焊料制造技术

在一种在温度层级结合中实现高温端焊接结合的焊料中，半导体装置与衬底之间的连接部分通过由Ｃｕ之类构成的金属球以及由金属球和Ｓｎ构成的化合物而形成，并且金属球通过化合物而结合在一起。（*该技术在2023年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种关于无铅焊料(确实不含铅的焊料)的技术，更具体而言，涉及用于在空气中进行焊接结合的焊料和在空气中使用无铅焊接材料的焊接结合技术。本专利技术还涉及一种用于使用温度层级进行焊接结合的技术，它能够有效地将模块安装于电子装置上。
技术介绍
在使用Sn铅基焊料进行结合时，采用温度层级结合方法。在这种结合技术中，各个元件首先使用高温焊接所用的焊料，如富铅的Pb-5Sn质量百分比的焊料(熔点314-310摄氏度)或者Pb-10Sn质量百分比的焊料(熔点302-275摄氏度)，在330摄氏度和350度之间的一个温度进行焊接，然后，使用低温焊接所用的焊料，如Sn-37Pb低共熔体(183摄氏度)进行另一次焊接而不熔化已焊接的部分(下文中不再标明“质量百分比”，只列出数字)。在对芯片进行模片结合的半导体装置制作过程以及使用倒装片结合方法的半导体装置制作过程等等中采用这种温度层级结合方法。举例来说，在形成BGA、WL-CSP(晶片级CSP)、多芯片模块(缩写为MCM)以及诸如此类时需要使用这种温度层级结合方法。就是说，在半导体制作过程中，提供温度层级结合方法已经变得很重要，这种温度层级结合方法可以进行一次焊接以便将各元件结合于半导体装置的内部，并且进行另一次焊接以便将半导体装置自身结合于衬底上。另一方面，对于一些产品，存在的情况是，考虑到各元件的耐热性限制问题因而需要在不高于290摄氏度的温度下进行结合。作为常规型Sn铅基焊料中具有处于适应这种要求的高温焊接所用的成分范围内的成分的焊料，考虑的是Pb-15Sn焊料(液相线温度183摄氏度)和具有类似成分的焊料。然而，当Sn含量高于该水平时，低温低共熔体(183摄氏度)就会沉淀。另外，当Sn含量低于该水平时，液相线温度就会升高因此就难以在不高于290摄氏度的温度下进行结合。为此原因，即使当用于结合于印刷电路板上的二次软熔焊料为低共熔Sn铅基焊料时，也不可能避免出现高温焊接的结合再熔化问题。当无铅焊料用于二次软熔时，结合过程在处于240-250摄氏度范围内的温度下进行。该温度比使用低共熔Sn铅基焊料进行结合所需的温度高20-30摄氏度左右。因此，使用无铅溶胶在不高于290摄氏度的温度下结合变得更加困难。更具体而言，目前还没有容许在330至350摄氏度范围内的焊接温度下或者290摄氏度的温度水平下进行温度层级结合的高温无铅焊接材料。在下文中对这种情况进行详细描述。目前，根据环保要求，无铅焊料正应用于日益增多的应用场合中。对于用于将元件焊接于印刷电路板上的无铅焊料而言，低共熔SnAg基焊料、低共熔SnAgCu基焊料以及低共熔SnCu基焊料正在成为主流。因此，表面安装中的焊接温度通常处于240至250摄氏度的范围内。然而，尚没有用于高温端的温度层级的无铅焊料能够与这些低共熔无铅焊料一起用于表面安装中。作为具有最可能成为高温端焊料的候选者的成分的焊料，可以考虑Sn-5Sb焊料(240-232摄氏度)。然而，要将软熔炉中的衬底尚的温度不规则变化之类的情况考虑在内的话，尚不存在能够进行结合而不会熔化Sn-5Sb焊料的具有高可靠性的低温端焊料。另一方面，尽管Au-20Sn焊料(熔点280摄氏度)被看作是高温焊料，然而由于其为硬质材料并且成本很高，因此其用途受到限制。特别是，在将Si芯片结合于具有与Si芯片的膨胀系数差别很大的膨胀系数的材料上或者在结合大尺寸的Si芯片时，不能使用这种焊料，因为它太硬因而可能破坏Si芯片。
技术实现思路
