專利名稱：塊體金屬玻璃焊料的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般地涉及半導(dǎo)體器件封裝的領(lǐng)域。具體地，本發(fā)明涉及無鉛 焊接材料。
背景技術(shù)：
在整個電子工業(yè)的發(fā)展歷程中，鉛基焊料，主要是錫-鉛(Sn-Pb)己經(jīng) 是用于可靠連接電子元件的主流材料。由于其相對較低的熔化溫度和導(dǎo)電 性，其很適于這個目的。然而，隨著人們逐漸意識到鉛對人的毒性，已經(jīng) 導(dǎo)致對其應(yīng)用的許多限制，主要是防止當(dāng)電子器件被廢棄時鉛通過廢物流 進(jìn)入環(huán)境中。 一些國家和經(jīng)濟(jì)實體已經(jīng)制定計劃，在不久的將來將鉛從許 多產(chǎn)品中強(qiáng)制去除，禁止進(jìn)口和銷售含鉛商品。電子工業(yè)已經(jīng)努力地尋求在他們的產(chǎn)品中鉛焊料合適的替代材料。"無 鉛"替代焊料，例如SnAg (Cu)通常比傳統(tǒng)的Sn-Pb焊料更堅固，但它們 也具有比Sn-Pb(大約183'C)顯著更高的熔化(回流)溫度(大約230-270。C)。 這兩個特性，加上其它技術(shù)的發(fā)展，已經(jīng)加劇了電子元件中熱應(yīng)力損壞的 發(fā)生頻率。在例如芯片焊接的工藝過程中，焊料回流期間硅芯片中產(chǎn)生熱 應(yīng)力，經(jīng)常損壞125目前硅器件中所使用的機(jī)械脆性低K層間介電105 (ILD)材料。在使用無鉛焊料時，諸如焊點或焊球104內(nèi)的粘接失效115 (例如破裂)，或者基板102或半導(dǎo)體器件101的焊球104與焊盤103之 間的粘附失效120 (例如分層)等損害，也可能是更為普遍的問題。預(yù)計下 一代的ILD材料將更為脆性，而由熱誘導(dǎo)應(yīng)力損壞帶來的問題預(yù)計將變得 更為顯著。熱疲勞也是重要的可靠性問題。在制造和通常使用期間，電子器件中 的焊接材料和其它材料承受熱循環(huán)。當(dāng)器件中的焊料和其它材料的熱膨脹 系數(shù)(CTE)失配時，焊點可能承受非彈性應(yīng)變積累、熱疲勞，并且最終產(chǎn) 生例如疲勞裂紋生長等的損壞。隨著向需要無鉛產(chǎn)品的市場提供無鉛產(chǎn)品的期限的臨近，電子工業(yè)繼 續(xù)努力開發(fā)不易遭受現(xiàn)有無鉛焊料以及一些含鉛焊料所遇到的許多破壞機(jī) 理的可靠的無鉛焊接材料。


圖1示出根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)，裝配到基板上的半導(dǎo)體器件的受損壞焊球的截面圖；圖2示出根據(jù)本發(fā)明的實施方案，通過塊體金屬玻璃焊球裝配到基板 上的半導(dǎo)體器件的截面圖；圖3示出根據(jù)本發(fā)明的實施方案，通過塊體金屬玻璃焊接材料裝配到 基板上的表面安裝元件的截面圖；圖4a-4d示出根據(jù)本發(fā)明的實施方案，用塊體金屬玻璃焊接材料將表面 安裝元件裝配到基板上的方法的截面圖；圖5a和圖5b示出根據(jù)本發(fā)明的實施方案，用塊體金屬玻璃焊接材料 將通孔安裝元件裝配到基板上的方法的截面圖；圖6a-6c示出根據(jù)本發(fā)明的實施方案，塊體金屬玻璃焊接材料作為熱界 面材料的截面圖；圖7示出用塊體金屬玻璃焊接材料來連接兩個元件的過程的方框圖。
具體實施方式
本發(fā)明的實施方案描述了一種包括塊體金屬玻璃(BMG)合金的焊接 材料。常規(guī)金屬玻璃通過在冷卻到其熔化溫度(Tm)時發(fā)生結(jié)晶，除非以 極高的速率冷卻，例如>105°(:/秒。這種高速率的熱傳遞需要專門的且昂貴 的設(shè)備和條件，并且限制產(chǎn)品的尺寸，作為典型的金屬玻璃其僅僅可以形 成很細(xì)的絲和帶。然而，當(dāng)冷卻時，BMG材料繞過結(jié)晶化并取而代之經(jīng)過 大的過冷區(qū)域，其中熔化的BMG對于結(jié)晶化異常地穩(wěn)定。在所述過冷區(qū)域 中，BMG表現(xiàn)出牛頓粘性行為，或者理想的超塑性(m=l)，而常規(guī)的超 塑性金屬具有小于0.6的m值。