專(zhuān)利名稱(chēng)：無(wú)鉛焊料的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種不含有鉛的無(wú)鉛焊料。
背景技術(shù)：
基于錫(Sn)的焊料含有柔軟的鉛，其作為基底材料，從而可輕易地獲得具有幾微米至幾十微米厚度的薄錫基焊料。所以，常規(guī)地，錫基焊料廣泛地用于半導(dǎo)體裝置的焊接。然而，為了阻止鉛的環(huán)境污染，在2007年，必須使用作為鉛焊料的替代物的不含有鉛的焊料，即無(wú)鉛焊料。因此，對(duì)無(wú)鉛焊料進(jìn)行了研究。
通常，已知Sn-Ag(銀)基焊料和Sn-Sb(銻)焊料作為無(wú)鉛焊料。然而，由于無(wú)鉛焊料不含有鉛，所以不容易獲得薄的無(wú)鉛焊料。例如，JP-A-2004-146462公開(kāi)了通過(guò)將不含有鉛的焊料的細(xì)小粉末顆粒材料燒結(jié)為薄板形狀而生成薄板形無(wú)鉛焊料。該無(wú)鉛焊料是金屬粉末的燒結(jié)結(jié)構(gòu)。
此外，提出了一種焊料箔，它是通過(guò)將含有銅(Cu)、銀和錫微粒的材料碾壓而形成的，用于電子元件的連接(例如，參見(jiàn)JP-A-2004-247742)。該焊料薄膜不是合金焊料。此外，JP-A-11-97618公開(kāi)了結(jié)合半導(dǎo)體晶片的方法。在該方法中，將鋁層或鋁和鎳層插入晶片之間，將該所得產(chǎn)品在壓力下加熱，因此獲得通過(guò)將多片晶片疊加而構(gòu)造的成疊晶片結(jié)構(gòu)。

發(fā)明內(nèi)容
然而，在JP-A-2004-146462或JP-A-2004-247742中公開(kāi)的焊料需要在制造過(guò)程中被形成粉末，因此工序數(shù)目增加。所以，帶來(lái)了成本增加的問(wèn)題。當(dāng)將粉末狀焊料膏化而不是形成為薄的焊料時(shí)，也有相同的問(wèn)題。此外，在JP-A-11-97618中公開(kāi)的結(jié)合晶片的方法中，可不使用焊料結(jié)合半導(dǎo)體晶片。然而，在該方法中，薄的無(wú)鉛焊料未用于結(jié)合半導(dǎo)體晶片。
本發(fā)明考慮到上述情況并提供了不需要將焊料或焊料的材料形成粉末以生成薄片狀無(wú)鉛焊料的低成本無(wú)鉛焊料。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，提供了包括碾壓為片狀的合金的無(wú)鉛焊料。該合金包括錫、10wt％至不足25wt％的銀、以及3wt％至5wt％的銅。并且該合金不含鉛。
合金可包括10wt％至20wt％的銀。該合金可具有40μm至120μm厚度的薄片形狀。該合金可具有與結(jié)合元件，如半導(dǎo)體晶片，相同直徑的圓片形狀。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，不用將焊料或其材料形成為粉末，而獲得薄片形狀的無(wú)鉛焊料，該無(wú)鉛焊料是含有錫、銀和銅作為主要成分的合金。
根據(jù)本發(fā)明的無(wú)鉛焊料的優(yōu)勢(shì)在于焊料和其材料形成為合金，且不用將焊料和其材料形成為粉末而將其碾壓為薄片形狀，從而降低成本。


