專利名稱：用于高溫?zé)o鉛焊料的改良的組成物、方法和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明的領(lǐng)域是無鉛焊料和焊料材料。
背景技術(shù)：
多種已知的管芯連接方法利用高含鉛量的焊料或焊料材料將集成電路內(nèi)的半導(dǎo)體管芯連接至引線框架用于機(jī)械連接并在管芯和引線框架之間提供導(dǎo)熱性和導(dǎo)電性。盡管絕大多數(shù)高含鉛量的焊料相對(duì)便宜且顯示出不同的所希望的物化性質(zhì)，但是從環(huán)境健康和職業(yè)健康角度來說，在管芯連接和其它焊料中使用鉛已受到更加嚴(yán)格的審查。因此，已采取多種方法用無鉛管芯連接組成物取代含鉛焊料。
例如，如在美國專利No.5,150,195；5,195,299；5,250,600；5,399,907和5,386,000所描述的一種方法中，聚合物粘結(jié)劑(例如環(huán)氧樹脂或氰酸酯(cyanate ester)樹脂)被用來將管芯連接到基底上。聚合物粘結(jié)劑通常在200℃以下在相對(duì)較短時(shí)間內(nèi)發(fā)生固化，且在固化后甚至可以保持結(jié)構(gòu)柔度，以在柔性基底上進(jìn)行集成電路的管芯連接，如美國專利No.5,612,403所述。然而，許多聚合物粘結(jié)劑有產(chǎn)生樹脂滲出的趨勢(shì)，潛在地導(dǎo)致不希望有的管芯與基底電接觸的減少。
為了防止發(fā)生至少一些與樹脂滲出相關(guān)的問題，可使用含硅氧烷的管芯連接粘結(jié)劑，如Mitani等在美國專利No.5,982,041所述。雖然這種粘結(jié)劑有助于改善導(dǎo)線的粘結(jié)，以及在樹脂密封材料與半導(dǎo)體晶片、基底、包殼和/或引線框架之間的粘結(jié)性能，但是至少用于其中一些粘結(jié)劑的這種固化過程要求有高能輻射源，這樣可能大大增加管芯連接方法的成本。
另一種選擇是，可使用一種含有高含鉛量的硼硅玻璃的玻璃糊劑，如Dietz等在美國專利No.4,459,166所述。由此通?？杀苊飧吣芄袒襟E。然而，許多種含有高含鉛量的硼硅玻璃的玻璃糊劑要求溫度達(dá)到425℃甚至更高，以永久地將管芯粘結(jié)到基底上。此外，在加熱和冷卻過程中，玻璃糊劑常常趨向于結(jié)晶，由此降低了粘結(jié)層的附著性。
在另一種方法中，使用不同的高熔點(diǎn)焊料將管芯連接到基底或引線框架。將管芯焊接到基底上具有多種優(yōu)點(diǎn)，包括工藝相對(duì)簡(jiǎn)單、不使用溶劑、和在一些情況下成本相對(duì)較低?，F(xiàn)有技術(shù)中有多種高熔點(diǎn)焊料。然而，它們中的全部或絕大多數(shù)都具有一個(gè)或多個(gè)缺點(diǎn)。例如絕大多數(shù)與金共晶的合金(例如Au-20％Sn，Au-3％Si，Au-12％Ge和Au-25％Sb)相對(duì)較貴且力學(xué)性質(zhì)常常低于理想值。另一種選擇是，合金J(Ag-10％Sb-65％Sn，參見例如Olsen等的美國專利No.4,170,472)可被用于多種高熔點(diǎn)焊料用途。然而，合金J具有228℃的固相線且也受到相對(duì)較差的力學(xué)性質(zhì)的不利影響。
盡管現(xiàn)有技術(shù)中已知多種不同的方法和組成物適用于焊料和管芯連接組成物，但它們中的全部或幾乎全部都具有一個(gè)或多個(gè)缺點(diǎn)。因此，依然需要提供用于焊料，特別是無鉛焊料的改良組成物和方法。

發(fā)明內(nèi)容
在此公開的主題指向方法、組成物和裝置，包括含有Ag和Bi的合金的焊料，其中Ag的含量為約2wt％(重量百分比)-18wt％；Bi的含量為98wt％(重量百分比)-82wt％。期待的焊料具有不低于約262.5℃的固相線和不高于約400℃的液相線。期待的焊料和/或焊料材料也可含有鋅、鎳、鍺或上述元素組合中的至少一種，含量從約10ppm至約1000ppm。
在發(fā)明主題的一個(gè)方面中，合金中存在的銀含量為約2wt％至約7wt％且鉍含量為約98wt％至約93wt％，或者合金中存在的銀含量為約7wt％至約18wt％且鉍含量為約93wt％至約82wt％，或者合金中存在的銀含量為約5wt％至約9wt％且鉍含量為約95wt％至約91wt％。期待的組成物進(jìn)一步可以包括所具有的氧親和力高于至少一種合金主要組分的氧親和力的化學(xué)元素，優(yōu)選的元素包括Al、Ba、Ca、Ce、Cs、Hf、Li、Mg、Nd、Sc、Sr、P、Ti、Y、Ge和Zr，且期待的元素特別是磷和鍺。期待元素的濃度范圍通常為約10ppm至約1000ppm。也可期待其它備選的濃度范圍。
