TWI832775B - 低溫焊錫組成物及其所製成的低溫焊錫球 - Google Patents
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Abstract
本發明提供一種低溫焊錫組成物，其含有46 wt.%至48 wt.%間的Bi、0 wt.%至1.5 wt.%間的In、0.8 wt.%至1.2 wt.%間的Ag、0.6 wt.%至1.2 wt.%間的Cu、0.03 wt.%至0.1 wt.%間的Ni，及剩餘的Sn。本發明亦提供一種由前述低溫焊錫組成物所製成的低溫焊錫球。
Description
本發明是有關於一種焊料組成物，特別是指一種低溫焊錫組成物及其所製成的低溫焊錫球。
在電子元件互連與電子封裝的相關行業當中，使用以鉛(Pb)為主的焊錫合金已成為近40年以來的常用焊錫組成物。然而，Pb已被公認為對環境與人體健康有害的物質。因此，近15年以來業界已成功地使用無鉛SnAgCu(簡稱SAC)銲錫合金來取代SnPb銲錫合金。即便是SAC銲錫合金(如，SAC305)已被證明其性能符合業界標準；然而，其高熔化溫度(大於215˚C)對於熱敏感的電子零組件(如，LED、電容器、保險絲等)而言，仍有待改善。
如，中國大陸第CN112638571A早期公開號發明專利案(以下稱前案1)公開一種低液相線(liquidus)溫度(如，低於210˚C)的SnBi焊錫合金與SnIn銲錫合金。該前案1提及其銲錫合金可含有2 wt.%至60 wt.%間的Bi與剩餘的Sn，其銲錫合金也可以含有8 wt.%至20 wt.%間的In與剩餘的Sn，並選擇性地含有Ag、Cu、Ni、Sb、Zn等組成。具體來說，該前案1在其說明書表1.所公開的銲錫合金組合物中的合金1、合金2、合金8、合金18、合金21、合金22、合金24與合金25，是強調其銲錫合金組成物的固相線與液相線差(△T)約介於6至26˚C間，其是彙整如下表1所示。
表1：銲錫合金組合物(wt.%)
| 合金 | Sn | Bi | Ag | In | Sb | Cu | Ni | Zn | 固相線 | 液相線 | △T |
| 合金1 | 43.4 | 55.1 | 1.5 | 137 | 143 | 6 | |||||
| 合金2 | 48.5 | 47.9 | 2 | 0.4 | 1 | 0.4 | 0.1 | 136 | 159 | 23 | |
| 合金8 | 54 | 43.5 | 2.3 | 0.1 | 0.1 | 0.02 | 138 | 164 | 26 | ||
| 合金18 | 41.8 | 57.8 | 0.2 | 0.05 | 0.05 | 0.1 | 0.02 | 136 | 146 | 10 | |
| 合金21 | 40.8 | 57.8 | 1.2 | 0 | 0 | 0.2 | 0.02 | 136 | 146 | 10 | |
| 合金22 | 40.4 | 57.6 | 0.4 | 0.1 | 1 | 0.5 | 0.02 | 136 | 151 | 15 | |
| 合金24 | 41.8 | 57.8 | 0.2 | 0.05 | 0.05 | 0.1 | 0.02 | 136 | 146 | 10 | |
| 合金25 | 41.9 | 26.9 | 1 | 0.1 | 0.1 | 0.02 | 137 | 150 | 13 |
前案1的焊錫合金組合物是由偏脆性(Brittleness)金屬組成，所以相較於現行無鉛Sn-Ag-Cu合金，不論是推力測試或機械應力的可靠度耐受性都呈現略弱。使得前案1之焊錫合金組合物所焊接形成的焊點，在推球試驗(Ball Shear Test)中獲得較小的剪力，且是自界金屬化合物(Intermetallic Compound, IMC，以下簡稱界金屬)部位產生脆性斷裂(以下簡稱界金屬斷裂或IMC Crack)，而非自焊料部位產生斷裂。因此，該前案1之焊錫合金組合物焊接後所形成的焊點除了無法於溫度循環試驗中有較佳表現外，也無法於掉落衝擊試驗(Drop Test)中有良好表現，無法通過檢測而有待改善。
經上述說明可知，改良低溫焊錫組成物的配方以增加球體焊接強度，降低與減緩界面IMC厚度與生成，以使其經得起推力測試的試驗，由斷裂IMC Crack轉變為焊料部位產生斷裂面，是所屬技術領域的相關技術人員有待突破的課題。
因此，本發明的第一目的，即在提供一種能降低與減緩界面IMC厚度與生成以經得起推力測試檢驗的斷裂IMC Crack轉變為焊料部位產生斷裂面之低溫焊錫組成物。
於是，本發明之低溫焊錫組成物，含有46 wt.%至48 wt.%間的Bi、0 wt.%至1.5 wt.%間的In、0.8 wt.%至1.2 wt.%間的Ag、0.6 wt.%至1.2 wt.%間的Cu、0.03 wt.%至0.1 wt.%間的Ni，及剩餘的Sn。
本發明的第二目的，即在提供一種低溫焊錫球，其是由前述之低溫焊錫組成物所製成。
本發明的功效在於：因其低溫焊錫組成物內部的Ni與Cu之含量能使其低溫焊錫球在回焊至Ni/Au焊墊與Cu OPS焊墊生成(Ni,Cu)3Sn4相與(Cu,Ni)6(Sn,In)5相，因而經得起推力測試的試驗。
該低溫焊錫組成物因包含適量的0.6至1.2wt%的銅，而能有較佳的機械性質。如一低銅含量的焊錫組成物，其含銅量低於0.6wt%，則該低含銅量的焊錫組成物的機械性質將較差。如一高含銅量的焊錫組成物，其含銅量超過1.2wt%，則所形成機械性質太高，亦使焊錫組成物呈現偏硬且脆的狀況。並且該低溫焊錫組成物添加適量的銅能參與界面IMC反應，當使用Ni/Au焊墊，則形成(Ni,Cu)3Sn4良性界面金屬化合物。當使用Cu OPS焊墊，則形成Cu6Sn5良性界面金屬化合物。
