TWI238095B - Method for soldering two substrates and solder joints formed therein - Google Patents

Description

1238095 玖、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係關於一種無錯焊料，尤其有關—種表面上被 形成有-銦4或銦纟金層的無錯焊才斗。 【先前技術】 *軟焊是電子產品中最重要之連結技術。焊點品質之良 T ’亦是直接與電子產品之可靠度息息相關。然而基於環 境保護與工業安全之老旦 ^ 、、 之考里，取代傳統錫鉛合金之無鉛焊 科 成為目别電子工章Φ早'^ μ ^ 、菜中最重要之議題。目前最受重視的 …、錯焊料為Sn-Ag-Cu之J£曰命、a u . 之，、日日與近共晶合金。雖然Sn-Ag-cu a金具有良好之性質，铁 貝…、而與傳統之Sn_Pb共晶合金比較， 點南出三十多庚攝洋 又攝氏。而此高熔點之焊料之引進，勢 必引起電子工業在势藉I 士、 、, 隹I耘與成本上之諸多變動。Sn-In共晶焊 :亦為良好之無鉛焊料，而且其相對之熔點亦低。然而因 :銦之價格昂貴’且共晶之Sn_In合金含In量高達一， 仏格過高成為Sn_In焊料在使用上之主要缺點。 g Cu D金除了具有較高熔點之缺點外，值得特別 =意的是其為三元之合金。在近年來電子4之—項重要 ^ 又j重視。奴者技術之演進與高密度 裝之需求’目前之覆晶基板焊料凸塊之製備，已漸從傳 :厚膜印刷技術改變為電鍍之製程。毫無疑問的此三元合 :的电鍍製程’將會成為此技術發展巨大之瓶頸。更令人 擔憂的是最近關於Sn_Cu_Ag的探討中發現，與傳統的 1238095

Sn-Pb合金不同，使用 相種類，對Cu含量：g_Cu谭料時其所生成之介金屬 量之控制須要十八之：之敏感’也即是在製程上對Cu含 易二確。三元合金之電鑛原已十分不 易，在組成上希冀有精準十刀不 ,_ 4更將疋十分之困難。 本^明之一目的即是在 、 高炼點、且電鏟生成不易之難：目V:Ag-Cu焊料之 a ^ n ,, 、 以及若疋採用Sn-In共 曰曰知枓價格將過高之難題。 /、 :發明為在無錯焊料之表面上生長一層銦或銦合全 刊莖丁 η + 仗用電鑛、蒸鍍、印刷、沾 Μ、 生成。此含10之金屬層於焊接之製程十 ^並與上下的母材接觸龍，降溫凝固後形成可靠之 ^點。因為姻的溶點僅為156价，比Μ共晶之峨 更低’焊接將可於較低之溫度下操作。而於焊接之過程中， 姻會與其所包覆的含錫之無錯焊料合金反應，因為Sn_In 之共晶溫度為UOL所以在短暫之焊接時間内，焊料會 形成梯度，但其表面保持為液相，並與基材有良好之潤^ 於焊接之過程中不致於因溶入過多之錫，而產生液相溫度 上升之困擾。目前之相關技術中’並未見到任何相同之辦 法0 已知之應用中有於高鉛焊料外加共晶焊料之作法[Nah et al.，J〇Urnal 〇f Applied Physics, v〇 94〇2)，pp 756〇 7566, 2003]，以降低焊接所須之溫度。韓國漢城大學 of Seoul)之鄭在弼教授則提出，於Sn_3 5wt%Ag之共晶焊 料外，加上Sn-Bi共晶焊料之作法[2〇〇4 TMS annual 1238095 meeting, Charlotte，NC，usA]。與本案相似的部份在於此二 種作法之目的，主要皆在於降低軟焊操作之溫度。然而前 者因係為含鉛之焊料，所以並不符合目前無鉛之趨勢。而 後者則因為含Bi，所以在接點之性質上，並未能跳脫出含 Βι材料於接點脆化之問題。此外則因與朴頗為類似，其 對人類是否會有毒性，則尚屬於未經探討之未知。

