TWI485026B - High temperature lead free solder ball - Google Patents

Description

高溫無鉛焊接球

本發明是有關於一種焊接球，特別是指一種高溫無鉛焊接球。

錫球廣泛應用於電子封裝模組中，透過錫球可將電子元件與印刷電路板或基板隔著一預定間距而接合，乃相當電子元件之間的接合劑與間隔件(spacer)。

構裝使用於第一層級的接合材料，由於直接與矽晶粒(Silicon Die)連結，屬於產品最內層的封裝，環境溫度較外層高，並且為了避免被第二、三層級之接合過程如迴焊(Reflow)、波焊(Wave Soldering)等步驟所影響，一旦材料熔點不夠高，第一層級的接點甚至會在第二、三層級接合步驟的過程中失效，因此目前第一層級的接合都是使用較高熔點(260℃以上)的材料，依照不同的構裝技術選擇適當的材料，其中包括黏晶(Die attach)、覆晶(Flip Chip)接合等技術都屬於第一層級的構裝技術。

黏晶是指將矽晶粒接合固定在構裝基板或導線架的晶片承載座之製程之後，使用打線接合(Wire Bonding)完成電路的連線。常用材料有軟質合金(Soft Solder)的Pb-5Sn、硬質合金(Hard Solder)的Au-20Sn及Au-Si、高分子膠等材料。

而覆晶接合則是1960年代由美國IBM發展的接合技術，跟打線接合不同的地方在於覆晶接合提供高密度的面 陣列(Area Array)，接點密度遠大於打線接合的周列式(Peripheral Array)，係先在晶粒之焊墊上生成焊錫凸塊(Solder Bump)，將焊錫凸塊對準構裝基板的接墊，以迴焊的方式配合焊錫熔融時之表面張力效應使焊錫成球而完成晶片與基板的接合。常見的凸塊成份有Pb-5Sn、Sn-37Pb及Pb-50In合金。

除了黏晶及覆晶接合等技術，還有許多應用因環境特別而需要使用到高溫焊接球，像是光電元件、汽車電子元件等，而熔點溫度可達260℃以上的焊接球，可稱為高溫焊接球。目前已知的高溫焊接球通常以鉛作為球心材料，並於球心外包覆錫，使用鉛雖然可以達到高溫要求，但由於鉛具有毒性，對於生態環境破壞性較大。另外有一種無鉛材料即為前述的金錫合金，但使用金的成本較高。因此，基於環保、健康與成本等因素的考量，有必要開發出一種不含鉛但又可達到高熔點需求的焊接球。

因此，本發明之目的，即在提供一種兼具環保無毒與高溫需求，且成本較低的高溫無鉛焊接球。

於是，本發明高溫無鉛焊接球，直徑為10μm~1000μm，並包含一個以鋅為主要成分的核心層。

較佳地，該核心層還包含0.01~20wt%的鋁、0.01~12wt%的銅，或此等之一組合。更佳地，鋁的含量為4wt%。

較佳地，該核心層還包含0.01~5wt%的鍺、0.01~5wt% 的鎵、0.01~1wt%的鎂、0.01~1wt%的鈦、0.01~1wt%的鉻，或此等之一組合。

較佳地，本發明高溫無鉛焊接球還包含一包覆於該核心層外的第一包覆層，其材料為錫、銅或鎳。

較佳地，本發明高溫無鉛焊接球還包含一包覆於該第一包覆層外的第二包覆層，該第二包覆層為錫、銀、含鎳之錫合金、含鈷之錫合金、含鐵之錫合金，或此等之一組合。

較佳地，本發明高溫無鉛焊接球還包含一位於該第一包覆層與該第二包覆層之間的接合層，該接合層包含鎳。

本發明之功效：藉由鋅作為該核心層的主要材料，相對於以往使用金的成本較低，且由於鋅無毒、無污染，且其熔點大於260℃而符合高溫要求，確實能作為良好的封裝間隔球之材料，並能提升電子元件間的焊接可靠度。此外，設置該第一包覆層與該第二包覆層可提升焊接球的潤溼性、可焊性、抗氧化性、機械性能，設置該接合層則有助於該第二包覆層之附著。

有關本發明之前述及其他技術內容、特點與功效，在以下配合參考圖式之數個較佳實施例與數個實驗例的詳細說明中，將可清楚的呈現。在本發明被詳細描述前，要注意的是，在以下的說明內容中，類似的元件是以相同的編號來表示。

