無(wú)鉛焊錫合金球的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種無(wú)鉛焊錫合金球，其特征在于：無(wú)鉛焊錫合金球由焊料球形成分形成，該成分包括1.0~4.0％（質(zhì)量）的Ag，0.05~2.0％（質(zhì)量）的Cu，0.0005~0.005％（質(zhì)量）的P，和剩余量的Sn。無(wú)鉛焊錫合金球的焊料球成分中優(yōu)選含有1.0~3.5％（質(zhì)量）的Ag。無(wú)鉛焊錫合金球的焊料球成分中優(yōu)選包含0.05~075％（質(zhì)量）的Cu。無(wú)鉛焊錫合金球的直徑為0.04~0.5毫米。無(wú)鉛焊錫合金球被放置于BGA基片的電極上。本發(fā)明的有益效果是：無(wú)鉛焊錫合金球在電子零件如BGA封裝的電極上形成焊錫凸塊時(shí)，其表面不會(huì)變黃，且該焊錫球具有優(yōu)異的潤(rùn)濕性，焊接時(shí)不形成空隙，同時(shí)它還具有微小的直徑。
【專利說(shuō)明】無(wú)鉛焊錫合金球
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種焊錫球，特別是一種無(wú)鉛焊錫合金球。
【背景技術(shù)】
[0002]過(guò)去，用于形成BGA上焊錫凸塊的焊錫合金球最常用的Sn和Pb的合金，特別是63Sn-Pb合金，其是Sn-Pb合金的共晶成分。然而經(jīng)發(fā)現(xiàn)，含鉛焊錫的使用包括含鉛的焊錫合金球，其是一個(gè)環(huán)境污染源。當(dāng)帶有Sn-Pb焊錫的電子零件發(fā)生故障或變的陳舊而不再方便使用時(shí)，它們被丟棄而作為處理的。當(dāng)將這種設(shè)備丟棄后，設(shè)備的某些部分能夠重復(fù)利用或回收。例如，容器中的塑料，框架中的金屬和電子零件中的貴金屬往往可以回收利用。與此相反，具有焊錫的印刷電路板是粘接的，不能重新使用或回收。因此，廢棄的印刷電路板通常被粉碎，然后埋葬在堆填區(qū)處置。如果以掩埋方式處理的印刷電路板采用含鉛焊料，如Sn-Pb焊料，并且如果印刷電路板與具有高pH值的酸雨接觸，Sn-Pb焊料中的鉛會(huì)溶解出來(lái)，與雨水混合，并進(jìn)入地下水。如果人類或牲畜長(zhǎng)期飲用含鉛的地下水，鉛可在體內(nèi)蓄積，由此可能引起鉛中毒。為了避免使用含鉛焊料引起的相關(guān)的環(huán)境和健康問(wèn)題，在電子工業(yè)中，現(xiàn)在已經(jīng)開(kāi)始使用不含鉛的即所謂的無(wú)鉛焊料。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明的目的在于提供了一種無(wú)鉛焊錫合金球，用以解決上述的現(xiàn)有問(wèn)題。
[0004]本發(fā)明的技術(shù)方案如下:一種無(wú)鉛焊錫合金球，其特征在于:無(wú)鉛焊錫合金球由焊料球形成分形成，該成分包括1.0 — 4.0 % (質(zhì)量)的Ag, 0.05 — 2.0 % (質(zhì)量)的Cu,
0.0005 一 0.005% (質(zhì)量)的P，和剩余量的Sn。
[0005]無(wú)鉛焊錫合金球的焊料球成分中優(yōu)選含有1.0 — 3.5% (質(zhì)量)的Ag。
[0006]無(wú)鉛焊錫合金球的焊料球成分中優(yōu)選包含0.05 — 075% (質(zhì)量)的Cu。
