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CN111705239A - 一种集成电路封装用bga锡球的材料配方及熔炼工艺 - Google Patents

一种集成电路封装用bga锡球的材料配方及熔炼工艺 Download PDF

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CN111705239A CN202010597054.6A CN202010597054A CN111705239A CN 111705239 A CN111705239 A CN 111705239A CN 202010597054 A CN202010597054 A CN 202010597054A CN 111705239 A CN111705239 A CN 111705239A
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王广欣
马庆
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Abstract

本发明公开了一种集成电路封装用BGA锡球的材料配方及熔炼工艺，包括材料配方中合金成分配比为：96～96.5％锡，3％Ag，0.5％Cu，0.1％～0.5Re。材料配方中添加的保护剂为KCl、LiCl混合保护剂；熔炼工艺具体步骤为：Step.1：一种集成电路封装用BGA锡球的熔炼工艺中合金成分配置；Step.2：一种集成电路封装用BGA锡球的熔炼工艺中称重及熔炼；Step.3：一种集成电路封装用BGA锡球的熔炼工艺添加保护剂；Step.4：熔炼工艺中融化合金及加入稀土；所述Step.4操作：为打开箱式电阻炉并设定温度260度，温度达到后260度后，将坩埚放入箱式电阻炉保温至坩埚内金属完全融化，将称量后的稀土快速加入熔融合金中并用搅拌均匀。Step.5：合金冷却及后处理。

Description

一种集成电路封装用BGA锡球的材料配方及熔炼工艺
技术领域
本发明属于集成电路封装材料制备技术领域，涉及一种集成电路封装用BGA锡球的材料配方及熔炼工艺。
背景技术
随着笔记本电脑、手机、移动通信设备等微电子产品的迅速发展，芯片需求量日益增加。传统的四方扁平及双列直插式芯片封装技术无法满足技术发展要求。BGA封装以其I/O引脚数多、引脚间距大、寄生参数小等优点，成为CPU、南北桥等VLSI芯片的高密度、高性能、多功能封装的最佳选择。然目前国内90％以上的BGA球均以来进口。现有的BGA锡球材料中，常见的有SAC305与SAC105，该材料铺展性及抗蠕变性较差，封装后锡球经常出现未焊合、焊点偏移、接头力学性能差现象，导致焊点脱落失效。现有研究表明，稀土可以降低液态钎料的表面张力，提高液态钎料的润湿性，同时，随着RE的加入起到弥散强化作用，使粗大的富Sn相得到细化，提高封装界面的剪切强度。所以用于BGA焊球的新型SnAgCuRe材料及熔炼工艺的开发非常必要。
发明内容
鉴于现有技术中所存在的问题，本发明公开了一种集成电路封装用BGA锡球的材料配方，采用的技术方案是，包括材料配方中合金成分配比为：96～96.5％锡，3％Ag，0.5％Cu，0.1％～0.5Re。材料配方中添加的保护剂为KCl、LiCl混合保护剂。
作为本发明的一种优选方案，所述一种集成电路封装用BGA锡球的材料配方中所用的每种材料纯度均为99.9％以上的分析纯。
作为本发明的一种优选方案，所述一种集成电路封装用BGA锡球的材料配方中添加的KCl、LiCl混合保护剂中KCl：LiCl比例为3:1。
一种集成电路封装用BGA锡球的熔炼工艺，具体步骤为：
Step.1：一种集成电路封装用BGA锡球的熔炼工艺中合金成分配置。
Step.2：一种集成电路封装用BGA锡球的熔炼工艺中称重及熔炼；所述Step.2中使用精确度为万分之一克的电子天平，按比例分别称量分析纯锡，分析纯银，分析纯铜，将称量后的材料用非自耗真空电弧炉熔炼成钮扣状态。
Step.3：一种集成电路封装用BGA锡球的熔炼工艺添加保护剂。
Step.4：一种集成电路封装用BGA锡球的熔炼工艺中融化合金及加入稀土；所述Step.4操作：为打开箱式电阻炉并设定温度260度，温度达到后260度后，将坩埚放入箱式电阻炉保温至坩埚内金属完全融化，将称量后的稀土快速加入熔融合金中并用搅拌均匀。
