專利名稱：接合材料和接合方法
技術領域：
本發(fā)明涉及用于接合許多部件，特別是例如半導體器件的電子部件和機械部件的接合材料和接合方法，并且更具體地涉及使用復合金屬納米粒子來接合部件的接合材料和接合方法。
本發(fā)明還涉及電極基底和用來接合電極基底的電極的方法，并且更具體地涉及當安裝半導體器件(半導體封裝)到插入器、印刷導線基底等上時用作插入器、印刷導線基底等的電極基底以及用來接合電極基底的電極的方法。
本發(fā)明還涉及包括兩個或多個接合在一起的元件的接合結構，并且更具體地涉及包括構成電子部件或半導體器件的芯片和借助提供在芯片和基底電極(接點)表面上的接觸塊(接點)而接合在一起的基底的接合結構、包括接合在一起的電學器件或部件及電纜的接合結構、以及包括接合在一起的熱交換器、飛行器(aircraft)等元件的接合結構。
另外，本發(fā)明涉及一種金屬化裝置，其例如用在半導體器件安裝過程中、用于接合給半導體器件提供動力和電信號輸入/輸出的引線和插腳、或者用于通過接合材料的金屬化將半導體器件上的結構突起(塊)接合到導線基底的電極上。
背景技術：
使用焊接合金的接合技術，例如俯焊法，已經(jīng)傳統(tǒng)地用于電子器件的電學終端和電路基底上電路圖終端間的電學連接。特別地，為了在電路基底上通過將其電學連接于一起而安裝半導體器件，例如芯片、片狀元件或模具，它們是被稱作裸露器件的未覆蓋有源或無源器件，正在廣泛地使用所謂的俯焊法。該方法包括事先在半導體器件的電極極板上形成焊接塊、在電路基底的端電極上設置面向下的焊接塊，以及在高溫下加熱焊接塊使半導體器件的電極極板熔合接合到電路基底的端電極上。焊接塊通常在例如包括Cr(鉻)、Cu(銅)和Au(金)的三層薄金屬薄膜(在本體金屬下面)上使用抗蝕劑通過電鍍或蒸汽沉積來形成。這種安裝方法可以提供具有高機械強度的接合結構，而且同時可以在半導體器件的電極和電路基底的端電極間起電學連接作用。因此，俯焊法被認為是有效的半導體器件安裝方法。
除了俯焊法之外，使用包含錫-鉛合金低共熔混合物焊劑糊的反流接合也廣泛地用于金屬間的接合，例如用來將電子部件安裝到印刷導線基底上。反流接合方法包括使焊劑糊與作為接合對象的金屬表面接觸，以及加熱并熔化焊劑糊。根據(jù)該方法，金屬在待接合的金屬表面和熔化焊劑間發(fā)生部分擴散，因此冷卻時在界面間形成合金或金屬間化合物，從而起到物理和電學連接的作用。已經(jīng)常用的低共熔錫-鉛合金具有低熔點且不會引起待接合金屬表面腐蝕的優(yōu)點。另外，釬焊接合(包括焊接)也常用于將機械部件裝配成結構。
最近幾中，從全球環(huán)境保護的角度來看使用鉛已經(jīng)受到了嚴格的限制。為了解決在處理所用電學器械時鉛流入環(huán)境的問題，以及在接合過程中熔化錫-鉛焊接材料時不可避免地鉛蒸發(fā)和鉛氧化物擴散所給工作環(huán)境帶來污染的問題，正在發(fā)展一種使用不含鉛接合材料的焊接或釬焊方法。結果，作為熔點約180℃的低共熔混合物焊劑的基底，Sn-Ag焊劑(熔點約250℃)等已經(jīng)投入實際使用。
在接合例如熱交換器或飛行器的部件中通常使用釬焊。釬焊過程涉及將金屬材料(釬焊材料)加熱至等于或高于其熔點的溫度，使得接合時接合部位的溫度高達450到1000℃。部件暴露于最大1000℃的溫度下一般會引起部件大范圍的熱變形和大的熱應力/扭曲。因此，強烈需要發(fā)展一種能夠在相對較低的溫度下安全接合上述對形狀和尺寸要求精確的部件而不會引起例如熱變形問題的接合方法。
已經(jīng)建議了一種使用焊球來代替上述焊接塊的接合方法，其中焊球從含有超細金屬顆粒的金屬糊形成(參見日本專利特許公開9-326416)。該方法中使用的超細金屬顆粒被認為是僅由金屬組成的超細顆粒，例如它們通過包括在少量氣體存在下真空蒸發(fā)金屬，從而從蒸汽相凝結僅由金屬構成的超細顆粒的方法來生產(chǎn)。這種超細金屬顆粒在其穩(wěn)定性、物理性質(zhì)和成本方面可能是有問題的。
最近，因為電子產(chǎn)品越來越小，所以日益需求高度集成的半導體封裝件。另外，在將半導體封裝件固定到插槽或用來互相連接各自電流線路的印刷線路基底上的安裝技術中，也需要高度集成和高密度的安裝方法。
精密焊接是一種大家熟知的通過焊接將線性安置在半導體封裝件周圍的引線焊接到印刷導線基底上的預定電極上的方法。當引線繞著半導體封裝件線性提供時，引線的數(shù)量是有限的。例如，在經(jīng)常用作表面安裝型半導體封裝件的QFP(方形扁平封裝(Quad Flat Package))情況中，最小極限值被認為是0.3毫米(參見Kobayashi等，Suiyo-KaiBulletin，23，F(xiàn)eb.2000，P.123)。因此限制了可提供引線的數(shù)量。
另一方面，使用在半導體封裝件整個背面以晶格形式安排的焊球作為接觸端(電極)的所謂BGA(球柵陣列(Ball Grid Array))方法自從九十年代后期已經(jīng)引起了人們的關注并且已經(jīng)逐漸地在實踐中使用。假定電極在整個背面，與QFP封裝相比，BGA型(BGA封裝)的半導體封裝件每單位面積具有明顯大量的電極，從而可以高密度且小面積安裝。
BGA封裝焊球的最小間距被認為是0.5毫米(參見Matsuura et al.，Hitachi Densen，No.21，Jan.2002，P.53)。該最小值根據(jù)由于熔融焊劑材料的表面張力和重力所引起的焊球變平現(xiàn)象來確定。盡管較小的焊球直徑和和焊球間較小的間距有利于高密度的安裝，但是焊球間距變窄會由于焊劑材料特性而導致問題。
圖19表示在焊球熔融/液化時焊球100變平現(xiàn)象的觀察結果(高度降低，垂直于高度方向的直徑增加)(參見T.Osawa，“Story ofSoldering”，Japanese Standards Association，2001，P.105)?？紤]到焊球的變平現(xiàn)象，BGA封裝的焊球間距被確定為最小0.5毫米。
另外，隨著BGA封裝面通孔直徑和焊球直徑的變窄，焊球接合的可靠性可能喪失。圖20A和20B闡明了焊球接合中由于焊球間距的變窄而引起的典型問題。圖20A闡明了焊接扭曲現(xiàn)象將線路基底210連接到BGA封裝212的電極214上的焊球216向線路基底210移動，因而位于BGA封裝214通孔212a內(nèi)的焊球216變細。圖20B闡明了焊劑陷落現(xiàn)象焊球216落向線路基底210，因而焊球216僅與線路基底210連接，即線路基底210和BGA封裝間的連接斷裂。
圖20A和20B中闡明的問題主要是由于焊球間距和直徑變窄到小于最小極限值水平。在精密焊接方法中這一現(xiàn)象是不可避免的，它會通過加熱時焊劑合金的熔化/液化和隨后冷卻時焊劑合金的固化而影響接合。
如上所述，關于BGA封裝，有必要限制焊球間距和直徑的變窄。
如上所述，使用由錫和鉛組成的焊劑的精密焊接被廣泛地用于電接合，例如在安排在構成電子元件或半導體器件的芯片表面上的電接觸塊和在基底上相應于接觸塊位置提供的電極之間的電接合。這是因為這種一般使用焊劑的接合方法能夠確保約39.2MPa的接合強度并且能夠使接合體具有約17μΩcm的電阻和約180℃的熔點，而且可以容易地獲得很均衡的接合性質(zhì)。
圖21A到21E闡明了通過使用這種焊劑的傳統(tǒng)反流接合方法而在印刷線路基底兩面上進行QFP(方形扁平封裝)型安裝IC封裝件的表面安裝過程的實例。首先，如圖21A所示，焊劑糊312a被印刷到印刷線路基底310前表面(上表面)上的預定位置。另外，如圖21B所示，對焊劑糊312a間的預定位置施用粘合劑314。然后如圖21C所示，當每個引線322a與每個焊劑糊312a壓接時，IC封裝件320a借助粘合劑314粘附到印刷線路基底310的表面上，然后干燥并硬化粘合劑314。
接下來，如圖21D所示，在翻轉(zhuǎn)印刷線路基底310后，焊劑糊312b被印刷到印刷線路基底310后表面(上表面)的預定位置上。此后，如圖21E所示，通過將每個引線322b與每個焊劑糊312b壓接，IC封裝件320b粘附到印刷線路基底310的后表面上。然后在例如約300℃的溫度下加熱焊劑糊312a、312b從而熔化焊劑糊312a，接著冷卻固化。
如圖22所示，當如此安裝了IC封裝件320a、320b的印刷線路基底310被固定到外箱330上時，引線336借助焊劑334接合到外箱330上的電極332上。
當將引線336接合到外箱330上的電極332上時，印刷線路基底310和IC封裝件320a、320b間的接合部分312a、312b必須在后來的接合中不會被加熱和溫度上升再熔化，從而不會傷害電常數(shù)。因此，對于印刷線路基底310和IC封裝件320a、320b間的接合實踐中通常使用包含95％重量Pb的高溫焊劑(熔點約300℃)，而對于將引線336接合到外箱330上的電極332上則使用常用的低溫焊劑(熔點約183℃)。因此通過使用兩種具有不同熔點的焊劑，外箱330的內(nèi)部電學接觸在引線336被接合到外箱330上時不會受再熔化的傷害。
當通過必要元件的接合來生產(chǎn)產(chǎn)品時，實施所謂的逐步接合。在逐步接合情況中，至少在第一步接合中使用含Pb的高溫焊劑。如圖23所示，逐步接合過程通常包括借助接合層C1、C2……而逐步層壓多個元件P1、P2……，從而提供“n”片元件P1-Pn的集成結構產(chǎn)品。在該過程中，在隨后的接合步驟中必須避免接合層的再熔化。因此，對于第一接合層C1的形成，需要使用具有最高熔點的接合材料，并且對于隨后的接合使用具有逐漸降低熔點的接合材料。就半導體器件而言，使用高溫焊劑對于所謂高電流密度的大功率組件是尤其必要的。
如前所述，從環(huán)境保護的角度來說，使用鉛(Pb)已經(jīng)嚴格地受到法律和規(guī)章的限制。另外，就用于接合的接合材料而言，通常包含不低于40％鉛，它們被迫用不含鉛的接合材料來代替。作為常用Sn(60％)-Pb(40％)焊劑的替代物，已經(jīng)發(fā)展了Sn-Ag焊劑和Sn-Ag-Cu焊劑并且它們正被廣泛地在實踐中使用。但是至于在逐步接合的較早步驟中使用的高溫焊劑，Sn(5％)-Pb(95％)焊劑是唯一的實用材料。能代替這種焊劑的無鉛焊劑仍然沒有發(fā)展。此外，在半導體封裝件在高溫氣氛(例如接近車用發(fā)動機)下使用時，也使用傳統(tǒng)的高溫焊劑。
