专利名称：用于无铅焊料连接的焊料体系的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于组装电子部件的无铅焊料结构，更具体地说，涉及用于电子部件中的第二级焊料连接如将电子模块连接到电路卡或电路板的无铅焊料体系。
背景技术：
使用焊料来连接电子组件中的部件在本领域是众所周知的。各种电子部件需要连接到其它电子部件或其它封装级。典型的例子是第二级表面安装技术，其中使用柱栅阵列(CGA)或球栅阵列(BGA)来形成电路板和电子模块组件之间的互连，其中所述电子模块组件例如是连接到多层陶瓷(MLC)基板的半导体芯片。
通过将焊料球或焊料柱连接到基板底面冶金(bottom surfacemetallurgy)(BSM)，将模块组件连接到电路板或电路卡。然后在所谓的第二级组装中将模块连接到电路板或电路卡。
由于各种环境因素，本产业正在转向用于部件组装的无铅焊料方案。当前的无铅互连方案将使用锡/银/铜共熔体作为连接合金，用于模块和电路卡侧连接。之所以用这种合金是因为大多数更高熔点的合金具有其它与之相关的问题。例如，锡锑(235-240℃)具有关于锑氧化的环境问题。
无铅系统的当前方案将在模块和电路卡或电路板侧柱连接上使用相同的焊料合金(特定成分的Sn/Ag/Cu，如3.8的Ag，0.7的Cu，其余是Sn)。但是具有与之有关的两个显著问题。第一，在第二级组装期间柱会倾斜或倒坍，因为模块侧的焊角(fillet)将经历熔化。在235℃下的连接期间，Cu柱与模块底面冶金BSM焊盘上的Sn、Ag和Cu(SAC)和电路卡侧上的SAC焊膏的连接会引起模块脱落。SAC共熔体在217℃下熔化。第二，电路卡再加工工艺变得非常棘手，因为在将模块从电路卡除去的过程中几乎所有的柱将保留在电路卡上，然后必须在再连接之前进行复杂的去除。从电路卡的模块再加工将在电路卡上留下许多柱。这在制造产品的过程极其复杂和耗时。另一个问题是不存在熔化温度在220℃和260℃之间的不具有与环境、工艺或可靠性有关的问题的容易获得的合金。
本发明通过创建用于第二级组装的焊料熔化体系解决了这些问题。本发明提供了将充足的金属间化合物(intermetallics)添加到模块BSM焊角的SnCu或SnAg的非共熔(off-eutectic)成分，以满足以下要求材料必须在235℃到260℃的标准连接温度下回流和液化，以满足所有无铅焊料应用；材料必须使模块BSM连接稳定，以防止模块在连接到电路卡或电路板的过程中脱落；材料必须在电路卡或电路板再加工的过程中保持粘附性，以确保尽可能多的柱保持连接到模块而不保留在电路板或电路卡上。
本发明公开了包含两种或多种如下金属的非共熔无铅合金的使用锡、银和铜。这些非共熔成分包含第二金属间相，其在超过280℃的温度下熔化，并为模块BSM连接提供基本的结构支撑。本发明达到了在模块/柱BSM连接中希望的温度体系，其允许电路板或电路卡在没有机械支架的辅助下的连接和从电路卡或电路板的模块去除/再加工，从而绝大多数的柱保持连接到模块BSM。这消除了同时在模块侧和电路卡侧焊盘上使用相同的焊料带来的问题。如果没有焊料温度体系，通过再加工所有或大多数柱保留在电路卡或电路板上，在为新模块的再连接准备位置的过程中需要劳动量非常大的操作。本发明使用不同合金以在初始的电路卡连接和后续的模块/电路卡再加工的过程中形成稳定的结构，以防止柱倒坍。
该材料方案也可以替代计划用于无铅BGA的单熔(single melt)Sn、Ag和Cu(SAC)焊料球。通过参考附图的下述说明，本发明的这些和其它目的将更加显而易见。
发明内容
通过提供使用于第二级封装组件的无铅焊料体系结构，获得了本发明的目的和优点。在一个实施例中，用于模块侧连接的非共熔焊料成分是90.0-99.0％之间的Sn和10.0-1.0％之间的Cu，并具有熔化温度超过280℃的金属间化合物。在一个优选实施例中，该非共熔焊料成分是约93.0％的Sn和7.0％的Cu，并具有SnCu金属间相结构的分散颗粒。
