制作厚膜/焊料接缝的方法技术

一种制作厚膜／焊料接缝的方法，它包括以下相继的步骤：（１）在非导电性基片上涂施第一层厚膜导体糊料，布成具有预先选定的焊料衬垫区的图形，然后焙烧该糊料层；（２）只在焊料衬垫区内的第一厚膜层上涂覆以第二层低玻璃料含量的厚膜导体糊料，并焙烧该糊料层；（３）在焙烧过的第二层厚膜上，涂覆以一层软焊料，以形成焊料接缝。（*该技术在2012年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及，尤其是涉及制作在热循环后具有优良粘合性的厚膜/焊料接缝的方法。微电子工业的当前趋势是将集成电路和其它器件装置在厚膜金属化基片的表面。虽然这是在大规模生产中能有效地降低成本的一种连接和封装方法，但在实施该方法时遇到了若干可靠性问题。焊接是连接引线和集成电路组件的较好方法，但它会产生焊缝断裂的问题，尤其是在经受热循环时。这就严重限制了厚膜应用于某些用途，如汽车电子线路以及一些军事和高功率的应用，这些用途中良好的热循环性能是十分重要的。汽车的发动机舱是特别严厉的环境，在正常运行时，线路会遇到150℃的温度，而在发动机停机以后，会在短时间内上升至160-170℃。相反地，在某些地区，环境温度可降至-50℃。虽然上述的温度只是极端的情况，但线路必须能承受这温度范围内很多次数的热循环而粘合性不会显著变劣，以避免灾难性的故障。这种承受热循环条件的能力，即热循环粘合性(TCA)现在变得更重要了，因为汽车制造商提供了更长的保用期。用Sn/Pb易熔焊料焊接的常规Ag/Pd厚膜导体呈现较差的热循环粘合性。Sn/Pb焊料的热膨胀系数(TCE)比氧化铝基质和厚膜导体高得多。这种TCE的不匹配导致在焊到厚膜导体上的Sn/Pb焊缝中产生高的张应力。虽然表面装置工艺(SMT)是一种吸引人的用于高密度电子系统的装配方法，但它还存在一些必须解决的问题。LCC、MLC和其它片状器件通常是通过Sn/Pb焊料膏的回流而连接于氧化铝的或陶瓷的多层连接板。由于在基片、金属涂层与焊料之间存在很大的TCE不匹配，显然在焊料凸焊缝底部的厚膜中将引起张应变。对于在氧化铝基片上的焊接铜厚膜来说，由TCE不匹配而引起的应变ε可估计如下对于在-50-+150℃之间热循环的焊接的铜膜，ε＝△α·△T＝(25-6)·(200)＝3800ppm在铜膜中的张应力σcu，可由Hookes定律估算σcu＝εE其中E是杨氏弹性模量。对于在-50至150℃之间的热循环，其张应力可估算为σcu＝(3800×10-6)·3×106＝11，400psi(张应力)。这个计算只是近似的，因为αcu(厚膜)小于αcu(大块物质)，并且一部分张应力可因焊料和铜内的塑性形变而消除。已用有限元分析方法(FEM)对SMT焊缝中的应力作了更精确的估算。FEM的结果表明张应力的数量级与此相同。显然，对于LCC或IC片，应力的情况将更为复杂。重要之点是由TCE不匹配而引起的张应力是相当大的，而在厚膜导体、电介质或IC片中产生并传播的裂纹，可导致开路故障。在由TCE重大差别而引起的应力之外，厚膜焊料衬垫还受到一些在热循环时会使粘合性变劣的机械作用和化学作用，即·锡由焊料扩散至膜中，生成金属互化物并增长。·在焊料内形成强度低的富含Pb的区域。·由于焊料凸焊缝与膜/基片之间TCE很大不匹配而引起的高应变。·与蠕变相联系的过程，包括微空隙聚结和焊料氧化。·通过焊料/导体至基片/电介质界面的裂纹传播。焊接的厚膜导体在热循环时粘合力变劣的典型数据如附图说明图1所示。全部曲线在热循环时粘合力都呈现小的起始降落，随后在持续循环时迅速减小。本专利技术的第一方面，是一种制作具有预选面积的厚膜/焊料接缝的方法，它包括以下相继的步骤(1)在非导电性基片上先用导电性组合物涂覆布成图型的第一层厚膜，该膜具有预先选定的焊料衬垫区。所用导电性组合物由以下分散的微细颗粒组成(a)85.0-98.5%(重量)的非合金纯导体金属或其低合金，导体金属选自金、银、铜，其粒度为0.5-5微米，(b)1-10%(重量)的玻璃料;与(c)0.5-5%(重量)的形成尖晶石的金属氧化物;(a)、(b)、(c)全都分散在有机介质中;(2)焙烧该第一层导电组合物厚膜，使得有机介质从其中挥发，并实现无机粘合剂的液相烧结;(3)在焙烧过的第一层导电性厚膜的焊料衬垫区上覆盖第二层导电性组合物的厚膜，该组合物包含(a)94.0-99.3%(重量)的非合金纯导体金属或其低合金，导体金属选自金、银、铜，粒度为0.5-10微米;(b)0.2-1.0%(重量)的玻璃料;(c)0.5-5.0%(重量)的形成尖晶石的金属氧化物;(a)、(b)、(c)也都分散在有机介质中;(4)焙烧该第二层导电性厚膜，使得有机介质从其中挥发，并实现无机粘合剂的液相烧结;以及(5)在焙烧过的第二层导电性厚膜的焊料衬垫区上，涂覆以熔点为120-300℃的、软的低锡焊料层，以形成焊料接缝。