專利名稱：電子封裝焊球結(jié)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明與電子封裝有關(guān)，特別是一種電子封裝焊球結(jié)構(gòu)。
焊錫球主要作用是焊接微小部件時(shí)，可控地供給一定容量的焊材。
焊接IC(集成電路)或電子基板的溫度區(qū)域，以最適合基板封裝溫度210-230℃的范圍內(nèi)進(jìn)行。實(shí)際作業(yè)時(shí)因空氣流動(dòng)、基板3加熱方法、實(shí)際密度、零件等差異，吸熱散熱不同而影響溫度的均恒。施焊時(shí)，部分可能低于設(shè)定溫度10℃或20℃等不定，此時(shí)比較低溫的部分會(huì)出現(xiàn)焊錫凝結(jié)吃錫不良。如果溫度提高至比較低溫的部分也能充分吃錫時(shí)，比較高溫的部分會(huì)出現(xiàn)焊錫1的表面塌陷2(如

圖1所示)。
如果實(shí)施二層以上的焊接將很容易失敗，因溫度不均而高溫部分產(chǎn)生熔陷現(xiàn)象6而完全分離第二層基板5，焊錫1陷入第一層基板4內(nèi)(如圖2所示)。
多次加工性上，因應(yīng)現(xiàn)時(shí)要求發(fā)展，多層封裝將成必然。多層封裝，因施工上的困難必需采取多層、多次的焊接才能達(dá)到要求，在這種情況下，焊點(diǎn)必須能承受多次重復(fù)加溫而不變形。也就是說，重復(fù)加溫時(shí)先前焊接好的焊點(diǎn)重復(fù)加溫至熔點(diǎn)時(shí)，不能因焊點(diǎn)的再次液熔流動(dòng)而塌陷、龜裂……等而造成失敗，但習(xí)用者往往會(huì)因多次重焊而失敗。
本發(fā)明的主要目的，在于消除上述缺點(diǎn)，提供一種電子封裝焊球結(jié)構(gòu)，該焊球由內(nèi)向外的融熔溫度逐漸降低，具有多次加工性好，焊后強(qiáng)度佳、與基板焊材相容性高、變形少、便于測(cè)試、低電阻、成本低等特點(diǎn)。
本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的一種電子封裝焊球結(jié)構(gòu)，其特征在于該焊錫球自內(nèi)而外由其融熔溫度逐漸降低的金屬制成；該焊錫球由內(nèi)而外沒有明顯的分層；該焊錫球由內(nèi)而外為一具有高于外層融熔溫度的金屬球心和外層包覆一層以上單成分或二種成分以上的低溫系金屬而制成；該球心使用白金、黃金、銀、錫、錫銀、錫銀銅、錫銅或銀銅低電阻金屬制成；該外層包覆層使用錫、銻、鉛、鉍、銦金屬或其合金制成；該焊錫球最外層還包覆有一抗氧化層；該球心亦為多層金屬包覆結(jié)構(gòu)。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是1.本發(fā)明的焊錫球用于IC或基板的封裝焊接時(shí)，焊錫球高熔點(diǎn)球心未融熔而具等高線，外層液熔基板吃錫佳，具有多次加工性好、焊后強(qiáng)度佳、與基板焊材相容性高、變形少、便于測(cè)試、低電阻、成本低等特性。
2.本發(fā)明該焊錫球的球心采用便宜的錫或錫銅合金，而較貴的低溫金屬僅作外低溫層包覆，使用量明顯減少很多，成本可以降低。
3.本發(fā)明該焊錫球具有高熔點(diǎn)球心，因此焊點(diǎn)的焊錫球球心未熔而能保持一定的焊點(diǎn)高度，使每個(gè)焊點(diǎn)高度相同，測(cè)試作業(yè)較易進(jìn)行而可靠。
有關(guān)本發(fā)明所采用的技術(shù)、手段及其功效，茲舉一較佳實(shí)施例并結(jié)合附圖詳細(xì)說明于后圖1是習(xí)用焊點(diǎn)局部放大平面剖視圖。
