專利名稱：基于錫的焊球和包含所述基于錫的焊球的半導(dǎo)體封裝的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及基于錫(Sn)的焊球和半導(dǎo)體封裝，并且更具體地，涉及含有銀(Ag)和銅(Cu)的基于錫的焊球和包含所述基于錫的焊球的半導(dǎo)體封裝。
背景技術(shù)：
隨著朝向高效、小尺寸的電子器件的趨勢，在電子器件的組裝過程中需要小型化的封裝。因此，使用焊球代替?zhèn)鹘y(tǒng)的引線框以實現(xiàn)封裝的小型化。焊球可以用于將基板(substrate)與封裝結(jié)合并且將信號從封裝的芯片傳送至基板。為減少環(huán)境污染，提出了無鉛(Pb)焊球。例如，雖然提出了由三元無鉛焊料合金(例如，錫(Sn)-銀(Ag)-銅(Cu))形成的焊球，但是焊球可能具有低的熱循環(huán)特性并且易被氧化，并且該焊料具有低鋪展性和低可潤濕性。因此，所提出的焊球具有差的可加工性和弱的耐震動性，所以所述焊球不適合用于便攜式電子產(chǎn)品。因此，對通過將另一種元素進(jìn)一步加入至Sn-Ag-Cu提高焊球的性能已經(jīng)進(jìn)行了嘗試，但焊球的性質(zhì)根據(jù)元素的種類和含量極大地變化。<相關(guān)技術(shù)文獻(xiàn)>1.登記日本專利號3602529(2004年10月I日)2.登記日本專利號4392020(2009年10月16日)3.公布日本專利號2004-188453(2004年7月8日)

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種具有高耐氧化性的基于錫(Sn)的焊球。本發(fā)明還提供一種包含基于Sn的焊球的半導(dǎo)體封裝。根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供了一種基于錫的焊球，所述基于錫的焊球包含:約0.2至4重量％ (重量百分?jǐn)?shù))銀(Ag),約0.1至I重量％銅(Cu),約0.001至0.3重量％鋁(Al)，約0.001 %至0.1重量％鍺(Ge)，以及余量的錫(Sn)和不可避免的雜質(zhì)。該基于錫的焊球可以包含約0.2至4重量％銀，約0.1至I重量％銅，約0.002至0.2重量％鋁，約0.002至0.05重量％鍺，以及余量的錫和不可避免的雜質(zhì)。該基于錫的焊球可以包含約0.2至4重量％銀，約0.1至I重量％銅，約0.002至0.2重量％鋁，約0.01至0.05重量％鍺，以及余量的錫和不可避免的雜質(zhì)。根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供一種基于錫的焊球，所述基于錫的焊球包含:約0.2至4重量％銀，約0.1至I重量％銅，約0.001至0.3重量％磷(P)，約0.001至0.1重量％鍺，以及余量的錫和不可避免的雜質(zhì)。
該基于錫的焊球可以包含約0.2至4重量％銀，約0.1至I重量％銅，約0.001至0.3重量％磷，約0.002至0.05重量％鍺，以及余量的錫和不可避免的雜質(zhì)。該基于錫的焊球可以包含約0.2至4重量％銀，約0.1至I重量％銅，約0.001至0.03重量％磷，約0.01至0.05重量％鍺，以及余量的錫和不可避免的雜質(zhì)。根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供一種包含基于錫的焊球的半導(dǎo)體封裝，所述基于錫的焊球含有約0.2至4重量％銀，約0.1至I重量％銅，約0.001至0.3重量％鋁，約0.001 %至0.1重量％鍺，以及余量的錫和不可避免的雜質(zhì)。該基于錫的焊球在保持在聞溫聞濕氣氛中之后可以具有良好的鋪展特性和聞耐氧化性以防止脫色。


