專利名稱：焊料、焊接方法和半導體器件的制作方法
技術領域：
本文討論的實施方案涉及焊料、焊接方法和半導體器件。
背景技術：
迄今，例如，在將電子元件安裝在電路板上時，廣泛使用具有例如37重量％的Pb(鉛)含量的Sn(錫)-Pb(鉛)共晶焊料。然而，近年來，含Pb焊料的應用已從實現環保的角度受到限制，使得無Pb焊料得以應用。含3wt% Ag(銀)、0· 5wt% Cu(銅)和余量Sn的Sn-Ag-Cu合金已知為典型的無Pb焊料。在下文，在表示合金組成的情況下，含量)在元素符號之前描述。例如，前文 Sn-Ag-Cu 合金表不為 Sn-3wt% Ag-0. 5wt% Cu。此外，Sn-3. 5wt% Ag合金和Sn_0. 7wt% Cu合金也已知為無鉛焊料合金。以下為參考文件。日本專利特許公開公布號62-252693日本專利特許公開公布號2001-334386日本專利特許公開公布號2010-16747
發明內容
根據實施方案的一個方面，焊料包括Sn (錫)、Bi (鉍)和Zn (鋅)，其中焊料具有O. O Iwt % 至 O. Iwt % 的 Zn 含量。借助于權利要求中具體指出的要素與組合將實現并獲得本發明的目的和優點。應當理解，前文的一般性描述與以下詳細描述兩者均為示例性和說明性的，并且不是對所要求保護的本發明的限制。
圖I是Sn-Bi合金的相圖；圖2是圖示Bi含量與Sn-Bi合金的疲勞壽命之間關系的圖；圖3是用于測量疲勞壽命方法概要的說明圖；圖4是圖示Sb含量與Sn-Bi-Sb合金斷裂伸長率之間的關系的圖；圖5A是Sn_58wt% Bi-0. 5wt% Sb合金結構的二值化掃描電鏡顯微照片，并且圖5B是Sn-58wt% Bi-0. 5wt% Sb-0. Iwt % Zn合金結構的二值化掃描電鏡顯微照片；圖6是Sn-58wt% Bi合金的組分列表；圖7是圖示回流時一個示例性溫度曲線的圖；圖8是凸塊拉力測試概要的說明圖；圖9是圖示凸塊拉力測試結果的圖；圖10是圖示在125°C保持1000小時之后Sn_58wt% Bi-0. 5wt% Sb-Zn合金的Zn含量與拉伸強度(斷裂應力)之間的關系的圖11是用于計算潤濕鋪展度的方法的說明圖；圖12是圖示Sn-Bi-Sb合金的Zn含量與潤濕鋪展度之間關系的圖；和13是示例性倒裝芯片球柵格陣列(FC-BGA)封裝半導體器件的橫截面視圖。
具體實施例方式在描述實施方案之前，下面將描述 初步信息以利于理解實施方案。對于倒裝芯片球柵格陣列(FC-BGA)封裝半導體器件，將半導體芯片(裸片)用焊料(焊料凸塊)安裝在封裝襯底(插入式)的上側，用于初步安裝。將用于二次安裝以與電路板形成連接的焊料(焊球)布置在封裝襯底的下側上。對于FC-BGA封裝半導體器件，用于初步安裝的焊料不應在安裝在電路板上的過程中熔化。為此，重要的是用于二次安裝的焊料的熔點充分低于用于初步安裝的焊料的熔點。上文描述的所有無Pb焊料合金都具有比Sn-Pb焊料(共晶焊料)高的熔點。在目前的情況下，沒有適合作為用于二次安裝的焊料的低熔點無Pb焊料。例如，Sn-37wt% Pb焊料具有183°C的熔點，而Sn-3wt% Ag-0. 5wt% Cu合金具有217°C的熔點，Sn_3. 5wt% Ag合金具有221 °C的熔點，并且Sn-0. 7wt% Cu合金具有227°C的熔點。Sn-Bi (鉍)合金已知是具有低熔點的合金。