圖2是習(xí)用二層以上焊接局部放大平面剖視圖。
圖3是本發(fā)明電子封裝焊球結(jié)構(gòu)的焊接前局部放大平面示意圖。
圖4是本發(fā)明電子封裝焊球結(jié)構(gòu)的焊后具等高線平面示意圖。
圖5是本發(fā)明電子封裝焊球結(jié)構(gòu)的雙層焊后局部放大平面示意圖。
圖6是本發(fā)明電子封裝焊球結(jié)構(gòu)的雙層焊前局部放大平面示意圖。
圖7是本發(fā)明電子封裝焊球結(jié)構(gòu)的焊后測(cè)試平面示意圖。
圖8是本發(fā)明與習(xí)用者單層焊接比較局部放大平面示意圖。
圖9是本發(fā)明與習(xí)用者雙層焊接比較局部放大平面示意圖。
圖中1-焊錫2-塌陷
3-基板 4-第一層基板5-第二層基板 6-熔陷現(xiàn)象7-焊錫球 10-電子基板11-第一層基板 12-第二層基板20-焊錫球 21-球心22-低溫金屬30-等高線40-焊點(diǎn)41-測(cè)試碰觸點(diǎn)本發(fā)明一種電子封裝焊球結(jié)構(gòu)，請(qǐng)參閱圖3所示。一種電子封裝焊球結(jié)構(gòu)，主要是對(duì)IC或電子基板10的封裝焊接的焊錫球20所作的發(fā)明。焊錫球20主要作用是焊接微小部件時(shí)，可控地供給一定容量的焊料。本發(fā)明是由內(nèi)而外不分層，且由內(nèi)而外以逐漸降低融熔溫度的材料制成，由內(nèi)向外逐漸降低熔點(diǎn)，中心部分超過230℃以上才能融熔。越接近表皮，熔點(diǎn)越低，最外層可低于180℃。沒有層次的制法，以離子還原法或其他相關(guān)方法使金屬堆疊二種以上的低溫系金屬?；蛘咔蛐?1采用具有高于外層融熔溫度的金屬，外層則為低熔點(diǎn)金屬22而制成的焊錫球20。該焊錫球最外層還包覆一抗氧化層。下面將本發(fā)明與習(xí)用焊錫使用情況對(duì)比如下最適合基板10封裝溫度210-230℃的范圍內(nèi)進(jìn)行焊接。實(shí)際作業(yè)時(shí)因空氣流動(dòng)、基板加熱方法、實(shí)際密度、零件等差異，吸熱散熱不同而影響溫度的均恒。施焊時(shí)部分可能低于設(shè)定溫度10℃或20℃等不定。習(xí)用者，則此時(shí)比較低溫的部分會(huì)出現(xiàn)焊錫凝結(jié)吃錫不良。如果溫度提高至比較低溫的部分也能充分吃錫時(shí)，比較高溫的部分會(huì)出現(xiàn)焊錫表面塌陷。如果施行于二層以上的焊接將會(huì)很容易失敗。本發(fā)明可避免以上二種溫度問題，因焊點(diǎn)有一等高線30(參閱圖4所示)，故二層以上施焊時(shí)(參閱圖5所示)能確保每一焊點(diǎn)上下二側(cè)第一層基板11側(cè)、第二層基板12側(cè)皆能吃錫，其中不會(huì)有焊點(diǎn)塌陷。高熔點(diǎn)球心21未融熔，外層低溫層已充分成為液熔，故外層流動(dòng)性良好，可確保其吃錫能力。
就多次加工性而言，因應(yīng)現(xiàn)時(shí)要求發(fā)展，多層封裝將成必然。多層封裝，因施工上的困難必需采取多層、多次的焊接才能達(dá)到要求，在這種情況下，焊點(diǎn)必須能承受多次重復(fù)而不變形，習(xí)用者會(huì)因焊點(diǎn)的再次液熔流動(dòng)而塌陷、龜裂……等而造成失敗。本發(fā)明因有一高熔點(diǎn)球心21(參閱圖5所示)，可以忍受重復(fù)加溫而不變形，因?yàn)樵俅渭訙刂梁附訙囟葧r(shí)，外層雖然再次液熔，但球心21仍未熔。可保有一定的支撐強(qiáng)度而不變形塌陷，所以本發(fā)明的焊錫球20可使多層多次封裝作業(yè)變成可靠而容易施行。
