側）以下即足夠。一般較佳為20～50μm。
Cu核柱1B較佳為線徑（直徑）D1係22～2000μm，長度L1係22~20000μm。 實施例
用以下表1所示之組成製作實施例之核球、比較例之核球及焊料球，並進行測定針對大電流施加時電子遷移(EM)之耐受性的電子遷移試驗。表1中之組成率係質量%。
實施例1～實施例13、比較例1～比較例7中，製作直徑300μm的核球。比較例8～比較例11中，製作直徑300μm的焊料球。核球在直徑250μm之Cu核用Ni形成膜厚單側為2μm之擴散阻止層，並形成焊料層以使直徑為300μm。焊料層係藉由公知的電鍍法進行。
作為公知的電鍍法，有：桶鍍(barrel plating)等的電鍍法；連接至鍍槽之泵浦使鍍槽中的鍍液產生高速渦流，藉由鍍液的渦流，在球狀之核上形成鍍膜的方法；在鍍槽中設置振動板，以預定頻率振動，使鍍液被高速渦流攪拌，藉由鍍液的渦流，在球狀之核上形成鍍膜的方法等。
電子遷移試驗，使用表1所示的各實施例之核球、比較例之核球及焊料球，在具有直徑0.24mm之Cu電極的尺寸13mm×13mm的封裝基板用水溶性助焊劑進行焊錫回流，以製作封裝。然後，在尺寸30mm×120mm、厚度1.5mm之玻璃環氧基板(FR-4)印刷焊膏，搭載上述製作的封裝，以在220°C以上之溫度範圍保持40秒且峰值溫度為245°C的條件進行回焊，以製作樣本。
在電子遷移試驗中使用的半導體封裝基板上形成膜厚15μm的抗蝕膜，在抗蝕膜上形成開口徑為240μm的開口部，以回焊爐接合實施例或比較例之核球或焊料球。
將此種接合核球或焊料球的半導體封裝基板安裝於印刷電路板。在印刷電路板上，將焊料合金之組成為Sn-3.0Ag-0.5Cu之焊膏，以厚度100μm、直徑240μm印刷，將接合實施例或比較例之核球或焊料球的半導體封裝基板，以回焊爐與印刷電路板連接。作為回焊條件，係大氣下峰值溫度為245°C，預備加熱以140~160°C進行70秒，本加熱以220℃以上進行40秒。
EM試驗，將上述製作的樣本連接至小型可變交換電源供應器（菊水電子工業股份有限公司製：PAK35-10A），在保持於150°C之矽油中，以電流密度成為12kA/cm2 的方式通電流。電流施加期間，連續地測定樣本的電阻，在從初始電阻值上升20%時結束試驗，並記錄試驗時間。EM試驗的結果，試驗時間超過800小時者，係滿足電子遷移之評估（EM評估）。
[表1]
Figure 107106789-A0304-0001
具有Bi含量為0.5質量%以上、5.0質量%以下之Sn-Ag-Cu-Bi系焊料合金所構成之焊料層的實施例1～實施例10之Cu核球、具有Bi含量為0.5質量%以上、5.0質量%以下之Sn- Cu-Bi系焊料合金所構成之焊料層的實施例11～實施例13之Cu核球，其EM評估的試驗時間超過800小時。
Bi含量為1.5質量%的實施例2之Cu核球，其EM評估的試驗時間超過1300小時。雖然Bi含量為5.0以上則EM評估的試驗時間有減少的傾向，但Bi含量為5.0質量%的實施例6之Cu核球，其EM評估的試驗時間仍超過800小時。
相對於此，具有不含Bi之Sn-Ag-Cu系焊料合金所構成之焊料層的比較例1及比較例2之Cu核球、具有不含Bi之Sn- Cu系焊料合金所構成之焊料層的比較例3之Cu核球，其EM評估的試驗時間未滿800小時。
此外，即使是具有Sn-Ag-Cu-Bi系焊料合金所構成之焊料層的Cu核球，Bi含量為0.2質量%的比較例4及Bi含量為10.0質量%的比較例5，其EM評估的試驗時間仍未滿800小時。如此一來，即使是具有Sn-Ag-Cu-Bi系焊料合金所構成之焊料層的Cu核球，若Bi含量未滿0.5質量%或超過5.0質量%，則EM評估的試驗時間仍未滿800小時，無法得到針對EM的預期耐受性。
除此之外，即使是具有Sn-Cu-Bi系焊料合金所構成之焊料層的Cu核球，Bi含量為0.2質量%的比較例6及Bi含量為10.0質量%的比較例7，其EM評估的試驗時間仍未滿800小時。如此一來，即使是具有Sn-Cu-Bi系焊料合金所構成之焊料層的Cu核球，若Bi含量未滿0.5質量%或超過5.0質量%，則EM評估的試驗時間仍未滿800小時，無法得到針對EM的預期耐受性。
Bi含量為3.0質量%、Ni含量為0.02質量%之Sn-Ag-Cu-Bi-Ni系焊料合金所構成的比較例8之焊料球，即使其焊料合金的組成與實施例5相同，但EM評估的試驗時間仍大幅低於800小時。
