TW201438124A - 焊劑凸塊之形成方法及焊劑凸塊 - Google Patents

Abstract

本發明提供一種焊劑凸塊及其形成方法，該焊劑凸塊之表面平滑且有光澤，可藉由使用影像感測器等之光學方法進行外觀檢查，且於利用其進行焊接之情形時，可進行可靠性較高之焊接。使用含有Bi21作為主成分、含有Sn22作為副成分之焊劑球，於Ni電極上形成焊劑凸塊5。作為焊劑球，使用含有1.0~10.0質量%之Sn的焊劑球。作為焊劑球，使用含有1.0質量%以下Cu及Ag之至少一者之焊劑球。設為於使用藉由本發明之焊劑凸塊之形成方法形成之焊劑凸塊進行焊接之焊接部，局部具有Sn單質及SnBi共晶合金層之至少一者之構成。

Description

焊劑凸塊之形成方法及焊劑凸塊

本發明係關於一種焊劑凸塊之形成方法及焊劑凸塊，詳細而言係關於一種可應用於IC晶片等之BGA(：Ball Grid Array，球狀柵格陣列)安裝的焊劑凸塊之形成方法及藉由該形成方法而形成之焊劑凸塊。

作為安裝電子零件時使用之導電性接合材料，廣泛使用焊劑。

作為焊劑，先前以來一般使用Sn-Pb系焊劑，近年來，代替Sn-Pb系焊劑，不含Pb之所謂無Pb焊劑被廣泛使用。並且，於專利文獻1中揭示有使用此種不含Pb之焊劑之電子裝置及其製造方法。

即，於該專利文獻1中，記載有包括如下步驟之電子裝置之製造方法：使用包含(a)至少含有Bi之第1金屬、(b)第2金屬與第3金屬之合金、及(c)第3金屬且第2金屬可製成與Ni之金屬間化合物之焊接材，於半導體晶片上形成焊劑凸塊。

然而，於如上述專利文獻1所示使用上述焊接材形成焊劑凸塊之情形，由於作為障壁金屬層使用有Ni或Ni-P合金等，故而Ni與Bi進行反應，而於焊劑凸塊之表面形成針狀之結晶。因此，存在於焊劑凸塊之表面無光澤，藉由使用影像感測器之方法等光學方法檢查焊劑凸塊之形成狀態較為困難之問題方面。進而，於使用於表面形成有針狀之結晶之焊劑凸塊進行焊接之情形時，存在無法進行可靠性較高之焊接之問題方面。

又，於專利文獻2中，作為使用不含Pb而含有80質量%以上Bi之Bi 系焊劑合金接合於基板之電子零件(或基板)，揭示有於作為電子零件(或基板)之最上層之Ni含有層之上形成有厚度為0.05~8.00μm之Zn金屬化層或厚度為0.05~3.00μm之Sn金屬化層之電子零件(或基板)，進而，揭示有於上述Zn金屬化層或Sn金屬化層之上，成形有選自Ag、Au、Cu之厚度為0.05~1.00μm之第2金屬化層之電子零件(或基板)。

然而，於專利文獻2之構成之情形，存在即便於電子零件(或基板)之Ni含有層上形成上述Zn金屬化層或Sn金屬化層，為焊接亦必須另外自外部供給含有80質量%以上Bi之Bi系焊劑合金來進行焊接，無法應用於如BGA安裝之情形般，於電極形成焊劑凸塊，藉由該焊劑凸塊本身(不自外部供給焊接材)進行焊接之方法之問題方面。

[先前技術文獻] [專利文獻]

[專利文獻1]日本專利特開2010-129664號公報

[專利文獻2]日本專利特開2011-238720號公報

本發明係解決上述課題者，其目的在於提供一種焊劑凸塊及其形成方法，該焊劑凸塊之表面平滑而有光澤，可藉由使用影像感測器之方法等光學方法進行外觀檢查，且於利用其進行焊接之情形時，可進行可靠性較高之焊接。

為解決上述課題，本發明之焊劑凸塊之形成方法之特徵在於：其係於電極上形成焊劑凸塊者，且使用含有Bi作為主成分、含有Sn作為副成分之焊劑球，於含有Ni之電極上形成焊劑凸塊。

