TWI789165B - 無鉛無銅錫合金與用於球柵陣列封裝的錫球 - Google Patents

Abstract

一種無鉛無銅錫合金，包含0.01~3.0 wt%的銀、0.01~5.0 wt%的鉍、0~2.0 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經焊接後所得的結構，例如焊錫凸塊，會具備優異的機械衝擊可靠度，同時擁有良好的焊接性、延展性、抗氧化能力及冷熱循環可靠度。

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。因為有機基板和矽晶片的膨脹係數差距過大，當電子元件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(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。

現有的錫合金是以合金強度及冷熱循環可靠度為主要特性訴求。然而，在追求提升合金強度及冷熱循環可靠度同時，往往會使錫合金具有較低的延展性，導致錫合金具備較差的機械衝擊可靠度。

因此，如何找到一種能製備用於球柵陣列(BGA)封裝之錫球的錫合金，且該錫合金經焊接後所得的結構(例如焊錫凸塊)會具備優異的機械衝擊可靠度，同時擁有良好的焊接性、延展性、抗氧化能力及冷熱循環可靠度，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，且該無鉛無銅錫合金經焊接後所得的結構(例如焊錫凸塊)會具備優異的機械衝擊可靠度，同時擁有良好的焊接性、延展性、抗氧化能力及冷熱循環可靠度。

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： 0.01~3.0 wt%的銀； 0.01~5.0 wt%的鉍； 0~2.0 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。

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0.01~3.0 wt%的銀、0.01~5.0 wt%的鉍、0~2.0 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，且該無鉛無銅錫合金經焊接後所得的結構(例如焊錫凸塊)會具備優異的機械衝擊可靠度，同時擁有良好的焊接性、延展性、抗氧化能力及冷熱循環可靠度。

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0.01~3.0 wt%的銀、0.01~5.0 wt%的鉍、0~2.0 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)及不包含銅(Cu)。前述實質上不包含鉛及不包含銅是指原則上只要非蓄意在錫合金中添加鉛及銅者(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及銅，或可視為無鉛無銅。wt%指的是重量百分比，本文中的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1.5~2.5 wt%的銀。更佳地，該無鉛無銅錫合金包含1.75~2.25 wt%的銀。

較佳地，該無鉛無銅錫合金包含2~3 wt%的鉍。更佳地，該無鉛無銅錫合金包含2.25~2.75 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。

較佳地，鉍和銻的總重為1.0~4.5 wt%。又較佳地，鉍和銻的總重為3.0~4.0 wt%。更佳地，鉍和銻的總重為3.0~3.75 wt%。又更佳地，鉍和銻的總重為3.25~3.75 wt%。

＜ 實施例 1~1 1 與比較例 1~ 9 ＞

製備無鉛無銅錫合金

實施例1~11與比較例1~9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1~9的無鉛無銅錫合金。 表1

無鉛 無銅 錫合金

金屬成分比例 (wt%)

