焊料包覆球及其制造方法
【專利摘要】本發明的實施方式的焊料包覆球（10A）具有：球狀的芯（11）和以包覆芯（11）的方式形成的焊料層（12），焊料層（12）含有Sn和Bi，Bi含有率為45質量％以上65質量％以下，并且，Bi的含有率在內側高、在外側低。其他的焊料包覆球（10B）在芯（11）與焊料層（12）之間還具有Ni鍍層（13）。
【專利說明】焊料包覆球及其制造方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及半導體封裝的輸入輸出端子所使用的焊料包覆球及其制造方法。
【背景技術】
[0002]焊料包覆球主要用于連接電氣、電子機器的部件。具體而言，焊料包覆球例如被用于部件周圍具有引線端子的QFP(四邊扁平封裝,Quard Flat Package)、或比較小型且可以具有多管腳的BGA (球形陣列封裝，Ball Grid Array)和CSP (芯片尺寸封裝，Chip SizePackage)等的半導體封裝的輸入輸出端子。焊料包覆球具有在例如直徑為50 μ m~1.5mm左右的由金屬或樹脂形成的微小球的表面上設置有含鉛(Pb)的焊料層的結構。
[0003]近年來，含鉛的焊料由于環境問題被替換為無鉛焊料(無Pb焊料)。例如，在專利文獻I和專利文獻2中公開了具有不含鉛的錫一銀(Sn - Ag)系焊料層的焊料包覆球。但是，錫一銀系的焊料層存在熔點高(例如220°C)的問題。
[0004]因此，在專利文獻3中公開了具有錫一鉍(Sn - Bi) 二元系的焊料層的焊料包覆球。根據專利文獻3，錫一鉍二元系的焊料層的Bi含有率，在最內周為15.0質量％~22.0質量％、在最外周為29.0質量％~44.0質量％，由此能夠將焊料層的熔點降到140°C。
[0005]現有技術文獻
[0006]專利文獻
[0007]專利文獻1:日本特開 2004 - 114123號公報
[0008]專利文獻2:日本特開2004 - 128262號公報
[0009]專利文獻3:日本特開2007 - 46087號公報
【發明內容】
[0010]發明所要解決的技術問題
[0011]但是，根據本發明的發明人的研究，專利文獻3所記載的技術中存在以下的問題。
[0012]根據圖7所示的錫一鉍二元系的相圖可以理解，即使為Bi的含有率低的組成，也是在140°C出現液相。但是，為了使專利文獻3所記載的組成范圍的焊料層完全成為熔融狀態(液相)，需要加熱到超過200°C的溫度，因此，在專利文獻3的實施例中，在220°C進行再流平。另外，由于專利文獻3所記載的組成范圍含有較多的成為固液共存狀態的組成，因此如果不加熱到超過200°C的溫度，熔融狀態就會變得不穩定，固化后的焊料層的結構容易變得不均勻。即，當在160°C以下的溫度對專利文獻3所記載的焊料包覆球進行再流平時，固化后的焊料層的結構變得不均勻，結果存在機械特性的偏差增大的問題。另外，如專利文獻3所述，為了使Bi濃度在焊料層的外側高，需要一邊進行鍍敷一邊向鍍液補充Bi，鍍液中的Bi濃度的管理困難。
[0013]本發明是鑒于上述技術問題而完成的發明，其目的在于提供一種能夠在160°C以下的溫度進行再流平的焊料包覆球及其制造方法。
[0014]用于解決技術問題的技術手段[0015]本發明的實施方式的焊料包覆球具有球狀的芯、和以包覆上述芯的方式形成的焊料層，上述焊料層含有Sn和Bi，Bi含有率為45質量％以上65質量％以下，并且，Bi的含有率在內側高、在外側低。上述焊料層由實質上只含有Sn和Bi的二元系合金形成。在此，所謂“實質上只含有Sn和Bi”是指，只要不對熔點造成無法獲得本發明的效果的程度的影響，可以含有其他元素。
[0016]在某個實施方式中，以10°C /分鐘的升溫速度測定的DSC曲線中的終止溫度為160°C以下。此時，起始溫度優選為135°C以上。
[0017]在某個實施方式中，上述焊料包覆球在上述芯與上述焊料層之間還具有Ni鍍層。此時，優選上述芯由銅形成。