於本發明之焊劑凸塊之形成方法中，上述焊劑球係以含有80.0質 量%以上Bi者為前提，但較佳為含有90.0質量%以上Bi者，進而較佳為含有95.0質量%以上者。

又，於本發明之焊劑凸塊之形成方法中，上述焊劑球較佳為於1.0~10.0質量%之範圍含有Sn者，進而較佳為於1.0~2.0質量%之範圍含有Sn者。

在於1.0~10.0質量%之範圍含有Sn之情形時，可更確實地形成形狀精度較高，表面平滑有光澤，可藉由使用影像感測器之方法等光學方法進行外觀檢查，且，可進行可靠性較高之焊接之焊劑凸塊。又，可使對焊劑爆發之抗性提高。

其中所謂「焊劑爆發」係於利用藉由焊劑而形成之零件安裝後之底膠填充等之樹脂材對基板密封後，於再次加熱至焊劑材之熔融溫度時由於焊劑材之熔融膨脹，焊劑材一面將樹脂與零件之界面或樹脂與基板之界面破壞一面進展之現象。於產生焊劑爆發之情形，存在產生如以下所示無法忽視之問題之虞。即，例如於為了將2零件之電極間連接而焊劑進展之情形時產生電極間短路之故障，又，擔心於將零件具備之電極與基板具備之安裝用電極連接之接合部的焊劑流失之情形時產生開路不良等，對產品之可靠性造成較大影響。

又，上述焊劑球較佳為於1.0質量%以下之範圍含有Cu及Ag之至少一者。

於含有少量(1.0質量%以下)之Cu及Ag之至少一者之情形，可提高利用焊劑凸塊進行焊接後的焊接部之機械強度。

又，本發明之焊劑凸塊之特徵在於：其係藉由上述本發明之焊劑凸塊之形成方法所形成者。

又，本發明之焊劑凸塊較佳為於內部局部具有Sn單質及SnBi共晶合金層之至少一者。

於作為於內部局部具有Sn單質及SnBi共晶合金層之至少一者之 構成之情形時，可獲得使上述本發明之效果更確實實現之焊劑凸塊。

本發明之焊劑凸塊之形成方法，由於如使用含有Bi作為主成分、含有Sn作為副成分之焊劑球，於含有Ni之電極上形成焊劑凸塊般進行，故而形狀精度較高，表面平滑有光澤，可藉由使用影像感測器之方法等光學方法進行外觀檢查(形成狀態之檢查)等，且可進行可靠性較高之焊接。

又，由於本發明之焊劑凸塊係藉由上述本發明之焊劑凸塊之形成方法而形成者，故而形狀精度較高，表面平滑有光澤，可藉由使用影像感測器之方法等光學方法而更確實地進行形成狀態之檢查等外觀檢查，且於利用其進行焊接之情形時，可進行可靠性較高之焊接。

