焊料包覆球及其制造方法
【專利摘要】本發(fā)明的實(shí)施方式的焊料包覆球（10A）具有：球狀的芯（11）和以包覆芯（11）的方式形成的焊料層（12），焊料層（12）含有Sn和Bi，Bi含有率為45質(zhì)量％以上65質(zhì)量％以下，并且，Bi的含有率在內(nèi)側(cè)高、在外側(cè)低。其他的焊料包覆球（10B）在芯（11）與焊料層（12）之間還具有Ni鍍層（13）。
【專利說(shuō)明】焊料包覆球及其制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及半導(dǎo)體封裝的輸入輸出端子所使用的焊料包覆球及其制造方法。
【背景技術(shù)】
[0002]焊料包覆球主要用于連接電氣、電子機(jī)器的部件。具體而言，焊料包覆球例如被用于部件周圍具有引線端子的QFP(四邊扁平封裝,Quard Flat Package)、或比較小型且可以具有多管腳的BGA (球形陣列封裝，Ball Grid Array)和CSP (芯片尺寸封裝，Chip SizePackage)等的半導(dǎo)體封裝的輸入輸出端子。焊料包覆球具有在例如直徑為50 μ m~1.5mm左右的由金屬或樹脂形成的微小球的表面上設(shè)置有含鉛(Pb)的焊料層的結(jié)構(gòu)。
[0003]近年來(lái)，含鉛的焊料由于環(huán)境問(wèn)題被替換為無(wú)鉛焊料(無(wú)Pb焊料)。例如，在專利文獻(xiàn)I和專利文獻(xiàn)2中公開了具有不含鉛的錫一銀(Sn - Ag)系焊料層的焊料包覆球。但是，錫一銀系的焊料層存在熔點(diǎn)高(例如220°C)的問(wèn)題。
[0004]因此，在專利文獻(xiàn)3中公開了具有錫一鉍(Sn - Bi) 二元系的焊料層的焊料包覆球。根據(jù)專利文獻(xiàn)3，錫一鉍二元系的焊料層的Bi含有率，在最內(nèi)周為15.0質(zhì)量％~22.0質(zhì)量％、在最外周為29.0質(zhì)量％~44.0質(zhì)量％，由此能夠?qū)⒑噶蠈拥娜埸c(diǎn)降到140°C。
[0005]現(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn)
[0006]專利文獻(xiàn)
[0007]專利文獻(xiàn)1:日本特開 2004 - 114123號(hào)公報(bào)
[0008]專利文獻(xiàn)2:日本特開2004 - 128262號(hào)公報(bào)
[0009]專利文獻(xiàn)3:日本特開2007 - 46087號(hào)公報(bào)

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010]發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題
[0011]但是，根據(jù)本發(fā)明的發(fā)明人的研究，專利文獻(xiàn)3所記載的技術(shù)中存在以下的問(wèn)題。
[0012]根據(jù)圖7所示的錫一鉍二元系的相圖可以理解，即使為Bi的含有率低的組成，也是在140°C出現(xiàn)液相。但是，為了使專利文獻(xiàn)3所記載的組成范圍的焊料層完全成為熔融狀態(tài)(液相)，需要加熱到超過(guò)200°C的溫度，因此，在專利文獻(xiàn)3的實(shí)施例中，在220°C進(jìn)行再流平。另外，由于專利文獻(xiàn)3所記載的組成范圍含有較多的成為固液共存狀態(tài)的組成，因此如果不加熱到超過(guò)200°C的溫度，熔融狀態(tài)就會(huì)變得不穩(wěn)定，固化后的焊料層的結(jié)構(gòu)容易變得不均勻。即，當(dāng)在160°C以下的溫度對(duì)專利文獻(xiàn)3所記載的焊料包覆球進(jìn)行再流平時(shí)，固化后的焊料層的結(jié)構(gòu)變得不均勻，結(jié)果存在機(jī)械特性的偏差增大的問(wèn)題。另外，如專利文獻(xiàn)3所述，為了使Bi濃度在焊料層的外側(cè)高，需要一邊進(jìn)行鍍敷一邊向鍍液補(bǔ)充Bi，鍍液中的Bi濃度的管理困難。