Bi含量為0.5質量%之Sn-Ag-Cu-Bi系焊料合金所構成的比較例9之焊料球，即使其焊料合金的組成與實施例1相同，但EM評估的試驗時間仍大幅低於800小時。
不含Bi之Sn-Ag-Cu系焊料合金所構成的比較例10之焊料球、不含Bi之Sn- Cu系焊料合金所構成的比較例11之焊料球，其EM評估的試驗時間亦大幅低於800小時。
從以上發現，披覆金屬之核之焊料層由Sn-Ag-Cu-Bi系焊料合金或Sn- Cu-Bi系焊料合金構成的焊接材料中，藉由使Bi含量為0.5質量%以上、5.0質量%以下，可得到電子遷移的抑制效果。另外，發現Bi的優選含量為1.5質量%以上、3.0質量%以下。
此外，藉由使Cu含量為0.1質量%以上、3.0質量%以下，電子遷移的抑制效果不受影響。另外，藉由使Ag含量為超過0質量%、4.5質量%以下，相較於不含Ag之焊料合金，可得到電子遷移的抑制效果。Ag含量為4.5質量%的實施例3中，EM評估的試驗時間超過1300小時。除此之外， Ni含量為超過0質量%、0.1質量%以下，亦可得到電子遷移的抑制效果。Ni含量為0.1質量%的實施例4中，EM評估的試驗時間超過1400小時。
1A‧‧‧核球1B‧‧‧Cu核柱2A‧‧‧核2B‧‧‧Cu柱3A‧‧‧焊料層3B‧‧‧焊料層4‧‧‧擴散防止層5A‧‧‧焊料凸塊6A‧‧‧基板7A‧‧‧半導體封裝30A‧‧‧焊料合金60A‧‧‧電極70A‧‧‧電極D1、D2‧‧‧線徑L1、L2‧‧‧長度
圖1係表示本實施型態之核球的示意性結構的剖面圖。 圖2係表示由核球形成之焊料凸塊的一例的構成圖。 圖3係表示本實施型態之銅核柱的示意性結構的剖面圖。
1A‧‧‧核球
2A‧‧‧核
3A‧‧‧焊料層
4‧‧‧擴散防止層

Claims (17)

  1. 一種焊接材料，其特徵為包括：一金屬之核；以及一焊料層，其披覆該核，其中該焊料層中，Cu含量為0.1質量%以上、3.0質量%以下，Bi含量為0.5質量%以上、5.0質量%以下，Ag含量為0質量%以上、4.5質量%以下，Ni含量為0質量%以上、0.1質量%以下，其餘為Sn。
  2. 一種焊接材料，其特徵為包括：一金屬之核；以及一焊料層，其披覆該核，其中該焊料層中，Cu含量為0.1質量%以上、3.0質量%以下，Bi含量為超過1.0質量%、5.0質量%以下，Ni含量為0質量%以上、0.1質量%以下，不含Ag，其餘為Sn。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之焊接材料，其中Ag含量為超過1.5質量%、4.5質量%以下。
  4. 如申請專利範圍第1至3項中任一項所述之焊接材料，其中該核由Cu、Ni、Ag、Au、Al、Mo、Mg、Zn、Co之金屬單體或合金構成。
  5. 如申請專利範圍第1至3項中任一項所述之焊接材料，其中該核係球狀的核球。
  6. 如申請專利範圍第4項所述之焊接材料，其中該核係球狀的核球。
  7. 如申請專利範圍第1至3項中任一項所述之焊接材料，其中該核係柱狀的核柱。
  8. 如申請專利範圍第4項所述之焊接材料，其中該核係柱狀的核柱。
  9. 如申請專利範圍第1至3項中任一項所述之焊接材料，其中以選自Ni及Co的1個元素以上所構成的層披覆的該核，以該焊料層披覆。
  10. 如申請專利範圍第4項所述之焊接材料，其中以選自Ni及Co的1個元素以上所構成的層披覆的該核，以該焊料層披覆。
  11. 如申請專利範圍第5項所述之焊接材料，其中以選自Ni及Co的1個元素以上所構成的層披覆的該核，以該焊料層披覆。
  12. 如申請專利範圍第6項所述之焊接材料，其中以選自Ni及Co的1個元素以上所構成的層披覆的該核，以該焊料層披覆。
  13. 如申請專利範圍第7項所述之焊接材料，其中以選自Ni及Co的1個元素以上所構成的層披覆的該核，以該焊料層披覆。
  14. 如申請專利範圍第8項所述之焊接材料，其中以選自Ni及Co的1個元素以上所構成的層披覆的該核，以該焊料層披覆。
  15. 一種焊膏，其特徵為：使用申請專利範圍第1至14項中任一項所述之焊接材料。
  16. 一種焊料泡沫，其特徵為：使用申請專利範圍第1至14項中任一項所述之焊接材料。
  17. 一種焊接頭，其特徵為：使用申請專利範圍第1至14項中任一項所述之焊接材料。
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