性質測試結果

Sn

Ag

Bi

Sb

Ni

Ge

推力測試

拉伸測試

板階焊接 測試

冷熱循環測試

機械衝擊測試

整體評核結果

實施例 1

餘量

2.0

2.5

1.0

0.05

0.01

○

○

○

○

○

○

實施例 2

餘量

0.01

2.5

1.0

0.05

0.01

○

○

○

△

○

△

實施例 3

餘量

3.0

2.5

1.0

0.05

0.01

○

△

○

○

△

△

實施例 4

餘量

2.0

0.01

1.0

0.05

0.01

△

○

○

△

○

△

實施例 5

餘量

2.0

5.0

1.0

0.05

0.01

○

△

○

○

△

△

實施例 6

餘量

2.0

2.5

0

0.05

0.01

○

○

○

△

○

△

實施例 7

餘量

2.0

2.5

2.0

0.05

0.01

△

△

○

○

△

△

實施例 8

餘量

2.0

2.5

1.0

0.005

0.01

○

○

○

△

○

△

實施例 9

餘量

2.0

2.5

1.0

0.1

0.01

○

○

○

○

△

△

實施例 10

餘量

2.0

2.5

1.0

0.05

0.005

○

○

△

○

○

△

實施例 11

餘量

2.0

2.5

1.0

0.05

0.02

△

○

○

○

○

△

比較例 1

餘量

0

2.5

1.0

0.05

0.01

○

○

○

X

○

X

比較例 2

餘量

4.0

2.5

1.0

0.05

0.01

○

X

○

○

X

X

比較例 3

餘量

2.0

0

1.0

0.05

0.01

△

○

○

X

○

X

比較例 4

餘量

2.0

6.0

1.0

0.05

0.01

○

X

○

○

X

X

比較例 5

餘量

2.0

2.5

3.0

0.05

0.01

X

X

○

○

X

X

比較例 6

餘量

2.0

2.5

1.0

0

0.01

○

○

○

X

○

X

比較例 7

餘量

2.0

2.5

1.0

0.2

0.01

△

○

○

△

X

X

比較例 8

餘量

2.0

2.5

1.0

0.05

0

○

○

X

○

○

X

比較例 9

餘量

2.0

2.5

1.0

0.05

0.05

X

○

△

△

△

X

＜ 合金性質測試 ＞

先說明的是，實施例與比較例的無鉛無銅錫合金是藉由推力測試評估焊接性；藉由拉伸測試評估合金延展性；藉由板階焊接測試評估抗氧化能力；藉由冷熱循環測試評估焊點及接合結構的熱疲勞抗性(即冷熱循環可靠度)；藉由機械衝擊測試評估焊點及接合結構的抗機械衝擊能力(即機械衝擊可靠度)。

推力測試、板階焊接測試、冷熱循環測試及機械衝擊測試的測試方法如下：

[ 推力測試 ]

以球徑0.45 mm的實施例或比較例之無鉛無銅錫合金所製得之錫球對球柵陣列(BGA)零件進行植球(零件尺寸為14 mm×14 mm，植球迴焊曲線峰值溫度為240℃)。完成植球後，以推拉力測試機進行焊錫凸塊的推力測試(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作為實驗結果。

判定標準：平均推力強度超過13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11~13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11牛頓則判定為植球焊接性不足並標示為「X」。

[ 拉伸測試 ]

進行實施例或比較例之無鉛無銅錫合金的拉伸測試，拉伸樣本製作及測試方法參照規範ASTM E8進行，拉伸速率為6mm/min，以拉伸測試之伸長率結果比較合金的延展性，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。

判定標準：平均伸長率大於25%則判定為合金具備良好延展性並標示為「○」，平均伸長率介於20~25%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20%則判定為合金延展性不足並標示為「X」。

[ 板階焊接 測試 ]

以球徑0.63 mm的實施例或比較例之無鉛無銅錫合金所製得之錫球對球柵陣列(BGA)零件進行植球(零件尺寸為35 mm×35 mm，植球迴焊曲線峰值溫度為250℃)。完成植球後，BGA零件先進行高溫高濕(85℃/85% RH)放置240小時後，再與相對應電路板樣本進行迴焊焊接(迴焊曲線峰值溫度為245℃)。本測試目的是測試實施例或比較例之無鉛無銅錫合金所製得之錫球植球後形成之焊錫凸塊於板階製程的抗氧化能力。高溫高濕製程即用於加速零件上焊錫凸塊的氧化反應。合金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雙球不良的發生率。

本測試針對板階後樣本進行X-ray分析雙球發生比例。判定標準：雙球發生比例小於10%則判定為板階焊接性(即抗氧化能力)良好並標示為「○」，雙球發生比例介於10~20%則判定為板階焊接性(即抗氧化能力)可接受並標示為「△」，雙球發生比例大於20%則判定為板階焊接性(即抗氧化能力)失敗並標示為「X」。

[ 冷熱循環測試 ]

以球徑0.45 mm的實施例或比較例之無鉛無銅錫合金所製得之錫球對球柵陣列(BGA)零件進行植球(零件尺寸為14 mm×14 mm，植球迴焊曲線峰值溫度為250℃)。完成植球後，BGA零件再與相對應電路板樣本進行迴焊焊接(迴焊曲線峰值溫度為245℃)，並對完成焊接後的樣本進行冷熱循環測試(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600循環)。接著，將完成冷熱循環後的樣本進行紅墨水分析。紅墨水分析方法為先將樣本浸泡紅墨水，待墨水乾燥完成後進行零件拔除，最後針對零件拔除後的焊點斷面進行顯微觀察。每個樣本皆對整顆零件共192個焊點進行觀察。各種實施例或比較例之無鉛無銅錫合金錫球分別製作一顆BGA零件的焊接樣本進行紅墨水測試，並各對192個焊點進行斷面觀察。本測試目的是測試實施例或比較例之無鉛無銅錫合金錫球焊點及焊點與銅基材接合結構之熱疲勞抗性。若合金焊點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樣本進行紅墨水分析，若焊點於冷熱循環測試過程中產生缺陷或斷裂，則紅墨水測試後焊點斷面會產生染墨現象。焊點斷面發生染墨的程度及數量即代表焊點及接合結構的發生破壞的程度及數量，因而可藉由比較不同樣本焊點染墨的狀況評判焊點及接合結構的熱疲勞抗性。

判定標準：所有焊點染墨面積皆未超過斷面面積的50%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「○」，染墨面積超過50%的焊點數量小於10顆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「△」，染墨面積超過50%的焊點數量為10顆以上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」。

[ 機械衝擊測試 ]

以球徑0.45 mm的實施例或比較例之無鉛無銅錫合金所製得之錫球對球柵陣列(BGA)零件進行植球(零件尺寸為14 mm×14 mm，植球迴焊曲線峰值溫度為250℃)。完成植球後，BGA零件再與相對應電路板樣本進行迴焊焊接(迴焊曲線峰值溫度為245℃)，並對完成焊接後樣本進行機械衝擊測試(測試條件為1500 g加速度，0.5 ms衝擊停留時間，共進行50次衝擊)。接著，將完成機械衝擊測試後的樣本進行紅墨水分析。紅墨水分析方法為先將樣本浸泡紅墨水，待墨水乾燥完成後進行零件拔除，最後針對零件拔除後的焊點斷面進行顯微觀察，每個樣本皆對整顆零件共192個焊點進行觀察。各種實施例或比較例之無鉛無銅錫合金錫球分別製作一顆BGA零件的焊接樣本進行紅墨水測試，並各對192個焊點進行斷面觀察。本測試目的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焊點以及凸塊焊點與銅基材接合結構之抗機械衝擊能力。若合金焊點本身及對銅基材接合結構的抗機械衝擊能力不足，則會導致焊點或接合結構無法承受機械衝擊力而產生破壞，進而影響焊點可靠度。本測試對機械衝擊測試後的樣本進行紅墨水分析，若焊點於機械衝擊測試過程中產生缺陷或斷裂，則紅墨水測試後焊點斷面會產生染墨現象。焊點斷面發生染墨的程度及數量即代表焊點及接合結構的發生破壞的程度及數量，因而可藉由比較不同樣本焊點染墨的狀況評判焊點及接合結構的抗機械衝擊能力。

判定標準：所有焊點染墨面積皆未超過斷面面積的50%則判定為合金焊點及接合結構的抗機械衝擊能力良好並標示為「○」，染墨面積超過50%的焊點數量小於10顆則判定為合金焊點及接合結構的抗機械衝擊能力可接受並標示為「△」，染墨面積超過50%的焊點數量為10顆以上則判定為合金焊點及接合結構的抗機械衝擊能力不佳並標示為「X」。

針對圖1至4的說明如下：圖1的相片為比較例1所形成雙球不良焊點的切片，圖2的相片為實施例1所形成正常焊點的切片，圖3的相片為比較例1所形成焊點的染墨面積超過斷面面積的50%之觀察結果，圖4的相片則為實施例1所形成焊點的染墨面積未超過斷面面積的50%之觀察結果。

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、板階焊接測試、冷熱循環測試及機械衝擊測試的四個測試，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；如果三個測試結果中皆出現「○」，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、不同的鍺含量，以及不同的銅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)

無鉛 無銅 錫合金

金屬成分比例 (wt%)

性質測試結果

Sn

Ag

Bi

Sb

Ni

Ge

推力測試

拉伸測試

板階焊接 測試

冷熱循環測試

機械衝擊測試

整體評核結果

實施例 1

餘量

2.0

2.5

1.0

0.05

0.01

○

○

○

○

○

○

實施例 2

餘量

0.01

2.5

1.0

0.05

0.01

○

○

○

△

○

△

實施例 3

餘量

3.0

2.5

1.0

0.05

0.01

○

△

○

○

△

△

比較例 1

餘量

0

2.5

1.0

0.05

0.01

○

○

○

X

○

X

比較例 2

餘量

4.0

2.5

1.0

0.05

0.01

○

X

○

○

X

X

由表2可知，銀之重量百分比會影響拉伸測試結果(即合金延展性)、合金焊點及接合結構的熱疲勞抗性(即冷熱循環可靠度)與抗機械衝擊能力(即機械衝擊可靠度)。過低的銀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。過高的銀之重量百分會使得無鉛無銅錫合金無法通過拉伸測試與機械衝擊測試。

