專利名稱：用于球柵格陣列的焊錫膏的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于球柵格陣列的形成隆起的焊錫膏和一種利用該焊錫膏在球柵格陣列上形成隆起的球柵格陣列。
近幾年在具有較大尺寸和較高速度的大規(guī)模集成(LSIs)推廣以后，半導(dǎo)體組件已變得導(dǎo)線數(shù)增加和較窄的導(dǎo)線間距。雖然裝配間距為0.5mm的正方平組件(QFPs)大量制造，但是由于導(dǎo)線變形和不良焊接，例如未焊接的導(dǎo)線和由間距窄引起的導(dǎo)線間的跨接，人們擔(dān)心裝配間距為0.4mm和0.3mm會增加成本。
所以球柵格陣列(BGA)3發(fā)展起來了。球柵格陣列是如

圖1所示的表面裝配型半導(dǎo)體組件，在這里球形的焊料隆起形成在不同種類的基質(zhì)上。由于這種球形焊料的導(dǎo)線(球形焊料隆起2)按兩個尺寸方向配置在基質(zhì)1上，這樣與QFP組件相比提供了較寬的導(dǎo)線間距，并且排除了焊料球變形。所以在大量生產(chǎn)時與QFP組件相比焊接缺陷期望可以急劇下降。
目前，用于BGA的球形焊料隆起通過把預(yù)定的焊料球焊接在基質(zhì)上的基座上來形成。但是，在它們被提供到規(guī)定的位置之后，防止焊料球的錯位是有困難的。并且，該方法需要大量特殊的夾緊裝置和涉及到由于昂貴的焊料球的高的生產(chǎn)費用。
對照此
背景技術(shù)：
，一種新型加工方法現(xiàn)在被越來越多地應(yīng)用，就是通過焊錫膏的印刷和回流在球柵格陣列基質(zhì)上形成球形的焊料隆起。在這種方法中，焊料降起可以由已經(jīng)在表面固定中應(yīng)用的焊錫膏的印刷和回流方法形成。于是一般的印刷機(jī)和回流爐可以被應(yīng)用并且沒有特別的裝置或夾緊裝置是必需的。并且，焊錫膏比焊料球便宜一些。新的加工方法因此被期望能導(dǎo)致較低的生產(chǎn)費用。
然而，在利用一般的焊錫膏印刷和回流在球柵格陣列基質(zhì)上形成球形的焊料隆起的上述方法中，只有球柵格陣列才有的缺陷產(chǎn)生于一些球形成在專門的基座位置之外。
本發(fā)明涉及到當(dāng)通過焊錫膏的印刷和回流在基質(zhì)上形成球形的焊料隆起時形成隆起的用于球柵格陣列的焊錫膏，球柵格陣列不含缺陷，并且涉及一種利用所說的焊錫膏在球柵格陣列上形成隆起的球柵格陣列。
本發(fā)明的發(fā)明者已經(jīng)進(jìn)行了涉及到焊錫膏的廣泛的研究，這些焊錫膏將不會導(dǎo)致只有球柵格陣列才有的缺陷，例如通過焊錫膏的印刷和回流所形成的球的錯位。結(jié)果，發(fā)明者已經(jīng)發(fā)現(xiàn)應(yīng)用本發(fā)明的焊錫膏可以排除這些缺點。
也就是說，本發(fā)明提供一種用于球柵格陣列的形成隆起的焊錫膏，它是由焊劑和含有兩種或更多種具有不同成分焊料合金粉末的合金粉末的混合物組成的，所說的焊劑粉末的每一種具有低于回流溫度的液相線溫度，至少所說的焊劑合金粉末的一種在其液相線與固相線之間具有10℃或者更大的差別，合金粉末的平均成分是錫的重量百分比為58-65％和鉛的重量百分比為35-42％，或者錫的重量百分比為60-65％，鉛的重量百分比為34-38％和銀的重量百分比為1-3％。
本發(fā)明也提供一種利用如上所述焊錫膏在球陣列上形成隆起的球陣列。
