无铅焊锡合金球的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种无铅焊锡合金球，其特征在于：无铅焊锡合金球由焊料球形成分形成，该成分包括1.0~4.0％（质量）的Ag，0.05~2.0％（质量）的Cu，0.0005~0.005％（质量）的P，和剩余量的Sn。无铅焊锡合金球的焊料球成分中优选含有1.0~3.5％（质量）的Ag。无铅焊锡合金球的焊料球成分中优选包含0.05~075％（质量）的Cu。无铅焊锡合金球的直径为0.04~0.5毫米。无铅焊锡合金球被放置于BGA基片的电极上。本发明的有益效果是：无铅焊锡合金球在电子零件如BGA封装的电极上形成焊锡凸块时，其表面不会变黄，且该焊锡球具有优异的润湿性，焊接时不形成空隙，同时它还具有微小的直径。
【专利说明】无铅焊锡合金球
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种焊锡球，特别是一种无铅焊锡合金球。
【背景技术】
[0002]过去，用于形成BGA上焊锡凸块的焊锡合金球最常用的Sn和Pb的合金，特别是63Sn-Pb合金，其是Sn-Pb合金的共晶成分。然而经发现，含铅焊锡的使用包括含铅的焊锡合金球，其是一个环境污染源。当带有Sn-Pb焊锡的电子零件发生故障或变的陈旧而不再方便使用时，它们被丢弃而作为处理的。当将这种设备丢弃后，设备的某些部分能够重复利用或回收。例如，容器中的塑料，框架中的金属和电子零件中的贵金属往往可以回收利用。与此相反，具有焊锡的印刷电路板是粘接的，不能重新使用或回收。因此，废弃的印刷电路板通常被粉碎，然后埋葬在堆填区处置。如果以掩埋方式处理的印刷电路板采用含铅焊料，如Sn-Pb焊料，并且如果印刷电路板与具有高pH值的酸雨接触，Sn-Pb焊料中的铅会溶解出来，与雨水混合，并进入地下水。如果人类或牲畜长期饮用含铅的地下水，铅可在体内蓄积，由此可能引起铅中毒。为了避免使用含铅焊料引起的相关的环境和健康问题，在电子工业中，现在已经开始使用不含铅的即所谓的无铅焊料。
【发明内容】
[0003]本发明的目的在于提供了一种无铅焊锡合金球，用以解决上述的现有问题。
[0004]本发明的技术方案如下:一种无铅焊锡合金球，其特征在于:无铅焊锡合金球由焊料球形成分形成，该成分包括1.0 — 4.0 % (质量)的Ag, 0.05 — 2.0 % (质量)的Cu,
0.0005 一 0.005% (质量)的P，和剩余量的Sn。
[0005]无铅焊锡合金球的焊料球成分中优选含有1.0 — 3.5% (质量)的Ag。
[0006]无铅焊锡合金球的焊料球成分中优选包含0.05 — 075% (质量)的Cu。
[0007]无铅焊锡合金球的直径为0.04 — 0.5毫米。
[0008]无铅焊锡合金球被放置于BGA基片的电极上。
[0009]本发明的有益效果是:无铅焊锡合金球在电子零件如BGA封装的电极上形成焊锡凸块时，其表面不会变黄，且该焊锡球具有优异的润湿性，焊接时不形成空隙，同时它还具有微小的直径。
【具体实施方式】
[0010]本发明无铅焊锡合金球，其特征在于:无铅焊锡合金球由焊料球形成分形成，该成分包括 1.0 — 4.0% (质量)的 Ag，0.05 — 2.0% (质量)的 Cu，0.0005 — 0.005% (质量)的P，和剩余量的Sn。无铅焊锡合金球的焊料球成分中优选含有1.0 — 3.5%(质量)的Ag。无铅焊锡合金球的焊料球成分中优选包含0.05 — 075% (质量)的Cu。无铅焊锡合金球的直径为0.04 - 0.5毫米。无铅焊锡合金球被放置于BGA基片的电极上。
[0011]根据本发明，在无铅焊锡合金球中，如果Ag的含量小于1.0% (质量)时，液相线温度变高，焊接温度必然也变高，从而在焊锡球的焊接过程中，BGA封装或其他电子零件遭受热损伤的可能性也会增加。Ag也是影响可焊性的一种元素。如果Ag的含量小于1.0%(质量)，可焊性变差，焊接缺陷可能性会增加。但是,如果Ag的含量超过8.0%(质量)，AgSn化合物会发生显著粗化，接合可靠性下降。此外，焊锡温度不希望由于焊料合金的液相线温度增加而增加。因此，本发明中，Ag的焊料下限是1.0% (质量)，上限为8.0% (质量)。优选地，Ag的含量为1.0-3.5质量％最好。