如上文所述，在傳統(tǒng)的半導體器件安裝技術中對更高集成度和更高致密化存在一種極限。另外，強烈地需要一種能夠使用無鉛接合材料的技術，該材料可以代替高溫焊劑并且例如可以實施逐步接合過程的第一步接合。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明已經(jīng)考慮了背景技術中的上述情況。因此，本發(fā)明的第一個目標是提供一種能夠用無鉛接合代替高溫接合的接合材料和接合方法。
本發(fā)明的第二個目標是提供一種電極基底和用來接合電極基底上電極的方法，該方法能滿足例如半導體器件安裝技術中更高集成度和更高致密化的需求，并且通過使用不含鉛的接合材料可以實施例如逐步接合過程的第一步接合。
本發(fā)明的第三個目標是提供一種已經(jīng)使用接合材料接合的接合結構，該接合材料能代替?zhèn)鹘y(tǒng)的焊接材料，并且由于不含鉛和錫而可以消除重金屬污染的環(huán)境負擔。
本發(fā)明的第四個目標是提供一種金屬化裝置，用于使接合材料金屬化，并由此容易且安全地達成可代替常規(guī)焊接(微焊接)、且由于未使用鉛或錫而可消除重金屬污染的環(huán)境負擔的接合。
為了實現(xiàn)上述目標，本發(fā)明提供了一種在至少包括兩個接合步驟的逐步接合過程中使用的接合材料，包括復合金屬納米粒子在有機溶劑中的分散體，每個所述的復合金屬納米粒子都具有使不超過100納米粒徑的金屬粒子金屬核用有機材料結合并涂覆的結構，并且所述分散體是液體形態(tài)。
本發(fā)明還提供了另一種在至少包括兩個接合步驟的逐步接合過程中使用的接合材料，包括復合金屬納米粒子在有機溶劑中的分散體，每個所述的復合金屬納米粒子都具有使不超過100納米粒徑的金屬粒子金屬核用有機材料結合并涂覆的結構，并且所述分散體是淤漿、糊或膏形態(tài)。
本發(fā)明還提供了仍另一種在包括至少兩個接合步驟的逐步接合過程中使用的接合材料，包括復合金屬納米粒子在有機溶劑中的分散體，每個所述的復合金屬納米粒子都具有使不超過100納米粒徑的金屬粒子金屬核用有機材料結合并涂覆的結構，并且所述分散體是固體或凍狀形態(tài)。
有機化合物優(yōu)選地衍生于有機酸的鹽。
復合金屬納米粒子可以通過在非水溶劑中加熱并合成金屬鹽和有機材料，接著熱還原所合成產(chǎn)物來生產(chǎn)。
可選地，復合金屬納米粒子可以通過混合金屬鹽、金屬氧化物、金屬氫氧化物和有機材料，并且加熱和合成混合物，接著熱還原所合成產(chǎn)物來生產(chǎn)。
可選地，復合金屬納米粒子可以通過混合金屬鹽和有機醇材料，并且加熱和合成該混合物來生產(chǎn)；或者通過向合成的產(chǎn)物中添加還原劑并加熱且還原所合成的產(chǎn)物來生產(chǎn)。
可選地，復合金屬納米粒子可以通過在非水溶劑中加熱并合成金屬鹽和有機材料，接著添加還原劑并熱還原所合成的產(chǎn)物來生產(chǎn)。
公知當顆粒細的時候，金屬粒子的初始熔化溫度隨著粒徑(直徑)的降低而降低。對小于100納米的粒徑，這種關系維持，而當粒徑小于20納米時溫度降低的程度是大的。當粒徑小于10納米時，某些金屬顆粒在比本體金屬熔點低很多的溫度下熔化并粘接于一起。
此外，在熔化前發(fā)生金屬粒子的燒結現(xiàn)象，并且燒結起始溫度遠低于本體金屬的熔點。金屬粒子的粘接在低溫燒結時發(fā)生。因此，發(fā)表的數(shù)據(jù)表明在平均粒徑20納米的超細Ag粒子的情況下，燒結在60～80℃的低溫下開始(參見Sato，“Production and Application ofUltrafine Metal Particle”，Proceedings of the Japan Institute of MetalsSymposium，1975，P.26)。
因為有機材料起著保護金屬核的保護層作用，具有金屬核表面用有機材料結合并涂覆結構的復合金屬納米粒子可以均勻地分散在有機溶劑中，并且作為分散的粒子而高度穩(wěn)定。因此，可以提供一種在有機溶劑中均勻分散的包含主體接合材料(復合金屬納米粒子)的液態(tài)接合材料，該主體接合材料能夠在低溫下燒結并熔接。
在具有約5納米粒徑的團聚銀納米粒子的情況下，明顯熔化粘接的起始溫度約為210℃，并且銀納米粒子可以通過在等于或高于明顯熔化粘接的起始溫度的溫度下加熱納米粒子來熔接或燒結。
另一方面，已經(jīng)建議了包含粒徑不超過20納米的超細顆粒與其它材料混合物的粘合劑以及使用這種粘合劑的接合方法(參見例如日本專利特許公開5-54942)。在該方法中，超細粒子作為介質(zhì)中的簡單金屬存在，即不同于本發(fā)明的接合材料，超細粒子沒有有機材料涂層。根據(jù)本發(fā)明的實驗，這種裸露的超細金屬粒子容易聚結成粗的顆粒，因此分散體狀態(tài)可能變得不均勻。當超細粒子聚集體和分散相變成主要由大顆粒組成時，因為大顆粒的熔化起始溫度和燒結溫度高于超細粒子，所以很難或不可能用這種接合材料(粘合劑)實施低溫接合。
本發(fā)明的接合材料包含上述復合金屬納米粒子作為基本材料，并且任選地包含大于納米粒子的聚集的金屬、有機或無機粒子。在加入聚集體的情況下，大于納米粒子的顆粒的存在相似于上述存在聚結的粗顆粒情況。但是根據(jù)本發(fā)明的接合材料，復合金屬納米粒子作為主體接合材料不會聚結，并且仍保持其自身的形態(tài)，因此仍然會發(fā)生低溫燒結。這明顯不同于上述超細粒子聚結成大顆粒而幾乎沒有納米粒子，因而不會發(fā)生低溫燒結的情況。
根據(jù)本發(fā)明，不同于超細金屬粒子以簡單金屬在介質(zhì)中分散的情況，金屬核被有機材料結合并涂覆的復合金屬納米粒子被分散在介質(zhì)中。因此，納米粒子不會聚結成粗顆粒并且保持均勻的分散。因此本發(fā)明的接合材料可以避免上述的問題。
另一方面，當有機材料包含C、H和O之外的元素，例如氮(N)、硫(S)等時，甚至在接合時通過加熱實施分解并蒸發(fā)有機材料過程之后，有機材料中的N或S組分仍會殘留在燒結金屬中。這些元素的存在會不利地影響接合層的電導率。電導率的降低尤其在高操作電流密度的高密度安裝部分下將是個嚴重的問題。
根據(jù)本發(fā)明，通過使用不含N或S的復合金屬納米粒子，可以在有機材料分解且蒸發(fā)后阻止在N或S殘留在接合部分，從而在高密度安裝部分的接合產(chǎn)品中阻止了電導的降低。
根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實施方案，通過在有機溶劑中分散金屬核平均粒徑不超過100納米的復合金屬納米粒子時調(diào)節(jié)分散條件，接合材料可以以液體、淤漿、糊或膏的形式、以固體形式，或者以半固體或凍狀形式來制備。
在液體形式情況下，金屬部分與總液體的重量比在1～30％范圍內(nèi)是實踐中優(yōu)選的。有機溶劑的具體實例包括甲苯、二甲苯、己烷、辛烷、癸烷、環(huán)己烷、蒎烯、苧烯和乙二醇。在淤漿、糊或膏形式的情況下，金屬部分與總流體的重量比在15～90％范圍內(nèi)是實踐中優(yōu)選的。此外，在固體形式或凍狀半固體形式下，金屬部分與總液體的重量比在20～95％范圍內(nèi)是實踐中優(yōu)選的。
根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實施方案，除了復合金屬納米粒子外，在接合材料中混合平均粒徑不超過100微米的聚集體。
添加粒徑不超過100微米的聚集體可賦予接合材料以單獨使用復合金屬納米粒子時所不具有的各種性能。
聚集體可以是金屬材料。塑料材料，或者無機材料，并且可以單獨或者組合使用。聚集體的粒徑優(yōu)選地從0.1到1.0微米。
無機材料包括陶瓷、碳、金剛石、玻璃等。
在金屬材料的情況下，聚集體可以是例如Al、Cu、Mg、Fe、Ni、Au、Ag、Pd或Pt，或者由多種這些元素組成的材料。使用這種具有不同性質(zhì)金屬材料作為聚集體可以保證接合部分的穩(wěn)定強度、韌性等，或者改善接合部分的電導。
使用塑料材料作為聚集體能夠使接合部分變輕。耐熱的塑料材料，例如聚酰亞胺、聚芳酰胺或者聚醚醚酮材料，在接合暴露于加熱溫度下時不太可能變性或者惡化，因此可以有利地使用。
除了金屬和塑料材料外，使用可以是那些上面例釋材料任何之一的無機材料作為聚集體可以同時實現(xiàn)接合部分的變輕和增強。
作為聚集體，可以單獨只使用上述不同類型材料的一種。可選地，可以選擇多種類型的材料并且組合使用這些材料。
下面的表1表示總接合材料中聚集體的含量。在金屬聚集體的情況下，含量指總金屬含量，即添加劑和復合金屬納米粒子金屬核部分的含量。
表1接合材料中聚集體的含量(體積) 表1具體地表示了不同類型接合材料的不同形式聚集體的上限。
當聚集體的含量超過各自的上限時，加熱時接合材料的流動性顯著降低。當用這種低流動性的接合材料填充微小空間時，可能發(fā)生不完全的填充。通過使總接合材料中聚集體的體積含量落在表1中限定的范圍內(nèi)時，可以提供具有所需流動性的接合材料，其中可以在低溫下燒結并熔接的主體接合材料(復合金屬納米粒子)和聚集體可以以適當?shù)谋壤旌稀?br> 復合金屬納米粒子的金屬核部分可以由Au、Ag、Pd、Pt、Cu和Ni之一，或者它們兩種或多種的組合構成。
本發(fā)明還提供了一種至少將兩個部件接合于一起的接合方法，該方法包括使接合材料提供在部件預定部分之間與之接觸、每個所述包含復合金屬納米粒子的接合材料具有不超過100納米平均粒徑的金屬粒子金屬核用有機材料結合并涂覆的結構，以及將能量施用于接合材料上，從而改變接合材料中包含的復合金屬納米粒子的形態(tài)，由此從復合金屬納米粒子中釋放出有機材料并且將金屬核接合于一起，以及接合金屬核和部件的表面。
