无铅相变超塑性焊料制造技术

披露了包括重量百分比（ｗｔ．％）为８５－９６％的锡（Ｓｎ）和４－１５％的铟（Ｉｎ）的无铅焊料及其典型应用。所述Ｓｎ－Ｉｎ焊料在从回流温度冷却至室温时进行马氏体相变。结果是，由于连接部件之间的相对运动导致的焊料应变所产生的通常将出现的残余应力显著降低。通常情况下，所述相对运动由所述连接部件之间的热膨胀系数（ＣＴＥ）的不匹配而产生。所披露的典型应用包括倒装芯片组装和将集成电路封装到电路板安装架上，例如球栅阵列封装。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术的
主要涉及焊接工艺，且更具体而言，但不排它地涉及无铅超塑性焊料。
技术介绍
焊料是具有特定组成的金属(已公知为合金)，当有焊剂存在时，焊料在相对较低的温度(120-450℃)下熔化。最普遍使用的焊料包含锡和铅作为基本组分。存在许多合金变型，所述合金变型中包括两种或两种以上下列金属元素锡(Sn)、铅(Pb)、银(Ag)、铋(Bi)、锑(Sb)和铜(Cu)。焊料通过受热时熔化，并结合(浸湿)到金属表面上而起作用。焊料形成了接合金属之间的永久性金属间结合剂，大体上作用类似于金属“胶水”。除了提供结合功能外，焊料接合点还提供了焊接部件之间的电连接和传热路径。焊料可具有多种形式，包括焊膏、焊丝、棒、带、预成型件和锭料。许多高密度集成电路(ICs)，例如微处理器、图形处理器、微控制器和类似物以使用大量输入/输出(I/O)线路的方式进行封装。为此目的采用的普通封装技术包括“倒装芯片”封装技术和球栅阵列(BGA)封装技术。这两种封装技术对于每条输入/输出(I/O)线路(例如管脚或球)采用了焊料连接点(接合点)。随着复杂集成电路密度的不断增加，倒装芯片和球栅阵列的输入/输出(I/O)连接点密度相应增加。结果是，封装中采用的焊料接合点的尺寸不得不减少。更具体而言，倒装芯片(FC)不是特定封装(类似于SOIC)，或甚至是封装类型(如球栅阵列)。倒装芯片技术描述了将管芯电连接到封装载体上的方法。封装载体，或基板或引线框架，随后提供了从管芯到封装件外部的连接。在“标准”封装中，利用金属丝实现管芯和载体之间的相互连接。管芯被附接到面朝上的载体上，随后金属丝首先被结合到管芯上，随后形成环并结合到载体上。通常情况下，金属丝长1-5mm，且直径为25-35∞m。相反，通过被直接放置在管芯表面上的导电“凸起”而实现在倒装芯片封装中管芯和载体之间的相互连接。凸起的管芯随后“倒转”并面朝下放置，且凸起直接连接到载体上。凸起通常高70-100μm且直径为100-125μm。通常通过两种方式中的一种形成倒装芯片连接，所述方式为使用焊料或使用导电粘结剂。迄今为止，最普遍的封装互连手段是焊料，所述焊料为在管芯侧的高97Pb-3Sn且通过共晶Pb-Sn被附接到基板上。形成焊料凸起的管芯采用焊料回流工艺被附接到基板上，所述焊料回流工艺与用以将球栅阵列的焊球附接到封装件外部上的工艺非常相似。在进行芯片焊接后，底部填充胶被添加在管芯和基板之间。底部填充胶是特制的工程环氧，所述环氧填充管芯和载体之间围绕焊料凸起的区域。其被设计以控制由硅片和载体之间的热膨胀差异所导致的焊料接合点中的应力，正如下面所进一步详细讨论的。一旦固化，则底部填充胶吸收了大量应力，这样减少了焊料凸起上的应变，大大增加了成品封装件的寿命。芯片附接和底部填充步骤是倒装芯片相互连接的基础。除此之外，围绕管芯的封装构造的其余部分可采取多种形式且通常可利用现有制造工艺和封装规格。近来，欧盟已要求2003年5月31日后售出的新产品不含基于铅的焊料。其它国家和地区正在考虑相类似的限制措施。这就为集成电路产品的制造商以及在产品制造过程中使用焊接工艺的其它行业提出了问题。尽管许多无铅焊料是众所周知的，但这些焊料具有使它们与基于铅的焊料相比时不利的性质，包括延性(塑性)的降低。这尤其在倒装芯片和球栅阵列组装工艺中是成问题的。由于努力积极地进行研发，最近已在向无铅焊接技术的完全转变方面取得了显著进步。目前，首要候选焊料是用于多种焊接应用的近三元共晶Sn-Ag-Cu合金。