CN1386609A - 电子封装焊球结构 - Google Patents
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Abstract
一种电子封装焊球结构,是一种用于IC基板焊接的焊锡球,其特点是该焊锡球自内而外由融熔温度逐渐降低的金属制成,内为导电性佳而熔点高于其外的金属球心,其外包覆低温系金属。本发明具有多次加工性好、焊后强度佳、与基板焊材相容性高、变形少、便于测试、低电阻、成本低等特点。
Description
本发明与电子封装有关，特别是一种电子封装焊球结构。
焊锡球主要作用是焊接微小部件时，可控地供给一定容量的焊材。
焊接IC(集成电路)或电子基板的温度区域，以最适合基板封装温度210-230℃的范围内进行。实际作业时因空气流动、基板3加热方法、实际密度、零件等差异，吸热散热不同而影响温度的均恒。施焊时，部分可能低于设定温度10℃或20℃等不定，此时比较低温的部分会出现焊锡凝结吃锡不良。如果温度提高至比较低温的部分也能充分吃锡时，比较高温的部分会出现焊锡1的表面塌陷2(如图1所示)。
如果实施二层以上的焊接将很容易失败，因温度不均而高温部分产生熔陷现象6而完全分离第二层基板5，焊锡1陷入第一层基板4内(如图2所示)。
多次加工性上，因应现时要求发展，多层封装将成必然。多层封装，因施工上的困难必需采取多层、多次的焊接才能达到要求，在这种情况下，焊点必须能承受多次重复加温而不变形。也就是说，重复加温时先前焊接好的焊点重复加温至熔点时，不能因焊点的再次液熔流动而塌陷、龟裂……等而造成失败，但习用者往往会因多次重焊而失败。
本发明的主要目的，在于消除上述缺点，提供一种电子封装焊球结构，该焊球由内向外的融熔温度逐渐降低，具有多次加工性好，焊后强度佳、与基板焊材相容性高、变形少、便于测试、低电阻、成本低等特点。
本发明的目的是这样实现的：一种电子封装焊球结构，其特征在于：该焊锡球自内而外由其融熔温度逐渐降低的金属制成；
该焊锡球由内而外没有明显的分层；
该焊锡球由内而外为一具有高于外层融熔温度的金属球心和外层包覆一层以上单成分或二种成分以上的低温系金属而制成；
该球心使用白金、黄金、银、锡、锡银、锡银铜、锡铜或银铜低电阻金属制成；
该外层包覆层使用锡、锑、铅、铋、铟金属或其合金制成；
该焊锡球最外层还包覆有一抗氧化层；
该球心亦为多层金属包覆结构。
本发明的优点是：
1.本发明的焊锡球用于IC或基板的封装焊接时，焊锡球高熔点球心未融熔而具等高线，外层液熔基板吃锡佳，具有多次加工性好、焊后强度佳、与基板焊材相容性高、变形少、便于测试、低电阻、成本低等特性。
2.本发明该焊锡球的球心采用便宜的锡或锡铜合金，而较贵的低温金属仅作外低温层包覆，使用量明显减少很多，成本可以降低。
3.本发明该焊锡球具有高熔点球心，因此焊点的焊锡球球心未熔而能保持一定的焊点高度，使每个焊点高度相同，测试作业较易进行而可靠。
有关本发明所采用的技术、手段及其功效，兹举一较佳实施例并结合附图详细说明于后：
图1是习用焊点局部放大平面剖视图。
图2是习用二层以上焊接局部放大平面剖视图。
图3是本发明电子封装焊球结构的焊接前局部放大平面示意图。
图4是本发明电子封装焊球结构的焊后具等高线平面示意图。
图5是本发明电子封装焊球结构的双层焊后局部放大平面示意图。
图6是本发明电子封装焊球结构的双层焊前局部放大平面示意图。
图7是本发明电子封装焊球结构的焊后测试平面示意图。
图8是本发明与习用者单层焊接比较局部放大平面示意图。
图9是本发明与习用者双层焊接比较局部放大平面示意图。
