專利名稱：提高焊錫性的方法及裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種提高焊錫性的裝置與方法，特別涉及一種提高無鉛組件焊錫性的裝置與方法。
背景技術(shù)：
隨著生活水平的提升，人們對(duì)于工業(yè)制造所帶來的負(fù)面影響投入了越來越多的關(guān)注，因而加速了許多國際環(huán)保法規(guī)的訂定與階段性施行進(jìn)程，以嚴(yán)格的法律條文來限制有害物質(zhì)的使用量，進(jìn)而保障工業(yè)制造的持續(xù)性發(fā)展；近年來，“綠色工業(yè)”即在此氛圍中蓬勃發(fā)展。
發(fā)展“綠色工業(yè)”的主要目標(biāo)即在于提供無鉛含量的“綠色產(chǎn)品”，換言之，即致力于實(shí)現(xiàn)電子工業(yè)制程中的無鉛無毒化需求。在日益高漲的綠色工業(yè)要求聲浪中，最受目前工業(yè)矚目的莫過于歐盟在2002年所提出的有毒物質(zhì)限用(Restriction of Hazardous Substances，RoHS)指令，其限定了自2006年7月1日起，輸入歐盟成員國市場的消費(fèi)性電子產(chǎn)品均須達(dá)全面無鉛化的要求。目前，還已經(jīng)有許多國際廠商為因應(yīng)此一禁令而開始要求在其生產(chǎn)在線全面性導(dǎo)入無鉛制程以及無鉛產(chǎn)品。
基于上述因素考慮，以無鉛組件取代傳統(tǒng)電子工業(yè)制程中的有鉛組件已成為目前業(yè)界的必要發(fā)展趨勢(shì)，也帶來了一系列的新穎挑戰(zhàn)。
在傳統(tǒng)電子工業(yè)制造中，都使用典型的錫鉛合金的焊錫材料來進(jìn)行芯片與基板間以及封裝結(jié)構(gòu)接合。然為因應(yīng)上述的無鉛組件的發(fā)展趨勢(shì)，目前產(chǎn)業(yè)界皆致力于尋求可降低焊錫材料中高鉛含量、又可同時(shí)維持組件接合可靠度與保存性的焊材技術(shù)，希望能開發(fā)出可替代的其它合金成分的焊錫材料。
除了焊錫材料的合金成分之外，焊材的焊錫性也為業(yè)界尋求改善的方向之一；在美國專利文獻(xiàn)US 5,086,966中揭露了一種用以改善錫鉛合金的焊錫材料潤濕性的方法與焊材成分，其在公知的錫鉛合金焊材表面沉積一鈀金屬層(palladium)，以提升回焊時(shí)焊材對(duì)于基板金屬的潤濕能力，即使在未使用焊劑時(shí)，提供該專利所揭露的方法，仍能產(chǎn)生足夠的接合強(qiáng)度。
然而，該方法是針對(duì)錫鉛合金焊材而設(shè)計(jì)，顯然仍無法符合國際間對(duì)于無鉛組件的發(fā)展目標(biāo)，因而仍存在需改進(jìn)之處。此外，由于無鉛制程的逐步導(dǎo)入，如何在現(xiàn)存的有鉛生產(chǎn)線與欲導(dǎo)入的無鉛生產(chǎn)線中保障含鉛料與無鉛料的可識(shí)別性，以避免發(fā)生混料情形，更是在此有鉛技術(shù)與無鉛技術(shù)交迭之際所急需的一項(xiàng)迫切需求。