在形態(tài)改變后，復合金屬納米粒子的性質(zhì)變成與金屬本體的性質(zhì)相同。特別地，熔化起始溫度增加到金屬本體的熔點。例如，在5納米金屬核大小的銀納米粒子的情況中，熔化接合起始溫度(熔點)約為210℃。另一方面，本體金屬的熔點為961.93℃。一旦金屬納米粒子接合于一起，除非加熱到961.93℃或者更高，否則接合體不會再熔化。因此，接合材料為需要高溫接合的重復接合供了理想的接合材料。
使用傳統(tǒng)焊接方法，對于某些類型的材料接合有時很難或者不可能。另一方面，本發(fā)明的接合方法基本上在所有類型的材料，即金屬、塑料和陶瓷間起接合作用，包括在相同類型材料間接合和在不同類型材料間接合。
通過使用任何應用方法，例如噴涂、涂覆、浸涂、旋涂、印刷、調(diào)劑，或者插入，允許接合材料提供在待接合部件的預定部分間并與之接觸。
能量應用優(yōu)選地通過加熱或者加壓，或者通過加熱并加壓來實施。加熱可以通過例如燃燒加熱、電加熱、加熱流體、能量束輻射、在部件間通過電流、感應加熱、電介質(zhì)加熱，或者等離子體的方式來實施。接合目標被加熱到不高于400℃的溫度。
現(xiàn)在將給出實踐中常用的貴金屬納米粒子粒徑與熔化起始溫度間關系的解釋。圖4闡明了Au納米粒子粒徑與熔化起始溫度間的關系(參見C.R.M.Wronski，Brit.J.Appl.Phys.，18(1967)，P.1731)。從圖4中明顯可見，當粒徑降低至小于10納米時，熔化起始溫度出現(xiàn)劇烈的降低。例如，當粒徑為2納米時，熔化起始溫度低達約120℃。
因為原子擴散/燒結更加劇烈，對于接合加熱至更高溫度是優(yōu)選的。為了避免半導體器件在高溫下的惡化，加熱至超過400℃的溫度是不容許的。
因此，根據(jù)本發(fā)明接合的最高溫度被限制到400℃。
接合優(yōu)選地在空氣、干燥空氣、氧化性氣體氣氛、惰性氣體氣氛、真空，或者降低煙霧的氣氛中實施。為了避免接合表面的污染、變性、惡化等可以使用這些氣氛，并且用清潔的表面來實施可靠的接合。
為了有利于接合，待接合部件的接合表面可以接受表面處理，以便能適當調(diào)節(jié)表面的粗糙度、活性、清潔度等，從而改善接合的可靠性?？墒褂玫谋砻嫣幚戆ㄇ逑?、純水清洗、化學蝕刻、電暈放電處理、火焰處理、等離子體處理、紫外線照射、激光照射、離子束蝕刻、濺射蝕刻、陽極氧化、機械研磨、流體研磨和吹洗至少一種。
通過相同的接合材料可以進一步將其它部件接合到所接合的結構上，其中接合材料中包含的復合金屬納米粒子形態(tài)已經(jīng)改變。
在傳統(tǒng)焊接或釬焊情況下，接合溫度等于焊接或釬焊材料的熔點。因此，當曾接合過的點被再次加熱到接合溫度或更高溫度下時，該點熔化并流體化。與此明顯相反，在利用由于金屬納米粒子熔化起始溫度和燒結溫度降低現(xiàn)象的本發(fā)明方法情況下，先前接合的部分不會被后來接合所施加的加熱所再熔化。例如，在粒徑5納米的復合銀納米粒子的情況下，一旦納米粒子在210℃或更高的溫度下加熱并接合于一起，接合部分的熔點已經(jīng)增加到塊材銀金屬的熔點，即961.93℃。因此，除非再加熱到961.93℃，接合部分不會再熔化。因此本發(fā)明方法可以進行單一模式接合。這種方法優(yōu)于傳統(tǒng)的釬焊，其必須使用具有不同熔點的釬焊材料來實施使用加熱整個部件的反流方法的逐步釬焊過程。
根據(jù)本發(fā)明的方法，通過使用相同的接合材料可以實施重復接合。當然可以使用本發(fā)明方法來將部件接合到已經(jīng)由本發(fā)明方法接合過的接合部件上。還可以將接合的部分接合于一起。因此，本發(fā)明方法可以使用反流方法來實施重復接合來將已經(jīng)使用反流方法接合過的部件彼此接合。因此，根據(jù)本發(fā)明的方法能夠尤其有利地用于電子部件的安裝中。
還可以使包含金屬核平均粒徑不超過100納米的復合金屬納米粒子作為主體接合材料的接合材料存在于結構的預定部分之間并與之接觸，每種結構由至少兩個獨立的部件組成，并且可以改變接合材料中包含的復合金屬納米粒子的形式，由此將多個結構接合于一起。
本發(fā)明還提供了另一種接合材料，用于通過在接合溫度(攝氏溫度)或更高溫度下加熱接合材料和接合材料的固化而將元件接合于一起，該材料包含復合金屬納米粒子，每個粒子包括由金屬構成的金屬核和與金屬核結合并覆蓋它的有機材料，其中所述接合材料在固化后再熔化的溫度至少高于所述接合溫度的兩倍。
本發(fā)明還提供了另一種接合材料，用于通過在接合溫度(攝氏溫度)或更高溫度下加熱接合材料并燒結接合材料而將元件接合于一起，所述接合材料在室溫下是固體或原料形式，其中所述接合材料在燒結后再熔化的溫度至少高于所述接合溫度的兩倍。
本發(fā)明還提供了另一種接合材料，用于通過在接合溫度(攝氏溫度)或更高溫度下加熱接合材料和接合材料的固化而將元件接合于一起，該材料包含復合金屬納米粒子，每個粒子包括由金屬構成的金屬核和與金屬核化學結合并覆蓋它的有機材料，所述有機材料不含氮和硫，其中所述接合材料在固化后再熔化的溫度至少高于所述接合溫度的兩倍。
金屬核的直徑優(yōu)選地為0.5到100納米。
本發(fā)明還提供了另一種接合材料，用于通過在接合溫度或更高溫度下加熱接合材料和接合材料的固化而將元件接合于一起，該材料包含通過混合金屬與無機材料結合的金屬鹽和有機材料，并且加熱混合物從而從金屬鹽中分離無機材料并用有機材料涂覆粒徑0.5～100納米的所得金屬粒子而獲得的復合金屬納米粒子。
有機材料優(yōu)選地是有機醇材料。另外，混合和加熱優(yōu)選地在非水溶劑中實施。
本發(fā)明還提供另一種接合方法，該方法包括使接合材料存在于至少兩個待接合的部件間并與之接觸，所述接合材料包含復合金屬納米粒子，每個粒子都具有使直徑0.5～100納米的金屬粒子的金屬核結合并涂覆有機材料的結構；在等于或高于有機材料分解起始溫度，但低于金屬本體熔點的溫度下加熱接合材料，從而從部件間接合材料的金屬核中釋放有機材料并且燒結金屬核，因此形成本體金屬并且接合部件得到接合的元件；使相同的接合材料存在于該元件與另一個元件之間并與之接觸；并且在等于或高于有機材料分解起始溫度，但低于金屬本體熔點的溫度下加熱接合材料，從而從部件間接合材料的金屬核中釋放有機材料并且燒結金屬核而不會熔化所述的本體金屬，因此將元件接合于一起。
本發(fā)明仍還提供了另一種接合方法，該方法包括使接合材料存在于至少兩個待接合的部件間并與之接觸，所述接合材料包含復合金屬納米粒子，每個粒子都具有使直徑0.5～100納米的金屬粒子的金屬核結合并涂覆有機材料的結構，以至于部件間的間距是接合材料中所含的金屬核大小的10～10,000倍；以及在等于或高于有機材料分解起始溫度，但低于金屬本體熔點的溫度下加熱接合材料，從而從部件間接合材料的金屬核中釋放有機材料并且燒結金屬核，由此形成本體金屬并且將部件接合于一起。
本發(fā)明還提供了一種多電極基底，用于將基底的電極接合到另一個基底的電極上，該基底包括多個電極和已經(jīng)施用到電極上的接合材料，所述接合材料包含復合金屬納米粒子作為主體接合材料，每個納米粒子都具有使直徑0.5～100納米的金屬粒子的金屬核與不含氮和硫的有機材料結合并涂覆的結構。
眾所周知，當小直徑的粒子彼此接觸并且加熱到特定溫度或更高溫度時，通常發(fā)生燒結現(xiàn)象，即粒子彼此粘接得更強并最終成為一個整體結構(參見“Metallurgy for a Million People”，edited by S.Sakui，Agne，Sep.1989，P.272-277)。隨著彼此接觸的粒子直徑降低，系統(tǒng)每單位體積的接觸點數(shù)量增加并且燒結起始溫度降低。因此，粒徑越小，越容易發(fā)生燒結。
圖13A闡明了通過在小粒子80a和80b間燒結而接合的過程，圖13B闡明了通過在小粒子80和大物體82間燒結而接合的過程(參見“Metallurgy for a Million People”，edited by S.Sakui，Agne，Sep.1989，P.272-277)。因此，在圖13A和13B中，虛線表示燒結前粒子的形式，并且實線表示燒結后粒子的形式。已經(jīng)證實構成小粒子的原子的擴散/遷移通過原子的熱活化而在表面和粒子的內(nèi)部發(fā)生，并且原子逐漸向接觸部分遷移，因此接合成功。
引起原子擴散的動力源是粒子的表面張力，其尤其在粒子之間或粒子與目標之間的接觸部分周圍的凹陷區(qū)(depressed area)中強烈作用，迫使粒子向接觸部分遷移。表面張力由在粒子表面內(nèi)儲備的表面能產(chǎn)生。系統(tǒng)中的總表面能與粒子各自表面積的總和成正比。因此，粒徑越小，總表面能越大，也就是說更容易發(fā)生燒結(參見“Metallurgyfor a Million People”，edited by S.Sakui，Agne，Sep.1989，P.272-277)。
根據(jù)本發(fā)明的復合金屬納米粒子金屬核的平均粒徑不超過100納米，優(yōu)選地不超過20納米，更優(yōu)選地不超過5納米。盡管平均核徑的最小值沒有具體限制，只要其生產(chǎn)是可能的就行，一般是約0.5納米，或者約1.0納米。以下表2表示了50納米或更小直徑的金屬納米粒子(Fe、Ag、Ni、Cu)開始燒結時的溫度(參見Ichinose et al.，“Approach to Ultrafine Particles Technology”，Ohmsha，1988，P.26-29)。
表2

如表2所示，當使用直徑20納米的銀納米粒子時，燒結在60～80℃，即近室溫的溫度下發(fā)生(低溫燒結)。這組成了根據(jù)本發(fā)明的接合機理的本質(zhì)。因此，原則上，通過選擇粒徑可以在比傳統(tǒng)焊接低很多的溫度下實施接合。此外，通過選擇溫度和其它條件，根據(jù)本發(fā)明的接合可以應用于所有類型材料的接合物體，包括金屬、塑料、陶瓷等。
用作主體接合材料的本發(fā)明復合金屬納米粒子都具有使小金屬核結合并涂覆有機材料的結構。這種復合金屬納米粒子很容易低成本地生產(chǎn)，例如通過使金屬鹽和有機材料接受熱還原來生產(chǎn)。與簡單金屬粒子相比，金屬核結合并涂覆有機材料的復合金屬納米粒子具有它們甚至在收集儲備時也不會聚結成粗粒子的巨大優(yōu)點。