例如，Sn_58wt% Bi合金具有139°C的熔點。由此預期，例如Sn-3wt% Ag-0. 5wt% Cu合金可用作用于初步安裝的焊料,并且Sn-58wt% Bi合金可用作用于二次安裝的焊料。然而，Sn_58wt% Bi合金硬且脆。接合后施加于合金上的沖擊或大應力會引起開裂。因此，當合金用作用于電子元件的焊料時，其不具有足夠的可靠性。同時，已經報道了由含有O. 5wt%至I. 5wt % Sb和O. 5wt%至3wt% Ag的Sn-Bi合金構成的無Pb焊料以及由含有O. 3界1:%至O. 8wt% Sb的Sn-Bi合金構成的無Pb焊料。發明人已實施了如下環境測試(加速測試)，測試中將含Ag或Sb的Sn-Bi合金(無Pb焊料)焊接到Cu (銅)電極，并在高溫環境中保持，以檢查粘合強度的降低情況。結果已證明，在無Pb焊料的情況下，Cu與Sn反應，以生長金屬間化合物(Cu-Sn反應層)，并且在電極與焊料之間的界面形成脆性富Bi層，由此降低粘合強度。此外，已報道了包含O. lwt%至3wt% Sb和2wt%至4wt% Zn (鋅)的Sn-Bi合金。然而，該焊料適合于陶瓷材料并且對于電極材料例如Cu沒有足夠的潤濕性。實施方案發明人已對可用于FC-BGA封裝半導體器件的無Pb焊料進行了深入研究，所述無Pb焊料具有低熔點和高延展性，并且長期保持足夠的粘合強度。結果已證明，由包含O. 01￥1:%至O. Iwt % Zn的Sn-Bi合金構成的焊料(Sn-Bi-Zn合金)具有低熔點，固化后形成Sn和Bi的共晶結構，并且如果在高溫環境進行環境測試的話僅呈現小的強度降低。如果Sn-Bi-Zn合金具有小于45wt%的Bi含量，則Sn的初晶析出增加，從而提高合金(焊料)的熔點。如果Sn-Bi-Zn合金具有超過65wt%的Bi含量，則熔點以及Bi的初晶析出增加，從而使合金變脆。因此，Sn-Bi-Zn合金優選具有45被％至65wt%的Bi含量。圖I是Sn-Bi合金的相圖。如圖I中所示，當Bi含量在45￥七％至65wt%的范圍時，Sn-Bi合金具有165°C或更低的熔點。根據該實施方案的無Pb焊料(Sn-Bi-Zn合金)是其中摻入Zn的Sn-Bi合金。無Pb焊料的熔點基本上與Sn-Bi合金的熔點相同，這是因為Zn含量低至O. 1wt %或更小。 圖2是圖示Bi含量與Sn-Bi合金的疲勞壽命之間的關系的圖，水平軸代表Bi含量，而垂直軸代表疲勞壽命。如圖3所示，以6. 28弧度/秒的速度對測試試樣I重復施加O. 5%的扭轉應變，測試試樣I測量的尺寸為IOmm寬X 50mm長X0. 7mm厚。測量測試試樣I被損壞時的循環數目(重復次數)，并將其定義為疲勞壽命。如從圖2清楚可見的，當Bi含量在5^^%至6(^丨％的范圍內時，重復次數為IOXlO3或更多，這證明足夠長的疲勞壽命。考慮疲勞壽命以及熔點，Sn-Bi-Zn合金優選具有5^^%至6(^七％的Bi含量。Zn改善對Cu電極的粘合強度。亦即，Zn與作為電極材料的Cu反應，以在電極與焊料之間的界面處形成Cu-Zn化合物。Cu-Zn化合物改善電極與焊料之間的粘合強度。然而，當Sn-Bi-Zn合金具有小于O. Olwt %的Zn含量時，形成的Cu-Zn化合物的量小，由此不能充分改善粘合強度。當Sn-Bi-Zn合金具有超過O. ]^1:%的Zn含量時,焊料的潤濕性降低。焊料的潤濕性降低要求高度活性的焊劑。通常，高度活性的焊劑是高腐蝕性的。