由此而產(chǎn)生提出本發(fā)明的提高焊錫性的方法及裝置，通過本發(fā)明，可在與目前制程兼容的前提下，加速組件鍍層與焊錫間的潤濕反應(yīng)，進(jìn)而提高其焊錫性，并可提升無鉛組件的長效保存性；此外，本發(fā)明也實(shí)現(xiàn)了無鉛組件的可識(shí)別性，進(jìn)而可在導(dǎo)入無鉛制程時(shí)，避免混料情形的發(fā)生，極具應(yīng)用潛力與產(chǎn)業(yè)推廣價(jià)值。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一個(gè)方案在于提供一種提高焊錫性的無鉛焊料，其包含至少一第一金屬材料與一第二金屬材料，其中該第二金屬材料的氧化電位較該第一金屬材料為高。
根據(jù)上述方案，其中該第一金屬材料包含錫。
根據(jù)上述方案，其中該第二金屬材料選自由鎳、金、鈀、鉑與銀等所構(gòu)成的族群其中之一。
本發(fā)明的第二方案在于提供一種具外觀識(shí)別性的焊接裝置，其包含至少一第一金屬材料層與一第二金屬材料層，其中該第二金屬材料形成于該第一金屬材料的表面上，且其顏色與該第一金屬材料不同。
根據(jù)上述方案，其中該焊接裝置選自一錫球、一凸塊、一引腳與一端電極其中之一。
根據(jù)上述方案，其中該焊接裝置之鉛含量小于1000ppm。
根據(jù)上述方案，其中該第一金屬材料層包含錫。
根據(jù)上述方案，其中該第二金屬材料層由一惰性金屬材料組成。
根據(jù)上述方案，其中該惰性金屬材料包含金。
本發(fā)明的第三方案在于提供一種具高焊錫性的可識(shí)別焊接裝置，其用以連接一芯片至一基板上，該焊接裝置具有至少一第一金屬層與一第二金屬層，其中該第二金屬層位于該第一金屬層上，且其顏色與該第一金屬層不同。
根據(jù)上述方案，其中該第二金屬層的氧化電位較該第一金屬層高。
本發(fā)明的第四方案在于提供一種具高焊錫性的可識(shí)別焊接裝置，其用以連接一封裝結(jié)構(gòu)至一電路板上，該焊接裝置具有至少一第一金屬層與一第二金屬層，其中該第二金屬層位于該第一金屬層上，且其顏色與該第一金屬層不同。
根據(jù)上述方案，其中該第二金屬層的氧化電位較該第一金屬層高。
本發(fā)明的第五方案在于提供一種提高組件焊錫性的方法，其包含下列步驟(a)在該芯片上形成一無鉛凸塊；(b)在該無鉛凸塊上形成一金屬層，其中該金屬層的氧化電位高于錫的氧化電位；以及(c)將該芯片連接于一基板上。
根據(jù)上述方案，其在步驟(b)中，利用浸鍍、電鍍、無電鍍、蒸鍍、濺鍍與化學(xué)氣相沉積方式等其中之一而在該無鉛凸塊上形成該金屬層。
根據(jù)上述方案，其中該金屬層選自由鎳、金、鈀、鉑與銀等所構(gòu)成的族群其中之一。
本發(fā)明的第六方案在于提供一種提高組件焊錫性的方法，其包含下列步驟(a)在一無鉛連接裝置上形成一金屬層，其中該金屬層的氧化電位高于錫的氧化電位；以及(b)通過至少一無鉛連接裝置將一封裝結(jié)構(gòu)連接于一電路板上。
根據(jù)上述方案，其在步驟(a)中，利用浸鍍、電鍍、無電鍍、蒸鍍、濺鍍與化學(xué)氣相沉積方式等其中之一而在該無鉛連接裝置上形成該金屬層。
根據(jù)上述方案，其中該金屬層選自由鎳、金、鈀、鉑與銀等所構(gòu)成的族群其中之一。
根據(jù)上述方案，其中該無鉛連接裝置為一凸塊、一錫球、一引腳與一端電極其中之一。
通過下列附圖及詳細(xì)說明，可更深入了解本發(fā)明。