图中：
1-焊锡 2-塌陷
3-基板 4-第一层基板
5-第二层基板 6-熔陷现象
7-焊锡球 10-电子基板
11-第一层基板 12-第二层基板
20-焊锡球 21-球心
22-低温金属 30-等高线
40-焊点 41-测试碰触点
本发明一种电子封装焊球结构，请参阅图3所示。一种电子封装焊球结构，主要是对IC或电子基板10的封装焊接的焊锡球20所作的发明。焊锡球20主要作用是焊接微小部件时，可控地供给一定容量的焊料。本发明是由内而外不分层，且由内而外以逐渐降低融熔温度的材料制成，由内向外逐渐降低熔点，中心部分超过230℃以上才能融熔。越接近表皮，熔点越低，最外层可低于180℃。没有层次的制法，以离子还原法或其他相关方法使金属堆叠二种以上的低温系金属。或者球心21采用具有高于外层融熔温度的金属，外层则为低熔点金属22而制成的焊锡球20。该焊锡球最外层还包覆一抗氧化层。下面将本发明与习用焊锡使用情况对比如下：最适合基板10封装温度210-230℃的范围内进行焊接。实际作业时因空气流动、基板加热方法、实际密度、零件等差异，吸热散热不同而影响温度的均恒。施焊时部分可能低于设定温度10℃或20℃等不定。习用者，则此时比较低温的部分会出现焊锡凝结吃锡不良。如果温度提高至比较低温的部分也能充分吃锡时，比较高温的部分会出现焊锡表面塌陷。如果施行于二层以上的焊接将会很容易失败。本发明可避免以上二种温度问题，因焊点有一等高线30(参阅图4所示)，故二层以上施焊时(参阅图5所示)能确保每一焊点上下二侧第一层基板11侧、第二层基板12侧皆能吃锡，其中不会有焊点塌陷。高熔点球心21未融熔，外层低温层已充分成为液熔，故外层流动性良好，可确保其吃锡能力。
就多次加工性而言，因应现时要求发展，多层封装将成必然。多层封装，因施工上的困难必需采取多层、多次的焊接才能达到要求，在这种情况下，焊点必须能承受多次重复而不变形，习用者会因焊点的再次液熔流动而塌陷、龟裂……等而造成失败。本发明因有一高熔点球心21(参阅图5所示)，可以忍受重复加温而不变形，因为再次加温至焊接温度时，外层虽然再次液熔，但球心21仍未熔。可保有一定的支撑强度而不变形塌陷，所以本发明的焊锡球20可使多层多次封装作业变成可靠而容易施行。
就焊锡强度而言，基板上焊接母材的不同，甚至世界各国环保问题而禁止使用含铅的各种母材与焊材，不含铅的焊材主要成分仍然是锡，再合以其他低熔点金属如铋、铟等……。但铋、铟等金属性脆强度不良。本发明高熔点球心21不含脆性金属。低熔点金属22(参阅图6所示)只使用在外层的包覆。焊接成品有球心21提供的强度支撑。受低温焊材的脆性影响，可有效减少。
就基板10材料与焊材成分的相容性而言，基板在电路连线的各不同焊接点的材质可能有多种，焊材因应基板材质的相容性而设计，虽能有良好的吃锡能力。但焊接成品未必有良好的强度。如果考虑焊点强度的焊材，那吃锡能力与沾锡能力必打折扣。本发明因内有一高熔点球心21，此球心可使用较有强度的材质，使焊接成品保有强度。外层低熔点部分可因基板材质的吃锡能力、即母材与焊材的相容性要求而作各种选择性的制造。
母材：指基板上用以提供电路连线及焊接点上的材质。焊材：指焊锡球(Solder Joint)而言。
就凝固收缩量与应力而言，封装焊锡点在基板上加温融熔，焊点呈液熔时，因基板表面材质等其他因素影响，吃锡能力容易产生差异，因此每个焊点形状会出现差异。当凝固时，因形状的差异会影响凝固收缩量的不同，如果做双层以上的焊接时，凝固收缩量不同将产生极大应力，是焊点龟裂的主要原因。本发明因为有一超过焊接温度的高熔点球心21，故液熔时变形较少故收缩量少，可减少变形，避免焊点龟裂。