比較例1不含銀，其冷熱循環測試標示為「X」，表示過低重量百分比(小於0.01 wt%)的銀會導致合金的冷熱循環可靠度不佳；比較例2採用4.0 wt%的銀，其拉伸測試與機械衝擊測試標示為「X」，表示過量重量百分比(大於3.0 wt%)的銀會導致合金的延展性與機械衝擊可靠度不佳；實施例2採用0.01 wt%的銀、實施例1採用2.0 wt%的銀、實施例3採用3.0 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0.01~3.0 wt%的銀能符合本發明的要求。

[ 不同鉍含量 ]表3(節錄自表1)

無鉛 無銅 錫合金

金屬成分比例 (wt%)

性質測試結果

Sn

Ag

Bi

Sb

Ni

Ge

推力測試

拉伸測試

板階焊接 測試

冷熱循環測試

機械衝擊測試

整體評核結果

實施例 1

餘量

2.0

2.5

1.0

0.05

0.01

○

○

○

○

○

○

實施例 4

餘量

2.0

0.01

1.0

0.05

0.01

△

○

○

△

○

△

實施例 5

餘量

2.0

5.0

1.0

0.05

0.01

○

△

○

○

△

△

比較例 3

餘量

2.0

0

1.0

0.05

0.01

△

○

○

X

○

X

比較例 4

餘量

2.0

6.0

1.0

0.05

0.01

○

X

○

○

X

X

由表3可知，鉍之重量百分比會影響合金的拉伸測試結果(即合金延展性)、合金焊點及接合結構的熱疲勞抗性(即冷熱循環可靠度)與抗機械衝擊能力(即機械衝擊可靠度)。過低的鉍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。過高的鉍之重量百分會使得無鉛無銅錫合金無法通過拉伸測試與機械衝擊測試。

比較例3不含鉍，其冷熱循環測試標示為「X」，表示過低重量百分比(小於0.01 wt%)的鉍會導致合金的冷熱循環可靠度不佳；比較例4採用6.0 wt%的鉍，其拉伸測試與機械衝擊測試標示為「X」，表示過量重量百分比(大於5.0 wt%)的鉍會導致合金的延展性與機械衝擊可靠度不佳；實施例4採用0.01 wt%的鉍、實施例1採用2.5 wt%的鉍、實施例5採用5.0 wt%的鉍，其於表3「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0.01~5.0 wt%的鉍能符合本發明的要求。

[ 不同銻含量 ]表4(節錄自表1)

無鉛 無銅 錫合金

金屬成分比例 (wt%)

性質測試結果

Sn

Ag

Bi

Sb

Ni

Ge

推力測試

拉伸測試

板階焊接 測試

冷熱循環測試

機械衝擊測試

整體評核結果

實施例 1

餘量

2.0

2.5

1.0

0.05

0.01

○

○

○

○

○

○

實施例 6

餘量

2.0

2.5

0

0.05

0.01

○

○

○

△

○

△

實施例 7

餘量

2.0

2.5

2.0

0.05

0.01

△

△

○

○

△

△

比較例 5

餘量

2.0

2.5

3.0

0.05

0.01

X

X

○

○

X

X

由表4可知，銻之重量百分比會影響推力測試結果(即焊接性)、拉伸測試結果(即合金延展性)、焊點及接合結構的熱疲勞抗性(即冷熱循環可靠度)與抗機械衝擊能力(即機械衝擊可靠度)。較低的銻之重量百分比會使得無鉛無銅錫合金在冷熱循環測試中表現可接受。過高的銻之重量百分會使得無鉛無銅錫合金無法通過推力測試、拉伸測試與機械衝擊測試。

比較例5採用3.0 wt%的銻，其推力測試、拉伸測試與機械衝擊測試標示為「X」，表示過量重量百分比(大於2.0 wt%)的銻會導致合金的焊接性、延展性與機械衝擊可靠度不佳；實施例6採用0 wt%的銻、實施例1採用1.0 wt%的銻、實施例7採用2.0 wt%的銻，其於表4「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0~2.0 wt%的銻能符合本發明的要求。

