專(zhuān)利名稱：高強(qiáng)度焊接頭的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般涉及一種焊接技術(shù)。具體來(lái)說(shuō)，它涉及一種用于鎳/金無(wú)電敷鍍的焊接方法。本發(fā)明可適用于一種布線結(jié)構(gòu)、電路及其制造方法。
焊接不僅被用來(lái)將電子器件與印刷電路板電子連接，它還用于將電子器件機(jī)械固定在印刷電路板上。因此，在安裝技術(shù)領(lǐng)域中，保證焊接頭上具有足夠的強(qiáng)度是一個(gè)主要的課題。
在電子器件具有較大尺寸的情況下，其要被焊接的電極面積(即，焊料接觸面積)也相對(duì)較大，因此，在設(shè)計(jì)過(guò)程中，焊接頭的強(qiáng)度并不是一個(gè)重要問(wèn)題。由于具有足夠機(jī)械強(qiáng)度的焊接頭是在尺寸相對(duì)較大的器件的情況下得到實(shí)現(xiàn)的，所以Sn-Pb易熔焊料得到了廣泛的使用，因?yàn)樗且环N易于控制的低熔點(diǎn)材料。應(yīng)該注意的是，Sn-Pb易熔焊料本身并不具有很好的機(jī)械強(qiáng)度。
但是，在電子器件具有很小尺寸的情況下(如CSP(芯片級(jí)封裝))，其要被焊接的電極面積(即，焊料接觸面積)也非常地小。不用說(shuō)，其印刷電路板上焊點(diǎn)的面積也必須被減小以適合于CSP型器件的外部電極。
例如，在一印刷電路板上安裝間隙為0.8mm且各焊球直徑約為0.5mm的BGA(焊球柵格陣列)型封裝的情況下，必需將印刷電路板上焊點(diǎn)的直徑減小至0.4mm。這樣一個(gè)直徑為0.4mm的焊點(diǎn)，其面積僅為將傳統(tǒng)的間隙為0.5mm的QFP(平面直角封裝)安裝在印刷電路板上所需焊點(diǎn)的面積的幾分之一。
電子器件越被小型化，其要焊接接觸區(qū)的電極面積就越小。因此，在設(shè)計(jì)過(guò)程中，焊接頭的強(qiáng)度就成為一個(gè)重要的問(wèn)題。
一般來(lái)說(shuō)，線路導(dǎo)體都是由銅(Cu)或鋁(Al)制成。但是，不能說(shuō)銅和鋁本來(lái)就適用于焊接，而且這些材料在焊接前還有可能生銹。為了使線路導(dǎo)體待被焊接的表面適于焊接并防止其生銹，因此，通常要對(duì)布線導(dǎo)體需用的表面進(jìn)行表面處理，如焊料電鍍或者近年來(lái)使用的鎳/金電鍍。
由于電鍍需要專(zhuān)門(mén)用來(lái)在印刷電路板和封裝上進(jìn)行電鍍的導(dǎo)線，所以最近的趨勢(shì)是用無(wú)電敷鍍?nèi)〈婂?。作為無(wú)電敷鍍，在鎳電鍍中通常采用的是鎳-磷電鍍。以下，鎳/金鍍層(在此鍍層中有一個(gè)通過(guò)鎳-磷無(wú)電敷鍍而形成的鎳層)被稱為“鎳/金無(wú)電敷鍍層”。
但是，本發(fā)明的發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，鎳/金無(wú)電敷鍍層的機(jī)械強(qiáng)度較差。例如，在將一個(gè)間隙為0.8mm且各Sn-Pb易熔焊球直徑為0.5mm的CSP器件焊接在印刷電路板的各鎳/金無(wú)電敷鍍焊點(diǎn)上的情況下，可以觀察到焊料從鎳層的邊界表面上脫落的現(xiàn)象。
作為一種防止這種損壞脫落現(xiàn)象的保護(hù)方法，可在CSP器件與印刷電路板之間的空隙內(nèi)注入一種粘合劑。但是，這種方法所需費(fèi)用較高。
作為另一種保護(hù)方法，可以特意形成一個(gè)較大的焊接區(qū)域以增加焊接頭上的機(jī)械強(qiáng)度。例如，可預(yù)先形成一些大尺寸的加固電極，而且通過(guò)對(duì)這些加固電極進(jìn)行焊接，就可獲得足夠的機(jī)械強(qiáng)度。但是，這些大尺寸的加固電極不利于器件的小型化，而小型化正是CSP器件的重要特征。
還有一種保護(hù)方法，它考慮的是用焊料電鍍來(lái)代替鎳/金無(wú)電敷鍍。但是，焊料電鍍?cè)陔婂兺瓿珊蟮钠交容^差，其結(jié)果將導(dǎo)致部件安裝的不穩(wěn)定。而這會(huì)使制造產(chǎn)量降低。由于近來(lái)隨著小型化的日益發(fā)展使得焊接接觸區(qū)的電極面積變得越來(lái)越小，所以這種方法的缺點(diǎn)更為突出。