通過參考附圖在其詳細(xì)例示性實施方案中描述，本發(fā)明的以上和其他特征和益處將變得更顯見，其中:圖1是根據(jù)本發(fā)明的實施方案的基于錫(Sn)的焊球的示意圖；并且圖1A至IC是包含根據(jù)本發(fā)明的實施方案的焊球的半導(dǎo)體封裝的示意圖；圖2顯示通過改變根據(jù)本發(fā)明的實施方案的焊球的組成制備的焊球的組成比；圖3A至SB是顯示根據(jù)本發(fā)明的實施方案的焊球的高溫、高濕特性的圖；圖9A至9D是顯示將根據(jù)本發(fā)明的實施方案的焊球在高溫和高濕氣氛中保持約168小時之后的脫色程度的圖像；圖10是顯示對根據(jù)本發(fā)明的實施方案的焊球進(jìn)行的硬度測試的結(jié)果的圖；并且圖11是顯示對根據(jù)本發(fā)明的實施方案的焊球進(jìn)行的掉落測試的結(jié)果的圖。
具體實施例方式在下文中參考附圖更完整地描述本發(fā)明，附圖中顯示了本發(fā)明的實施方案。在圖中，使用相同的參考號表示相同的元件，并且將其重復(fù)說明省略。然而，本發(fā)明可以以很多不同的形式實現(xiàn)并且不應(yīng)被理解為限定于這里給出的實施方案。而是，提供這些實施方案以使得該公開將是全面的并且完整的，并且將完整地將本發(fā)明的范圍告知本領(lǐng)域技術(shù)人員。在附圖中，為了簡便可能夸大相應(yīng)的層的厚度或尺寸。圖1A至IC是包含根據(jù)本發(fā)明的實施方案的焊球的半導(dǎo)體封裝的示意圖。參考圖1A，半導(dǎo)體封裝100可以包含焊球10、印刷電路板(PCB) 20、接合線40和封閉層50?？梢詫雽?dǎo)體芯片30安裝在PCB 20上并使用接合線40電連接至PCB 20。焊球10可以粘附至PCB 20的底部表面并且通過在PCB 20中形成的通孔(via)(未顯示)電連接至半導(dǎo)體芯片30。封閉層50可以在PCB 20上形成并且密封半導(dǎo)體芯片30和接合線40。后面將詳細(xì)描述焊球10的組成和形狀。雖然圖1A顯示了其中將一個半導(dǎo)體芯片30安裝在PCB 20上的實例，但是在另一個實施方案中，可以安裝多個半導(dǎo)體芯片30。參考圖1B,半導(dǎo)體封裝200可以包含第一焊球IOa和第二焊球10b?？梢允褂玫谝缓盖騃Oa將半導(dǎo)體芯片30連接至PCB 20?？梢詫⒌诙盖騃Ob粘附至PCB 20的底部表面并且通過在PCB 20中形成的通孔(未顯示)電連接至半導(dǎo)體芯片30。封閉層50可以形成在PCB 20上并密封半導(dǎo)體芯片30和第一焊球10a。第一焊球IOa可以是具有與第二焊球IOb基本上相同的組成的基于錫的焊球。可以將第一焊球IOa制成比第二焊球IOb更小的尺寸。參考圖1C，半導(dǎo)體封裝300可以包含半導(dǎo)體芯片30和焊球10。半導(dǎo)體芯片30可以是片上系統(tǒng)(system on chip) (SOC)芯片或系統(tǒng)級封裝(system in package) (SIP)芯片。在下文中，將描述根據(jù)本發(fā)明的實施方案的焊球。根據(jù)實施方案的焊球可以包含約0.2至4重量％銀(Ag)和約0.1至I重量％銅(Cu)，以及約0.001 M0.3重量％鋁(Al)、約0.001至0.3重量％磷(P)和約0.001至0.1重量％鍺(Ge)中的至少一項，以及余量的錫(Sn)和不可避免的雜質(zhì)。例如，該焊球可以包含約0.2至4重量％銀，約0.1至I重量％銅，約0.001至0.3重量％鋁，約0.001至0.1重量％鍺，以及余量的錫和不可避免的雜質(zhì)。該焊球可以包含約0.2至4重量％銀。當(dāng)在基于錫的焊球中含有銀時，焊球的粘著性可以提高。同時，當(dāng)以過高含量含有銀時，焊球的熔點可能增加從而阻礙凸起(bump)形成。焊球可以含有約0.1至I重量％銅。