圖1為根據(jù)本發(fā)明的提高焊錫性的方法流程圖，用以說明本發(fā)明方法本發(fā)明方法應(yīng)用于芯片與基板間接合的主要步驟；
圖2(a)與圖2(b)為根據(jù)本發(fā)明的一第一優(yōu)選實(shí)施例，用以說明本發(fā)明的進(jìn)一步應(yīng)用；圖3(a)與圖3(b)為根據(jù)本發(fā)明的一第二優(yōu)選實(shí)施例，用以說明本發(fā)明的進(jìn)一步應(yīng)用；圖4為根據(jù)本發(fā)明的一第三優(yōu)選實(shí)施例，用以說明本發(fā)明的進(jìn)一步應(yīng)用；圖5為根據(jù)本發(fā)明的提高焊錫性的方法流程圖，用以說明本發(fā)明方法應(yīng)用于封裝結(jié)構(gòu)與電路板間接合的主要步驟；圖6為根據(jù)本發(fā)明的一第四優(yōu)選實(shí)施例，用以說明本發(fā)明的進(jìn)一步應(yīng)用；圖7為根據(jù)本發(fā)明的一第五優(yōu)選實(shí)施例，用以說明本發(fā)明的進(jìn)一步應(yīng)用；圖8(a)與圖8(b)分別為傳統(tǒng)無鉛組件與本發(fā)明所提供的無鉛組件的焊錫性試驗(yàn)結(jié)果；以及圖9(a)與圖9(b)分別為傳統(tǒng)無鉛組件與本發(fā)明所提供的無鉛組件的外觀。
其中，附圖標(biāo)記說明如下11、12、13 步驟2、3、4 芯片封裝結(jié)構(gòu) 20、30、40 無鉛焊錫凸塊21、31、41 芯片 22、32、42 基板23、33、43 包封劑44 預(yù)焊層51、52、53 步驟6無鉛封裝組件 60 無鉛焊錫凸塊61 芯片 62 基板63 包封劑65 端子66 電路板70 芯片封裝結(jié)構(gòu)75 引腳 76 電路板具體實(shí)施方式
本發(fā)明提供了一種新穎的提高焊錫性的方法與裝置，其特別針對(duì)提升無鉛組件中焊材的焊錫性與潤濕性以及進(jìn)而賦予無鉛組件可識(shí)別性而發(fā)展。
在本發(fā)明的一優(yōu)選實(shí)施例中，利用浸鍍方式在無鉛焊材上沉積一高氧化電位(高于錫的氧化電位)的金屬層，由于該金屬層的氧化電位高于錫，因而無鉛焊材的表面即可經(jīng)由一自發(fā)性的取代反應(yīng)而被該金屬層置換，形成一表面保護(hù)層，由此提高無鉛組件的抗氧化性，進(jìn)而提升其保存性。
參照?qǐng)D1，其為根據(jù)本發(fā)明的提高焊錫性的方法流程圖，用以說明本發(fā)明方法本發(fā)明方法應(yīng)用于芯片與基板間接合的主要步驟；在此例中，將本發(fā)明方法應(yīng)用于芯片與基板間的接合。首先，在一芯片上形成至少一無鉛凸塊，如步驟11所示；接著，在活化該無鉛凸塊表面后，即利用浸鍍方式在其表面鍍制一金薄層，如步驟12所示；最后，將該芯片連接于一基板上，如步驟13所示，即形成本發(fā)明高焊錫性與高抗氧化性的無鉛焊錫組件。
在此例中，利用浸鍍方式在無鉛凸塊表面上鍍制一金薄層為本發(fā)明方法的一較優(yōu)選擇，然本發(fā)明的范疇則不限于此；除浸鍍方式外，其它的沉積方式如電鍍、無電鍍、蒸鍍、濺鍍或化學(xué)氣相沉積等業(yè)界常用的膜層沉積方式，皆與本發(fā)明的提高焊錫性的方法兼容，而所鍍制的金屬也可為鎳、銀、鉑或鈀等，然以具有與無鉛凸塊顏色不同者為較優(yōu)選擇，其可進(jìn)一步賦予該無鉛組件焊錫可識(shí)別性。
