抗高溫時(shí)效高強(qiáng)度無鉛焊錫的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種焊料合金組成物，具體涉及一種適合電子零件焊點(diǎn)使用的抗高溫 時(shí)效高強(qiáng)度無鉛焊錫。
【背景技術(shù)】
[0002] 在已知的技藝中，錫鉛合金經(jīng)常被用來作為電子零件的焊料合金，但因?yàn)殂U及其 化合物對環(huán)境的污染嚴(yán)重，再加上現(xiàn)今環(huán)保意識(shí)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。
[0003] 而一般傳統(tǒng)的非晶圓級封裝須經(jīng)過打線與填膠等步驟，封裝之后的尺寸比原來晶 粒還大，此乃為早期1C封裝技術(shù)的共同特色。又，無鉛焊錫合金在應(yīng)用上可制作為錫球的 形態(tài)，透過錫球可將電子組件與印刷電路板或基板隔著一預(yù)定間距而接合，相當(dāng)電子組件 之間的接合劑與間隔件（spacer)。而焊錫合金之錫球必須考慮球的粒徑尺寸大小、材料強(qiáng) 度、以及降低銀針形成，才能適用于封裝時(shí)的焊接用接合劑。
[0004] 隨著封裝技術(shù)的進(jìn)展，目前已開發(fā)出一種晶圓級封裝（WaferLevelPackaging, 簡稱WLP)，此為1C封裝方式的一種，是指整片晶圓生產(chǎn)完成后，其所有步驟都在切片之前 的晶圓上完成，因此直接在晶圓上進(jìn)行封裝測試，完成之后才切割制成單顆1C，不需要經(jīng)過 打線或填膠的步驟。而封裝后的芯片尺寸幾乎與原來的晶粒大小相同，因此也可以稱為芯 片尺寸晶圓級封裝（WaferLevelChipScalePackage,簡稱WLCSP)。
[0005] 又，由于晶圓級封裝具有較小的封裝尺寸，應(yīng)用于其中的焊料合金錫球的尺寸以 及合金強(qiáng)度的要求當(dāng)然與傳統(tǒng)的非晶圓級封裝的焊料要求不同。一般來說，晶圓級封裝1C 相對于傳統(tǒng)封裝對于環(huán)境變化包含溫度、濕度的抵抗力會(huì)比較弱，對抗高溫時(shí)效性能要求 較高，而且，晶圓級封裝焊錫容易出現(xiàn)銀針析出物，嚴(yán)重者，此銀針析出物會(huì)穿出焊點(diǎn)而連 接不同焊點(diǎn)，造成焊點(diǎn)之間短路，因此，需開發(fā)一種創(chuàng)新的焊錫組成物，其可適用于晶圓級 封裝的焊料需求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明的目的是提供一種新的無鉛焊錫材料組合物，其具有抗高溫時(shí)效、高強(qiáng)度 且能抗銀針成形。
[0007] 為達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供了一種抗高溫時(shí)效高強(qiáng)度無鉛焊錫，以該無鉛焊錫 的總重量為100Wt%計(jì)，該無鉛焊錫包含： 3~5wt% 的銀； 0· 2~0· 8wt% 的銅； 0. 5-20wt% 的鉍； 0· 005~0· 06wt% 的鎳； 0· 005~0· 02wt% 的鍺；及 余量為錫。
[0008] 上述的抗高溫時(shí)效高強(qiáng)度無鉛焊錫，其中，鉍在所述的抗高溫時(shí)效高強(qiáng)度無鉛焊 錫中的重量含量為〇. 5-lOwt% ;更佳地，鉍在所述的抗高溫時(shí)效高強(qiáng)度無鉛焊錫中的重量 含量為1~7wt%。
[0009] 上述的抗高溫時(shí)效高強(qiáng)度無鉛焊錫，其中，該抗高溫時(shí)效高強(qiáng)度無鉛焊錫還包含： 0· 0002~lwt%的鋅；較佳地，為(λ0002~0· 5wt%的鋅；更佳地，為(λ0002~0· 2wt%的鋅。
[0010] 本發(fā)明還提供了上述的抗高溫時(shí)效高強(qiáng)度無鉛焊錫適用于晶圓級封裝的用途。