即使在焊劑清除之后少量的焊劑殘留也會降低長期可靠性。因此，根據該實施方案的無Pb焊料(Sn-Bi-Zn合金)的Zn含量設在O. 01 丨％至O. lwt%的范圍內。如上文所述，將Zn摻入Sn-Bi合金中改善了電極與焊料之間界面處的粘合強度，由此抑制連接破裂。然而，如果焊料自身具有低強度，則焊料部分在施加應力時破裂。因此，優選增加焊料自身的強度。圖4是圖示Sb含量與Sn-Bi-Sb合金的斷裂伸長率之間關系的圖，水平軸代表Sb含量，而垂直軸代表斷裂伸長率。如從圖4清楚可見的，在Sn-Bi-Sb合金的Sb含量為O. 5被％時，較高的Sb含量導致較高的斷裂伸長率。在Sb含量超過O. 5被％時，較高的Sb含量導致較低的斷裂伸長率。圖4也證明，在Sb含量為O. 3被％至O. 8wt%時的斷裂伸長率肯定大于Sn-58wt% Bi合金(在圖4中為O的Sb含量)的斷裂伸長率。因此，在根據該實施方案的無Pb焊料中，優選以0.3被％至0.8被％的范圍包含Sb。這改善延展性并抑制焊料部分的破裂以及電極與焊料之間連接的破裂。圖5A是Sn_58wt% Bi-0. 5wt% Sb合金結構的二值化掃描電鏡顯微照片。圖5B是Sn-58wt% Bi-0. 5wt% Sb-0. Iwt % Zn合金結構的二值化掃描電鏡顯微照片。在圖5A和5B中，深色陰影部分代表Sn，而淺色陰影部分代表Bi。Sb是與Bi形成完全固溶體的幾種元素之一。摻入Sn-Bi合金中的Sb與Sn鍵合，以形成金屬間化合物。在Sn-Bi合金的情況下，Bi作為共晶晶體結晶出來，或者從Sn結晶。將Sb摻入Sn-Bi合金中導致共晶結構尺寸的減小，從而改善延展性(伸長率)。如從圖5A和5B清楚可見的，即使將Zn摻入Sn-Bi-Sb合金中，也幾乎不發生共晶結構的粗化，或者幾乎不發生Zn的結晶，從而得獲得精細結構。下文將描述根據該實施方案的無Pb焊料的性質。正常溫度的凸塊拉力測試制備Sn_58wt% Bi合金作為樣品I。圖6是Sn_58wt% Bi合金組分的列表。在圖6中，除Sn和Bi以外的元素為雜質(附帶雜質)。接下來，將Sb以O. 5wt%的比例添加到具有與樣品I相同組成的Sn-Bi合金中以形成Sn-Bi-Sb合金，該合金定義為樣品2。將Zn以O. 01wt% >0. 5wt% > I. 0wt%和I. 5wt%的比例添加到具有與樣品2相同組成的Sn-Bi-Sb合金中以形成Sn-Bi-Sb-Zn合金,該合金定義為樣品3至6。
制備多個印刷電路板(玻璃環氧樹脂板)，每個電路板測量的尺寸為IlOmmX IlOmmX I. Omm厚。將每個直徑為O. 64mm的Cu電極(焊盤)以矩陣形式布置在每個印刷電路板的表面上。將焊接掩模提供在每個印刷電路板的表面上。將每個直徑為O. 54mm的開口布置在焊接掩模對應于Cu電極的部分。由樣品I至6的合金來制備球形焊球和焊膏。通過印刷將焊膏施用到印刷電路板的Cu電極(焊盤)。然后將焊球安裝在焊膏上。注意，對于每種印刷電路板使用不同的焊膏和不同的焊球。在相同印刷電路板上提供的焊膏和焊球由相同的樣品(合金)構成。接下來，在氮氣氛中進行回流，以使焊球結合到Cu電極。在回流期間，將溫度升高到180°C，降低到等于或低于熔點的溫度，在該溫度保持預定的時間段，并降低到室溫，如圖7中描繪的溫度曲線所示。使用將焊球結合到Cu電極所得到的印刷電路板作為測試試樣。