[0007]無(wú)鉛焊錫合金球的直徑為0.04 — 0.5毫米。
[0008]無(wú)鉛焊錫合金球被放置于BGA基片的電極上。
[0009]本發(fā)明的有益效果是:無(wú)鉛焊錫合金球在電子零件如BGA封裝的電極上形成焊錫凸塊時(shí)，其表面不會(huì)變黃，且該焊錫球具有優(yōu)異的潤(rùn)濕性，焊接時(shí)不形成空隙，同時(shí)它還具有微小的直徑。
【具體實(shí)施方式】
[0010]本發(fā)明無(wú)鉛焊錫合金球，其特征在于:無(wú)鉛焊錫合金球由焊料球形成分形成，該成分包括 1.0 — 4.0% (質(zhì)量)的 Ag，0.05 — 2.0% (質(zhì)量)的 Cu，0.0005 — 0.005% (質(zhì)量)的P，和剩余量的Sn。無(wú)鉛焊錫合金球的焊料球成分中優(yōu)選含有1.0 — 3.5%(質(zhì)量)的Ag。無(wú)鉛焊錫合金球的焊料球成分中優(yōu)選包含0.05 — 075% (質(zhì)量)的Cu。無(wú)鉛焊錫合金球的直徑為0.04 - 0.5毫米。無(wú)鉛焊錫合金球被放置于BGA基片的電極上。
[0011]根據(jù)本發(fā)明，在無(wú)鉛焊錫合金球中，如果Ag的含量小于1.0% (質(zhì)量)時(shí)，液相線溫度變高，焊接溫度必然也變高，從而在焊錫球的焊接過(guò)程中，BGA封裝或其他電子零件遭受熱損傷的可能性也會(huì)增加。Ag也是影響可焊性的一種元素。如果Ag的含量小于1.0%(質(zhì)量)，可焊性變差，焊接缺陷可能性會(huì)增加。但是,如果Ag的含量超過(guò)8.0%(質(zhì)量)，AgSn化合物會(huì)發(fā)生顯著粗化，接合可靠性下降。此外，焊錫溫度不希望由于焊料合金的液相線溫度增加而增加。因此，本發(fā)明中，Ag的焊料下限是1.0% (質(zhì)量)，上限為8.0% (質(zhì)量)。優(yōu)選地，Ag的含量為1.0-3.5質(zhì)量％最好。
[0012]在Sn-Ag系合金中，添加Cu會(huì)降低合金的熔化溫度，并增加其強(qiáng)度。如果Cu的含量不足0.05% (質(zhì)量)，不能得到這些效果。但是，如果Cu的含量超過(guò)2.0% (質(zhì)量)時(shí)，該合金的液相線溫度上升，從而不僅使焊接溫度變高，而且大量的SnCu金屬間化合物析出，從而使可焊性變差。因此，Cu含量為0.05 — 2.0% (質(zhì)量)，優(yōu)選為0.05-0.75% (質(zhì)量)。
[0013]在以Sn作為主要成分的焊料合金中，P的添加是有效的，其不僅能防止老化后的焊料凸塊的剝落，而且也防止其變黃。然而，如果加入大量的P，它的存會(huì)使?jié)櫇裥宰儾?，并?dǎo)致空隙形成。在Sn-Ag-Cu系合金中，如果P的含量低于0.0005% (質(zhì)量)，P能夠防止變黃的效果就不能達(dá)到，而如果P的含量超過(guò)0.005% (質(zhì)量)，添加P會(huì)使可焊性變差，并導(dǎo)致空隙形成。因此，在本發(fā)明中，P的含量為0.0005-0.005% (質(zhì)量)。
[0014]根據(jù)本發(fā)明，無(wú)鉛焊錫合金在安裝到BGA基板電極上，并在回流爐進(jìn)行加熱以熔化形成焊料凸塊表面后，最好使其不會(huì)變黃。這是因?yàn)?，如前所述，表面變黃會(huì)導(dǎo)致在用圖像處理設(shè)備檢查BGA封裝時(shí)會(huì)發(fā)生錯(cuò)誤。