[0018]本發明的實施方式的焊料包覆球的制造方法是用于制造上述任一實施方式所述的焊料包覆球的方法，該方法包括:準備球狀的芯的工序；和在以垂直軸為中心旋轉的鍍槽內的鍍液中，利用鍍敷法在上述芯上形成焊料層的工序。
[0019]發明效果
[0020]根據本發明的實施方式，提供一種具有能夠在160°C以下的溫度進行再流平的焊料層的焊料包覆球及其制造方法。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0021]圖1的(a)和(b)是本發明的實施方式的焊料包覆球IOA和IOB的截面示意圖。
[0022]圖2是示意地表示本發明的實施方式的焊料包覆球的制作中所使用的、高速旋轉鍍敷裝置100的結構的圖。`
[0023]圖3的(a)、(b)和(c)是分別表示本發明的實施方式的實施例的焊料包覆球A、B和C的DSC曲線的圖。
[0024]圖4的(a)和(b)是分別表示比較例的焊料包覆球D和E的DSC曲線的圖。
[0025]圖5的(a)和(b)是表示焊料包覆球A的截面SEM像(組成像)的圖。
[0026]圖6是表示利用旋轉滾筒法制作的焊料包覆球的截面SEM像(組成像)的圖。
[0027]圖7是錫一鉍的二元系的相圖。
【具體實施方式】
[0028]下面參照附圖，對本發明的實施方式的焊料包覆球及其制造方法進行說明。
[0029]圖1 (a)和(b)表示本發明的實施方式的焊料包覆球IOA和IOB的截面示意圖。
[0030]圖1 (a)所示的焊料包覆球IOA具有:球狀(ball狀)的芯11、和以包覆芯11的方式形成的焊料層12。焊料層12含有Sn和Bi，Bi含有率為45質量％以上65質量％以下，并且Bi的含有率在內側高、在外側低。焊料層12由實質上只含有Sn和Bi的二元系合金形成。芯11由金屬或樹脂形成。金屬例如為銅(Cu)或含銅的合金、不銹鋼(SUS)。芯11的直徑例如為50 μ m以上1.5mm以下。
[0031]圖1 (b)所示的焊料包覆球10B，在芯11的表面還具有鍍層13，在鍍層13上具有焊料層12，在這一點上與焊料包覆球IOA不同。鍍層13例如為鎳(Ni)鍍層。鍍層13的厚度例如為0.1ym以上4 ym以下。例如，對在由銅(Cu)形成的芯11上直接形成有焊料層12的焊料包覆球IOA進行再流平時，有時會在芯11與焊料層12的界面生成Cu6Sn5的金屬間化合物，導致落下沖擊性降低。通過設置鍍層13，能夠防止生成上述的金屬間化合物。
[0032]在實質上只含有Sn和Bi的二元系合金中，Bi含有率為45質量％以上65質量％以下的組成接近共晶組成(Bi的含有率為58質量％，參照圖7)，成為固液共存狀態的溫度范圍窄，為139°C以上160°C以下。因此，不僅能夠在160°C以下的溫度進行再流平，而且能夠得到均勻且穩定的熔融狀態，因此固化后(接合后)的焊料層的結構的均勻性高、機械特性的偏差小。本發明的實施方式的焊料包覆球IOA和IOB所具有的焊料層12，優選以10°C /分鐘的升溫速度測定的DSC曲線中的終止溫度為160°C以下，起始溫度為135°C以上。
[0033]Bi的含有率在內側(芯11偵D高、在外側低的這樣的Bi的濃度分布容易形成。在鍍液中，Sn由于陽極的溶解隨時補充到鍍液中，而Bi在鍍敷的初期添加后，如果不補充，隨著鍍敷的進行，鍍液中的Sn的存在比率就會增大(Bi的存在比率下降)。因此，本發明的實施方式的焊料包覆球IOA和IOB具有比專利文獻3所記載的焊料包覆球容易制造的優點。
[0034]本發明的實施方式的焊料包覆球的制造方法是用于制造上述的焊料包覆球的方法，優選包括:準備球狀的芯的工序；和在以垂直軸(鉛直軸)為中心旋轉的鍍槽內的鍍液中，利用鍍敷法在芯上形成焊料層的工序。
[0035]一邊使鍍槽以垂直軸為中心旋轉一邊進行鍍敷的工序，例如可以使用圖2所示的高速旋轉鍍敷裝置100實施。