將測試試樣放在電爐中，保持在125°C，經過預定的時間之后從電爐取出，并在正常溫度經受凸塊拉力測試。正常溫度的凸塊拉力測試用測試儀(型號SRRIS-4000P，由DAGE Corp.制造)來進行。圖8是凸塊拉力測試的概要的說明圖。在圖8中，附圖標記15指測試儀的鉗口，附圖標記10指印刷電路板，附圖標記11指Cu電極，附圖標記12指焊接掩模，并且附圖標記13指焊球。如圖8中所示，焊球13被鉗口 15夾住，并以300 μ m/s的速度剝掉，由此測量斷裂時的應力(拉伸強度)。圖9是圖示凸塊拉力測試結果的圖，水平軸代表時間，而垂直軸代表拉伸強度。圖10是圖示Zn含量與Sn-58wt% Bi-0. 5wt% Sb-Zn合金在125°C保持1000小時之后的拉伸強度(斷裂應力)之間關系的圖，水平軸代表Zn含量，而垂直軸代表拉伸強度。如從圖9清楚可見的，在不含Zn的樣品I (Sn_58wt % Bi)和樣品2 (Sn_58wt %Bi-0. 5wt% Sb)的每個樣品中，在125°C保持1000小時之后的拉伸強度減小到初始拉伸強度的1/3或更小。與此相比，在含有O. 01wt%或更多Zn的樣品3至6的每個樣品中，在125°C保持1000小時之后的拉伸強度略微減小。Zn的摻入改善強度的原因據認為如下對于不含Zn的每種Sn-Bi合金，Sn在Cu電極和焊料(Sn-Bi合金)之間的界面處與Cu結合以引起Sn的缺乏，由此形成脆性富Bi層。與此相比，對于每種Sn-Bi-Zn合金,Zn優先與Cu結合,使得不再發生Sn的缺乏，由此抑制脆性富Bi層的形成。這使得可以長期保持足夠的強度。上文描述的測試結果證實，Sn-Bi-Zn合金優選含有O. Olwt%或更多Zn。可濕性測試與正常溫度的凸塊拉力測試一樣，制備Sn-58wt% Bi合金作為樣品I。接下來,將Sb以O. 5wt%的比例添加到具有與樣品I相同組成的Sn-Bi合金以形成Sn-Bi-Sb合金,該合金定義為樣品2。將Zn以O. 01wt% >0. lwt% >0. 2wt% >0. 5wt%和I. Owt%的比例添加到具有與樣品2相同組成的Sn-Bi-Sb合金以形成Sn-Bi-Sb-Zn合金，該合金定義為樣品3至7。將松香焊劑(RMA型)施加到具有99. 9%純度的銅板。然后將由樣品I至7的合金構成的O. 76-mm直徑焊球安裝在Cu板上。接下來,在氮氣氛中進行回流。在回流期間，將溫度升高到180°C，降低到等于或低于熔點的溫度，在該溫度保持預定的時間段，并降低到室溫，如在圖7中描繪的溫度曲線所示的。回流之后焊 料的高度用包括光學顯微鏡的測高儀來測量。然后計算潤濕鋪展度。圖11是用于計算潤濕鋪展度的方法的說明圖。圖11中，附圖標記21指Cu板，附圖標記22指回流之前的焊球，并且附圖標記23指回流之后的焊料。如圖11所示，潤濕鋪展度用下式(I)計算潤濕鋪展度)= 100 (D-H)/D (I)其中D代表回流之前焊球22的直徑，并且H代表回流之后焊料23的高度。圖12是圖示Sn-Bi-Sb合金的Zn含量與潤濕鋪展度之間關系的圖，水平軸代表Zn含量，而垂直軸代表潤濕鋪展度。如從圖12清楚可見的，較高的Zn含量導致較低的潤濕鋪展度。在O. 1被％的Zn含量時，潤濕鋪展度為約50%。在O. 2被％或更大的Zn含量時，潤濕鋪展度為約40%或更小。當潤濕鋪展度為40%或更小時，在焊接時需要高度活性的焊劑。而且，焊接之后不充分的清潔會引起焊料的腐蝕，由此導致長期可靠性顯著降低。