抗高温时效高强度无铅焊锡的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种焊料合金组成物，具体涉及一种适合电子零件焊点使用的抗高温 时效高强度无铅焊锡。
【背景技术】
[0002] 在已知的技艺中，锡铅合金经常被用来作为电子零件的焊料合金，但因为铅及其 化合物对环境的污染严重，再加上现今环保意识抬头，含铅焊锡近年来逐渐遭到国际限用， 因此逐渐以无铅焊锡来取代。
[0003] 而一般传统的非晶圆级封装须经过打线与填胶等步骤，封装之后的尺寸比原来晶 粒还大，此乃为早期1C封装技术的共同特色。又，无铅焊锡合金在应用上可制作为锡球的 形态，透过锡球可将电子组件与印刷电路板或基板隔着一预定间距而接合，相当电子组件 之间的接合剂与间隔件（spacer)。而焊锡合金之锡球必须考虑球的粒径尺寸大小、材料强 度、以及降低银针形成，才能适用于封装时的焊接用接合剂。
[0004] 随着封装技术的进展，目前已开发出一种晶圆级封装（WaferLevelPackaging, 简称WLP)，此为1C封装方式的一种，是指整片晶圆生产完成后，其所有步骤都在切片之前 的晶圆上完成，因此直接在晶圆上进行封装测试，完成之后才切割制成单颗1C，不需要经过 打线或填胶的步骤。而封装后的芯片尺寸几乎与原来的晶粒大小相同，因此也可以称为芯 片尺寸晶圆级封装（WaferLevelChipScalePackage,简称WLCSP)。
[0005] 又，由于晶圆级封装具有较小的封装尺寸，应用于其中的焊料合金锡球的尺寸以 及合金强度的要求当然与传统的非晶圆级封装的焊料要求不同。一般来说，晶圆级封装1C 相对于传统封装对于环境变化包含温度、湿度的抵抗力会比较弱，对抗高温时效性能要求 较高，而且，晶圆级封装焊锡容易出现银针析出物，严重者，此银针析出物会穿出焊点而连 接不同焊点，造成焊点之间短路，因此，需开发一种创新的焊锡组成物，其可适用于晶圆级 封装的焊料需求。
【发明内容】
[0006] 本发明的目的是提供一种新的无铅焊锡材料组合物，其具有抗高温时效、高强度 且能抗银针成形。
[0007] 为达到上述目的，本发明提供了一种抗高温时效高强度无铅焊锡，以该无铅焊锡 的总重量为100Wt%计，该无铅焊锡包含： 3~5wt% 的银； 0· 2~0· 8wt% 的铜； 0. 5-20wt% 的铋； 0· 005~0· 06wt% 的镍； 0· 005~0· 02wt% 的锗；及 余量为锡。
[0008] 上述的抗高温时效高强度无铅焊锡，其中，铋在所述的抗高温时效高强度无铅焊 锡中的重量含量为〇. 5-lOwt% ;更佳地，铋在所述的抗高温时效高强度无铅焊锡中的重量 含量为1~7wt%。
[0009] 上述的抗高温时效高强度无铅焊锡，其中，该抗高温时效高强度无铅焊锡还包含： 0· 0002~lwt%的锌；较佳地，为(λ0002~0· 5wt%的锌；更佳地，为(λ0002~0· 2wt%的锌。
[0010] 本发明还提供了上述的抗高温时效高强度无铅焊锡适用于晶圆级封装的用途。
[0011] 本发明提供的无铅焊锡通过上述各元素的适当添加比例所形成的创新材料组成， 可提升并维持材料在高温时效后材料强度与硬度，同时提升接口强度、抗氧化性、抗银针成 形能力，形成完整的无铅焊锡材料设计，并可使该晶圆级封装1C适用于高温热循环的严苛 环境。
【具体实施方式】
[0012] 以下结合实施例详细说明本发明的技术方案。
[0013] 本发明提供了一种抗高温时效高强度无铅焊锡的较佳实施例，以该抗高温时效高 强度无铅焊锡所含总重量为100wt%计，该无铅焊锡包含：3~5wt%的银（Ag)、0. 2~0. 8wt% 的铜（Cu)、1~7wt% 的铋（Bi)、0· 005~0· 06wt% 的镍（Ni)、0· 005~0· 02wt% 的锗（Ge)，以 及余莖为锡（Sn)。
[0014] 本发明还提供了一种抗高温时效抗银针成形高强度无铅焊锡的较佳实施例，以该 抗高温时效抗银针成形高强度无铅焊锡所含总重量为100wt%计，该无铅焊锡包含：3~5 wt% 的银（Ag)、0.2~0.8wt% 的铜（Cu)、l~7wt% 的铋（Bi)、0.0002~0.2wt% 的锌（Zn)、 0· 005~0· 06wt% 的镍（Ni)、0· 005~0· 02wt% 的锗（Ge)，以及余量为锡（Sn)。