根據(jù)附圖對(duì)本發(fā)明的實(shí)施例進(jìn)行詳細(xì)地說(shuō)明，其中圖1是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，在制造過(guò)程中使用焊料構(gòu)成的成疊晶片結(jié)構(gòu)的剖視圖；圖2是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，在制造過(guò)程中使用焊料構(gòu)成的成疊晶片結(jié)構(gòu)的剖視圖；圖3是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，在使用焊料的成疊晶片結(jié)構(gòu)制造過(guò)程中所使用的加熱擠壓焊接裝置的示意剖視圖；圖4是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，在使用焊料的成疊晶片結(jié)構(gòu)制造過(guò)程中所使用的擠壓堆疊夾具的示意平面視圖；圖5是圖4所示的擠壓堆疊夾具的側(cè)面正視圖；圖6是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，在使用焊料的成疊晶片結(jié)構(gòu)制造過(guò)程中所使用的皮帶輸送機(jī)的示意剖視圖；圖7是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，在使用焊料的成疊晶片結(jié)構(gòu)制造過(guò)程中所使用的真空加熱器的示意剖視圖；及圖8是用于說(shuō)明焊料耐熱測(cè)試的示意圖。
具體實(shí)施例方式
在下文中，參考附圖對(duì)根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的無(wú)鉛焊料進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。根據(jù)本實(shí)施例的無(wú)鉛焊料包括合金，該括合金含有錫、銀和銅作為主要成分。銀的組分比根據(jù)合金的總量在10wt％至不足25wt％的范圍內(nèi)，優(yōu)選20wt％。銅的組分比根據(jù)合金的總量在3wt％至5wt％的范圍內(nèi)，優(yōu)選5wt％。其余(balance)或其余材料的一部分是錫。例如，作為無(wú)鉛焊料，Sn-10Ag-5Cu焊料含有10wt％銀和5wt％銅，Sn-20Ag-5Cu焊料含有20wt％銀和5wt％銅。此外，該無(wú)鉛焊料具有不可避免的成分。
將無(wú)鉛焊料碾壓為薄片形狀。該無(wú)鉛焊料的厚度可在40μm至120μm的范圍內(nèi)，但不限于此。在制造通過(guò)焊料連接半導(dǎo)體晶片而構(gòu)成的成疊晶片結(jié)構(gòu)的情況下，根據(jù)晶片的厚度，成疊晶片的數(shù)目以及通過(guò)焊料結(jié)合的預(yù)定數(shù)目晶片的厚度而確定厚度的范圍。此外，焊料的形狀和尺寸與結(jié)合元件的形狀和尺寸相同。例如，當(dāng)結(jié)合元件是半導(dǎo)體晶片時(shí)，該焊料可為圓片形狀，其具有與晶片的直徑相同的直徑。
圖1和2是說(shuō)明使用根據(jù)本實(shí)施例的焊料制造成疊晶片結(jié)構(gòu)的工藝的示意圖。圖1和2示出了成疊晶片結(jié)構(gòu)的剖視圖。首先如圖1所示，將多片晶片11和無(wú)鉛焊料12交替地堆疊，從而形成成疊晶片焊料結(jié)構(gòu)10。
接著，將成疊晶片焊料結(jié)構(gòu)10在壓力下加熱以將無(wú)鉛焊料12熔化，如圖2所示，獲得使用焊料層22焊接晶片11構(gòu)成的成疊晶片結(jié)構(gòu)20。這里，結(jié)合溫度的范圍從高于焊料12的固相線(xiàn)溫度30℃的溫度(在下文中，由“焊料固相線(xiàn)溫度+30℃”表示)，至低于焊料12的液相線(xiàn)溫度30℃的溫度(在下文中，由焊料液相線(xiàn)溫度-30℃表示)。
在切割成疊晶片結(jié)構(gòu)20的芯片后，在將成疊晶片結(jié)構(gòu)在堆疊方向的兩端部分支撐的狀態(tài)下進(jìn)行焊料耐熱測(cè)試，其中將芯片在260℃溫度下進(jìn)行三次持續(xù)加熱十秒。通過(guò)測(cè)試的最低溫度是焊料固相線(xiàn)溫度+30℃。此外，由于在高于焊料固相線(xiàn)溫度+30℃的溫度熔化焊料變得均一化，具有較低熔點(diǎn)的液態(tài)焊料被推出結(jié)合元件，而失去了提高焊料耐熱性的優(yōu)點(diǎn)。
