混合合金焊料膏制造技术

焊料膏包括约60wt%至约92wt%之间的量的第一焊料合金粉末；大于0wt%并且小于约12wt%的量的第二焊料合金粉末；和助焊剂；其中第一焊料合金粉末包括第一焊料合金，其固相线温度高于约260℃；和其中第二焊料合金粉末包括第二焊料合金，其固相线温度低于约250℃。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】混合合金焊料膏
本专利技术一般涉及焊料组合物，并且更具体而言，一些实施方式涉及高温焊接应用的焊料组合物。相关技术描述由电子组件的处理产生的铅被认为对环境和人类健康有害。规章逐渐禁止在电子互连和电子封装工业中使用含Pb焊料。已经广泛地研究替换传统低共熔Pb-Sn的无Pb焊料。SnAg、SnCu、SnAgCu和SnZn焊料正在变成用于半导体互连和电子工业中的主流焊料。但是，开发高温无Pb焊料代替常规高铅焊料即Pb-5Sn&Pb-5Sn-2.5Ag仍处在其初期。当组件被焊接在印刷电路板(PWB)上时，高温焊料用于保持组件中元件内的内部连接。高温焊料的通常用途是用于芯片附着(die-attach)。在示例性方法中，通过使用高温焊料将硅芯片焊接在引线框架上形成组件。接着，被封装或未封装的硅芯片/引线框架组件通过焊接或机械固定附着至PWB。板可暴露于再多几次的回流工艺用于在板上表面安装其他电子器件。在进一步的焊接过程中，应当良好地保持硅芯片和引线框架之间的内部连接。这需要高温焊料经得起多重回流而没有任何功能故障。所以，为了与在工业中使用的焊料回流方案(profile)相容，高温焊料的主要要求包括(i)熔化温度约260℃和更高(根据典型的焊料回流方案)，(ii)好的抗热疲劳性，(iii)高的热导率/电导率，和(iv)低成本。目前，工业中没有可用的滴入式(drop-in)无铅替代物。但是，最近已经提议一些无铅焊料候选物用于高温芯片附着应用，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合金保持良好的机械性能而不形成大量的金属间化合物。但是它们的固相线温度不高于250℃，这不能满足260℃的抗回流要求。包括低共熔的Zn-Al、Zn-Al-Mg和Zn-Al-Cu的Zn基合金的熔化温度高于330℃。但是，Zn、Al和Mg对氧的高亲和力造成在各种金属化表面饰面上的极差的湿润。提议为高温无铅替代焊料之一的Zn-(20-40wt%)Sn焊料合金的液相线温度高于300℃，但是固相线温度仅为约200℃。Zn-Sn焊料在约260℃时的半固体状态被认为在随后的回流期间在元件之间保持良好的互连。但是，当半固体焊料被挤压在封装的包装内并迫使半固体焊料流出时出现问题。这产生预料不到的功能故障的风险。Zn基焊料合金也将在金属化表面和焊料之间形成大量的IMC层。在随后的回流和操作期间，IMC层的存在及其剧烈生长也造成可靠性问题。由两个金属间化合物组成的低共熔Au-Sn已经被实验显示为可靠的高温焊料，这是因为其熔化温度为280℃、良好的机械性能、高的电导率&热导率、和卓越的抗腐蚀性。但是，极高的成本限制了其在成本超过可靠性考虑因素的领域中的应用。固相线温度为262℃的Bi-Ag合金满足高温芯片附着焊料的熔化温度要求。但是，存在几个主要问题：(1)在各种表面饰面上差的湿润性和(2)相关的源于差的湿润性的弱结合界面。难熔的无铅焊料的熔化温度要求使得Sn-Sb和Zn-Sn焊料不合适。富Au焊料的极高成本限制其被行业认可。Zn-Al和Bi-Ag符合熔化温度要求和合理的低成本。但是，由于对氧的高亲和力(在Zn-Al焊料系统中)或由于焊料和基底金属化之间差的反应化学(在Bi-Ag焊料系统中或甚至一些含铅焊料比如Pb-Cu和Pb-Ag系统中)，它们差的湿润性使得这些难熔的焊料难以在工业中使用，因为差的湿润性导致的弱结合强度。但是，BiAg和ZnAl的期望的高熔化温度仍使得它们适合作为高温无铅焊料的候选物。如上所述，焊料差的湿润性源于(1)差的反应化学或(2)焊料的氧化。弱结合通常与差的湿润性相关。例如，Bi基焊料在不同金属化表面上的差的湿润性主要由于Bi和基底材料(即Cu)之间差的反应化学或Bi在回流期间的氧化。已经开发了Ge掺杂的BiAg，目标在于在熔化期间防止合金表面上形成过多的浮渣。但是，该掺杂将不改变Bi和基底金属化表面饰面之间的反应化学。Bi和Cu将不在Bi/Cu界面形成IMC，其是差的湿润性和弱结合界面的主要原因。Bi和Ni将在Bi/Ni界面形成IMC层，但是脆性的IMC(Bi3Ni或BiNi)削弱接缝强度，因为裂缝总是沿着Bi3Ni和焊料基体之间的界面或BiNi和Ni基底之间的界面生长。因此，Bi和基底材料之间的反应化学导致差的湿润性和弱结合强度。已经做出努力以通过将额外的元素在焊料中合金化改性焊料合金和金属化表面饰面之间的反应化学。但是，合金化通常与一些预料不到的性能损失有关。例如，与Bi相比，Sn具有与基底更好的反应化学。但是，直接将Sn合金化进入BiAg(其中Ag目的在于增加热导率/电导率)可引起(1)熔化温度的显著降低或(2)合金中Ag3SnIMC的形成。如果在回流期间它们没有足够的时间溶解在熔化的焊料中，这将不改善Sn与基底金属之间的反应化学。因此，直接将元素合金化进入焊料，比如Sn直接进入Bi-Ag合金显示最小的改进。专利技术实施方式简述本专利技术要求保护设计和制备混合合金焊料膏的新技术，其提供来自组成的合金粉末的结合优势。