锡基焊球和包含它的半导体封装的制作方法
【专利摘要】本发明提供了一种具有适用于电子产品的特性的锡(Sn)基焊球，以及包含所述锡基焊球的半导体封装。该锡基焊球包含：约0.3至3.0重量％的银(Ag)，约0.4至0.8重量％的铜(Cu)，约0.01至0.09重量％的镍(Ni)，约0.1％至0.5重量％的铋(Bi)，以及余量的锡(Sn)和不可避免的杂质。
【专利说明】锡基焊球和包含它的半导体封装
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种锡(Sn)基焊球，并且更具体地，涉及一种锡(Sn)基焊球和包含所述锡(Sn)基焊球的半导体封装。
【背景技术】
[0002]伴随向高效、缩小规模的电子器件的趋势，需要在电子器件的装配过程中最小化封装。因此，使用焊球代替传统的引线框以获得封装的小型化。焊球可以用于将基板与封装连接，并且从封装的芯片向基板传送信号。
[0003]为减少环境污染，提出了无铅(Pb)焊球。例如，尽管已经提出由三元无铅焊料合金(例如，锡(Sn)-银(Ag)-铜(Cu))形成的焊球，该焊球可能具有低热循环特性并易于被氧化，并且焊料具有低散布特性和低可润湿性。因此，所提出的焊球具有差的可加工性和弱的耐机械冲击性，所以该焊球不适合用于便携式电子产品。因此，尝试了通过进一步向Sn-Ag-Cu再添加其他元素改善焊球的特性，但是根据元素的种类和含量，焊球的特性变化极大地变化。
[0004]<相关技术文献>
[0005]1.已注册日本专利号3602529 (2004年10月I日)
[0006]2.已注册日本专利号4392020 (2009年10月16日)
[0007]3.已公布的日本专利号2004-188453 (2004年7月8日)
[0008]发明详述
[0009]技术问题
[0010]本发明提供一种由合金形成的锡(Sn)基焊球，所述锡基焊球具有适合于电子产品的焊球所需要的特性。
[0011]本发明还提供一种包含所述Sn基焊球的半导体封装。
[0012]技术方案
[0013]根据本发明的一个方面，提供一种锡基焊球，所述锡基焊球包含:约0.3至3.0重量％的银(Ag)，约0.4至0.8重量％的铜(Cu)，约0.01至0.09重量％的镍(Ni)，约0.1 %至0.5重量％的秘(Bi),以及余量的锡(Sn)和不可避免的杂质。
[0014]可以以约0.1至0.3重量％的含量含有铋。可以以约0.2 (±0.02)重量％的含量
含有铋。
[0015]可以以约0.05 (±0.01)重量％的含量含有镍。
[0016]可以以约2.5重量％的含量含有银，可以以约0.8重量％的含量含有铜，可以以约0.05重量％的含量含有镍，并且可以以约0.2重量％的含量含有铋。
[0017]根据本发明的另一方面，提供一种锡基焊球，所述锡基焊球包含:银、铜、镍、铋，以及余量的锡和不可避免的杂质。从所述锡基焊球除去磷(P)。
[0018]根据本发明的另一方面，提供一种包含锡(Sn)基焊球的半导体封装。该锡基焊球包含:约0.3至3.0重量％的银，约0.4至0.8重量％的铜，约0.01至0.09重量％的镍，约0.1%至0.5重量％的铋，以及余量的锡(Sn)和不可避免的杂质。
[0019]有益效果
[0020]本发明提供含有银、铜、镍和铋的锡基焊球。根据所加入的元素的每一个的含量范围，该锡基焊球可以具有良好的热循环特性和高坠落耐久性和耐用性。
[0021]附图简述
[0022]图1是根据本发明的实施方案的锡(Sn)基焊球的示意图；并且
[0023]图2至4是根据本发明的示例性实施方案的包含Sn基焊球的半导体封装的示意图。
[0024]发明的实施方式
[0025]在下文中，参考示出本发明实施方案的附图更完整地描述本发明。在附图中，使用相同的附图标记数字表示相同的元件，并且省略对其重复描述。无论如何，本发明可以以多种不同方式实施并且不应被解释为受限于本文所给出的实施方案。而是，提供这些实施方案以使得本公开将是全面并完整的，并将向本领域技术人员完全传达本发明的范围。如本文所使用的术语“和/或”包括与之相关列出的各项中的一项或多项中的任何和全部组合。此外，因为在附图中示意性地示出多个元件和区域，本发明不受限于附图中的相对尺寸或间距。在本发明的实施方案中，重量比(重量％)是指相应元素换算为以占全部合金重量的百分数计的重量。