[0011] 本發(fā)明提供的無鉛焊錫通過上述各元素的適當(dāng)添加比例所形成的創(chuàng)新材料組成， 可提升并維持材料在高溫時(shí)效后材料強(qiáng)度與硬度，同時(shí)提升接口強(qiáng)度、抗氧化性、抗銀針成 形能力，形成完整的無鉛焊錫材料設(shè)計(jì)，并可使該晶圓級封裝1C適用于高溫?zé)嵫h(huán)的嚴(yán)苛 環(huán)境。
【具體實(shí)施方式】
[0012] 以下結(jié)合實(shí)施例詳細(xì)說明本發(fā)明的技術(shù)方案。
[0013] 本發(fā)明提供了一種抗高溫時(shí)效高強(qiáng)度無鉛焊錫的較佳實(shí)施例，以該抗高溫時(shí)效高 強(qiáng)度無鉛焊錫所含總重量為100wt%計(jì)，該無鉛焊錫包含：3~5wt%的銀（Ag)、0. 2~0. 8wt% 的銅（Cu)、1~7wt% 的鉍（Bi)、0· 005~0· 06wt% 的鎳（Ni)、0· 005~0· 02wt% 的鍺（Ge)，以 及余莖為錫（Sn)。
[0014] 本發(fā)明還提供了一種抗高溫時(shí)效抗銀針成形高強(qiáng)度無鉛焊錫的較佳實(shí)施例，以該 抗高溫時(shí)效抗銀針成形高強(qiáng)度無鉛焊錫所含總重量為100wt%計(jì)，該無鉛焊錫包含：3~5 wt% 的銀（Ag)、0.2~0.8wt% 的銅（Cu)、l~7wt% 的鉍（Bi)、0.0002~0.2wt% 的鋅（Zn)、 0· 005~0· 06wt% 的鎳（Ni)、0· 005~0· 02wt% 的鍺（Ge)，以及余量為錫（Sn)。
[0015] 無鉛焊材合金配置方式：先將高熔點(diǎn)金屬銀，銅，鎳及鍺分別使用高周 波恪解爐配制成Sn+10wt%Ag(該百分比為Ag與Sn的重量比，S卩，母合金成份是 90wt%Sn+10wt%Ag，下同），Sn+5wt%Cu,Sn+lwt%Ni及Sn+lwt%Ge母合金。低恪點(diǎn)金 屬鉍及鋅則以純金屬方式添加，跟據(jù)需求合金成份比例，依據(jù)重量百分比計(jì)算各純金屬 及母合金添加量，先將3N或4N純錫投入于熔解爐中，投料時(shí)需依序排列避免純錫錠架 橋，完成后將熔解爐溫度升溫到490°C，使純錫完全熔解成液態(tài)后，先將Sn+10wt%Ag， Sn+5wt%Cu，Sn+lwt%Ni三種母合金及純鉍(不易氧化母合金及純金屬)加入熔解爐，同時(shí) 使用攪拌器攪拌30分鐘，使母合金及純金屬能均勻熔解分散熔入純錫中。Sn+lwt%Ge 及純鋅金屬由于容易因氧化燒損，造成成份變異誤差，所以在銀，銅，鎳及鉍完全熔解 于錫液后，最后才添加到熔解爐，Sn+lwt%Ge及純鋅金屬添加后再持續(xù)攪拌10分鐘后， 取樣鑄成分析樣品鑄錠后，使用分光分析儀（AES)量測錫液中銀，銅，鎳，鉍，鋅及鎵 濃度，確認(rèn)所有金屬成份符合規(guī)格比例后，將熔解爐溫度降溫至350°C后，再將所有錫液 鑄成錫條，在錫液鑄成錫條過程中及完成所有錫條澆鑄前，需再取析樣品鑄錠做成份分 析，確保錫條沒有因長時(shí)間持溫造成合金成份偏析與超標(biāo)。
[0016] 本發(fā)明在錫基材中添加此六種元素，可將該焊料合金制作成錫球形態(tài)，并可應(yīng)用 于晶圓級封裝（簡稱WLP)，具有優(yōu)良的焊接結(jié)合力，即使該焊料合金在高溫環(huán)境下經(jīng)過長 時(shí)間（以下簡稱為高溫時(shí)效）后仍可維持相同的足夠強(qiáng)度，不會(huì)因長時(shí)間高溫時(shí)效或冷熱 變化沖擊而造成焊料合金產(chǎn)生裂紋或焊料合金與PCB電路板焊墊（PCBPad)或者基板之間 的接口發(fā)生破裂分1?。
[0017] 其中，本發(fā)明添加3~5wt%的銀的功能在于：適當(dāng)?shù)你y含量可提升焊料合金的抗 拉強(qiáng)度及焊料硬度，但是超過5wt%銀含量會(huì)使焊料合金熔點(diǎn)過高而無法應(yīng)用。經(jīng)試驗(yàn)， 較佳的銀的含量為3~5wt%。
[0018] 添加銅的目的在于降低焊料合金熔點(diǎn)及提升焊料合金強(qiáng)度，但是當(dāng)銅的濃度過高 時(shí)，反而會(huì)提高焊料合金熔點(diǎn)，因此較佳地銅的含量為〇. 2~0. 8wt%。