在發(fā)明主題的另一個(gè)方面中，期待的焊料的導(dǎo)熱系數(shù)至少為9W/mK，且顯示出浸潤多種基底，包括那些含Cu、Ag、Ni和Au的基底，的潤濕力在達(dá)到濕度平衡1秒后約為0.2μN(yùn)/mm。期待的組成物可被成形為多種形狀，包括線材、帶狀物、粗加工的成品、球體或鑄錠。
在另一個(gè)方面中，期待的組成物包括Bi(85wt％-98wt％)和Ag(2wt％-15wt％)，以及鋅、鎳、鍺或上述元素組合中的至少一種，含量從約10ppm至約1000ppm。這種組成物可進(jìn)一步包括磷，濃度范圍通常為約10ppm至約500ppm。期待的組成物的一個(gè)實(shí)例包括合金，其中Bi含量為約89wt％、Ag含量為約11wt％、以及鋅、鎳、鍺或上述元素組合中的至少一種，含量約為500ppm(可有選擇地加入磷至最高為250ppm)，其中與不含鋅、鎳、鍺、磷和/或上述元素組合中的相似組成物相比，這些組成物至少對(duì)Cu和Ni具有改進(jìn)的濕潤性。
在發(fā)明主題的另一個(gè)方面中，一種包含有通過期待的組成物連接到表面的半導(dǎo)體管芯的電子裝置，其中特定的期待的半導(dǎo)體管芯包括硅、鍺和砷化鎵管芯。進(jìn)一步期待可使用銀金屬化管芯的至少一部分或這些裝置表面的一部分。在特別優(yōu)選的方面，該表面含有被銀金屬化的引線框架。另一方面，期待的焊料以在半導(dǎo)體管芯上的多個(gè)突點(diǎn)的形式被用在區(qū)域陣列(Area array)電子封裝中，以起到在管芯和或封裝基底(通常被叫做倒裝晶片)，或印刷線路板(通常被叫做板上芯片)之間電互聯(lián)的作用。另一種選擇是，期待的焊料可以多個(gè)焊球的形式用于將封裝件與基底(通常所說的帶有在該主題上的多種變型的球柵陣列)相連接，或?qū)⒐苄九c或是基底，或是印刷線路板相連接。
在發(fā)明主題的另一個(gè)方面中，一種生產(chǎn)焊料組成物的方法具有一個(gè)步驟，其中分別按照98wt％-82wt％和2wt％-18wt％的量提供鉍和銀，其中存在鋅、鎳、鍺或上述元素組合中的至少一種，含量最高達(dá)到約1000ppm。在另一步驟中，將銀、鉍和鋅、鎳、鍺或上述元素組合中的至少一種在溫度至少為約960℃條件下熔化，以形成具有不低于約262.5℃的固相線和不高于約400℃的液相線的合金。期待的方法進(jìn)一步包括有選擇地添加所具有的氧親和力高于合金的氧親和力的化學(xué)元素。
通過以下對(duì)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例的詳細(xì)描述并結(jié)合附圖，本發(fā)明的各種目的、特征、方面和優(yōu)點(diǎn)將更加顯而易見。


圖1是Ag-Bi相圖；
圖2是一種典型的Ag-Bi合金的電鏡照片；圖3是Ge-Ni相圖；圖4是說明Ag-Bi合金的導(dǎo)熱系數(shù)隨Ag含量變化的曲線圖；圖5A和5B是說明期待合金在不同基底上的潤濕力的曲線圖；圖6是示出計(jì)算得出的不同合金接觸角的表；圖7是期待合金在具有不同濃度Ge的鍍Ni引線框架上的典型潤濕行為的照片；圖8是期待電子裝置的垂直橫截面示意圖；圖9A和9B是使用典型合金與引線框架相連接的管芯的照片/掃描聲學(xué)顯微鏡(SAM)的顯微照片；圖10A是Ni-Bi相圖；圖10B是含有Ni和Bi的特定典型合金的電鏡照片；圖11A和11B是示出清除全部Ag的基底的電鏡照片；圖12是匯總了各種合金的各種物理性能的表。
具體實(shí)施例方式
已經(jīng)發(fā)現(xiàn)在其它所希望的性能中，期待的組成物可有利地在各種管芯連接應(yīng)用中近似混入地替換(near drop-in replacement)高含鉛量的焊料。特別是，期待的組成物是具有不低于約260℃的固相線(最好不低于約262.5℃)和不高于約400℃的液相線的無鉛合金。期待的方法和組成物的不同方面在正在審查的PCT申請(qǐng)PCT/US01/17491中披露，在此整體被引用。