Step.5：一种集成电路封装用BGA锡球的熔炼工艺中合金冷却及后处理；所述Step.5中将搅拌均匀后的液态合金随炉冷却，冷却后的金属锭敲掉保护剂，机械打磨表面至金属色并用超声波清洗，将清洗后的合金放置于干燥的环境中。
作为本发明的一种优选技术方案，所述Step.2中三种成分须为块状或大颗粒状，以及所有的添加材料都不能是粉末状，主要因为粉末会在非自耗真空电弧熔炼过程中被电弧吹跑。
作为本发明的一种优选技术方案，所述Step.4中将纽扣状合金采用箱式电阻炉重熔；所述Step.4中的搅拌棒为玻璃棒；所述Step.4中稀土的加入方法为用纸包裹稀土并粘在玻璃棒下端，用玻璃棒迅速压入熔融金属底部并搅拌；所述Step.4中各步骤保证了各成分在合金中分布的均匀性。
作为本发明的一种优选技术方案，所述Step.5中的超声波清洗液为酒精，清洗时间为20-30min。
作为本发明的一种优选技术方案，所述Step.2中非自耗真空电弧炉熔炼时间短，各成分烧损量明显减少，对熔炼后的合金成分更有保障。
本发明的有益效果：本发明通过改变熔炼工艺提升材料的延展性、抗拉强度和抗剪切强度。本发明熔炼工艺与现有SAC305和SAC105材料及熔炼工艺相比，SnAgCuRe合金具有更好的润湿性和铺展性，剪切强度高。非自耗真空电弧熔炼能减少材料烧损，降低杂质引入，材料纯度更高。同时，稀土添加采用压入式箱式电阻炉熔炼，减少稀土烧损量，材料纯度和均匀度更高。用该种材料成球后，材料组织分布更细密，表面质量高，回流焊后焊点界面处金属间化合物厚度更均匀，焊点可靠性好。
附图说明
图1为本发明的材料配方及熔炼工艺步骤图；
图2为实例中合金铺展面积图表；
图3为实例中合金剪切强度图表；
图4为实例中合金抗拉强度图表；
具体实施方式
实施例1
如图1所示，本发明公开了一种集成电路封装用BGA锡球的材料配方，采用的技术方案是，包括材料配方中合金成分配比为：96.4％锡，3％Ag，0.5％Cu，0.1％Re。
材料配方中添加的保护剂为KCl、LiCl混合保护剂。
所述一种集成电路封装用BGA锡球的材料配方中所用的每种材料纯度均为99.9％以上的分析纯。
所述一种集成电路封装用BGA锡球的材料配方中添加的KCl、LiCl混合保护剂中KCl：LiCl比例为3:1。
一种集成电路封装用BGA锡球的熔炼工艺，具体步骤为：
Step.1：一种集成电路封装用BGA锡球的熔炼工艺中合金成分配置。
Step.2：一种集成电路封装用BGA锡球的熔炼工艺中称重及熔炼；所述Step.2中使用精确度为万分之一克的电子天平，按比例分别称量分析纯锡，分析纯银，分析纯铜，将称量后的材料用非自耗真空电弧炉熔炼成钮扣状态。
Step.3：一种集成电路封装用BGA锡球的熔炼工艺添加保护剂。
Step.4：一种集成电路封装用BGA锡球的熔炼工艺中融化合金及加入稀土；所述Step.4操作：为打开箱式电阻炉并设定温度260度，温度达到后260度后，将坩埚放入箱式电阻炉保温至坩埚内金属完全融化，将称量后的稀土快速加入熔融合金中并用搅拌均匀。
Step.5：一种集成电路封装用BGA锡球的熔炼工艺中合金冷却及后处理；所述Step.5中将搅拌均匀后的液态合金随炉冷却，冷却后的金属锭敲掉保护剂，机械打磨表面至金属色并用超声波清洗，将清洗后的合金放置于干燥的环境中。
Step.2中三种成分须为块状或大颗粒状，以及所有的添加材料都不能是粉末状，主要因为粉末会在非自耗真空电弧熔炼过程中被电弧吹跑。
Step.4中将纽扣状合金采用箱式电阻炉重熔；所述Step.4中的搅拌棒为玻璃棒；所述Step.4中稀土的加入方法为用纸包裹稀土并粘在玻璃棒下端，用玻璃棒迅速压入熔融金属底部并搅拌；所述Step.4中各步骤保证了各成分在合金中分布的均匀性。
Step.5中的超声波清洗液为酒精，清洗时间为25min。
Step.2中非自耗真空电弧炉熔炼时间短，各成分烧损量明显减少，对熔炼后的合金成分更有保障。
实施例2
如图1所示，本发明公开了一种集成电路封装用BGA锡球的材料配方，采用的技术方案是，包括材料配方中合金成分配比为：96.3％锡，3％Ag，0.5％Cu，0.2％Re。
材料配方中添加的保护剂为KCl、LiCl混合保护剂。
所述一种集成电路封装用BGA锡球的材料配方中所用的每种材料纯度均为99.9％以上的分析纯。
所述一种集成电路封装用BGA锡球的材料配方中添加的KCl、LiCl混合保护剂中KCl：LiCl比例为3:1。