BMG合金可以繞過結(jié)晶化并以相對較慢的 冷卻速率，例如<102°(:/秒形成玻璃，這使用目前的回流方法是可以實現(xiàn)的。這些特性賦予BMG材料增強(qiáng)的玻璃形成能力和慢的結(jié)晶化趨勢。然而， 一旦形成固體，即玻璃態(tài)，BMG材料就非常強(qiáng)硬堅韌，同時也有延展 性并具有極高的彈性應(yīng)變極限。BMG材料的這些后回流(post-reflow)特 性使得它們非常適于在半導(dǎo)體器件制造中用作焊料化合物。典型的無鉛焊料化合物，例如SnAg(Cu)在晶體凝固時，通常在Tm或 接近Tm時，鎖定非彈性熱應(yīng)力，而BMG材料直到玻璃形成的較低溫度(Tg) 才鎖定熱應(yīng)力。因此，當(dāng)焊料和其連接材料之間存在CTE失配時，在傳統(tǒng) 的無鉛焊料中將比BMG材料在更大的溫度微分上積累冷卻過程中產(chǎn)生的 熱應(yīng)力，因為室溫和Tm之間的溫差大于室溫和Tg之間的溫差。除了在冷卻過程中產(chǎn)生較少的熱應(yīng)變，BMG材料還比通常使用的剛性 的、晶體形成的無鉛焊料(大約0.1%)具有高得多的彈性應(yīng)變極限(大約 2%)。因此，BMG焊料可吸收系統(tǒng)中存在的較大量的任何應(yīng)變駐留(strain resident)，則對由焊料接合的材料施加較小的總應(yīng)變。從而，在根據(jù)本發(fā) 明的實施方案使用BMG焊料的半導(dǎo)體器件中所得到的較低的熱應(yīng)變駐留， 這對現(xiàn)在以及以后所使用的易損低K介電材料的損壞的可能性較小。共晶合金是熔點低于其成分的熔點的合金，而深共晶點(deepeutectic) 是充分地低于其成分的熔點的合金的熔點。在示例性實施方案中，合金的 深共晶點可能比其成分的熔點低約25%。在其它實施方案中，深共晶點可 能比所述成分的熔點低25%以上。最近有顯示，具有深共晶性的合金，尤 其是在共晶點附近具有不對稱的液相線(金屬完全變成液體時)的合金用 于制造BMG合金。對于其它玻璃質(zhì)材料來說，當(dāng)在玻璃化轉(zhuǎn)變溫度或以下 凝固("玻璃化")時，BMG合金通常不形成有序的結(jié)晶母體。更確切地， BMG材料中的原子排列基本上是非晶形和無序的。根據(jù)本發(fā)明的示例性實施方案，用作焊接材料的包括錫(Sn)的"二元" 合金(包含兩種組成元素，或"成分")，可以包括錫-鉍(Sn-Bi)，其中 可以發(fā)現(xiàn)，能夠形成塊體金屬玻璃焊接材料的組合物中的錫為約30-53 wt.%。可以用常規(guī)實驗確定確切的組成，可以發(fā)現(xiàn)其在所述范圍內(nèi)wt。/。的 0.1%的增量。同樣，塊體金屬玻璃焊料可以在以下合金和組合物范圍內(nèi)形 成錫-銦(Sn-In; 45-60 wt.%Sn)、錫-鋅(Sn-Zn; 80-92 wt.°/。 Sn)、錫-鎳(Sn-Ni; 95-99.9 wt.% Sn)、錫-銅(Sn誦Cu; 95-99.9 wt.% Sn)、錫-銀 (Sn-Ag;卯-98 wt.% Sn)、錫-鋁(Sn-Al; 95-99.9 wt.% Sn)、錫-砷(Sn-As;95-99.9 wt.%)、錫-金(Sn-Au; 80-95 wt.% Sn)、錫-鎘(Sn國Cd; 60-70 wt.% Sn)、錫-鏑(Sn-Dy; 95-99 wt.% Sn)、錫-鎂(Sn-Mg; 80-90 wt.% Sn)、 錫-鉛(Sn-Pb; 55-70 wt.% Sn)、以及錫-鉈(Sn陽Tl; 50-65 wt.% Sn)。根據(jù)其它示例性實施方案，可以在包括銦的二元合金和組合物范圍內(nèi) 發(fā)現(xiàn)BMG焊接材料，諸如銦-鉍(In-Bi; 60-70 wt.% In)、銦畫鋅(In-Zn; 97-99 wt.% In)、銦-鎳(In-Ni; >99 wt.%In)、銦-銅(In-Cu; >99wt.°/。In)、 銦-銀(In-Bi; 95-99 wt.% In)、銦-金(In-Au; >99wt.%In)、銦-鎘(In-Cd; 60-70 wt% In)、或銦-鎵(In-Ga; 20-30 wt.% In)。同樣，"三元"合金(包含三種組成元素的合金)也可以用作BMG焊接 材料。