該低溫焊錫組成物同時包含有適量的0.03～0.1 wt%的鎳以及適量的0～1.5 wt%的銦，而能有效減少以該低溫焊錫組成物形成的焊點其界金屬部位的厚度，從而避免該焊點於推球試驗時發生自界金屬部位斷裂的情況，並形成有較多的晶格邊界且因為銦的柔軟及延展性佳等特性，使得該低溫焊錫組成物能在維持或增加降伏強度及抗拉強度的同時，提高以其形成之焊點通過推球試驗之合格率。該低溫焊錫組成物添加適量的鎳與銦能參與界面IMC反應，當使用Ni/Au焊墊，則形成(Ni,Cu)3(Sn,In)4焊接強度較高之界面金屬化合物。當使用Cu OPS焊墊，則形成(Cu,Ni)6(Sn,In)5焊接強度較高之界面金屬化合物。
本發明之低溫焊錫組成物的一實施例，含有46 wt.%至48 wt.%間的Bi、0 wt.%至1.5 wt.%間的In、0.8 wt.%至1.2 wt.%間的Ag、0.6 wt.%至1.2 wt.%間的Cu、0.03 wt.%至0.1 wt.%間的Ni，及剩餘的Sn。
本發明根據該實施例的低溫焊錫組成物提供一具體例1(E1)、一具體例2(E2)、一具體例3(E3)、一具體例4(E4)、一具體例5(E5)、一具體例6(E6)、一具體例7(E7)、一具體例8(E8)、一具體例9(E9)、一具體例10(E10)與一具體例11(E11)之製法及其對應之低溫焊錫球的製法。此外，為了說明本發明該實施例之低溫焊錫組成物的IMC與推力測試，申請人也一併提供一比較1(CE1)、一比較例2(CE2)與一比較例3(CE3)來與該實施例進行比較。有關於該等比較例之焊錫組成物的製法及其對應之錫球的製法，與本發明該等具體例之低溫焊錫組成物的製法及其對應之低溫焊錫球的製法，是詳細說明於下。
首先，是根據各具體例與各比較例所含之Bi、In、Ag、Cu、Ni，及Sn的重量份秤重。其次，將秤重好的各具體例與各比較例之Bi、In、Ag、Cu、Ni，及Sn各自投入一熔爐(圖未示)的熔煉區內進行攪拌以形成各自所對應的一焊錫熔體。接著，各具體例與各比較例所對應之一部分焊錫熔體各自製成一錫棒以各自進行其機械強度檢測。最後，各具體例與各比較例所對應之剩餘焊錫熔體則是各自經過均勻液滴噴射製程以各自成形為一批球徑約450 μm的低溫焊錫球與焊錫球，以供後續分別被植球至複數Ni/Au焊墊上與複數Cu OPS焊墊上並各自成為一待測樣品。該等待測樣品再經EDS數點取樣分析以確認各錫球與焊墊界間的IMC成分，且經SEM取點分析以確認各待測樣品的IMC平均厚度，並經推力測試以證實各待測樣品經推力測試後球體與焊點的機械強度與破斷模式。
本發明各具體例之低溫焊錫組成物的各組份含量及其各自所對應的固相線溫度與液相線溫度，與各比較例之焊錫組成物的各組份含量，是彙整於下列表2.中。
表2.
| 實施例 | 成分(wt.%) | 固相線 (̊C) | 液相線 (̊C) | |||||
| Sn | Bi | In | Ag | Cu | Ni | |||
| E1 | 49.93 | 48 | 0 | 1.0 | 1.0 | 0.07 | 136.4 | 152 |
| E2 | 49.93 | 47.95 | 0.05 | 1.0 | 1.0 | 0.07 | 136.2 | 153 |
| E3 | 49.93 | 47.875 | 0.125 | 1.0 | 1.0 | 0.07 | 135.1 | 150.4 |
| E4 | 49.93 | 47.75 | 0.25 | 1.0 | 1.0 | 0.07 | 134.4 | 151.4 |
| E5 | 49.93 | 47.5 | 0.5 | 1.0 | 1.0 | 0.07 | 132.5 | 151.7 |
| E6 | 49.93 | 47 | 1.0 | 1.0 | 1.0 | 0.07 | 131.4 | 153.8 |
| E7 | 49.93 | 46.5 | 1.5 | 1.0 | 1.0 | 0.07 | 127.6 | 153.4 |
| CE1 | 42 | 58 | - | - | - | - | - | - |
| CE2 | 42 | 57.6 | - | 0.4 | - | - | - | - |
| CE3 | 50.455 | 47.85 | 0.125 | 1.0 | 0.5 | 0.07 | - | - |
| E8 | 50.355 | 47.85 | 0.125 | 1.0 | 0.6 | 0.07 | - | - |
| E9 | 49.155 | 47.85 | 0.125 | 1.0 | 0.8 | 0.07 | - | - |
| E10 | 49.955 | 47.85 | 0.125 | 1.0 | 1.0 | 0.07 | - | - |
| E11 | 49.855 | 47.85 | 0.125 | 1.0 | 1.1 | 0.07 | - | - |
參閱圖1與圖2所顯示的SEM暨EDS成分分析並配合參閱下方表3.可知，在一次回焊與三次回焊後，本發明該具體例3(E3)之待測樣品(錫球與Ni/Au焊墊界面間)的IMC成分為(Ni,Cu)3Sn4相或(Ni,Cu)3(Sn,In)4相，皆能細緻IMC晶粒尺寸，提升焊點接合強度，達到抑制IMC Crack現象。反觀圖3與圖4所顯示的SEM暨EDS成分分析(同樣配合參閱下方表3.)可知，在一次回焊與三次回焊後，該比較例2(CE2)之待測樣品(錫球與Ni/Au焊墊界面間)的IMC成分因其焊錫組成物內缺乏Cu導致在回焊至Ni/Au焊墊過程中所產生的IMC為晶粒尺寸較大的Ni3Sn4相，焊點接合強度相對較差。初步推測該比較例2(CE2)之待測樣品應不利於推力測試。有關於推力測試之相關內容，容後說明。
表3.