在一些实施方式中，混合合金焊料膏适合高温焊料应用，比如芯片附着，因为组分提供期望的优势，包括改善的反应化学、良好控制的IMC层厚度、和因此来自第二合金的增强的可靠性和来自第一合金的高熔化温度和良好的热导率/电导率。本专利技术也提供制备混合合金焊料膏的方法和用该混合合金焊料膏连接电子元件或机械部件的方法。该专利技术的技术提供设计混合合金粉末膏的方法，其中添加剂粉末存在于膏中以在相对较低的温度下或与第一合金焊料粉末的熔化一起改善反应化学。在一些实施方式中，混合合金粉末膏包括两种或多种合金粉末和助焊剂。膏中的合金粉末由作为多数的一种焊料合金粉末和作为少数的添加剂合金粉末组成。添加剂提供卓越的化学以在基底的各种金属化表面饰面即通常使用的Cu和Ni表面饰面等上湿润。在一些实施方式中，添加剂将在多数焊料熔化之前或与多数焊料的熔化一起熔化。熔化的添加剂将在部分或完全熔化的第一合金之前或与其一起在基底上湿润并粘附至基底。添加剂被设计以支配IMC沿着基底金属化表面饰面的形成并在回流过程期间完全被转化成IMC。IMC层的厚度将因此被膏中的添加剂的量良好地控制，因为在IMC形成中添加剂起支配作用。在一些实施方式中，第一合金焊料将对在添加剂和基底之间形成的IMC层具有强的亲和力。该强的亲和力将增强焊料体和IMC之间的结合强度。因此，期望的反应化学和良好控制的IMC层厚度不仅改善湿润性能也增强与湿润性能相关的结合强度。结合附图，由下列详细说明，本专利技术的其他特征和方面将变得显而易见，所述附图通过举例的方式图解说明根据本专利技术实施方式的特征。该简述不意在限制本专利技术的范围，该范围仅由所附的权利要求限定。附图简述参考下列附图详细描述根据一个或多个各种实施方式的本专利技术。仅仅为了图解的目的提供附图并且仅仅描述本专利技术典型的或示例性的实施方式。提供这些附图以有助于读者理解本专利技术并且不应认为限制本专利技术的宽度、范围或应用。应当注意，为了清楚和容易图解，这些附图没有必要按照比例绘制。图1图解根据本专利技术的实施方式实施的回流焊方法。图2显示在Cu试样和合金42试样上由90wt%Bi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】2010.05.03 US 12/772,8971.焊料膏，其由下列组成：60wt％至92wt％之间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；和助焊剂；其中所述第一焊料合金粉末包括第一焊料合金，其固相线温度高于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，其固相线温度低于250℃。2.权利要求1所述的焊料膏，其中所述第二焊料合金的固相线温度在230℃和250℃之间。3.权利要求2所述的焊料膏，其中所述第二焊料合金包括Sn合金。4.权利要求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.权利要求1所述的焊料膏，其中所述第二焊料合金的固相线温度在200℃和230℃之间。6.权利要求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.权利要求1所述的焊料膏，其中所述第二焊料合金的固相线温度低于200℃。8.权利要求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.权利要求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％之间。10.权利要求1所述的焊料膏，其中所述第一焊料合金包括从0至20wt％的Ag及剩余的为Bi，从0至5wt％的Cu及剩余的为Bi，或从0至20wt％的Ag和从0至5wt％的Cu及剩余的为Bi。11.权利要求1所述的焊料膏，其中所述第一焊料合金包括从2.6wt％至15wt％的Ag及剩余的为Bi，从0.2wt％至1.5wt％的Cu及剩余的为Bi，或从2.6wt％至15wt％的Ag和从0.2wt％至1.5wt％的Cu及剩余的为Bi。12.制造焊料膏的方法，其由将下述进行混合组成：60wt％至92wt％之间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；与助焊剂；其中所述第一焊料合金粉末包括第一焊料合金，其固相线温度高于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，其固相线温度低于250℃。13.权利要求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.权利要求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.权利要求14所述的方法，其中所述Sn合金还包括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.权利要求12所述的方法，其中所述第二焊料合金粉末的量在2wt％和10wt％之间。17.权利要求12所述的方法，其中所述第一焊料合金包括从0至20wt％的Ag及剩余的为Bi，从0至5wt％的Cu及剩余的为Bi，或从0至20wt％的Ag和从0至5wt％的Cu及剩余的为Bi。18.权利要求12所述的方法，其中所述第一焊料合金包括从2.6wt％至15wt％的Ag及剩余的为Bi，从0.2wt％至1.5wt％的Cu及剩余的为Bi，或...

【专利技术属性】
技术研发人员：H·张，NC·李，
申请(专利权)人：铟泰公司，
类型：
国别省市：