參閱圖1，本發明高溫無鉛焊接球之第一較佳實施例包 含：一核心層1，及一包覆於該核心層1外的第一包覆層2。本發明之高溫無鉛焊接球主要是指熔點260℃以上的焊接球。

本實施例之核心層1大致呈球狀，其材料包含鋅(Zn)，實際上可以完全使用鋅，或者也可以鋅為主要成分並添加其它材料。所謂以鋅為主要成分乃為相對多數的概念，是指該核心層1中，鋅的重量百分比(wt%)大於其它任何一種添加材料的重量百分比。當該核心層1的重量為100 wt%時，該核心層1進一步還可以包含0.01~20wt%的鋁(Al)、0.01~12wt%的銅(Cu)，或此等之一組合，即，該核心層1可額外添加鋁或銅，或同時添加鋁與銅。更進一步地，該核心層1還可包含0.01~5wt%的鍺(Ge)、0.01~5wt%的鎵(Ga)、0.01~1wt%的鎂(Mg)、0.01~1wt%的鈦(Ti)、0.01~1wt%的鉻(Cr)，或此等之一組合，即，該核心層1可額外添加鍺、鎵、鎂、鈦、鉻中的任一種或兩種以上。

本發明以鋅作為該核心層1的主要成分，是因為鋅的熔點約為420℃，具有硬度高、無毒、無污染之優點，同時符合焊接球之高溫要求，因此適用於作為核心層1的材料。另外，當該核心層1添加鋁、銅、鍺、鎵、鎂、鈦、鉻的其中一種或兩種以上材料而形成鋅合金時，都具有降低合金熔點(但仍符合高溫需求)的功效，而且可提升鋅合金的結構強度、硬度、合金抗氧化性或潤溼性。

其中，以添加鋁為例，該核心層1可以包含0.01wt%~20wt%的鋁，較佳地包含4wt%的鋁。當該核心層1含有適 量的鋁時，鋁和鋅形成的鋁鋅共晶(eutectic)合金可以降低合金熔點，例如，添加4wt%的鋁時，該核心層1的熔點可降至390℃，並且可提升該核心層1之合金硬度，如此可以使該核心層1在符合高溫需求的同時，還能降低製作成本。此乃因為該核心層1在製作上必須使其材料受到高溫而呈熔融態，才能塑型成所須尺寸的球狀體。若該核心層材料的熔點溫度過高時，要將材料加熱至熔融態並作成球狀，需要耗費較長的加熱時間與消耗較多的製程能量，因此本發明在使該核心層1符合焊接球之高溫需求的同時，較佳地該核心層1的熔點不需要太高，如此可降低製作成本。

此外，該核心層1添加銅可增加合金的硬度和強度、改善合金的抗磨損性能、減少晶間腐蝕。添加鎂和鈦可減少晶間腐蝕、細化合金組織、改善合金的抗磨損性能。添加鍺、鎵可提升合金之抗氧化、抗色變能力，而且鍺與鎵具有良好的熱與電傳導性能，可潤溼大部分的金屬與氧化物，從而提升潤溼性與可焊性。添加鉻則可提升合金抗氧化性及硬度。

該第一包覆層2可以利用但不限於滾鍍(barrel plating)的方式形成，進而將該核心層1完整包覆於其中。該第一包覆層2的材料為錫(Sn)、銅或鎳(Ni)，使用銅作為包覆材料是因為銅的導電性佳，可作為電子元件之間良好的電連接體。而且銅可以與該核心層1中的游離態鋅原子形成介金屬化合物(IMC)，以降低鋅的活性，避免鋅的表面氧化，並可降低熔融焊料的表面張力，提高焊料的潤溼性與抗氧 化性。另外，該第一包覆層2使用錫、銅或鎳等材料，還可以降低迴焊(reflow)製程焊接溫度，同時降低該核心層1與基板焊接材的擴散速率，從而提升該核心層1與基板焊接材的接合介面強度，具有較高的潤濕性及可焊性。

本發明的主要改良在於：以鋅作為該核心層1的主要材料，相對於以往使用鉛而言，具備無毒、無污染之優點，相對於以往使用金而言，則具有成本低的優點。而且鋅的熔點大於260℃而符合高溫要求，能滿足第一層級黏晶、覆晶接合等封裝要求，不僅可應用於一般的球柵陣列(Ball Grid Array，簡稱BGA)封裝，還可應用於例如堆疊(Stacked Package on Package，簡稱PoP)封裝之較高階的三維立體(3D)封裝，可作為間隔球以維持元件間高度，並提升封裝元件可靠度。另外，該核心層1本身即可單獨作為焊接球，本發明不以設置該第一包覆層2為必要。焊接時會將焊料及助熔劑塗布在焊接球周圍，使焊接球能焊固於電子元件與基板或印刷電路板之間。

