無鉛焊錫合金球的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種無鉛焊錫合金球，其特征在于：無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。無鉛焊錫合金球的直徑為0.04~0.5毫米。無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，其表面不會變黃，且該焊錫球具有優(yōu)異的潤濕性，焊接時不形成空隙，同時它還具有微小的直徑。
【專利說明】無鉛焊錫合金球
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種焊錫球，特別是一種無鉛焊錫合金球。
【背景技術(shù)】
[0002]過去，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，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焊料中的鉛會溶解出來，與雨水混合，并進(jìn)入地下水。如果人類或牲畜長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)境和健康問題，在電子工業(yè)中，現(xiàn)在已經(jīng)開始使用不含鉛的即所謂的無鉛焊料。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0003]本發(fā)明的目的在于提供了一種無鉛焊錫合金球，用以解決上述的現(xiàn)有問題。
[0004]本發(fā)明的技術(shù)方案如下:一種無鉛焊錫合金球，其特征在于:無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]無鉛焊錫合金球的直徑為0.04 — 0.5毫米。
[0008]無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，其表面不會變黃，且該焊錫球具有優(yōu)異的潤濕性，焊接時不形成空隙，同時它還具有微小的直徑。
【具體實施方式】
[0010]本發(fā)明無鉛焊錫合金球，其特征在于:無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。無鉛焊錫合金球的直徑為0.04 - 0.5毫米。無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，在無鉛焊錫合金球中，如果Ag的含量小于1.0% (質(zhì)量)時，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程中，BGA封裝或其他電子零件遭受熱損傷的可能性也會增加。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，焊接缺陷可能性會增加。但是,如果Ag的含量超過8.0%(質(zhì)量)，AgSn化合物會發(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2.0% (質(zhì)量)時，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，它的存會使?jié)櫇裥宰儾睿?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0.005% (質(zhì)量)，添加P會使可焊性變差，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，最好使其不會變黃。這是因為，如前所述，表面變黃會導(dǎo)致在用圖像處理設(shè)備檢查BGA封裝時會發(fā)生錯誤。
[0015]此外，根據(jù)本發(fā)明，無鉛焊錫合金球即使在不進(jìn)行熔化操作時處于較高溫度下，也最好不會變黃。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，沒有表面變黃的情況是無鉛焊錫合金球用戶所進(jìn)行驗收測試所必需的一個要求。如果焊錫球在處于高溫下不會變黃，那么在熔化時其也不會變黃。
[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100度。根據(jù)本發(fā)明，通過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，但實際上由于老化，其接合強(qiáng)度將會增加，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制造，將其中的焊料片放入到加熱的油浴中；或通過直接法，通過孔口或噴嘴將熔融的焊料滴入或允許其以一個給定尺寸的液滴形式滴落，然后檔期通過一個室時將其固化。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)明將通過下列實例進(jìn)一步詳細(xì)描述。
[0020]實例I
通過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個小時，以評估其黃化，然后目視觀察焊錫球表面的變黃程度。表面沒有變黃的焊錫球被評價為良好的焊錫球，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或更低的氮氣氛圍的回流爐中加熱，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。然后檢測裝置檢驗空隙的存在與否，可根據(jù)空隙比例來評估這些凸塊?？障侗壤∮?0%被評價為良好的，空隙比例在10-30%間的評價為中等，空隙比例在30%以上被評價為差。
[0021]結(jié)果將會示出該無鉛焊錫合金球不會發(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)無鉛焊錫合金球在BGA基片上形成凸塊時，可以用圖像處理設(shè)備來進(jìn)行檢測。由于表面變黃造成的錯誤檢測現(xiàn)象不會發(fā)生，因此可以準(zhǔn)確地進(jìn)行檢查。此外，不僅焊接時產(chǎn)生的缺陷減少，而且還可以獲得高接合強(qiáng)度。
[0022]實例2
在這個例子中，根據(jù)本發(fā)明，在老化前后，即暴露于高溫前后，對焊錫球接合可靠性在添加P后的效果進(jìn)行了測量。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，該組合物用于通過油浴方法來制備直徑為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以下的回流爐是氮氣氛圍。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。在老化前后，都要使用上拉速度為300微米/秒的打格4000系列測試儀對焊錫凸塊進(jìn)行2秒的拉伸試驗。在老化前后，拉力測試中50個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個凸塊最大強(qiáng)度的平均值可以在2秒的拉試驗過程中獲得。
[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)層并沒有受到影響。拉伸測試導(dǎo)致的剝離面是P-富含層(當(dāng)添加P時)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]對于鍍金電路板，當(dāng)焊料合金中不包含P時，老化后的剝離表面與P-富含層和反應(yīng)層的接觸面相同。但對于含有P的焊錫合金，剝離表面移動到反應(yīng)層(第一層和第二層之間的接觸面)內(nèi)部。
[0026]對于預(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，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，在長時間的使用過程和高溫環(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，來闡述下該無鉛焊錫合金球的工業(yè)實用性。
[0030]根據(jù)本發(fā)明，即使無鉛焊錫球熔化或暴露于高溫下，其表面也不會變黃。因此，根據(jù)本發(fā)明，在使用無鉛焊錫球在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，以確定焊錫凸塊是否已適當(dāng)?shù)匦纬?。此外，根?jù)本發(fā)明，無鉛焊錫球相對于BGA封裝的電極或印刷電路板表面具有優(yōu)異的潤濕性，因此，不僅不會產(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)將無鉛焊錫球用于在BGA封裝上形成焊錫凸塊時，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)生一個小空隙，該空隙對接合強(qiáng)度也會有很大的影響。然而，根據(jù)本發(fā)明，無鉛焊錫球幾乎不會產(chǎn)生空隙。因此，當(dāng)它是用來在晶片上形成焊錫凸塊時，可以獲得高接合強(qiáng)度。此外，根據(jù)本發(fā)明，即使長時間內(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或工業(yè)設(shè)備中，其中基片通常是涂有樹脂如硅氧烷，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】
1.一種無鉛焊錫合金球，其特征在于: 無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所述的無鉛焊錫合金球，其特征在于:無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所述的無鉛焊錫合金球，其特征在于:無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所述的無鉛焊錫合金球，其特征在于:無鉛焊錫合金球的直徑為0.04 ^ 0.5 暈米。
5.根據(jù)上述 權(quán)利要求中任一一項所述的無鉛焊錫合金球，其特征在于:無鉛焊錫合金球被放置于BGA基片的電極上。
【文檔編號】B23K35/02GK103586600SQ201310559428
【公開日】2014年2月19日 申請日期: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 申請人:寧波市鄞州恒迅電子材料有限公司