如上所述，粒徑更小，粒子更容易燒結。因此，對于粒子來說非常重要且必要的是在介質(zhì)中保持均勻的分散而不聚集。金屬核結合并涂覆有機材料的復合金屬納米粒子當分散在適當?shù)娜軇┲袝r不會聚結成粗粒子，因此可以有利地用作主體接合材料。
如上文所述，根據(jù)本發(fā)明的接合機理是低溫燒結。因此，與傳統(tǒng)的焊劑接合不同，本發(fā)明的接合材料不會經(jīng)歷熔化-液化-固化的過程。
當固體(焊劑)熔化并液化時，由于液體和重力表面張力間的關系，可以發(fā)生有問題的現(xiàn)象，例如如圖20A和20B中所示的焊劑扭曲和焊劑陷落。此外，這種焊劑接合可能面臨由于液態(tài)焊球變平現(xiàn)象的電極間距窄化的極限值0.5毫米。另一方面，根據(jù)本發(fā)明的接合不使用這種熔化/液化現(xiàn)象，但是使用基本上在固相進行的燒結現(xiàn)象，因此避免了圖20A和20B中所示的問題，并且避免了由于焊球變平電極間距的窄化極限值。與根據(jù)傳統(tǒng)焊接的熔化并液化情況相比，這是因為根據(jù)本發(fā)明金屬粒子在燒結時形狀和體積的變化規(guī)模極小。因此，根據(jù)本發(fā)明，電極間距可以窄到遠小于焊劑接合的可能值。
根據(jù)本發(fā)明，可以在接近室溫的非常低濕度下進行接合。此外，一旦接合完成，接合部分不會再熔化，除非它被加熱到本體金屬的熔點。例如，當使用銀納米粒子完成接合時，為了熔化接合部分必須將接合部分加熱至至少961.93℃。因此，除非它被加熱到比接合時加熱溫度高很多的溫度，接合部分保持連接。因此，如圖23所示的逐步接合過程可以被實施而不需要順序使用具有由高到低不同熔點的焊劑材料。因此，甚至在通過逐步接合多個部件而生產(chǎn)產(chǎn)品時，可以通過使用相同的接合材料來實施接合/生產(chǎn)而不用限制部件的數(shù)量。
上述的基底優(yōu)選地被用于半導體器件的安裝?；椎膶嵗ㄓ糜诎雽w封裝件表面安裝的插槽和印刷線路基底。
本發(fā)明還提供了一種電極接合方法，該方法包括使接合材料存在于基底電極和另一個基底電極間并與之接觸，所述接合材料包含復合金屬納米粒子作為主體接合材料，每個粒子具有使平均直徑不超過100納米的金屬核與不含氮和硫的有機材料結合并涂覆的結構；以及改變接合材料中包含的復合金屬納米粒子的形式，因此將所述電極接合于一起。
本發(fā)明還提供了一種接合結構，該結構至少包括兩個借助接合部分而接合在一起的元件，所述接合部分包含具有燒結金屬結構的燒結金屬部分，所述燒結金屬部分已經(jīng)通過使接合材料存在于元件間而獲得，所述接合材料包含金屬粒子結合并涂覆有機材料的復合金屬納米粒子作為主體接合材料，以及當將其保持在預定部分時加熱或燒熱接合材料，從而將所述元件接合于一起。
在許多情況下，熔焊或釬焊的接合部分具有通過熔化金屬和隨后的固化而形成的所謂固化結構。另一方面，根據(jù)本發(fā)明的接合結構，接合結構的接合部分具有已經(jīng)形成的燒結金屬結構而不經(jīng)歷接合材料的熔化/液化。因此，防止了接合材料由于熔化引起的大的形狀和體積變化。如同后面所述，燒結指這樣的現(xiàn)象當環(huán)境溫度上升到一定溫度時，彼此接觸的細粒子開始接合于一起，并且接合部分與總質(zhì)量的比例隨時間增加，并且接合的粒子最終成為整個連續(xù)的固體。在燒結情況下，整個接合部分不會熔化和液化，因此當接合部分在宏觀上保持為固體時，接合成功并且形狀和體積沒有大的改變。
例如，可以如下獲得燒結的金屬部分使接合材料存在于元件間并與之接觸，所述接合材料包含復合金屬納米粒子作為主體接合材料，該納米粒子具有金屬粒子的金屬核結合并涂覆有機材料的結構，以及當將接合材料保持在預定部分時加熱或燒熱接合材料，從而將所述元件接合于一起。
優(yōu)選地，燒結金屬部分形成于半導體裸露芯片和基底間的接合部分、或半導體封裝件和線路基底的接合部分中。
本發(fā)明還提供了一種金屬化裝置，用于加熱或燒熱包含復合金屬納米粒子溶劑分散體的接合材料，納米粒子具有金屬粒子的金屬核結合并涂覆有機材料的結構，從而分解并蒸發(fā)有機材料并且燒結金屬粒子，由此金屬化接合材料，該金屬化裝置包括將慣性力能應用于接合材料的慣性力能施用裝置。
通過提供慣性力能施用裝置來將慣性力能量，例如搖動、振動或沖擊能應用于接合材料，可以促進從接合部分釋放分解及蒸發(fā)的有機材料。超聲波可以用于振動能的應用?？紤]到結合并覆蓋金屬核的有機材料在加熱和溫度上升期間會從固態(tài)改變到半固態(tài)或液態(tài)，然后通常蒸發(fā)并熱分解，并最終成為水蒸汽和二氧化碳。慣性力能的應用方便了加熱時從半固態(tài)和液態(tài)有機材料蒸發(fā)的氣體、以及由有機材料分解產(chǎn)生的氣體的釋放，由此改善了有機材料的去除并且通過隨后的燒結而完成金屬化。
優(yōu)選地，慣性力能施用裝置至少包括將搖動能應用于接合材料的裝置、將振動能應用于接合材料的裝置，以及將沖擊能應用于接合材料的裝置之一。
本發(fā)明還提供了另一種用于加熱或燒熱包含復合金屬納米粒子溶劑分散體的接合材料，納米粒子具有金屬粒子的金屬核結合并涂覆有機材料的結構，從而分解并蒸發(fā)有機材料并且燒結金屬粒子，因此金屬化接合材料的金屬化裝置，包括用于容納接合材料的密封室和用于使室內(nèi)脫氣的脫氣裝置。
在接合材料加熱期間，通過將接合材料容納在室內(nèi)，以及使室內(nèi)脫氣而將室保持在減壓或真空條件下，可以大幅加速氣體(有機材料)從接合部分的釋放。


圖1是闡明本發(fā)明中使用的具有金屬核結合并涂覆有機材料結構的復合金屬納米粒子的示意圖。
圖2是表示用來生產(chǎn)復合銀納米粒子的公知過程的流程圖。
圖3A到3D以過程步驟順序闡明了根據(jù)本發(fā)明實施方案的接合方法。
圖4表示Au納米粒子粒徑與熔化起始溫度間的關系。
圖5A和5B是以過程步驟順序闡明根據(jù)本發(fā)明將半導體封裝件接合到線路基底上的過程的截面圖。
圖6是表示根據(jù)本發(fā)明將半導體封裝件接合到線路基底上的過程的流程圖。
圖7是闡明在線路基底和半導體封裝件塊間接合部分實例的放大橫斷面視圖。
圖8是闡明通過根據(jù)本發(fā)明逐步接合過程而安裝半導體器件的實例的截面圖。
圖9是表示根據(jù)本發(fā)明接合元件過程的流程圖。
圖10是表示應用于接合物體上的接合材料狀態(tài)的電子顯微照片。
圖11是表示使用包含復合銀納米粒子的接合材料作為主體接合材料而在具有細溝槽的線路基底上形成的銀層狀態(tài)的電子顯微照片。
圖12是闡明根據(jù)本發(fā)明的接合結構的示意圖。
圖13A是闡明在小粒子間燒結接合過程的示意圖。
圖13B是闡明在小粒子和大物體間燒結接合過程的示意圖。
圖14A是闡明燒結過程中金屬結構的示意圖。
圖14B是闡明完成接合后接合部分的金屬結構的示意圖。
圖15是根據(jù)本發(fā)明實施方案的金屬化裝置的示意圖。
圖16表示了對于使用包含復合銀納米粒子的接合材料作為主體接合材料且以銀材料作為聚集體，并且已經(jīng)通過圖15中的金屬化裝置以層壓方式接合的接合銅板而觀察到的剪切接合強度和加熱時間之間的關系。
圖17是闡明在包括金屬化裝置的連續(xù)半導體封裝件安裝系統(tǒng)中的過程實例的流程圖。
圖18A是表示通過金屬化裝置在Si基底上金屬化包含復合銀納米粒子的接合材料而形成的包埋在0.4微米寬溝槽內(nèi)的銀層狀態(tài)電子顯微照片。
圖18B是表示通過金屬化裝置在Si基底上金屬化包含復合銀納米粒子的接合材料而形成的包埋在0.15微米寬溝槽內(nèi)的銀層狀態(tài)電子顯微照片。
圖19是闡明在傳統(tǒng)焊接中觀察到的在焊球熔化/液化時焊球變平現(xiàn)象的圖。
圖20A是闡明在傳統(tǒng)焊接中觀察到的焊球接合扭曲現(xiàn)象的圖。
圖20B是闡明在傳統(tǒng)焊接中觀察到的焊球接合陷落現(xiàn)象的圖。
圖21A到21E是按過程步驟順序闡明電學接觸傳統(tǒng)焊接過程的圖。
圖22是闡明另一個電學接觸傳統(tǒng)焊接過程的圖。
圖23是闡明傳統(tǒng)逐步接合的圖。
具體實施例方式
現(xiàn)在參照相關附圖來詳細地描述本發(fā)明的優(yōu)選實施方案。
根據(jù)本發(fā)明如圖1所示的接合材料，制備復合金屬納米粒子14，每個粒子包括基本上由金屬組分構成的金屬核10和由包含C、H和/或O作為主要組分的有機材料構成的結合/涂覆層12(有機材料層)。因為金屬核10用由有機材料構成的結合/涂覆層12覆蓋，所以復合金屬納米粒子14是穩(wěn)定的，并且在溶劑中具有低的聚結趨勢。
每個復合金屬納米粒子14由有機材料和金屬組分構成，金屬組分源于作為原材料的金屬鹽，例如碳酸鹽、甲酸鹽或乙酸鹽。復合金屬納米粒子14的中央部分由圍繞著結合有機材料的金屬組分構成。有機材料和金屬組分被整體結合，它們中部分或者所有被接合于一起。不同于傳統(tǒng)通過涂覆表面活性劑而穩(wěn)定的納米粒子，復合金屬納米粒子14具有高的穩(wěn)定性，并且甚至在更高的金屬濃度下也是穩(wěn)定的。
復合金屬納米粒子14的金屬核10的平均粒徑通常不超過100納米，優(yōu)選地不超過20納米，更優(yōu)選地不超過10納米，最優(yōu)選地不超過5納米。例如，結合/涂覆層12的高度h約為1.5納米。金屬核10的最小平均粒徑d可以是任何最小的可能值，并且沒有特別地限制，但是最小值通常約為0.5納米，優(yōu)選約為1.0納米。通過使用這種粒子，可能在遠低于金屬核10金屬熔點的溫度下熔化金屬核10，從而可以進行低溫燒結。例如，在具有約5納米粒徑的團聚銀納米粒子的情況中，燒結(熔化接合)起始溫度約為210℃，并且銀納米粒子可以通過在等于或高于熔化起始溫度的溫度下加熱來熔化接合。
例如，可以通過在不低于金屬鹽的分解還原溫度，但低于結合有機材料分解溫度的溫度下在結合有機材料的存在下于非水溶劑中加熱金屬鹽，如碳酸鹽、甲酸鹽或乙酸鹽來生產(chǎn)復合金屬納米粒子14。作為金屬組分，例如可以使用Ag、Au或Pd。作為結合有機材料，例如可以使用具有5個或更多個碳原子的脂肪酸，或者具有8個或更多個碳原子的醇。