本發明高溫無鉛焊接球整體的直徑為10μm~1000μm，此大小之焊接球可提供電子元件與基板或電路板適當之間隔距離，符合一般所須的間隔要求。

參閱圖2，本發明高溫無鉛焊接球之第二較佳實施例與該第一較佳實施例的結構大致相同，不同的地方在於：本實施例還包含：一包覆於該第一包覆層2外的第二包覆層3，該第二包覆層3將該第一包覆層2完整包覆於其中，其材料為錫、銀(Ag)、含鎳(Ni)之錫合金、含鈷(Co)之錫合金 、含鐵(Fe)之錫合金，或此等之一組合。本實施例額外增加該第二包覆層3，可用於與該第一包覆層2配合，使該核心層1外形成雙層包覆，以降低迴焊製程焊接溫度，同時降低該核心層1與基板焊接材的擴散速率，從而提升該核心層1與基板焊接材的接合介面強度，具有較高的潤濕性及可焊性。

該第二包覆層3可以利用但不限於滾鍍(barrel plating)的方式形成，滾鍍方式可以使該第二包覆層3均勻地包覆該第一包覆層2。設置該第二包覆層3的另一優點為：正因為第二包覆層3可提升焊接球的可焊性，所以進行焊接作業的組裝者不須額外再於焊接球外塗上錫來幫助焊接，而且實際上要另外塗上錫並不容易均勻塗布。因此本實施例直接以滾鍍方式形成該第二包覆層3，應用上更加方便並具有組裝優勢。

此外，銅與錫的合金相有Cu₃ Sn與Cu₆ Sn₅ ，因此該第二包覆層3為錫時，易於與該第一包覆層2的銅形成Cu₃ Sn與Cu₆ Sn₅ 之介金屬化合物。根據研究證實，由於Cu₃ Sn的材料特性較脆，若焊接球中存有過多的Cu₃ Sn時，則在電子產品操作時所產生的元件振動或電子產品不慎摔落地面時，焊點處容易從Cu₃ Sn介面形成斷面而剝落，因此過多的Cu₃ Sn會影響焊接點的接合強度。但是當第二包覆層3的材料使用含鎳之錫合金時(於錫為主體的材料中摻雜鎳，即Ni-doped Sn)，鎳的添加可以幫助Cu₆ Sn₅ 形成，從而抑制Cu₃ Sn的生成，使Cu₃ Sn厚度變薄，如此即有利於提升 焊接球及焊接部位的結構強度，從而提升電子產品的可靠度與耐用性。

參閱圖3，本發明高溫無鉛焊接球之第三較佳實施例與該第二較佳實施例的結構大致相同，不同的地方在於：本實施例還包含：一位於該第一包覆層2與該第二包覆層3之間的接合層4。該接合層4用於提升該第二包覆層3與該第一包覆層2之間的結合力，以幫助該第二包覆層3附著。該接合層4的材料包含鎳，亦有助於提升焊接球的整體結構強度。當該第二包覆層3的材料為錫、該第一包覆層2的材料為銅時，該接合層4的鎳可以用於防止錫與銅相互擴散而反應。另一方面，即使銅與錫仍有部分擴散現象，但如同上述，鎳有助於抑制Cu₃ Sn的生成，進而可提升焊接球的結構強度。當然，當該第二包覆層3的材料為鎳時，此時自然不需要再使用鎳製成的接合層4。

具體而言，本發明之核心層1的直徑可以為10μm~800μm，該第一包覆層2的厚度可以為1μm~50μm，該接合層4的厚度可以為1μm~50μm，該第二包覆層3的厚度可以為1μm~50μm。但上述厚度僅為舉例，不作為本發明之限制。而且無論本發明包含幾層層體，該高溫無鉛焊接球整體的直徑為10μm~1000μm。

接著透過本發明的數個實驗例與數個比較例來證實本發明的功效。

參閱表1，表中的「核心層硬度」的測試方式是採用標準的維氏硬度測試方法。而「整體組裝性」是以組裝良率 判斷，以組裝1000個焊接球為例，觀察是否有無法組裝之狀況，無法組裝的球愈少時，缺陷率愈低，即代表良率愈高。其中的「佳」代表組裝良率高於99.5%，「優良」代表組裝良率高於99.9%。在此所謂的組裝意指焊接球能否焊接固定於一物體上，本實驗的該物體為一銅焊墊。

由表1可看出本發明的實驗例1~17，使用Zn核心層的熔點為420℃，符合高溫焊接球的熔點要求，在此同時該核心層硬度可達到55Hv左右，具有足夠的硬度(一般來說，硬度約大於20Hv即足夠)，同時亦具備極高的組裝良率，表示本發明焊接球以Zn作為核心層的主要成分，確實可達到焊接球的各種條件要求。

參閱表2，表中的「Zn-4Al」是代表該核心層包含4wt%的Al，餘量為Zn；同理，「Zn-20Al」是代表該核心層包含20wt%的Al，餘量為Zn。由表2的各實驗例可看出，當該核心層添加4wt%的Al時，由於ZnAl的共晶合金生成，使該核心層的熔點降至390℃。且該核心層的強度增加到84Hv，由此可見，添加適量的Al有助於降低核心層熔點而降低製造成本，同時可提升結構強度。