[0036]高速旋轉鍍敷裝置100具有被垂直延伸的旋轉軸I支撐的、能夠水平旋轉的圓筒狀的鍍槽7。鍍槽7具有:圓盤狀的底部7a、與底部7a連接且以將底部7a擴張的方式連接的傾斜部7b、與傾斜部7b連接且具有陰極的第一圓筒部7c、和與第一圓筒部7c連接且內徑比第一圓筒部7c小的第二圓筒部7d。鍍槽7的上表面被與底部7a平行的平板狀的上蓋6覆蓋，與第二圓筒部7d連接。旋轉軸I例如為電動機的軸，支撐鍍槽底部7a，并能夠使鍍槽7旋轉。當然，也可以進行正旋轉和反旋轉兩者(例如，最大轉速1000rpm)。
[0037]鍍敷裝置100在鍍槽7的第一圓筒部7c設置有陰極。在被鍍物5與陰極接觸時，被鍍物5被通電，形成鍍層。配置于第一圓筒部7c的陰極例如可以使用鈦、黃銅、不銹鋼、銅等。
[0038]上蓋6在其中央部具有用于將陽極3插入鍍槽7內的開口部。在此，陽極3使用錫(Sn)。鍍敷裝置100具有未圖示的直流電源，向第一圓筒部7c的陰極與陽極3之間施加電壓。控制施加電壓，使得施加電流值或電壓保持一定。另外，也可以以使電流密度保持一定的方式進行控制，但操作繁瑣。
[0039]上蓋6的開口部由圓筒部件8包圍。圓筒部件8用于防止在鍍槽7的高速旋轉時或反轉時鍍液4飛散。
[0040]另外，上蓋6抑制在鍍槽7的高速旋轉時鍍槽7的中心部的鍍液面的變動。因此，能夠防止陽極3的整體或大部分從鍍液4露出，因此能夠形成具有均勻膜厚和良好外觀的鍍層。
[0041]另外，鍍槽7在內周部具有傾斜部7b，因此受到離心力的被鍍物5向傾斜部7b上堆積。由此，能夠防止被鍍物5滯留在鍍槽7的底部，能夠容易地使被鍍物5與第一圓筒部7c的陰極接觸。另外，在第一圓筒部7c上具有內徑比第一圓筒部7c小的第二圓筒部7d，因此能夠有效地使被鍍物5與第一圓筒部7c的陰極接觸。傾斜部7b的傾斜角α大于0°小于90°，可以根據被鍍物5的量和鍍槽7的旋轉速度等適當設定。例如，α為45°。另外，優選第二圓筒部7d的內徑為與傾斜部7b的最小內徑同等的程度。
[0042]下面，例示幾個實驗結果，對本發明的實施方式的焊料包覆球IOA及其制造方法進行詳細說明。
[0043]在以下的實驗例中，使用圖2所示的高速旋轉鍍敷裝置100，制作具有焊料層12的焊料包覆球10A。其中，鍍敷裝置100的鍍槽7的外周為180mm，旋轉速度為350rpm。作為鍍液4，可以使用甲磺酸類的鍍液(例如，大和化成研究所銷售)。鍍液含有甲磺酸Sn、甲磺酸B1、甲磺酸和表面活性劑。另外也可以使用專利文獻3所記載的鍍液等公知的鍍液。各自的濃度根據形成的焊料層12的組成調節。另外，在開始鍍敷之后，不追加甲磺酸Bi，調節電壓使得施加電流保持一定，形成Bi的含有率在內側高、在外側低的焊料層。作為芯11，使用直徑為560 μ m的銅球。焊料層12的厚度約為20 μ m。
[0044]圖3 (a)、(b)和(c)分別表示本發明的實施方式的實施例的焊料包覆球A、B和C的DSC曲線。焊料包覆球A具有含有53質量％的Bi的Sn — Bi 二元系焊料層，焊料包覆球B具有含有45質量％的Bi的Sn — Bi 二元系焊料層，焊料包覆球C具有含有65質量％的Bi的Sn - Bi 二元系焊料層。圖4 (a)和(b)表示比較例的焊料包覆球D和E的DSC曲線。焊料包覆球D具有含有18質量％的Bi的Sn — Bi 二元系焊料層，焊料包覆球E具有含有79質量％的Bi的Sn - Bi 二元系焊料層。
[0045]DSC的測定使用SII NanoTechnology Inc.生產的差示掃描量熱計DSC6220。試樣為40mg的焊料包覆球，使用鋁制的坩堝。升溫速度為10°C /分鐘，測定溫度范圍為100°C~250°C,取樣間隔為0.2秒。載氣使用気。
[0046]如圖3 (a)所示，在Bi的含有率為53質量％的焊料包覆球A的DSC曲線中，起始溫度(熔解開始溫度)為137.40C，終止溫度(熔解結束溫度)為144.8°C。這樣，由于焊料層12的組成接近共晶組成(Bi為58質量％)，因而熔解峰尖銳，能夠得到可以在160°C以下的溫度充分再流平的、均質的焊料層12。