一种集成电路封装用BGA锡球的熔炼工艺，具体步骤为：
Step.1：一种集成电路封装用BGA锡球的熔炼工艺中合金成分配置。
Step.2：一种集成电路封装用BGA锡球的熔炼工艺中称重及熔炼；所述Step.2中使用精确度为万分之一克的电子天平，按比例分别称量分析纯锡，分析纯银，分析纯铜，将称量后的材料用非自耗真空电弧炉熔炼成钮扣状态。
Step.3：一种集成电路封装用BGA锡球的熔炼工艺添加保护剂。
Step.4：一种集成电路封装用BGA锡球的熔炼工艺中融化合金及加入稀土；所述Step.4操作：为打开箱式电阻炉并设定温度260度，温度达到后260度后，将坩埚放入箱式电阻炉保温至坩埚内金属完全融化，将称量后的稀土快速加入熔融合金中并用搅拌均匀。
Step.5：一种集成电路封装用BGA锡球的熔炼工艺中合金冷却及后处理；所述Step.5中将搅拌均匀后的液态合金随炉冷却，冷却后的金属锭敲掉保护剂，机械打磨表面至金属色并用超声波清洗，将清洗后的合金放置于干燥的环境中。
Step.2中三种成分须为块状或大颗粒状，以及所有的添加材料都不能是粉末状，主要因为粉末会在非自耗真空电弧熔炼过程中被电弧吹跑。
Step.4中将纽扣状合金采用箱式电阻炉重熔；所述Step.4中的搅拌棒为玻璃棒；所述Step.4中稀土的加入方法为用纸包裹稀土并粘在玻璃棒下端，用玻璃棒迅速压入熔融金属底部并搅拌；所述Step.4中各步骤保证了各成分在合金中分布的均匀性。
Step.5中的超声波清洗液为酒精，清洗时间为25min。
Step.2中非自耗真空电弧炉熔炼时间短，各成分烧损量明显减少，对熔炼后的合金成分更有保障。
实施例3
如图1所示，本发明公开了一种集成电路封装用BGA锡球的材料配方，采用的技术方案是，包括材料配方中合金成分配比为：96.2％锡，3％Ag，0.5％Cu，0.3％Re。
材料配方中添加的保护剂为KCl、LiCl混合保护剂。
所述一种集成电路封装用BGA锡球的材料配方中所用的每种材料纯度均为99.9％以上的分析纯。
所述一种集成电路封装用BGA锡球的材料配方中添加的KCl、LiCl混合保护剂中KCl：LiCl比例为3:1。
一种集成电路封装用BGA锡球的熔炼工艺，具体步骤为：
Step.1：一种集成电路封装用BGA锡球的熔炼工艺中合金成分配置。
Step.2：一种集成电路封装用BGA锡球的熔炼工艺中称重及熔炼；所述Step.2中使用精确度为万分之一克的电子天平，按比例分别称量分析纯锡，分析纯银，分析纯铜，将称量后的材料用非自耗真空电弧炉熔炼成钮扣状态。
Step.3：一种集成电路封装用BGA锡球的熔炼工艺添加保护剂。
Step.4：一种集成电路封装用BGA锡球的熔炼工艺中融化合金及加入稀土；所述Step.4操作：为打开箱式电阻炉并设定温度260度，温度达到后260度后，将坩埚放入箱式电阻炉保温至坩埚内金属完全融化，将称量后的稀土快速加入熔融合金中并用搅拌均匀。
Step.5：一种集成电路封装用BGA锡球的熔炼工艺中合金冷却及后处理；所述Step.5中将搅拌均匀后的液态合金随炉冷却，冷却后的金属锭敲掉保护剂，机械打磨表面至金属色并用超声波清洗，将清洗后的合金放置于干燥的环境中。
Step.2中三种成分须为块状或大颗粒状，以及所有的添加材料都不能是粉末状，主要因为粉末会在非自耗真空电弧熔炼过程中被电弧吹跑。
Step.4中将纽扣状合金采用箱式电阻炉重熔；所述Step.4中的搅拌棒为玻璃棒；所述Step.4中稀土的加入方法为用纸包裹稀土并粘在玻璃棒下端，用玻璃棒迅速压入熔融金属底部并搅拌；所述Step.4中各步骤保证了各成分在合金中分布的均匀性。
Step.5中的超声波清洗液为酒精，清洗时间为25min。
Step.2中非自耗真空电弧炉熔炼时间短，各成分烧损量明显减少，对熔炼后的合金成分更有保障。
为了进一步说明本发明，附上实施例1，实施例2和实施例3这三种材料成分及同一熔炼工艺下BGA锡球合金铺展面积、剪切强度和抗拉强度的图表，分别为图2、图3和图4。实例中基体均为Sn3Ag0.5Cu，并通过上述熔炼工艺进行熔炼。取0.2g合金，放入20×20×0.2mm紫铜板上进行铺展试验。采用本发明中开发的熔炼工艺，材料纯度较高，成分均匀。实施例1为添加0.1％含量的Re，熔炼及铺展试验同基体，铺展面积、抗拉强度、剪切强度如表1所示，铺展面积为51.77mm2，剪切强度达到32.8MPa，抗拉强度达到49.13MPa。实施例2添加0.2％含量的Re，熔炼及铺展试验同实施例1，铺展面积、抗拉强度、剪切强度如表1所示，铺展面积为51.81mm2，剪切强度达到34.1MPa，抗拉强度达到51.2MPa。实施例3添加0.3％含量的Re，熔炼及铺展试验同实施例1，铺展面积、抗拉强度、剪切强度如表1所示。铺展面积为46.9mm2，剪切强度为31.9MPa，抗拉强度为46.7MPa。通过三个实施例例的参数对比表明，添加稀土可有效提高合金力学性能和润湿性能，改善界面化合物的厚度和形貌。相比现有材料，该合金配方及熔炼工艺能显著提高BGA焊球材质的可靠性。