參閱表3，由實驗例25、37~39可看出，該核心層中的鋁含量在本發明限定的0.01wt%~20wt%之間時，核心層熔點與硬度乃符合需求，而其中又以實驗例25之4wt%的鋁 含量可達到最佳的降低熔點與提升結構強度之功效。反觀比較例1之鋁含量為22wt%而過高，導致合金熔點溫度過高而無法製作出球狀核心層。

參閱表4，由實驗例40~42可看出，該核心層中的銅含量在本發明限定的0.01wt%~12wt%之間時，核心層熔點與硬度乃符合需求。反觀比較例2之銅含量為14wt%而過高，導致合金熔點溫度過高而無法製作出球狀核心層。

參閱表5，由實驗例43~51可看出，該核心層的鋁與銅皆落在本發明限定的數值範圍內，即0.01~20wt%的鋁、0.01~12wt%的銅。實驗例43~51同樣可達到焊接球之熔點、硬度及組裝性等特性的要求。反觀比較例3之銅含量為 14wt%而過高，導致合金熔點溫度過高而無法製作出球狀核心層。

參閱表6，由表6的各實驗例可看出，該核心層的鍺、鎵、鎂、鈦或鉻皆落在本發明限定的數值範圍內，該等實驗例同樣可達到焊接球之熔點、硬度及組裝性等特性的要求。反觀比較例4~9之核心層的添加元素的含量過高，無法製作出球狀核心層。

參閱表7，抗氧化性的判斷，是將各樣品之焊接球合金放置於烤箱內，並在200℃的溫度且通以空氣的環境下放置30分鐘後，取出並觀察焊料合金的表面亮度變化。其中，抗氧化的能力即為抗色變的能力，且記載方式如下：○：表示焊料合金的表面仍保有金屬亮度，被氧化的程度極輕微或幾乎無； △：表示焊料合金的表面呈現黃或藍或紫之相近色，被氧化的程度較明顯。

由表7可看出實驗例8與47未添加鍺與鎵時，抗氧化性較不足但仍堪用。而實驗例52~57、67~69添加適量的鍺與鎵時，抗氧化性確實可獲得提升。

惟以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍，即大凡依本發明申請專利範圍及發明說明內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。

1‧‧‧核心層

2‧‧‧第一包覆層

3‧‧‧第二包覆層

4‧‧‧接合層

圖1是一剖視示意圖，顯示本發明高溫無鉛焊接球之一第一較佳實施例；圖2是一剖視示意圖，顯示本發明高溫無鉛焊接球之 一第二較佳實施例；及圖3是一剖視示意圖，顯示本發明高溫無鉛焊接球之一第三較佳實施例。

1‧‧‧核心層

2‧‧‧第一包覆層

Claims (10)

1. 一種高溫無鉛焊接球，直徑為10μm~1000μm，並包含一個以鋅為主要成分的核心層；其中，該核心層還包含0.01~5wt%的鍺、0.01~5wt%的鎵、0.01~1wt%的鎂、0.01~1wt%的鈦、0.01~1wt%的鉻，或此等之一組合。
2. 依據申請專利範圍第1項所述之高溫無鉛焊接球，其中，該核心層還包含0.01~20wt%的鋁、0.01~12wt%的銅，或此等之一組合。
3. 依據申請專利範圍第1或2項所述之高溫無鉛焊接球，還包含一包覆於該核心層外的第一包覆層，其材料為錫、銅或鎳。
4. 依據申請專利範圍第3項所述之高溫無鉛焊接球，還包含一包覆於該第一包覆層外的第二包覆層，該第二包覆層為錫、銀、含鎳之錫合金、含鈷之錫合金、含鐵之錫合金，或此等之一組合。
5. 依據申請專利範圍第4項所述之高溫無鉛焊接球，還包含一位於該第一包覆層與該第二包覆層之間的接合層，該接合層包含鎳。
6. 依據申請專利範圍第1項所述之高溫無鉛焊接球，還包含一包覆於該核心層外的第一包覆層，其材料為錫、銅或鎳。
7. 依據申請專利範圍第6項所述之高溫無鉛焊接球，還包含一包覆於該第一包覆層外的第二包覆層，該第二包覆 層為錫、銀、含鎳之錫合金、含鈷之錫合金、含鐵之錫合金，或此等之一組合。
8. 依據申請專利範圍第7項所述之高溫無鉛焊接球，還包含一位於該第一包覆層與該第二包覆層之間的接合層，該接合層包含鎳。
9. 依據申請專利範圍第1項所述之高溫無鉛焊接球，其中，該核心層還包含4wt%的鋁。
10. 依據申請專利範圍第1項所述之高溫無鉛焊接球，用於球柵陣列封裝，或三維立體封裝。