[0015]此外，根據(jù)本發(fā)明，無(wú)鉛焊錫合金球即使在不進(jìn)行熔化操作時(shí)處于較高溫度下，也最好不會(huì)變黃。焊錫球在處于較高溫度下最好不要使其發(fā)黃的原因在于，沒(méi)有表面變黃的情況是無(wú)鉛焊錫合金球用戶所進(jìn)行驗(yàn)收測(cè)試所必需的一個(gè)要求。如果焊錫球在處于高溫下不會(huì)變黃，那么在熔化時(shí)其也不會(huì)變黃。
[0016]用于許多BGA封裝的最常用的是直徑為0.5-0.76毫米的焊錫球，但用于CSP和晶片的圓是直徑為0.04-0.5毫米的微小焊錫球。根據(jù)本發(fā)明，無(wú)鉛焊料球具有極低的空隙發(fā)生可能，所以即使是微小球體形式，它也可以保持高接合強(qiáng)度。因此，根據(jù)本發(fā)明，這種焊錫球可以增加直徑為0.04-0.5毫米的微小焊料球的可靠性。
[0017]在使用過(guò)程中，電子裝置中的BGA設(shè)備經(jīng)常暴露在較高的溫度下，可能超過(guò)100度。根據(jù)本發(fā)明，通過(guò)使用這種焊錫球形成焊錫凸塊，焊錫凸塊可以不發(fā)生剝落，但實(shí)際上由于老化，其接合強(qiáng)度將會(huì)增加，從而在惡劣的條件下需要使用更強(qiáng)的結(jié)合可靠性。
[0018]根據(jù)本發(fā)明，焊錫球的制造方法沒(méi)有特別的限制，并且它可以使用任何方便的方法制造。例如，可以用油浴的方法來(lái)制造，將其中的焊料片放入到加熱的油浴中；或通過(guò)直接法，通過(guò)孔口或噴嘴將熔融的焊料滴入或允許其以一個(gè)給定尺寸的液滴形式滴落，然后檔期通過(guò)一個(gè)室時(shí)將其固化。這兩種方法都是本身領(lǐng)域的技術(shù)人員眾所周知的，所以在這里就不詳細(xì)描述。
[0019]下面，本發(fā)明將通過(guò)下列實(shí)例進(jìn)一步詳細(xì)描述。
[0020]實(shí)例I
通過(guò)差熱分析從加熱曲線中得出每種合金的固相線溫度(ST)和液相線溫度(LT)是相互決定的。直徑為0.5mm的焊錫球是由油浴方法制備的?？梢灾v焊錫球放入125度的空氣中12個(gè)小時(shí)，以評(píng)估其黃化，然后目視觀察焊錫球表面的變黃程度。表面沒(méi)有變黃的焊錫球被評(píng)價(jià)為良好的焊錫球，那些具有少量黃化的焊錫球是中等的，那些具有嚴(yán)重黃化的焊錫球是不好的。為了評(píng)估焊錫球的空隙發(fā)生，可以將焊錫球放在BGA基板上的電極上，然后將其在含有氧氣為IOOppm或更低的氮?dú)夥諊幕亓鳡t中加熱，其中BGA基板保持LT溫度以上的峰值溫度為240°C下保持40秒，以將焊錫球形成焊錫凸塊。然后檢測(cè)裝置檢驗(yàn)空隙的存在與否，可根據(jù)空隙比例來(lái)評(píng)估這些凸塊?？障侗壤∮?0%被評(píng)價(jià)為良好的，空隙比例在10-30%間的評(píng)價(jià)為中等，空隙比例在30%以上被評(píng)價(jià)為差。
[0021]結(jié)果將會(huì)示出該無(wú)鉛焊錫合金球不會(huì)發(fā)生顯著的表面變黃或形成顯著的空隙比例。根據(jù)本發(fā)明，當(dāng)無(wú)鉛焊錫合金球在BGA基片上形成凸塊時(shí)，可以用圖像處理設(shè)備來(lái)進(jìn)行檢測(cè)。由于表面變黃造成的錯(cuò)誤檢測(cè)現(xiàn)象不會(huì)發(fā)生，因此可以準(zhǔn)確地進(jìn)行檢查。此外，不僅焊接時(shí)產(chǎn)生的缺陷減少，而且還可以獲得高接合強(qiáng)度。