圖1是本發(fā)明的球柵格陣列的一實施例平面圖；圖2表示沿A-A’部分的截面圖；圖3表示半導(dǎo)體組件的一個實施例；圖4是在一般的印刷方法中印刷時的截面圖；圖5是通過印刷形成球柵格陣列隆起時印刷時的截面圖；和圖6表示已錯位的焊料球。
如圖4中表示的在一般的焊錫膏印刷中焊錫膏9印刷到基質(zhì)的每個基座8上和覆蓋幾乎相同的面積。在為球柵格陣列而形成隆起的情況下，必須提供較大體積的焊錫膏，因為必須形成大于基座的球形的隆起。這樣，如圖5所示，有必要使印刷焊錫膏9顯著地從基座8上凸起?；亓髦?，如圖6所示在基座以外的位置形成一些焊料球，這只是球柵格陣列才有的問題。這種現(xiàn)象被認(rèn)為可歸因于當(dāng)只有由接近共晶成分的合金粉末所組成的焊錫膏在基座的邊界受熱熔化時，焊錫膏未熔化的部分仍然是固態(tài)粉形式，因此不能維持它的形狀，這就意味著，當(dāng)球形成時，未熔化部分的膏被吸收到首先熔化的液相部分中。如果使用本發(fā)明的焊錫膏，則不會出現(xiàn)錯位的球。假設(shè)，由于所說的焊錫膏包括具有熔化區(qū)間的合金粉末，當(dāng)外界加熱時，這種焊錫膏有一個固相和液相共存的區(qū)域，甚至在焊錫膏未熔的部分中有部分的液相，由于該液相的表面張力使它能夠維持一定的形狀和確保在基座上正確地形成球。
既然，當(dāng)利用焊錫膏形成球柵格陣列隆起時認(rèn)為球錯位是由于上述的機(jī)理而發(fā)生，就有必要確保至少一種合金粉末在它的固相線和它的液相線之間有差別，以便防止上述機(jī)理起作用。這個差別應(yīng)當(dāng)至少為10℃或更多，最好是20℃或更多。
在本發(fā)明中，焊錫膏中的每一種合金粉末應(yīng)當(dāng)是液相線溫度低于回流溫度。其原因是，如果液相線溫度高于回流溫度，向著平均成份的合金化過程不能平滑地繼續(xù)進(jìn)行，并且變得必須提高回流溫度或者延長回流時間，大量熱負(fù)載給予半導(dǎo)體蕊片和基質(zhì)。并且，合金化不能令人滿意地在一般的回流溫度和時期內(nèi)完成，結(jié)果焊料具有不夠的焊料光澤和低于平均焊料成份的機(jī)械強(qiáng)度。因此，本發(fā)明應(yīng)用具有低于回流溫度的液相線溫度的合金粉末。
所謂共晶焊料(平均的成分錫的重量百分比為58-65％和鉛的重量百分比為35-42％)或者所謂含銀的焊料(錫的重量百分比為60-65％，鉛的重量百分比為34-38％，和銀的重量百分比為1-3％)之所以應(yīng)用在本發(fā)明，是因為作為合金它們都能提供良好的潤濕性和高的機(jī)械強(qiáng)度。這些成分也普遍應(yīng)用于電子元件的結(jié)合。這些類型焊料的回流溫度一般在210℃至240℃的變化范圍內(nèi)，特別是大約230℃。就錫的重量百分比為58-65％和鉛的重量百分比為35-42％的一般成分來說，要求混合錫的重量百分比為45-60％和鉛的重量百分比為40-55％的合金粉末，和一種錫的重量百分比為70-100％和鉛的重量百分比為0-30％的合金粉末，能使得焊料組合物具有不超過回流溫度的液相線溫度和具有液相線與固相線之差為10℃或更大。在這種情況下錫可以被單獨使用因為它的熔點為232℃。