[0019] 添加鉍可幫助焊料合金中的銀均勻分散于整個(gè)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(huì)分散于整個(gè)焊料合金中以提升焊料合金強(qiáng)度與硬 度，同時(shí)避免焊料合金因長時(shí)間高溫時(shí)效后，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(kuò)大，而最后造成焊錫接點(diǎn)失效。跟據(jù)我們研究發(fā)現(xiàn)，〇.5~20wt% 鉍含量添加都可以有效提升焊料合金強(qiáng)度與硬度，但是過高的鉍含量會(huì)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(shí)形成脆性破裂，經(jīng)試驗(yàn)較佳添加含量 0. 5~10wt%鉍，最佳鉍的添加含量為l~7wt%。
[0020] 添加鋅的功能：在高銀含量3~5wt%銀無鉛焊材，由于添加銀含量已經(jīng)超過飽 和濃度，當(dāng)無鉛焊錫在回焊凝固過程中，過多的銀會(huì)析出成Ag3Sn存在焊錫接點(diǎn)，而且 析出Ag3Sn銀針隨著凝固過程會(huì)長大成粗大的銀針，凝固速度越慢維持在液態(tài)的時(shí)間越 長，所成長銀針尺寸會(huì)越大，由于Ag3Sn銀針是一種介金屬具有硬脆及低熱膨脹系數(shù)特 性，銀針與焊錫接點(diǎn)由于熱膨脹系數(shù)及硬度有很大差異，當(dāng)電子產(chǎn)品使用于高溫?zé)嵫h(huán) 嚴(yán)苛環(huán)境，電子產(chǎn)品會(huì)因?yàn)橥獠凯h(huán)境溫度變異，而且在芯片與基板中間無鉛焊錫接點(diǎn)產(chǎn) 生內(nèi)部應(yīng)力，此內(nèi)部應(yīng)力會(huì)使粗大Ag3Sn銀針與焊錫本體產(chǎn)生裂縫，隨著裂縫成長進(jìn)而 造成整個(gè)接點(diǎn)斷裂，最后造成1C芯片失效電子產(chǎn)品報(bào)廢。其次，芯片在植球組裝回焊 制程中，粗大銀針會(huì)凸出接點(diǎn)表面，而與鄰近焊錫接點(diǎn)串連造成接點(diǎn)橋接，而不同焊點(diǎn) 之間往往是被設(shè)計(jì)成絕緣狀態(tài)，但巨大銀針是屬于導(dǎo)體，銀針跨越兩個(gè)不同焊點(diǎn)最后會(huì)造 成焊點(diǎn)之間短路失去絕緣作用，因此會(huì)使芯片的邏輯運(yùn)算功能異?；蜉斔碗娏€路異常而 失效，制程中需要重工，造成良率損失或者產(chǎn)品報(bào)廢。添加鋅元素可以改變焊錫接點(diǎn)中 Ag3Sn成核與成長機(jī)制，進(jìn)而改變凝固后接點(diǎn)組織，有效抑制Ag3Sn銀針成核與成長成 粗大的銀針。根據(jù)我們研究發(fā)現(xiàn)，鋅元素添加從〇.〇〇〇2~1wt%都可以有效的抑制Ag3Sn 銀針形成，但是鋅是一種容易氧化元素，添加太多鋅會(huì)改變焊錫接點(diǎn)表面張力及氧化膜 形態(tài)，當(dāng)芯片在封裝制程中需要多次回焊時(shí)，焊錫接點(diǎn)容易因氧化造成接點(diǎn)表面扭曲變 形，影響芯片回焊后錫球共面性，造成芯片在SMT制程中良率損失或者產(chǎn)品報(bào)廢。實(shí)驗(yàn)結(jié) 果建議較佳鋅添加含量范圍〇. 0002~0. 5wt%，最佳鋅的添加含量范圍為0. 0002~0. 2wt%。
[0021] 添加鎳的功能：焊料合金于焊接使用過程中不僅要能維持焊料合金本身的強(qiáng)度及 硬度，同時(shí)也要考慮焊料合金與基板或PCB電路板焊墊之間的結(jié)合強(qiáng)度。若基板或PCB電路 板焊墊的材質(zhì)為銅時(shí)，則在高溫時(shí)效后，焊料合金與焊墊或基板的界面會(huì)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(jié)合力降低。而本發(fā)明添加適量的鎳可以 幫助結(jié)合力較佳的Cu6Sn5形成，從而抑制Cu3Sn