[0022]實(shí)例2
在這個(gè)例子中，根據(jù)本發(fā)明，在老化前后，即暴露于高溫前后，對(duì)焊錫球接合可靠性在添加P后的效果進(jìn)行了測(cè)量。該例子中焊料組合物Sn-3.0Ag 0.SCu焊錫合金或Sn_4.0Ag
0.SCu焊錫合金中含有0-400 ppm的P，該組合物用于通過(guò)油浴方法來(lái)制備直徑為0.5毫米的焊錫球。將焊錫球放置在印刷電路板平面上，然后在回流爐中加熱，以將焊錫球形成焊錫凸塊。印刷電路板可以是鍍金或Cu-OSP (有機(jī)表面預(yù)焊劑)的。氧濃度為IOOppm以下的回流爐是氮?dú)夥諊?。再將回流在溫度高于液相線溫度的峰值溫度為240°C下進(jìn)行操作40秒。然后將由此產(chǎn)生的焊料凸塊在150°C的空氣中老化200小時(shí)。在老化前后，都要使用上拉速度為300微米/秒的打格4000系列測(cè)試儀對(duì)焊錫凸塊進(jìn)行2秒的拉伸試驗(yàn)。在老化前后，拉力測(cè)試中50個(gè)凸塊試樣的剝落百分比進(jìn)行顯示。凸塊剝落的百分比越低，其性能越好。這50個(gè)凸塊最大強(qiáng)度的平均值可以在2秒的拉試驗(yàn)過(guò)程中獲得。
[0023]然后得出，回流后立即剝離率是不受P存在的影響，然而，老化后，對(duì)于鍍金和預(yù)焊劑電路板，含有P的焊料合金將更多地降低剝離率。這種作用是由于少量添加的P改變了結(jié)合反應(yīng)層的結(jié)構(gòu)。
[0024]對(duì)于這兩種類型的電路板，不管形成焊錫凸塊的焊錫合金球中存在P與否，老化前的反應(yīng)層并沒(méi)有受到影響。拉伸測(cè)試導(dǎo)致的剝離面是P-富含層(當(dāng)添加P時(shí))與反應(yīng)層鍍金電路板之間的接觸面，并且也是預(yù)焊劑電路板的Cu和Cu6Sn5之間的接觸面。
[0025]對(duì)于鍍金電路板，當(dāng)焊料合金中不包含P時(shí)，老化后的剝離表面與P-富含層和反應(yīng)層的接觸面相同。但對(duì)于含有P的焊錫合金，剝離表面移動(dòng)到反應(yīng)層(第一層和第二層之間的接觸面)內(nèi)部。
[0026]對(duì)于預(yù)焊劑電路板，剝離面是兩種合金組合物的&13511/(:1165115接觸面。但當(dāng)組合物中含有P時(shí)，Cu6Sn5層很薄。
[0027]在這種方式下，由于在鍍金電路板的情況下形成第二層，并且由于在預(yù)焊劑電路板的情況下使Cu6Sn5層變薄，在長(zhǎng)時(shí)間的使用過(guò)程和高溫環(huán)境中，需要增加接合可靠性。
[0028]上述添加P可提高接合可靠性是一種現(xiàn)象，這種效果不受焊錫球直徑的影響。
[0029]接下來(lái)，來(lái)闡述下該無(wú)鉛焊錫合金球的工業(yè)實(shí)用性。