| 實施例 | 取樣點 | IMC成分(wt%) | |||||||
| Sn | Bi | Ni | Cu | In | Ag | 結果 | |||
| E3 | 一次回焊 | 1 | 71.79 | - | 16.97 | 11.24 | - | - | (Ni,Cu)3Sn4 |
| 2 | 73.30 | - | 14.57 | 12.13 | - | - | (Ni,Cu)3Sn4 | ||
| 3 | 69.85 | - | 16.53 | 13.45 | 0.17 | - | (Ni,Cu)3(Sn,In)4 | ||
| 三次回焊 | 1 | 87.42 | - | 8.83 | 3.15 | 0.18 | - | (Ni,Cu)3(Sn,In)4 | |
| 2 | 79.68 | - | 15.43 | 4.89 | - | - | (Ni,Cu)3Sn4 | ||
| 3 | 84.23 | - | 10.94 | 4.82 | - | - | (Ni,Cu)3Sn4 | ||
| CE2 | 一次回焊 | 1 | 87.23 | - | 12.77 | - | - | - | Ni3Sn4 |
| 2 | 85.74 | - | 14.26 | - | - | - | Ni3Sn4 | ||
| 3 | 89.9 | - | 10.10 | - | - | - | Ni3Sn4 | ||
| 三次回焊 | 1 | 93.01 | - | 6.99 | - | - | - | Ni3Sn4 | |
| 2 | 81.34 | - | 48.66 | - | - | - | Ni3Sn4 | ||
| 3 | 88.79 | - | 11.21 | - | - | - | Ni3Sn4 |
進一步參閱圖5與圖6所顯示的SEM截面影像圖並配合參閱下方表4.可知，在一次回焊與三次回焊後，本發明該具體例3(E3)之待測樣品(低溫焊錫球與Ni/Au焊墊界面間)的IMC平均厚度分別是1.23 μm與1.30 μm。反觀圖7與圖8所顯示的SEM截面影像圖(同樣配合參閱下方表4.)可知，在一次回焊與三次回焊後，該比較例2(CE2)之待測樣品(焊錫球與Ni/Au焊墊界面間)的IMC平均厚度分別已達1.66 μm與1.82 μm，其均高於本發明該具體例3(E3)。配合前述表3.的IMC成分分析結果可知，該比較例2(CE2)之待測樣品的IMC為晶粒尺寸較大Ni3Sn4相外，且其IMC的平均厚度更大於本案該具體例3(E3)。
表4.
| 實施例 | IMC厚度(μm) | 平均厚 (μm) | ||||||
| 取樣點 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | ||
| E3 | 一次回焊 | 0.926 | 0.800 | 2.1 | 1.94 | 0.884 | 0.715 | 1.23 |
| 三次回焊 | 2.02 | 0.809 | 0.976 | 1.26 | 1.22 | 1.52 | 1.30 | |
| CE2 | 一次回焊 | 1.3 | 1.14 | 1.43 | 1.94 | 2.06 | 2.06 | 1.66 |
| 三次回焊 | 2.27 | 3.11 | 1.77 | 2.02 | 0.547 | 1.22 | 1.82 |
此處需補充說明的是，為節省本案整體說明書與圖式的篇幅，本發明的各分析數據僅採用該具體例3(E3)與該比較例2(CE2)之分析結果來進行說明，於此合先敘明。
本發明是採用型號Dage 4000的推球機並根據AEC-Q100車規規範中的010 REV-A與JEDEC規範中的JESD22-B117B來對該等待測樣品進行推力測試；其中，一次回焊與三次回焊至Ni/Au焊墊及一次回焊與三次回焊至Cu OPS焊墊的待測樣品數量均各為20個，推球速度為500 μm/s，且根據前述規範所對應的推球高度為15 μm、35 μm與110 μm。此處需補充說明的是，回焊至焊墊的錫球經推力測試後一般會呈現出此技術領域者判定通過檢測的模式1破斷(延性破斷，殘錫100%，如圖9A所示)與模式2破斷(脆性破斷，殘錫100%，如圖9B所示)，其破斷行為發生於錫球處，也會呈現出模式3(IMC破斷，殘錫＜25%，如圖9C所示)、模式4(焊墊破斷，殘錫0%，如圖9D所示)、模式5(結合延性、脆性與IMC破斷，也就是錫球與IMC鍵結強度不足，如圖9E所示)，與模式6(結合Ni層與IMC破斷，也就是錫球、IMC/IMC與焊墊鍵結強度不足，殘錫＜25%，如圖9F所示)等此技術領域者所判定不通過檢測的破斷行為。
根據本發明該具體例3(E3)之待測樣品在一次回焊與三次回焊至Ni/Au焊墊後的OM俯視影像顯示(請見圖10A與圖10C)可知，其經推力測試(推球高度為15 μm)後所呈現的破斷行為均為模式2的脆性破斷，且所對應的推力數值分別為1120.2 g與959.84 g。反觀該比較例2(CE2)之待測樣品在一次回焊與三次回焊至Ni/Au焊墊後的OM俯視影像顯示(請見圖10B與圖10D)可知，其經推力測試(推球高度為15 μm)後所呈現的破斷行為均為此技術領域者判定不通過檢測的模式3(IMC破斷)，且所對應的推力數值僅分別為999.3 g與941.74 g。證實前述在SEM暨EDS成分分析的推斷，因該比較例2(CE2)之待測樣品的焊錫組成物內缺乏Cu導致其在回焊至Ni/Au焊墊過程中所產生的IMC為晶粒尺寸較大Ni3Sn4相，因而不利於推力測試。