根據(jù)本發(fā)明的實施方案的三元合金的實例包括錫-銦-鉍(Sn-In-Bi)、 錫-銦-鋅(Sn-In-Zn)、錫-鉍-鋅(Sn-Bi-Zn)、銦-鉍-鋅(In-Bi-Zn)、錫-銀-銅(Sn-Ag-Cu)、錫-銀-鎳(Sn-Ag-Ni)、錫-銅-鉍(Sn-Cu-Bi)、以及 錫-銅-銦(Sn-Cu-In)。應(yīng)該理解的是，所列出的二元和三元合金僅僅是示例性實施例，而不 是根據(jù)本發(fā)明的實施方案可以用作BMG焊接材料的所有二元和三元合金 的完全列表。所列出的合金都具有如下特性，即具有非對稱液相線的深共 晶性。因此，從該描述中應(yīng)該理解，具有類似的特性，即具有非對稱的液 相點的深共晶性的其它合金同樣可以用作根據(jù)本發(fā)明的實施方案的BMG 焊接材料。對于三元或"更多元"合金(具有三種成分以上的合金)來說，可以使 用可商購軟件如來自Thermo-Calc Software, Inc.的"Thermo-Calc Classic " (TCC)或者"Thermo-Calc Windows " (TCW)來標(biāo)出和確定可以發(fā)現(xiàn)深共 晶區(qū)域的組成范圍。然后，通過上述用于二元系統(tǒng)的常規(guī)實驗，可以在組 成范圍內(nèi)確定對BMG合金有用的準(zhǔn)確的組成范圍。在實施方案中，可以選擇BMG合金的特定組分，使得加入了 BMG 焊接材料的裝置的操作溫度不顯著高于所使用的BMG合金的Tg。在各種 實施方案中，Tg可能不同，所以可以使用時間-溫度-轉(zhuǎn)換曲線圖來確定使 用根據(jù)本發(fā)明的BMG合金的合適的操作溫度范圍。通常，使用條件不應(yīng) 超過時間-溫度-轉(zhuǎn)換曲線圖中的"C"曲線的"鼻形部"，其中將結(jié)晶時間繪制 成溫度的函數(shù)。例如，如果選擇BMG合金用于其操作溫度可能顯著超過焊料系統(tǒng)的Tg的裝置，則BMG焊接材料可能結(jié)晶。因此，選擇Tg不顯 著低于操作溫度的BMG合金是有利的。然而，在某些應(yīng)用中，超過BMG焊接材料的Tg可能是有利的。在一 個示例性實施方案中，可以用BMG焊接材料將通常打開的電源電路開關(guān) 焊接閉合。如果操作溫度超過最大容許溫度，則產(chǎn)生危險的情況，BMG 焊接材料可能軟化，使得電路斷開，切斷裝置的電源。因此，應(yīng)該理解的 是，根據(jù)應(yīng)用可以選擇用于BMG焊接材料的合金的組成以得到有利的Tg。改變合金的成分的百分比組成可以改變所得合金的Tg和Tm。因此， 應(yīng)該意識到，根據(jù)本發(fā)明的實施方案可形成BMG合金的許多種組成；可 能的組成太多，在此不一一列舉。根據(jù)本發(fā)明的實施方案的BMG焊接材料可以采取許多形式且包括許 多的應(yīng)用。根據(jù)實施方案，可以由能夠在回流之后形成BMG焊點的合金 形成焊球。在一個這種實施方案200中，可以將BMG焊球205用于球柵 陣列(BGA)元件201連接。在另一個實施方案中，可以將焊球混入BMG 焊接膏中。可以將BMG焊接膏設(shè)置為與元件301的連接部件303和基板 302的連接部件304接觸，形成BMG焊接圓角315在回流之后將元件301 穩(wěn)固地連接到基板302上。在另一個實施方案中，類似的焊接膏可以包括 BMG粉末，而不是BMG球體。常規(guī)的焊球和粉末/膏回流工藝參數(shù)即可用到BMG基焊料的用途中， 因為BMG基焊接材料不需要象許多金屬玻璃化合物一樣的快的冷卻速 率。因此，利用目前的工藝參數(shù)和設(shè)備可將BMG基焊球用于焊秋連接， 將BMG基焊接膏用于焊接膏印刷?？梢允褂肂MG焊接膏來形成焊料圓 角(solder fillet)，以將元件連接到基板上，如在一個示例性實施方案中 將諸如電容器、電阻器、以及其它類似的電子元件的元件連接到印刷電路 板(PCB)上。根據(jù)圖4a-4d中所示的示例性實施方案，可以通過絲網(wǎng)印刷、雕版印 花、手工涂覆或其它方法將BMG焊接膏410印刷到基板402的表面上， 使得焊接膏如所期望那樣或者如設(shè)計信息所指示的那樣僅沉積到基板402 表面的區(qū)域或元件404上，其中可以將元件401表面安裝到基板402上。 在將BMG焊膏410沉積到基板402表面上的導(dǎo)電元件404上，并將元件401置于基板402表面上使得外接導(dǎo)電性線端或元件的連接部件與BMG 焊料401接觸之后，將焊料410加熱到其熔化溫度Tm之上，使得BMG焊 接材料410熔化并回流。