1‧‧‧IC晶片

2‧‧‧IC晶片之電極

2a‧‧‧構成IC晶片之電極之Cu層

2b‧‧‧構成IC晶片之電極之Ni層

2c‧‧‧構成IC晶片之電極之Au層

3‧‧‧助焊劑

4‧‧‧焊劑球

5‧‧‧焊劑凸塊

10‧‧‧針狀結晶

11‧‧‧印刷電路基板

12‧‧‧印刷電路基板之安裝用電極

12a‧‧‧構成印刷電路基板之Cu層

12b‧‧‧構成印刷電路基板之Ni層

12c‧‧‧構成印刷電路基板之Au層

21‧‧‧Bi

22‧‧‧Sn

30‧‧‧NiSn化合物層

圖1係示意性表示於本發明之實施形態中使用之焊劑球之構成的圖。

圖2係表示於本發明之實施形態中使用之焊劑球之內部構造的顯微鏡照片。

圖3係表示於本發明之實施形態中為形成焊劑凸塊而焊劑球載置於IC(integrated circuit，積體電路)晶片之電極上之狀態(回焊前之狀態)的圖。

圖4A係表示於本發明之實施形態中形成之焊劑凸塊之構成的圖。

圖4B係表示於本發明之實施形態中形成之焊劑凸塊之構成的顯微鏡照片。

圖5係表示具有於本發明之實施形態中形成之焊劑凸塊之IC晶片搭載於印刷電路基板上之狀態的圖。

圖6係表示具有於本發明之實施形態中形成之焊劑凸塊之IC晶片搭載於印刷電路基板上，並且進行回焊後，去除助焊劑之狀態的圖。

圖7之(a)係自正面側拍攝使用未添加Sn之Bi系焊劑而形成之焊劑凸塊的照片，(b)係自上面側拍攝之照片。

圖8之(a)係自正面側拍攝使用添加有Sn之Bi系焊劑而形成之焊劑凸塊的照片，(b)係自上面側拍攝之照片。

以下表示用以實施本發明之形態，對本發明之特徵之處進行進一步詳細說明。

[實施形態之概要]

於本發明之焊劑凸塊之形成方法中，使用含有Bi作為主成分、含有Sn作為副成分之焊劑，於含有Ni之電極上形成焊劑凸塊。

具體而言，例如，將使構成焊劑之各金屬材料(Bi及Sn)熔融一次而成形為近似球狀之焊劑球供給於含有Ni之電極上，加熱至超過Bi之熔點(271℃)之溫度(例如300℃)，並使焊劑球熔融，藉此於含有Ni之電極上形成焊劑凸塊。藉由該方法形成之焊劑凸塊之形狀精度較高，表面平滑有光澤，可藉由使用影像觀測器之方法等光學方法而高效、確實地進行形成狀態之檢查等外觀檢查。

又，由於藉由本發明之方法形成之焊劑凸塊之形狀精度較高，且表面平滑，故而於利用其進行焊接之情形，可進行可靠性較高之焊接。

再者，此處所謂「含有Ni之電極」係指主要之成分為Ni。例如，亦包含由作為主成分之Ni與藉由無電解電鍍混入之P等構成之Ni皮膜。但是，含有之Ni以外之成分越少較好，尤其較佳為10質量%以下。

又，含有Ni之電極，不僅限於由Ni構成之電極，而係包含於由Ni構成之電極層之表面形成用以使潤濕性提高之金屬鍍敷膜或有機膜，或實施防銹處理等表面處理之電極，或於由Cu構成之電極上形成Ni鍍敷膜而成之電極等廣義概念。

具體而言，例示如於Ni電極層之表面形成有Au鍍敷膜之Ni-Au電 極，於Ni電極層之表面以Pd鍍敷膜、Au鍍敷膜之順序形成鍍敷膜之Ni-Pd-Au電極、於Ni電極層之表面實施防銹處理之Ni-防銹處理(有機膜)電極、於Cu電極層之表面形成Ni鍍敷膜且進而於其上形成Au鍍敷膜之Cu-Ni-Au電極等。

實質上於Bi熔融之溫度區，由於Au層或防銹處理層於Bi中擴散，故而即便於進行回焊處理前之階段中，於Ni電極層之表面形成有Au層或防銹處理層，Ni亦與Bi進行反應，會於表面形成針狀之結晶。因此，於表面形成有Au層或防銹處理層之Ni電極，亦可說是形成於表面無針狀結晶之析出、表面平滑且有光澤之焊劑凸塊時，應用本發明之有意義之電極。

再者，作為應用本發明之最有意義之態樣之一，於Ni-Au鍍敷膜(電極)上形成Bi系焊劑凸塊之情形時，確認於表面析出NiBi₃之針狀之結晶。

於本發明之焊劑凸塊之形成方法中，如上述般藉由於以Bi作為主成分之焊劑球中添加Sn，於含有Ni之電極上形成焊劑凸塊時不產生Bi與Ni之反應物的針狀結晶，而形成表面平滑有光澤，且形狀精度較高之焊劑凸塊。因此，於使用影像感測器等檢查形成狀態(外觀檢查)之情形時，可更確實進行檢查。