就焊錫強(qiáng)度而言，基板上焊接母材的不同，甚至世界各國(guó)環(huán)保問題而禁止使用含鉛的各種母材與焊材，不含鉛的焊材主要成分仍然是錫，再合以其他低熔點(diǎn)金屬如鉍、銦等……。但鉍、銦等金屬性脆強(qiáng)度不良。本發(fā)明高熔點(diǎn)球心21不含脆性金屬。低熔點(diǎn)金屬22(參閱圖6所示)只使用在外層的包覆。焊接成品有球心21提供的強(qiáng)度支撐。受低溫焊材的脆性影響，可有效減少。
就基板10材料與焊材成分的相容性而言，基板在電路連線的各不同焊接點(diǎn)的材質(zhì)可能有多種，焊材因應(yīng)基板材質(zhì)的相容性而設(shè)計(jì)，雖能有良好的吃錫能力。但焊接成品未必有良好的強(qiáng)度。如果考慮焊點(diǎn)強(qiáng)度的焊材，那吃錫能力與沾錫能力必打折扣。本發(fā)明因內(nèi)有一高熔點(diǎn)球心21，此球心可使用較有強(qiáng)度的材質(zhì)，使焊接成品保有強(qiáng)度。外層低熔點(diǎn)部分可因基板材質(zhì)的吃錫能力、即母材與焊材的相容性要求而作各種選擇性的制造。
母材指基板上用以提供電路連線及焊接點(diǎn)上的材質(zhì)。焊材指焊錫球(Solder Joint)而言。
就凝固收縮量與應(yīng)力而言，封裝焊錫點(diǎn)在基板上加溫融熔，焊點(diǎn)呈液熔時(shí)，因基板表面材質(zhì)等其他因素影響，吃錫能力容易產(chǎn)生差異，因此每個(gè)焊點(diǎn)形狀會(huì)出現(xiàn)差異。當(dāng)凝固時(shí)，因形狀的差異會(huì)影響凝固收縮量的不同，如果做雙層以上的焊接時(shí)，凝固收縮量不同將產(chǎn)生極大應(yīng)力，是焊點(diǎn)龜裂的主要原因。本發(fā)明因?yàn)橛幸怀^焊接溫度的高熔點(diǎn)球心21，故液熔時(shí)變形較少故收縮量少，可減少變形，避免焊點(diǎn)龜裂。
就測(cè)試而言，本發(fā)明便于測(cè)試，因?yàn)橛幸怀^焊接溫度的高熔點(diǎn)球心21，施焊時(shí)外層與基板10接觸外層融熔液會(huì)因表面強(qiáng)力而降低高度，即球體外層變形，內(nèi)部球心21因未達(dá)到熔點(diǎn)而基本保持不變。因此焊接完成時(shí)能使焊點(diǎn)40保持一定的高度。在同一基板10上焊點(diǎn)40數(shù)目可能達(dá)數(shù)百個(gè)。高熔點(diǎn)球心21能保持一定的焊點(diǎn)40高度，使每個(gè)焊點(diǎn)、測(cè)試碰觸點(diǎn)41高度相同。所以測(cè)試作業(yè)會(huì)比較容易而可靠(參閱圖7所示)。
就電阻而言，焊接點(diǎn)或焊點(diǎn)40通常在基板上作電路連線，焊接點(diǎn)40的焊材中所含有的鉛、鉍、銦等皆為電的不良導(dǎo)體。極易在焊接點(diǎn)上形成電阻，使各焊點(diǎn)的溫度不一致，在各部品間發(fā)生熱差異及應(yīng)力壽命減少，功能不良等情形。本發(fā)明可使不良導(dǎo)體的低熔點(diǎn)金屬22，只用在焊材的表層并控制其量。高熔點(diǎn)球心21在焊接工作中并未融熔。所以球心21的成分可以使用白金、黃金、銀、錫、錫銀、錫銀銅、錫銅、銀銅……等等低電阻金屬，而達(dá)到焊點(diǎn)40低電阻的要求。
就成本而言，封裝焊錫一般焊料為錫63％、鉛37％的合金，無鉛錫焊錫為主要材料加鉍(BI)或銦(IN)等其他低熔點(diǎn)材料使其熔點(diǎn)降低。因?yàn)殄a以外的低溫金屬如鉍、銦等價(jià)格高昂。本發(fā)明球心21部分是比較便宜的錫或錫銅合金等。而其他比較貴的低熔點(diǎn)金屬22只作表層的包覆，故使用量明顯少很多，成本可以降低。