然后將BMG焊接材料410冷卻到Tm以下到其 Tg，凝固為導(dǎo)電金屬玻璃圓角415，將元件401連接到基板402的表面上。在實施方案中，基板的表面上的導(dǎo)電元件的實例可以包括焊盤、通孔、 裸露的跡線、曝露的電源或地平面、內(nèi)嵌部件的接線端、或其它可能會提 供的元件。元件的導(dǎo)電性接線端的實例可以包括壓制金屬引線、管腳、焊 盤、成形金屬接線端或其他可能提供的接線端。部件的導(dǎo)電形接線端的任 何實例也可以用作連接部件，然而，在實施方案中，它們可能出現(xiàn)在元件 上僅為了連接目的，并且可以不與基板或元件通電。同樣，基板的表面上 的導(dǎo)電部件可以不與基板的任何其它導(dǎo)電部件電連接，從而有效地電絕 緣。在這種情況下，它們可以僅僅用作基板表面上的連接部件。可以通過在回流爐中將材料暴露于高溫下來實現(xiàn)對表面貼裝BMG焊 接材料的回流，或者通過例如用焊烙鐵或激光來施加更多的局部加熱，其 中將熱源施加到與BMG焊接材料所位于的基板的相同表面上。也可以將 基板置于熱源上或其上方，所述熱源如加熱板、明火，或者通過其它方法 將熱量施加到與BMG焊接材料所位于的基板不同的表面上，熱量通過基 板傳導(dǎo)。在各種實施方案中，普遍地或局部地進(jìn)行加熱，或者將熱量施加 到與BMG焊接材料所位于的基板相同的或不同的表面上，熱源都應(yīng)當(dāng)足 以將BMG焊接材料升高到其Tm以上并使其回流。如在上述實施方案中所描述的那樣，BMG焊接材料可以用于將元件 表面貼裝到基板的表面。然而，在其它實施方案中，BMG焊接材料也可 以用于將"通孔安裝"元件連接到基板上。通常，通孔安裝元件501具有 金屬管腳503或其它從元件501向外延伸(突出)的部件。通孔安裝部件 501將被貼近基板502放置，使得一個或多個突出部件503部分地或完全 地延伸通過基板502中設(shè)置的孔507。所述孔507在其內(nèi)部表面上可以提 供有金屬層504，以便于與焊接材料的粘接用于部件501的牢固連接，并 且所述金屬層504還可以與基板502的一個或多個導(dǎo)電層通電。因此，如 此配置的金屬層504可用作基板502的連接部件或?qū)щ姴考?，或者同時用 作二者。通常通過將基板502與元件相反的一面暴露于一定量的熔融BMG焊 接材料520來實現(xiàn)連接。 一些BMG焊接材料512被吸入孔507內(nèi)并部分 地或全部地填充孔內(nèi)表面上的金屬層504和元件501的突出連接部件503 之間的間隙。當(dāng)所述孔507中的焊接材料512冷卻到其Tm以下，其凝固 而將元件501牢固地連接到基板502上。焊料圓角515也經(jīng)常形成在突出 連接部件503部分的周圍，所述連接部件503完全穿過基板502的表面并 延伸出其與接近元件501放置的表面相反的表面。當(dāng)冷卻并凝固時，這樣 形成的焊接圓角515可能足以將元件501粘接到基板502上，即使沒有如 上所述的焊料512填充孔507的間隙。如上所述將基板502暴露于其中的、影響通孔安裝的焊料520的量， 可以是熔融焊接材料的靜電浴(staticbath)。在電子元件制造中更典型地 為熔融焊接材料520的"波峰焊料浴"530,其中在浴530的表面之上提 供駐波525，所述駐波525接觸基板502橫過浴530的表面。如上所述， 即使在去除與焊接材料520的駐波525的接觸之后，接觸基板502表面的 焊料可以保留在基板502上?？梢岳斫?，可以通過其它方法提供熔融焊接 材料，以影響通孔安裝元件到基板上。在本發(fā)明的實施方案中，BMG焊接材料可以提供元件與基板的通孔 連接。在一個這種實施方案中，BMG焊接材料可以包括用于波峰焊料裝 置和工藝的熔融焊接材料。在另一個實施方案中，BMG焊接材料可以在 靜電浴中包括熔融焊接材料用于元件的通孔連接。在另一個實施方案中， 例如手工焊接或自動(例如機(jī)器式的)焊接，可以條、膏、粉末、帶、柔 性線或其它可促進(jìn)BMG悍接材料的輸送以用焊接將通孔安裝元件連接到 基板上的固體或液體單元的形式來應(yīng)用BMG焊料。這里所描述的BMG焊料的形式不限于僅用于連接通孔安裝部件，還 可以用于其它應(yīng)用，其中使用所描述的形式中的一種可以有用地實現(xiàn)在連 接部件上設(shè)置焊料。