一組期待的組成物包括可被用作焊料且包含約2wt％至約18wt％的銀和約98wt％至約82wt％的鉍的二元合金。圖1示出了Ag-Bi相圖。在此期待的組成物可按照以下步驟制備，即a)提供適當(dāng)稱重量(見上)的純金屬裝料；b)在耐火材料或耐熱容器(例如石墨坩堝)中在真空或惰性氣氛(例如氮或氦)中約960℃-1000℃之間加熱金屬材料，直至形成液體溶液；c)在該溫度條件下攪拌金屬材料一段時(shí)間，以確保兩種金屬材料完全混合和熔融。鋅、鎳、鍺或上述元素組合中的至少一種可被加入到裝料或熔融材料中，摻雜量最高達(dá)約1000ppm，最好達(dá)到約500ppm。
然后快速將該熔融混合物或熔料倒入鑄模中，通過冷卻至環(huán)境溫度使其凝固，并使用傳統(tǒng)的擠出技術(shù)，其包括將金屬坯加熱至接近190℃，生產(chǎn)出線材；或通過一種工藝，即將矩形板坯首先在約225-250℃之間退火，然后在相同溫度條件下熱軋，生產(chǎn)出帶狀物。另一種選擇是，帶狀物可被擠出，隨后再被軋制成較薄尺寸。只要在將混合物倒入鑄模中之前除去形成的熔渣，那么也可在空氣下進(jìn)行熔融步驟。圖2示出一張電鏡照片，其中Ag-Bi合金看來要形成一種亞共晶合金，其中主要成分(銀)被細(xì)的共晶結(jié)構(gòu)所包圍。從電鏡照片中可以看到，在材料中僅有很小的互溶度，由此產(chǎn)生比金屬鉍延性更好的材料。
在另一個(gè)實(shí)施例中，特別是需要較高的液相線溫度時(shí)，期待的組成物可包括合金中存在含量為約7wt％至約18wt％的銀和含量為約93wt％至約82wt％的鉍。另一方面，在需要相對(duì)較低的液相線溫度時(shí)，期待的組成物可包括合金中存在含量為約2wt％至約7wt％的銀和含量為約98wt％至約93wt％的鉍。然而，通常在絕大多數(shù)管芯連接應(yīng)用中，期待的組成物可包括合金中存在含量為約5wt％至約12wt％的銀和含量為約95wt％至約89wt％的鉍。對(duì)于這些實(shí)施例，典型合金可具有的成分為鉍約89wt％、銀約11wt％。
在這一點(diǎn)上應(yīng)理解，除非被指出，否則在說明書和權(quán)利要求書中所使用的表示組分、成分、反應(yīng)條件等等的數(shù)字應(yīng)被理解為在一切情況下由于所用術(shù)語“約”而可被更改。因此除非與此相反地指明，在說明書和所附權(quán)利要求中列出的數(shù)字參數(shù)均為可根據(jù)在此的主題尋求得到的所需性質(zhì)而變化的近似值。一點(diǎn)都不是企圖限制與權(quán)利要求等效的原則的應(yīng)用，每一數(shù)字參數(shù)至少應(yīng)根據(jù)報(bào)導(dǎo)的重要數(shù)字的數(shù)量和通過采用普通的舍入技術(shù)進(jìn)行解釋。盡管列出在此存在的主題的較寬范圍的數(shù)字范圍和參數(shù)是近似值，但是在具體實(shí)例中列出的數(shù)值應(yīng)盡可能準(zhǔn)確。然而任何數(shù)值都包括由于在它們各自測(cè)試測(cè)量過程中存在的標(biāo)準(zhǔn)偏差而產(chǎn)生的內(nèi)在誤差。
應(yīng)該特別意識(shí)到期待的組成物可被用作基本上也沒有Sn的無鉛焊料，而在已知的無鉛焊料中Sn是普通和主要的成分。此外，通常期待特別合適的組成物是二元合金。還應(yīng)該意識(shí)到備選組成物可包括三元、四元和更多元的合金。
特別合適的備選組成物可以包括一種或多種所具有的氧親和力高于至少一種合金主要組分(無該化學(xué)元素)的氧親和力的化學(xué)元素。特別是期待的化學(xué)元素包括Al、Ba、Ca、Ce、Cs、Hf、Li、Mg、Nd、P、Sc、Sr、Ti、Y、Ge和Zr，且進(jìn)一步期待這些元素在合金中的濃度范圍通常在約10ppm(更少)至約1000ppm(更高)之間。雖然不希望一定要特定的理論或機(jī)理，但是期待比合金具有較高氧親和力的元素減少了已知增加熔料或熔融焊料表面張力的金屬氧化物的形成，并由此顯著增強(qiáng)了焊料的潤濕能力。
此外，特別地期待磷(P)可單獨(dú)地或與其它金屬(例如鍺(Ge))一起加入以改善潤濕能力。雖然不希望一定要特定的理論或假說，期待磷可起到助熔劑的作用，且磷的添加或磷與其他金屬的協(xié)同效應(yīng)可進(jìn)一步提高對(duì)至少一些基底(例如如下含有Ag的基底)的潤濕性能。在這方面，可加入與鎳、銅、金、銀或上述元素的組合形成金屬間組合物或化合物的化學(xué)元素。