參照?qǐng)D2(a)與圖2(b)，其為根據(jù)本發(fā)明的一第一優(yōu)選實(shí)施例，用以說明本發(fā)明的進(jìn)一步應(yīng)用；其中，本發(fā)明的提高焊錫性的裝置進(jìn)一步配合底部填充方式(Underfill)而進(jìn)行芯片封裝；利用浸鍍完成后的鍍金無鉛焊錫凸塊20而將一芯片21接合至基板22上，并以滴入方式提供一包封劑23而予以包封，形成一無鉛芯片封裝結(jié)構(gòu)2。
參照?qǐng)D3(a)與圖3(b)，其為根據(jù)本發(fā)明的第二優(yōu)選實(shí)施例，用以說明本發(fā)明的進(jìn)一步應(yīng)用，其中，本發(fā)明的提高焊錫性的裝置進(jìn)一步配合無流動(dòng)的底部填充方式(No-Flow Underfill)而進(jìn)行芯片封裝；在本例中，利用浸鍍完成后的鍍金無鉛焊錫凸塊30而將一芯片31接合至覆有包封劑33的基板32上，即予以包封，形成一無鉛芯片封裝結(jié)構(gòu)3。
在本發(fā)明中，也可配合使用預(yù)焊劑以進(jìn)一步提升無鉛組件的接合可靠度；參照?qǐng)D4，其為根據(jù)本發(fā)明的第三優(yōu)選實(shí)施例，用以說明本發(fā)明的提高焊錫性的裝置的進(jìn)一步應(yīng)用。在本例中，同樣利用無流動(dòng)的底部填充方式(No-Flow Underfill)進(jìn)行芯片封裝，利用浸鍍完成后的鍍金無鉛焊錫凸塊40而將一芯片41接合至覆有包封劑43的基板42上予以包封，此外，在基板42的欲接合點(diǎn)上已預(yù)先形成一預(yù)焊層44，以助于提升無鉛芯片封裝結(jié)構(gòu)4的接合度。除所述預(yù)焊層44的施行外，本發(fā)明也可配合浸錫(Immersion Sn)、浸銀(Immersion Ag)、無鍍鎳浸金(ENIG)等制程的施行、或覆以一有機(jī)保護(hù)層(OSP)，以進(jìn)一步提升該無鉛芯片封裝結(jié)構(gòu)的長效保存性。
同樣，本發(fā)明方法也可應(yīng)用于封裝結(jié)構(gòu)與電路板間的接合；參照?qǐng)D5，其為根據(jù)本發(fā)明的提高焊錫性的方法流程圖，用以說明本發(fā)明方法應(yīng)用于封裝結(jié)構(gòu)與電路板間接合的主要步驟。首先，利用無鉛焊料形成一封裝結(jié)構(gòu)所需的無鉛連接裝置，如步驟51所示；在活化該無鉛連接裝置的表面鍍層后，即于該無鉛連接裝置上形成一金薄層，如步驟52所示；最后即進(jìn)行組裝，以將該封裝結(jié)構(gòu)連接于一電路板上，如步驟53所示，而形成本發(fā)明的高焊錫性與高抗氧化性的無鉛焊錫裝置。
在此實(shí)施例中，該無鉛連接裝置可為一凸塊、一錫球、一引腳或是一端電極，而其它的沉積方式如電鍍、無電鍍、蒸鍍、濺鍍或化學(xué)氣相沉積等業(yè)界常用的膜層沉積方式也適用于本實(shí)施例中；且除金之外，所鍍制的金屬也可為鎳、鈀、鉑與銀等金屬。