例如所描述的BMG焊料的形式可以用于實施方案中 將表面安裝元件連接到基板上。同樣，也應(yīng)該理解的是，如本發(fā)明的實施 方案中所提及的BMG焊球僅可代表示例性實施方案，在其它實施方案中， BMG焊料可以是立方體、圓柱體、或其它一些幾何形狀或非球形的無定 形結(jié)構(gòu)，或者以離散的、通常非常小的個體單元使用。為了描述簡單，BMG焊接材料的個體單元，包括任何的形狀或形式，在這里可以稱作"小球"。因此，也可以理解的是，在可以使用BMG焊接材料的球體的實施方案中， 也可能使用BMG焊接材料的小球。同樣，在實施方案中焊料條可以具有許多截面形狀或形式，包括圓形、 三角形、正方形、矩形、卵形、梯形、或其它形狀。條的截面形狀不可僅 限于幾何形狀，實施方案還可以包括無定形的截面形狀或結(jié)構(gòu)，或者具有 許多面或者無輪廓的面。在實施方案中，焊料條也可以是實心的、或中空 的、或多孔的。因此，本發(fā)明的實施方案中所描述的焊接材料條可以包括 也可描述為桿、棒、錠、梁、塊、管、或其它這樣的結(jié)構(gòu)的焊接材料條。根據(jù)本發(fā)明的實施方案的焊料的液體單元可以包括一定量的熔融焊 料。其也可以包括液體載體材料，其中有BMG焊接材料，可以用所述液 體載體材料來分配BMG焊接材料。在包括液體載體材料的實施方案中， BMG焊接材料可以采用非常小的單個BMG焊料顆粒的懸浮液的形式，或 者采用可以起到類似乳化劑的作用的焊料膏和載體材料的低粘度混合物 的形式。在BMG焊接材料連接元件到基板上的其它實施方案中，元件可以是 導(dǎo)線、帶、電纜、或類似的裝置。元件也可以是連接器件，諸如柱、螺栓、 大頭釘、銷、夾子、或其它類似的物理連接元件。在其它實施方案中元件 可以包括用于接收并保持電纜(例如電源電纜、驅(qū)動電纜(硬盤驅(qū)動、DVD 驅(qū)動，等等)、跨接電纜、光纜，等等)的連接器；用于接收并保持基于 卡的設(shè)備(例如存儲卡、I/O卡、顯卡，等等)的"插槽連接器"；或用于 接收并保持半導(dǎo)體器件的插口 (例如針柵陣列式(PGA)插口、柵格陣列 式(LGA)插口，等等)。許多其它的實施方案可以包括大量的可能物理連 接到基板上的獨立部件作為元件(例如印刷電路板)。在這樣的實施方案 中，當(dāng)元件主要連接到位于基板的表面上的部件時，該元件被認(rèn)為是表面 貼裝元件。如果所述元件的部件突出基本上穿過貼近該元件的基板的表面 進(jìn)入基板中設(shè)置的孔內(nèi)或穿過該孔，則該元件被認(rèn)為是通孔安裝元件。BMG焊接材料既新穎又有利的另一個實施方案是作為熱介面材料 (TIM) 610、 620、 630，其設(shè)置在發(fā)熱器件和散熱器件(冷卻器件)之間， 其中所述發(fā)熱器件例如半導(dǎo)體芯片或半導(dǎo)體封裝(在這共稱為"半導(dǎo)體器件")601、 611、 621，所述散熱器件例如集成散熱器(IHS) 602、 622; 散熱片612;熱電冷卻器；風(fēng)扇裝置；液體冷卻設(shè)備；制冷設(shè)備；多相冷 卻設(shè)備(基于冷卻介質(zhì)的相變化的熱管或其它冷卻器件)或其它這種裝置。 在另一個實施方案中，BMG焊接材料可以提供為第一冷卻器件和第二冷 卻器件之間的TIM。在一個這種示例性實施方案中，可以將BMG焊料635 設(shè)置在IHS 622和散熱片623之間，其中BMG焊料635既用于將散熱片 623連接到IHS 622，還用于促進(jìn)IHS 622和散熱片623之間的熱傳導(dǎo)。BMG 焊料可具有高的熱導(dǎo)率，使得它們適合于熱傳導(dǎo)是重要的考慮因素的應(yīng)用 中。當(dāng)用作TIM時，BMG焊接材料提供如下好處保持具有不同CTE值 的材料之間的緊密且牢固的粘合，防止可能干擾有效熱傳輸?shù)牧芽p或分 層。因此，在物理連接發(fā)熱器件和冷卻器件、或兩個冷卻器件的同時，包 括BMG焊接材料的TIM也熱連接所述器件。因此，在本發(fā)明的示例性實施方案中，可以將BMG焊接材料設(shè)置在 半導(dǎo)體器件和冷卻器件之間，使得在半導(dǎo)體器件和冷卻器件兩者的相當(dāng)大 的表面區(qū)域上形成粘合。