還可以加入一種或多種金屬以改善無鉛焊料的熱機(jī)械性能(例如導(dǎo)熱系數(shù)、熱膨脹系數(shù)、硬度、接合范圍(paste range)、可延展性、對(duì)鍍有不同金屬的基底的可濕性)。期待的金屬材料包括銦、錫、銻、鋅和鎳。然而，不在前述金屬范圍內(nèi)的其它金屬材料也適用于本發(fā)明的教導(dǎo)，前提是只要這些金屬材料可改善至少一項(xiàng)熱機(jī)械性能。因此，進(jìn)一步期望的金屬材料包括銅、金、鍺和砷。
因此，特別期望的合金可包括約2wt％至約18wt％的Ag、約98wt％至約82wt％的Bi和最多達(dá)5.0wt％，且更典型的是根據(jù)特定的熱機(jī)械性能，在約10ppm至約1000ppm范圍內(nèi)的第三元素。典型的期望的第三元素包括Au、Cu、Pt、Sb、In、Sn、Ni和/或Zn中的至少一種，且特別期望的第三元素包括鋅、鎳、鍺和/或上述元素組合中的至少一種。
當(dāng)?shù)谌匕ㄤ\、鎳、鍺(Ge)或上述元素組合中的至少一種時(shí)，期待在優(yōu)選合金中存在鋅、鎳、鍺或上述元素組合中的至少一種，含量范圍在約10ppm和約1000ppm之間，通常在約200ppm和約700ppm之間的范圍內(nèi)，濃度最好為約500ppm。注意到鋅、鎳、鍺或上述元素組合中的至少一種的加入改善了對(duì)鍍有不同金屬，特別包括銅和鎳的基底或未鍍的裸金屬例如引線框架基底的可濕性，其中鋅、鎳、鍺或上述元素組合中的至少一種的添加量在約10ppm至約1000ppm之間。雖然不希望一定要特定的理論，但是期待鋅、鎳、鍺或上述元素組合中的至少一種可有利地與Ni形成金屬間組合物，或通過優(yōu)先氧化而減少氧化膜，由此有助于增大潤濕力。Ge-Ni相圖如圖3所示，說明各種Ni-Ge金屬間組合物和部分Ge-Ni固溶體的潛能。此外期待可發(fā)生鍺的表面優(yōu)先氧化。基于這些討論，期待的組成物包括一種合金，含有(或組成)約89wt％的Bi、約11wt％的Ag、以及鋅、鎳、鍺或上述元素組合中的至少一種，含量范圍在約10ppm和約1000ppm之間，最好為約500ppm。該期待的合金可進(jìn)一步包括高達(dá)約1000ppm，通常為約200ppm的磷。此外，應(yīng)該注意到在期待的組成物中添加約10ppm至約1000ppm的Ge將不會(huì)顯著降低這種組成物的固相線。而優(yōu)選的合金含有約10ppm至約1000ppm的Ge，還應(yīng)該注意到Ge還可以作為攙雜物存在，濃度在約10ppm和約1ppm(甚至更少)之間，或作為合金成分存在，濃度在約1000ppm和約5wt％之間甚至更高(例如在5wt％和7wt％之間，或在7wt％和10wt％之間甚至更高)。
因此，根據(jù)第三元素(鋅、鎳、鍺或上述元素組合中的至少一種)的濃度/含量，應(yīng)該注意到這種合金具有不低于約230℃，最好不低于約248℃且最佳不低于約258℃的固相線和不高于約400℃的液相線。特別是這種合金的期待用途包括管芯連接應(yīng)用(例如將半導(dǎo)體管芯連接至基底)。因此，期待電子裝置將包含通過含有期待三元(或更多元)合金的組成物連接到表面上的半導(dǎo)體管芯。對(duì)于期待三元合金的生產(chǎn)，相同的考慮同上。通常期待一種或多種第三元素被適量加入到二元合金或二元合金成分中。
還應(yīng)該意識(shí)到只要當(dāng)合金所有成分基本上熔融(即每一成分的至少95％)，就可按照任何順序添加化學(xué)元素或金屬以改善了一種或多種物化或熱機(jī)械性能。期待添加順序不受發(fā)明主題的限制。相似地，應(yīng)該意識(shí)到雖然期待在熔化步驟前銀和鉍已經(jīng)混合好，還可以期待銀和鉍單獨(dú)進(jìn)行熔化，隨后混合熔融的銀和熔融的鉍?？杉尤胫零y的熔點(diǎn)之上的溫度條件下的更長的加熱步驟，以確保成分基本上完全熔化和混合。應(yīng)該特別意識(shí)到當(dāng)加入一種或多種其他元素時(shí)，期待合金的固相線可降低。由此含有這些合金成分的期待的合金可具有約260-255℃范圍內(nèi)、255-250℃范圍內(nèi)、250-245℃范圍內(nèi)、245-235℃范圍內(nèi)和甚至更低范圍內(nèi)的固相線。