參照?qǐng)D6，其為根據(jù)本發(fā)明的第四優(yōu)選實(shí)施例，用以說明本發(fā)明的進(jìn)一步應(yīng)用。在利用浸鍍完成后的鍍金無鉛焊錫凸塊60將芯片61接合至覆有包封劑63的基板62上予以包封，而形成一無鉛芯片封裝結(jié)構(gòu)后，以覆晶(Flip-Chip)方式對(duì)該無鉛芯片封裝結(jié)構(gòu)進(jìn)行組件封裝，而形成一無鉛封裝組件6；此時(shí)，再次利用本發(fā)明以進(jìn)一步在該無鉛封裝組件6上形成其它表面鍍金的無鉛端子65，由此連接于電路板66上以利后續(xù)使用。
參照?qǐng)D7，其為根據(jù)本發(fā)明的第五優(yōu)選實(shí)施例，用以說明本發(fā)明的進(jìn)一步應(yīng)用。在此實(shí)施例中，同樣利用本發(fā)明而在連接芯片封裝結(jié)構(gòu)70與電路板76的引腳75上鍍制一金薄層，以提升無鉛引腳75的抗氧化性與識(shí)別性。
參照?qǐng)D8(a)與圖8(b)，其分別為傳統(tǒng)的無鉛組件與本發(fā)明所提供的無鉛組件的焊錫性試驗(yàn)結(jié)果比較；由圖可知，本發(fā)明的無鉛組件(圖8(b))的潤濕能力遠(yuǎn)較傳統(tǒng)的無鉛組件(圖8(a))為佳，其在試驗(yàn)基板范圍上完全發(fā)生潤濕反應(yīng)。
在上述優(yōu)選實(shí)施例中，是通過浸鍍方式，利用目前商用的印刷電路板化金藥水而在無鉛組件表面鍍制一金薄層，其優(yōu)選浸鍍條件為溫度90℃以下、浸鍍時(shí)間約為10分鐘；在此浸鍍條件下，所鍍制的金薄層厚度約為0.25μm。由于金的氧化電位高于無鉛組件中的主要金屬成分-錫的氧化電位，因此在浸鍍時(shí)，無鉛組件表面將產(chǎn)生一自發(fā)性取代反應(yīng)而被金置換，形成一金薄層；且由于表面的金薄層的高氧化電位，即可提升該無鉛組件的抗氧化性，提供長效性的保護(hù)作用；經(jīng)由種種試驗(yàn)與觀察也可得知，本發(fā)明所提供的無鉛組件具有相當(dāng)優(yōu)越的潤濕能力，其焊錫性也獲進(jìn)一步的提升。
此外，參照?qǐng)D9(a)與圖9(b)，其分別為傳統(tǒng)的無鉛組件與本發(fā)明所提供的無鉛組件的外觀比較；由于金的顏色與傳統(tǒng)的有鉛組件不同，因此本發(fā)明所提供的無鉛組件除上述優(yōu)越特性外，其外觀具有可識(shí)別性，可避免在導(dǎo)入無鉛制程時(shí)發(fā)生有鉛組件與無鉛組件混料的情形，極具應(yīng)用潛力與產(chǎn)業(yè)推廣價(jià)值。
綜合上述說明可知，本發(fā)明實(shí)為一新穎、進(jìn)步且具產(chǎn)業(yè)實(shí)用性的發(fā)明，極具發(fā)展價(jià)值。本發(fā)明由本領(lǐng)域金屬人員而做各種修飾，均不脫離如附權(quán)利要求所欲保護(hù)的范圍。
權(quán)利要求
1.一種提高焊錫性的無鉛焊料，其包含至少一第一金屬材料與一第二金屬材料，其中該第二金屬材料的氧化電位較該第一金屬材料為高。
2.如權(quán)利要求1所述的無鉛焊料，其中該第一金屬材料包含錫；及/或該第二金屬材料選自由鎳、金、鈀、鉑與銀等所構(gòu)成的族群其中之一。