再根據本發明該具體例3(E3)之待測樣品在一次回焊與三次回焊至Ni/Au焊墊後並以推球高度為35 μm經推力測試後的OM俯視影像顯示(請見圖11A與圖11C)可知，其所呈現的破斷模式也均為模式2的脆性破斷，且所對應的推力數值分別為1018.42 g與1005.92 g。反觀該比較例2(CE2)之待測樣品在一次回焊與三次回焊至Ni/Cu焊墊後並以推球高度為35 μm經推力測試後的OM俯視影像顯示(請見圖11B與圖11D)可知，其所呈現的破斷模式也均為此技術領域者所判定不通過檢測的模式3(IMC破斷)，且所對應的推力數值僅分別為912.00 g與942.67 g。
進一步根據本發明該具體例3(E3)之待測樣品在一次回焊與三次回焊至Ni/Au焊墊後並以推球高度為110 μm經推力測試後的OM俯視影像顯示(請見圖12A與圖12C)可知，其所呈現的破斷模式同樣均為模式2的脆性破斷，且所對應的推力數值分別為984.2 g與928.9 g。反觀該比較例2(CE2)之待測樣品在一次回焊與三次回焊至Ni/Au焊墊後並以推球高度為110 μm經推力測試後的OM俯視影像顯示(請見圖12B與圖12D)可知，其所呈現的破斷模式一樣均為此技術領域者判定不通過檢測的模式3(IMC破斷)，且所對應的推力數值僅分別為907.6 g與905.5 g。
參閱圖13與圖14所顯示的SEM截面影像圖並配合參閱下方表5.可知，在一次回焊與三次回焊後，本發明該具體例3(E3)之待測樣品(低溫焊錫球與Cu OPS焊墊界面間)的IMC平均厚度分別是1.44 μm與1.74 μm。反觀圖15與圖16所顯示的SEM截面影像圖(同樣配合參閱下方表5.)可知，在一次回焊與三次回焊後，該比較例2(CE2)之待測樣品(焊錫球與Cu OPS焊墊界面間)的IMC平均厚度分別已達1.67 μm與2.15 μm，其均高於本發明該具體例3(E3)。如圖13與圖14所示，該具體例3(E3)之待測樣品(低溫焊錫球與Cu OPS焊墊界面間)的IMC成分因其低溫焊錫組成物內所含的Ni與In，導致在回焊至Cu OPS焊墊過程中能生成(Cu,Ni)6(Sn,In)5相，推測其經推力測試後的破斷行為傾向於發生在球體內部而不會破斷於界面IMC。又，如圖15與圖16所示，該比較例2(CE2)之待測樣品(焊錫球與Cu OPS焊墊界面間)的IMC成分因其焊錫組成物內缺乏Ni與In，導致在回焊至Cu OPS焊墊過程Cu6Sn5 IMC晶粒粗大化，且其IMC的平均厚度皆大於本案該具體例3(E3)。因此，能初步推斷該比較例2(CE2)之待測樣品經推力測試後的破斷行為易發生於IMC處。
表5.
| 實施例 | IMC厚度(μm) | 平均厚 (μm) | ||||||
| 取樣點 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | ||
| E3 | 一次回焊 | 1.72 | 1.47 | 1.39 | 1.26 | 1.26 | 1.51 | 1.44 |
| 三次回焊 | 1.22 | 1.36 | 1.18 | 2.3 | 2.59 | 1.76 | 1.74 | |
| CE2 | 一次回焊 | 0.799 | 2.36 | 2.44 | 0.967 | 0.925 | 2.52 | 1.67 |
| 三次回焊 | 2.52 | 1.26 | 3.28 | 2.48 | 1.72 | 1.64 | 2.15 |
根據本發明該具體例3(E3)之待測樣品在一次回焊與三次回焊至Cu OPS焊墊後的OM俯視影像顯示(請見圖17A與圖17C)可知，其經推力測試(推球高度為15 μm)後所呈現的破斷行為均為模式2的脆性破斷，且所對應的推力數值分別為935.88 g與961.94 g。反觀該比較例2(CE2)之待測樣品在一次回焊與三次回焊至Cu OPS焊墊後的OM俯視影像顯示(請見圖17B與圖17D)可知，其經推力測試(推球高度為15 μm)後所呈現的破斷行為均為此技術領域者判定不通過檢測的模式3(IMC破斷)，且所對應的推力數值僅分別為813.23 g與844.09 g。如SEM截面影像圖的推斷，因該比較例2(CE2)之待測樣品的焊錫組成物內缺乏Ni與In導致其在回焊至Cu OPS焊墊過程中均為晶粒粗大且成長快速的Cu6Sn5，因而構成封裝業界判定不通過檢測的IMC破斷模式。
再根據本發明該具體例3(E3)之待測樣品在一次回焊與三次回焊至Cu OPS焊墊後並以推球高度為35 μm經推力測試後的OM俯視影像顯示(請見圖18A與圖18C)可知，其所呈現的破斷模式仍均為模式2的脆性破斷，且所對應的推力數值分別為980.07 g與947.97 g。反觀該比較例2(CE2)之待測樣品在一次回焊與三次回焊至Cu OPS焊墊後並以推球高度為35 μm經推力測試後的OM俯視影像顯示(請見圖18B與圖18D)可知，其所呈現的破斷模式也均為此技術領域者判定不通過檢測的模式3(IMC破斷)，且所對應的推力數值僅分別為855.72 g與829.73 g。