[0015] 无铅焊材合金配置方式：先将高熔点金属银，铜，镍及锗分别使用高周 波恪解炉配制成Sn+10wt%Ag(该百分比为Ag与Sn的重量比，S卩，母合金成份是 90wt%Sn+10wt%Ag，下同），Sn+5wt%Cu,Sn+lwt%Ni及Sn+lwt%Ge母合金。低恪点金 属铋及锌则以纯金属方式添加，跟据需求合金成份比例，依据重量百分比计算各纯金属 及母合金添加量，先将3N或4N纯锡投入于熔解炉中，投料时需依序排列避免纯锡锭架 桥，完成后将熔解炉温度升温到490°C，使纯锡完全熔解成液态后，先将Sn+10wt%Ag， Sn+5wt%Cu，Sn+lwt%Ni三种母合金及纯铋(不易氧化母合金及纯金属)加入熔解炉，同时 使用搅拌器搅拌30分钟，使母合金及纯金属能均匀熔解分散熔入纯锡中。Sn+lwt%Ge 及纯锌金属由于容易因氧化烧损，造成成份变异误差，所以在银，铜，镍及铋完全熔解 于锡液后，最后才添加到熔解炉，Sn+lwt%Ge及纯锌金属添加后再持续搅拌10分钟后， 取样铸成分析样品铸锭后，使用分光分析仪（AES)量测锡液中银，铜，镍，铋，锌及镓 浓度，确认所有金属成份符合规格比例后，将熔解炉温度降温至350°C后，再将所有锡液 铸成锡条，在锡液铸成锡条过程中及完成所有锡条浇铸前，需再取析样品铸锭做成份分 析，确保锡条没有因长时间持温造成合金成份偏析与超标。
[0016] 本发明在锡基材中添加此六种元素，可将该焊料合金制作成锡球形态，并可应用 于晶圆级封装（简称WLP)，具有优良的焊接结合力，即使该焊料合金在高温环境下经过长 时间（以下简称为高温时效）后仍可维持相同的足够强度，不会因长时间高温时效或冷热 变化冲击而造成焊料合金产生裂纹或焊料合金与PCB电路板焊垫（PCBPad)或者基板之间 的接口发生破裂分1?。
[0017] 其中，本发明添加3~5wt%的银的功能在于：适当的银含量可提升焊料合金的抗 拉强度及焊料硬度，但是超过5wt%银含量会使焊料合金熔点过高而无法应用。经试验， 较佳的银的含量为3~5wt%。
[0018] 添加铜的目的在于降低焊料合金熔点及提升焊料合金强度，但是当铜的浓度过高 时，反而会提高焊料合金熔点，因此较佳地铜的含量为〇. 2~0. 8wt%。
[0019] 添加铋可帮助焊料合金中的银均匀分散于整个焊料合金材料中，避免聚集形成颗 粒粗大的Ag3Sn介金属。而且添加的铋会分散于整个焊料合金中以提升焊料合金强度与硬 度，同时避免焊料合金因长时间高温时效后，其中的银与铜元素聚集形成粗大化介金属，造 成裂缝沿着介金属成长扩大，而最后造成焊锡接点失效。跟据我们研究发现，〇.5~20wt% 铋含量添加都可以有效提升焊料合金强度与硬度，但是过高的铋含量会造成焊料合金 脆化、韧性降低而容易使无铅焊锡基材承受外力时形成脆性破裂，经试验较佳添加含量 0. 5~10wt%铋，最佳铋的添加含量为l~7wt%。
[0020] 添加锌的功能：在高银含量3~5wt%银无铅焊材，由于添加银含量已经超过饱 和浓度，当无铅焊锡在回焊凝固过程中，过多的银会析出成Ag3Sn存在焊锡接点，而且 析出Ag3Sn银针随着凝固过程会长大成粗大的银针，凝固速度越慢维持在液态的时间越 长，所成长银针尺寸会越大，由于Ag3Sn银针是一种介金属具有硬脆及低热膨胀系数特 性，银针与焊锡接点由于热膨胀系数及硬度有很大差异，当电子产品使用于高温热循环 严苛环境，电子产品会因为外部环境温度变异，而且在芯片与基板中间无铅焊锡接点产 生内部应力，此内部应力会使粗大Ag3Sn银针与焊锡本体产生裂缝，随着裂缝成长进而 造成整个接点断裂，最后造成1C芯片失效电子产品报废。其次，芯片在植球组装回焊 制程中，粗大银针会凸出接点表面，而与邻近焊锡接点串连造成接点桥接，而不同焊点 之间往往是被设计成绝缘状态，但巨大银针是属于导体，银针跨越两个不同焊点最后会造 成焊点之间短路失去绝缘作用，因此会使芯片的逻辑运算功能异常或输送电力线路异常而 失效，制程中需要重工，造成良率损失或者产品报废。添加锌元素可以改变焊锡接点中 Ag3Sn成核与成长机制，进而改变凝固后接点组织，有效抑制Ag3Sn银针成核与成长成 粗大的银针。根据我们研究发现，锌元素添加从〇.〇〇〇2~1wt%都可以有效的抑制Ag3Sn 银针形成，但是锌是一种容易氧化元素，添加太多锌会改变焊锡接点表面张力及氧化膜 形态，当芯片在封装制程中需要多次回焊时，焊锡接点容易因氧化造成接点表面扭曲变 形，影响芯片回焊后锡球共面性，造成芯片在SMT制程中良率损失或者产品报废。实验结 果建议较佳锌添加含量范围〇. 0002~0. 5wt%，最佳锌的添加含量范围为0. 0002~0. 2wt%。
[0021] 添加镍的功能：焊料合金于焊接使用过程中不仅要能维持焊料合金本身的强度及 硬度，同时也要考虑焊料合金与基板或PCB电路板焊垫之间的结合强度。若基板或PCB电路 板焊垫的材质为铜时，则在高温时效后，焊料合金与焊垫或基板的界面会形成较脆的Cu3Sn 介金属层，如此将造成焊料合金与焊垫或基板的结合力降低。而本发明添加适量的镍可以 帮助结合力较佳的Cu6Sn5形成，从而抑制Cu3Sn