加熱溫度不低于金屬鹽，例如碳酸鹽、甲酸鹽或乙酸鹽的分解還原溫度，但低于結合有機材料的分解溫度。例如在乙酸銀情況下，分解還原溫度為200℃。因此，可以在不低于200℃的溫度下保持乙酸銀，并且在該溫度下結合有機材料不會分解。在此情況下，為了使結合有機材料難于分解，加熱氣氛優(yōu)選地是惰性氣體氣氛。但是通過選擇非水溶劑甚至可以在空氣中進行加熱。
加熱時可以加入醇，從而促進反應。只要醇能產(chǎn)生促進反應的作用，它沒有特別限制。醇的具體實例包括月桂醇、甘油和乙二醇。醇的量可以根據(jù)醇的類型等來按需確定。通常，對于100重量份金屬鹽，可以以約5～20重量份，優(yōu)選地5～10重量份的量來加入醇。
在完成加熱后，通過公知的純化方法來實施純化。例如純化方法可以是離心、膜純化，或者溶劑萃取。
如圖2所示，可以通過例如用氫氧化鈉皂化肉豆蔻醚酸、硬脂酸或油酸，接著與硝酸銀反應制備直鏈脂肪酸(烷基鏈碳的數(shù)量為例如14或18)的銀鹽，并且在氮氣氣氛中于約250℃加熱4小時，接著純化的方法來低成本地生產(chǎn)復合銀納米粒子(復合金屬納米粒子)14，銀納米粒子14具有粒徑例如約5納米以超細團聚銀作為簡單物質(zhì)的金屬核10(銀粒子)用有機材料結合并涂覆的結構，例如烷基鏈殼(結合/涂覆層)12。
此外，雖然沒有圖表顯示，但另一種生產(chǎn)方法包括在不低于硝酸銀的分解還原溫度但低于離子性有機材料分解溫度的約240℃的溫度下，并在油酸(離子性有機材料)存在下和環(huán)酸高沸點溶劑(非水溶劑)中加熱硝酸銀(金屬鹽)3小時，從而生產(chǎn)用離子性有機材料結合并涂覆的復合銀納米粒子。
為了制備接合材料，復合金屬納米粒子14被分散在有機溶劑中，例如甲苯、二甲苯、己烷、辛烷、癸烷、環(huán)己烷、蒎烯、苧烯或乙二醇。因為有機材料層12起著用于保護金屬核10的保護性涂層作用，所以具有金屬核10表面用結合/涂覆層(有機層)12涂覆結構的復合金屬納米粒子14可以穩(wěn)定的分散在溶劑中，并且作為分散微粒是高度穩(wěn)定的。因此，可以獲得液體接合材料，其中可以在低溫下燒結并熔接的主體接合材料(復合金屬納米粒子14)被均勻地分散。
通過在有機溶劑中分散復合金屬納米粒子14，使金屬部分與總液體的重量比在1～85％的范圍內(nèi)，并且根據(jù)需要向分散流體中添加分散劑或凝結劑，可以獲得加熱時具有所需流動性的液體接合材料，其中可以在低溫下燒結并熔接的主體接合材料(復合金屬納米粒子14)被均勻地分散。如果復合金屬納米粒子14的金屬部分與總液體的重量比超過85％，則液體接合材料的流動性顯著降低。當用這種液體接合材料填充小間距時，可以發(fā)生不完全的填充。
如果復合金屬納米粒子14的金屬部分與總液體的重量比低于1％，由于接合材料中太多的有機組分含量，燒結時的脫氣可能是不足的，從而在接合層中引起缺陷。
通過在有機溶劑中分散復合金屬納米粒子14，使金屬部分與總液體的重量比優(yōu)選在15～90％的范圍內(nèi)，并且根據(jù)需要向分散流體中添加分散劑或凝結劑，而且將分散液制成淤漿、糊或膏形式，可以獲得加熱時具有所需流動性的淤漿、糊或膏形式的接合材料，其中可以在低溫下燒結并熔接的主體接合材料(復合金屬納米粒子14)被均勻地分散。
通過在有機溶劑中分散復合金屬納米粒子14，使金屬部分與總焊接材料的重量比優(yōu)選在20～95％的范圍內(nèi)，并且根據(jù)需要向分散流體中添加分散劑或凝結劑，而且或者將分散液固化成許多種形狀，例如條、線或球，或者將分散液半固化成凍狀形式，制成淤漿、糊或膏形式，可以獲得加熱時具有所需流動性的固體或半固體接合材料，其中可以在低溫下燒結并熔接的主體接合材料(復合金屬納米粒子14)被均勻地分散。
根據(jù)所需，可以單獨或者組合地向接合材料中加入并且均勻分散粒徑0.1到10微米，優(yōu)選地0.1到1.0微米的聚集體，例如金屬材料、塑料材料、或者除金屬或塑料材料之外的無機材料。這種聚集體的添加可以給接合材料賦予許多單獨使用復合金屬納米粒子時所不具有的性質(zhì)。
金屬材料，例如Al、Cu、Mg、Fe、Ni、Au、Ag、Pd或Pt可以用作聚集體。使用這種具有極好導電性的金屬材料作為聚集體可以保證接合材料的穩(wěn)定導電性。
這些接合材料不同形式聚集體的含量上限列于前述的表1中。當聚集體的含量超過各自的上限時，加熱時接合材料的流動性顯著降低。當用這種液體接合材料填充小空間時，可以發(fā)生不完全的填充。通過使總接合材料中聚集體的體積含量落在表1限定的范圍內(nèi)時，可以提供具有所需流動性的接合材料，其中可以在低溫下燒結并熔接的主體接合材料(復合金屬納米粒子)和聚集體可以以適當?shù)谋壤旌稀?br> 現(xiàn)在參照圖3A到3D來描述使用上述接合材料通過俯焊方法將半導體器件(半導體芯片)接合到陶瓷線路基底上的實例。此處，使用具有5納米大小團聚銀金屬核10的復合銀納米粒子作為復合金屬納米粒子14。
首先，如圖3A所示，接合材料例如糊形式，被應用到陶瓷線路基底20的端電極22的預定部分上，從而形成高約2微米且主要由復合金屬納米粒子14構成的復合金屬本體24。
因為分散的復合金屬納米粒子14的精細度，在復合金屬納米粒子14被分散在溶劑中時這種復合金屬本體24幾乎是透明的。接合材料的物理性質(zhì)，例如表面張力和粘度，可以通過選擇溶劑的類型、復合金屬納米粒子的濃度、溫度等來調(diào)節(jié)。
接下來，如圖3B所示，使用半導體器件30被面向下地保持在前面的俯焊方法，相對復合金屬本體24，以所謂倒裝芯片的方式實施半導體器件30電極極板部分的定位，從而將半導體器件30的電極極板部分接合到復合金屬本體24。此外，根據(jù)所需，接合水準(leveling)還受半導體器件30重量的影響。當然，也可以使用面向上的方法。
在復合銀納米粒子的情況下，如圖3C所示，在210～250℃下在熱風爐中進行低溫燒結30分鐘，從而借助銀接合層32將半導體器件30的電極極板部分接合到線路基底20的端電極22上。具體地說，復合金屬本體24中所含的溶劑，例如甲苯，被蒸發(fā)，并且在結合/涂覆層(有機材料層)12(見圖1)從金屬核(銀納米粒子)10中釋放的溫度下，或者在等于或高于結合/涂覆層12自身分解溫度的溫度下加熱復合金屬本體24主體組分的復合金屬納米粒子14，從而從金屬核10中釋放結合/涂覆層12，或者分解結合/涂覆層12以使之蒸發(fā)。因此，金屬核(銀納米粒子)10彼此直接接觸并且被燒結形成銀層，而且半導體器件30的電極極板部分和線路基底20的端電極22與銀層，即接合層32直接接觸并且接合到接合層32上。結果，借助銀接合層32，半導體器件30的電極極板部分和線路基底20的端電極22被接合到一起。
因此，通過例如在210～250℃下的低溫燒結而將半導體器件接合到線路基底上，可以施用能夠代替?zhèn)鹘y(tǒng)焊劑接合的無鉛接合。
此外，如上所述，接合部分的熔化溫度遠高于接合溫度。這就提供了在接合后不同部件可以在相同溫度或者甚至更高的溫度下被接合任何數(shù)量次的優(yōu)點。
另外，如上所述，通過使用包含具有高導電性的金屬材料作為聚集體的接合材料，可以保證接合材料的高導電性，并因此增強了半導體器件安裝的可靠性。當使用包含金屬材料的接合材料時，伴隨著復合金屬納米粒子形式的上述改變，復合金屬納米粒子與聚集體(金屬材料)的表面直接接觸并被接合到聚集體上。這還適用于塑料材料或者例如陶瓷材料的無機材料。
當將半導體器件30a也接合到陶瓷線路基底20的背面時，如圖3D所示，接合材料，例如糊形式，被應用到陶瓷線路基底20端電極22a的預定部分，從而形成復合金屬本體24a。此后，當使用復合銀納米粒子時，例如在200～250℃，特別是210～250℃下在熱風爐中進行低溫燒結30分鐘，從而借助銀接合層32a將半導體器件30a的電極極板部分接合到線路基底20的端電極22a上。
在半導體器件30a的后面接合時，前面形成的銀接合層32部分的性質(zhì)已經(jīng)轉(zhuǎn)化成與本體金屬相同的性質(zhì)，其中復合金屬納米粒子已經(jīng)在燒結時改變其形態(tài)。具體地說，接合層32具有與本體金屬相同的熔點，即961.93℃。一旦金屬粒子被接合于一起或者燒結時，除非被加熱到961.93℃或者更高的溫度下接合層32不會熔化。因此，在將半導體器件30a接合到陶瓷線路基底20的背面上時，接合層32在加熱時不會熔化。因此，該接合材料提供了一種用于需要高溫接合的重復接合的理想接合材料。
糊形式的接合材料不僅可以通過簡單涂覆來實施，還可以通過其它的方法來實施，例如噴涂、刷涂、浸涂、旋涂、調(diào)劑、絲網(wǎng)印刷、或者轉(zhuǎn)移印刷。
該實施方案的接合方法基本上可以在所有類型材料，即金屬、塑料和例如陶瓷的無機材料的部件，包括相同類型材料部件和不同類型材料部件之間起到接合作用。
盡管在該實施方案中，改變接合中所含復合金屬納米粒子形態(tài)的能量應用可以通過利用熱風爐的加熱(低溫燒結)來實施，但能量應用可以通過任何其它方法來實施，例如能量束、粒子束照射的局部加熱、部件間通電、部件的傳導加熱或者介質(zhì)加熱等。在通過能量應用而改變形態(tài)時，復合金屬納米粒子被彼此接合、接合到金屬材料或者其它添加物上，或者通過燒結和/或熔化接合到許多接合的物體上。
根據(jù)本發(fā)明的接合方法，加熱溫度被限制到400℃?，F(xiàn)在參照圖4來描述限制接合時加熱溫度的原因，圖4闡明了實踐中常用的貴金屬納米粒子粒徑與熔化起始溫度間的關系。
如圖4所示，當Au納米粒子粒徑降低到小于10納米時，熔化接合起始溫度出現(xiàn)劇烈的降低。例如，當粒徑為2納米時，溫度低達約120℃。另一方面，在高于400℃的溫度下加熱將導致半導體器件或其它電子部件的顯著惡化或傷害。從上述的觀點來看，加熱溫度的上限被確定為400℃。
接合在空氣、干燥空氣、惰性氣體氣氛、真空、或者降低煙霧的氣氛中實施。具體地說，通過在清潔氣氛中實施，接合前的接合表面可以阻止被煙霧，例如礦物油、脂肪和油類、溶劑、水等污染、并且阻止在空氣中散射和浮動。