FuerhaUpter [Fuerhaupter et al·，US532〇272，1994]提出於

Sn Bi外鑛上如金之材料薄層，但其目的為改進含則之脆 化問題，與本案之鍍銦與降低操作溫度並不相同。 與銦相關之文獻亦頗多[Krueger et al.，DE3306154, 1984; Weigenetal，Ep〇787818, 1997]，但並無與本發明相 同之技術。IBM 之 Digiacomo Giulio [US6025649, 2000]亦 曰提生成柱狀Sn_Pb焊料，在於焊柱之一端鍍上銦，如此 之、纟。構於迴焊後可生成Pb_Sn-In之接點，以提升其焊點之 耐疲勞性質。此發明之重點在於使用銦較佳之耐疲勞性 貝而且其底材為Sn-Pb之焊料，與本案所提之為降低操 乍/JHL度且底材為無錯焊料之特徵完全不同。本發明因係 利用外鍍銦，而銦具有熔點低、抗疲勞特性佳、以及界面 反應較緩和等多項優點。而且更重要的是，因| In-Sn系 '從、、、屯In到共晶之組成，具有非長寬廣之組成範圍、與非 苇平、、爰的度與組成變化梯度。這將使得本發明可以於軟 知過転中’可以有較寬廣的組成變化操作區間。 除了上述之優點外，奥地利維也納大學之ipser教授， 指出了高錫焊料在低溫下，可能會有灰錫（Un pest)脆化之 1238095 問題[2004 TMS annual meeting，Charlotte，NC，USA]。lpser 指出引進銦於錫中，對灰錫之問題有明顯之改善，這亦會 是鍍銦所引起的優點。本發明鍍銦之濃度梯度焊料得以應 用，與銦是低熔點之金屬，以及Sn_In之共晶區域寬廣平 緩直接相關。Tamura 與 Murayam [Jp2〇〇1219267, 2⑻”於 年開為了以一道電鍍（Sn-In及Sn-Bi)之程序以製傷 Sn-In-Bi基之焊料。然而此目的為製備三元合金，與本發 明為利用In之低熔點及Sn_In之共晶區域寬廣平緩之特性 無關。無絡焊料已勢在必行，而隨著覆晶技術之漸成主流， 間距之縮小已使得電鍍技術成為必要，本發明具有立即商 業上應用之利基。 η q η分j 八本發明在含錫之無鉛焊料之表面上形成一銦層或銦 二層，此銦或銦合金層可以使用電鍍、蒸鍵、印刷、沾 ，不同之方法生成。此含銦之金屬層於焊接之製程中 蛐’：潤溼與其接觸的基材及該無鉛焊料，降溫凝固後 2可罪之:)：干接點。因為銦的熔點僅為i56.6〇c，比 之183 C更低’焊接將可於較低之溫度下操作。而於 ，過私中’銦會與該含錫之無鉛焊料合金反應形成_ 區因為Sn~In之共晶溫度為12〇〇c，所以在短暫之焊 、間内’含銦之無錯焊料會形成梯度，但其表面保 相，並與基材有良好之潤澄。 馬 本發明因係利用Μ 用外鍍銦，而銦具有熔點低、抗疲勞 ί238〇95 个生杜 、以及界面反應較緩和等多項優點。而且更重要的是， 為1n-Sn系統從純Ιη到共晶之組成，具有非長寬廣之組 _JL> ^ 乾圍、與非常平緩的溫度與組成變化梯度。這將使得本 毛明可以於軟焊過程中，可以有較寬廣的組成變化操作區 間’於焊點形成濃度梯度。 【貫施方式】 本么月揭示一種連接兩基材的軟焊接點，至少包含： 附著於一第一基材的一表面上的一無鉛焊料層，該無 鉛焊料包含錫且實質上不含鉛； 、、、口 口於第一基材的一表面上的一含銦層，該含 為銦或熔點低於該無鉛焊料的銦合金；及 連接該無錯焊料層及該含銦層的梯度層，該梯度層具 有-沿該無錯焊料層向該含銦層方向改變的銦含量，且該 梯度層包含該無料料層與該含銦層的液相反應產物。 