在另一个实施例中，用于模块侧连接的非共溶焊料成分是80.0-96.0％之间的Sn和20.0-4.0％之间的Ag，并具有容化温度超过280℃的金属间化合物。在一个优选实施例中，该非共熔焊料成分是约82.0％的Sn和18.0％的Ag，并具有SnAg金属间相结构的分散颗粒。在一个优选实施例中，该非共熔焊料成分是约88.0％的Sn和12.0％的Ag，并具有SnAg金属间相结构的分散颗粒。
在本发明的另一方面，利用非共熔焊料成分提供一种形成用于第二级无铅焊料组装的焊料熔化体系的方法。
在所附权利要求书中具体提出本发明的被认为具有新颖性的特征和本发明的特征要素。这些附图只用于举例说明，并没有按比例绘制。然而，发明本身的组织和操作方法最好通过参考附图的详细说明来加以理解，其中图1a-1f示出了提供用于第二级组装的无铅焊料体系的第一种方法；图2a-2e示出了提供用于第二级组装的无铅焊料体系的第二种方法；图3是根据本发明的无铅BGA结构的截面图。
具体实施例方式
通过提供用于第二级组装的焊料熔化体系来实现本发明的目的。
电路卡组装厂商正在转向用于模块与电路卡或电路板连接的无铅焊料的通用方案，这一事实促使焊料熔化体系的需求。然而，连接温度不能高于顶面冶金(TSM)结构所允许的温度。该产业趋向于共熔95.5Sn/3.8Ag/0.7Cu(或接近该成分)的电路卡侧焊料，这意味着希望具有金属间相结构的并且液化温度高于在电路卡焊膏中的95.5Sn/3.8Ag/0.7Cu(后面用“SAC”表示)的三元共熔温度的非共熔成分。SAC共熔温度是217℃。非共熔成分允许在电路卡连接的过程中在模块侧焊角中存在金属间相结构。表明液化不完全的这种金属间相结构在消除组装期间的倾斜或倒坍问题时很关键。
类似地，通过提供更具有粘附性的BSM连接，金属间相结构将对电路卡再加工有帮助，从而允许从电路卡上除去柱，而同时不从模块上除去。这种显示出突出结果的非共熔焊料合金的例子是82Sn/18Ag和93Sn/7Cu。
本发明提出了SnCu(锡/铜)和SnAg(锡/银)合金。在锡/铜的情况下，其中共熔合金的成分是99.3％的Sn和0.7％的Cu(227℃)，测定的合金是97Sn/3Cu和93Sn/7Cu。在235℃下利用97Sn/3Cu合金的电路卡连接中，获得了令人满意的结果，但是需要进一步改进以获得更加牢固的电路卡连接和再加工工艺。在235℃下利用93Sn/7Cu合金的电路卡连接中，所有的模块保持垂直，而不需要任何再加工。相反，先前在235℃下使用SAC作为模块和电路卡侧焊膏的电路卡连接导致所有的模块脱落。唯一可选的方法是使用连接到模块的角上的支架作为模块的物理支撑。
锡/银在221℃下的共熔成分是96.5％Sn/3.5％Ag。测定非共熔合金成分是90Sn/10Ag、88Sn/12Ag和82Sn/18Ag。在235℃下利用90Sn/10Ag合金的电路卡连接中，获得了令人满意的结果，但是需要进一步改进以获得更加牢固的电路卡连接和再加工工艺。在利用88Sn/12Ag合金的电路卡连接中，所有的模块在235℃的电路板连接回流中保存下来。在利用82Sn/18Ag合金的电路卡连接中，所有的模块在245℃的回流期间保持垂直。
因此，对于具有235℃的回流的第二级焊料组装，优选的非共熔焊料合金是93Sn/7Cu、88Sn/12Ag或82Sn/18Ag。对于具有需要245℃或更高温度的回流的第二级焊料组装，优选的非共熔焊料合金是82Sn/18Ag。这些非共熔焊料合金在连接到模块BSM的过程中形成金属间相结构。在非共熔焊料合金是93Sn/7Cu的情况下，金属间化合物是Cu6Sn5和Cu3Sn。在非共熔焊料合金是88Sn/12Ag或82Sn/18Ag的情况下，金属间化合物是Ag3Sn。对于本领域的技术人员来说很显然，更高的电路卡连接回流温度，需要使用具有更高成分的金属间相结构的非共熔焊料合金。
