[發明專利]焊料、焊接方法和半導體器件

有效

• 申請號: 201110460651.5
• 申請日: 2011-12-31
• 公開（公告）號: CN102615446A
• 公開（公告）日: 2012-08-01
• 發明（設計）人: 赤松俊也;今泉延弘;作山誠樹;上西啟介;中西徹洋
• 申請（專利權）人: 富士通株式會社
• 主分類號: B23K35/26
• 分類號: B23K35/26;H05K3/34;H01L23/488
• 代理公司: 北京集佳知識產權代理有限公司 11227
• 代理人: 顧晉偉;王春偉

技術領域

本文討論的實施方案涉及焊料、焊接方法和半導體器件。

背景技術

迄今，例如，在將電子元件安裝在電路板上時，廣泛使用具有例如37重量％的Pb(鉛)含量的Sn(錫)-Pb(鉛)共晶焊料。然而，近年來，含Pb焊料的應用已從實現環保的角度受到限制，使得無Pb焊料得以應用。

含3wt％Ag(銀)、0.5wt％Cu(銅)和余量Sn的Sn-Ag-Cu合金已知為典型的無Pb焊料。在下文，在表示合金組成的情況下，含量(wt％)在元素符號之前描述。例如，前文Sn-Ag-Cu合金表示為Sn-3wt％Ag-0.5wt％Cu。

此外，Sn-3.5wt％Ag合金和Sn-0.7wt％Cu合金也已知為無鉛焊料合金。

以下為參考文件。

日本專利特許公開公布號62-252693

日本專利特許公開公布號2001-334386

日本專利特許公開公布號2010-167472

發明內容

根據實施方案的一個方面，焊料包括Sn(錫)、Bi(鉍)和Zn(鋅)，其中焊料具有0.01wt％至0.1wt％的Zn含量。

借助于權利要求中具體指出的要素與組合將實現并獲得本發明的目的和優點。

應當理解，前文的一般性描述與以下詳細描述兩者均為示例性和說明性的，并且不是對所要求保護的本發明的限制。

附圖說明

圖1是Sn-Bi合金的相圖；

圖2是圖示Bi含量與Sn-Bi合金的疲勞壽命之間關系的圖；

圖3是用于測量疲勞壽命方法概要的說明圖；

圖4是圖示Sb含量與Sn-Bi-Sb合金斷裂伸長率之間的關系的圖；

圖5A是Sn-58wt％Bi-0.5wt％Sb合金結構的二值化掃描電鏡顯微照片，并且圖5B是Sn-58wt％Bi-0.5wt％Sb-0.1wt％Zn合金結構的二值化掃描電鏡顯微照片；

圖6是Sn-58wt％Bi合金的組分列表；

圖7是圖示回流時一個示例性溫度曲線的圖；

圖8是凸塊拉力測試概要的說明圖；

圖9是圖示凸塊拉力測試結果的圖；

圖10是圖示在125℃保持1000小時之后Sn-58wt％Bi-0.5wt％Sb-Zn合金的Zn含量與拉伸強度(斷裂應力)之間的關系的圖；

圖11是用于計算潤濕鋪展度的方法的說明圖；

圖12是圖示Sn-Bi-Sb合金的Zn含量與潤濕鋪展度之間關系的圖；和

13是示例性倒裝芯片球柵格陣列(FC-BGA)封裝半導體器件的橫截面視圖。

具體實施方式

在描述實施方案之前，下面將描述初步信息以利于理解實施方案。

對于倒裝芯片球柵格陣列(FC-BGA)封裝半導體器件，將半導體芯片(裸片)用焊料(焊料凸塊)安裝在封裝襯底(插入式)的上側，用于初步安裝。將用于二次安裝以與電路板形成連接的焊料(焊球)布置在封裝襯底的下側上。對于FC-BGA封裝半導體器件，用于初步安裝的焊料不應在安裝在電路板上的過程中熔化。為此，重要的是用于二次安裝的焊料的熔點充分低于用于初步安裝的焊料的熔點。

上文描述的所有無Pb焊料合金都具有比Sn-Pb焊料(共晶焊料)高的熔點。在目前的情況下，沒有適合作為用于二次安裝的焊料的低熔點無Pb焊料。例如，Sn-37wt％Pb焊料具有183℃的熔點，而Sn-3wt％Ag-0.5wt％Cu合金具有217℃的熔點，Sn-3.5wt％Ag合金具有221℃的熔點，并且Sn-0.7wt％Cu合金具有227℃的熔點。

Sn-Bi(鉍)合金已知是具有低熔點的合金。例如，Sn-58wt％Bi合金具有139℃的熔點。由此預期，例如Sn-3wt％Ag-0.5wt％Cu合金可用作用于初步安裝的焊料，并且Sn-58wt％Bi合金可用作用于二次安裝的焊料。

然而，Sn-58wt％Bi合金硬且脆。接合后施加于合金上的沖擊或大應力會引起開裂。因此，當合金用作用于電子元件的焊料時，其不具有足夠的可靠性。

同時，已經報道了由含有0.5wt％至1.5wt％Sb和0.5wt％至3wt％Ag的Sn-Bi合金構成的無Pb焊料以及由含有0.3wt％至0.8wt％Sb的Sn-Bi合金構成的無Pb焊料。