又，根據本發明該具體例3(E3)之待測樣品在一次回焊與三次回焊至Cu OPS焊墊後並以推球高度為110 μm經推力測試後的OM俯視影像顯示(請見圖19A與圖19C)可知，其所呈現的破斷模式同樣均為模式2的脆性破斷，且所對應的推力數值分別為1034.17 g與964.42 g。反觀該比較例2(CE2)之待測樣品在一次回焊與三次回焊至Cu OPS焊墊後並以推球高度為110 μm經推力測試後的OM俯視影像顯示(請見圖19B與圖19D)可知，其所呈現的破斷模式一樣均為此技術領域者判定不通過檢測的模式3(IMC破斷)，且所對應的推力數值僅分別為923.53 g與855.68 g。
根據本發明該具體例8(E8)之待測樣品在一次回焊與三次回焊至Ni/Au焊墊後的OM俯視影像顯示(請見圖20A與圖20C)可知，其經推力測試(推球高度為15 μm)後所呈現的破斷行為均為模式2的脆性破斷，且所對應的平均推力數值(請見下方表6.)分別為1017.7 g與1105.6 g。反觀該比較例3(CE3)之待測樣品在一次回焊與三次回焊至Ni/Au焊墊後的OM俯視影像顯示(請見圖20B與圖20D)可知，其經推力測試(推球高度為15 μm)後所呈現的破斷行為均為此技術領域者判定不通過檢測的模式3(IMC破斷)，且所對應的平均推力數值僅(請見下方表6.)分別為994.6 g與994.9 g。此說明了因該比較例3(CE3)之待測樣品的焊錫組成物內所含Cu不足導致其在回焊至Ni/Au焊墊過程中所產生的IMC為晶粒尺寸較大Ni3Sn4相，因而不利於推力測試。此外，由下方表6.顯示也明顯可見，隨著含Cu量的減少，所對應的推力數值也降低。
表6.
| 回焊 | 推力(g) | CE3 | E8 | E9 | E10 | E11 |
| 一次 | Max. | 1056.3 | 1111.6 | 1109.6 | 1133.6 | 1224.0 |
| Min. | 957.2 | 970.6 | 968.8 | 1003.3 | 1044.6 | |
| Ave. | 994.6 | 1017.7 | 1024.4 | 1065.9 | 1117.4 | |
| 三次 | Max. | 1024.9 | 1131.5 | 1144.9 | 1176.1 | 1204.6 |
| Min. | 945.9 | 1045.9 | 1032.8 | 1058.4 | 1156.8 | |
| Ave. | 994.9 | 1105.6 | 1107.7 | 1120.2 | 1196.0 |
再根據本發明該具體例8(E8)之待測樣品在一次回焊與三次回焊至Ni/Au焊墊後並以推球高度為35 μm經推力測試後的OM俯視影像顯示(請見圖21A與圖21C)可知，其所呈現的破斷模式也均為模式2的脆性破斷，且所對應的平均推力數值(請見下方表7.)分別為979.2 g與1084.4 g。反觀該比較例3(CE3)之待測樣品在一次回焊與三次回焊至Ni/Cu焊墊後並以推球高度為35 μm經推力測試後的OM俯視影像顯示(請見圖21B與圖21D)可知，其所呈現的破斷模式也均為此技術領域者判定不通過檢測的模式3(IMC破斷)，且所對應的平均推力數值(請見下方表7.)僅分別為960.5 g與980.3 g。
表7.
| 回焊 | 推力(g) | CE3 | E8 | E9 | E10 | E11 |
| 一次 | Max. | 1035.2 | 1073.1 | 1076.2 | 1142.8 | 1208.8 |
| Min. | 926.2 | 932.1 | 944.3 | 986.5 | 1019.5 | |
| Ave. | 960.5 | 979.2 | 999.9 | 1049.8 | 1102.2 | |
| 三次 | Max. | 1013.8 | 1110.3 | 1114.6 | 1148.4 | 1181.8 |
| Min. | 934.8 | 1024.7 | 1002.5 | 1045.5 | 1114.5 | |
| Ave. | 980.3 | 1084.4 | 1077.4 | 1088.4 | 1163.2 |
進一步根據本發明該具體例8(E8)之待測樣品在一次回焊與三次回焊至Ni/Au焊墊後並以推球高度為110 μm經推力測試後的OM俯視影像顯示(請見圖22A與圖22C)可知，其所呈現的破斷模式同樣均為模式2的脆性破斷，且所對應的平均推力數值(請見下方表8.)分別為961.7 g與1018.8 g。反觀該比較例3(CE3)之待測樣品在一次回焊與三次回焊至Ni/Au焊墊後並以推球高度為110 μm經推力測試後的OM俯視影像顯示(請見圖22B與圖22D)可知，其所呈現的破斷模式一樣均為此技術領域者判定不通過檢測的模式3(IMC破斷)，且所對應的平均推力數值(請見下方表8.)僅分別為937.3 g與944.2 g。
表8.