考虑到上述情况，这里就需要一种技术以便能够适应使用无铅焊料的要求，并且能够在模块安装过程中在不超过各元件的耐热性的不高于290摄氏度的温度下使用高温端焊料进行结合(初次软熔)，而且能够进行随后的结合来使用Sn-3Ag-0.5Cu焊料(熔点217-221摄氏度)将模块的端子表面安装于印刷电路板或诸如此类的外部接线端子上(二次软熔)。举例来说，已经开发出一种用于便携式产品的模块(例如高频模块)，其中安装有芯片元件和半导体芯片。在这种模块中，芯片元件和半导体芯片使用高温焊料结合于模块衬底上，并且需要使用帽罩或通过树脂模塑将它们封装起来。根据其耐热性，这些芯片元件要求其结合过程在最高不高于290摄氏度的温度下进行。然而，由于使用高温端焊料进行结合所需的温度根据芯片元件的耐热性来确定，因此这种温度并非一直限制于290摄氏度。当该模块的二次软熔使用Sn-3Ag-0.5Cu焊料进行时，焊接温度达到大约240摄氏度。因此，考虑到即使在所有Sn基焊料中具有最高熔点的Sn-5Sb焊料的熔点也仅为232摄氏度，并且当芯片电极的镀层中包含铅或诸如此类时，焊料的熔点还会降低，因此不可以避免模块中的芯片元件的已焊接部分由于二次软熔而发生再熔化。因此，需要一种即使当焊料再熔化时也不会产生这类问题的系统或方法。为解决这类问题，一种常见的做法是使用铅基焊料在最高290摄氏度的温度下将芯片模片结合于模块衬底上以便进行芯片元件的软熔。然后，将软质硅酮凝胶涂敷于线结合的芯片上，在模块衬底的上表面上盖上一个由Al等制成的帽罩，并使用低共熔Sn-Pb焊料进行二次软熔。由于使用这种构成，因此在二次软熔中，即使当模块接合处的一部分焊料熔化时也不会产生应力，因此芯片不会移动并且不会产生高频特征的问题。然而，现在需要使用无铅基焊料进行二次软熔，同时，必须开发一种树脂封装型模块以便降低成本。为了突破这种情况，需要解决以下问题1)必须可以在最高不高于290摄氏度的温度下在空气中进行软熔焊接(芯片元件的保证耐热温度290摄氏度)。2)在二次软熔中(最高260摄氏度)不能发生熔化，或者即使发生熔化，芯片也不能移动(因为如果芯片移动的话，高频特性就会受到影响)。3)即使在二次软熔过程中模块内部的焊料发生再熔化时，也不能因芯片元件的焊料的体积膨胀而产生短路。下文中对在检查RF(射频)模块的评价结果时发现的问题进行叙述。在RF模块中，芯片元件和模块衬底使用常规的铅基焊料结合在一起。尽管铅基焊料的固相线为245摄氏度，仍将Sn铅基焊料镀层涂敷于芯片元件的连接端子上，因此就会形成低温Sn铅基低共熔体从而发生再熔化。对二次安装软熔后由于焊料的流出而产生的短路发生率相对于使用具有不同弹性模量的各种类型的绝缘树脂而进行一次操作封装起来的模块之间的关系进行了研究。图12(a)为流出的说明图，示出了模块中的芯片元件的二次安装软熔过程中的焊料流的原理。图12(b)为芯片元件的焊料流的一个实例的透视图。由于焊料流出而产生短路的机理如下。模块内部的焊料中产生的熔化和膨胀压力使得沿芯片元件与树脂之间的界面或者沿树脂与模块衬底之间的界面产生剥落。因此，焊料在这一瞬间流入发生剥落的界面中，这样就使得表面安装的元件的两端的端子相互联接起来从而产生短路。通过以上研究，显然，由于焊料流出而产生的短路发生次数与树脂的弹性模量成比例。另外，显然，常规型高弹性环氧树脂并不适用，并且，对于软质硅酮树脂，当其在180摄氏度(Sn铅低共熔体的熔点)的弹性模量比较低时，就不会产生短路。然而，在实际应用中，低弹性树脂指的就是硅酮树脂，因此，在衬底划分过程中，由于树脂的性能，树脂的一些部分不能完全划分开而可能产生它们保持原样的情况。在这种情况下，就需要本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种焊料，其包括Ｓｎ基焊球和熔点高于Ｓｎ基焊球的熔点的金属球，其中，每个金属球的表面覆盖有Ｎｉ层，而Ｎｉ层上覆盖有Ａｕ层。

【技术特征摘要】
...

【专利技术属性】
技术研发人员：曾我太佐男，秦英惠，中哲也，根岸干夫，中浩一，远藤恒雄，
申请(专利权)人：株式会社日立制作所，
类型：发明
国别省市：JP[日本]