當(dāng)添加其他元素，且特別是添加鋅、鎳、鍺或上述元素組合中的至少一種時(shí)，期待可以任何適當(dāng)?shù)男问?例如粉末、細(xì)粒或小片)添加鋅、鎳、鍺或上述元素組合中的至少一種至足夠量以具有所需濃度的鋅、鎳、鍺或上述元素組合中的至少一種，且第三元素的添加可在熔化Bi和Ag之前、之中或之后進(jìn)行。
關(guān)于期待合金的導(dǎo)熱系數(shù)，期待在此公開的組成物的導(dǎo)熱系數(shù)不小于約5W/mK、不小于約9W/mK更好且不小于約15W/mK最佳。使用激光閃光法對(duì)一些期待合金進(jìn)行導(dǎo)熱性分析說明導(dǎo)熱系數(shù)至少為9W/mK，如圖4所示。進(jìn)一步期待適當(dāng)?shù)慕M成物(如含有約500ppm Ge的Bi-11Ag)包括一種對(duì)Ag、Ni、Au或Cu具有在達(dá)到濕度平衡1秒后潤濕力的數(shù)值范圍在約125micro-N/mm和約235micro-N/mm之間的焊料(參見如圖5A和5B中期待合金在不同基底上的潤濕力的測(cè)試結(jié)果的曲線圖)。改善的可濕性也反應(yīng)在圖6示出的計(jì)算得出的合金接觸角(空氣、含水助熔劑)上。此外，在N2/H2條件下期待合金被應(yīng)用于鍍Ni的引線框架上，且Bi-11Ag-xGe(x＝0，10和500ppm)的結(jié)果如圖7所示，其中上邊系列樣品處于中等偏低的pO2含量，而下邊系列樣品處于較低的pO2含量。
進(jìn)一步期待期待組成物的特定形狀對(duì)于本發(fā)明的主題來說并不是關(guān)鍵的。然而，期待組成物最好形成線形、帶狀或球形(焊球)。
在其他用途中，期待組成物(如呈線形)可被用于將第一材料粘結(jié)到第二材料上。例如，期待組成物(和含有期待組成物的材料)可被用于電子裝置中將半導(dǎo)體管芯(如硅、鍺或砷化鎵管芯)粘結(jié)到如圖8所示的引線框架上。在此，電子裝置100包括使用銀層112金屬化的引線框架110。第二銀層122設(shè)置與半導(dǎo)體管芯120上(如通過背側(cè)銀的金屬化)。該管芯與該引線框架通過它們各自的銀層被期待組成物1 3 0(在此例如含有約2wt％至約18wt％的銀和約98wt％至約82wt％的鉍的合金的焊料，其中該合金具有不低于約262.5℃的固相線和不高于約400℃的液相線)相互連接。在最佳的管芯連接過程中，期待組成物被加熱至特定合金液相線上約40℃ 15秒，最好不高于約430℃不超過30秒?？稍谶€原性氣氛(例如氫或合成氣體)中進(jìn)行焊接。使用含有期待合金的焊料線對(duì)如圖9A(照片)和圖9B(掃描聲學(xué)顯微鏡(SAM)的顯微照片)所示的鍍Ni引線框架和半導(dǎo)體管芯進(jìn)行管芯連接實(shí)驗(yàn)。
在其他備選方面，期待在此公開的組合物可被用于管芯連接用途外的多種焊接過程。事實(shí)上，期待組成物可對(duì)于所有的或幾乎所有的分級(jí)釬焊用途均特別有用，在分級(jí)釬焊過程中，在低于期待組成物的熔化溫度的條件下進(jìn)行隨后的焊接步驟。此外，在高含鉛量的焊料需要被無鉛焊料所取代，且固相線溫度最好高于約260℃時(shí)，在應(yīng)用過程中期待組成物可被用作焊料。特別優(yōu)選的其它用途包括在熱交換器中作為非熔化的支座球體(standoff sphere)或電/熱互連的連接部件中使用期待組成物。
實(shí)例由于不同材料的熱膨脹系數(shù)存在差異，因此焊點(diǎn)會(huì)常常承受剪切載荷。因此，特別希望連接這些材料的合金具有較小的剪切模量，由此具有較好的熱機(jī)械抗疲勞性。例如，在管芯連接應(yīng)用中，特別是當(dāng)相對(duì)較大的管芯與載體相連接時(shí)，小剪切模量和較好的熱機(jī)械抗疲勞性有助于防止管芯開裂。