最初可以固體形式將BMG焊接材料施加到冷卻 器件或者半導(dǎo)體器件，然后在與兩個器件的表面區(qū)域都基本上接觸的同 時，對其進(jìn)行回流并使其冷卻到Tg或以下。或者，實施方案可以包括將熔 融BMG焊接材料配置到冷卻器件或者半導(dǎo)體器件上，將兩個器件放在一 起，使得兩個器件的相當(dāng)大的表面區(qū)域都與BMG焊接材料接觸，然后將 BMG焊接材料冷卻到Tg或以下。實施方案還可以包括以膏、粉末、厚膜(例如片)、薄膜(例如窄帶)、 或另一物理狀態(tài)或形式將BMG焊接材料設(shè)置在冷卻器件或半導(dǎo)體器件 上，所述物理狀態(tài)或形式允許可控放置并且不損害BMG焊料的回流、玻 璃化、粘合、或熱傳導(dǎo)特性。如在其它實施方案中那樣，在與兩個器件的 表面區(qū)域都基本上接觸的同時，將對BMG焊料進(jìn)行回流并使其冷卻到其 Tg或以下。在所描述的實施方案中，可以理解的是，為了說明目的，可以 將冷卻器件和半導(dǎo)體的與BMG焊接材料粘合接觸的表面區(qū)域視為連接部 件。因為對半導(dǎo)體器件和冷卻器件的正常操作包括熱循環(huán)和熱差，并且可能涉及具有完全不同的CTE的材料，所以通過防止說明書之前所提到的損 壞類型，在許多這種應(yīng)用中BMG焊接材料作為TIM的較高的彈性應(yīng)變和 韌性都帶來好處。因此，基于BMG焊料將要結(jié)合的材料的CTE值，并利 用這些材料在裝配或正常使用的過程中可能會經(jīng)受的操作溫度或處理溫 度，可以選擇不同的用于BMG焊接材料的合金和組分。雖然已經(jīng)詳細(xì)描述了有關(guān)將BMG焊接材料作為TIM用在冷卻器件和 半導(dǎo)體器件之間，應(yīng)該理解的是，該討論對于將BMG焊接材料作為TIM 用在第一冷卻器件和第二冷卻器件之間同樣適用，例如在一個示例性實施 方案中，用在IHS和散熱片之間。因此，如這里充分描述的那樣，以及如圖7中所示，本發(fā)明的實施方 案包括將塊體金屬玻璃(BMG)合金用作焊接材料的方法。通常，該方法 包括設(shè)置BMG焊接材料，使得其至少與第一元件和第二元件701接觸； 將包含BMG合金的BMG焊接材料加熱到其熔化溫度(Tm) 702或以上； 然后將BMG焊接材料冷卻到其玻璃相變溫度(Tg) 703或以下，形成將 BMG焊點連接第一元件與第二元件?；蛘撸梢詫MG焊接材料設(shè)置成 僅與第一元件接觸，然而這使得當(dāng)將其加熱到其熔化溫度以上時，其將與 第二元件接觸。在另一實施方案中，可以將BMG焊接材料設(shè)置成僅與第 一元件接觸，然后可以設(shè)置第二元件與BMG焊接材料接觸。所述第一和 第二元件可以是獨立的部件或器件，或者它們可以是結(jié)合成部件、器件或 基板的一部分的結(jié)構(gòu)單元，例如，但不限于，根據(jù)這里所述的實施方案的 電子器件、半導(dǎo)體器件、冷卻器件、或印刷電路板。還應(yīng)該注意，BMG焊接材料一旦經(jīng)過回流，可選地就可在大大高于 Tg但低于Tm的溫度下退火，以生成部分到完全的納米晶體焊料。以上的詳細(xì)描述和附圖僅僅是示例性的而非限制性的。提供它們主要 是為了清楚且深刻地理解本發(fā)明的實施方案，不應(yīng)將其理解為不必要的限 制。本領(lǐng)域的技術(shù)人員在不脫離實施方案的精神和所附權(quán)利要求的范圍的 情況下，可以設(shè)計出許多對這里所描述的實施方案的添加、刪除和修改， 以及可供選擇的配置。
權(quán)利要求
1. 一種方法，其包括貼近第一部件和第二部件設(shè)置合金；將所述合金加熱到第一溫度；以及將所述合金冷卻到第二溫度，形成物理連接所述第一部件和所述第二部件的塊體金屬玻璃焊接材料。
2、 如權(quán)利要求l所述的方法，其中所述第一部件和第二部件中的至少 一個是導(dǎo)電的。
3、 如權(quán)利要求l所述的方法，其中所述合金采取以下的形式中的至少 一種液體、球體、小球、膏、粉末、厚膜、薄膜、固體桿、以及柔性線。