[0013]本發(fā)明是鑒于上述技術(shù)問(wèn)題而完成的發(fā)明，其目的在于提供一種能夠在160°C以下的溫度進(jìn)行再流平的焊料包覆球及其制造方法。
[0014]用于解決技術(shù)問(wèn)題的技術(shù)手段[0015]本發(fā)明的實(shí)施方式的焊料包覆球具有球狀的芯、和以包覆上述芯的方式形成的焊料層，上述焊料層含有Sn和Bi，Bi含有率為45質(zhì)量％以上65質(zhì)量％以下，并且，Bi的含有率在內(nèi)側(cè)高、在外側(cè)低。上述焊料層由實(shí)質(zhì)上只含有Sn和Bi的二元系合金形成。在此，所謂“實(shí)質(zhì)上只含有Sn和Bi”是指，只要不對(duì)熔點(diǎn)造成無(wú)法獲得本發(fā)明的效果的程度的影響，可以含有其他元素。
[0016]在某個(gè)實(shí)施方式中，以10°C /分鐘的升溫速度測(cè)定的DSC曲線中的終止溫度為160°C以下。此時(shí)，起始溫度優(yōu)選為135°C以上。
[0017]在某個(gè)實(shí)施方式中，上述焊料包覆球在上述芯與上述焊料層之間還具有Ni鍍層。此時(shí)，優(yōu)選上述芯由銅形成。
[0018]本發(fā)明的實(shí)施方式的焊料包覆球的制造方法是用于制造上述任一實(shí)施方式所述的焊料包覆球的方法，該方法包括:準(zhǔn)備球狀的芯的工序；和在以垂直軸為中心旋轉(zhuǎn)的鍍槽內(nèi)的鍍液中，利用鍍敷法在上述芯上形成焊料層的工序。
[0019]發(fā)明效果
[0020]根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式，提供一種具有能夠在160°C以下的溫度進(jìn)行再流平的焊料層的焊料包覆球及其制造方法。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0021]圖1的(a)和(b)是本發(fā)明的實(shí)施方式的焊料包覆球IOA和IOB的截面示意圖。
[0022]圖2是示意地表示本發(fā)明的實(shí)施方式的焊料包覆球的制作中所使用的、高速旋轉(zhuǎn)鍍敷裝置100的結(jié)構(gòu)的圖。`
[0023]圖3的(a)、(b)和(c)是分別表示本發(fā)明的實(shí)施方式的實(shí)施例的焊料包覆球A、B和C的DSC曲線的圖。
[0024]圖4的(a)和(b)是分別表示比較例的焊料包覆球D和E的DSC曲線的圖。
[0025]圖5的(a)和(b)是表示焊料包覆球A的截面SEM像(組成像)的圖。
[0026]圖6是表示利用旋轉(zhuǎn)滾筒法制作的焊料包覆球的截面SEM像(組成像)的圖。
[0027]圖7是錫一鉍的二元系的相圖。
【具體實(shí)施方式】
[0028]下面參照附圖，對(duì)本發(fā)明的實(shí)施方式的焊料包覆球及其制造方法進(jìn)行說(shuō)明。
[0029]圖1 (a)和(b)表示本發(fā)明的實(shí)施方式的焊料包覆球IOA和IOB的截面示意圖。
[0030]圖1 (a)所示的焊料包覆球IOA具有:球狀(ball狀)的芯11、和以包覆芯11的方式形成的焊料層12。焊料層12含有Sn和Bi，Bi含有率為45質(zhì)量％以上65質(zhì)量％以下，并且Bi的含有率在內(nèi)側(cè)高、在外側(cè)低。焊料層12由實(shí)質(zhì)上只含有Sn和Bi的二元系合金形成。芯11由金屬或樹脂形成。金屬例如為銅(Cu)或含銅的合金、不銹鋼(SUS)。芯11的直徑例如為50 μ m以上1.5mm以下。