基于已知的純金屬彈性模量、Ag和Bi顯示出部分固相互溶的事實(shí)以及Ag-Bi體系不含金屬間相或中間相的事實(shí)，已經(jīng)計(jì)算出的期待的Ag-Bi合金的室溫剪切模量在約13-16Gpa的范圍內(nèi)(假設(shè)室溫剪切模量具有加和性，即服從混合物定律)。與Au-25％Sb和Au-20％Sn合金的25Gpa(使用相同方法進(jìn)行計(jì)算并作出相同假設(shè))以及合金J(Ag-10％Sb-65％Sn)的21Gpa，合金J的測(cè)量值為22.3Gpa相比，期待合金的室溫剪切模量在約13-16Gpa的范圍內(nèi)特別有利。進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)證實(shí)了前面的計(jì)算并確定了以下合金的剪切模量Bi-11Ag＝13.28Gpa；Bi-9Ag＝13.24Gpa；Au-20Sn＝21.26Gpa；Sn-25sb-10Ag(合金J)＝21.72Gpa；和Pb-5Sn＝9.34Gpa。更進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)(數(shù)據(jù)未示出)表明Bi-11Ag和Pb-5Sn的剪切模量是可比的。
其它力學(xué)性質(zhì)如表1所示，表1總結(jié)了焊條的液相線、極限抗拉強(qiáng)度和延展性(％延伸率)等數(shù)據(jù)合金 液相線 極限抗拉強(qiáng)度 延展性Pb-5Sn31525.438.0Pb-2.5Ag-2Sn 29631.522.0Sn-8.5Sb 24652.455.0Bi-11Ag 36059.034.6
Bi-11Ag-0.05Ge36069.7 19.1Sn-25Ag-10Sb 395109.410.4表1還進(jìn)行多項(xiàng)實(shí)驗(yàn)以確定期待合金中第三金屬(在本例中為Ge)的適當(dāng)濃度，以改善這種合金對(duì)鍍有不同金屬包括Ag、Ni、Au和Cu的基底的可濕性，如表2所示(所有數(shù)據(jù)的單位為μN(yùn)/mm；在鍍Cu的基底中加入100ppm的磷，在鍍有其它金屬的基底中加入1000ppm的磷)5000ppm 2000ppm 1000ppm 500ppm 500ppm Bi-9Ag Bi-9Ag+Ge Ge Ge Ge Ge+ P200ppm P精練Cu200 200 200 200200 100 150鍍Ni 125 100 125 125150 50 110鍍Ag 225 235 N/A 225235 215 225鍍Au 225 235 N/A 235245 230 250表2類似地，得到添加和未添加500ppm Ge的Bi-11Ag的數(shù)據(jù)，且結(jié)果如表3所示500ppm GeBi-11Ag精練Cu185165鍍Ni 12565鍍Ag 225215鍍Au 235230表3因此，向Bi-11Ag中添加Ge增加了最大潤濕力(μN(yùn)/mm)，如表4所示；
Bi-11Ag加P 加Ge精練Cu ～90 ～125～200鍍Ni ～50 ～110～125表4雖然計(jì)劃添加鍺以增大潤濕力，但是也應(yīng)該意識(shí)到多種備選金屬(特別是鎳、鋅和/或以上的組合，帶有或不帶有鍺)也可考慮適用于此，且特別期待的元素包括那些可以與焊接在合金上的金屬形成金屬間組合物的元素。
由使用Ag-89％Bi合金焊接到引線框架上的硅管芯構(gòu)成的試件組在經(jīng)過1500熱時(shí)效周期后并未示出可見的失效信號(hào)，這進(jìn)一步支持了所計(jì)算出的和所觀察到的期待的Ag-Bi合金具有低剪切模量。在進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)中，期待的合金被焊接到鍍Ni的基底上。如可從圖10A所示的Ni-Bi合金相圖中預(yù)期，金屬間組合物可在Ni-焊料合金的界面上形成，如圖10B所示。類似地，期待的合金被焊接到鍍Ag的基底上，且在圖11A和圖11b中所示的條件下可觀察到銀去除的情況。
使用不同樣品進(jìn)行結(jié)合強(qiáng)度的測(cè)量，且測(cè)試結(jié)果和樣品的平均值如下表5所示(MIL-STD-883E方法2019.5要求力的最小值為2.5kg或其倍數(shù))編號(hào) 管芯尺寸(平方 剪切強(qiáng)度(千 備注厘米) 克)1 0.202525.0粘結(jié)失效2 0.202553.7管芯被削去3 0.202529.0粘結(jié)失效4 0.202524.6管芯依然完整5 0.202532.6管芯依然完整6 0.202522.07 0.202532.68 0.202569.59 0.202528.2100.202520.7
110.202514.1120.202518.9平均值0.202530.9表5在圖12中總結(jié)了期待的合金(和對(duì)比合金)的一些物理性質(zhì)和成本，數(shù)據(jù)清楚地表明期待的合金的全部優(yōu)點(diǎn)。