參閱圖8所示，習(xí)用焊錫球7置于基板3(如a圖示)經(jīng)焊接后，有可能成為b圖的較正?；騝圖所示的熔陷于基板3上；本發(fā)明的焊錫球20置于基板10(如d圖示)經(jīng)焊接后，表層液熔而球心21未熔(如e、f圖示)。
參閱圖9所示，習(xí)用焊錫球7置于第一、二層基板4、5間(如a圖示)，經(jīng)焊接后，可能成為b圖的正常狀態(tài)或c圖的龜裂、變形狀態(tài)或d圖的陷落形成斷路狀態(tài)；而本發(fā)明的焊錫球20置于第一、二層基板11、12間(如e圖示)，經(jīng)焊接后，高熔點(diǎn)球心21未熔而形成支撐，使基板與表層液熔的吃錫狀況處于最佳狀態(tài)(如f、g、h圖示)。
綜上所述，可知本發(fā)明在同類產(chǎn)品中確有極佳的進(jìn)步實(shí)用性。
上述實(shí)施例，僅用以舉例說明本發(fā)明。特此聲明，凡根據(jù)本發(fā)明而作的各種變形、修飾與應(yīng)用，均應(yīng)屬本發(fā)明的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1.一種電子封裝焊球結(jié)構(gòu)，其特征在于該焊錫球自內(nèi)而外由其融熔溫度逐漸降低的金屬制成。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電子封裝焊球結(jié)構(gòu)，其特征在于該焊錫球由內(nèi)而外沒有明顯的分層。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電子封裝焊球結(jié)構(gòu)，其特征在于該焊錫球由內(nèi)而外為一具有高于外層融熔溫度的金屬球心和外層包覆一層以上單成分或二種成分以上的低溫系金屬而制成。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的電子封裝焊球結(jié)構(gòu)，其特征在于該球心使用白金、黃金、銀、錫、錫銀、錫銀銅、錫銅或銀銅低電阻金屬制成。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的電子封裝焊球結(jié)構(gòu)，其特征在于該外層包覆層使用錫、銻、鉛、鉍、銦金屬或其合金制成。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電子封裝焊球結(jié)構(gòu)，其特征在于該焊錫球最外層還包覆有一抗氧化層。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電子封裝焊球結(jié)構(gòu)，其特征在于該球心亦為多層金屬包覆結(jié)構(gòu)。
全文摘要
一種電子封裝焊球結(jié)構(gòu),是一種用于IC基板焊接的焊錫球,其特點(diǎn)是該焊錫球自內(nèi)而外由融熔溫度逐漸降低的金屬制成,內(nèi)為導(dǎo)電性佳而熔點(diǎn)高于其外的金屬球心,其外包覆低溫系金屬。本發(fā)明具有多次加工性好、焊后強(qiáng)度佳、與基板焊材相容性高、變形少、便于測(cè)試、低電阻、成本低等特點(diǎn)。
文檔編號(hào)B23K31/12GK1386609SQ0111293
公開日2002年12月25日 申請(qǐng)日期2001年5月18日 優(yōu)先權(quán)日2001年5月18日
發(fā)明者廖永豐 申請(qǐng)人:廖永豐