[0031]圖1 (b)所示的焊料包覆球10B，在芯11的表面還具有鍍層13，在鍍層13上具有焊料層12，在這一點(diǎn)上與焊料包覆球IOA不同。鍍層13例如為鎳(Ni)鍍層。鍍層13的厚度例如為0.1ym以上4 ym以下。例如，對(duì)在由銅(Cu)形成的芯11上直接形成有焊料層12的焊料包覆球IOA進(jìn)行再流平時(shí)，有時(shí)會(huì)在芯11與焊料層12的界面生成Cu6Sn5的金屬間化合物，導(dǎo)致落下沖擊性降低。通過(guò)設(shè)置鍍層13，能夠防止生成上述的金屬間化合物。
[0032]在實(shí)質(zhì)上只含有Sn和Bi的二元系合金中，Bi含有率為45質(zhì)量％以上65質(zhì)量％以下的組成接近共晶組成(Bi的含有率為58質(zhì)量％，參照?qǐng)D7)，成為固液共存狀態(tài)的溫度范圍窄，為139°C以上160°C以下。因此，不僅能夠在160°C以下的溫度進(jìn)行再流平，而且能夠得到均勻且穩(wěn)定的熔融狀態(tài)，因此固化后(接合后)的焊料層的結(jié)構(gòu)的均勻性高、機(jī)械特性的偏差小。本發(fā)明的實(shí)施方式的焊料包覆球IOA和IOB所具有的焊料層12，優(yōu)選以10°C /分鐘的升溫速度測(cè)定的DSC曲線中的終止溫度為160°C以下，起始溫度為135°C以上。
[0033]Bi的含有率在內(nèi)側(cè)(芯11偵D高、在外側(cè)低的這樣的Bi的濃度分布容易形成。在鍍液中，Sn由于陽(yáng)極的溶解隨時(shí)補(bǔ)充到鍍液中，而Bi在鍍敷的初期添加后，如果不補(bǔ)充，隨著鍍敷的進(jìn)行，鍍液中的Sn的存在比率就會(huì)增大(Bi的存在比率下降)。因此，本發(fā)明的實(shí)施方式的焊料包覆球IOA和IOB具有比專利文獻(xiàn)3所記載的焊料包覆球容易制造的優(yōu)點(diǎn)。
[0034]本發(fā)明的實(shí)施方式的焊料包覆球的制造方法是用于制造上述的焊料包覆球的方法，優(yōu)選包括:準(zhǔn)備球狀的芯的工序；和在以垂直軸(鉛直軸)為中心旋轉(zhuǎn)的鍍槽內(nèi)的鍍液中，利用鍍敷法在芯上形成焊料層的工序。
[0035]一邊使鍍槽以垂直軸為中心旋轉(zhuǎn)一邊進(jìn)行鍍敷的工序，例如可以使用圖2所示的高速旋轉(zhuǎn)鍍敷裝置100實(shí)施。
[0036]高速旋轉(zhuǎn)鍍敷裝置100具有被垂直延伸的旋轉(zhuǎn)軸I支撐的、能夠水平旋轉(zhuǎn)的圓筒狀的鍍槽7。鍍槽7具有:圓盤狀的底部7a、與底部7a連接且以將底部7a擴(kuò)張的方式連接的傾斜部7b、與傾斜部7b連接且具有陰極的第一圓筒部7c、和與第一圓筒部7c連接且內(nèi)徑比第一圓筒部7c小的第二圓筒部7d。鍍槽7的上表面被與底部7a平行的平板狀的上蓋6覆蓋，與第二圓筒部7d連接。旋轉(zhuǎn)軸I例如為電動(dòng)機(jī)的軸，支撐鍍槽底部7a，并能夠使鍍槽7旋轉(zhuǎn)。當(dāng)然，也可以進(jìn)行正旋轉(zhuǎn)和反旋轉(zhuǎn)兩者(例如，最大轉(zhuǎn)速1000rpm)。
[0037]鍍敷裝置100在鍍槽7的第一圓筒部7c設(shè)置有陰極。在被鍍物5與陰極接觸時(shí)，被鍍物5被通電，形成鍍層。配置于第一圓筒部7c的陰極例如可以使用鈦、黃銅、不銹鋼、銅等。
[0038]上蓋6在其中央部具有用于將陽(yáng)極3插入鍍槽7內(nèi)的開口部。在此，陽(yáng)極3使用錫(Sn)。鍍敷裝置100具有未圖示的直流電源，向第一圓筒部7c的陰極與陽(yáng)極3之間施加電壓?？刂剖┘与妷?，使得施加電流值或電壓保持一定。另外，也可以以使電流密度保持一定的方式進(jìn)行控制，但操作繁瑣。
[0039]上蓋6的開口部由圓筒部件8包圍。圓筒部件8用于防止在鍍槽7的高速旋轉(zhuǎn)時(shí)或反轉(zhuǎn)時(shí)鍍液4飛散。
[0040]另外，上蓋6抑制在鍍槽7的高速旋轉(zhuǎn)時(shí)鍍槽7的中心部的鍍液面的變動(dòng)。因此，能夠防止陽(yáng)極3的整體或大部分從鍍液4露出，因此能夠形成具有均勻膜厚和良好外觀的鍍層。