[ 不同鎳 含量 ]表5(節錄自表1)

無鉛 無銅 錫合金

金屬成分比例 (wt%)

性質測試結果

Sn

Ag

Bi

Sb

Ni

Ge

推力測試

拉伸測試

板階焊接 測試

冷熱循環測試

機械衝擊測試

整體評核結果

實施例 1

餘量

2.0

2.5

1.0

0.05

0.01

○

○

○

○

○

○

實施例 8

餘量

2.0

2.5

1.0

0.005

0.01

○

○

○

△

○

△

實施例 9

餘量

2.0

2.5

1.0

0.1

0.01

○

○

○

○

△

△

比較例 6

餘量

2.0

2.5

1.0

0

0.01

○

○

○

X

○

X

比較例 7

餘量

2.0

2.5

1.0

0.2

0.01

△

○

○

△

X

X

由表5可知，鎳之重量百分比會影響合金焊點及接合結構的熱疲勞抗性(即冷熱循環可靠度)與抗機械衝擊能力(即機械衝擊可靠度)。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會使得無鉛無銅錫合金無法通過機械衝擊測試。

比較例6不含鎳，其冷熱循環測試標示為「X」，表示過低重量百分比(小於0.005 wt%)的鎳會導致合金的冷熱循環可靠度不佳；比較例7採用0.2 wt%的鎳，其機械衝擊測試標示為「X」，表示過量重量百分比(大於0.1 wt%)的鎳會導致合金的機械衝擊可靠度不佳；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「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0.005~3.1 wt%的鎳能符合本發明的要求。

[ 不同鍺含量 ]表6(節錄自表1)

無鉛 無銅 錫合金

金屬成分比例 (wt%)

性質測試結果

Sn

Ag

Bi

Sb

Ni

Ge

推力測試

拉伸測試

板階焊接 測試

冷熱循環測試

機械衝擊測試

整體評核結果

實施例 1

餘量

2.0

2.5

1.0

0.05

0.01

○

○

○

○

○

○

實施例 10

餘量

2.0

2.5

1.0

0.05

0.005

○

○

△

○

○

△

實施例 11

餘量

2.0

2.5

1.0

0.05

0.02

△

○

○

○

○

△

比較例 8

餘量

2.0

2.5

1.0

0.05

0

○

○

X

○

○

X

比較例 9

餘量

2.0

2.5

1.0

0.05

0.05

X

○

△

△

△

X

由表6可知，鍺之重量百分比會影響合金的推力測試結果(即焊接性)與板階焊接測試結果(即抗氧化能力)。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會使得無鉛無銅錫合金無法通過推力測試。

比較例8不含鍺，其板階焊接環測試標示為「X」，表示過低重量百分比(小於0.005 wt%)的鍺會導致合金的抗氧化能力不佳；比較例9採用0.05 wt%的鍺，其推力測試標示為「X」，表示過量重量百分比(大於0.02 wt%)的鍺會導致合金的焊接性不佳；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「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、板階焊接測試、冷熱循環測試及機械衝擊測試，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，該無鉛無銅錫合金經焊接後所得的結構(例如焊錫凸塊)會具備優異的機械衝擊可靠度，同時擁有良好的焊接性、延展性、抗氧化能力及冷熱循環可靠度。

綜上所述，由於本發明的無鉛無銅錫合金同時包含0.01~3.0 wt%的銀、0.01~5.0 wt%的鉍、0~2.0 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，且該無鉛無銅錫合金經焊接後所得的結構(例如焊錫凸塊)會具備優異的機械衝擊可靠度，同時擁有良好的焊接性、延展性、抗氧化能力及冷熱循環可靠度，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，說明比較例1所形成雙球不良焊點的切片； 圖2是一相片，說明實施例1所形成正常焊點的切片； 圖3是一相片，說明比較例1所形成焊點的染墨面積超過斷面面積的50%之觀察結果；及 圖4是一相片，說明實施例1所形成焊點的染墨面積未超過斷面面積的50%之觀察結果。

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：0.01~3.0wt%的銀；2.0~3.0wt%的鉍；0~2.0wt%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1.5~2.5wt%的銀。
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。

Images