又，於利用形成之表面平滑且形狀精度較高之本發明之焊劑凸塊進行焊接之情形時，可進行可靠性較高之焊接。

又，例如，藉由本發明之方法將於含有Ni之電極上形成有焊劑凸塊之IC晶片等電子零件安裝於印刷電路基板等安裝基板上之情形時，本來，應該藉由檢查而去除之具備焊劑凸塊之電子零件(形成有形狀不良之焊劑凸塊，雖然係應該作為不良品而去除者，但由於檢查時之辯識錯誤而未去除之電子零件)被供於安裝於安裝基板上，結果可防止產生搭載不良，可改善搭載性。

[實施形態]

於該實施形態中，以焊劑球載置於IC晶片之含有Ni之電極上，進行加熱而使焊劑球熔融，藉此於含有Ni之電極上形成焊劑凸塊之情形作為例進行說明。

[焊劑球之製作]

(1)於製作焊劑球時，首先，製作於含有Ni之電極上形成焊劑凸塊時使用之焊劑球。焊劑球之組成，基本而言為Bi-xSn-0.15Cu。然後，使x之值於0.0~20.0質量%之範圍內發生變化。Bi之比率(質量%)係自100中扣除關於Sn之x之值(質量%之值)及Cu之質量%之值(0.15)而成的值。再者，各試樣(試樣1~15)之Bi、Sn、及Cu之具體之比率係如表1所示。

但是，於試樣6中，不調配Cu而以1.0質量%之比率調配Ag，於試樣7中，不調配Cu而以0.1質量%之比率調配Ag。於試樣8及9中，將Cu與Ag之兩者以如表1所示之比率進行調配。於試樣10中，將Cu及Co之兩者以如表1所示之比率進行調配。於試樣11中，不調配Cu而以如表1所示之比率調配Co。再者，試樣12係不調配Sn，不具備本發明之必要條件之試樣。

(2)其次，藉由以表1之比率將含有Bi、Sn、及Cu之焊劑球形成用之焊劑材料進行加熱使其熔融，成形為近似球狀而製作焊劑球。如此製作之焊劑球4顯示圖1中模式之構成，如圖2中顯微鏡照片所示，具有於作為母材之Bi21中分散有Sn22之構造。

[焊劑凸塊之形成]

繼而，對焊劑凸塊之形成方法進行說明。

(1)形成焊劑凸塊時，如圖3所示，於IC晶片1具備之電極(含有Ni之電極)2，即，具有於厚度1~20μm之Cu層2a上形成厚度1~10μm之Ni層(鍍敷層)2b，進而於其上形成厚度0.01~0.5μm之Au層(鍍敷層)2o 之構造之電極2，塗佈助焊劑3，藉由貼片機而將焊劑球4載置於電極2上。

(2)繼而，於300℃下進行回焊處理，使焊劑球4之全體，即，包含內部之金屬(BiSn共晶合金及Sn)之全體熔融。

(3)其次，將助焊劑3(圖3)洗淨而去除，藉此獲得如圖4A所示之焊劑凸塊5。該焊劑凸塊5以覆蓋於IC晶片1具備之電極2之方式而形成，與電極2之界面中，形成有作為熔點較高之金屬間化合物層之NiSn化合物層30(但是，於焊劑凸塊5不含Sn試樣(表1之試樣12)之情形，不形成NiSn化合物層30)。再者，圖4B係表示於此時之焊劑凸塊5內之Bi21中之Sn22之分佈之狀態的顯微鏡照片。

然後，利用影像感測器確認焊劑凸塊5之形成狀態(搭載狀態)。

[IC晶片之搭載]

繼而，對將形成有焊劑凸塊之IC晶片搭載且安裝於印刷電路基板，於印刷電路基板(環氧玻璃基板)11之安裝用電極12上，經由焊劑凸塊5形成安裝有IC晶片1之構造體之方法進行說明。

(1)搭載IC晶片時，如圖5所示，印刷電路基板(環氧玻璃基板)11之安裝用電極12，即，於該實施形態中，於具備厚度1~20μm之Cu層12a上形成厚度1~10μm之Ni層(鍍敷層)12b，進而於其上形成厚度0.01~0.5μm之Au層(鍍敷層)12c之構造之安裝用電極12，塗佈助焊劑3，藉由貼片機，將焊劑凸塊5接合於電極2之狀態之IC晶片1，以焊劑凸塊5與印刷電路基板11之安裝用電極12對向之狀態進行載置。