本各月亦揭示一種軟焊兩基材的方法，包含下列步驟： a)準備一具有含銦層無錯焊料點的第一基材，其中該含 姻層無錯焊料點包含一附著於該第一基材的一表面上 的，、、、乱焊料層及一附著於該無錯焊料層的含姻層，該 無錯焊料包含錫且實質上不含錯，及該含銦層為銦或 熔點低於該無鉛焊料的銦合金； b) 將該第-基材的該表面接觸 且加熱該含銦層無鉛焊料點 該含銦層和該無鉛焊料層蓋 一第二基材的一表面，並 ’使得該含銦層熔融，及 生一液相反應；及 1238095 c)冷卻介於該第一基材與第二基材的兩表面之間的焊料 點’於疋結合5亥第一基材與該第二基材。 較佳的，本發明方法步驟a)中的含銦層無鉛焊料點係 藉由電鍍、蒸鍍或印刷一無鉛焊料層於該第一基材的表面 上及電鍍、蒸鍍或印刷一含銦層於該無鉛焊料層上而形 成。更佳的，該含銦層係被電鍍於該無鉛焊料層上。 較佳的，該無鉛焊料為錫。 較佳的，該無鉛焊料為錫合金。更佳的，該錫合金為 Sn-Ag，Sn_Cii 或 Sn-Ag_Cii 合金。 較佳的，該含銦層為錮。 較佳的，該軟焊接點具有小於49重量％的銦，以該軟 焊接點的總重量為基準’以小於30重量％的銦為更佳：人 本發明可藉下列實施例被進一步 用於％ 〆啄解該專貫施例僅 用於说明，而非用於限制本發明範 實施例一： 於硫酸銦之酸性電鍵液使用 電流衆疮馬陽極 又 A/dm及40°c，在錫基材之表面進行铲銦 經過1小時之眭„铋π w琨仃鍍銦 …夺間後，可以得到均勾的銦層 如圖1所示。 υ μιη与 實例—· 以類似於實施例一 之迴¥。銦層之厚度為 的鍍銦錫基材，與鎳基材進行170oc 5〇〇_ ’迴焊時間為2分鐘。結果 1238095 良好之接點。在銦與錫之接觸面上，顯示有液相反應 之口P份。除了銦於焊 ^ 〜接過Μ為液相外’亦可以見到部份 在：解’以及固化後之多相區。此固化後之多相區， 2之二固Γ前為包含液相及界面反應生成相之區域。如圖 、相妝片所示，多相區域約為8〇 μιη。 實施例三： 、」類似於實施例-的鍍銦錫基材，與鋼基材進行 之迴焊。銦層之厚度為500 μηι，迴焊時間為5分鐘。結 生成良好之接點。在銦與錫之接 、° 之部份。除了銦於焊接過程中為、夜心^有❹反應 々n、 甲馮，夜相外，亦可以見到部份 之錫被溶解，以及固化後之多 扃l门 匕便之夕相£。此固化後之多相區， 在^固化前為包含液相及界面反應生成相之區域。其多 相區域約為8 Ο μηι，如圖3所示。 實施例四： 170QC之迴焊。銦 。結果生成良好之 以鍍銦之錫銀基材，與鎳基材進行 層之厚度為500 μπι,迴焊時間為2分鐘 接點。 實施例五： 進行i7〇°c之迴焊。銦 分鐘。結果生成良好之 以鍍銦之錫銀基材，與銅基材 層之厚度為500 μπι，迴焊時間為2 接點。 1238095 實施例六： ”碌卷材進杆 、 銦層之厚度為500 μιη，迴焊時間為 之迴焊。 之接點。 、刀鐘。結果生成良好 實施例七： 以鍍銦之錫銀銅基材，與銅基材進行17以之迴卜 銦層之厚度為_ μιη，迴焊時間為干 之接點。 、-果生成良好 【圖式簡單說明】 圖1為依本發明實施例一所完成的鍍銦錫基材的剖面 之光學顯微鏡金相照片。 圖2為依本發明實施例二所完成的鍍銦錫基材與鎳基 材的焊接點的剖面的光學顯微鏡金相照片。 圖3為依本發明實施例三所完成的鍍銦錫基材與鋼基 材的焊接點的剖面的光學顯微鏡金相照片。 12