另外還有一種保護(hù)方法，它考慮的是采用有機(jī)化合物涂層。但是，有機(jī)化合物涂層并不能保證導(dǎo)體在足夠長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)不生銹。
如上所述，現(xiàn)在能夠選擇的就限制為只能采用鎳/金無(wú)電敷鍍。
本發(fā)明的一個(gè)目的是提供一種焊接方法，它可在焊料與鎳/金無(wú)電敷鍍表面之間實(shí)現(xiàn)高強(qiáng)度的接合。
根據(jù)本發(fā)明的第一個(gè)方面，一種焊接方法包括以下步驟制備一個(gè)鎳/金無(wú)電敷鍍層，它由通過(guò)鎳-磷無(wú)電敷鍍而形成的鎳層以及一個(gè)形成于鎳層之上的金層組成；并利用一種含有錫(Sn)、銀(Ag)和銅(Cu)的焊料對(duì)該鎳/金無(wú)電敷鍍層進(jìn)行焊接。
上述焊料的成份可以是Sn-3.5Ag-0.75Cu，但也不僅限于此。
根據(jù)本發(fā)明的第二個(gè)方面，一種焊接方法包括以下步驟制備一個(gè)鎳/金無(wú)電敷鍍層，它由通過(guò)鎳-磷無(wú)電敷鍍而形成的鎳層以及形成于鎳層之上的金層組成；并利用一種焊料對(duì)該鎳/金無(wú)電敷鍍層進(jìn)行焊接以在鎳層與焊料之間的交界面上形成一層金屬互化物，其中，上述金屬互化物被做成類(lèi)似于菜花狀。
這種金屬互化物主要由錫(Sn)和銅(Cu)構(gòu)成，它還含有鎳(Ni)。
金層可通過(guò)置換電鍍形成。
根據(jù)本發(fā)明的第三個(gè)方面，一種位于焊料與形成在布線結(jié)構(gòu)上的導(dǎo)體端子之間的焊接頭包括通過(guò)在導(dǎo)體端子上進(jìn)行鎳-磷無(wú)電敷鍍而形成的鎳層；形成在鎳層上的金屬互化物層，該金屬互化物層含有錫(Sn)、銅(Cu)和鎳(Ni)；以及形成在金屬互化物層上的焊料層，該焊料層含有錫(Sn)、銀(Ag)和銅(Cu)。
上述金屬互化物可主要由錫(Sn)和銅(Cu)構(gòu)成。
金屬互化物層可具有形成在焊料層一側(cè)中的菜花狀表面。
根據(jù)本發(fā)明的第四個(gè)方面，一種焊料包括通過(guò)在導(dǎo)體端子上進(jìn)行鎳-磷無(wú)電敷鍍而形成的鎳層；形成在鎳層上的金屬互化物層；以及形成在金屬互化物層上的焊料層。上述金屬互化物層可具有形成在焊料層一側(cè)之中的菜花狀表面。
本發(fā)明可適用于一種其上形成有多個(gè)導(dǎo)體端子(每個(gè)導(dǎo)體端子都被焊接以形成焊接頭)的布線結(jié)構(gòu)。這種焊接頭可根據(jù)本發(fā)明的以上各個(gè)方面所述而形成。
本發(fā)明可適用于一種含有其上形成有多個(gè)基板端子的布線結(jié)構(gòu)的器件；以及一種具有多個(gè)電路端子的功能電路，其中，上述基板端子被焊接在各電路端子之一的焊接頭上。每個(gè)焊接頭都可根據(jù)本發(fā)明的以上各個(gè)方面所述形成。
本發(fā)明可適用于一種含有其上形成有多個(gè)基板端子的印刷電路板的器件；以及一種具有多個(gè)封裝端子的半導(dǎo)體芯片封裝，其中，上述基板端子被焊接在各封裝端子之一的焊接頭上。每個(gè)焊接頭都可根據(jù)本發(fā)明的以上各個(gè)方面所述而形成。


圖1是根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例所述焊接頭的分層結(jié)構(gòu)示意圖2顯示出了一種半導(dǎo)體器件，其中應(yīng)用了本發(fā)明的實(shí)施例；圖3顯示出了一種布線結(jié)構(gòu)，其中應(yīng)用了本發(fā)明的實(shí)施例；圖4顯示出了一種由Cu塊和Sn-Pb易熔焊料形成的金屬互化物的外貌；圖5顯示出了一種由鎳/金無(wú)電敷鍍表面和Sn-Pb易熔焊料形成的金屬互化物的外貌；圖6顯示出了一種由鎳/金無(wú)電敷鍍表面和Sn-Pb易熔焊料形成的針狀金屬互化物的外貌；圖7顯示出了一種由鎳/金無(wú)電敷鍍表面和Sn-Ag-Cu焊料形成的菜花狀金屬互化物的外貌；圖8是形成在一個(gè)其上安裝有部件的樣品電路板之上的電路圖案的一個(gè)例子；圖9顯示出了一個(gè)由鎳/金無(wú)電敷鍍表面和Sn-Pb易熔焊料形成的焊接頭脫落后的外貌；以及圖10是圖9所示一個(gè)脫落的焊接頭的放大圖。