(2)其後，於300℃下進行回焊處理(第2次之回焊處理)而使焊劑凸塊5之整體熔融。

(3)其後，進行洗浄，自接合部去除助焊劑3。藉此，如圖6所示，獲得於印刷電路基板(環氧玻璃基板)11之安裝用電極12上，經由焊劑凸塊5而安裝有IC晶片1之構造體。

再者，雖未特別圖示，但於該實施形態中，於IC晶片1之下面側填充底膠填充樹脂，例如，於180℃、60分鐘之條件下進行加熱而使其硬化，藉此進行樹脂密封。

如此，於藉由使用含有Sn之Bi系焊劑的本發明之實施形態之方法，於IC晶片1之含有Ni之電極2上形成有焊劑凸塊5之情形時，可形成形狀精度較高，表面平滑有光澤，可使用影像感測器等光學機構進行外觀檢查之焊劑凸塊5。

又，藉由使用含有Sn之Bi系焊劑的本發明之實施形態之方法，如上所述將形成有焊劑凸塊5之IC晶片1安裝於印刷電路基板(環氧玻璃基板)11之安裝用電極12上，藉此可進行可靠性較高之安裝(BGA安裝)。

然而，如上述實施形態之情形所示，藉由於IC晶片1之電極2上載置焊劑球並加熱而形成焊劑凸塊5之情形時，焊劑凸塊正常形成與否必須藉由影像感測器等進行檢查(外觀檢查)，於使用未添加Sn之Bi系焊劑材料而形成之焊劑凸塊5之情形時，如圖7(a)(自正面側拍攝之照片)所示，因Ni與Bi之反應產生之針狀結晶10形成於焊劑凸塊5之表面，如圖7(b)(自上面側拍攝之照片)所示，成為無光澤之焊劑凸塊5。因此，於使用未添加Sn之Bi系焊劑材料而形成之焊劑凸塊5之情形時，藉由影像感測器等光學機構進行其形成狀態(外觀)之良否之判斷較為困難。

於此相對，由添加有Sn之材料所構成之焊劑凸塊5中，如圖8(a)(自正面側拍攝之照片)可知，於焊劑凸塊5之表面未產生針狀結晶，表面較為平滑，又，如圖8(b)(自上面側拍攝之照片)可知，成為有光澤之焊劑凸塊5。因此，於使用添加有Sn之Bi系焊劑材料而形成之焊劑凸塊5之情形時，藉由影像感測器等光學機構可較容易且確實地進行其形成狀態(外觀)之良否之判斷。

又，於由未添加Sn之材料構成之焊劑凸塊5之情形時，即便假設藉由影像感測器等光學機構可進行外觀檢查，由於在其表面形成之針 狀結晶10(圖7(a))之熔點較高，於Bi之熔融溫度(271℃)下不熔融，故而於安裝於安裝基板(印刷電路基板)時，確認到引起安裝不良。

另一方面，如上所述雖然必須含有Sn，但若Sn之添加量過多，於焊劑凸塊5含有之Sn於回流焊步驟中加熱至Sn之熔點(232℃)以上之溫度(例如250℃左右)之情形時，引起Sn、或BiSn共晶合金(共晶點：139℃)之熔融，成為焊劑爆發之原因。

為確認該傾向，如上所述，將形成有Sn之添加量於0.0~20.0質量%之範圍內發生變化之焊劑凸塊5之試樣(具備Sn之添加量不同之焊劑凸塊5的IC晶片)安裝於印刷電路基板(環氧玻璃基板)11之安裝用電極12上，對藉由底膠填充樹脂而密封IC晶片1之下面側(焊接部周圍)而獲得之試樣(試樣1~15)，於300℃下進行回焊處理，檢查各試樣之外觀檢查之可否，有無產生焊劑爆發，Bi-Ni金屬間化合物之最大長度，焊劑凸塊接合數。將其結果表示於表1中。

