混合合金焊料膏制造技術

焊料膏包括約60wt%至約92wt%之間的量的第一焊料合金粉末；大于0wt%并且小于約12wt%的量的第二焊料合金粉末；和助焊劑；其中第一焊料合金粉末包括第一焊料合金，其固相線溫度高于約260℃；和其中第二焊料合金粉末包括第二焊料合金，其固相線溫度低于約250℃。

【技術實現步驟摘要】
【國外來華專利技術】混合合金焊料膏
本專利技術一般涉及焊料組合物，并且更具體而言，一些實施方式涉及高溫焊接應用的焊料組合物。相關技術描述由電子組件的處理產生的鉛被認為對環境和人類健康有害。規章逐漸禁止在電子互連和電子封裝工業中使用含Pb焊料。已經廣泛地研究替換傳統低共熔Pb-Sn的無Pb焊料。SnAg、SnCu、SnAgCu和SnZn焊料正在變成用于半導體互連和電子工業中的主流焊料。但是，開發高溫無Pb焊料代替常規高鉛焊料即Pb-5Sn&Pb-5Sn-2.5Ag仍處在其初期。當組件被焊接在印刷電路板(PWB)上時，高溫焊料用于保持組件中元件內的內部連接。高溫焊料的通常用途是用于芯片附著(die-attach)。在示例性方法中，通過使用高溫焊料將硅芯片焊接在引線框架上形成組件。接著，被封裝或未封裝的硅芯片/引線框架組件通過焊接或機械固定附著至PWB。板可暴露于再多幾次的回流工藝用于在板上表面安裝其他電子器件。在進一步的焊接過程中，應當良好地保持硅芯片和引線框架之間的內部連接。這需要高溫焊料經得起多重回流而沒有任何功能故障。所以，為了與在工業中使用的焊料回流方案(profile)相容，高溫焊料的主要要求包括(i)熔化溫度約260℃和更高(根據典型的焊料回流方案)，(ii)好的抗熱疲勞性，(iii)高的熱導率/電導率，和(iv)低成本。目前，工業中沒有可用的滴入式(drop-in)無鉛替代物。但是，最近已經提議一些無鉛焊料候選物用于高溫芯片附著應用，比如(1)Sn-Sb，(2)Zn基合金，(3)Au-Sn/Si/Ge和(4)Bi-Ag。Sb小于10wt%的Sn-Sb合金保持良好的機械性能而不形成大量的金屬間化合物。但是它們的固相線溫度不高于250℃，這不能滿足260℃的抗回流要求。包括低共熔的Zn-Al、Zn-Al-Mg和Zn-Al-Cu的Zn基合金的熔化溫度高于330℃。但是，Zn、Al和Mg對氧的高親和力造成在各種金屬化表面飾面上的極差的濕潤。提議為高溫無鉛替代焊料之一的Zn-(20-40wt%)Sn焊料合金的液相線溫度高于300℃，但是固相線溫度僅為約200℃。Zn-Sn焊料在約260℃時的半固體狀態被認為在隨后的回流期間在元件之間保持良好的互連。但是，當半固體焊料被擠壓在封裝的包裝內并迫使半固體焊料流出時出現問題。這產生預料不到的功能故障的風險。Zn基焊料合金也將在金屬化表面和焊料之間形成大量的IMC層。在隨后的回流和操作期間，IMC層的存在及其劇烈生長也造成可靠性問題。由兩個金屬間化合物組成的低共熔Au-Sn已經被實驗顯示為可靠的高溫焊料，這是因為其熔化溫度為280℃、良好的機械性能、高的電導率&熱導率、和卓越的抗腐蝕性。但是，極高的成本限制了其在成本超過可靠性考慮因素的領域中的應用。固相線溫度為262℃的Bi-Ag合金滿足高溫芯片附著焊料的熔化溫度要求。但是，存在幾個主要問題：(1)在各種表面飾面上差的濕潤性和(2)相關的源于差的濕潤性的弱結合界面。難熔的無鉛焊料的熔化溫度要求使得Sn-Sb和Zn-Sn焊料不合適。富Au焊料的極高成本限制其被行業認可。Zn-Al和Bi-Ag符合熔化溫度要求和合理的低成本。但是，由于對氧的高親和力(在Zn-Al焊料系統中)或由于焊料和基底金屬化之間差的反應化學(在Bi-Ag焊料系統中或甚至一些含鉛焊料比如Pb-Cu和Pb-Ag系統中)，它們差的濕潤性使得這些難熔的焊料難以在工業中使用，因為差的濕潤性導致的弱結合強度。