| 回焊 | 推力(g) | CE3 | E8 | E9 | E10 | E11 |
| 一次 | Max. | 1012.0 | 1045.7 | 1062.8 | 1069.5 | 1138.6 |
| Min. | 903.0 | 908.5 | 930.9 | 950.8 | 999.3 | |
| Ave. | 937.3 | 961.7 | 1006.6 | 1028.9 | 1082.0 | |
| 三次 | Max. | 977.7 | 1044.7 | 1066.2 | 1121.5 | 1133.5 |
| Min. | 898.7 | 959.1 | 954.1 | 975.2 | 1043.3 | |
| Ave. | 944.2 | 1018.8 | 1029.0 | 1048.2 | 1092.0 |
就不同含Cu量的焊錫球回焊至Cu OPS焊墊的推力測試結果來說，根據本發明該具體例8(E8)之待測樣品在一次回焊與三次回焊至Cu OPS焊墊後的OM俯視影像顯示(請見圖23A與圖23C)可知，其經推力測試(推球高度為15 μm)後所呈現的破斷行為均為模式2的脆性破斷，且所對應的平均推力數值(見下方表9.)分別為900.5 g與1000.5 g。反觀該比較例3(CE3)之待測樣品在一次回焊與三次回焊至Cu OPS焊墊後的OM俯視影像顯示(請見圖23B與圖23D)可知，其經推力測試(推球高度為15 μm)後所呈現的破斷行為均為此技術領域者判定不通過檢測的模式3(IMC破斷)，且所對應的平均推力數值(見下方表9.)僅分別為890.2 g與990.2 g。相同於回焊至Ni/Au焊墊的推力測試結果，該比較例3(CE3)之待測樣品的焊錫組成物內因含Cu量不足導致其在回焊至Cu OPS焊墊過程中傾向形成晶粒粗大且成長快速的Cu6Sn5相，因而構成封裝業界判定不通過檢測的IMC破斷模式。
表9.
| 回焊 | 推力(g) | CE3 | E8 | E9 | E10 | E11 |
| 一次 | Max. | 944.1 | 965.5 | 1000.4 | 1014.4 | 1033.2 |
| Min. | 851.5 | 877.2 | 868.2 | 898.2 | 911.2 | |
| Ave. | 890.2 | 900.5 | 920.1 | 935.0 | 960.5 | |
| 三次 | Max. | 1044.1 | 1055.7 | 1100.4 | 1130.0 | 1154.2 |
| Min. | 951.5 | 957.1 | 968.2 | 922.3 | 1002.5 | |
| Ave. | 990.2 | 1000.5 | 1020.1 | 1032.0 | 1056.8 |
再根據本發明該具體例8(E8)之待測樣品在一次回焊與三次回焊至Cu OPS焊墊後並以推球高度為35 μm經推力測試後的OM俯視影像顯示(請見圖24A與圖24C)可知，其所呈現的破斷模式仍均為模式2的脆性破斷，且所對應的平均推力數值(請見下方表10.)分別為890.3 g與961.5 g。反觀該比較例3(CE3)之待測樣品在一次回焊與三次回焊至Cu OPS焊墊後並以推球高度為35 μm經推力測試後的OM俯視影像顯示(請見圖24B與圖24D)可知，其所呈現的破斷模式也均為此技術領域者判定不通過檢測的模式3(IMC破斷)，且所對應的平均推力數值(請見下方表10.)僅分別為877.2 g與948.4 g。
表10.
| 回焊 | 推力(g) | CE3 | E8 | E9 | E10 | E11 |
| 一次 | Max. | 932.2 | 955.2 | 980.2 | 1002.4 | 1013.5 |
| Min. | 821.7 | 851.2 | 865.5 | 874.4 | 870.6 | |
| Ave. | 877.2 | 890.3 | 908.4 | 918.9 | 932.5 | |
| 三次 | Max. | 1003.4 | 1026.4 | 1051.4 | 1072.7 | 1102.9 |
| Min. | 892.9 | 922.4 | 936.7 | 901.3 | 955.6 | |
| Ave. | 948.4 | 961.5 | 979.6 | 986.7 | 996.5 |
又，根據本發明該具體例8(E8)之待測樣品在一次回焊與三次回焊至Cu OPS焊墊後並以推球高度為110 μm經推力測試後的OM俯視影像顯示(請見圖25A與圖25C)可知，其所呈現的破斷模式同樣均為模式2的脆性破斷，且所對應的平均推力數值(請見下方表11.)分別為855.5 g與891.4 g。反觀該比較例3(CE3)之待測樣品在一次回焊與三次回焊至Cu OPS焊墊後並以推球高度為110 μm經推力測試後的OM俯視影像顯示(請見圖25B與圖25D)可知，其所呈現的破斷模式一樣均為此技術領域者判定不通過檢測的模式3(IMC破斷)，且所對應的平均推力數值(請見下方表11.)僅分別為831.2 g與867.1 g。
表11.