[0041]另外，鍍槽7在內(nèi)周部具有傾斜部7b，因此受到離心力的被鍍物5向傾斜部7b上堆積。由此，能夠防止被鍍物5滯留在鍍槽7的底部，能夠容易地使被鍍物5與第一圓筒部7c的陰極接觸。另外，在第一圓筒部7c上具有內(nèi)徑比第一圓筒部7c小的第二圓筒部7d，因此能夠有效地使被鍍物5與第一圓筒部7c的陰極接觸。傾斜部7b的傾斜角α大于0°小于90°，可以根據(jù)被鍍物5的量和鍍槽7的旋轉(zhuǎn)速度等適當(dāng)設(shè)定。例如，α為45°。另外，優(yōu)選第二圓筒部7d的內(nèi)徑為與傾斜部7b的最小內(nèi)徑同等的程度。
[0042]下面，例示幾個(gè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，對(duì)本發(fā)明的實(shí)施方式的焊料包覆球IOA及其制造方法進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。
[0043]在以下的實(shí)驗(yàn)例中，使用圖2所示的高速旋轉(zhuǎn)鍍敷裝置100，制作具有焊料層12的焊料包覆球10A。其中，鍍敷裝置100的鍍槽7的外周為180mm，旋轉(zhuǎn)速度為350rpm。作為鍍液4，可以使用甲磺酸類的鍍液(例如，大和化成研究所銷售)。鍍液含有甲磺酸Sn、甲磺酸B1、甲磺酸和表面活性劑。另外也可以使用專利文獻(xiàn)3所記載的鍍液等公知的鍍液。各自的濃度根據(jù)形成的焊料層12的組成調(diào)節(jié)。另外，在開始鍍敷之后，不追加甲磺酸Bi，調(diào)節(jié)電壓使得施加電流保持一定，形成Bi的含有率在內(nèi)側(cè)高、在外側(cè)低的焊料層。作為芯11，使用直徑為560 μ m的銅球。焊料層12的厚度約為20 μ m。
[0044]圖3 (a)、(b)和(c)分別表示本發(fā)明的實(shí)施方式的實(shí)施例的焊料包覆球A、B和C的DSC曲線。焊料包覆球A具有含有53質(zhì)量％的Bi的Sn — Bi 二元系焊料層，焊料包覆球B具有含有45質(zhì)量％的Bi的Sn — Bi 二元系焊料層，焊料包覆球C具有含有65質(zhì)量％的Bi的Sn - Bi 二元系焊料層。圖4 (a)和(b)表示比較例的焊料包覆球D和E的DSC曲線。焊料包覆球D具有含有18質(zhì)量％的Bi的Sn — Bi 二元系焊料層，焊料包覆球E具有含有79質(zhì)量％的Bi的Sn - Bi 二元系焊料層。
[0045]DSC的測(cè)定使用SII NanoTechnology Inc.生產(chǎn)的差示掃描量熱計(jì)DSC6220。試樣為40mg的焊料包覆球，使用鋁制的坩堝。升溫速度為10°C /分鐘，測(cè)定溫度范圍為100°C~250°C,取樣間隔為0.2秒。載氣使用気。
[0046]如圖3 (a)所示，在Bi的含有率為53質(zhì)量％的焊料包覆球A的DSC曲線中，起始溫度(熔解開始溫度)為137.40C，終止溫度(熔解結(jié)束溫度)為144.8°C。這樣，由于焊料層12的組成接近共晶組成(Bi為58質(zhì)量％)，因而熔解峰尖銳，能夠得到可以在160°C以下的溫度充分再流平的、均質(zhì)的焊料層12。
[0047]另外，如圖3(b)所示，在Bi的含有率為45質(zhì)量％的焊料包覆球B的DSC曲線中，起始溫度為136.9°C，終止溫度為153.3°C。這樣，即使Bi的含有率為45質(zhì)量％，熔解峰也是尖銳的，能夠得到可以在160°C以下的溫度充分再流平的、均質(zhì)的焊料層12。
[0048]另外，如圖3(c)所示，在Bi的含有率為65質(zhì)量％的焊料包覆球C的DSC曲線中，起始溫度為136.9°C，終止溫度為159.8°C。這樣，即使Bi的含有率為65質(zhì)量％，熔解峰也是尖銳的，能夠得到可以在160°C以下的溫度充分再流平的、均質(zhì)的焊料層12。
