复合焊料合金预制件制造技术

本发明专利技术的各种实施方式提供用于高温无Pb焊接应用的层状复合预制箔。层状复合预制箔由高熔点延展性金属或合金核心层和在核心层每一侧的低熔点焊料涂布层组成。在焊接期间，核心金属、液体焊料层和衬底金属反应并消耗低熔点焊料相，以形成高熔点金属间化合物相(IMC)。产生的焊接接头由被在衬底侧的IMC层包夹的延展性核心层组成。接头具有比初始焊料合金涂层的原始熔化温度高得多的再熔化温度，允许随后装配封装的器件。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术一般地涉及焊接，并且更具体而言，一些实施方式涉及用于高温无铅焊接应用的焊料预制件(preform)。相关技术描述高温焊料合金广泛用于芯片附着(die attach)、电力半导体和光学器件封装、倒装片封装、散热片连接(heat-sink joining)等。目前用于这些应用的产业标准焊料主要是高铅焊料(90-95wt% Pb)和Au基低共熔焊料合金比如80Au20Sn焊料。芯片附着工艺包括用粘合剂粘合或焊料连接将娃芯片或晶片连接到引线框架(lead frame)或其它衬底。焊接对于将芯片附着到引线框，特别是对于电力装置而言是优选的方法，因为焊料合金比粘合 剂具有更高的载流量和更好的热导率。后一特性对消散器件产生的热量被证明是有益的。用于芯片附着的焊料通常具有280°C或以上的液相线温度以允许随后通过200°C至250°C温度的回流焊(reflow soldering)用低共熔SnPb或无铅SnAgCu (SAC)焊料将封装的器件装配在印刷电路板上。对于芯片附着最广泛使用的焊料是高Pb合金，例如95Pb5Sn、88Pbl0Sn2Ag和92. 5Pb5Sn2. 5Ag。然而，Pb是有毒的，并且其使用在许多应用中是被禁止的。尽管用于第一级封装用途的高Pb焊料合金由于缺少可靠的它们的替代物而被从目前的有害物质限用指导(Restriction of Hazardous Substances Directive) (RoHS)细则中免除，但在这些领域中将最终实现向无Pb材料的转换。无Pb低共熔Au-Sn(280°C )、Au-Si (363°C )和Au-Ge (356 V )合金可用作芯片附着焊料，但成本过高。尽管在Sn-Sb,Bi-Ag,Zn-Sn和Zn-Al系统中的其它高温无铅焊料也已知作为候选，但每个都具有其自身的缺点。例如，Sn-Sb和Zn-Sn合金的固相线温度过低，Zn-Al合金是高度腐蚀性的且易于氧化，以及Bi-Ag合金具有脆性和低的热/电传导率问题。专利技术实施方式概述本专利技术的各实施方式提供用于高温无Pb焊接应用的层状复合预制箔。层状复合预制箔由高熔点延展性金属或合金核心层和在核心层每个侧面上的低熔点焊料涂布层组成。在焊接期间，核心金属、液体焊料层和衬底金属反应并消耗低熔点焊料相以形成高熔点金属间化合物相(IMC)。产生的焊接接头由被在衬底侧的IMC层包夹的延展性核心层组成。接头具有比初始焊料合金涂层的原始熔化温度高得多的再熔化温度，允许随后装配封装的器件。根据本专利技术的实施方式，复合预制箔包括核心金属层，该核心金属层包括选自Ag、Au、Pd、Pt、Cu、Ni、Co、Fe、Mn、Mg、Ti、Zr或其合金的金属，该合金具有超过280°C的固相线温度；连接到核心金属层的第一焊料层，该第一焊料层包括Sn基焊料或In基焊料，并且该第一焊料层具有等于或大于5 μ m的厚度；和连接到核心金属层的第二焊料层，该第二焊料层包括Sn基焊料或In基焊料，并且该第二焊料层具有等于或大于5 μ m的厚度；其中核心金属层具有足够的厚度以便在回流焊中的等温固化之后保留一层金属。由下列详述，连同参考根据本专利技术的实施方式通过举例说明特征的附图，本专利技术的其它特征和方面将变得明显。该概述并非意欲限制仅由本文所附权利要求限定的本专利技术范围。附图简述根据一个或多个不同的实施方式，参照下面的附图详细描述了本专利技术。