| 回焊 | 推力(g) | CE3 | E8 | E9 | E10 | E11 |
| 一次 | Max. | 930.2 | 936.5 | 953.2 | 961.2 | 986.7 |
| Min. | 798.5 | 800.1 | 818.6 | 828.4 | 838.9 | |
| Ave. | 831.2 | 855.5 | 864.8 | 884.8 | 902.6 | |
| 三次 | Max. | 966.1 | 972.4 | 989.1 | 994.9 | 1032.5 |
| Min. | 834.4 | 836.0 | 854.5 | 763.6 | 900.5 | |
| Ave. | 867.1 | 891.4 | 900.7 | 906.8 | 965.8 |
經本發明上述各段的詳細說明可知，相較於該前案1(配合參閱先前技術所彙整的表1)與該等比較例(CE1、CE2、CE3)，本發明之低溫焊錫組成物基於其含有0.6至1.2 wt%間的Cu，因而能使其低溫焊錫球在回焊至Ni/Au焊墊時生成業者通過檢測之焊接強度高的(Ni,Cu)3Sn4相，致使其在經過15 μm、35 μm與110 μm等推球高度下所對應呈現的破斷行為均為脆性破斷。反觀該前案1或該等比較例(CE1、CE2、CE3)，因不足量的Cu或未含有Cu，能推斷該前案1之銲錫合金組合物在回焊至Ni/Au焊墊時容易生成業界判定無法通過檢測的Ni3Sn4相的IMC，而該比較例2(CE2)也證實其焊錫球在回焊至Ni/Cu焊墊時生成了焊接強度較低的Ni3Sn4相的IMC，且在經過15 μm、35 μm與110 μm等推球高度下所對應呈現的破斷行也為均為IMC破斷。
此外，相較於該前案1(同樣配合參閱先前技術所彙整的表1)與該等比較例(CE1、CE2)，本發明之低溫焊錫組成物基於其含有0.03至0.1 wt%間的Ni，因而能使其低溫焊錫球在回焊至Cu OPS焊墊時生成了(Cu,Ni)6(Sn,In)5相，致使其在經過15 μm、35 μm與110 μm等推球高度下所對應呈現的破斷行為均屬於發生於球體處的脆性破斷(模式2)。反觀該前案1與該等比較例(CE1、CE2)，因不足量的Ni與未含有Ni，能推斷該前案1之銲錫合金組合物在回焊至Cu OPS焊墊時容易生成晶粒粗大且成長快速的Cu6Sn5相的IMC，而該比較例2(CE2)也被證實其焊錫球在回焊至Cu OPS焊墊時生成晶粒粗大且成長快速的Cu6Sn5相的IMC，且在經過15 μm、35 μm與110 μm等推球高度下之推力測試所對應呈現的破斷行也為均發生在IMC處。
綜上所述，本發明之低溫焊錫組成物及其所製成的低溫焊錫球因其內部的Ni與Cu之含量能使其低溫焊錫球在回焊至Ni/Au焊墊與Cu OPS焊墊生成業界所樂見的(Ni,Cu)3Sn4相與(Cu,Ni)6(Sn,In)5，因而15μm、35 μm與110 μm等推球高度下之推力測試所對應呈現的破斷行均能發生在球體處的脆性破斷(模式2)，故確實能達成本發明的目的。
惟以上所述者，僅為本發明的實施例而已，當不能以此限定本發明實施的範圍，凡是依本發明申請專利範圍及專利說明書內容所作的簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋的範圍內。
無
本發明的其他的特徵及功效，將於參照圖式的實施方式中清楚地呈現，其中：
圖1是一掃描式電子顯微鏡(SEM)截面影像暨能量色散X射線光譜(EDS)成分分析，說明本發明低溫焊錫組成物之一具體例3(E3)的低溫焊錫球經一次回焊至一Ni/Au焊墊後的成分分析取樣點；
圖2是一SEM截面影像暨EDS成分分析，說明本發明具體例3(E3)之低溫焊錫球經三次回焊至一Ni/Au焊墊後的成分分析取樣點；
圖3是一SEM截面影像暨EDS成分分析，說明本發明低溫焊錫組成物之一比較例2(CE2)的焊錫球經一次回焊至一Ni/Au焊墊後的成分分析取樣點；
圖4是一SEM截面影像暨EDS成分分析，說明本發明該比較例2(CE2)之焊錫球經三次回焊至一Ni/Au焊墊後的成分分析取樣點；
圖5是圖1之低倍率與其局部放大之SEM截面影像，說明本發明該具體例3(E3)在低溫焊錫球與Ni/Au焊墊界面間的IMC厚度；
圖6是圖2之低倍率與其局部放大之SEM截面影像，說明本發明該具體例3(E3)在低溫焊錫球與Ni/Au焊墊界面間的IMC厚度；
圖7是圖3之低倍率與其局部放大之SEM截面影像，說明本發明該比較例2(CE2)在焊錫球與Ni/Au焊墊界面間的IMC厚度；
圖8是圖4之低倍率與其局部放大之SEM截面影像，說明本發明該比較例2(CE2)在焊錫球與Ni/Au焊墊界面間的IMC厚度；
圖9是一光學顯微鏡(以下簡稱OM)俯視影像，圖9A說明回焊至焊墊的錫球經推力測試所呈現的破斷模式1，圖9B說明回焊至焊墊的錫球經推力測試所呈現的破斷模式2，圖9C說明回焊至焊墊的錫球經推力測試所呈現的破斷模式3，圖9D說明回焊至焊墊的錫球經推力測試所呈現的破斷模式4，圖9E說明回焊至焊墊的錫球經推力測試所呈現的破斷模式5，圖9F說明回焊至焊墊的錫球經推力測試所呈現的破斷模式6；
圖10是一OM俯視影像，圖10A與圖10B分別說明該具體例3(E3)與該比較例2(CE2)經一次回焊至至Ni/Au焊墊後以15 μm的推球高度所得的推力測試結果，圖10C與圖10D分別說明該具體例3(E3)與該比較例2(CE2)經三次回焊至Ni/Au焊墊後以15 μm的推球高度所得的推力測試結果；
圖11是一OM俯視影像，圖11A與圖11B分別說明該具體例3(E3)與該比較例2(CE2)經一次回焊至Ni/Au焊墊後以35 μm的推球高度所得的推力測試結果，圖11C與圖11D分別說明該具體例3(E3)與該比較例2(CE2)經三次回焊至Ni/Au焊墊後以35 μm的推球高度所得的推力測試結果；
圖12是一OM俯視影像，圖12A與圖12B分別說明該具體例3(E3)與該比較例2(CE2)經一次回焊至Ni/Au焊墊後以110 μm的推球高度所得的推力測試結果，圖12C與圖12D分別說明該具體例3(E3)與該比較例2(CE2)經三次回焊至Ni/Au焊墊後以110 μm的推球高度所得的推力測試結果；
圖13是一低倍率與其局部放大之SEM截面影像，說明本發明該具體例3(E3)的低溫焊錫球經一次回焊至一Cu有機保焊膜(OSP)焊墊後其界面間的IMC厚度；
圖14是一低倍率與其局部放大之SEM截面影像，說明本發明該具體例3(E3)的低溫焊錫球經三次回焊至一Cu OSP焊墊後其界面間的IMC厚度；