更希望的情況是一種錫的重量百分比為50-60％和鉛的重量百分比為40-50％的合金粉末和一種錫的重量百分比為70-85％和鉛的重量百分比為15-30％的合金粉末的混合物。也可以將一種錫的重量百分含量為58-65％和鉛的重量百分含量為35-42％的合金粉末與上述合金粉末混合物混合。當(dāng)平均成分被調(diào)整成錫的重量百分比為60-65％，鉛的重量百分比為34-38％和銀的重量百分比為1-3％時，這就要考慮到液相線溫度來混合錫的重量百分比為45-60％，鉛的重量百分比為40-55％和銀的重量百分比為0-3％的合金粉末，和一種錫的重量百分比為70-100％，鉛的重量百分比為0-30％和銀的重量百分比為0-3％的合金粉末。希望更好的情況是混合錫的重量百分比為50-60％，鉛的重量百分比為40-50％和銀的重量百分比為0-3％的合金粉末，和一種錫重量百分比為70-85％，鉛的重量百分比為15-30％和銀的重量百分比為0-3％的合金粉末。也可以進(jìn)一步將上述混合物與錫的重量百分比為60-65％，鉛的重量百分比為34-38％和銀的重量百分比為1-3％的一種合金粉末混合。
除本發(fā)明以外，其它發(fā)明已揭示了具有不同成份的兩類或更多的合金粉末混合而成焊錫膏。(例如，日本未審查的專利公開Nos.Hei3-13952，Sho57-66993，Sho 63-149094，Sho 63-154288，Hei 1-241395，Hei 1-271094，Hei 1-266987，Hei 2-117794，Hei 2-211995，Hei 4-22595，和Hei 4-29365。)然而，大部分在它們的工作實例中揭示的含有鉍或銦的低熔點焊料與本發(fā)明的焊料組合物有相當(dāng)?shù)膮^(qū)別。雖然日本未審查的專利公開Sho 63-154288和Hei 2-117794所包括的工作實例不含有鉍或者銦，但每個焊料合金的液相線溫度高于回流溫度，所以這些發(fā)明和本發(fā)明有所區(qū)別。其它發(fā)明不包括涉及用于球柵格陣列的隆起的形成的任何說明。
而且，這樣一種焊錫膏的應(yīng)用都需要高的回流溫度和長的回流時間，所得到的不是在半導(dǎo)體蕊片和基質(zhì)上的高熱負(fù)載，就是差的光澤、低的潤濕性和不夠的強(qiáng)度，這歸因于不完全的合金化。所以只有本發(fā)明的焊錫膏可以無缺陷地為球柵格陣列形成高質(zhì)量的隆起。同時，應(yīng)用的合金粉末具有過高的液相線溫度是不利的，這就要求利用的合金粉末要有高的錫含量以便調(diào)整平均成份。至于這種成分，應(yīng)當(dāng)指出的是這種粉末產(chǎn)品的粉化是一個困難的過程，并且所得到的焊錫膏是不穩(wěn)定的，這是因為粉末表面是活潑的，容易與焊劑反應(yīng)。本發(fā)明中應(yīng)用的任何合金粉末并不特別限制用它的形狀和顆粒尺寸。形狀可以是球形的或無規(guī)的，以及大約73μ(200目)的顆粒尺寸或更小一些的也被應(yīng)用。
本發(fā)明的焊錫膏的焊劑包括樹脂、溶劑、觸變劑、活化劑和其它的添加劑。這些材料普遍地用作焊錫膏的焊劑并且沒有特別的限制。
所說的焊錫膏所用的樹脂的例子包括松香如自然松香和變性松香，水溶性樹脂和聚合物。溶劑的例子包括醇類、二元醇和醚類。觸變劑的例子包括蓖麻油、石蠟、石油化學(xué)的聚合物和酰胺?；罨瘎┑睦影▎昔人帷㈦p羧酸、胺類、酰胺、酰亞胺、胺鹽和鹵素。其它添加劑的例子包括增稠劑、表面活化劑、流動調(diào)節(jié)劑、抗腐劑和防泡劑。
在所說的焊錫膏中的焊劑的重量百分比沒有特別的限制。但是在印刷涂敷中，9-12％(重量)范圍是普遍的。焊劑中的固體含量，例如松香，是沒有特別的限制并且有寬的范圍10-70％(重量)。