[0012]在Sn-Ag系合金中，添加Cu会降低合金的熔化温度，并增加其强度。如果Cu的含量不足0.05% (质量)，不能得到这些效果。但是，如果Cu的含量超过2.0% (质量)时，该合金的液相线温度上升，从而不仅使焊接温度变高，而且大量的SnCu金属间化合物析出，从而使可焊性变差。因此，Cu含量为0.05 — 2.0% (质量)，优选为0.05-0.75% (质量)。
[0013]在以Sn作为主要成分的焊料合金中，P的添加是有效的，其不仅能防止老化后的焊料凸块的剥落，而且也防止其变黄。然而，如果加入大量的P，它的存会使润湿性变差，并导致空隙形成。在Sn-Ag-Cu系合金中，如果P的含量低于0.0005% (质量)，P能够防止变黄的效果就不能达到，而如果P的含量超过0.005% (质量)，添加P会使可焊性变差，并导致空隙形成。因此，在本发明中，P的含量为0.0005-0.005% (质量)。
[0014]根据本发明，无铅焊锡合金在安装到BGA基板电极上，并在回流炉进行加热以熔化形成焊料凸块表面后，最好使其不会变黄。这是因为，如前所述，表面变黄会导致在用图像处理设备检查BGA封装时会发生错误。
[0015]此外，根据本发明，无铅焊锡合金球即使在不进行熔化操作时处于较高温度下，也最好不会变黄。焊锡球在处于较高温度下最好不要使其发黄的原因在于，没有表面变黄的情况是无铅焊锡合金球用户所进行验收测试所必需的一个要求。如果焊锡球在处于高温下不会变黄，那么在熔化时其也不会变黄。
[0016]用于许多BGA封装的最常用的是直径为0.5-0.76毫米的焊锡球，但用于CSP和晶片的圆是直径为0.04-0.5毫米的微小焊锡球。根据本发明，无铅焊料球具有极低的空隙发生可能，所以即使是微小球体形式，它也可以保持高接合强度。因此，根据本发明，这种焊锡球可以增加直径为0.04-0.5毫米的微小焊料球的可靠性。
[0017]在使用过程中，电子装置中的BGA设备经常暴露在较高的温度下，可能超过100度。根据本发明，通过使用这种焊锡球形成焊锡凸块，焊锡凸块可以不发生剥落，但实际上由于老化，其接合强度将会增加，从而在恶劣的条件下需要使用更强的结合可靠性。
[0018]根据本发明，焊锡球的制造方法没有特别的限制，并且它可以使用任何方便的方法制造。例如，可以用油浴的方法来制造，将其中的焊料片放入到加热的油浴中；或通过直接法，通过孔口或喷嘴将熔融的焊料滴入或允许其以一个给定尺寸的液滴形式滴落，然后档期通过一个室时将其固化。这两种方法都是本身领域的技术人员众所周知的，所以在这里就不详细描述。
[0019]下面，本发明将通过下列实例进一步详细描述。
[0020]实例I
通过差热分析从加热曲线中得出每种合金的固相线温度(ST)和液相线温度(LT)是相互决定的。直径为0.5mm的焊锡球是由油浴方法制备的。可以讲焊锡球放入125度的空气中12个小时，以评估其黄化，然后目视观察焊锡球表面的变黄程度。表面没有变黄的焊锡球被评价为良好的焊锡球，那些具有少量黄化的焊锡球是中等的，那些具有严重黄化的焊锡球是不好的。为了评估焊锡球的空隙发生，可以将焊锡球放在BGA基板上的电极上，然后将其在含有氧气为IOOppm或更低的氮气氛围的回流炉中加热，其中BGA基板保持LT温度以上的峰值温度为240°C下保持40秒，以将焊锡球形成焊锡凸块。然后检测装置检验空隙的存在与否，可根据空隙比例来评估这些凸块。空隙比例小于10%被评价为良好的，空隙比例在10-30%间的评价为中等，空隙比例在30%以上被评价为差。
[0021]结果将会示出该无铅焊锡合金球不会发生显著的表面变黄或形成显著的空隙比例。根据本发明，当无铅焊锡合金球在BGA基片上形成凸块时，可以用图像处理设备来进行检测。由于表面变黄造成的错误检测现象不会发生，因此可以准确地进行检查。此外，不仅焊接时产生的缺陷减少，而且还可以获得高接合强度。
[0022]实例2
在这个例子中，根据本发明，在老化前后，即暴露于高温前后，对焊锡球接合可靠性在添加P后的效果进行了测量。该例子中焊料组合物Sn-3.0Ag 0.SCu焊锡合金或Sn_4.0Ag