圖15是一低倍率與其局部放大之SEM截面影像，說明本發明該比較例2(CE2)的焊錫球經一次回焊至一Cu OSP焊墊後其界面間的IMC厚度；
圖16是一低倍率與其局部放大之SEM截面影像，說明本發明該比較例2(CE2)的焊錫球經三次回焊至一Cu OSP焊墊後其界面間的IMC厚度；
圖17是一OM俯視影像，圖17A與圖17B分別說明該具體例3(E3)與該比較例2(CE2)經一次回焊至Cu OPS焊墊後以15 μm的推球高度所得的推力測試結果，圖17C與圖17D分別說明該具體例3(E3)與該比較例2(CE2)經三次回焊至Cu OPS焊墊後以15 μm的推球高度所得的推力測試結果；
圖18是一OM俯視影像，圖18A與圖18B分別說明該具體例3(E3)與該比較例2(CE2)經一次回焊至Cu OPS焊墊後以35 μm的推球高度所得的推力測試結果，圖18C與圖18D分別說明該具體例3(E3)與該比較例2(CE2)經三次回焊至Cu OPS焊墊後以35 μm的推球高度所得的推力測試結果；
圖19是一OM俯視影像，圖19A與圖19B分別說明該具體例3(E3)與該比較例2(CE2)經一次回焊至Cu OPS焊墊後以(AECQ-100)110 μm的推球高度所得的推力測試結果，圖19C與圖19D分別說明該具體例3(E3)與該比較例2(CE2)經三次回焊至Cu OPS焊墊後以110 μm的推球高度所得的推力測試結果；
圖20是一OM俯視影像，圖20A與圖20B分別說明該具體例8(E8)與該比較例3(CE3)經一次回焊至Ni/Au焊墊後以15 μm的推球高度所得的推力測試結果，圖20C與圖20D分別說明該具體例8(E8)與該比較例3(CE3)經三次回焊至Ni/Au焊墊後以15 μm的推球高度所得的推力測試結果；
圖21是一OM俯視影像，圖21A與圖21B分別說明該具體例8(E8)與該比較例3(CE3)經一次回焊至Ni/Au焊墊後以35 μm的推球高度所得的推力測試結果，圖21C與圖21D分別說明該具體例8(E8)與該比較例3(CE3)經三次回焊至Ni/Au焊墊後以35 μm的推球高度所得的推力測試結果；
圖22是一OM俯視影像，圖22A與圖22B分別說明該具體例8(E8)與該比較例3(CE3)經一次回焊至Ni/Au焊墊後以110 μm的推球高度所得的推力測試結果，圖22C與圖22D分別說明該具體例8(E8)與該比較例3(CE3)經三次回焊至Ni/Au焊墊後以110 μm的推球高度所得的推力測試結果；
圖23是一OM俯視影像，圖23A與圖23B分別說明該具體例8(E8)與該比較例3(CE3)經一次回焊至Cu OPS焊墊後以15 μm的推球高度所得的推力測試結果，圖23C與圖23D分別說明該具體例8(E8)與該比較例3(CE3)經三次回焊至Cu OPS焊墊後以15 μm的推球高度所得的推力測試結果；
圖24是一OM俯視影像，圖24A與圖24B分別說明該具體例8(E8)與該比較例3(CE3)經一次回焊至Cu OPS焊墊後以35 μm的推球高度所得的推力測試結果，圖24C與圖24D分別說明該具體例8(E8)與該比較例3(CE3)經三次回焊至Cu OPS焊墊後以35 μm的推球高度所得的推力測試結果；及
圖25是一OM俯視影像，圖25A與圖25B分別說明該具體例8(E8)與該比較例3(CE3)經一次回焊至Cu OPS焊墊後以110 μm的推球高度所得的推力測試結果，圖25C與圖25D分別說明該具體例8(E8)與該比較例3(CE3)經三次回焊至Cu OPS焊墊後以110 μm的推球高度所得的推力測試結果。
Claims (2)
- 一種低溫焊錫組成物，含有： 46 wt.%至48 wt.%間的Bi； 0 wt.%至1.5 wt.%間的In； 0.8 wt.%至1.2 wt.%間的Ag； 0.6 wt.%至1.2 wt.%間的Cu； 0.03 wt.%至0.1 wt.%間的Ni；及 剩餘的Sn。
- 一種低溫焊錫球，是由請求項1所述之低溫焊錫組成物所製成。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| TW112121831A TWI832775B (zh) | 2023-06-12 | 2023-06-12 | 低溫焊錫組成物及其所製成的低溫焊錫球 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| TW112121831A TWI832775B (zh) | 2023-06-12 | 2023-06-12 | 低溫焊錫組成物及其所製成的低溫焊錫球 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| TWI832775B true TWI832775B (zh) | 2024-02-11 |
Family
ID=90824995
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| TW112121831A TWI832775B (zh) | 2023-06-12 | 2023-06-12 | 低溫焊錫組成物及其所製成的低溫焊錫球 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| TW (1) | TWI832775B (zh) |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN106216872A (zh) * | 2016-08-11 | 2016-12-14 | 北京康普锡威科技有限公司 | 一种SnBiSb系低温无铅焊料及其制备方法 |
| CN111906469A (zh) * | 2019-05-09 | 2020-11-10 | 铟泰公司 | 具有混合焊锡合金粉的低温熔点和中温熔点无铅焊锡膏 |
| CN112638574A (zh) * | 2018-08-31 | 2021-04-09 | 铟泰公司 | SnBi和SnIn焊锡合金 |
-
2023
- 2023-06-12 TW TW112121831A patent/TWI832775B/zh active
Patent Citations (3)
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| CN111906469A (zh) * | 2019-05-09 | 2020-11-10 | 铟泰公司 | 具有混合焊锡合金粉的低温熔点和中温熔点无铅焊锡膏 |
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