鎳/金無(wú)電敷鍍層由一鎳層及一形成在鎳層上的金層構(gòu)成，其中，鎳層是通過(guò)眾所周知的鎳-磷無(wú)電敷鍍而形成的。
根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，一種含有錫(Sn)、銀(Ag)和銅(Cu)的焊料被用于為鎳/金無(wú)電敷鍍層實(shí)行焊接。例如，在本實(shí)施例中可采用一種成份為Sn-3.5Ag-0.75Cu的焊料。由于在印刷電路板上的銅(Cu)制焊點(diǎn)上形成有一個(gè)鎳/金無(wú)電敷鍍層以防止生銹或類(lèi)似情況，所以采用Sn-Ag-Cu焊料的焊接被直接在鎳/金無(wú)電敷鍍層上執(zhí)行。如后所述，在焊接時(shí)，鎳/金無(wú)電敷鍍層中的金層被熔進(jìn)Sn-Ag-Cu焊料。采用用于鎳/金無(wú)電敷鍍層的Sn-Ag-Cu焊料可以獲得高強(qiáng)度的焊接頭。以下將對(duì)其進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。
如圖1所示，一種根據(jù)本實(shí)施例所述的焊接頭由這樣一種分層結(jié)構(gòu)組成基板層1(此處為銅線)/鎳層2/金屬互化物層3/焊料層4。鎳/金無(wú)電敷鍍層的金層已被熔入焊料。金屬互化物層3主要由錫和銅構(gòu)成，另外還有鎳。金屬互化物的詳情將在后面進(jìn)行說(shuō)明。
對(duì)根據(jù)本實(shí)施例所述的這種焊接頭進(jìn)行損壞壽命檢測(cè)。其結(jié)果是，該焊接頭的強(qiáng)度較高，進(jìn)而位于鎳層2與金屬互化物層3之間的邊界表面上的損壞性脫落很難發(fā)生。因此，就可獲得一個(gè)可靠的焊接頭。損壞壽命檢測(cè)的詳細(xì)情況將在后面進(jìn)行說(shuō)明。
參考圖2，半導(dǎo)體器件10由安裝有一個(gè)半導(dǎo)體芯片14的BGA型封裝基板11構(gòu)成。該封裝基板11具有多個(gè)形成于其上的互連12以及分別與各互連12相連接的基板端子13。另外，封裝基板11還具有多個(gè)焊球，它們分別形成于各基板端子之上。
如前所述，在焊球被形成之前，各基板端子13上就已經(jīng)有鎳/金無(wú)電敷鍍層。在焊球形成之后，各焊接頭16就具有圖1所示的分層結(jié)構(gòu)。
半導(dǎo)體器件10還可被安裝在一個(gè)印刷電路板(未示出)上。在將半導(dǎo)體器件10焊接在印刷電路板上之前，也可在印刷電路板各個(gè)端子的表面上形成鎳/金無(wú)電敷鍍層。
參考圖3，布線結(jié)構(gòu)由一個(gè)安裝有接口23的印刷電路板20構(gòu)成。該印刷電路板20中含有導(dǎo)線21以及分別與各導(dǎo)線21相連接的端子22。接口23含有端子24。各端子22通過(guò)焊接頭25與接口23的端子24有機(jī)械的和電氣的連接。在將接口23焊接在印刷電路板20上之前，各端子22和24的表面上都形成有鎳/金無(wú)電敷鍍層。因此，一種Sn-Ag-Cu焊料被用于形成焊接頭25，其兩側(cè)都具有圖1所示的分層結(jié)構(gòu)，因而就可獲得高強(qiáng)度的焊接頭。
如上所述，可以獲得一種用于鎳/金無(wú)電敷鍍表面的高強(qiáng)度焊接頭，這種焊接頭能夠提高諸如半導(dǎo)體器件10的結(jié)構(gòu)或者是包括封裝基板11和安裝有接口23的印刷電路板20在內(nèi)的布線結(jié)構(gòu)的可靠性。
本發(fā)明的發(fā)明人已經(jīng)探求到一種能夠提供這種高焊接頭強(qiáng)度的機(jī)理。以下將對(duì)該機(jī)理的一部分分析進(jìn)行說(shuō)明。
我們已經(jīng)知道，下列組合可以在焊接頭上提供較高的強(qiáng)度(1)Sn-Pb易熔焊料和銅箔；(2)Sn-Pb易熔焊料和焊料電鍍銅箔；以及(3)Sn-Pb易熔焊料和鎳/金電鍍銅箔，其中的銅箔是(例如)一形成在印刷電路板上的銅線。
在情況(1)和(2)中，一種由銅和錫構(gòu)成的金屬互化物被形成在Sn-Pb易熔焊料與銅箔之間的邊界表面之上。在情況(3)中，一種由鎳和錫構(gòu)成的金屬互化物被形成在Sn-Pb易熔焊料與鎳/金無(wú)電鍍銅箔之間的邊界表面之上。
