无铅焊料球的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及半导体等电子部件的电极所使用的无铅焊料球。
[0002] 尤其涉及由未熔合造成的不良情况少的无铅焊料球。
【背景技术】
[0003] 近来,由于电子设备的小型化、电信号的高速化等,电子设备所使用的电子部件 也被小型化、多功能化。作为小型化、多功能化的电子部件,有BGA(球栅阵列;Ball Grid Array)、CSP(芯片尺寸封装;Chip Size Package)、MCM(多芯片模块;Multi Chip Module) (以下代表性地称为BGA)。BGA在BGA基板的背面作为电极设置于基板网眼状位置。
[0004] 为了将BGA安装于印刷电路板,用焊料将BGA的电极与印刷电路板的焊盘接合,但 是对每个电极逐个供给焊料进行焊接不仅会耗费很大的劳力而且无法从外部对位于基板 中间的电极供给焊料。因此,使用预先在BGA的电极上堆放焊料的方法。将其称为焊料凸 块的形成。
[0005] 在BGA的焊料凸块形成中使用焊料球、焊膏等。用焊料球形成焊料凸块时,在BGA 的电极上涂布粘合性的助焊剂,在涂布有助焊剂的电极上载置焊料球。然后,将该BGA基板 用回流焊炉等加热装置进行加热,使焊料球熔融,从而在电极上形成焊料凸块。需要说明的 是,将BGA基板等半导体基板统称为模块基板。
[0006] 另外,用焊膏在晶圆的焊盘上形成焊料凸块时,会设置在与晶圆的焊盘一致的位 置穿设有与焊盘同等水平的孔的金属掩模,用刮板从金属掩模的上方刮扫焊膏,由此在晶 圆的焊盘上印刷涂布焊膏。然后,将晶圆用回流焊炉加热,使焊膏熔融,从而形成焊料凸块。
[0007] 然而,现有的BGA使用Sn-Pb合金的焊料球作为焊料凸块形成用。该Sn-Pb焊料 球不仅对BGA的电极的焊接性优异,尤其是Sn-Pb的共晶组成具有在焊接时对BGA、印刷电 路板等不造成热影响的熔点。而且,其具有柔软的Pb,因此即使所使用的电子部件、电子设 备等落下,也可吸收冲击,对电子部件、电子设备等的寿命作出很大贡献。目前,在世界范围 内Pb的使用逐渐受到限制,现有的焊接中使用的Sn-Pb的共晶组成也开始受到限制。
[0008] 一直以来,作为BGA用的无铅焊料球的组成,使用Sn-3. OAg-O. 5Cu、 Sn-4. OAg-O. 5Cu等Sn-Ag-Cu系的焊料合金。这些无铅焊料合金虽然耐热疲劳性优异,但 使用了这些焊料合金组成的焊料球的移动电子设备在落下时容易发生从焊料球连接界面 剥离的界面剥离,因此耐落下冲击性差。为了改善此耐落下冲击性,开发了添加有Ni的 Sn-Ag-Cu-Ni系的焊料合金。
[0009] 但是,这些焊料球所使用的Sn-Ag-Cu系、Sn-Ag-Cu-Ni系的焊料组成由于与现有 的Sn-Pb系焊料相比润湿性差,因此使用焊膏将BGA搭载到印刷电路板上时,会发生熔融的 焊料球的焊料成分与焊膏的焊料成分未完全地混合、在焊料球与焊膏之间出现Sn的氧化 皮膜的层的"未熔合"这样的现象,这会成为问题。作为未熔合现象的一个例子,将BGA与 印刷电路板的接合例示于图1。将BGA部件1与安装基板2接合的焊料凸块3虽然发生了 熔合,但是焊料凸块4发生未熔合。图2是包含发生了安装加热后的未熔合现象的焊料球 5和焊膏6的焊料凸块。将图2放大而成的图3中能够确认发生了未熔合的接合部7仅为 单纯地接触,因此施加外部冲击时接合部会被轻易地破坏。此外,发生未熔合时,对搭载有 BGA的电子设备施加落下等外部冲击时变得容易发生故障。
[0010] 为了防止由未熔合造成的不良情况,电子设备的制造商通过利用测定电子设备的 电阻值等方法对发生了未熔合的接合进行事前检查,从而将发生了未熔合的印刷电路板改 正或替换,防止故障于未然。
[0011] 作为BGA那样的模块与印刷电路板的接合时产生的未熔合的解决方法,申请人已 公开了在BGA等模块的电极部涂布助焊剂的方法(W02006-134891A公报,专利文献1)。
[0012] 作为BGA等用的Sn-Ag-Cu-Ni系的焊料球的组成,公开了:一种无铅焊料合金, 其包含(I)Ag :0.8?2.0%、⑵Cu :0.05?0.3%、以及(3)选自In :0.01%以上且不足 0· l%、Ni :0· 01 ?0· 04%、C〇 :0· 01 ?0· 05%、和 Pt :0· 01 ?0· 1%中的一种或两种以上、 余量Sn (W02006/129713A公报,专利文献2);-种无铅焊料合金,其特征在于,其包含Ag : I. 0?2. 0质量%、Cu :0. 3?1. 5质量%,且包含余量Sn和不可避免的杂质;以及一种无 铅焊料合金,其还包含Sb :0. 005?1. 5质量%、Zn :0. 05?1. 5质量%、Ni :0. 05?1. 5质 量^^一:0. 005?0. 5质量%的一种或两种以上,且513、211、附、?6的总含量为1.5质量% 以下(日本特开2002-239780号公报,专利文献3);-种无铅焊料合金,其以质量%计包含 0· 1?L 5%的Ag、0. 5?0· 75%的Cu、满足12. 5彡Cu/Ni彡100的关系的Ni、余量Sn和不 可避免的杂质(102007/0810064公报,专利文献4);一种无铅焊料合金,其含有4 8:1.0? 2.0质量%、Cu :0.3?1.0质量%、Ni :0.005?0. 10质量%,且包含余量Sn和不可避免的 杂质(W02007/102588A公报,专利文献5)。