當(dāng)在焊球中部分地含有銅時，可以提高焊球的接縫(joint)特性如焊接接縫可靠性和接縫強(qiáng)度。同時，當(dāng)以過高含量含有銅時，在高溫可能形成銅橋(copper bridge),并且在銅中可能形成空隙,從而降低接縫特性。可以將鋁、磷或鍺以小量加入至三元錫-銀-銅焊球并防止焊球的氧化。例如，含有約0.001至0.3重量％鋁的焊球在高溫、高濕氣氛中可以具有提高的耐氧化性。當(dāng)將鋁、磷和鍺中的至少一種以小量加入時，所加入的元素可以比錫更早氧化以在焊球的表面上形成天然氧化物層并防止錫的氧化。同時，當(dāng)將鋁、磷或鍺以過高含量加入時，所加入的元素可能與銅形成金屬間化合物也可能沉淀并氧化從而降低焊球的性能。根據(jù)本發(fā)明的實施方案的焊球可以含有約0.2至4重量％的銀和約0.1至I重量％銅，以及約0.001至0.3重量％鋁、約0.001至0.3重量％磷和約0.001至0.1重量％鍺中的至少一項，以及余量的錫和不可避免的雜質(zhì)，并且具有提高的高溫、高濕特性。例如，在將焊球保持預(yù)定時間期間之后，可以評價焊球的鋪展特性，或者可以通過測量殘留在焊球中的氧的含量評價焊球的耐氧化性?，F(xiàn)在將參考圖3A至9D的圖和圖像描述根據(jù)本發(fā)明的實驗例的焊球的耐氧化性。在下文中，將描述制備根據(jù)本發(fā)明的實施方案的焊球的方法和評價焊球的高溫高濕特性和機(jī)械強(qiáng)度的方法。1.根據(jù)實驗例和比較例的焊球的制造圖2顯示通過改變根據(jù)本發(fā)明的實施方案的焊球的組成制備的焊球的組成比。每一個根據(jù)實驗例的焊球含有銀、銅、錫和小量的鋁、磷和鍺中的至少一種元素。詳細(xì)地，每一個根據(jù)實驗例的焊球可以包含約0.2至4重量％銀，約0.1至I重量％銅，以及約0.001至0.3重量％鋁、約0.001至0.3重量％磷和約0.001至0.3重量％鍺中的至少一項，以及余量(即，余下的量)的錫。如圖2中所示，通過改變相應(yīng)元素的含量制備根據(jù)實施方案的焊球。根據(jù)比較例的焊球包含約0.1至5重量％銀，約0.1至2重量％銅，以及余量的錫。將根據(jù)實驗例和比較例的焊球的每一個制成具有約0.3mm的直徑的球形。2.焊球在高溫高濕條件下的儲存
將焊球在穩(wěn)態(tài)溫度濕度影響壽命測試的條件(JESD22-A-101-B)下在保持在約85°C的溫度和約85%的濕度的室中分別保持約72小時和168小時。3.鋪展特性的評價在將根據(jù)實驗例和比較例的焊球保持在高溫和高濕氣氛中之后，評價焊球的鋪展特性。在根據(jù)JISZ3198_3(無鉛焊料鋪展測試)的條件下測試鋪展特性。詳細(xì)地，將焊劑涂布在使用鹽酸(HCl)溶液拋光的銅板上，將焊球粘附至焊劑上，并且進(jìn)行回流過程。在回流過程之后，測量焊球的鋪展區(qū)域(spreading area)的直徑。4.氧含量的測量在將根據(jù)實驗例和比較例的焊球保持在高溫高濕氣氛中之后，測量焊球中氧殘留的含量。詳細(xì)地，當(dāng)通過對惰性氣體(例如，氦(He))氣氛中的Ig的焊球施加熱將Ig的焊球瞬間熔化時，測量所產(chǎn)生的二氧化碳(CO2)的量以計算氧的量。

5.脫色程度的觀察在將根據(jù)實驗例和比較例的焊球分別在高溫高濕氣氛中保持約72小時和約168小時之后，用肉眼觀察焊球的脫色程度。在初始狀態(tài)下，焊球為有光澤、金屬銀灰色。在保持在高溫高濕氣氛中之后，當(dāng)焊球為與初始顏色幾乎相同的銀灰色時，將相應(yīng)的焊料表示為X。當(dāng)焊球微暗并且部分地發(fā)黃時，將相應(yīng)的焊球表示為Λ。當(dāng)焊球變得褪色并發(fā)黃時，將相應(yīng)的焊球表示為〇。6.硬度的評價經(jīng)由硬度測試評價根據(jù)實驗例和比較例的焊球的機(jī)械性質(zhì)。