本發(fā)明的發(fā)明人對(duì)在上述三種情況(1)-(3)下形成的金屬互化物的外貌(appearance)分別進(jìn)行了觀察，以找出其機(jī)械強(qiáng)度不同的原因。由于金屬互化物已被形成于焊接頭之中，所以對(duì)其的觀察是在通過(guò)利用化學(xué)試劑將焊接頭的焊料成份溶解以暴露出金屬互化物之后才進(jìn)行的。結(jié)果，本發(fā)明的發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，在(1)-(3)的所有三種情況下的焊接頭中，金屬互化物的形狀已變成菜花狀。圖4顯示出了在情況(1)下由Sn-Pb易熔焊料和銅形成的金屬互化物的外貌。圖5顯示出了在情況(3)下由鎳/金無(wú)電鍍表面和Sn-Pb易熔焊料形成的金屬互化物的外貌。
在用于鎳/金無(wú)電敷鍍表面的焊接情況中的界面反應(yīng)已被發(fā)現(xiàn)。更具體地說(shuō)，金擴(kuò)散入焊料(見(jiàn)由THE NIKKAN KOGYO SHIMBUN，LTD，發(fā)表的“電子儀器中的焊接”第201頁(yè))，然后錫與鎳發(fā)生反應(yīng)以形成金屬互化物(見(jiàn)由THE NIKKAN KOGYO SHIMBUN，LTD.，發(fā)表的“電子儀器中的焊接”第98頁(yè))。
另外，本發(fā)明的發(fā)明人還確定了金屬互化物是如何隨著焊料的類(lèi)型不同而發(fā)生變化的。結(jié)果是，本發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，在使用Sn-Pb易熔焊料以用于鎳/金無(wú)電敷鍍表面的情況下，將會(huì)形成由錫和鎳構(gòu)成的針狀的金屬互化物，它從鎳表面(鎳層)指向焊料，如圖6所示。本發(fā)明人還發(fā)現(xiàn)，這種針狀金屬互化物非常容易從鎳表面(鎳層)上脫落下來(lái)。
相反，根據(jù)本發(fā)明所述，在使用Sn-Ag-Cu焊料來(lái)形成一焊接頭的情況下，菜花狀的金屬互化物(它主要由錫和銅構(gòu)成，另外還包括鎳)被形成在焊料層與鎳層之間的交界面上，如圖7所示。
上述研究的結(jié)論表明，焊接頭的機(jī)械強(qiáng)度與形成于鎳和焊料層之間的交界面空隙中的金屬互化物的外貌或形狀極為有關(guān)。特別是，高強(qiáng)度焊接頭是因形成于鎳和焊料層之間的交界面空隙中的菜花狀金屬互化物而造成的。換句話說(shuō)，為了提高接頭強(qiáng)度，尋找一種能夠形成菜花狀金屬互化物的方法是十分重要的。
作為上述研究的結(jié)果，本發(fā)明人決定采用Sn-Ag-Cu焊料來(lái)形成一用于鎳/金無(wú)電敷鍍表面的焊接頭。例子為了確認(rèn)本實(shí)施例能夠提供出高強(qiáng)度的焊接頭，本發(fā)明人在下表所示條件下對(duì)樣品A、B、C和D進(jìn)行了一種損壞壽命檢測(cè)，該表采用了圖8所示的印刷電路板以作為例子。
1·要檢查的基板要檢測(cè)的基板是通過(guò)將電子部件焊接在一印刷電路板上(100×40mm)而形成的。此處，如上表所示，具有不同焊料成份和不同安裝器件(樣品A、B、C和D)類(lèi)型的四種基板被預(yù)備出來(lái)。以下將對(duì)焊料和印刷電路板的詳細(xì)情況進(jìn)行說(shuō)明。1·1焊料樣品A和B使用的是一種成份為Sn-3.5Ag-0.75Cu的焊料。樣品C和D則以一種比較的方式使用了Sn-Pb易熔焊料。焊接是在攝氏235度的軟熔(峰值)溫度下進(jìn)行的。1·2電子部件本例中采用了具有BGA(焊球柵格陣列)或LGA(焊盤(pán)柵格陣列)封裝的電子部件。圖8顯示了待被焊接的端子的圖案，其中，各要被焊接的端子由一小寫(xiě)字母“t”或一小圓圈表示。1·3印刷電路板圖8中顯示了端子的圖案以及銅制導(dǎo)線。各待被焊接的端子都由一小寫(xiě)字母“t”或一小圓圈表示，它們被按格狀排列于印刷電路板的中央部分。由小寫(xiě)字母“r”表示的各寄存器被連接在相鄰的端子之間，從而將各端子t按菊花鏈的形狀連接起來(lái)。各寄存器為1.1至1.4歐姆。
圖8中，由雙線表示的寄存器r被安排在印刷電路板l部件安裝側(cè)上，而由單線表示的另一寄存器r則被安排在印刷電路板的另一側(cè)上。
待焊接的端子被分別與由TP1，TP2，a1，a2，…，a13，b1，b2，…，b32表示的對(duì)應(yīng)測(cè)試焊盤(pán)相連。這些測(cè)試焊盤(pán)被用于測(cè)試所需端子之間的連續(xù)性。