本专利技术的第二方面，是一种制作具有预选面积的厚膜/焊料接缝的方法，它包括以下相继的步骤(1)在非导电性基片上先用导电性组合物涂覆一层布成图型的厚膜，该膜具有预先选定的焊料衬垫区，所用组合物由以下分散的微细颗粒组成(a)85.0-98.5%(重量)的非合金纯导体金属或其低合金，导体金属选自金、银、铜，粒度为0.5-5微米;(b)1-10%(重量)的玻璃料;和(c)0.5-5.0%(重量)形成尖晶石的金属氧化物;(a)、(b)、(c)全都分散在有机介质中;(2)焙烧该导电性组合物厚膜，使得有机介质从其中挥发，并实现无机粘合剂的液相烧结;(3)将一种厚膜电介质组合物涂覆在围绕焊料衬垫区露出的基片区域上以及在焊料衬垫区内厚膜导体的外沿上，该电介质组合物由分散在有机介质中的微细玻璃颗粒组成;(4)焙烧该电介质组合物厚膜，使得有机介质从其中挥发，并使其中的玻璃烧结;(5)在焊料衬垫区内仍然露出的导电性组合物厚膜的表面上，涂覆以一层熔点为120-300℃的软焊料以形成焊料接缝。附图的简单说明如下图1是一些厚膜材料的粘合性与热循环次数的关系图;图2a、图2b、图2c分别是评价本专利技术所用的三个热循环曲线;图3是粘合性与陈化时间的关系图，并显示了焙烧过的导体膜的厚度的影响;图4是厚膜导体粘合性与在各种温度下陈化的关系图;图5a，5b，5c，5d，5e，5f，5g分别是制作焊接的厚膜导体元件时，本专利技术所需步骤的示意图;图6是粘合性测试的粘接结构;图7a是标准剥离试验结构的截面示意图;图7b是改进的剥离试验结构的截面示意图。专利技术的详细说明A.概述厚膜导体经受热循环试验时的性能，可通过控制一些材料的、工艺的、和设计的因素而得到改善。例如，玻璃粘合剂含量低的、纯的可展性厚膜(如银或铜)比Ag/Pd合金导体呈现较高的热循环粘合性。相似地，厚的致密的膜比薄的多孔膜呈现较高的热循环粘合性，因为锡从焊料扩散穿过厚的致密膜需要更长的时间。焊料组成和焊接条件也起着重要作用。用低屈服强度、低锡或无锡焊料焊接的厚膜在热循环时性能较好，因为焊料中的塑性形变消除了一部分应力。而且，由于锡含量低，因形成金属互化物MxSny而引起的厚膜变脆也减小了。在热循环时，有时是焊料接缝发生疲劳断裂而不是在厚膜/基片界面发生断裂。通过产生细晶粒、无空隙的焊料接缝以及采用具有高疲劳强度的焊料组成，可将这种情况尽可能减少。比较焊料在各种条件下作热循环的疲劳强度时可用Coffin-Manson方程。Naf·△εp＝常数以下列出影响厚膜导体的热循环粘合性的各种因素。通过综合地控制这些因素，可显著地改善厚膜材料在热循环时的性能。B.冶金学纯金属(如银、铜、金)或这些金属的低合金构成的厚膜组合物，在热循环时的性能比硬的脆性合金(如30/70Pd/Ag)好。纯金本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种制作具有预选面积的厚膜／焊料接缝的方法，其特征在于它包括以下各相继的步骤：（１）在非导电性基片上涂覆以布成图型具有预先选定的焊料衬垫区的第一层导电性组合物厚膜，该组合物由以下分散的微细颗粒组成：（ａ）８５．０－９８．５％（重量）纯的未合金化韧性导体金属或其低合金，其粒度为０．５－５微米，（ｂ）１－１０％（重量）玻璃料，和（ｃ）０．５－５．０％（重量）生成尖晶石的金属氧化物，（ａ）、（ｂ）、和（ｃ）全都分散在有机介质中；（２）焙烧第一层导电性组合物厚膜，使有机介质从其中挥发，并实现无机粘合剂的液相烧结；（３）在焙烧过的第一层导体厚膜上，只在焊料衬垫区上覆盖第二层导电性组合物厚膜，该组合物包含（ａ）９４．０－９９．３（重量）纯的未合金化的金属（金、银或铜）或者其低合金，其粒度为０．５－１０微米，（ｂ）０．２－１．０％（重量）玻璃料，和（ｃ）０．５－５．０％（重量）形成尖晶石的金属氧化物，（ａ）、（ｂ）和（ｃ）全都分散在有机介质中；（４）焙烧第二层导体厚膜，使有机介质从其中挥发，并实现无机粘合剂的液相烧焙；（５）在焙烧过的第二层导体厚膜的焊料衬垫区上，涂覆以熔点为１２０－３００℃的软焊料层，以形成焊料接缝。...

【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：VP修泰，
申请(专利权)人：EI内穆尔杜邦公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]