為進(jìn)行硬度測試，對放在初始狀態(tài)下的每個焊球施加約IOmN的負(fù)載并將焊球回流約15秒，測量壓痕標(biāo)記的長度。7.掉落測試經(jīng)由掉落測試評價根據(jù)實驗例和比較例的每個焊球的接縫可靠性。為進(jìn)行接縫可靠性測試，將具有約0.3mm的直徑的焊球安置在涂布有水溶性焊劑的封裝的電極上，并且進(jìn)行回流過程以將焊球安裝至封裝上。之后，將附著至封裝的焊球粘附至由印刷基板的焊膏制成的電極，以使得封裝與印刷基板通過焊球連接。在根據(jù)JESD22-B104 (機(jī)械震動測試)的條件下評價掉落測試。詳細(xì)地，將基板在1500g和0.5ms的條件下掉落直至焊球分離，并且觀察芯片是否附著。使基板總計掉落173次，并且進(jìn)行掉落測試直至焊球分離，從而獲得累積故障率。從而，在圖11中給出掉落次數(shù)和累積故障率之間的關(guān)系的分布。圖3A至SB是顯示根據(jù)本發(fā)明的實施方案的焊球的高溫、高濕特性的圖。圖3A和3B分別例示在將向其加入約0.002至0.2重量％鋁的錫-銀-銅焊球保持在高溫高濕氣氛中之后相對于鋁含量的氧含量和鋪展特性。表I顯示其中以不同的含量含有招的焊球的聞溫聞濕特性。[表 I]
權(quán)利要求
1.一種基于錫(Sn)的焊球，所述基于錫(Sn)的焊球包含: 約0.2至4重量％ (重量百分?jǐn)?shù))銀(Ag)； 約0.1至I重量％銅(Cu)； 約0.0Ol至0.3重量％鋁(Al)； 約0.001%至0.1重量％鍺(Ge);以及 余量的錫(Sn)和不可避免的雜質(zhì)。
2.權(quán)利要求1所述的基于錫的焊球，所述基于錫的焊球包含約0.2至4重量％銀，約0.1至I重量％銅，約0.002至0.2重量％鋁，約0.002至0.05重量％鍺，以及余量的錫和不可避免的雜質(zhì)。
3.權(quán)利要求1所述的基于錫的焊球，所述基于錫的焊球包含約0.2至4重量％銀，約0.1至I重量％銅，約0.002至0.2重量％鋁，約0.01至0.05重量％鍺，以及余量的錫和不可避免的雜質(zhì)。
4.一種基于錫(Sn)的焊球，所述基于錫(Sn)的焊球包含: 約0.2至4重量％銀(Ag)； 約0.1至I重量％銅(Cu)； 約 0.001 M0.3 重量 ％磷(P)； 約0.001至0.1重量％鍺(Ge)；以及 余量的錫(Sn)和不可避免的雜質(zhì)。
5.權(quán)利要求4所述的基于錫的焊球，所述基于錫的焊球包含約0.2至4重量％銀，約0.1至I重量％銅，約0.001至0.3重量％磷，約0.002至0.05重量％鍺，以及余量的錫和不可避免的雜質(zhì)。
6.權(quán)利要求4所述的基于錫的焊球，所述基于錫的焊球包含約0.2至4重量％銀，約0.1至I重量％銅，約0.001至0.03重量％磷，約0.01至0.05重量％鍺，以及余量的錫和不可避免的雜質(zhì)。
7.一種半導(dǎo)體封裝，所述半導(dǎo)體封裝包含權(quán)利要求1至6中任一項所述的基于錫的焊球。
全文摘要
本發(fā)明提供基于錫(Sn)的焊球和包含所述基于錫(Sn)的焊球的半導(dǎo)體封裝。該基于錫的焊球包含約0.2至4重量％銀(Ag)，約0.1至1重量％銅(Cu)，約0.001至0.3重量％鋁(Al)，約0.001％至0.1重量％鍺(Ge)，以及余量的錫和不可避免的雜質(zhì)。該基于錫的焊球具有高耐氧化性。
文檔編號H01L23/488GK103165559SQ201210543999
公開日2013年6月19日 申請日期2012年12月14日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月14日
發(fā)明者李榮佑, 李林馥, 洪性在, 文晶琸 申請人:Mk電子株式會社