如上所述，各端子t上已形成有一個(gè)鎳/金無(wú)電敷鍍層。此處，鎳/金無(wú)電敷鍍層由3-5μm(微米)厚的鍍鎳層和約0.05μm(微米)厚的鍍金層構(gòu)成。鎳/金層的厚度是根據(jù)其功能(抗腐蝕)和制造成本來(lái)確定和使用的。鎳/金無(wú)電敷鍍層的形成經(jīng)過(guò)了以下所述的四個(gè)處理步驟1-4。處理步驟1(預(yù)處理)預(yù)處理被按照下列順序執(zhí)行1)堿性除脂；2)酸性除脂；3)軟腐蝕；4)防變形；5)預(yù)浸；6)加入催化劑；7)后浸。詳細(xì)情況將在下面說(shuō)明。
堿性除脂是在攝氏65度下通過(guò)在一堿性清洗液中對(duì)印刷電路板進(jìn)行刷洗來(lái)進(jìn)行的。在堿性除脂處理之后，執(zhí)行兩次水清洗。酸性除脂是在攝氏45度下，通過(guò)在一酸性清洗液中對(duì)印刷電路板進(jìn)行5分鐘的清洗來(lái)進(jìn)行的。軟腐蝕處理中使用的腐蝕溶液含有100g/L的過(guò)硫酸鈉以及10ml/L、98％的硫酸。腐蝕處理在攝氏25度的溫度下執(zhí)行1分鐘。在腐蝕處理之后，再執(zhí)行兩次水清洗。利用一種含有100ml/L、98％的硫酸的溶液在攝氏25度的溫度下執(zhí)行1分鐘的防變形處理。在預(yù)浸處理中，印刷電路板被浸入一含有100ml/L、35％的鹽酸且溫度為攝氏25度的溶液中1分鐘。加入催化劑處理是通過(guò)將印刷電路板浸入一用于加入催化劑且溫度為攝氏25度的溶液中1分鐘而得到執(zhí)行的。處理步驟2(鍍鎳)在此步驟中，印刷電路板在溫度為攝氏85度的情況下經(jīng)過(guò)了22分鐘的鎳/金無(wú)電敷鍍處理，從而在其各端子t(見(jiàn)圖8)上形成了一個(gè)鎳層。之后，執(zhí)行兩次水清洗。然后進(jìn)行純凈水清洗。由于鎳/金無(wú)電敷鍍是一種廣為人知的技術(shù)，故此省略其說(shuō)明。處理步驟3(鍍金)在此步驟中，印刷電路板在溫度為攝氏85度的情況下經(jīng)過(guò)了7分鐘的置換電鍍處理，從而在由處理步驟2在各端子t上形成的鎳層之上又形成了一個(gè)金層。之后，水清洗被執(zhí)行兩次。然后進(jìn)行純凈水清洗。由于置換電鍍也是一種廣為人知的技術(shù)，故此省略說(shuō)明。處理步驟4(后處理)此步驟中，含有鎳/金電鍍端子的印刷電路板在溫度為攝氏25度的情況下被純凈水清洗1分鐘。之后，印刷電路板被一干燥機(jī)吹干。2·測(cè)試2·1測(cè)試方法該方法利用一臺(tái)彎曲測(cè)試機(jī)對(duì)上表中所示的樣品A、B、C和D進(jìn)行重復(fù)彎曲測(cè)試。2·2彎曲測(cè)試機(jī)重復(fù)彎曲測(cè)試是用KEIWA公司所提供的彎曲測(cè)試機(jī)(產(chǎn)品序號(hào)MSB76-12413)來(lái)執(zhí)行的。2·3條件在彎曲測(cè)試中，支承范圍和壓進(jìn)深度分別被設(shè)定為80mm和3mm?？刂破鞅辉O(shè)定成下壓速度為30mm/秒、加速度為0.3G、分別在最上端和最下端位置等待0.2秒、且操作周期為0.72秒/周。3·評(píng)估方法在彎曲測(cè)試期間，對(duì)連接菊花鏈狀端子t的各寄存器的電阻進(jìn)行監(jiān)測(cè)。當(dāng)其電阻值增加100％(約等于1歐姆)時(shí)，則印刷電路板將被認(rèn)為已經(jīng)損壞。評(píng)估是根據(jù)印刷電路板在損壞發(fā)生之前被彎曲的次數(shù)而做出的。4·評(píng)估使用傳統(tǒng)Sn-Pb易熔焊料的樣品C和D在很早階段上就從焊接頭表面的交界面上脫落并損壞。更具體地說(shuō)，樣品D經(jīng)3518次彎曲后脫落并損壞。樣品C只經(jīng)207次彎曲后就脫落并損壞。
圖9和圖10顯示出了樣品C脫落的焊接頭的外貌。在樣品C的焊接頭上，焊料從鎳層的交界面上脫落下來(lái)。在圖10中，照亮的灰白部分(上半部分)為焊料，它從照亮的灰白部分的下端面上脫落下來(lái)。