在接合前，上述部件的接合表面可以接受表面處理，例如用有機溶劑或純水清洗/脫脂、超聲清洗、化學蝕刻、電暈放電處理、火焰處理、等離子體處理、紫外線照射、激光照射、離子束蝕刻、濺射蝕刻、陽極氧化、機械研磨、流體研磨和吹洗。
如此通過在接合步驟前除去待接合元件表面上的污染物和外來物質(zhì)或者改變表面的粗糙度，可以產(chǎn)生適于接合的表面形貌。
如上文所述，本發(fā)明提供了不使用鉛并且能夠代替高溫接合的接合材料和接合方法。
現(xiàn)在參照圖5A、5B和圖6來描述使用上述接合將半導體封裝件接合到線路基底上的過程。在焊劑接合中，通常實行下面三種類型的接合過程(1)烙鐵接合；(2)流體接合；和(3)反流接合(參見“Storyof Soldering”，Japanese Standards Association，2001，P.65-74)。另一方面，本發(fā)明的過程基本上包括使接合材料存在于接合對象的必要部分并與之接觸，然后加熱并燒結接合從而起到接合作用。
根據(jù)該實施方案，如同圖1所示的復合金屬納米粒子14，使用具有5納米平均粒徑的團聚銀納米粒子作為金屬核10的復合銀納米粒子。首先，復合金屬納米粒子(復合銀納米粒子)14被分散在溶劑中，例如己烷或甲苯中，作為聚集體的30～300納米的銀納米粒子與分散液混合來制備可以通過印刷而臨時固定的粘性膏狀接合材料。
此后，如圖5A所示，例如通過絲網(wǎng)印刷將接合材料40應用到線路基底42的預定位置(電極)上。接下來，如圖5B所示，背面以格構式安置有接觸塊(電極)44的半導體封裝件46被定位并安裝到線路基底42上。然后，加熱裝配體引發(fā)低溫燒結，由此將半導體封裝件46接合并固定到線路基底42上。具體地說，蒸發(fā)接合材料40中所含例如甲苯的溶劑，并且在結合/涂覆層(有機層)12從金屬核(銀納米粒子)10中釋放的溫度下，或者在等于或高于結合/涂覆層12自身分解溫度的溫度下加熱接合材料40主體組分的復合金屬納米粒子14，由此從金屬核10中釋放結合/涂覆層12，或者分解結合/涂覆層12以使之蒸發(fā)。因此，金屬核(銀納米粒子)10彼此直接接觸并且被燒結形成銀接合層，而且半導體封裝件46的接觸塊44和線路基底42的電極與銀接合層直接接觸并且接合到銀接合層上。結果，借助銀接合層32，半導體封裝件46的接觸塊44和線路基底42的電極被接合到一起。
已經(jīng)證實當使用包含平均粒徑d為5納米的銀納米粒子金屬核的主體接合材料時，可以在300℃和3分鐘的加熱條件下起到充分的接合作用。因此通過例如在300℃下的低溫燒結而將半導體封裝件46的接觸塊44接合到線路基底42的電極上，可以施用能夠代替?zhèn)鹘y(tǒng)焊劑接合的無鉛接合。
實驗已經(jīng)證實當使用絲網(wǎng)印刷方法時，接合材料40的焊點尺寸S和焊點間距P都可以窄到約30微米。因此，與傳統(tǒng)BGA封裝中焊球變窄的極限值0.5毫米相比，可以實現(xiàn)小于十分之一的窄化。因此本發(fā)明的接合過程可以實現(xiàn)顯著更高密度的線路，對半導體器件的高密度安裝貢獻很大。
表3表示根據(jù)本發(fā)明方法和傳統(tǒng)精密焊接對于電極實際采取的焊點間距的最小值。
表3

如上所述，根據(jù)傳統(tǒng)精密焊接，QFP封裝引線間距的最小極限值(極限焊點間距)是0.3毫米，并且BGA封裝，包括CSP封裝和LGA封裝，焊球間距的極限值(極限焊點間距)是0.5毫米。另一方面，根據(jù)本發(fā)明，接合材料焊點間距的極限值可以窄到30微米。
圖7表示半導體封裝件46接觸塊44和線路基底42接合部分的放大示意圖。如圖7所示，可以以在接合材料40、40間形成脫氣溝槽48的狀態(tài)將接合材料40應用到線路基底42上。這很容易釋放從接合材料40中所含的有機溶劑中蒸發(fā)的氣體和由與金屬核結合并覆蓋的有機材料分解所產(chǎn)生的氣體。因此與不提供脫氣溝槽48的情況相比，提供脫氣溝槽48可以改善氣體的可釋放性，并且因此可以獲得較低溫度和較短時間的燒結，這對于實際操作是非常有利的。
圖8闡明了當借助插槽52接合并固定到線路基底42上時大功率組件50、高電流密度半導體器件的狀態(tài)。因為其間隔的高電流密度，圖8所示的大功率組件50可能由于其自身發(fā)熱和升溫而遭受大的熱形變。在大功率組件50和線路基底42間插入插槽52降低了由于大功率組件50和線路基底42間熱膨脹的差異而引起的熱應力，因而避免了熱沖擊和熱疲勞對部件的傷害。
根據(jù)該實施方案，與前面的實施方案一樣，接合材料首先通過例如絲網(wǎng)印刷被應用到插槽52表面的預定位置(電極)上。背面以格構式安置有接觸塊(電極)54的大功率組件50被定位并安裝插槽52上。此后，例如在300℃下實施3分鐘的接合材料低溫燒結，從而借助接合層56將插槽52的電極接合到大功率組件50的接觸塊54上，因此將大功率組件50安裝到插槽52的上表面。接下來，例如通過絲網(wǎng)印刷將接合材料被應用到線路基底42的預定部分(電極)上。背面以格構式安置有接觸塊(電極)58的插槽52被定位并安裝到線路基底42上。此后，例如在300℃下實施3分鐘的接合材料低溫燒結，從而借助接合層60將的線路基底42的電極接合到插槽52的接觸塊58上，因此將插槽52安裝到線路基底42上。
在需要兩步焊劑接合的情況中，對于大功率組件50和插槽52間的接合，傳統(tǒng)上被迫使用Sn(5％)-Pb(95％)高溫焊劑。此外如前所述，發(fā)展無鉛高溫也沒有前景。因此試圖尋找一種符合環(huán)境保護法則和規(guī)章的接合方法已經(jīng)停止不前。
可以任何次數(shù)使用相同接合材料的本發(fā)明方法能夠解決上述問題。因此，在后來的接合步驟時，前面形成的銀等焊層56的性質(zhì)已經(jīng)轉(zhuǎn)變成與本體金屬相同的性質(zhì)，焊層中復合金屬納米粒子在燒結時其形態(tài)已經(jīng)改變。具體地說，焊層56具有與本體金屬相同的熔點，即961.93℃。一旦金屬粒子被燒結，除非被加熱到961.93℃或者更高的溫度下接合層56不會熔化。因此在第二步接合中焊層56在加熱時不會熔化。因此接合材料為需要高溫接合的重復接合供了理想的接合材料。
如上文所述，本發(fā)明方法能響應例如半導體器件安裝技術中更高集成度和更高密度的需求。此外，通過使用無鉛接合材料可以實施例如逐步接合過程的第一步接合。
現(xiàn)在參照圖9來描述接合元件的過程實施例。在該實施例中使用以上述方式制備的復合銀納米粒子(復合金屬納米粒子)14，銀納米粒子具有粒徑例如約5納米以超細團聚銀作為簡單物質(zhì)的金屬核10(銀粒子)用有機材料結合并涂覆的結構，例如烷基鏈殼(結合/涂覆層)12。
首先，復合銀納米粒子(復合金屬納米粒子)14，每個粒子包含結合并涂覆結合/涂覆層(烷基鏈殼)12的金屬核10，被在包含有機溶劑、液體聚合物材料、水和醇的一種或多種的溶劑中混合并分散，而且如果需要，加入金屬、塑料或無機材料并與分散液混合，從而制備液體或糊形態(tài)的接合材料。
例如，通過涂覆接合材料與一般待接合的金屬元件的接合部分接觸，并且使之存在于元件之間。圖10表示了應用到元件表面上的接合材料的狀態(tài)。從圖10中可以看出，復合銀納米粒子被均勻地分散在溶劑中，而各個粒子并沒有相互接觸。
此后，如圖12所示，當元件接合部分間的距離被保持在預定值或更低的值時，接合材料被加熱到例如200～300℃下，從而燒結接合材料，因而借助由接合結構的銀層構成的接合部分(燒結金屬部分)70，將元件72接合于一起。具體地說，公知結合/涂覆層(烷基鏈殼)12通過在約200℃下加熱熱分解和蒸發(fā)而消耗。因此，當在200到300℃下燒結接合材料時，圍繞著金屬核10的結合/涂覆層(烷基鏈殼)12消耗了，而金屬核10彼此直接接觸并且被燒結形成銀層。此外，低溫燒結通過銀層和待接合元件72的各表面間的接觸而發(fā)生。結果，借助接合部分(燒結金屬部分)70，元件72被接合到一起。
我們認為銀納米粒子通過由極細顆粒引起的低溫燒結現(xiàn)象而被接合到一起形成整個銀的燒結結構。此外，一般而言，低溫燒結還通過銀納米粒子與甚至一個不是銀的元件間的接觸來發(fā)生，如同在銀納米粒子間一樣，因而實施了銀納米粒子與接合元件間的接合。
因為金屬核10用結合/涂覆層(烷基鏈殼)12涂覆，所以用作主體接合材料的復合銀納米粒子在元件72的接合過程之前不可能聚結成粗粒子。因此，在接合期間銀納米粒子能甚至能進入非常細的間距中起到充分的填充作用，從而能夠可靠的接合。
圖11表示了在具有寬度和深度均約為1微米的溝槽的基底表面上形成的銀層的狀態(tài)。從圖11中明顯可見，基底表面上的細溝槽被銀層完全填充而沒有空隙。另外，因為接合處理溫度低達200到300℃，所以不同于熔接和高溫釬焊，接合操作不會引起元件72的過度熱變形或扭曲。這在精確元件或物件的生產(chǎn)中是尤其有利的。
現(xiàn)在將描述由燒結形成的燒結結構。開始時將解釋燒結行為—接合的本質(zhì)機理。圖13A闡明了在小粒子80a和80b間燒結接合的過程，并且圖13B闡明了在小粒子80和大物體82間燒結接合的過程(參見“Metallurgy for a Million People”，edited by S.Sakui，Agne，Sep.1989，P.272-277)。因此，在圖13A和13B中，虛線表示燒結前粒子的形式，并且實線表示燒結后粒子的形式。
我們認為本發(fā)明銀納米粒子間的接合基本上是由構成各個納米粒子的原子和物質(zhì)通過表面擴散和體積擴散向彼此接觸的銀固體接觸部分的遷移引起的。如圖1所示，作為主體接合材料的復合銀納米粒子的金屬核10與有機材料結合/涂覆層(烷基鏈殼)12結合并涂覆。通過加熱和升溫，結合/涂覆層(烷基鏈殼)12被分散并蒸發(fā)，因而金屬核10在局部彼此直接接觸。燒結從接觸部分開始，如圖13A所示。引起燒結的能源是材料內(nèi)部固有的表面張力，表面張力降低了粒子間接觸部分的凹陷部分的表面積。如圖13B所示，對于粒子與接合物體間的接觸這也是正確的。