在試件組和其它不同的管芯連接應(yīng)用中，焊料通常被制成位于管芯和要對(duì)其進(jìn)行焊接的基底之間的薄板進(jìn)行焊接。隨后的加熱將焊料熔化并形成焊點(diǎn)。另一種選擇是，可在將焊料以薄板、線材、熔化的焊料或其它形式放置在受熱基底上以在半導(dǎo)體管芯被放置以形成焊點(diǎn)的地方產(chǎn)生焊料液滴后，加熱基底。
對(duì)于區(qū)域陣列封裝，期待的焊料可以球體、小型初加工制品、由焊料粉末制成的焊膏或其它形式被放置，以形成多個(gè)通常用于本用途的焊點(diǎn)。另一種選擇是，在以下過程中可以使用期待的焊料，這些過程包括在電鍍槽中的電鍍過程、從固體和液體中的蒸發(fā)過程、從噴嘴象噴墨打印機(jī)一樣的印刷過程或用以產(chǎn)生一列用于形成焊點(diǎn)的焊料突點(diǎn)的濺射過程。
在期待的方法中，或使用焊劑或使用焊膏(在液體載體中的焊料粉末)將球體放置在封裝件上的焊點(diǎn)上，以在適當(dāng)?shù)奈恢帽３智蝮w直至其被加熱而焊接到封裝件上。溫度或是使焊料球體熔化的溫度，當(dāng)使用低熔點(diǎn)成分的焊膏時(shí)，或是低于焊料熔點(diǎn)的溫度。然后或使用焊劑或使用焊膏，將帶有連接的焊料球的封裝件在基底上排成區(qū)域陣列并加熱形成焊接點(diǎn)。
一種將半導(dǎo)體管芯連接到封裝件或印刷線路板的優(yōu)選方法，包括通過將焊膏透印過掩模，將焊料蒸發(fā)出掩?；?qū)⒑噶襄冊(cè)趯?dǎo)電焊點(diǎn)的陣列上，形成焊料突點(diǎn)。使用這種技術(shù)形成的該突點(diǎn)或立柱可以或具有均勻地成分，當(dāng)被加熱形成接點(diǎn)時(shí)，以使整個(gè)突點(diǎn)或立柱熔化；或在垂直于半導(dǎo)體管芯表面的方向上可以是不均勻的，以使僅一部分突點(diǎn)或立柱熔化。
至此，已披露了無鉛焊料的具體實(shí)施例和應(yīng)用。然而對(duì)于那些本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，明顯的是除了所述的改動(dòng)外，在不偏離本發(fā)明思想的情況下，可對(duì)本發(fā)明進(jìn)行更多的修改。因此，本發(fā)明主題內(nèi)容除了受后續(xù)權(quán)利要求書的精神的限制外，不受其它的限制。此外，在解釋說明書和權(quán)利要求時(shí)，所有用語應(yīng)被理解成與上下文一致的最廣闊的可能方式。特別是，術(shù)語“包括”和“含有”應(yīng)被理解為以非排他的方式涉及部件、成分或步驟，意思是說被引用的部件、成分或步驟可存在，或被使用或與其它并未明確引用的部件、成分或步驟組合。
權(quán)利要求
1.一種組成物包括包含約2wt％至約18wt％的Ag、約98wt％至約82wt％的Bi、以及鋅、鎳、鍺或上述元素組合中的至少一種，其含量最高達(dá)到約1000ppm的合金的焊料，其中該合金具有不低于約262.5℃的固相線和不高于約400℃的液相線。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的組成物，其中合金中存在的銀含量為約7wt％至約18wt％且鉍含量為約93wt％至約82wt％。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的組成物，其中合金中存在的Ag含量為約11wt％且Bi含量為約89wt％。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的組成物，其中存在鋅、鎳、鍺或上述元素組合中的至少一種，其含量約為500ppm。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的組成物，其中焊料的導(dǎo)熱系數(shù)不小于約9W/mK。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的組成物，其中焊料具有在達(dá)到濕度平衡1秒后約為0.2μN(yùn)/mm大小的潤濕力以潤濕Ag、Ni、Au或Cu。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的組成物，進(jìn)一步包括所具有的氧親和力高于合金的至少一種主要組分的氧親和力的化學(xué)元素。