非共熔焊料金属的优选体积将取决于接触焊盘的尺寸和如球、柱等的互连部件的尺寸。上述每种非共熔焊料成分的优选体积的范围在大约2000到7000立方毫英寸。BSM接触焊盘的直径是32毫英寸，柱的直径是10毫英寸。在上述讨论的测定中，使用的无铅柱是铜柱。然而，本发明并不限于铜柱。本发明的焊料体系也可以应用具有容易焊接电镀涂层的标准科瓦(NiFe)合金，以及Ni、Co、Cu和Pt的合金。同样地，本发明也与通常的无铅焊料球和无铅焊料连接兼容。
对于本领域的技术人员来说明显的是，将少量第三种甚至第四种元素添加到所述锡/铜和锡/银非共熔合金中不会影响体系结构，因此这样的添加在本发明的范围之内。所添加的元素将必须易于如铜和银那样与锡形成金属间化合物。可添加的元素包括镍、钴和金，如众所周知的锡金属间化合物镍/锡、钴/锡和金/锡。
本发明也不限于柱互连。也可以应用“弹簧”、“连接器”、“s-连接器”、“c-连接器”、“悬柱”以及其中将部件硬连接到两侧即陶瓷和电路卡侧的任何组件。本发明允许使用可接受的无铅合金系统，具有温度体系的附加优点，并不需要机械支撑来帮助连接/再加工工艺。
参考图1a说明了一种优选方法，图1a示出了连接到电子模块20的顶侧的电路芯片10。底面冶金(BSM)焊盘30置于模块20的的底面。通常由石墨制成的操作舟40包含被排列以与模块20上的BSM焊盘30的位置相一致的开口50。然后将本发明的非共熔焊料预制体(preform)60置于舟的开口50中。然后将模块20放置在舟40上，以使BSM焊盘30与非共熔焊料预制体60相连接。然后将所得的模块/舟组件加热到所需的回流温度，通常在235℃和245℃之间，从而将焊料预制体60回流到BSM焊盘30上。然后冷却模块/舟组件，结果用非共熔焊料合金覆盖了BSM焊盘30。
现在参考图1b，示出了回流后的模块20。所得的非共熔覆盖的BSM焊盘一般被称为焊料凸起70。参考图1c，通常由石墨制成的第二舟80包含被排列以与焊料凸起70的位置相一致的开口90。无铅焊料柱，在该实例中为铜柱100，被置于舟的开口90中。
参考图1d，将模块20放置在舟80上，以使焊料凸起70与柱100的末端相连接。然后将所得的模块/舟组件加热到所需的回流温度。对于铜柱要达到260℃，并优选250℃。根据使用的特定焊料体系，该回流温度可以超过350℃。焊料凸起70回流到柱100的末端上，并在冷却之后形成将柱100粘附到模块20的模块侧焊料焊角。
现在参考图1e，示出了具有通过本发明的金属间相结构110连接的柱100的模块20。参考图1f，现在将具有连接的柱100的模块20组装到电路板或电路卡120上。电路板120具有电接触焊盘140。将SAC焊膏130施加到接触焊盘140上。将柱100放置在电路板120上，以使柱100的自由端与SAC焊膏130相接触。然后加热模块/电路板组件，以回流柱末端上的SAC焊膏。一旦冷却，回流的SAC焊膏形成将柱粘接到电路板120的焊料连接。这样所得的模块/电路板组件包括本发明的模块和电路板侧连接之间的焊料体系。
现在参考图2a，说明了使用掩蔽(screen-on)柱工艺的第二方法，从而将本发明的非共熔焊料合金以焊膏形式掩蔽在柱阵列上，并将其回流。该方法减少了一个回流步骤。将通常由Mo或不锈钢制成的掩蔽掩膜200放置在包含无铅焊料柱100的柱舟80上。在该实施例中，柱舟80包含焊角开口180或柱开口90的扩大的上部。掩蔽掩膜200具有被排列以与焊料柱100的位置相一致的掩膜开口150。将非共熔焊膏160掩蔽到掩膜开口150和焊角开口180中，该非共熔焊膏160由与非共熔焊料预制体60材料相同的成分构成。