上述的行為被認為是燒結的物理機理。隨著粒子變小，該行為趨向于更精確。這是由于作為材料遷移驅(qū)動力的表面張力在粒子表面以表面能被存儲，并且總能量與粒子各自表面積的總和成正比，而且每個粒子越小，總的表面積越大，也就是說，所有粒子表面內(nèi)儲備的總表面能越大(參見“Metallurgy for a Million People”，edited by S.Sakui，Agne，Sep.1989，P.277)。
因此，對于極細的粒子很容易發(fā)生燒結。所以與正常材料相比，燒結在低得多的溫度下發(fā)生(低溫燒結)。
作為上述燒結現(xiàn)象的結果，圖12中所示的接合部分70具有燒結的金屬結構。這表示明顯不同于所謂的熔融接合，例如熔接和釬焊，因為熔融接合中接合部分曾被局部熔融并且通過隨后立即冷卻固化而完成接合。因此，在已經(jīng)經(jīng)歷熔接或釬焊的部分中必需存在固化的結構，而這種結構在根據(jù)本發(fā)明的接合部分是不存在的。在根據(jù)本發(fā)明的接合部分中，在晶粒間形成了晶格空位結點和空隙，這是燒結結構的特征。另外，與塊材相比晶粒大小趨向于更小。
圖14A闡明了在晶粒界限92上和晶粒90內(nèi)存在著燒結過程中的金屬結構，其中晶粒90的大小約為50納米，這是燒結體的特征。作為原子劇烈擴散的結果，晶粒界限92上空隙94隨著燒結的進行而減小并且?guī)缀跸?。晶?0內(nèi)的空隙94在長的時間后也減小(參見“Metallurgy for a Million People”，edited by S.Sakui，Agne，Sep.1989，P.278)。
圖14B表示通過使用上述的復合銀納米粒子作為主體接合材料接合0.3毫米厚銅板使接合部分具有約20微米的厚度，從而獲得接合部分的金屬結構。同圖14A一樣，從圖14B中可以看出在晶粒90內(nèi)和晶粒界限92上存在著燒結期間不可避免地形成的空隙。
當使用上述的復合銀納米粒子作為主體接合材料時，根據(jù)本發(fā)明實施接合的最優(yōu)溫度被證明是210到300℃。此外，實驗已經(jīng)證實當在例如300℃下實施3分鐘接合時，晶粒生長到5到200納米的大小，并且具有接合結構的接合部分具有工業(yè)上足夠的機械和電學性質(zhì)。
如上文所述，根據(jù)本發(fā)明，可以通過低溫過程獲得具有工業(yè)上充足性能的接合部分，該部分具有燒結的金屬結構并且可以滿足不同機械和電學性質(zhì)需求。因此，不同于具有使用焊劑或釬焊材料通過熔焊而形成的熔融/固化結構的接合部分，本發(fā)明的接合部分可以在逐步接合過程中避免諸如再熔化和熱變形的問題。
圖15表示根據(jù)本發(fā)明實施方案的金屬化裝置。金屬化裝置包括密封室110，入口通道112和出口通道114通過門閥116a、116b被打開/關閉式地與其連接。在室110、入口通道112和出口通道114中線性地安排傳送帶118a、118b和118c。
在室110中，用于將處理物體P放置并保持在其上面的夾具120被安置在傳送帶118a的運動路線上。夾具120可以垂直移動，并且作為慣性力能施用裝置與垂直可移動的振動裝置122的上端偶合。振動裝置122用柔性密封材料124密封。在室110的吊頂面上，裝備有加熱器126和風扇128，彼此緊密安排，從而使熱空氣可以吹向放置并保持在夾具120上的處理物體P上。此外，延伸到真空泵130上的真空管132與室110連接。真空泵130和真空管132構成了脫氣裝置134，用來將室110保持在減壓或真空條件下。真空管132裝備有用來測量室110內(nèi)壓力的壓力計136。
金屬化裝置用于加熱并燒熱包含復合金屬納米粒子溶劑分散體的接合材料，從而分解并蒸發(fā)有機材料而且燒結金屬納米粒子，從而使接合材料金屬化，接合材料已經(jīng)通過結合并涂覆有機材料來生產(chǎn)。
下文描述處理物體P由半導體器件140，例如通常用作半導體封裝的QFP(方形扁平封裝)，和線路基底142構成，并且使接合材料146存在于半導體器件140的引線144和線路基底142的電極之間，而且接合材料146被金屬化從而將半導體器件140安裝到線路基底142上的情況。
最初描述使用接合材料將半導體器件140接合(表面安裝)到線路基底142上的過程，接合材料包含具有平均粒徑為5納米的團聚銀納米粒子金屬核10的復合銀納米粒子作為復合金屬納米粒子14(參見圖1)。首先，復合金屬納米粒子(復合銀納米粒子)14被分散在溶劑，例如己烷或甲苯中，并且30～300納米的銀粒子作為聚集體與分散液混合，從而制備具有足以通過印刷而被臨時固定的粘度的膏狀接合材料146。
此后，接合材料146例如通過絲網(wǎng)印刷而被應用到線路基底142的預定部分(電極)上。帶有引線144的半導體器件140被定位并安裝到線路基底142上。然后，加熱裝配體引發(fā)低溫燒結，從而將半導體器件140接合并固定到線路基底142上。具體地說，蒸發(fā)接合材料146中所含例如甲苯的溶劑，并且在結合/涂覆層(有機層)12從金屬核(銀納米粒子)10中釋放的溫度下，或者在等于或高于結合/涂覆層12自身分解溫度的溫度下加熱接合材料146主體組分的復合金屬納米粒子14，因而從金屬核10中釋放結合/涂覆層12，或者分解結合/涂覆層12以使之蒸發(fā)。因此，金屬核(銀納米粒子)10彼此直接接觸并且燒結形成銀層，而且半導體器件140的引線144和線路基底142的電極與作為接合層的銀層直接接觸，并且被接合到銀接合層上。結果，借助銀接合層，半導體器件140的引線144和線路基底142的電極被接合到一起。
已經(jīng)證實當使用包含平均粒徑d為5納米的銀納米粒子金屬核的主體接合材料時，可以在300℃和3分鐘內(nèi)的加熱條件下起到充分的接合作用。因此通過例如在約300℃的低溫燒結而將半導體器件140的引線144接合到線路基底142的電極上，可以施用能夠代替?zhèn)鹘y(tǒng)焊劑接合的無鉛接合。
接下來描述通過使用圖15中所示的金屬化裝置而進行的金屬化處理。
首先，包含半導體器件140和線路基底142的待處理物體P被裝載到入口通道112的傳送帶118b上，并且使傳送帶118a、118b運行，同時打開門閥116，從而將加熱的物體P傳送到夾具120上，然后關閉門閥116a。通過連續(xù)操作加熱器126和風扇128，熱風被吹向夾具120上的待處理物體P上，從而在預定溫度下加熱整個待處理的物體P，包括接合材料146。加熱期間，開動真空泵130使室110保持在減壓或真空條件下，同時開動振動裝置122，將慣性力能提供給整個待處理的物體P，包括接合材料146。
從已經(jīng)通過升溫而液化的有機材料所產(chǎn)生的蒸汽和有機材料分解產(chǎn)生的氣體在真空排空和振動能的幫助下會打破環(huán)境束縛并積極離去，而且通過室110內(nèi)的空間被吸收并排空入真空泵130。結果，有機材料的分解和蒸發(fā)變得更活性。通過開動真空泵130，室110內(nèi)的壓力被保持在低于大氣壓(760托)，但高于1×10-3托的適當值，從而促進氣體的釋放。
此外，應用適當?shù)恼駝幽?頻率和振幅)會加速材料在半熔融或液態(tài)有機材料內(nèi)的遷移，這也促進了有機材料的釋放。
在實施金屬化處理預定長時間后，停止真空泵130和振動裝置122，并且打開門閥116b。此后，使傳送帶118a、118b運行從而在處理后將處理物體P傳送到下一過程步驟。
盡管在該實施方案中提供了作為慣性力能施用裝置的振動裝置122和脫氣裝置134，但也可以僅提供他們之一。甚至在這種情況下也可以一定程度獲得脫氣促進作用。另外，代替振動裝置122，可以使用用于將搖動能應用于接合材料的裝置或者將沖擊能應用于接合材料的裝置來作為慣性力能施用裝置。這種慣性力能施用裝置可以多個組合使用。
通過金屬化裝置使用復合金屬納米粒子作為主體接合材料的接合操作例如可以實施(1)將裸露的半導體芯片安裝到插槽等上，及(2)將半導體封裝件安裝到線路基底上。這就打破了被迫使用包含高濃度Pb的焊劑材料的傳統(tǒng)限制。
此外，除了半導體產(chǎn)品外，對于通常使用高溫釬焊來接合的一般釬焊結構(熱交換器、飛行器部件等)，通過使用本實施方案的金屬化裝置，接合可以在低得多的溫度下進行。因此，接合部分或結構沒有經(jīng)常在高溫下發(fā)生的熱變形、熱扭曲和熱應力的問題。此外，接合部分或結構具有一旦通過低溫燒結完成接合，除非被加熱到接合材料中所用金屬的熔點下接合部分不會熔化的優(yōu)點。
圖16表示了剪切接合強度和加熱時間之間的關系，該關系是使用包含復合銀納米粒子的接合材料作為主體接合材料且以銀材料作為聚集體，對于已經(jīng)通過圖15中的金屬化裝置以層壓方式接合的接合銅板而實驗確定的。
從圖16中可見，當在300℃下燒結10分鐘時，可以獲得71Kgf/cm2的最大接合強度。假定現(xiàn)在必要的剪切接合強度值為150Kgf/cm2的一半(對于焊劑接合到導電極板上的引線來說這是必要的拉伸接合強度)作為接合強度的指標(index)(參見Sugishita，“Methodfor Evaluation of Thick Film Paste”，The Nikkan Kogyo Shimbun，1985，P.54-55；and Fukuoka，“First Elextronics Mounting Technology”，KogyoChosakai Publishing，2000，P.89-91)，則上述通過燒結獲得的接合強度幾乎能達到71Kgf/cm2的水平，對于半導體器件的拉起(pull-up)型接合這是必要的接合強度。
對于將例如負荷(bear)半導體芯片接合到插槽等上，尤其是對于小尺寸薄的線路基底生產(chǎn)，最近經(jīng)常使用室溫壓力接合來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的精密焊接技術。當通過壓力接合來生產(chǎn)小且薄的線路基底時，對負荷芯片(bear chip)必須應用特定的接合負載，這可能會引起芯片內(nèi)絕緣層的損害，例如裂縫或斷裂。這個問題對于最近的采用低-k材料為絕緣層的高集成多層芯片是尤其嚴重的，因為低-k材料的強度和剛度比傳統(tǒng)絕緣材料低很多。