但是，BiAg和ZnAl的期望的高熔化溫度仍使得它們適合作為高溫無鉛焊料的候選物。如上所述，焊料差的濕潤性源于(1)差的反應化學或(2)焊料的氧化。弱結合通常與差的濕潤性相關。例如，Bi基焊料在不同金屬化表面上的差的濕潤性主要由于Bi和基底材料(即Cu)之間差的反應化學或Bi在回流期間的氧化。已經開發了Ge摻雜的BiAg，目標在于在熔化期間防止合金表面上形成過多的浮渣。但是，該摻雜將不改變Bi和基底金屬化表面飾面之間的反應化學。Bi和Cu將不在Bi/Cu界面形成IMC，其是差的濕潤性和弱結合界面的主要原因。Bi和Ni將在Bi/Ni界面形成IMC層，但是脆性的IMC(Bi3Ni或BiNi)削弱接縫強度，因為裂縫總是沿著Bi3Ni和焊料基體之間的界面或BiNi和Ni基底之間的界面生長。因此，Bi和基底材料之間的反應化學導致差的濕潤性和弱結合強度。已經做出努力以通過將額外的元素在焊料中合金化改性焊料合金和金屬化表面飾面之間的反應化學。但是，合金化通常與一些預料不到的性能損失有關。例如，與Bi相比，Sn具有與基底更好的反應化學。但是，直接將Sn合金化進入BiAg(其中Ag目的在于增加熱導率/電導率)可引起(1)熔化溫度的顯著降低或(2)合金中Ag3SnIMC的形成。如果在回流期間它們沒有足夠的時間溶解在熔化的焊料中，這將不改善Sn與基底金屬之間的反應化學。因此，直接將元素合金化進入焊料，比如Sn直接進入Bi-Ag合金顯示最小的改進。專利技術實施方式簡述本專利技術要求保護設計和制備混合合金焊料膏的新技術，其提供來自組成的合金粉末的結合優勢。在一些實施方式中，混合合金焊料膏適合高溫焊料應用，比如芯片附著，因為組分提供期望的優勢，包括改善的反應化學、良好控制的IMC層厚度、和因此來自第二合金的增強的可靠性和來自第一合金的高熔化溫度和良好的熱導率/電導率。本專利技術也提供制備混合合金焊料膏的方法和用該混合合金焊料膏連接電子元件或機械部件的方法。該專利技術的技術提供設計混合合金粉末膏的方法，其中添加劑粉末存在于膏中以在相對較低的溫度下或與第一合金焊料粉末的熔化一起改善反應化學。在一些實施方式中，混合合金粉末膏包括兩種或多種合金粉末和助焊劑。膏中的合金粉末由作為多數的一種焊料合金粉末和作為少數的添加劑合金粉末組成。添加劑提供卓越的化學以在基底的各種金屬化表面飾面即通常使用的Cu和Ni表面飾面等上濕潤。在一些實施方式中，添加劑將在多數焊料熔化之前或與多數焊料的熔化一起熔化。熔化的添加劑將在部分或完全熔化的第一合金之前或與其一起在基底上濕潤并粘附至基底。添加劑被設計以支配IMC沿著基底金屬化表面飾面的形成并在回流過程期間完全被轉化成IMC。IMC層的厚度將因此被膏中的添加劑的量良好地控制，因為在IMC形成中添加劑起支配作用。在一些實施方式中，第一合金焊料將對在添加劑和基底之間形成的IMC層具有強的親和力。該強的親和力將增強焊料體和IMC之間的結合強度。因此，期望的反應化學和良好控制的IMC層厚度不僅改善濕潤性能也增強與濕潤性能相關的結合強度。結合附圖，由下列詳細說明，本專利技術的其他特征和方面將變得顯而易見，所述附圖通過舉例的方式圖解說明根據本專利技術實施方式的特征。該簡述不意在限制本專利技術的范圍，該范圍僅由所附的權利要求限定。附圖簡述參考下列附圖詳細描述根據一個或多個各種實施方式的本專利技術。僅僅為了圖解的目的提供附圖并且僅僅描述本專利技術典型的或示例性的實施方式。提供這些附圖以有助于讀者理解本專利技術并且不應認為限制本專利技術的寬度、范圍或應用。應當注意，為了清楚和容易圖解，這些附圖沒有必要按照比例繪制。圖1圖解根據本專利技術的實施方式實施的回流焊方法。圖2顯示在Cu試樣和合金42試樣上由90wt%Bi本文檔來自技高網...