项目编号 实施例1 实施例2 实施例3
成分 Sn3Ag0.5Cu0.1Re Sn3Ag0.5Cu0.2Re Sn3Ag0.5Cu0.3Re
铺展面积 51.77mm<sup>2</sup> 51.81mm<sup>2</sup> 46.9mm<sup>2</sup>
剪切强度 32.8MPa 34.1MPa 31.9Mpa
抗拉强度 49.13MPa 51.2MPa 46.7MPa
表1.不同Re含量的合金性能参数对照
本文中未详细说明的部件为现有技术。
上述虽然对本发明的具体实施例作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施例，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化，而不具备创造性劳动的修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (8)

1.一种集成电路封装用BGA锡球的材料配方，其特征在于，包括
材料配方中合金成分配比为：96～96.5％锡，3％Ag，0.5％Cu，0.1％～0.5Re。
材料配方中添加的保护剂为KCl、LiCl混合保护剂。
2.根据权利要求1所述的一种集成电路封装用BGA锡球的材料配方，其特征在于：所述一种集成电路封装用BGA锡球的材料配方中所用的每种材料纯度均为99.9％以上的分析纯。
3.根据权利要求1所述的一种集成电路封装用BGA锡球的材料配方，其特征在于：所述一种集成电路封装用BGA锡球的材料配方中添加的KCl、LiCl混合保护剂中KCl：LiCl比例为3:1。
4.一种集成电路封装用BGA锡球的熔炼工艺，具体步骤为：
Step.1：一种集成电路封装用BGA锡球的熔炼工艺中合金成分配置。
Step.2：一种集成电路封装用BGA锡球的熔炼工艺中称重及熔炼；所述Step.2中使用精确度为万分之一克的电子天平，按比例分别称量分析纯锡，分析纯银，分析纯铜，将称量后的材料用非自耗真空电弧炉熔炼成钮扣状态。
Step.3：一种集成电路封装用BGA锡球的熔炼工艺添加保护剂。
Step.4：一种集成电路封装用BGA锡球的熔炼工艺中融化合金及加入稀土；所述Step.4操作：为打开箱式电阻炉并设定温度260度，温度达到后260度后，将坩埚放入箱式电阻炉保温至坩埚内金属完全融化，将称量后的稀土快速加入熔融合金中并用搅拌均匀。
Step.5：一种集成电路封装用BGA锡球的熔炼工艺中合金冷却及后处理；所述Step.5中将搅拌均匀后的液态合金随炉冷却，冷却后的金属锭敲掉保护剂，机械打磨表面至金属色并用超声波清洗，将清洗后的合金放置于干燥的环境中。
5.根据权利要求4所述的一种集成电路封装用BGA锡球的熔炼工艺，其特征在于：所述Step.2中三种成分须为块状或大颗粒状，以及所有的添加材料都不能是粉末状，主要因为粉末会在非自耗真空电弧熔炼过程中被电弧吹跑。
6.根据权利要求4所述的一种集成电路封装用BGA锡球的熔炼工艺，其特征在于：所述Step.4中将纽扣状合金采用箱式电阻炉重熔；所述Step.4中的搅拌棒为玻璃棒；所述Step.4中稀土的加入方法为用纸包裹稀土并粘在玻璃棒下端，用玻璃棒迅速压入熔融金属底部并搅拌；所述Step.4中各步骤保证了各成分在合金中分布的均匀性。
7.根据权利要求4所述的一种集成电路封装用BGA锡球的熔炼工艺，其特征在于：所述Step.5中的超声波清洗液为酒精，清洗时间为20-30min。
8.根据权利要求4所述的一种集成电路封装用BGA锡球的熔炼工艺，其特征在于：所述Step.2中非自耗真空电弧炉熔炼时间短，各成分烧损量明显减少，对熔炼后的合金成分更有保障。
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