在這種應用中，可以使用上述的金屬化裝置實施金屬化處理來代替壓力接觸，它可以只通過加熱就完成接合而不需要應用機械負載。因此，絕緣層，尤其是低-k材料的絕緣層在接合后可以保持完好無損。通過金屬化裝置實施的金屬化處理在安裝過程實施時能夠滿足更小和更薄產(chǎn)品的需求。
圖17表示了包括本發(fā)明金屬化裝置的連續(xù)半導體封裝件安裝系統(tǒng)中的過程實例。該過程包括以下的連續(xù)步驟將接合材料印刷到線路基底上；在線路基底上設置部，如半導體器件；將裝配體傳送到金屬化裝置160上；實施上述金屬化處理，從而將部件(半導體器件)安裝到金屬化裝置160上的線路基底上；以及清洗所得的線路基底。
除了半導體器件安裝外，上述使用金屬化裝置的金屬化處理還可以用于半導體器件的相互連接體的形成、使用模具的小部件的生產(chǎn)等。
因此，本發(fā)明的金屬化裝置具有廣泛的應用。依據(jù)應用，燒結金屬本體的必須厚度可以廣泛地從約0.1微米到其數(shù)萬倍，即幾毫米間變化。
因此，當然，本發(fā)明的過程沒有限制于圖17所示的過程。它當然可以實施以下的基本過程(1)接合材料的供應；和(2)接合材料的加熱(燒熱)，任何需要的次數(shù)，并且可以根據(jù)應用來改變步驟操作條件。
此外，對于上面的背景并且對于加工速度和體積，金屬化裝置自身可以采取多種形式。因此，除了圖15中所示的流線式金屬化裝置外，可以使用能夠同時金屬化大量處理物體的分批式金屬化裝置、相似處理室徑向安排的群集設備型金屬化裝置、或者其它類型或形式的金屬化裝置。
圖18A和18B表明了包埋在溝槽內(nèi)的銀層狀態(tài)，銀層已經(jīng)被包埋在0.15微米寬的溝槽內(nèi)(圖18A)和0.4微米寬的溝槽內(nèi)(圖18B)，兩者都在硅基底中通過以上述的方式使用金屬化裝置金屬化包含復合銀納米粒子的接合材料(填充材料)而形成的。當通過實施傳統(tǒng)電鍍法時，金屬在0.15微米或者更低寬度的溝槽內(nèi)包埋時，在包埋金屬中經(jīng)常會形成空隙。相反，圖18A和18B表明溝槽的底部被銀金屬完全填充，這表明了細溝槽的有效填充。
如上文所述，根據(jù)本發(fā)明的接合材料金屬化可以容易且可靠地實現(xiàn)能夠代替?zhèn)鹘y(tǒng)精密焊接的接合，并且由于不使用鉛或錫，該接合能夠消除重金屬污染的環(huán)境負擔。
工業(yè)應用性本發(fā)明涉及接合材料和能通過使用復合金屬納米粒子而在部件間實施接合的接合方法。
權利要求
1.一種在包括至少兩個接合步驟的逐步接合方法中使用的接合材料，其包括復合金屬納米粒子在有機溶劑中的分散體，每個所述復合金屬納米粒子都具有使不超過100納米平均粒徑的金屬粒子金屬核結合并涂覆有機材料的結構，并且所述分散體是液體形態(tài)。
2.一種在包括至少兩個接合步驟的逐步接合過程中使用的接合材料，其包括復合金屬納米粒子在有機溶劑中的分散體，每個所述復合金屬納米粒子都具有使不超過100納米粒徑的金屬粒子金屬核結合并涂覆有機材料的結構，并且所述分散體是淤漿、糊或膏形態(tài)。
3.一種在包括至少兩個接合步驟的逐步接合過程中使用的接合材料，其包括復合金屬納米粒子在有機溶劑中的分散體，每個所述的復合金屬納米粒子都具有使不超過100納米粒徑的金屬粒子金屬核結合并涂覆有機材料的結構，并且所述分散體是固體或凍狀形態(tài)。
4.如權利要求1-3之一的接合材料，其還包括平均粒徑不超過100微米的聚集體。
5.如權利要求4的接合材料，其中所述聚集體是金屬材料、塑料材料、或無機材料、或者它們的組合。
6.如權利要求5的接合材料，其中所述無機材料包括陶瓷、碳、金剛石或玻璃材料。
7.如權利要求1-3之一的接合材料，其中所述復合金屬納米粒子的金屬核部分由Au、Ag、Pd、Pt或Cu之一或者它們兩種或多種的組合構成。
8.用于將至少兩個部件接合于一起的接合方法，其包括使接合材料提供在部件預定部分之間并與之接觸，所述接合材料包含復合金屬納米粒子作為主體接合材料，每個所述復合金屬納米粒子都具有使不超過100納米粒徑的金屬粒子金屬核結合并涂覆有機材料的結構；以及將能量施用于該接合材料上，從而改變接合材料中包含的復合金屬納米粒子的形態(tài)，由此從復合金屬納米粒子中釋放出有機材料并且將金屬核接合于一起，并且接合金屬核和部件的表面。
9.如權利要求8的接合方法，其中所述接合在空氣、干燥空氣、氧化性氣體氣氛、惰性氣體氣氛、真空、或者降低煙霧的氣氛中實施。
10.如權利要求8的接合方法，其中在進行所述接合前使部件的接合表面接受表面處理。
11.如權利要求8的接合方法，其還包括使用相同的接合材料將另一個部件接合到所述部件的接合結構上，其中接合材料中包含的復合金屬納米粒子的形態(tài)已經(jīng)改變。
12.如權利要求11的接合方法，其中所述另一個部件是由至少兩個獨立部件組成的結構。
13.一種接合材料，用于通過在接合溫度(攝氏溫度)或更高溫度下加熱接合材料和固化接合材料的而將元件接合于一起，該材料包含復合金屬納米粒子，每個粒子包括由金屬構成的金屬核和與金屬核結合并覆蓋它的有機材料，其中所述接合材料在固化后再熔化的溫度至少高于所述接合溫度的兩倍。
14.一種接合材料，用于通過在接合溫度(攝氏溫度)或更高溫度下加熱接合材料并燒結接合材料而將元件接合于一起，所述接合材料在室溫下是固體或原料形式，其中所述接合材料在燒結后再熔化的溫度至少高于所述接合溫度的兩倍。
15.一種接合材料，用于通過在接合溫度(攝氏溫度)或更高溫度下加熱接合材料并固化接合材料而將元件接合于一起，該材料包含復合金屬納米粒子，每個粒子由金屬構成的金屬核和與金屬核化學結合并覆蓋它的有機材料組成，所述有機材料不含氮和硫，其中所述接合材料在固化后再熔化的溫度至少高于所述接合溫度的兩倍。
16.一種接合方法，其包括使接合材料存在于至少兩個待接合的部件間并與之接觸，所述接合材料包含復合金屬納米粒子，每個粒子都具有使直徑0.5-100納米的金屬粒子的金屬核結合并涂覆有機材料的結構；在等于或高于有機材料分解起始溫度、但低于金屬本體熔點的溫度下加熱接合材料，從而從存在于部件間的接合材料的金屬核中釋放有機材料并且燒結金屬核，由此形成本體金屬并且接合部件得到接合的元件；使相同的接合材料存在于該元件與另一個元件之間并與之接觸在等于或高于有機材料分解起始溫度、但低于金屬本體熔點的溫度下加熱接合材料，從而從部件間接合材料的金屬核中釋放有機材料并且燒結金屬核而不熔化所述的本體金屬，由此將待接合的元件與另一個元件接合。
17.一種接合方法，其包括使接合材料存在于至少兩個待接合的部件間并與之接觸，所述接合材料包含復合金屬納米粒子，每個粒子都具有使直徑0.5～100納米的金屬粒子的金屬核結合并涂覆有機材料的結構，使得部件間的間隙是接合材料中所含的金屬核大小的10～10,000倍；以及在等于或高于有機材料分解起始溫度、但低于金屬本體熔點的溫度下加熱接合材料，從而從部件間接合材料的金屬核中釋放有機材料并且燒結金屬核，由此形成本體金屬并且將部件接合于一起。
18.一種多電極基底，用于將基底的電極接合到另一個基底的電極上，該基底包括多個電極和已經(jīng)施用到電極上的接合材料，所述接合材料包含復合金屬納米粒子作為主體接合材料，每個納米粒子都具有使平均粒徑不超過100納米的金屬粒子的金屬核結合并涂覆不含氮和硫的有機材料的結構。
19.一種電極接合方法，其包括使接合材料存在于基底電極和另一個基底電極間并與之接觸，所述接合材料包含復合金屬納米粒子作為主體接合材料，每個粒子具有使平均直徑不超過100納米的金屬核結合并涂覆不含氮和硫的有機材料的結構；以及改變接合材料中包含的復合金屬納米粒子的形式，由此將所述電極接合于一起。
20.一種接合結構，其包括至少兩個借助接合部分而接合在一起的元件，所述接合部分包含具有燒結金屬結構的燒結金屬部分，所述燒結金屬部分已經(jīng)通過使接合材料存在于元件間而獲得，所述接合材料包含具有金屬粒子結合并涂覆有機材料的金屬核的復合金屬納米粒子作為主體接合材料，以及當將其保持在預定位置時加熱或燒熱接合材料，從而將所述元件接合于一起。
21.一種金屬化裝置，用于加熱或燒熱包含復合金屬納米粒子溶劑分散體的接合材料，所述納米粒子具有使金屬粒子的金屬核結合并涂覆有機材料的結構，從而分解并蒸發(fā)有機材料并且燒結金屬粒子，由此使接合材料金屬化，該金屬化裝置包括將慣性力能施用于接合材料的慣性力能施用裝置。
22.如權利要求21的金屬化裝置，其中所述慣性力能施用裝置包括將搖動能應用于接合材料的裝置、將振動能應用于接合材料的裝置、以及將沖擊能應用于接合材料的裝置至少之一。
23.如權利要求21的金屬化裝置，其中所述接合材料用于基底的涂覆、金屬在基底中形成的細微凹陷處的包埋、元件間的接合，或者小尺寸部件的生產(chǎn)。
24.一種金屬化裝置，用于加熱或燒熱包含復合金屬納米粒子溶劑分散體的接合材料，所述納米粒子具有使金屬粒子的金屬核結合并涂覆有機材料的結構，從而分解并蒸發(fā)有機材料并且燒結金屬粒子，由此金屬化接合材料，該金屬化裝置包括用于容納接合材料的密封室；以及用于使該室內(nèi)脫氣的脫氣裝置。
25.如權利要求24的金屬化裝置，其中所述接合材料用于基底的涂覆、金屬在基底中形成的細微凹陷處的包埋、元件間的接合，或者小尺寸部件的生產(chǎn)。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種能夠進行無鉛接合而代替高溫焊接的接合材料和接合方法。本發(fā)明的接合材料包含復合金屬納米粒子在有機溶劑中的分散體，該納米粒子具有不超過100納米粒徑的金屬粒子金屬核的結構。該接合材料可以有利地用于至少包含兩個接合步驟的逐步接合過程。
文檔編號B23K35/30GK1564726SQ0380090
公開日2005年1月12日 申請日期2003年9月17日 優(yōu)先權日2002年9月18日
發(fā)明者長澤浩, 神子島, 小榑直明, 廣瀨政義, 近森祐介 申請人:株式會社荏原制作所