此外，在焊接過(guò)程中，用于擠壓成疊晶片焊料結(jié)構(gòu)10的壓力可在1Mpa至10Mpa范圍內(nèi)，優(yōu)選地，從3Mpa至7Mpa。這是由于所有的晶片都可在1Mpa以上的壓力下結(jié)合。此外，晶片在10Mpa以上的壓力下會(huì)很容易裂開(kāi)。通過(guò)擠壓和加熱，提高了焊料層22的耐熱性。
為了獲得圖2所示的成疊晶片結(jié)構(gòu)20，例如，如圖3所示使用加熱擠壓焊接裝置160。將成疊晶片焊料結(jié)構(gòu)10插入上擠壓體161的上均勻加熱擠壓板162和下擠壓體163的下均勻加熱擠壓板164之間。此后，通過(guò)擠壓臂165壓下上擠壓體161，從而擠壓成疊晶片焊料結(jié)構(gòu)。在該狀態(tài)下，通過(guò)分別包括在上和下擠壓體161和163中的加熱器166和167對(duì)成疊晶片焊料結(jié)構(gòu)10進(jìn)行加熱。作為加熱方法的示例，可使用感應(yīng)加熱。
可選地，為了擠壓成疊晶片焊料結(jié)構(gòu)10，如圖4的平面視圖和圖5的側(cè)正視圖所示，可使用擠壓堆疊夾具170。在這種情況下，將成疊晶片焊料結(jié)構(gòu)10插入夾具170的下和上板171和172之間。接著，通過(guò)擰緊螺母174而擠壓成疊晶片焊料結(jié)構(gòu)10，其中將螺母與用作連接下和上板171和172的柱體的多個(gè)條形部件173的上部的螺紋部分螺紋結(jié)合。
在使用擠壓堆疊夾具170的情況下，例如，如圖6所示，將擠壓成疊晶片焊料結(jié)構(gòu)10的擠壓堆疊夾具170設(shè)置在帶式輸送機(jī)190的皮帶191上，并且通過(guò)轉(zhuǎn)子192的旋轉(zhuǎn)而移動(dòng)該皮帶191，因此夾具170在加熱器193的下方移動(dòng)并被加熱?？蛇x地，如圖7所示，在使用真空加熱器200的情況下，將擠壓成疊晶片焊料結(jié)構(gòu)10的擠壓堆疊夾具170設(shè)置在真空加熱器200的真空室201的樣品臺(tái)202上，通過(guò)離子泵203和低溫泵204將室201抽成真空，并且用加熱器205加熱夾具170。這里，可將如H2和N2的惰性氣體(inert gas)引入該室201。
發(fā)明人測(cè)試了具有各種組分的焊料的碾壓特性，同時(shí)，制造圖2中所示的成疊晶片結(jié)構(gòu)20，切割其上的芯片，并測(cè)試該芯片的焊料耐熱性。結(jié)果如下。在表1中示出了該焊料的組分，固相和液相溫度，以及成疊晶片結(jié)構(gòu)20的制造過(guò)程中的溫度和壓力。
表1○好×差

在焊料的碾壓特性測(cè)試中，制造具有各種成分的焊料合金的錠料，并且測(cè)試每塊錠料是否被碾壓為具有100mm直徑和40μm厚度的薄片形狀。在表1中示出了結(jié)果。在表1中的碾壓特性欄，符號(hào)○表示可碾壓的焊料，而符號(hào)×表示不能碾壓的焊料。在表1中，在銀的組分比在5wt％至20wt％的范圍內(nèi)，且銅的組分比在從1wt％至5wt％的范圍中的情況下，可以看到該焊料具有良好的碾壓特性。具有良好碾壓特性的焊料具有與將鉛作為基料的錫基焊料相同或更優(yōu)的碾壓特性。反之，在銀的組分比是25wt％或30wt％的情況下，焊料具有較差的碾壓特性，因此不能將焊料碾壓為所需的尺寸和厚度。