提供附图仅出于说明的目的并且附图仅描述 本专利技术典型的或示例实施方式。提供这些附图用于帮助读者理解本专利技术，并且不应认为附图限制本专利技术的宽度、范围或适用性。应当注意出于说明的清晰和简洁，这些附图不必按比例制作。本文包括的一些图从不同的视角说明了本专利技术的各实施方式。尽管所附的描述性文字可能参照如“顶” “底” “侧”视图这些视图，但除非另作明确的规定，否则这种参照仅仅是描述性的且并非意味着或要求以特定的空间取向实施或使用本专利技术。图I是根据本专利技术的实施方式说明复合预制箔及连接方法的图。图2是根据本专利技术的实施方式说明由在回流焊中使用复合预制箔产生的焊接接头的图。图3是呈现用于辅助参考的Sn-Ag系统的二元相图。图4A-4D是由使用本专利技术的各种实施方式以连接Cu衬底产生的焊接接头的微结构。图4E-4H是图4A-4D的焊接接头的图解。图5A是由使用本专利技术的各种实施方式以将Cu衬底连接到合金42衬底产生的焊接接头的微结构。图5B和5C是图5A的焊接接头的图解。图6A和6D是由使用本专利技术的各种实施方式以将Cu衬底连接到金属化硅芯片产生的焊接接头的微结构。图6B和6C是图6A的焊接接头的图解。图6E和6C是图6D的焊接接头的图解。图7A和7B是在图6A和6D的焊接接头中存在的金属间层上进行的能量色散X射线光谱(energy dispersive X-ray spectroscopy)分析的结果。附图并非意欲是穷尽的或将本专利技术限制于公开的精确形式。应当理解本专利技术可以通过修改和变更实施，并且本专利技术仅通过权利要求及其等价物限制。本专利技术的实施方式详述本专利技术涉及在需要280°C或更高熔点的高温焊接应用中使用的复合预制件。在一些实施方式中，复合预制箔由高熔点延展性金属或合金核心层和在核心层每个侧面上的低熔点焊料涂布层组成。在焊接期间，核心金属和液体焊料层连同待连接的衬底金属反应，形成高熔点金属间化合物相(MC)，其在已知为瞬间液相(TLP)连接的过程中快速消耗低熔点焊料相。产生的焊接接头由被在衬底侧的MC层包夹的延展性核心层组成，具有比初始焊料合金涂层的熔化温度高得多的再熔化温度。焊接接头的层状复合结构提高接头的强度和断裂韧性。图I根据本专利技术的实施方式说明复合预制件和焊接方法。复合预制件101包括金属或金属合金箔102，其用焊料涂布以在金属箔102的顶部和底部上形成焊料层103。在组装107期间，复合预制件101被包夹在待连接的衬底104之间。在一些实施方式中，也在预制件101和衬底104之间施加适量的助焊剂。可选地，可以使用涂布助焊剂的复合预制件101。在组装之后，回流焊106用于连接衬底。关于焊料层103中使用的焊料的组成和厚度选择适当的回流曲线，使用回流炉(reflow oven)。选择回流峰值温度和液相线以上时间(TAL)以便在回流焊之后，焊料与衬底104或金属层102转化成一个或多个MC相。在一些实施方式中，选择回流曲线以便焊料层103完全转化成IMC。在其它实施方式中，可以选择回流曲线以便焊料层103不完全转化成MC，并且在回流之后可以剩余一些焊料。该剩余的焊料可以在之后的处理中转化成MC，或者过量的焊料可能不影响进一步的处理并且可允许其保留。产生的焊接接头包括被衬底104之间的两个侧面上的金属间层106和105包夹的延展性核心金属层102。该接头具有由交替的硬层(MC) 105、106和软层(金属102)组成的复合MC/金属/IMC层状结构，其增加焊接接头的强度同时保持对脆性断裂的抗性。形成的焊接接头的另一个特性是其具有比初始预制件101高得多的再熔化温度。在一些实 施方式中，再熔化温度可以高于480°C，至724°C。在一些实施方式中，金属核心层102包括具有足够的延展性以允许使用在回流焊期间不需要特殊衬底表面制备或高压的厚焊本文档来自技高网...

【技术保护点】

【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：W·刘，NC·李，
申请(专利权)人：铟泰公司，
类型：
国别省市：