因此，在該實施方案中，Sn-Bi-Zn合金的Zn含量設定為O. Iwt %或更小。FC-BGA封裝半導體器件圖13是示例性倒裝芯片球柵格陣列(FC-BGA)封裝半導體器件的橫截面視圖。如圖13所示，在FC-BGA封裝半導體器件30中，半導體芯片32利用用于初步安裝的焊料33 (焊料凸塊)安裝在封裝襯底31上。半導體芯片32用密封樹脂35密封。由金屬箔構成的墊(導電圖案，未示出)布置在封裝襯底31的上表面和下表面上。布置在封裝襯底31上表面上的墊和布置在封裝襯底下表面上的墊通過布置在封裝襯底31中的互聯線(布線圖案和導通孔，未示出)彼此電連接。布置在封裝襯底31下表面上的墊被結合到焊料34(焊球)以用于二次安裝，焊球用于將半導體芯片32安裝在電路板40上。布置在半導體芯片32中的電路通過用于二次安裝的焊料34而電連接到電路板40上的互聯線。可用作用于初級安裝的焊料33的合金的實例包括具有221°C熔點的Sn_3. 5wt%Ag合金、具有227°C熔點的Sn-0. 7wt% Cu合金和具有217°C熔點的Sn_3wt% Ag-0. 5wt%Cu合金。作為用于二次安裝的焊料34，可以使用根據該實施方案的Sn-Bi-Zn合金或Sn-Bi-Sb-Zn合金。以此方式，使用無Pb焊料作為用于初步安裝的焊料33以及用于二次安裝的焊料34防止由Pb造成的環境污染。在將FC-BGA封裝半導體器件30安裝(焊接)在電路板40上時，例如根據圖7中所示的溫度曲線進行加熱和冷卻。根據該實施方案的Sn-Bi-Zn合金(焊料)和Sn-Bi-Sb-Zn合金(焊料)中的每一種均具有約135°C至約150°C的熔點。由此，焊料在焊接期間需要被加熱到高于熔點的溫度。然而，過高的溫度對電子元件等有不利影響。因此，焊料可以被加熱到例如160°C至180°C。在該情況下，如在圖7中的實線所表明的，焊料可以從室溫被線性加熱到Sn-Bi-Zn合金融化的溫度。或者，焊料可以被加熱到低于熔化溫度的溫度，在該溫度保持預定的時間段，并被加熱到熔化溫度。焊接之后，可通過自然冷卻來降低溫度。過高的冷卻速率不導致滿意的共晶結構。在過低的冷卻速率時，過程要求長的時間，由此造成生產成本增加。因此，冷卻速率優選在例如O. 050C /秒至5°C /秒的范圍內。在圖7中所示的溫度曲線中，冷卻步驟包括將焊料在低于焊料熔點并且高于室溫的溫度保持預定時間段(例如，O. 5分鐘或更久)的保持子步驟。該保持子步驟不是必要的。為了進一步抑制共晶結構的粗化，優選進行保持子步驟。保持子步驟可以在例如50°C至100°C進行。對于安裝在電路板40上的所得FC-BGA封裝半導體器件30，即使對其施加沖擊或應力，在連接也不發生諸如開裂的失效。也就是說，連接具有高可靠性。
在前述實施方案中，根據實施方案的無Pb焊料用作用于在FC-BGA封裝半導體器件中的二次安裝的焊料。當然，根據實施方案的無Pb焊料可以不用做用于二次安裝的焊料，而可以用于將電子元件以通常的方式連接到電路板。而且，如上文所述，含有45wt%至 65wt% Bi、0. 01wt%至 O. Iwt% Ζη、0· 3wt%至 0. 8wt% Sb 和 Sn 的焊料材料改善了疲勞性質和粘合強度。類似地，由含有45wt%至65wt% Bi、0. 01wt%至O. Iwt% Ζη、0· 3wt%至0. 8wt% Sb和Sn的焊料構成的連接具有高可靠性。