根據(jù)本發(fā)明，球柵格陣列的基質(zhì)類型沒有特別的限制。例如，印刷線路板(環(huán)氧—玻璃，酚—紙等)、柔性板、陶質(zhì)板和TAB基質(zhì)可以被應(yīng)用。半導(dǎo)體芯片通過導(dǎo)線連接或者焊料隆起連接到帶有電路的電接頭的一面。在另一面，焊料基座按陣列設(shè)置。所說的焊錫膏利用印刷機(jī)采用模板或網(wǎng)篩涂敷到每個基座上，然后在回流爐中加熱熔化。通過這種方法，高質(zhì)量的環(huán)形焊料隆起可以形成?；亓鳡t的氣氛無特殊的限制，可以應(yīng)用空氣，不活潑的氣氛如氮、或還原氣氛，如氫和酸。
實施例對于實施例1到6和比較例1和2，通過按下述比例捏和而制備焊錫膏。這樣獲得的焊錫膏被印刷并通過回流而在230℃熔化，形成隆起而產(chǎn)生球柵格陣列。結(jié)果如表1所示。
表1

實施例1 份數(shù)(重量)合金粉末A(50％(重量)Sn-50％(重量)Pb)60.0液相線溫度212℃，固相線溫度183℃，尺寸22-53μm合金粉末B(80％(重量)Sn-20％(重量)Pb)30.0液相線溫度202℃，固相線溫度183℃，尺寸22-53μm聚合松香3.0歧化松香2.0二甘醇單己基醚 3.9氫化蓖麻油 0.5環(huán)己基胺HBr 0.1己二酸 0.5實施例2 份數(shù)(重量)合金粉末C(45％(重量)Sn-55％(重量)Pb)43.0液相線溫度202℃，固相線溫度183℃，尺寸22-45μm合金粉末B(80％(重量)Sn-20(重量)Pb) 47.0聚合松香3.0歧化松香2.2二甘醇單丁基醚 3.9氫化蓖麻油 0.5環(huán)己基胺HBr 0.1己二酸 0.3實施例3 份數(shù)(重量)合金粉末D(55％(重量)Sn-45％(重量)Pb)40.5液相線溫度201℃，固相線溫度183℃，尺寸22-38μm合金粉末E(70％(重量)Sn-30％(重量)Pb)40.5液相線溫度190℃，固相線溫度183℃，尺寸22-38μm合金粉末F(63％(重量)Sn-37％(重量)Pb)9.0共晶溫度183℃，尺寸22-45μm聚合松香2.0歧化松香1.0丙二醇單苯基醚 5.9氫化蓖麻油 0.7異丙基胺HBr 0.1丁二酸 0.3實施例4 份數(shù)(重量)合金粉末G(46％(重量)Sn-51％ 30.0(重量)Pb-3％(重量)Ag)液相線溫度200℃，固相線溫度178℃，尺寸10-30μm合金粉末H(80％(重量)Sn-18％ 60.0(重量)Pb-2％(重量)Ag)液相線溫度200℃，固相線溫度178℃，尺寸10-30μm聚合松香3.4歧化松香3.0α-萜品醇 2.5氫化蓖麻油 0.5環(huán)己基胺HBr 0.1月桂酸 0.5實施例5 份數(shù)(重量)合金粉末I(50％(重量)Sn-48％ 45.0(重量)Pb-2％(重量Ag)液相線溫度210℃，固相線溫度178℃，尺寸22-45μm合金粉末H(80％(重量)Sn-18％ 45.0(重量)Pb-2％(重量)Ag)聚合松香2.4歧化松香2.4α-萜品醇 4.1氫化蓖麻油 0.5環(huán)己基胺HBr 0.1月桂酸 0.5實施例6 份數(shù)(重量)合金粉末J(55％(重量)Sn-43％ 35.0(重量)Pb-2％(重量)Ag)液相線溫度199℃，固相線溫度178℃，尺寸22-45μm合金粉末K(70％(重量)Sn-28％ 