相反，在使用根據(jù)本實(shí)施例所述Sn-Ag-Cu焊料的樣品A和B中，沒(méi)有發(fā)生上述的脫落現(xiàn)象。更具體地說(shuō)，樣品A的絕緣層經(jīng)20000次彎曲后損壞，但其焊接頭并沒(méi)有從鎳層的交界面上脫落下來(lái)。樣品A的焊料經(jīng)6341次彎曲后折斷，但其焊接頭未從鎳層的交界面上脫落下來(lái)。因此，用于鎳/金無(wú)電敷鍍層的Sn-Ag-Cu焊料可以形成高強(qiáng)度的焊接頭，進(jìn)而提高了焊接頭的可靠性。
應(yīng)該明白，本發(fā)明并不僅限于上述具體實(shí)施例，可以在本發(fā)明中做出各種變換和修改而不脫離其精神和范圍。
例如，Sn-Ag-Cu焊料不僅限于本實(shí)施例中所使用的成份為Sn-3.5Ag-0.75Cu的焊料。也可在能夠提供相同優(yōu)點(diǎn)的較寬范圍內(nèi)確定Sn-Ag-Cu焊料的成份。
在圖1中，其上形成有鎳/金無(wú)電敷鍍層的基板層1不僅限于為銅導(dǎo)線。基板層1也可為其它金屬或非金屬。Sn-Ag-Cu焊料與鎳/金無(wú)電敷鍍層的組合可以提供本發(fā)明所述的優(yōu)點(diǎn)。
鍍?cè)阪噷又系慕饘釉诤附訒r(shí)擴(kuò)散入焊料。由于金具有穩(wěn)定的化學(xué)特性，所以擴(kuò)散入焊料的金被認(rèn)為是處于與電鍍方法無(wú)關(guān)的相同狀態(tài)。因此，即使鍍金層的形狀隨電鍍方法的不同而發(fā)生變化，這種變化也不會(huì)影響焊接頭的機(jī)械強(qiáng)度。換句話說(shuō)，被電鍍到鎳層上的金層也可提供出本發(fā)明所述的優(yōu)點(diǎn)。
本發(fā)明可被應(yīng)用到各種用于鎳/金無(wú)電敷鍍表面的焊接情況中。例如，本發(fā)明可被應(yīng)用到這樣一種情況中，即，通過(guò)焊接將CSP器件(半導(dǎo)體器件)表面焊接在一印刷電路板上的情況。另外，本發(fā)明也可被應(yīng)用到翻裝芯片粘合(FCB)之中。更具體地說(shuō)，可以先形成一個(gè)鎳/金無(wú)電敷鍍凸起，然后再利用Sn-Ag-Cu焊料對(duì)其進(jìn)行焊接以做出一焊接頭。另外，可通過(guò)鎳/金無(wú)電敷鍍而形成一個(gè)擴(kuò)散阻擋層，并可將一Sn-Ag-Cu焊球放置并焊接在該擴(kuò)散壁壘層上以做出一個(gè)焊接頭。本發(fā)明在這些情況下都可得到有效的應(yīng)用。
權(quán)利要求
1．一種焊接方法，包括以下步驟制備鎳/金無(wú)電敷鍍層，其由通過(guò)鎳-磷無(wú)電敷鍍而形成的鎳層以及形成于鎳層之上的金層組成；其特征在于利用一種含有(Sn)、銀(Ag)和銅(Cu)的焊料對(duì)上述鎳/金無(wú)電敷鍍層進(jìn)行焊接。
2．如權(quán)利要求1所述的焊接方法，其特征在于上述焊料的成份為Sn-3.5Ag-0.75Cu。
3．一種焊接方法，包括以下步驟制備鎳/金無(wú)電敷鍍層，它由通過(guò)鎳-磷無(wú)電敷鍍而形成的鎳層以及形成于鎳層之上的金層組成；其特征在于利用一種焊料對(duì)該鎳/金無(wú)電敷鍍層進(jìn)行焊接以在鎳層與焊料之間的交界面上形成一層金屬互化物，其中，上述金屬互化物被做成菜花狀。
4．如權(quán)利要求3所述的焊接方法，其特征在于上述金屬互化物主要由錫和銅構(gòu)成，此外，它還含有鎳。
5．如權(quán)利要求1-4所述的焊接方法，其特征在于上述金層是通過(guò)置換電鍍而形成的。
6．一種位于焊料與形成在布線結(jié)構(gòu)上的導(dǎo)體端子之間的焊接頭，其特征在于包括通過(guò)在導(dǎo)體端子上進(jìn)行鎳-磷無(wú)電敷鍍而形成的鎳層；形成在鎳層之上的金屬互化物層，該金屬互化物層含有錫、銅和鎳；以及形成在金屬互化物層之上的焊料層，該焊料層含有錫、銀和銅。
7．如權(quán)利要求6所述的焊接頭，其特征在于上述金屬互化物主要由錫和銅構(gòu)成。
8．如權(quán)利要求6或7所述的焊接頭，其特征在于上述金屬互化物層具有形成在焊料層一側(cè)之中的菜花狀表面。
9．如權(quán)利要求6-8任一項(xiàng)所述的焊接頭，其特征在于上述導(dǎo)體端子主要由銅構(gòu)成。
10．一種位于焊料與形成在布線結(jié)構(gòu)上的導(dǎo)體端子之間的焊接頭，其特征在于包括通過(guò)在導(dǎo)體端子上進(jìn)行鎳-磷無(wú)電敷鍍而形成的鎳層；形成在鎳層之上的金屬互化物層；以及形成在金屬互化物層之上的焊料層，其中，上述金屬互化物層具有形成在焊料層一側(cè)中的菜花狀表面。