近共晶三元Sn-Ag-Cu合金在固化时产生三相，即β-Sn、Ag3Sn和Cu6Sn5。在固化过程中，平衡共晶转变在动力学上受到抑制。当Ag3Sn相通过最小过冷形核时，β-Sn相典型地需要15至30℃的过冷以形核。与所需过冷的这种不一致所产生的结果是，在焊料接合点最终凝固之前的冷却过程中，大的板状Ag3Sn结构可在液相内快速生长。当大的Ag3Sn板存在于焊料接合点中时，它们可通过提供沿大的Ag3Sn板和β-Sn相之间的界面的优先裂纹扩展路径而不利地影响焊料接合点的机械行为且可能减少焊料接合点的疲劳寿命。对于Sn-Ag-Cu焊料普遍存在的进一步问题包括内层电介质(ILD)开裂和倒装芯片组件基板处的焊盘剥离，以及在球栅阵列封装件的球栅阵列侧的焊盘剥离。附图说明通过参考以下详细说明并当结合附图，本专利技术得到更好地理解，因此将更易于意识到本专利技术的前述方面和许多附带优点，其中除非特别进行说明，否则使用相似的附图标记表示各个附图中的相似部件图1a-图1c是示出了常规倒装芯片组装工艺的横截面图，其中图1a示出了在焊料回流温度下的状态，图1b示出了组件已冷却后的状态，且图1c示出了底部填充胶被加入且盖被模制成型在组件上之后的状态；图2是对应于Sn-In合金的相图；图3是示出了当Sn-In合金从高温冷却至低温时其点阵结构的变化的示意图；图4是示出了相变的相对百分比对温度和Sn-In重量比率的曲线图；图5是示出了进行空冷的Sn-7In合金马氏体形成的显微扫描照片；图6是示出了在压缩应力下形成的Sn-9In合金马氏体相变的结果的显微扫描照片；和图7是示出了在典型冷却速率下硅(Si)和Sn-7In的位移特征对温度的曲线图。具体实施例方式在此对无铅焊料组成的细节和焊料的典型用途进行了描述。在以下描述中，阐述了许多具体细节，例如施加用于倒装芯片封装的无铅焊料，从而提供对本专利技术实施例的彻底理解。然而，相关领域的技术人员将认识到可不通过具体细节中的一个或多个，或通过其它方法、部件、材料等实践本专利技术。在其它实例中，未详细示出或描述众所周知的结构、材料或操作以避免使本专利技术的方面不再突出。整个说明书中对“一个实施例”或“实施例”的参考意味着结合实施例描述的特定部件、结构或特征被包括在本专利技术的至少一个实施例中。因此，在整个说明书中各处出现的短语“在一个实施例中”或“在实施例中”不一定都指的是相同的实施例。此外，特定部件、结构或特征可以任何适当方式被结合在一个或多个实施例中。参见图1a和图1b，典型倒装芯片组件包括具有多个焊盘102的基板100，在所述焊盘上形成了相应的焊料凸起104。基板100进一步包括联接到其下侧上的多个焊球106。相应的引线108在每个焊盘102和焊球106之间沿特定路径延伸。集成电路管芯110通过焊料凸起104被“倒装芯片式”安装到基板100上。为了便于与管芯电路的电连接，管芯包括安装到其下侧上的多个焊盘112，每个所述焊盘经由通过内层电介质(ILD)114的电线(未示出)被连接到管芯电路的相应部分上。内层电介质通常包括在管芯基板上形成的介电层，例如用于硅管芯基板的二氧化硅。通过升高焊料凸起的温度直至达到焊料的回流温度使得焊料凸起熔化而组装倒装芯片部件。这通常在回流炉等类似装置中进行。随后冷却组装部件，致使焊料回复其固体状态，由此形成焊盘102和112之间的金属结合部。通常情况下，基板由刚性材料，例如刚性层压结构形成。同时管芯和内层电介质通常由半导体基板，例如硅形成。硅具有百万分之2-4(2-4ppm)/摄氏度的典型热膨胀系数(CTE)。典型倒装芯片基底的热膨胀系数约为16-19ppm/℃。在热膨胀系数上的差异导致在焊料凸起和内层本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种无铅焊料合金，包括重量百分比（ｗｔ．％）为８５－９６％的锡（Ｓｎ）和４－１５％的铟（Ｉｎ）。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：F华，
申请(专利权)人：英特尔公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]