[0049]另一方面，在圖4 (a)所示的、Bi的含有率為18質(zhì)量％的焊料包覆球D的DSC曲線中，起始溫度為138.(TC，非常低，但終止溫度為185.2°C，超過(guò)160°C。另外，在圖4 (b)所示的、Bi的含有率為79質(zhì)量％的焊料包覆球E的DSC曲線中，起始溫度為136.9°C，非常低，但終止溫度為195.8°C，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)160°C。這樣，在遠(yuǎn)遠(yuǎn)偏離共晶組成時(shí)，焊料層在160°C以下的溫度不完全熔解，并且固化后的結(jié)構(gòu)也容易變得不均勻。
[0050]因此，為了得到能夠在160°C以下的溫度再流平的、均質(zhì)的焊料層12，優(yōu)選Bi的含有率為45質(zhì)量％以上。另一方面，優(yōu)選Bi的含有率為65質(zhì)量％以下，并且，由于Bi含有量少時(shí)熔點(diǎn)變得更低，因此進(jìn)一步優(yōu)選Bi的含有率低于58質(zhì)量％ (Bi含有率比共晶組成低)。從圖7的相圖可知，成為與Bi的含有率為45質(zhì)量％的合金相同熔點(diǎn)的Bi的含有率超過(guò)65質(zhì)量％，但Bi的含有率過(guò)大時(shí)，出現(xiàn)焊料的接合強(qiáng)度的偏差增大等的問(wèn)題?？梢哉J(rèn)為這是由于Bi的含有率超過(guò)共晶組成時(shí)，Bi的熔融狀態(tài)變得不穩(wěn)定，使焊料層12熔融固化后的結(jié)構(gòu)變得不均勻。特別是在Bi的含有率超過(guò)65質(zhì)量％時(shí)，機(jī)械特性的偏差變大。
[0051]圖5 Ca)和(b)表示上述焊料包覆球A的截面的由SEM得到的組成像。圖5 (a)是圖5 (b)的放大圖。圖6表示按照專利文獻(xiàn)3記載的旋轉(zhuǎn)滾筒法制作的焊料包覆球的截面SEM像(組成像)。
[0052]由圖5 (a)、(b)與圖6的比較可知，采用滾筒鍍敷法時(shí)，在焊料層內(nèi)形成“孔(空隙)”(圖6)，而通過(guò)使用高速旋轉(zhuǎn)鍍敷裝置，能夠得到?jīng)]有“孔”的致密的焊料層12 (圖5(a)和(b))。
[0053]另外，在圖5 (a)和(b)中，較亮的點(diǎn)在內(nèi)側(cè)分布多，由此可知，相比Sn為重元素的Bi的含有率在內(nèi)側(cè)(芯側(cè))增 高。通常，在SEM的組成像中，觀察為輕元素較暗、重元素較売。
[0054]這樣，在使用高速旋轉(zhuǎn)鍍敷裝置時(shí)，能夠容易地制造具有致密的焊料層的實(shí)施例的焊料包覆球。
[0055]產(chǎn)業(yè)上的可利用性
[0056]本發(fā)明適合用于半導(dǎo)體封裝的輸入輸出端子所使用的焊料包覆球及其制造方法。
[0057]符號(hào)說(shuō)明
[0058]10AU0B:包覆球；11:芯；12:焊料層；13:鍍層(Ni鍍層)。
【權(quán)利要求】
1.一種焊料包覆球，其特征在于: 所述焊料包覆球具有球狀的芯、和以包覆所述芯的方式形成的焊料層， 所述焊料層含有Sn和Bi，Bi含有率為45質(zhì)量％以上65質(zhì)量％以下，并且，Bi的含有率在內(nèi)側(cè)高、在外側(cè)低。
2.如權(quán)利要求1所述的焊料包覆球，其特征在于: 以10°C /分鐘的升溫速度測(cè)定的DSC曲線中的終止溫度為160°C以下。
3.如權(quán)利要求1或2所述的焊料包覆球，其特征在于: 所述芯與所述焊料層之間還具有Ni鍍層。
4.一種焊料包覆球的制造方法，用于制造權(quán)利要求1~3中任一項(xiàng)所述的焊料包覆球，其特征在于，包括: 準(zhǔn)備球狀的芯的工序；和 在以垂直軸為中心旋轉(zhuǎn)的鍍槽內(nèi)的鍍液中，利用鍍敷法在所述芯上形成焊料層的工序。`
【文檔編號(hào)】B23K35/14GK103703168SQ201380002311
【公開日】2014年4月2日 申請(qǐng)日期:2013年3月15日 優(yōu)先權(quán)日:2012年3月23日
【發(fā)明者】淺田賢, 西村絢子 申請(qǐng)人:株式會(huì)社新王材料, 日立金屬株式會(huì)社