【技術保護點】

【技術特征摘要】
【國外來華專利技術】2010.05.03 US 12/772,8971.焊料膏，其由下列組成：60wt％至92wt％之間的量的第一焊料合金粉末；大于0wt％并且小于12wt％的量的第二焊料合金粉末；和助焊劑；其中所述第一焊料合金粉末包括第一焊料合金，其固相線溫度高于260℃，其中所述第一焊料合金是Bi-Ag合金、Bi-Cu合金或Bi-Ag-Cu合金；和其中所述第二焊料合金粉末包括第二焊料合金，其固相線溫度低于250℃。2.權利要求1所述的焊料膏，其中所述第二焊料合金的固相線溫度在230℃和250℃之間。3.權利要求2所述的焊料膏，其中所述第二焊料合金包括Sn合金。4.權利要求3所述的焊料膏，其中所述Sn合金包括Sn-Sb合金、或Sn-Sb-X合金，其中X＝Ag、Al、Au、Co、Cu、Ga、Ge、In、Mn、Ni、P、Pd、Pt或Zn。5.權利要求1所述的焊料膏，其中所述第二焊料合金的固相線溫度在200℃和230℃之間。6.權利要求1所述的焊料膏，其中所述第二焊料合金包括Sn-Ag合金、Sn-Cu合金、Sn-Ag-X合金或Sn-Zn合金，其中X＝Al、Au、Co、Cu、Ga、Ge、In、Mn、Ni、P、Pd、Pt、Sb或Zn。7.權利要求1所述的焊料膏，其中所述第二焊料合金的固相線溫度低于200℃。8.權利要求7所述的焊料膏，其中所述第二焊料合金包括Sn-Bi合金、Sn-In合金或Bi-In合金。9.權利要求1所述的焊料膏，其中所述第二焊料合金粉末的量在2wt％和10wt％之間。10.權利要求1所述的焊料膏，其中所述第一焊料合金包括從0至20wt％的Ag及剩余的為Bi，從0至5wt％的Cu及剩余的為Bi，或從0至20wt％的Ag和從0至5wt％的Cu及剩余的為Bi。11.權利要求1所述的焊料膏，其中所述第一焊料合金包括從2.6wt％至15wt％的Ag及剩余的為Bi，從0.2wt％至1.5wt％的Cu及剩余的為Bi，或從2.6wt％至15wt％的Ag和從0.2wt％至1.5wt％的Cu及剩余的為Bi。12.制造焊料膏的方法，其由將下述進行混合組成：60wt％至92wt％之間的量的第一焊料合金粉末；和大于0wt％并且小于12wt％的量的第二焊料合金粉末；與助焊劑；其中所述第一焊料合金粉末包括第一焊料合金，其固相線溫度高于260℃，其中所述第一焊料合金是Bi-Ag合金、Bi-Cu合金或Bi-Ag-Cu合金；和其中所述第二焊料合金粉末包括第二焊料合金，其固相線溫度低于250℃。13.權利要求12所述的方法，其中所述第二焊料合金包括Sn合金或Bi-In合金。14.權利要求13所述的方法，其中所述Sn合金包括Sn-Sb合金、Sn-Ag合金、Sn-Cu合金、Sn-Zn合金、Sn-Bi合金或Sn-In合金。15.權利要求14所述的方法，其中所述Sn合金還包括Sn-Sb-X合金，其中X＝Ag、Al、Au、Co、Cu、Ga、Ge、In、Mn、Ni、P、Pd、Pt或Zn；或Sn-Ag-X合金，其中X＝Al、Au、Co、Cu、Ga、Ge、In、Mn、Ni、P、Pd、Pt、Sb或Zn。16.權利要求12所述的方法，其中所述第二焊料合金粉末的量在2wt％和10wt％之間。17.權利要求12所述的方法，其中所述第一焊料合金包括從0至20wt％的Ag及剩余的為Bi，從0至5wt％的Cu及剩余的為Bi，或從0至20wt％的Ag和從0至5wt％的Cu及剩余的為Bi。18.權利要求12所述的方法，其中所述第一焊料合金包括從2.6wt％至15wt％的Ag及剩余的為Bi，從0.2wt％至1.5wt％的Cu及剩余的為Bi，或...

【專利技術屬性】
技術研發人員：H·張，NC·李，
申請(專利權)人：銦泰公司，
類型：
國別省市：