现在参考图2b，除去掩蔽掩膜200，保留柱舟80中的柱100与柱100一端的非共熔“焊膏凸起”170。该焊膏凸起170的几何形状由掩蔽掩膜200的厚度和柱舟80中的焊角开口180的几何形状确定。
现在参考图2c，将具有BSM焊盘30的模块20放置在柱舟80上，以使BSM焊盘30与非共熔焊膏凸起170相接触。然后将所得的模块/舟组件加热到所需的回流温度。对于无铅铜柱需要升到245℃，优选250℃。根据使用的特定焊料体系，该回流温度可以超过350℃。非共熔焊膏凸起170回流到柱100的末端上，并在冷却之后形成将柱100粘接到模块20的模块侧焊料焊角。
现在参考图2d，示出了具有与本发明所得的金属间相结构110连接的柱100的模块20。现在参考图2e，将具有连接的柱100的所得模块20组装到电路板或电路卡120上。电路板120具有电接触焊盘140。将SAC焊膏130施加到接触焊盘140。将柱100放置在电路板120上，以使柱100的自由端与SAC焊膏130相接触。然后加热模块/电路板组件以回流柱末端上的SAC焊膏。一旦冷却，回流的SAC焊膏形成将柱粘接到电路板120的焊料连接。这样所得的模块/电路板组件包括本发明的模块和电路板侧连接之间的焊料体系。
在经历不需要支架支撑的电路卡连接回流中，本发明实现了目前并不存在的焊料体系。这不仅对于初始电路卡连接关键，而且对电路卡再加工也很关键。根据本发明，大多数(95％或更多)柱在回流/从电路卡上除去的过程中保持连接在模块上。
尽管在上面描述了优选实施例，本领域的技术人员应该理解，Sn/Ag、Sn/Cu和Sn/Ag/Cu系统的非共熔焊料成分的范围也在本发明的范围之内。当在模块侧上使用这些非共熔焊料方案，并结合在电路卡侧上使用在3.8-4.0重量％Ag、0.5-0.9重量％Cu、其余为Sn范围内的“标准”的国家电子制造协会(NEMI)合金时，获得了自然温度体系，并使焊料工艺和再加工工艺更加容易。之所以这样，是因为非共熔焊料合金包含液化温度高于电路卡侧焊料合金的金属间化合物。因此，虽然会开始熔化，但是不完全液化，从而形成了金属间相结构。具有较高粘度的金属间相结构是该方案的关键所在。它防止柱或其它部件在连接/再加工工艺期间倒坍。
本发明不只局限于这些成分。本发明将使用这些合金中的一种或相同部件的类似成分，以解决柱倾斜和再加工的上述问题。电路卡组装厂商正在逐步转向用于电路卡侧连接的通用无铅焊料，并且所选的成分接近95.5Sn/3.8Ag/0.7Cu。
本发明也不只局限于上述第二级组装方法。对于本领域的技术人员明显的是，其它无铅第二级组装方法很容易从使用本发明的非共熔焊料成分中获益。在图3所示的例子中，使用非共熔焊料成分作为焊料球190，用于将具有BSM焊盘30的模块20第二级BGA组装到电路板120。使用由本发明的非共熔成分构成的焊料球将会获得上述同样的再加工优点，因为在再加工之后大多数焊料球将保持连接到模块。这将缩短用于清洁和重新布置电路板或电路卡连接位置的时间和工作量。
对于本领域的技术人员来说明显的是，对于本发明，只要不脱离本发明的精神，可以在这里具体描述的那些实施例之外对本发明进行其它修改。因此，这样的修改被认为落入了只由所附权利要求书限定的本发明的范围。
权利要求
1.一种非共熔焊料组合物(60)，主要包括90.0-99.0％的Sn；10.0-1.0％的Cu；以及具有熔化温度大于280℃的金属间化合物。
2.根据权利要求1的非共熔焊料组合物(60)，其中所述组合物是约93.0％的Sn；7.0％的Cu；以及具有SnCu金属间相结构的分散颗粒。
3.根据权利要求2的非共熔焊料组合物(60)，其中所述金属间相结构包括在超过300℃温度下的Cu6Sn5。
4.根据权利要求2的非共熔焊料组合物(60)，其中所述金属间相结构包括在超过300℃温度下的Cu3Sn。