[0026]图1示例根据本发明的一个示例实施方案的锡(Sn)基焊球10。
[0027]参考图1，锡基焊球10可以具有球形的形状。然而，在本发明中，锡基焊球10不限于球形形状并且可以具有圆柱形形状或多边形形状。
[0028]锡基焊球10可以由锡基合金形成。例如，锡基焊球10可以包含银(Ag)、铜(Cu)、镍(Ni)和铋(Bi)，以及余量的锡和其他不可避免的杂质。例如，锡基焊球10可以由以下材料形成:0.3至3.0重量％的银；0.4至0.8重量％的铜；0.01至0.09重量％的镍；0.1至0.5重量％的铋，以及余量的锡和其他不可避免的杂质。例如，锡基焊球可以包含具有约95.61至98.99重量％的含量的锡和不可避免的杂质。
[0029]锡基焊球10可以含有约0.1至0.3重量％的含量的铋。锡基焊球10可以含有约0.2 (±0.02)重量％的含量的铋。锡基焊球10可以含有约0.05 (±0.01)重量％的含量的镍。而且，可以从锡基焊球10除去磷(P)。换言之，锡基焊料10可以含有在不可避免的杂质的含量范围内的磷。例如，锡基焊球10可以以低于约0.003重量％ (或30ppm)的含量，例如，以低于约0.001重量％ (或IOppm)的含量含有磷。
[0030]根据本发明的锡基焊球10可以基于锡形成。因为应用于传统焊球的铅(Pb)的使用被环境保护法规禁止，对于采用锡基焊球代替铅基焊球的尝试增加。锡是在周期表的第14族第5周期元素并且具有约118.7g/mol的标准原子量和约231.93°C的熔点。与之相比，铅是周期表中第14族第6周期的元素并且具有约207.2g/mol的标准原子量和约327.5°C的熔点。因此，锡具有与铅的物理性质类似的物理性质。锡具有优良的展性、延性、耐腐蚀性和可铸造性。然而，为满足用于焊球的需要，如热循环特性、坠落耐久性或可润湿性，焊球可以由锡和除锡之外的其他金属的合金形成。为了满足上述需要，本发明提供了一种使用通过将锡与银、铜、镍和铋合金化形成的锡基合金形成焊球的技术。
[0031]根据本发明的锡基焊球10可以含有银，其可以降低焊球的电阻，增加焊球向连接部的扩散速率，并提高耐腐蚀性。当在焊球10中以低于0.1重量％的含量含有银时，可能难以保证焊球10的足够的电导率和热导率，并且难以提高焊球10的扩散速率。而且，当在焊球中以高于约5重量％的含量含有银时，可能难以控制焊球10用于回流过程的熔融温度。因此，在焊球10中可以约0.1至5重量％的含量，特别是，约0.3至3重量％的含量含有银。
[0032]根据本发明的锡基焊球10可以含有铜，其可以影响焊球10的抗拉强度。当在焊球10中以低于约0.1重量％的含量含有铜时，可能难以如所需提高焊球10的抗拉强度。同样，当在焊球10中以高于约I重量％的含量含有铜时，焊料可能硬化，使得焊球可以容易地损坏，从而降低了加工性。因此，在本实施方案中，在焊球10中可以以约0.1至I重量％的含量，特别是，约0.4至0.8重量％的含量含有铜。特别是，当焊球10中铜的含量增加时(例如，当在焊球10中以约0.6至0.8重量％的含量含有铜时)，可以抑制弱金属间化合物Cu3Sn的形成。
[0033]根据本发明的锡基焊球10可以含有镍，其可以增强在熔融过程中的可流动性并增强热循环特性和坠落耐久性。例如，锡基焊球10可以以约0.01至0.09重量％的含量含有镍。当在焊球10中以低于约0.01重量％的含量含有镍时，不能适当地产生镍的效果，并且当在焊球10中以高于约0.09重量％的含量含有镍时，在熔融过程中焊球10的熔点可能增加，可润湿性可能下降，并且可流动性可能降低。
[0034]根据本发明的锡基焊球10可以含有铋，其是周期表第15族第6周期的元素。铋具有约208.98g/mol的标准原子量和约271.5°C的熔点。铋可以降低焊球10的熔点，提高可润湿性以提高机械强度，并提高焊球10的剪应力。当焊球10以约0.1重量％以上的含量含有铋时，金属间化合物Ag3Sn可以均匀地分布，并且可以将晶体颗粒最小化以改善热循环特性。然而，当焊球10以高于0.5重量％的含量含有铋时，可以析出富Bi析出相，以提高焊球10的脆性。