再者，表1之「Bi-Ni金屬間化合物之最大長度」係藉由以下所說明之方法而測定之值。首先，對於外觀檢查中使用之焊劑凸塊部進行剖面研磨，使用掃描式電子顯微鏡(SEM，Scanning Electron Microscope)以500倍進行觀察。又，藉由SEM之EDS(EDS，Energy Dispersive X-ray Spectroscopy，能量分散型X射線分析儀)而鑑定Bi-Ni金屬間化合物層與Bi相，測定Bi-Ni金屬間化合物層連續之最大長度。然後，於各試樣中，分別對5個凸塊測定Bi-Ni金屬間化合物層連續之最大長度，各凸塊之Bi-Ni金屬間化合物層連續之最大長度之值除以測定數5之平均長度作為「Bi-Ni金屬間化合物之最大長度」。

又，表1之「焊劑凸塊接合數」作為表示焊劑凸塊之接合狀態之指標，係表示對各試樣之凸塊10個測定基板與IC間之電阻值，獲得導通之焊劑凸塊之數者。

如表1所示，於Sn之添加量超過10質量%之試樣，即，Sn之添加量為15質量%之試樣14，Sn之添加量為20質量%之試樣15之情形時，形成之焊劑凸塊之表面平滑而有光澤，雖然可藉由影像感測器進行外觀檢查，但於一部分有焊劑爆發之產生，確認為不佳。再者，關於表1之「有無產生焊劑爆發」之欄，「○：可」表示無焊劑爆發之產生，「△：尚可」表示於一部分有焊劑爆發之產生。

又，於Sn之添加量未達1.0質量%之試樣13(Sn之添加量為0.5質量%)之情形時，雖未發現焊劑爆發之產生，但焊劑凸塊之表面平滑度未必充分，光澤較少，確認不適合藉由影像感測器進行外觀檢查。再者，關於表1之「外觀檢查之可否」之欄，「○：可」表示可藉由影像感測器進行外觀檢查，「△：尚可」表示有時存在該外觀檢查較困難之部分故而不適合。

又，於不進行添加Sn之試樣12(不具備本發明之必要條件之試樣)之情形時，雖然未發現焊劑爆發之產生，但焊劑凸塊之表面之平滑度 不充分，且無光澤，確認無法藉由影像感測器進行外觀檢查。

再者，於上述實施形態中，由於使Bi-Sn系焊劑球含有特定之Cu，故而可使焊接部之機械強度進一步提高。不限於Cu，於特定之範圍含有Ag、Co或Cu與Ag、Co之兩者之情形時，亦可使焊接部之機械強度提高。

因此，藉由於不妨礙上述之添加Sn所產生之效果之範圍(通常為1質量%以下之範圍)中添加Cu、Ag及Co之至少之一，可形成更牢固之焊劑凸塊。

再者，本發明係不限於上述實施形態者，關於應該應用本發明而形成焊劑凸塊之對象物之種類或焊劑凸塊之形成條件等，於發明之範圍內可追加各種應用、變化。

1‧‧‧IC晶片

2‧‧‧IC晶片之電極

5‧‧‧焊劑凸塊

21‧‧‧Bi

22‧‧‧Sn

30‧‧‧NiSn化合物層

Claims (5)

1. 一種焊劑凸塊之方法，其特徵在於：其係於電極上形成焊劑凸塊者，且使用含有Bi作為主成分、含有Sn作為副成分之焊劑球，於含有Ni之電極上形成焊劑凸塊。
2. 如請求項1之焊劑凸塊之形成方法，其中上述焊劑球係於1.0~10.0質量%之範圍含有Sn之焊劑球。
3. 如請求項1或2之焊劑凸塊之形成方法，其中上述焊劑球係於1.0質量%以下之範圍含有Cu及Ag之至少一者之焊劑球。
4. 一種焊劑凸塊，其係藉由如請求項1至3中任一項之焊劑凸塊之形成方法所形成者。
5. 如請求項4之焊劑凸塊，其於內部局部具有Sn單質及SnBi共晶合金層之至少一者。