11．如權(quán)利要求10所述的焊接頭，其特征在于上述導(dǎo)體端子主要由銅構(gòu)成。
12．一種布線結(jié)構(gòu)，其上形成有多個(gè)導(dǎo)體端子，每個(gè)導(dǎo)體端子都被焊接以形成一個(gè)焊接頭，該布線結(jié)構(gòu)的特征在于上述焊接頭包括通過(guò)在導(dǎo)體端子上進(jìn)行鎳-磷無(wú)電敷鍍而形成的鎳層；形成在鎳層上的金屬互化物層，該金屬互化物層含有錫、銅和鎳；以及形成在金屬互化物層上的焊料層，該焊料層含有錫、銀和銅。
13．如權(quán)利要求12所述的布線結(jié)構(gòu)，其特征在于上述金屬互化物層具有形成在焊料層一側(cè)中的菜花狀表面。
14．一種布線結(jié)構(gòu)，其上形成有多個(gè)導(dǎo)體端子，每個(gè)導(dǎo)體端子都被焊接以形成一個(gè)焊接頭，該布線結(jié)構(gòu)的特征在于上述焊接頭包括通過(guò)在導(dǎo)體端子上進(jìn)行鎳-磷無(wú)電敷鍍而形成的鎳層；形成在鎳層上的金屬互化物層；以及形成在金屬互化物層之上的焊料層，其中，上述金屬互化物層具有形成在焊料層一側(cè)中的菜花狀表面。
15．一種器件，其特征在于包括布線基板，其上形成有多個(gè)基板端子；以及具有多個(gè)電路端子的功能電路，其中，上述基板端子被焊接在各電路端子之一的焊接頭上，其特征在于各焊接頭包括通過(guò)在導(dǎo)體端子上進(jìn)行鎳-磷無(wú)電敷鍍而形成的鎳層；形成在鎳層之上的金屬互化物層，該金屬互化物層含有錫、銅和鎳；以及形成在金屬互化物層之上的焊料層，該焊料層含有錫、銀和銅。
16．如權(quán)利要求15所述的器件，其特征在于上述金屬互化物層具有形成在焊料層一側(cè)中的菜花狀表面。
17．一種器件，其特征在于包括布線基板，其上形成有多個(gè)基板端子；以及具有多個(gè)電路端子的功能電路，其中，上述基板端子在焊接頭上被與各電路端子之一電連接，其特征在于上述各焊接頭包括通過(guò)在導(dǎo)體端子上進(jìn)行鎳-磷無(wú)電敷鍍而形成的鎳層；形成在鎳層上的金屬互化物層；以及形成在金屬互化物層之上的焊料層，其中，上述金屬互化物層具有形成在焊料層一側(cè)中的菜花狀表面。
18．一種器件，包括印刷電路板，其上形成有多個(gè)基板端子；以及具有多個(gè)封裝端子的半導(dǎo)體芯片封裝，其中，上述基板端子被焊接在各封裝端子相應(yīng)一個(gè)的焊接頭上，其特征在于上述各焊接頭包括通過(guò)在各相應(yīng)基板端子和相應(yīng)封裝端子上進(jìn)行鎳-磷無(wú)電敷鍍而形成的鎳層；形成在鎳層之上的金屬互化物層，該金屬互化物層含有錫、銅和鎳；以及形成在金屬互化物層之上的焊料層，該焊料層含有錫、銀和銅。
19．如權(quán)利要求18所述的器件，其特征在于上述金屬互化物層具有形成在焊料層一側(cè)之中的菜花狀表面。
20．一種器件，包括印刷電路板，其上形成有多個(gè)基板端子；以及具有多個(gè)封裝端子的半導(dǎo)體芯片封裝，其中，上述基板端子被焊接在各封裝端子相應(yīng)一個(gè)的焊接頭上，其特征在于上述各焊接頭包括通過(guò)在各相應(yīng)基板端子和相應(yīng)封裝端子上進(jìn)行鎳-磷無(wú)電敷鍍而形成的鎳層；形成在鎳層之上的金屬互化物層；以及形成在金屬互化物層之上的焊料層，其中，上述金屬互化物層具有形成在焊料層一側(cè)中的菜花狀表面。
21．一種用于形成布線結(jié)構(gòu)的方法，該布線結(jié)構(gòu)上形成有多個(gè)導(dǎo)體端子，該方法包括以下步驟在各導(dǎo)體端子上形成鎳/金無(wú)電敷鍍層，其中，上述鎳/金無(wú)電敷鍍層由通過(guò)鎳-磷無(wú)電敷鍍而形成的鎳層以及形成在被焊接的鎳層之上的金層構(gòu)成；其特征在于利用一種含有錫、銀和銅的焊料對(duì)鎳/金無(wú)電敷鍍層進(jìn)行焊接。
22．如權(quán)利要求21所述的方法，其特征在于上述焊料的成份為Sn-3.5Ag-0.75Cu。
23．一種用于形成布線結(jié)構(gòu)的方法，該布線結(jié)構(gòu)上形成有多個(gè)導(dǎo)體端子，該方法包括以下步驟在各導(dǎo)體端子上形成鎳/金無(wú)電敷鍍層，其中，上述鎳/金無(wú)電敷鍍層由通過(guò)鎳-磷無(wú)電敷鍍而形成的鎳層以及形成在被焊接的鎳層上的金層構(gòu)成；其特征在于利用一種焊料對(duì)該鎳/金無(wú)電敷鍍層進(jìn)行焊接，以在鎳層與焊料之間的交界面上形成一層金屬互化物，其中，上述金屬互化物的形狀類(lèi)似于菜花狀。