[0013] 现有技术文献
[0014] 专利文献
[0015] 专利文献 I :W02006/134891A 公报
[0016] 专利文献 2 :TO2006/129713A 公报
[0017] 专利文献3 :日本特开2002-239780号公报
[0018] 专利文献 4 :W02007/081006A 公报
[0019] 专利文献 5 :W02007/102588A 公报
【发明内容】
[0020] 发明要解决的问是页
[0021] 在使用BGA等的安装中,一般通过如下方式进行焊接的工序:将包含焊料合金 粉末例如Sn-Ag-Cu合金粉末和助焊剂的焊膏印刷在安装基板上,在BGA等上搭载形成有 Sn-Ag-Cu系的焊料合金凸块的电子部件,并加热熔解。最近,在该工序中,即使在充分地超 过焊料合金的熔点的温度下进行安装时,BGA等模块基板的焊料凸块与焊膏、或者引线部件 与焊膏不熔合,引起通导不良这样的"未熔合"的现象成为问题。毋庸讳言,未熔合会引起 通导不良,导致不满足作为电子设备产品的功能,根据情况的不同,有可能会发展到顾客抱 怨的地步。模块与印刷电路板的焊接跟印刷电路板与翘曲小的芯片部件的焊接不同,其特 征在于,模块和印刷电路板均会由于回流焊的加热而发生大的翘曲。该现象在部件电极的 无铅化以前也被确认到,但是多被确认发生在部件电极的无铅化的情况下,因此今后成为 主流的无铅焊料电极中的对策变为当务之急。
[0022] 对于BGA等模块的焊料凸块表面的腐蚀的影响、基板和/或部件的翘曲作为未熔 合现象的主要原因而起作用。尤其是,对于焊料凸块表面而言,在凸块形成时使用的助焊剂 的清洗不良、部件被暴露在高温高湿下的情况下等,会在凸块表面生成坚固的氧化皮膜。原 本,承担将该表面氧化皮膜洁净化的功能的成分是在表面安装工艺中被印刷于印刷电路板 的焊膏中的助焊剂。但是,在如前述这样表面氧化皮膜坚固、表面为难以还原的状态、进而 加热安装时发生基板、部件的翘曲的情况下,有时所印刷的焊膏与部件的焊料凸块分离,发 生未熔合的可能性变高。其发生率在市场报告中报道为ppm级,而在实验性地暴露在使焊 球表面腐蚀的高温高湿的情况下,确认其上升至50?70%的水平。
[0023] 本次,本发明人等发现,作为未熔合的原因,除了前述的原因以外,由于焊料球的 组成而在焊料内部形成的化合物即Cu6Sn5或(Cu、Ni)6Sn5也有影响。将接合有焊料球的 部件搭载在安装基板上时,对印刷涂布有焊膏的安装基板,使BGA等模块的接合了焊料球 的电极侧朝下地进行搭载。之后进行加热,在焊膏熔融的同时焊料球也熔融至熔合。但是, 在焊料球球内部形成的化合物Cu6Sn5或(Cu、Ni) 6Sn5较多地生成的情况下,会发生在焊料 球熔融时化合物在球内部沉降而在凸块最表面附近析出的现象。发现该现象是导致阻碍与 焊膏的熔合、引起未熔合的原因。(图3)
[0024] 作为未熔合的对策,可以考虑彻底消除在部件、安装基板产生的翘曲的对策,提高 焊膏的活性的对策等。但是,依靠现有的技术消除,基板的翘曲在现实中是不可能的,焊膏 中助焊剂的活性化由于促进与焊料粉末的反应,因此从经时变化的方面出发,有损害焊膏 可靠性之虞,因此是困难的,尚没有有效的熔合不良的对策。因此,虽然会增加工序并导致 成本上升,但是通过专利文献1这样的方法来消除未熔合的做法是通常的。
[0025] 本发明要解决的问题是找到能够不采取专利文献1这样的增加工序的方法而仅 利用焊料球的组成来消除未熔合的方法。
[0026] 用于解决问题的方案
[0027] 本发明人等发现,未熔合的原因是,为了改善焊料球的落下冲击而添加的Ni与Sn 和Cu形成金属间化合物,并在焊料球表面析出,从而妨碍了焊料球的焊料成分与焊膏的焊 料成分混合。另外,焊料球的润湿性也会造成与焊膏的未熔合现象,伴随着Ag量降低的润 湿性降低也承担着发生未熔合现象的部分责任。
[0028] 因此发现,通过在Sn-Ag-Cu中包含Ni的四元合金中将Sn和Cu和Ni的量设定为 某一范围,能够抑制Sn和Cu和Ni的金属间化合物的生成量,并且减少在焊料球表面析出 的化合物,发挥对于与焊膏的熔合而言充分的润湿性,由此急剧减少未熔合,从而完成本发 明。
[0029] 本发明为一种无铅焊料球,其为安装于BGA、CSP用的模块基板并作为电极用途使 用的焊料球,其焊料组成包含AgL 6?2. 9质量%、CuO. 7?0. 8质量%、NiO. 05?0. 08质 量%、余量Sn。
[0030] 为了提高焊料球的热疲劳特性,向焊料中添加Ag、Cu、Ni而形成Sn与Ag、Sn和Cu 和N