0.SCu焊锡合金中含有0-400 ppm的P，该组合物用于通过油浴方法来制备直径为0.5毫米的焊锡球。将焊锡球放置在印刷电路板平面上，然后在回流炉中加热，以将焊锡球形成焊锡凸块。印刷电路板可以是镀金或Cu-OSP (有机表面预焊剂)的。氧浓度为IOOppm以下的回流炉是氮气氛围。再将回流在温度高于液相线温度的峰值温度为240°C下进行操作40秒。然后将由此产生的焊料凸块在150°C的空气中老化200小时。在老化前后，都要使用上拉速度为300微米/秒的打格4000系列测试仪对焊锡凸块进行2秒的拉伸试验。在老化前后，拉力测试中50个凸块试样的剥落百分比进行显示。凸块剥落的百分比越低，其性能越好。这50个凸块最大强度的平均值可以在2秒的拉试验过程中获得。
[0023]然后得出，回流后立即剥离率是不受P存在的影响，然而，老化后，对于镀金和预焊剂电路板，含有P的焊料合金将更多地降低剥离率。这种作用是由于少量添加的P改变了结合反应层的结构。
[0024]对于这两种类型的电路板，不管形成焊锡凸块的焊锡合金球中存在P与否，老化前的反应层并没有受到影响。拉伸测试导致的剥离面是P-富含层(当添加P时)与反应层镀金电路板之间的接触面，并且也是预焊剂电路板的Cu和Cu6Sn5之间的接触面。
[0025]对于镀金电路板，当焊料合金中不包含P时，老化后的剥离表面与P-富含层和反应层的接触面相同。但对于含有P的焊锡合金，剥离表面移动到反应层(第一层和第二层之间的接触面)内部。
[0026]对于预焊剂电路板，剥离面是两种合金组合物的&13511/(:1165115接触面。但当组合物中含有P时，Cu6Sn5层很薄。
[0027]在这种方式下，由于在镀金电路板的情况下形成第二层，并且由于在预焊剂电路板的情况下使Cu6Sn5层变薄，在长时间的使用过程和高温环境中，需要增加接合可靠性。
[0028]上述添加P可提高接合可靠性是一种现象，这种效果不受焊锡球直径的影响。
[0029]接下来，来阐述下该无铅焊锡合金球的工业实用性。
[0030]根据本发明，即使无铅焊锡球熔化或暴露于高温下，其表面也不会变黄。因此，根据本发明，在使用无铅焊锡球在BGA封装的电极上形成焊锡凸块后，可以用图像处理设备进行准确的检验，以确定焊锡凸块是否已适当地形成。此外，根据本发明，无铅焊锡球相对于BGA封装的电极或印刷电路板表面具有优异的润湿性，因此，不仅不会产生焊接缺陷，并且空隙产生的可能性也是非常小的，因而可以获得高接合强度。
[0031]根据本发明，当将无铅焊锡球用于在BGA封装上形成焊锡凸块时，焊锡球能提供上述优异效果。但它也可以用于形成其他部件上的焊锡凸块，例如具有比BGA封装的电极更小的晶片。用于形成于晶片上焊锡凸块的焊锡球具有一个非常小的直径，为0.1毫米或更小，并且接合面积也是非常小的。因此，如果即使焊接接头中产生一个小空隙，该空隙对接合强度也会有很大的影响。然而，根据本发明，无铅焊锡球几乎不会产生空隙。因此，当它是用来在晶片上形成焊锡凸块时，可以获得高接合强度。此外，根据本发明，即使长时间内暴露在高温环境下，该焊锡球也能形成具有优异的接合可靠性的焊锡凸块。特别是，由于添加微量P，本发明提供了意想不到的效果，即能够显着提高其抵制剥落的性能。因此，当将所产生的基片安装在汽车或工业设备中，其中基片通常是涂有树脂如硅氧烷，这种老化造成的影响是有利的。因此，根据本发明，焊锡球可以大大促进提高电子设备的可靠性。
【权利要求】
1.一种无铅焊锡合金球，其特征在于: 无铅焊锡合金球由焊料球形成分形成，该成分包括1.0 — 4.0% (质量)的Ag,0.05 一2.0% (质量)的Cu，0.0005 — 0.005% (质量)的P，和剩余量的Sn。
2.根据权利要求1所述的无铅焊锡合金球，其特征在于:无铅焊锡合金球的焊料球成分中优选含有1.0 — 3.5% (质量)的Ag。
3.根据权利要求1所述的无铅焊锡合金球，其特征在于:无铅焊锡合金球的焊料球成分中优选包含0.05 一 075% (质量)的Cu。
4.根据权利要求1所述的无铅焊锡合金球，其特征在于:无铅焊锡合金球的直径为0.04 ^ 0.5 晕米。
5.根据上述 权利要求中任一一项所述的无铅焊锡合金球，其特征在于:无铅焊锡合金球被放置于BGA基片的电极上。
【文档编号】B23K35/02GK103586600SQ201310559428
【公开日】2014年2月19日 申请日期:2013年11月12日 优先权日:2013年11月12日
【发明者】王伟德 申请人:宁波市鄞州恒迅电子材料有限公司