4、 如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述塊體金屬玻璃焊接材料包括二 元合金，所述二元合金包括以下組中的至少一種含有45-60 ^.%錫的錫-銦、含有80-92 wt.n/。錫的錫-鋅、含有95-99.9饑％錫的錫-鎳、含有95-99.9 wt.。/。錫的錫-銅、含有90-98 wt.Q/。錫的錫-銀、含有95-99.9 wt.。/。錫的錫-鋁、 含有95-99.9 wt。/。錫的錫-砷、含有80-95 wtQ/。錫的錫-金、含有60-70 wt.% 錫的錫-鎘、含有95-99 wt.。/。錫的錫-鏑、含有80-90 wt.。/。錫的錫-鎂、含有 55-70 wt。/。錫的錫-鉛、含有50-65 wt.Q/。錫的錫-鉈、含有60-70 \^.%銦的銦-鉍、含有97-99 wt.。/。銦的銦-鋅、含有〉99wt.。/。銦的銦-鎳、含有>99 wt.。/。銦 的銦-銅、含有95-99 wt。/。銦的銦-銀、含有>99效％銦的銦-金、含有60-70 wt.n/。銦的銦-鎘、以及含有20-30 wt。/。銦的銦-鎵。
5、 如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述塊體金屬玻璃焊接材料包括三 元合金，所述三元合金含有錫(Sn)和銦(In)中的至少一種。
6、 如權(quán)利要求5所述的方法，其中所述塊體金屬玻璃焊接材料還包括 鉍(Bi)、鋅(Zn)、鎳(Ni)、銅(Cu)和銀(Ag)中的兩種。
7、 如權(quán)利要求1所述的方法， 液相線斜率。
8、 如權(quán)利要求1所述的方法， 的熔化溫度(Tm)。
9、 如權(quán)利要求1所述的方法， 的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度(Te)。其中所述合金具有深共晶性和非對稱的 其中所述第一溫度等于或大于所述合金 其中所述第二溫度等于或低于所述合金
10、 一種焊接材料，其包括合金，當(dāng)將所述合金加熱到至少第一溫度 并將其冷卻到至少第二溫度時，所述合金形成塊體金屬玻璃材料。
11、 如權(quán)利要求10所述的焊接材料，其中所述合金包括二元合金，該 二元合金包括以下組中的至少一種含有45-60 wt.。/。錫的錫-銦、含有80-92 wt.。/。錫的錫-鋅、含有95-99.9 wt.Q/。錫的錫-鎳、含有95-99.9 wt.。/。錫的錫-銅、 含有90-98 wt。/。錫的錫-銀、含有95-99.9 wt.。/。錫的錫-鋁、含有95-99.9 wt.% 錫的錫-砷、含有80-95 wt.。/。錫的錫-金、含有60-70 wt.M錫的錫-鎘、含有 95-99 wt。/。錫的錫-鏑、含有80-90 wt.。/。錫的錫-鎂、含有55-70 ^.°/。錫的錫-鉛、含有50-65 wtQ/。錫的錫-鉈、含有60-70 wt.。/o銦的銦-鉍、含有97-99 wt.% 銦的銦-鋅、含有〉99wt.。/。銦的銦-鎳、含有〉99wt。/。銦的銦-銅、含有95-99 wt.。/。銦的銦-銀、含有W9wt。/。銦的銦-金、含有60-70 wt。/。銦的銦-鎘、以及 含有20-30 wt.e/。銦的銦-鎵。
12、 如權(quán)利要求IO所述的焊接材料，其中所述合金具有深共晶性和非 對稱的液相線斜率。
13、 如權(quán)利要求10所述的焊接材料，其中所述合金包括三元合金，該 三元合金含有錫(Sn)和銦(In)中的至少一種。
14、 如權(quán)利要求13所述的焊接材料，其中所述合金還包括鉍(Bi)、鋅(Zn)、鎳(Ni)、銅(Cu)和銀(Ag)中的兩種。
15、 如權(quán)利要求10所述的焊接材料，其中所述第一溫度等于或大于所 述合金的熔化溫度(Tm)。
16、 如權(quán)利要求10所述的焊接材料，其中所述第二溫度等于或低于所 述合金的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度(Tg)。
17、 如權(quán)利要求10所述的焊接材料，其中所述合金采取以下的形式中 的至少一種液體、球體、小球、膏、粉末、厚膜、薄膜、帶、棒、以及柔性線。
18、 一種制品，其包括 基板；元件；以及物理地連接到所述基板和所述元件的塊體金屬玻璃焊接材料。
19、 如權(quán)利要求18所述的制品，其中所述基板是印刷電路板。
20、 如權(quán)利要求18所述的制品，其中所述元件是表面貼裝元件、BGA 元件和通孔安裝元件中的至少一種。
21、 如權(quán)利要求18所述的制品，其中所述塊體金屬玻璃焊接材料包括 二元合金和三元合金中的至少一種。