[0030]根據(jù)本發(fā)明，即使無(wú)鉛焊錫球熔化或暴露于高溫下，其表面也不會(huì)變黃。因此，根據(jù)本發(fā)明，在使用無(wú)鉛焊錫球在BGA封裝的電極上形成焊錫凸塊后，可以用圖像處理設(shè)備進(jìn)行準(zhǔn)確的檢驗(yàn)，以確定焊錫凸塊是否已適當(dāng)?shù)匦纬?。此外，根?jù)本發(fā)明，無(wú)鉛焊錫球相對(duì)于BGA封裝的電極或印刷電路板表面具有優(yōu)異的潤(rùn)濕性，因此，不僅不會(huì)產(chǎn)生焊接缺陷，并且空隙產(chǎn)生的可能性也是非常小的，因而可以獲得高接合強(qiáng)度。
[0031]根據(jù)本發(fā)明，當(dāng)將無(wú)鉛焊錫球用于在BGA封裝上形成焊錫凸塊時(shí)，焊錫球能提供上述優(yōu)異效果。但它也可以用于形成其他部件上的焊錫凸塊，例如具有比BGA封裝的電極更小的晶片。用于形成于晶片上焊錫凸塊的焊錫球具有一個(gè)非常小的直徑，為0.1毫米或更小，并且接合面積也是非常小的。因此，如果即使焊接接頭中產(chǎn)生一個(gè)小空隙，該空隙對(duì)接合強(qiáng)度也會(huì)有很大的影響。然而，根據(jù)本發(fā)明，無(wú)鉛焊錫球幾乎不會(huì)產(chǎn)生空隙。因此，當(dāng)它是用來(lái)在晶片上形成焊錫凸塊時(shí)，可以獲得高接合強(qiáng)度。此外，根據(jù)本發(fā)明，即使長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)暴露在高溫環(huán)境下，該焊錫球也能形成具有優(yōu)異的接合可靠性的焊錫凸塊。特別是，由于添加微量P，本發(fā)明提供了意想不到的效果，即能夠顯著提高其抵制剝落的性能。因此，當(dāng)將所產(chǎn)生的基片安裝在汽車(chē)或工業(yè)設(shè)備中，其中基片通常是涂有樹(shù)脂如硅氧烷，這種老化造成的影響是有利的。因此，根據(jù)本發(fā)明，焊錫球可以大大促進(jìn)提高電子設(shè)備的可靠性。
【權(quán)利要求】
1.一種無(wú)鉛焊錫合金球，其特征在于: 無(wú)鉛焊錫合金球由焊料球形成分形成，該成分包括1.0 — 4.0% (質(zhì)量)的Ag,0.05 一2.0% (質(zhì)量)的Cu，0.0005 — 0.005% (質(zhì)量)的P，和剩余量的Sn。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的無(wú)鉛焊錫合金球，其特征在于:無(wú)鉛焊錫合金球的焊料球成分中優(yōu)選含有1.0 — 3.5% (質(zhì)量)的Ag。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的無(wú)鉛焊錫合金球，其特征在于:無(wú)鉛焊錫合金球的焊料球成分中優(yōu)選包含0.05 一 075% (質(zhì)量)的Cu。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的無(wú)鉛焊錫合金球，其特征在于:無(wú)鉛焊錫合金球的直徑為0.04 ^ 0.5 暈米。
5.根據(jù)上述 權(quán)利要求中任一一項(xiàng)所述的無(wú)鉛焊錫合金球，其特征在于:無(wú)鉛焊錫合金球被放置于BGA基片的電極上。
【文檔編號(hào)】B23K35/02GK103586600SQ201310559428
【公開(kāi)日】2014年2月19日 申請(qǐng)日期:2013年11月12日 優(yōu)先權(quán)日:2013年11月12日
【發(fā)明者】王偉德 申請(qǐng)人:寧波市鄞州恒迅電子材料有限公司