[0035]根据本发明的锡基焊球10可以不含有磷，或者含有不可避免的杂质的含量范围内的磷，例如，含量低于约0.003重量％ (或30ppm),特别是,含量低于0.001重量％ (或IOppm)。磷可以在焊球10的表面上形成氧化磷层，并且降低可润湿性。
[0036]在下文中，将基于试验数据，检验锡基焊球10的特性依照根据本发明的锡基焊球10的每种元素的含量范围的变化。为分析锡基焊球10的特性上的变化，对锡基焊球10的热循环特性、坠落耐久性和可润湿性进行了实验。
[0037]用于实验的焊球具有约300 μ m的尺寸。用于热循环特性和坠落耐久性的基板为其上具有焊点的铜-有机可焊性保护剂(Cu-OSP)基板。通过在抛光的铜板上涂覆焊剂并提高回流带速度两倍测量可润湿性。为分析热循环特性，在一个循环的过程中，将焊球在约为_45°C的温度保持约30分钟，急剧地将温度升高至约125°C，并且将焊球保持在约125°C的温度约30分钟，并且计数直至初始破损发生的循环次数。根据JEDEC标准(JESD22-B104)测量坠落耐久性。具体地，向结合该焊球的封装施加约900G的冲量，以计数直至初始破损和最终破损各自发生为止，所施加冲量的次数。使用Rhesca Meniscus Tester (SolderChecker Model SAT-5000)进行可润湿性分析。
[0038]表I和2示出了当锡基焊球的银含量变化时，锡基焊球的特性上的变化。
[0039]表I示出了其中由Ag-Cu-Sn合金形成的焊球的银含量在约0.3至3重量％的范围内变化的情况。在这种情况下，焊球含有约0.8重量％的铜，以及余量的锡和其他不可避免的杂质。
[0040]表2示出了其中由Ag-Cu-N1-B1-Sn合金形成的焊球的银含量变化的情况。在这种情况下，焊球含有约0.8重量％的铜，0.05重量％的镍，0.2重量％的铋，以及余量的锡和其他不可避免的杂质。
[0041]参考表1和2，当银含量增加时，热循环次数趋向于增加。然而，坠落耐久性在初始破损和最终破损两方面均趋向于降低。可润湿性没有大的改变。而且，与其中不含镍和铋的情况(参考表1)比较，在其中同时含有镍和铋的情况(参考表2)下，热循环次数和坠落耐久性各自提高。考虑到热循环次数和坠落耐久性相反的趋势，在焊球中可以以约2至
2.5重量％的含量含有银。
[0042][表 I]
[0043]
【权利要求】
1.一种锡(Sn)基焊球，所述锡基焊球包含: 约0.3至3.0重量％的银(Ag)； 约0.4至0.8重量％的铜(Cu)； 约0.01至0.09重量％的镍(Ni)； 约0.1 %至0.5重量％的铋(Bi);以及 余量的锡(Sn)和不可避免的杂质。
2.根据权利要求1所述的锡基焊球，其中以约0.1至0.3重量％的含量含有铋。
3.根据权利要求1所述的锡基焊球，其中以约0.2 (±0.02)重量％的含量含有铋。
4.根据权利要求1所述的锡基焊球，其中以约0.05 (±0.01)重量％的含量含有镍。
5.根据权利要求1所述的锡基焊球，其中以约2.5重量％的含量含有银，以约0.8重量％的含量含有铜，以约0.05重量％的含量含有镍，以约0.2重量％的含量含有铋。
6.一种锡(Sn)基焊球，所述锡基焊球包含银(Ag)、铜(Cu)、镍(Ni)、铋(Bi)以及余量的锡(Sn)和不可避免的杂质，从所述锡基焊球中除去了磷(P)。
7.一种半导体封装，所述半导体封装包含锡(Sn)基焊球， 其中所述锡基焊球包含: 约0.3至3.0重量％的银(Ag)； 约0.4至0.8重量％的铜(Cu)； 约0.01至0.09重量％的镍(Ni)； 约0.1 %至0.5重量％的铋(Bi);以及 余量的锡(Sn)和不可避免的杂质。
【文档编号】B23K35/26GK103958120SQ201280003149
【公开日】2014年7月30日 申请日期:2012年11月7日 优先权日:2012年11月7日
【发明者】李在洪, 金逸镐, 洪性在, 文晶琸 申请人:Mk电子株式会社