3.一種具外觀識(shí)別性的焊接裝置，其包含至少一第一金屬材料層與一第二金屬材料層，其中該第二金屬材料形成于該第一金屬材料的表面上，且其顏色與該第一金屬材料不同。
4.如權(quán)利要求3所述的焊接裝置，其中該焊接裝置選自一錫球、一凸塊、一引腳與一端電極其中之一；及/或該焊接裝置的鉛含量小于1000ppm。
5.如權(quán)利要求3所述的焊接裝置，其中該第二金屬材料層由一惰性金屬材料組成；及/或該惰性金屬材料包含金。
6.一種具高焊錫性的可識(shí)別焊接裝置，其用以連接一芯片至一基板上，該焊接裝置具有至少一第一金屬層與一第二金屬層，其中該第二金屬層位于該第一金屬層上，且其顏色與該第一金屬層不同。
7.如權(quán)利要求6所述的可識(shí)別焊接裝置，其中該第二金屬層的氧化電位較該第一金屬層高。
8.一種具高焊錫性的可識(shí)別焊接裝置，其用以連接一封裝結(jié)構(gòu)至一電路板上，該焊接裝置具有至少一第一金屬層與一第二金屬層，其中該第二金屬層位于該第一金屬層上，且其顏色與該第一金屬層不同。
9.如權(quán)利要求8所述的可識(shí)別焊接裝置，其中該第二金屬層的氧化電位較該第一金屬層高。
10.一種提高組件焊錫性的方法，其包含下列步驟(a)在一芯片上形成一無鉛凸塊；(b)在該無鉛凸塊上形成一金屬層，其中該金屬層的氧化電位高于錫的氧化電位；以及(c)將該芯片接著于一基板上。
11.如權(quán)利要求10所述的方法，其在步驟(b)中，利用浸鍍、電鍍、無電鍍、蒸鍍、濺鍍與化學(xué)氣相沉積方式等其中之一而在該無鉛凸塊上形成該金屬層。
12.一種提高組件焊錫性的方法，其包含下列步驟(a)在一無鉛連接裝置上形成一金屬層，其中該金屬層的氧化電位高于錫的氧化電位；以及(b)通過該無鉛連接裝置而將一封裝結(jié)構(gòu)接著于一電路板上。
13.如權(quán)利要求12所述的焊接方法，其中步驟(a)是利用浸鍍、電鍍、無電鍍、蒸鍍、濺鍍與化學(xué)氣相沉積方式等其中之一而在該無鉛連接裝置上形成該金屬層；該無鉛連接裝置為一凸塊、一引腳與一端電極其中之一。
全文摘要
本發(fā)明提供一種提高焊錫性的方法與裝置，其中提供的一種提高焊錫性的無鉛焊料包含至少一第一金屬材料與一第二金屬材料，其中該第二金屬材料的氧化電位較該第一金屬材料為高。本發(fā)明還提供了一種具外觀識(shí)別性的焊接裝置，其包含至少一第一金屬材料層與一第二金屬材料層，其中該第二金屬材料形成于該第一金屬材料的表面上，且其顏色與該第一金屬材料不同。依據(jù)本發(fā)明，以在與目前制程兼容的前提下，加速組件鍍層與焊錫間的潤濕反應(yīng)，進(jìn)而提高其焊錫性，并可提升無鉛組件的長效保存性；此外，本發(fā)明也實(shí)現(xiàn)了無鉛組件的可識(shí)別性，進(jìn)而可在導(dǎo)入無鉛制程時(shí)，避免混料情形的發(fā)生。
文檔編號(hào)H05K3/34GK1935442SQ20051010412
公開日2007年3月28日 申請(qǐng)日期2005年9月19日 優(yōu)先權(quán)日2005年9月19日
發(fā)明者張道智, 張喬云, 游善溥 申請(qǐng)人:財(cái)團(tuán)法人工業(yè)技術(shù)研究院