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的組成物，其中該化學(xué)元素是磷。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的組成物，其中該化學(xué)元素的存在濃度在約10ppm和約1000ppm之間。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的組成物，其中該合金被成形為線材、帶狀物、粗加工的成品、陽極、球體、糊狀物和蒸發(fā)金屬塊中的至少一種。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的組成物，進(jìn)一步包括與鎳、銅、金、銀或上述元素的組合形成金屬間組合物或化合物的化學(xué)元素。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的組成物，其中該化學(xué)元素是磷或鍺。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的組成物，其中該化學(xué)元素的存在濃度在約10ppm和約1000ppm之間。
14.一種電子裝置包括通過含有根據(jù)權(quán)利要求1所述的組成物的材料連接到表面上的半導(dǎo)體管芯。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的電子裝置，其中半導(dǎo)體管芯的至少一部分被Ag金屬化。
16.根據(jù)權(quán)利要求14所述的電子裝置，其中表面的至少一部分被Ag、Cu、Ni或Au金屬化。
17.根據(jù)權(quán)利要求14所述的電子裝置，其中該表面包括用銀金屬化的或用鎳金屬化的引線框架。
18.一種生產(chǎn)焊料組成物的方法，包括提供Ag、Bi，和鋅、鎳、鍺或上述元素組合中的至少一種，其中存在的Ag含量為Ag和Bi總重的約2wt％至約18wt％、鉍含量為Ag和Bi總重的約98wt％至約82wt％，以及鋅、鎳、鍺或上述元素組合中的至少一種，其含量最高達(dá)到約1000ppm；和將Ag和Bi在溫度至少為約960℃條件下熔化，以形成具有不低于約262.5℃的固相線和不高于約400℃的液相線的合金。
19.根據(jù)權(quán)利要求18所述的方法，其中熔化Ag和Bi這一步在混合Ag和Bi這一步之前進(jìn)行。
20.根據(jù)權(quán)利要求18所述的方法，進(jìn)一步包括加入所具有的氧親和力高于合金的氧親和力的化學(xué)元素。
21.根據(jù)權(quán)利要求18所述的方法，其中存在的銀含量為約7wt％至約18wt％且鉍含量為約98wt％至約82wt％。
22.根據(jù)權(quán)利要求18所述的方法，其中存在鋅、鎳、鍺或上述元素組合中的至少一種，其含量約為500ppm。
23.一種包含約2wt％至約18wt％的Ag、約98wt％至約82wt％的Bi、以及鋅、鎳、鍺或上述元素組合中的至少一種，其含量最高達(dá)到約1000ppm的合金的焊料，其中該合金具有不低于約262.5℃的固相線和不高于約400℃的液相線。
24.根據(jù)權(quán)利要求23所述的焊料，其中存在鋅、鎳、鍺或上述元素組合中的至少一種，其含量約為500ppm。
25.根據(jù)權(quán)利要求23或24所述的焊料，進(jìn)一步包括磷，其含量最高達(dá)到約1000ppm。
全文摘要
一種無鉛焊料包括分別含有約2wt％至約18wt％、約98wt％至約82wt％的銀和鉍的合金。期待的合金進(jìn)一步包括鋅、鎳、鍺或上述元素組合中的至少一種，含量可達(dá)到約1000ppm(最好約500ppm)且期待的合金具有不低于約262.5℃的固相線和不高于約400℃的液相線。期待的合金可進(jìn)一步包括所具有的氧親和力高于至少一種合金成分的氧親和力的化學(xué)元素，且期待的元素特別是磷和鍺。
文檔編號(hào)B23K35/22GK1558960SQ02818805
公開日2004年12月29日 申請(qǐng)日期2002年9月25日 優(yōu)先權(quán)日2001年9月25日
發(fā)明者N·迪安, J·拉勒納, M·韋澤, N 迪安, 漳 申請(qǐng)人:霍尼韋爾國際公司