也就是說，在從_55°C到125°C的溫度循環測試中，在1000次循環或更多次循環之后未檢測到失效。根據實施方案的無Pb焊料具有低熔點，由此在焊接過程中減少能量消耗并降低半導體器件的生產成本。此外，在待焊接的電子元件上施加的熱負荷低，由此防止電子元件因焊接期間的熱而劣化。為了上文描述的原因，根據該實施方案的無Pb焊料適合用于安裝具有高堆積密度的微型化電子元件。半導體器件可用在諸如消費設備的電子設備中，如個人電腦和便攜式電話、服務器、路由器和網絡產品，由此改進電子設備的可靠性。本文記載的所有實例和條件性語言意圖用于教導的目的，以輔助閱讀者理解本發明以及由發明人貢獻的概念來促進技術進步，并且要解讀為不受這些具體記載的實例和條件的限制，也不受說明書中有關示出本發明的優勢與劣勢的這些實例的組織的限制。盡管本發明的實施方案已得以詳細描述，應理解可以對這些實施方案做出各種改動、替換和更改，而不偏離本發明的精神和范圍。
權利要求
1.一種焊料，包含 Sn (錫)； Bi (鉍);和 Zn (鋅)， 其中所述焊料具有O. O Iwt %至O. Iwt %的Zn含量。
2.根據權利要求I所述的焊料，其中所述焊料具有45被％至65被％的Bi含量。
3.根據權利要求I所述的焊料，還包括O. 3wt % 至 O. 8wt % 的 Sb (鋪)
4.一種用于將電子元件焊接到襯底的焊接方法，所述方法包括如下步驟 將焊料附著在所述電子元件和所述襯底上的導電圖案之間，所述焊料被加熱到等于或高于所述焊料的熔點的溫度； 使所述焊料冷卻至低于所述熔點并且高于室溫的溫度，并將所述焊料在所述溫度保持預定的時間段；和 使所述焊料冷卻到室溫， 其中所述焊料包含Sn(錫)、Bi(鉍)和Zn(鋅)，并且所述焊料具有O. Olwt %至O. Iwt %的Zn含量。
5.根據權利要求4所述的焊接方法，其中所述焊料還含有O.3wt %至O. Swt %的Sb (銻)。
6.—種電子設備,包括 焊料，所述焊料構成電子元件和襯底之間的連接， 其中所述焊料包含45wt %至65wt %的Bi (秘)、0. Olwt %至O. Iwt %的Zn(鋅)、O. 3wt % 至 O. 8wt % 的 Sb (鋪)和 Sn (錫)。
7.一種半導體器件，包括 半導體芯片； 封裝襯底，所述封裝襯底包括布置在所述封裝襯底的每個表面上的導電圖案； 第一焊料，所述第一焊料布置在所述封裝襯底的一個表面和所述半導體芯片之間，所述第一焊料將所述半導體芯片連接到所述封裝襯底；和 第二焊料，所述第二焊料連接到布置在所述封裝襯底的另一表面上的所述導電圖案，其中所述第一焊料的熔點高于所述第二焊料的熔點，所述第二焊料包含Sn(錫)、Bi (鉍)和Zn (鋅)，并且所述第二焊料具有O. OIwt%至O. Iwt%的Zn含量。
8.根據權利要求7所述的半導體器件，其中所述第二焊料還包含O.3wt%至O. Swt%的Sb (銻)。
全文摘要
本發明提供一種焊料、焊接方法和半導體器件，所述焊料包括Sn(錫)、Bi(鉍)和Zn(鋅)，其中所述焊料具有0.01wt％至0.1wt％的Zn含量。
文檔編號H01L23/488GK102615446SQ20111046065
公開日2012年8月1日 申請日期2011年12月31日 優先權日2011年1月31日
發明者上西啟介, 中西徹洋, 今泉延弘, 作山誠樹, 赤松俊也 申請人:富士通株式會社