[0047]另外，如圖3(b)所示，在Bi的含有率為45質量％的焊料包覆球B的DSC曲線中，起始溫度為136.9°C，終止溫度為153.3°C。這樣，即使Bi的含有率為45質量％，熔解峰也是尖銳的，能夠得到可以在160°C以下的溫度充分再流平的、均質的焊料層12。
[0048]另外，如圖3(c)所示，在Bi的含有率為65質量％的焊料包覆球C的DSC曲線中，起始溫度為136.9°C，終止溫度為159.8°C。這樣，即使Bi的含有率為65質量％，熔解峰也是尖銳的，能夠得到可以在160°C以下的溫度充分再流平的、均質的焊料層12。
[0049]另一方面，在圖4 (a)所示的、Bi的含有率為18質量％的焊料包覆球D的DSC曲線中，起始溫度為138.(TC，非常低，但終止溫度為185.2°C，超過160°C。另外，在圖4 (b)所示的、Bi的含有率為79質量％的焊料包覆球E的DSC曲線中，起始溫度為136.9°C，非常低，但終止溫度為195.8°C，遠遠超過160°C。這樣，在遠遠偏離共晶組成時，焊料層在160°C以下的溫度不完全熔解，并且固化后的結構也容易變得不均勻。
[0050]因此，為了得到能夠在160°C以下的溫度再流平的、均質的焊料層12，優選Bi的含有率為45質量％以上。另一方面，優選Bi的含有率為65質量％以下，并且，由于Bi含有量少時熔點變得更低，因此進一步優選Bi的含有率低于58質量％ (Bi含有率比共晶組成低)。從圖7的相圖可知，成為與Bi的含有率為45質量％的合金相同熔點的Bi的含有率超過65質量％，但Bi的含有率過大時，出現焊料的接合強度的偏差增大等的問題。可以認為這是由于Bi的含有率超過共晶組成時，Bi的熔融狀態變得不穩定，使焊料層12熔融固化后的結構變得不均勻。特別是在Bi的含有率超過65質量％時，機械特性的偏差變大。
[0051]圖5 Ca)和(b)表示上述焊料包覆球A的截面的由SEM得到的組成像。圖5 (a)是圖5 (b)的放大圖。圖6表示按照專利文獻3記載的旋轉滾筒法制作的焊料包覆球的截面SEM像(組成像)。
[0052]由圖5 (a)、(b)與圖6的比較可知，采用滾筒鍍敷法時，在焊料層內形成“孔(空隙)”(圖6)，而通過使用高速旋轉鍍敷裝置，能夠得到沒有“孔”的致密的焊料層12 (圖5(a)和(b))。
[0053]另外，在圖5 (a)和(b)中，較亮的點在內側分布多，由此可知，相比Sn為重元素的Bi的含有率在內側(芯側)增 高。通常，在SEM的組成像中，觀察為輕元素較暗、重元素較売。
[0054]這樣，在使用高速旋轉鍍敷裝置時，能夠容易地制造具有致密的焊料層的實施例的焊料包覆球。
[0055]產業上的可利用性
[0056]本發明適合用于半導體封裝的輸入輸出端子所使用的焊料包覆球及其制造方法。
[0057]符號說明
[0058]10AU0B:包覆球；11:芯；12:焊料層；13:鍍層(Ni鍍層)。
【權利要求】
1.一種焊料包覆球，其特征在于: 所述焊料包覆球具有球狀的芯、和以包覆所述芯的方式形成的焊料層， 所述焊料層含有Sn和Bi，Bi含有率為45質量％以上65質量％以下，并且，Bi的含有率在內側高、在外側低。
2.如權利要求1所述的焊料包覆球，其特征在于: 以10°C /分鐘的升溫速度測定的DSC曲線中的終止溫度為160°C以下。
3.如權利要求1或2所述的焊料包覆球，其特征在于: 所述芯與所述焊料層之間還具有Ni鍍層。
4.一種焊料包覆球的制造方法，用于制造權利要求1~3中任一項所述的焊料包覆球，其特征在于，包括: 準備球狀的芯的工序；和 在以垂直軸為中心旋轉的鍍槽內的鍍液中，利用鍍敷法在所述芯上形成焊料層的工序。`
【文檔編號】B23K35/14GK103703168SQ201380002311
【公開日】2014年4月2日 申請日期:2013年3月15日 優先權日:2012年3月23日
【發明者】淺田賢, 西村絢子 申請人:株式會社新王材料, 日立金屬株式會社