5.根据权利要求2的非共熔焊料组合物(60)，其中所述组合物的体积在2000和7000立方毫英寸之间。
6.一种非共熔焊料组合物(60)，主要包括80.0-96.0％的Sn；20.0-4.0％的Ag；以及具有熔化温度大于280℃的金属间化合物。
7.根据权利要求6的非共熔焊料组合物(60)，其中所述组合物是约82.0％的Sn；18.0％的Ag；以及具有SnAg金属间相结构的分散颗粒。
8.根据权利要求7的非共熔焊料组合物(60)，其中所述金属间相结构包括在超过280℃温度下的Ag3Sn。
9.根据权利要求7的非共熔焊料组合物(60)，其中所述组合物的体积在2000和7000立方毫英寸之间。
10.根据权利要求6的非共熔焊料组合物(60)，其中所述组合物是约88.0％的Sn；12.0％的Ag；以及具有SnAg金属间相结构的分散颗粒。
11.根据权利要求8的非共熔焊料组合物(60)，其中所述金属间相结构包括在超过280℃温度下的Ag3Sn。
12.根据权利要求10的非共熔焊料组合物(60)，其中所述组合物的体积在2000和7000立方毫英寸之间。
13.一种形成用于第二级焊料组装的无铅焊料熔化体系的方法，包括以下步骤提供电子模块(20)，在所述电子模块(20)的底面上具有底面冶金焊盘(30)；将非共熔无铅焊料(60)放置在所述底面冶金焊盘(30)上；将无铅柱(100)的第一端与所述非共熔无铅焊料(60)相接触；加热所述非共熔无铅焊料(60)以回流所述非共熔无铅焊料，并形成将所述无铅柱(100)的第一端粘接到所述底面冶金焊盘(30)的模块侧非共熔无铅焊料焊角(110)；提供电路板(120)，所述电路板(120)的顶面上具有接触焊盘(140)；将焊膏(130)施加到所述连接焊盘(140)上；放置无铅柱(100)的第二端与所述焊膏(130)相接触；加热所述焊膏(130)以回流所述焊膏，并形成将所述无铅柱(100)的第二端粘接到所述接触焊盘(140)的电路卡侧焊料焊角，从而形成用于第二级焊料组装的焊料体系。
14.根据权利要求13的方法，其中所述模块侧非共熔焊料焊角(110)具有约93.0％的Sn和7.0％的Cu的成分，并具有SnCu金属间相结构的分散颗粒。
15.根据权利要求13的方法，其中所述模块侧非共熔焊料焊角(110)具有约82.0％的Sn和18.0％的Ag的成分，并具有SnAg金属间相结构的分散颗粒。
16.根据权利要求13的方法，其中所述模块侧非共熔焊料焊角(110)具有约88.0％的Sn和12.0％的Ag的成分，并具有SnAg金属间相结构的分散颗粒。
17.根据权利要求13的方法，其中将所述非共熔无铅焊料(60)放置在所述底面冶金焊盘(30)上，作为固体非共熔无铅焊料预制体。
18.根据权利要求13的方法，通过利用掩蔽掩膜掩蔽非共熔无铅焊膏(160)，将所述非共熔无铅焊料(60)放置在所述无铅柱(100)的第二端上。
全文摘要
本发明提供了一种用于电子部件的第二级焊料连接如将电子模块(20)连接到电路板(120)的无铅焊料体系。将SnCu或SnAg的非共熔焊料(60)成分用于模块侧连接。该非共熔焊料(60)包含充足的金属间化合物以提供模块侧连接，具有牢固的第二级组装和再加工工艺。所述非共熔成分(60)在组装过程中提供模块侧焊角中的金属间相结构。所述金属间相结构消除了第二级组装过程中的倾斜和倒坍问题，并通过提供允许柱(100)从电路板(120)上除去同时不从模块(20)上除去的粘附性更大的连接，帮助再加工。
文档编号B23K101/40GK1681618SQ03821951
公开日2005年10月12日 申请日期2003年9月12日 优先权日2002年9月18日
发明者M·因特兰特, M·G·法尔库克, W·E·萨布林斯基 申请人:国际商业机器公司