24．如權(quán)利要求23所述的方法，其特征在于上述金屬互化物主要由錫和銅構(gòu)成，此外它還含有鎳。
25．如權(quán)利要求23或24所述的方法，其特征在于上述金層是通過(guò)置換電鍍而形成的。
26．一種用于形成器件的方法，該器件包括布線基板，其上形成有多個(gè)基板端子；以及具有多個(gè)電路端子的功能電路，其中，上述基板端子被分別與各電路端子相連，上述方法包括以下步驟在各基板端子上形成一鎳/金無(wú)電敷鍍層，其中，上述鎳/金無(wú)電敷鍍層由通過(guò)鎳-磷無(wú)電敷鍍而形成的鎳層以及形成在被焊接的鎳層之上的金層構(gòu)成；其特征在于利用一種含有錫、銀和銅的焊料將基板端子上的鎳/金無(wú)電敷鍍層分別焊接在各電路端子上。
27．如權(quán)利要求26所述的方法，其特征在于上述焊料的成份為Sn-3.5Ag-0.75Cu。
28．一種用于形成器件的方法，該器件包括布線基板，其上形成有多個(gè)基板端子；以及具有多個(gè)電路端子的功能電路，其中，上述基板端子被分別與各電路端子相連，上述方法包括以下步驟在各基板端子上形成鎳/金無(wú)電敷鍍層，其中，上述鎳/金無(wú)電敷鍍層由通過(guò)鎳-磷無(wú)電敷鍍而形成的鎳層以及形成在被焊接的鎳層之上的金層構(gòu)成；其特征在于利用一種焊料將基板端子上的鎳/金無(wú)電敷鍍層分別焊接在各電路端子上，以在鎳層與焊料之間的交界面上形成一層金屬互化物，其中，上述金屬互化物的形狀類(lèi)似于菜花狀。
29．如權(quán)利要求28所述的方法，其特征在于上述金屬互化物主要由錫和銅構(gòu)成，此外它還含有鎳。
30．一種用于形成器件的方法，該器件包括印刷電路板，其上形成有多個(gè)基板端子；以及具有多個(gè)封裝端子的半導(dǎo)體芯片封裝，其中，上述基板端子分別與各封裝端子相連，上述方法包括以下步驟在各相應(yīng)基板端子和相應(yīng)封裝端子上形成一鎳/金無(wú)電敷鍍層，其中，上述鎳/金無(wú)電敷鍍層由通過(guò)鎳-磷無(wú)電敷鍍而形成的鎳層以及形成在鎳層之上的金層構(gòu)成；其特征在于利用一種含有錫、銀和銅的焊料將各相應(yīng)基板端子上的鎳/金無(wú)電敷鍍層與各相應(yīng)封裝端子焊接在一起。
31．如權(quán)利要求30所述的方法，其特征在于上述焊料的成份為Sn-3.5Ag-0.75Cu。
32．一種用于形成器件的方法，該器件包括印刷電路板，其上形成有多個(gè)基板端子；以及具有多個(gè)封裝端子的半導(dǎo)體芯片封裝，其中，上述基板端子分別與各封裝端子相連，上述方法包括以下步驟在各相應(yīng)基板端子和相應(yīng)封裝端子上形成鎳/金無(wú)電敷鍍層，其中，上述鎳/金無(wú)電敷鍍層由通過(guò)鎳-磷無(wú)電敷鍍而形成的鎳層以及形成在鎳層之上的金層構(gòu)成；其特征在于利用一種焊料將各相應(yīng)基板端子上的鎳/金無(wú)電敷鍍層與各相應(yīng)封裝端子焊接在一起，以在鎳層與焊料之間的交界面上形成一層金屬互化物，其中，上述金屬互化物的形狀類(lèi)似于菜花狀。
33．如權(quán)利要求32所述的方法，其特征在于上述金屬互化物主要由錫和銅構(gòu)成，此外它還含有鎳。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種可在焊料和鎳/金無(wú)電敷鍍表面之間實(shí)現(xiàn)高強(qiáng)度連接的焊接方法。對(duì)鎳/金無(wú)電敷鍍層的焊接采用了一種含有錫(Sn)、銀(Ag)和銅(Cu)的焊料。在焊接頭上形成了一個(gè)由鎳層/金屬互化物層/焊料層構(gòu)成的分層結(jié)構(gòu)。金屬互化物層主要由錫(Sn)和銅(Cu)構(gòu)成,此外它還含有鎳(Ni)。金屬互化物層具有形成在焊料層一側(cè)之中的菜花狀表面。
文檔編號(hào)H05K3/34GK1287035SQ0012431
公開(kāi)日2001年3月14日 申請(qǐng)日期2000年9月4日 優(yōu)先權(quán)日1999年9月3日
發(fā)明者川嶋和之, 田中靖則 申請(qǐng)人:日本電氣株式會(huì)社