22、 如權(quán)利要求18所述的制品，其中所述塊體金屬玻璃焊接材料包括 合金，該合金包括以下組中的至少一種含有45-60 wt。/。錫的錫-銦、含有 80-92 wt。/Q錫的錫-鋅、含有95-99.9 wt.。/。錫的錫-鎳、含有95-99.9 wt.。/o錫的 錫-銅、含有卯-98 wt.。/。錫的錫-銀、含有95-99.9 wt.。/。錫的錫-鋁、含有95-99.9 wt.。/。錫的錫-砷、含有80-95 wt.。/。錫的錫-金、含有60-70 wt.。/。錫的錫-鎘、含有95-99 wt。/。錫的錫-鏑、含有80-90 wt.。/。錫的錫-鎂、含有55-70 wt.。/o錫 的錫-鉛、含有50-65 wt。/。錫的錫-鉈、含有60-70 wt.。/。銦的銦-鉍、含有97-99 wt /。銦的銦-鋅、含有>99 wty。銦的銦-鎳、含有>99 wt.n/。銦的銦-銅、含有 95-99 wtQ/。銦的銦-銀、含有>99 wt.Q/。銦的銦-金、含有60-70 wt.。/。銦的銦-鎘、 以及含有20-30 wt。/。銦的銦-鎵。
23、 如權(quán)利要求18所述的制品，其中所述塊體金屬玻璃焊接材料具有 深共晶性和非對稱的液相線斜率。
24、 一種制品，其包括 第一器件； 第二器件；以及設(shè)置成充分接觸所述第一器件和第二器件的塊體金屬玻璃焊接材料。
25、 如權(quán)利要求24所述的制品，其中所述第一器件包括半導(dǎo)體器件或 集成散熱器中的至少一種。
26、 如權(quán)利要求24所述的制品，其中所述第一器件包括發(fā)熱器件。
27、 如權(quán)利要求24所述的制品，其中所述第二器件是冷卻器件。
28、 如權(quán)利要求27所述的制品，其中所述冷卻器件包括集成散熱器、 散熱片、熱電冷卻器、風(fēng)扇裝置、液體冷卻裝置、制冷裝置和多相冷卻裝 置中的至少一種。
29、 如權(quán)利要求24所述的制品，其中所述塊體金屬玻璃焊接材料包括 合金，該合金包括以下組中的至少一種含有45-60 wt。/。錫的錫-銦、含有 80-92 wt。/。錫的錫-鋅、含有95-99.9 wt。/。錫的錫-鎳、含有95-99.9 wt.。/。錫的 錫-銅、含有90-98 wt。/。錫的錫-銀、含有95-99.9 wt.。/。錫的錫-鋁、含有95-99.9 wt.。/o錫的錫-砷、含有80-95 wt.。/。錫的錫-金、含有60-70 wt.。/。錫的錫-鎘、含有95-99 wt%。錫的錫-鏑、含有80-90 wt%錫的錫-鎂、含有55-70 wt%錫 的錫-鉛、含有50-65 wt%錫的錫-鉈、含有60-70 wt%銦的銦-鉍、含有97-99 wt%銦的銦-鋅、含有>99 wt%銦的銦-鎳、含有>99 wt%銦的銦-銅、含有 95-99 wt%銦的銦-銀、含有>99 wt%銦的銦-金、含有60-70 wtwt%銦的銦-鎘、 以及含有20-30 wt%銦的銦-鎵。
30、 如權(quán)利要求24所述的制品，其中所述塊體金屬玻璃焊接材料具有 深共晶性和非對稱的液相線斜率。
31、 如權(quán)利要求24所述的制品，其中所述塊體金屬玻璃焊接材料包括 二元合金和三元合金中的至少一種。
全文摘要
本發(fā)明涉及由合金形成的具有深共晶性和非對稱的液相線的高強(qiáng)度、可靠塊體金屬玻璃(BMG)焊接材料。較之晶體焊接材料，BMG焊接材料更堅固且具有更高的彈性模量，因此較不易于因為有著不同的熱膨脹系數(shù)(CTE)的材料中的熱應(yīng)力而導(dǎo)致對脆性低K間層電介質(zhì)(ILD)材料的破壞。BMG焊接材料可以將一個部件物理連接、電連接、或熱連接到另一部件上，或者以上方式的任意組合。例如，在本發(fā)明的實施方案中，BMG焊接材料可以將電元件物理電連接到印刷電路板上。在本發(fā)明的另一實施方案中，BMG焊接材料可以將集成散熱片物理熱連接到半導(dǎo)體器件上。BMG焊接材料的許多實施方案還是無鉛的，所以它們滿足無鉛產(chǎn)品要求，同時比其它無鉛焊接材料，例如錫-銀-銅，提供更好的解決方案。
文檔編號C22C45/00GK101282817SQ200680037699
公開日2008年10月8日 申請日期2006年7月27日 優(yōu)先權(quán)日2005年8月12日
發(fā)明者D·蘇 申請人:英特爾公司