35.0(重量)Pb-2％(重量)Ag)液相線溫度200℃，固相線溫度178℃，尺寸22-45μm合金粉末L(62％(重量)Sn-36％ 20.0(重量)Pb-2％(重量)Ag)共晶溫度178℃，尺寸22-45μm氫化松香6.0二甘醇單丁基醚 2.9氫化蓖麻油 0.5環(huán)己基胺HBr 0.1辛酸0.5比較例1 份數(shù)(重量)合金粉末F(63％(重量)Sn-37％(重量)Pb)90.0氫化松香6.0α-萜品醇 2.9氫化蓖麻油 0.5環(huán)己基胺HBr 0.1丁二酸 0.5比較例2 份數(shù)(重量)合金粉末L(62％(重量)Sn-36％ 90.0(重量)Pb-2％(重量)Ag)聚合松香2.0歧化松香4.0二甘醇單己基醚 2.9氫化蓖麻油 0.5環(huán)己基胺HBr 0.1己二酸 0.5從以上的說明可以看出，用于球柵格陣列的高質(zhì)量的隆起可以利用由焊劑和合金粉末混合產(chǎn)生的焊錫膏以高產(chǎn)率形成，該合金粉末包含具有不同成份的兩種或多種合金粉末，每一種合金粉末有低于回流溫度的液相線溫度，至少合金粉末中的一種在液相線與固相線之間具有10℃或更大的差別，整個合金粉末的平均成份是58％-65％(重量)的錫和35-42％(重量)的鉛，或者60-65％(重量)的錫，34-38％(重量)的鉛和1-3％(重量)的銀。
權(quán)利要求
1.一種用于球柵格陣列而形成隆起的焊錫膏，由焊劑和具有不同成份的兩種或多種合金粉末的混合物構(gòu)成，所說的每一種合金粉末都具有低于回流溫度的液相線溫度，至少所說的合金粉末之一在液相線與固相線之間具有10℃或更大的差別，整個合金粉末的平均成份是錫的重量百分比為58-65％和鉛的重量百分比為35-42％。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的用于球柵格陣列的形成隆起的焊錫膏，其特征在于所說的合金粉末混合物包括一種錫的重量百分比為45-60％和鉛的重量百分比為40-55％的合金粉末，以及一種錫的重量百分比為70-100％和鉛的重量百分比為0-30％的合金粉末。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的用于球柵格陣列的形成隆起的焊錫膏，其特征在于所說的合金粉末混合物包括一種錫的重量百分比為50-60％和鉛的重量百分比為40-50％的合金粉末，以及一種錫的重量百分比為70-85％和鉛的重量百分比為15-30％的合金粉末。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的用于球柵格陣列的形成隆起的焊錫膏，其特征在于所說的合金粉末混合物包括一種錫的重量百分比為45-60％和鉛的重量百分比為40-55％的合金粉末，一種錫的重量百分比為70-100％和鉛的重量百分比為0-30％的合金粉末，以及一種錫的重量分比為58-65％和鉛的重量百分比為35-42％的合金粉末。
5.根據(jù)權(quán)利要求1的用于球柵格陣列的形成隆起的焊錫膏，其特征在于所說的合金粉末混合物包括一種錫的重量百分比為50-60％和鉛的重量百分比為40-50％的合金粉末，一種錫的重量百分比為70-85％和鉛的重量百分比為15-30％的合金粉末，以及一種錫的重量百分比為58-65％和鉛的重量百分比為35-42％的合金粉末。
6.根據(jù)權(quán)利要求1至5之一的用于球柵格陣列的形成隆起的焊料膏，其特征在于所說的回流溫度是210℃至240℃。