在焊料耐熱測(cè)試中，通過(guò)使用在碾壓特性測(cè)試中可碾壓成所需薄片形狀的焊料，焊料和20片晶片彼此疊加并在各種溫度和壓力的條件下焊接。通過(guò)鋼絲鋸將所獲得的成疊晶片結(jié)構(gòu)切割為具有0.5mm×0.5mm尺寸的芯片。如圖8所示，在通過(guò)支撐部件32對(duì)芯片31在疊加方向的兩端進(jìn)行支撐后，將芯片31在260℃溫度下加熱三次，每次加熱十秒。在加熱后，對(duì)芯片31中央的x的彎曲量進(jìn)行測(cè)量。并且其測(cè)試x是否小于預(yù)定值，如，50μm。在表1中示出了該結(jié)果。在表1的焊料耐熱欄中，符號(hào)○表示x小于50μm，而符號(hào)X表示×大于50μm。
在表1中，在使用的焊料包含組分比在10wt％至20wt％范圍內(nèi)的銀，組分比在3wt％至5wt％范圍內(nèi)的銅，焊接溫度范圍從焊料固相線(xiàn)溫度+30℃至焊料液相線(xiàn)溫度-30℃，且焊接壓力在1MPa至10MPa的范圍中的情況下，可獲得良好的焊料耐熱性。該具有良好焊料耐熱性的焊料具有與以鉛作為基料的錫基焊料相同或更好的焊料耐熱性。
相反，盡管焊料具有良好的碾壓特性，在使用含有組分比是5wt％的銀，或組分比是1wt％的銅的焊料的情況下，或者在焊接溫度低于焊料固相線(xiàn)溫度+30℃，或者焊料溫度高于焊料液相線(xiàn)溫度-30℃的情況下，不能夠獲得良好的焊料耐熱性。此外，本發(fā)明人使用具有在良好的耐熱條件下具有良好碾壓特性的組分的焊料而制造成疊晶片結(jié)構(gòu)，并且通過(guò)使用從該成疊晶片結(jié)構(gòu)獲得的芯片而裝配了半導(dǎo)體裝置。根據(jù)本實(shí)施例，可獲得與以鉛作為基料的常規(guī)錫基焊料同等的初始電特性和可靠性。
如上文中所述，根據(jù)本實(shí)施例，通過(guò)碾壓焊料合金的錠料而獲得具有薄片形狀的薄的焊料，因此不需要將焊料或其材料形成為粉末。所以，可獲得具有薄板形狀而不含鉛的低成本焊料。此外，在使用該焊料制造成疊結(jié)構(gòu)的情況下，焊料獲得了與常規(guī)焊料相同或更好的焊料耐熱性。
本發(fā)明不限于該實(shí)施例，并且可進(jìn)行各種修改。例如，在本實(shí)施例中所說(shuō)明的組分比和尺寸僅僅是示例性的值，且本發(fā)明不限于此。
因此，根據(jù)本實(shí)施例的無(wú)鉛焊料可用于具有薄片形狀的薄的無(wú)鉛焊料，更具體來(lái)說(shuō)，可用于在通過(guò)將多片半導(dǎo)體晶片焊接而構(gòu)成的成疊晶片結(jié)構(gòu)的制造過(guò)程中所使用的焊料。
權(quán)利要求
1.一種無(wú)鉛焊料，包括碾壓為薄片形狀的合金，所述合金包括錫；10重量％～不足25重量％的銀；和3重量％～5重量％的銅；其中所述合金不含鉛。
2.如權(quán)利要求1所述的無(wú)鉛焊料，其中所述合金包括10重量％～20重量％的銀。
3.如權(quán)利要求1所述的無(wú)鉛焊料，其中所述合金的形狀為具有40μm～120μm厚度的薄片。
4.如權(quán)利要求1所述的無(wú)鉛焊料，其中所述合金的形狀為直徑與被結(jié)合部件的直徑相同的圓片。
全文摘要
根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，提供了一種包括合金的碾壓為薄片形狀的無(wú)鉛焊料。該合金包括錫；從10wt％至不足25wt％的銀；以及從3wt％至5wt％的銅。該合金是無(wú)鉛的。
文檔編號(hào)B23K35/02GK1907635SQ20061010850
公開(kāi)日2007年2月7日 申請(qǐng)日期2006年8月3日 優(yōu)先權(quán)日2005年8月5日
發(fā)明者蒔田一之, 一瀬正樹(shù), 渡島豪人, 早乙女全紀(jì), 山下滿(mǎn)男, 淺黃剛, 平井雅敏, 村田透 申請(qǐng)人:富士電機(jī)電子設(shè)備技術(shù)株式會(huì)社, 淺見(jiàn)真