Claims (1)

1238095 拾、申請專利範圍·· 種連接兩基材的軟焊接點，至少包含： 附著於帛一基材的一表面上的一無錯焊料層，該無 鉛焊料包含錫且實質上不含鉛，· t合於—第二基材的_表面上的—含銦層，該含姻層 為銦或熔點低於該無鉛焊料的銦合金；及 連接該無錯焊料層及該含銦層的梯度層，該梯度層具 =一沿該無鉛焊料層向該含銦層方向改變的銦含^ 量，且該梯度層包含該無錯焊料層與該含鋼層的液相 反應產物。 2、如申請專利範圍第！項的軟焊接點，其中該無錯焊料 為錫。 如申請專利範圍第丨項的軟焊接點，纟中該無錯焊料 為錫合金。 4、

如申請專利範圍第3項的軟焊接點，其中該錫合金為 Sn-Ag，Sn-Cu 或 Sn-Ag-Cu 合金。 6、

如申請專利範圍第1至4 點’其中該含銦層為銦。 如申請專利範圍第1至4 點，其中該軟焊接點具有小 焊接點的總重量為基準。 如申請專利範圍第5項中的 點具有小於49重量％的銦， 基準。 項中任一項所述的軟焊接 項中任一項所述的軟焊接 於49重量％的銦，以該軟 軟焊接點，其中該軟焊接 以該軟焊接點的總重量為

13 ϊ238〇95 如申請專利範圍第6項中的軟焊接點，其中該軟焊接 點具有小於30重量％的銦，以該軟焊接點的總重量為 基準。 如申請專利範圍第7項中的軟焊接點，其中該軟悍接 點具有小於30重量％的銦，以該軟焊接點的總重量為 基準。 、一種軟焊兩基材的方法，包含下列步驟··

a) 準備一具有含銦層無鉛焊料點的第一基材，其中 該含銦層無錯焊料點包含一附著於該第一基材的一表 面上的無鉛焊料層及一附著於該無鉛焊料層的含銦 層’該無錯焊料包含錫且實質上不含錯，及該含鋼層 為銦或熔點低於該無鉛焊料的銦合金； b) 將該第一基材的該表面接觸一第二基材的一表 面，並且加熱該含銦層無鉛焊料點，使得該含銦層熔 融，及該含銦層和該無鉛焊料層產生一液相反應及

〇冷卻介於該第-基材與第二基材的兩表面:間的 焊料點’於是結合該第一基材與該第二基材。 11、如申請專利範圍第10項的方法， $ π万忐，其中該含銦層無鉛焊 料點係藉由電鑛、蒸鍍或印刷_無錯焊料層於該第一 土材的表面上及電鍍、蒸鍍或印刷一含鋼層於該無錯 焊料層上而形成。 12、 如申凊專利範圍第丨丨項的 貝幻万凌，其中該含銦層係被電 鍍於該無鉛焊料層上。 13、 如申請專利範圍第項的 $ J乃居，其中該無鉛焊料為 14 1238095 錫。 14、 15、 16、 17、 18 > 19、 20 \ 如申請專利範圍第10項的方生甘^ 合金。 去，其中該無鉛焊料為錫 如申請專利範圍第14 Cn Λ , , , ^方法，其中該錫合金為 g Sn_Cu 或 Sn-Ag-Cu。 如申晴專利範圍第丨〇至丨5 A 項中任一項所述的方法， 其中该含銦層為銦。 如申请專利範圍第10至15頊由乂 t 項中任一項所述的方法， 共T該含銦層無鉛焊料點 #人△ 叶點具有小於49重量％的銦，以 鑪a銦層無鉛焊料點的總重量為美準。 如申請專利範圍第項 认土 > 錯焊料點具有小於49重旦^方法’其中該含姻層無 料點的總重量為基準。的銦，以該含銦層無錯焊 如申請專利範圍第17項中 、〒的方法，其中該含銦層無鉛 坪科點具有小於3 〇重晋 % ^ , 。的銦，以該含銦層無鉛焊料 點的總重量為基準。 卞7卞 如申請專利範圍第18項中 焊M κ目+ , 、的方法，其中該含銦層無鉛 料點具有小於3 〇重蜃 1J: ^ ^ 里。的銦，以該含銦層無鉛焊料 點的總重量為基準。 卞7卞 15