7.根據(jù)權(quán)利要求6的用于球柵格陣列的形成隆起的焊錫膏，其特征在于所說的回流溫度大約是230℃。
8.一種用于球柵格陣列的形成隆起的焊錫膏，由焊劑和合金粉末的混合物構(gòu)成，該合金粉末包括成份不同的兩種或多種合金粉末，以上所說的每一種合金粉末具有低于回流溫度的液相線溫度，至少所說的一種合金粉末在液相線與固相線之間具有10℃或者更大的差異，全部合金粉末的平均成份是錫的重量百分比為60-65％，鉛的重量百分比為34-38％和銀的重量百分比為1-3％。
9.根據(jù)權(quán)利要求8的用于球柵格陣列的形成隆起的焊錫膏，其特征在于所說的合金粉末的混合物包括一種錫的重量百分比為45-60％，鉛的重量百分比為40-55％和銀的重量百分比為0-3％的合金粉末，以及一種錫的重量百分比為70-100％，鉛的重量百分比為0-30％和銀的重量百分比為0-3％的合金粉末。
10.根據(jù)權(quán)利要求8的用于球柵格陣列的形成隆起的焊錫膏，其特征在于所說的合金粉末的混合物包括一種錫的重量百分比為50-60％，鉛的重量百分比為40-50％和銀的重量百分比為0-3％的合金粉末，以及一種錫的重量百分比為70-85％，鉛的重量百分比為15-30％和銀的重量百分比為0-3％的合金粉末。
11.根據(jù)權(quán)利要求8的用于球柵格陣列的形成隆起的焊錫膏，其特征在于所說的合金粉末的混合包括一種錫的重量百分比為45-60％，鉛的重量百分比為40-55％和銀的重量百分比為0-3％的合金粉末和一種錫的重量百分比為70-100％，鉛的重量百分比為0-30％和銀的重量百分比為0-3％的合金粉末，以及一種錫的重量百分比為60-65％，鉛的重量百分比為34-38％和銀的重量百分比為1-3％的合金粉末。
12.根據(jù)權(quán)利要求8的用于球柵格陣列的形成隆起的焊錫膏，其特征在于，所說的合金粉末混合物包括一種錫的重量百分比為50-60％，鉛的重量百分比為40-50％和銀的重量百分比為0-3％的合金粉末，錫的重量百分比為70-85％，鉛的重量百分比為15-30％和銀的重量百分比為0-3％的合金粉末，以及一種錫的重量百分比為60-65％，鉛的重量百分比為34-38％和銀的重量百分比為1-3％的合金粉末。
13.根據(jù)權(quán)利要求8-12之一的用于球柵格陣列的形成隆起的焊錫膏，其特征在于所說的回流溫度為210℃至240℃。
14.根據(jù)權(quán)利要求13的用于球柵格陣列的形成隆起的焊錫膏，其特征在于所說的回流溫度大約是230℃。
15.一種球柵格陣列，其中已利用權(quán)利要求1到14中描述的任一種焊錫膏在其上形成隆起。
全文摘要
用于球柵格陣列的高質(zhì)量的隆起可以利用由釬劑與合金粉末混合產(chǎn)生的焊錫膏以高產(chǎn)率形成，該合金粉末包括不同成分的兩種或多種合金粉末，每一種合金粉末的液相線溫度低于回流溫度，至少合金粉末的一種在液相線與固相線之間具有10℃或更大的差別，全部的合金粉末的平均成分是58％-65％(重量)的錫和35-42％(重量)的鉛，或者60-65％(重量)錫，34-38％(重量)的鉛和重量為1-3％(重量)的銀。
文檔編號B23K35/26GK1126647SQ9511633
公開日1996年7月17日 申請日期1995年8月2日 優(yōu)先權(quán)日1994年8月2日
發(fā)明者宇都宮正英, 廣瀨洋一, 渡部正孝 申請人:昭和電工株式會社