就测试而言，本发明便于测试，因为有一超过焊接温度的高熔点球心21，施焊时外层与基板10接触外层融熔液会因表面强力而降低高度，即球体外层变形，内部球心21因未达到熔点而基本保持不变。因此焊接完成时能使焊点40保持一定的高度。在同一基板10上焊点40数目可能达数百个。高熔点球心21能保持一定的焊点40高度，使每个焊点、测试碰触点41高度相同。所以测试作业会比较容易而可靠(参阅图7所示)。
就电阻而言，焊接点或焊点40通常在基板上作电路连线，焊接点40的焊材中所含有的铅、铋、铟等皆为电的不良导体。极易在焊接点上形成电阻，使各焊点的温度不一致，在各部品间发生热差异及应力寿命减少，功能不良等情形。本发明可使不良导体的低熔点金属22，只用在焊材的表层并控制其量。高熔点球心21在焊接工作中并未融熔。所以球心21的成分可以使用白金、黄金、银、锡、锡银、锡银铜、锡铜、银铜……等等低电阻金属，而达到焊点40低电阻的要求。
就成本而言，封装焊锡一般焊料为锡63％、铅37％的合金，无铅锡焊锡为主要材料加铋(BI)或铟(IN)等其他低熔点材料使其熔点降低。因为锡以外的低温金属如铋、铟等价格高昂。本发明球心21部分是比较便宜的锡或锡铜合金等。而其他比较贵的低熔点金属22只作表层的包覆，故使用量明显少很多，成本可以降低。
参阅图8所示，习用焊锡球7置于基板3(如a图示)经焊接后，有可能成为b图的较正常或c图所示的熔陷于基板3上；
本发明的焊锡球20置于基板10(如d图示)经焊接后，表层液熔而球心21未熔(如e、f图示)。
参阅图9所示，习用焊锡球7置于第一、二层基板4、5间(如a图示)，经焊接后，可能成为b图的正常状态或c图的龟裂、变形状态或d图的陷落形成断路状态；
而本发明的焊锡球20置于第一、二层基板11、12间(如e图示)，经焊接后，高熔点球心21未熔而形成支撑，使基板与表层液熔的吃锡状况处于最佳状态(如f、g、h图示)。
综上所述，可知本发明在同类产品中确有极佳的进步实用性。
上述实施例，仅用以举例说明本发明。特此声明，凡根据本发明而作的各种变形、修饰与应用，均应属本发明的保护范围。
Claims (7)
1.一种电子封装焊球结构，其特征在于：该焊锡球自内而外由其融熔温度逐渐降低的金属制成。
2.根据权利要求1所述的电子封装焊球结构，其特征在于该焊锡球由内而外没有明显的分层。
3.根据权利要求1所述的电子封装焊球结构，其特征在于该焊锡球由内而外为一具有高于外层融熔温度的金属球心和外层包覆一层以上单成分或二种成分以上的低温系金属而制成。
4.根据权利要求3所述的电子封装焊球结构，其特征在于该球心使用白金、黄金、银、锡、锡银、锡银铜、锡铜或银铜低电阻金属制成。
5.根据权利要求3所述的电子封装焊球结构，其特征在于该外层包覆层使用锡、锑、铅、铋、铟金属或其合金制成。
6.根据权利要求1所述的电子封装焊球结构，其特征在于该焊锡球最外层还包覆有一抗氧化层。
7.根据权利要求1所述的电子封装焊球结构，其特征在于该球心亦为多层金属包覆结构。
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|---|---|---|---|
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C02 | Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001) | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |