專利名稱：復合焊料合金預(yù)制件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般地涉及焊接，并且更具體而言，一些實施方式涉及用于高溫無鉛焊接應(yīng)用的焊料預(yù)制件(preform)。相關(guān)技術(shù)描述高溫焊料合金廣泛用于芯片附著(die attach)、電力半導體和光學器件封裝、倒裝片封裝、散熱片連接(heat-sink joining)等。目前用于這些應(yīng)用的產(chǎn)業(yè)標準焊料主要是高鉛焊料(90-95wt% Pb)和Au基低共熔焊料合金比如80Au20Sn焊料。芯片附著工藝包括用粘合劑粘合或焊料連接將娃芯片或晶片連接到引線框架(lead frame)或其它襯底。焊接對于將芯片附著到引線框，特別是對于電力裝置而言是優(yōu)選的方法，因為焊料合金比粘合 劑具有更高的載流量和更好的熱導率。后一特性對消散器件產(chǎn)生的熱量被證明是有益的。用于芯片附著的焊料通常具有280°C或以上的液相線溫度以允許隨后通過200°C至250°C溫度的回流焊(reflow soldering)用低共熔SnPb或無鉛SnAgCu (SAC)焊料將封裝的器件裝配在印刷電路板上。對于芯片附著最廣泛使用的焊料是高Pb合金，例如95Pb5Sn、88Pbl0Sn2Ag和92. 5Pb5Sn2. 5Ag。然而，Pb是有毒的，并且其使用在許多應(yīng)用中是被禁止的。盡管用于第一級封裝用途的高Pb焊料合金由于缺少可靠的它們的替代物而被從目前的有害物質(zhì)限用指導(Restriction of Hazardous Substances Directive) (RoHS)細則中免除，但在這些領(lǐng)域中將最終實現(xiàn)向無Pb材料的轉(zhuǎn)換。無Pb低共熔Au-Sn(280°C )、Au-Si (363°C )和Au-Ge (356 V )合金可用作芯片附著焊料，但成本過高。盡管在Sn-Sb,Bi-Ag,Zn-Sn和Zn-Al系統(tǒng)中的其它高溫無鉛焊料也已知作為候選，但每個都具有其自身的缺點。例如，Sn-Sb和Zn-Sn合金的固相線溫度過低，Zn-Al合金是高度腐蝕性的且易于氧化，以及Bi-Ag合金具有脆性和低的熱/電傳導率問題。發(fā)明實施方式概述本發(fā)明的各實施方式提供用于高溫無Pb焊接應(yīng)用的層狀復合預(yù)制箔。層狀復合預(yù)制箔由高熔點延展性金屬或合金核心層和在核心層每個側(cè)面上的低熔點焊料涂布層組成。在焊接期間，核心金屬、液體焊料層和襯底金屬反應(yīng)并消耗低熔點焊料相以形成高熔點金屬間化合物相(IMC)。產(chǎn)生的焊接接頭由被在襯底側(cè)的IMC層包夾的延展性核心層組成。接頭具有比初始焊料合金涂層的原始熔化溫度高得多的再熔化溫度，允許隨后裝配封裝的器件。根據(jù)本發(fā)明的實施方式，復合預(yù)制箔包括核心金屬層，該核心金屬層包括選自Ag、Au、Pd、Pt、Cu、Ni、Co、Fe、Mn、Mg、Ti、Zr或其合金的金屬，該合金具有超過280°C的固相線溫度；連接到核心金屬層的第一焊料層，該第一焊料層包括Sn基焊料或In基焊料，并且該第一焊料層具有等于或大于5 μ m的厚度；和連接到核心金屬層的第二焊料層，該第二焊料層包括Sn基焊料或In基焊料，并且該第二焊料層具有等于或大于5 μ m的厚度；其中核心金屬層具有足夠的厚度以便在回流焊中的等溫固化之后保留一層金屬。由下列詳述，連同參考根據(jù)本發(fā)明的實施方式通過舉例說明特征的附圖
，本發(fā)明的其它特征和方面將變得明顯。該概述并非意欲限制僅由本文所附權(quán)利要求限定的本發(fā)明范圍。附圖簡述根據(jù)一個或多個不同的實施方式，參照下面的附圖詳細描述了本發(fā)明。提供附圖僅出于說明的目的并且附圖僅描述 本發(fā)明典型的或示例實施方式。提供這些附圖用于幫助讀者理解本發(fā)明，并且不應(yīng)認為附圖限制本發(fā)明的寬度、范圍或適用性。應(yīng)當注意出于說明的清晰和簡潔，這些附圖不必按比例制作。本文包括的一些圖從不同的視角說明了本發(fā)明的各實施方式。盡管所附的描述性文字可能參照如“頂” “底” “側(cè)”視圖這些視圖，但除非另作明確的規(guī)定，否則這種參照僅僅是描述性的且并非意味著或要求以特定的空間取向?qū)嵤┗蚴褂帽景l(fā)明。圖I是根據(jù)本發(fā)明的實施方式說明復合預(yù)制箔及連接方法的圖。圖2是根據(jù)本發(fā)明的實施方式說明由在回流焊中使用復合預(yù)制箔產(chǎn)生的焊接接頭的圖。圖3是呈現(xiàn)用于輔助參考的Sn-Ag系統(tǒng)的二元相圖。圖4A-4D是由使用本發(fā)明的各種實施方式以連接Cu襯底產(chǎn)生的焊接接頭的微結(jié)構(gòu)。圖4E-4H是圖4A-4D的焊接接頭的圖解。圖5A是由使用本發(fā)明的各種實施方式以將Cu襯底連接到合金42襯底產(chǎn)生的焊接接頭的微結(jié)構(gòu)。圖5B和5C是圖5A的焊接接頭的圖解。圖6A和6D是由使用本發(fā)明的各種實施方式以將Cu襯底連接到金屬化硅芯片產(chǎn)生的焊接接頭的微結(jié)構(gòu)。圖6B和6C是圖6A的焊接接頭的圖解。圖6E和6C是圖6D的焊接接頭的圖解。圖7A和7B是在圖6A和6D的焊接接頭中存在的金屬間層上進行的能量色散X射線光譜(energy dispersive X-ray spectroscopy)分析的結(jié)果。附圖并非意欲是窮盡的或?qū)⒈景l(fā)明限制于公開的精確形式。應(yīng)當理解本發(fā)明可以通過修改和變更實施，并且本發(fā)明僅通過權(quán)利要求及其等價物限制。本發(fā)明的實施方式詳述本發(fā)明涉及在需要280°C或更高熔點的高溫焊接應(yīng)用中使用的復合預(yù)制件。在一些實施方式中，復合預(yù)制箔由高熔點延展性金屬或合金核心層和在核心層每個側(cè)面上的低熔點焊料涂布層組成。在焊接期間，核心金屬和液體焊料層連同待連接的襯底金屬反應(yīng)，形成高熔點金屬間化合物相(MC)，其在已知為瞬間液相(TLP)連接的過程中快速消耗低熔點焊料相。產(chǎn)生的焊接接頭由被在襯底側(cè)的MC層包夾的延展性核心層組成，具有比初始焊料合金涂層的熔化溫度高得多的再熔化溫度。焊接接頭的層狀復合結(jié)構(gòu)提高接頭的強度和斷裂韌性。圖I根據(jù)本發(fā)明的實施方式說明復合預(yù)制件和焊接方法。復合預(yù)制件101包括金屬或金屬合金箔102，其用焊料涂布以在金屬箔102的頂部和底部上形成焊料層103。在組裝107期間，復合預(yù)制件101被包夾在待連接的襯底104之間。在一些實施方式中，也在預(yù)制件101和襯底104之間施加適量的助焊劑?？蛇x地，可以使用涂布助焊劑的復合預(yù)制件101。在組裝之后，回流焊106用于連接襯底。關(guān)于焊料層103中使用的焊料的組成和厚度選擇適當?shù)幕亓髑€，使用回流爐(reflow oven)。選擇回流峰值溫度和液相線以上時間(TAL)以便在回流焊之后，焊料與襯底104或金屬層102轉(zhuǎn)化成一個或多個MC相。在一些實施方式中，選擇回流曲線以便焊料層103完全轉(zhuǎn)化成IMC。在其它實施方式中，可以選擇回流曲線以便焊料層103不完全轉(zhuǎn)化成MC，并且在回流之后可以剩余一些焊料。該剩余的焊料可以在之后的處理中轉(zhuǎn)化成MC，或者過量的焊料可能不影響進一步的處理并且可允許其保留。產(chǎn)生的焊接接頭包括被襯底104之間的兩個側(cè)面上的金屬間層106和105包夾的延展性核心金屬層102。該接頭具有由交替的硬層(MC) 105、106和軟層(金屬102)組成的復合MC/金屬/IMC層狀結(jié)構(gòu)，其增加焊接接頭的強度同時保持對脆性斷裂的抗性。形成的焊接接頭的另一個特性是其具有比初始預(yù)制件101高得多的再熔化溫度。在一些實 施方式中，再熔化溫度可以高于480°C，至724°C。在一些實施方式中，金屬核心層102包括具有足夠的延展性以允許使用在回流焊期間不需要特殊襯底表面制備或高壓的厚焊料層103的金屬或金屬合金。在一些實施方式中，焊料層103的厚度可以是對稱的，頂層和底層相同，而在其它實施方式中，焊料層103的厚度是不對稱的，頂層與底層的厚度不同。例如，具有不對稱焊料層厚度的焊料預(yù)制件可用于連接具有不同組分的襯底。金屬核心層102的厚度足夠大以便其在等溫固化期間不被完全消耗，從而剩余物作為最終接頭的單獨成分存在。在一些實施方式中，金屬層102的厚度可以表示為焊料層103厚度的比例。例如，金屬層102可以是一個焊料層103的2至10倍之間那樣厚。在其它實施方式中，金屬層102的厚度可以表示為絕對值。例如，金屬層102可以在ΙΟμπι至ΙΟΟμπι之間。可以根據(jù)焊料層103厚度確定金屬層102的最小厚度以便在回流之后保留足夠的金屬以提供足夠延展性的接頭。在圖I所說明的實施方式中，頂C層105由襯底104和焊料103的成分形成的MC組成。例如，如果焊料103包括Sn-Ag焊料且襯底104包括Cu，則MC層105通常包括Cu-SnMC相。類似地，MC層106由金屬102和焊料103的成分形成的MC組成。例如，如果焊料103包括Sn-Ag焊料且金屬層102包括Ag，則MC層106通常包括Ag-Sn IMC相。這些MC相通常是脆性的。因此，在高溫焊接應(yīng)用比如在芯片附著應(yīng)用中，TLP連接使用非常薄的焊料層，比如具有小于3 μ m的厚度的焊料層。這些薄焊料層的使用對連接方法產(chǎn)生了某些不期望的限制。由于焊料的體積低，待連接的襯底表面必須滿足嚴格的限制；例如，它們必須具有非常低的粗糙度，這通常需要進一步加工成商業(yè)可得的襯底。此外，用薄焊料層，芯片和襯底必須置于高壓下。薄焊料層的使用也頻繁地對使用的襯底類型產(chǎn)生限制；通常，兩個襯底必須是相同的材料，或者必須仔細地匹配。在這些應(yīng)用中，由于MC形成，增加焊料層的厚度產(chǎn)生不可用的脆性接頭。然而在本發(fā)明中，金屬層102的存在允許使用具有5μπι或以上厚度的焊料層，例如具有5-50 μ m之間厚度的焊料層。延展性金屬層102改進接頭的延展性和斷裂韌性，使得能夠形成MC層厚度，否則將產(chǎn)生太脆性的接頭。這允許連接到商業(yè)標準襯底，不需要額外的表面制備，以及允許無需施加顯著壓力的普通回流方法。當然，這種技術(shù)可以用于本發(fā)明的實施方式，但不是必須的。另外，金屬層102加速了回流焊過程中等溫固化期間液相的消耗，與單獨使用焊料所需的時間相比減少了所需的總處理時間。此外，金屬層102在預(yù)制件101中為焊料層103提供了結(jié)構(gòu)支撐。在一些實施方式中，金屬層102由與焊料層103的成分反應(yīng)以形成MC的金屬或金屬合金組成。在一些實施方式中，焊料層103由Sn基焊料，比如Sn-Ag、Sn、SnCu> SnBi>SnSb> SnZn> SnAu> SnAgCu> SnAgBi、SnAgln> SnAgSb> SnAgCuBi、SnAgCuIn> SnAgCuSb 或其結(jié)合組成。在其它實施方式中，焊料層103由In基焊料例如In、InAg, InCu, InBi, InSb,InAgCu> InAgBi、InAgSn> InAgSb> InAgCuBi> InAgCuIn> InAgCuSb 或其結(jié)合組成。在進一步的實施方式中，焊料層103之一可以由與另一個焊料層相比不同的焊料合金組成。例如，一個焊料層可以由一種Sn基焊料組成而另一個由不同的Sn基焊料組成，或者一個焊料層可以由一種In基焊料組成而另一個由不同的In基焊料組成，或者一個焊料層可以由Sn基焊料組成而另一個由In基焊料組成。在焊料層103包括Sn基焊料比如Sn-Ag焊料的實施方式中，金屬層102包括與Sn反應(yīng)形成金屬間相的金屬或金屬合金，金屬間相具有大于預(yù)定的最小熔化溫度比如280°C 的熔化溫度。這種金屬可以包括Ag或Ag基合金；另外，金屬層102可以包括Au、Pd、Pt、Cu、Ni、Co、Fe、Mn、Mg、Ti、Zr或其合金。在焊料層103包括In基焊料比如In-Ag焊料的實施方式中，金屬層102包括與In反應(yīng)形成金屬間相的金屬或金屬合金,金屬間相具有大于預(yù)定的最小熔化溫度比如280°C的熔化溫度。這種金屬可以包括Ag或Ag基合金；另外，金屬層102可以包括Au、Pd、Pt、Cu、Ni、Co、Fe、Mn、Mg、Ti、Zr或其合金。在具體的實施方式中，浸焊(dip soldering)用于涂布金屬箔102以形成焊料層103。在其它實施方式中，其它涂布技術(shù)可用于生產(chǎn)預(yù)制件101，比如電鍍、包層(cladding)或濺射。圖2是由使用預(yù)制件產(chǎn)生的焊接接頭的圖，預(yù)制件包括被Sn-Ag焊料合金層包夾的Ag核心層。該圖說明焊接接頭200的MC/金屬/MC層狀結(jié)構(gòu)，如上所述。在說明的實施方式中，用包括用Sn-Ag基焊料涂布的Ag204的焊料預(yù)制件將兩個Cu襯底201連接在一起。在回流之后，接頭200包括與Cu-Sn MC層202連接的Cu襯底層201，該Cu-Sn IMC層202與包夾Ag層204的Ag-Sn MC層203連接。在該圖解中，Cu-Sn MC層202明顯比Ag-Sn層203薄。這是使用的預(yù)制件和襯底的成分組合的結(jié)果。MC相的相對厚度和存在將通常根據(jù)襯底、焊料層的厚度、回流處理條件以及金屬層和焊料層的組成而變化。例如，隨著使用較大厚度的焊料，MC層可以包括各種非均相。在這些實施方式中，Ag核心層厚度在大約40-60 μ m之間變化。在其它實施方式中，核心層可以在大約10-100 μ m或更大的范圍之間變化。對于Sn-Ag焊料,焊料層可以在大約5-30 μ m之間變化。在進一步的實施方式中，這些厚度可以根據(jù)應(yīng)用、連接特點、IMC形成和其它過程變量(process variation)而變化。例如，在一些實施方式中，焊料層厚度可以在5-50μπι之間變化。圖4-6說明使用本發(fā)明各種實施方式產(chǎn)生的焊接接頭的微結(jié)構(gòu)。圖3是呈現(xiàn)用于參考目的的Ag-Sn系統(tǒng)的二元相圖。在這些示例性的實施方式中，厚度為25至80 μ m的Ag帶在這個實例中用作復合預(yù)制箔中的核心層。該帶通過浸焊在兩側(cè)都用Sn3. 5Ag低共熔焊料層涂布。通過控制涂布過程的處理條件獲得從5 μ m至大約30 μ m的各種厚度的Sn-Ag焊料層。然后預(yù)制件由復合箔制成。在用于圖4A-4D所示的接頭的實施方式中，15mm(長度)X 12mm(寬度)X0. 6mm(厚度)的尺寸的商業(yè)純(CP)Cu試片(coupon)被用作要連接的襯底。Cu襯底在要連接的表面中心處印有預(yù)制件大小的助焊劑。一片復合預(yù)制箔被包夾在兩個有助焊劑的Cu襯底之間。該組裝被置于紅外(IR)回流爐中，并被加熱到大約300-380°C大約5-8分鐘而后冷卻。在焊接期間當溫度高于221°C (Sn3. 5Ag焊料層的初始熔化溫度)時，熔化的液體焊料中的Sn擴散到Ag核心層和Cu襯底中，同時Ag和Cu擴散到焊料層中。這個相互作用過程大大地降低了熔化層中的Sn濃度，因此產(chǎn)生等溫固化過程，并且除在界面處相對薄的Cu-Sn MC層之外，將低熔點Sn-Ag焊料主要轉(zhuǎn)化成Ag-Sn IMC (Ag3Sn+ζ相，見用于參考的圖3所示的Sn-Ag 二元相圖)。分別用相似的薄焊料層厚度和不同的Ag核心層厚度完成圖4Α和4Β中的微結(jié)構(gòu)。圖4Ε是說明圖4Α的接頭的圖，而圖4F是說明圖4Β中接頭較低的MC層的圖。圖4Α的接頭具有大約86 μ m的所產(chǎn)生厚度，和大約17 μ m的Ag-Sn IMC層203。圖4B的接頭具有大約105 μ m的所產(chǎn)生厚度，Ag-Sn MC層203具有大約18 μ m的厚度，Cu-Sn MC層202具有大約3μπι的厚度，核心金屬層204具有大約60 μ m的厚度?？梢姡瑢崿F(xiàn)了具有圖2所述的微結(jié)構(gòu)特征的完全等溫固化的接頭。在圖4C說明的實例中，預(yù)制件具有相對更厚的焊料層。該圖顯示隨著焊料層厚度增加，非均質(zhì)金屬間相205存在于焊接接頭中。產(chǎn)生的接頭具有大約86 μ m的厚度和大約 36 μ m的剩余核心金屬層。圖4G是說明圖4C接頭的上部中的這些相的圖。在圖4D說明的實例中，預(yù)制件具有甚至更厚的焊料層。該圖顯示隨著焊料層厚度進一步增加，在該實驗中使用的回流處理條件下在焊接接頭中保留了剩余的低熔點焊料相206。這些低熔點相可以通過使用更高的回流溫度或更長的TAL或二者的結(jié)合轉(zhuǎn)化成高熔點IMC。可選地，低熔點相可通過連接后的熱處理消除或被允許留在接頭中。具體而言，當?shù)腿埸c相在MC層和襯底之間不形成連續(xù)區(qū)域時，產(chǎn)生的接頭可以是符合要求的。圖4H是說明圖4D接頭的上部中的這些相的圖。圖5A顯示當使用不相似的襯底時，用具有第一層的Sn-Ag焊料、核心Ag層和第二層的Sn-Ag焊料的層狀預(yù)制件形成的接頭。該焊料預(yù)制件用于將具有15mm(長度)Xianrn(寬度)X0. 6mm(厚度)尺寸的Cu襯底301試片和具有l(wèi)5mm(長度)X l2mm(寬度)X0. 25mm(厚度)尺寸的合金42襯底302 (Fe42Ni)試片連接?；亓魈幚項l件與用于生產(chǎn)圖4A-4D中說明的接頭的那些類似。在該實施方式中，類似于Cu-Cu焊接接頭，該接頭具有層狀復合形式，包括合金42襯底302與金屬層304之間的第一層MC和Cu襯底301與金屬層304之間的第二層MC。這里，在Ag核心304和合金42襯底302之間形成三個MC相309、308和307。在Cu襯底301和Ag核心304之間形成三個IMC相303、305和306。圖5B和5C分別說明接頭的上部和下部。圖6A和6D說明使用復合預(yù)制件將硅芯片連接到Cu襯底產(chǎn)生的接頭。圖6B和6C分別說明圖6A中接頭的上部和下部。圖6E說明圖6D中接頭的上部。用Ti/Ni/Ag的金屬化層結(jié)構(gòu)制備具有O. 92mm(長度)X0. 92mm(寬度)X0. 21mm(厚度)尺寸的硅芯片402。具有厚度是TiO. Iym, Ni O. 2 μ m和Ag O. 8 μ m的金屬化層通過濺射方法沉積。使用的回流處理條件與在圖4A-4D中使用的那些類似。該復合預(yù)制件具有Ag核心層和SnAg焊料層。在硅芯片402和復合預(yù)制件之間以及在Cu襯底401和復合預(yù)制件之間實現(xiàn)良好的連接。盡管在硅側(cè)的Ag-Sn IMC層403內(nèi)可觀察到非常少量的殘留低熔點相404，但這可用增加溫度或TAL而去除，或者由于其不足以損害連接或降低進一步低溫焊接的能力而被忽略。
圖7A和7B分別說明在Ag-Sn IMC相403和Cu-Sn IMC相406上進行的定量能量色散X射線光譜(EDS)分析的結(jié)果。圖7A顯示形成的主要Ag-Sn MC相具有81. 5Agl8. 5Sn(wt%)的組成，其符合二元Ag-Sn相圖(圖3)中的ζ相。圖7Β顯示在復合預(yù)制件和Cu襯底之間形成的Cu-Sn IMC相是Cu3Sn。應(yīng)當注意,取決于相的組成，ζ相的再熔化溫度在480°C和724°C之間，如從Ag-Sn相圖(圖3)可見，能夠在芯片附著之后實現(xiàn)進一步的低溫焊接。雖然上面已經(jīng)描述了本發(fā)明的各種實施方式，但應(yīng)當理解其僅通過舉例的方式呈現(xiàn)而非限制。同樣地，各種圖形可以描述本發(fā)明的實例架構(gòu)或其它構(gòu)造，這樣做是為了幫助理解可包含在本發(fā)明中的特性和功能。本發(fā)明不只限于說明的實例架構(gòu)或構(gòu)造，而是期望的特性可用各種備選的架構(gòu)和構(gòu)造來實施。事實上，備選的功能、邏輯或物理分區(qū)和構(gòu)造能夠如何執(zhí)行來實施本發(fā)明期望的特性對本領(lǐng)域技術(shù)人員而言將是顯而易見的。同樣地，大量不同于本文描述的那些的組成模塊名稱可應(yīng)用到不同的分區(qū)。另外，對于流程圖、操作描述和方法權(quán)利要求，除非上下文另有指示，本文呈現(xiàn)步驟的順序不應(yīng)表示實施各種實施方式來以相同的順序執(zhí)行所述的功能。
盡管上面依據(jù)各種示例性實施方式和執(zhí)行描述了本發(fā)明，但應(yīng)當理解在一個或多個單個的實施方式中描述的各種特性、方面和功能在其實用性方面不限于對其進行描述的特定實施方式，反之，它們能夠單獨或以各種結(jié)合應(yīng)用在本發(fā)明的一個或多個其它實施方式中，無論對這些實施方式是否進行了描述，也無論這些特性是否呈現(xiàn)為所描述的實施方式的一部分。因此，本發(fā)明的寬度和范圍不應(yīng)被任何上述的示例性實施方式所限制。本文件中使用的術(shù)語和短語及其變型，除非另作清楚地規(guī)定，應(yīng)當理解為開放式的而非限制性的。如前述的例子術(shù)語“包括”應(yīng)解讀為意味著“包括但不限于”或類似的含義；術(shù)語“實例”用于提供所討論項目的示例性例子，而非其窮盡的或限制性的列舉；術(shù)語“一(a)”或“一(an)”應(yīng)解讀為意味著“至少一個”、“一個或多個”或類似的含義；形容詞比如“常規(guī)的”、“傳統(tǒng)的”、“普通的”、“標準的”、“已知的”和類似含義的術(shù)語不應(yīng)理解為將描述的項目限制在給定的時期或截至給定時間可得的項目，反之應(yīng)解讀為包含可以在現(xiàn)在或?qū)砣魏螘r間可得的或已知的常規(guī)的、傳統(tǒng)的、普通的或標準的技術(shù)。同樣地，當本文件引用對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員而言顯而易見或已知的技術(shù)時，這些技術(shù)包含對本領(lǐng)域普通技術(shù)人員而言現(xiàn)在或?qū)砣魏螘r間顯而易見或已知的那些技術(shù)。在一些情況下寬泛的詞語或短語比如“一個或多個”、“至少”、“但不限于”或其它類似短語的出現(xiàn)不應(yīng)解讀為意味著在這些寬泛的短語可能不存在的情況中需要或要求較窄的范圍。術(shù)語“模塊”的使用并非意味著所描述或要求保護作為模塊的一部分的組件或功能都配置在共同封裝中。事實上，模塊各組分的任意一個或所有，無論是控制邏輯或其它組件，都可結(jié)合在單個封裝中或分別保持，并且可進一步分散在多個組群或封裝中或者跨多個位置。另外，本文提及的各種實施方式是根據(jù)示例性的框圖、流程圖以及其它圖解進行描述的。如對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員而言在閱讀本文件之后將顯而易見，說明的實施方式及其各種備選方案可以實施，并不限制說明的實例。例如，框圖及其所附的描述不應(yīng)被理解為指具體的架構(gòu)或構(gòu)造。
權(quán)利要求
1.一種復合預(yù)制箔，包括 核心金屬層,其包括選自Ag、Au、Pd、Pt、Cu、Ni、Co、Fe、Mn、Mg、Ti、Zr或其合金的金屬，所述金屬具有大于280°C的固相線溫度； 連接到所述核心金屬層的第一焊料層，所述第一焊料層包括Sn基焊料合金或In基焊料，并且所述第一焊料層具有等于或大于5 μ m的厚度；以及 連接到所述核心金屬層的第二焊料層，所述第二焊料層包括Sn基焊料合金或In基焊料，并且所述第二焊料層具有等于或大于5 μ m的厚度； 其中所述核心金屬層具有足夠的厚度以便在回流焊中等溫固化之后保留一層所述金屬。
2.權(quán)利要求I所述的復合預(yù)制箔，其中所述核心金屬層的所述厚度大于10μ m。
3.權(quán)利要求I所述的復合預(yù)制箔，其中所述第一焊料層和所述第二焊料層包括Sn基焊料合金，該 Sn 基焊料合金選自包括 SnAg、SnCu> SnBi > SnSb> SnZn> SnAu> SnAgCu> SnAgBi、SnAgIn> SnAgSb> SnAgCuBi、SnAgCuIn> SnAgCuSb 或其結(jié)合的焊料系統(tǒng)。
4.權(quán)利要求3所述的復合預(yù)制箔，其中所述核心金屬層包括Ag金屬或Ag基合金，并且其中所述第一焊料層和所述第二焊料層包括Sn-Ag基焊料層。
5.權(quán)利要求4所述的復合預(yù)制箔，其中所述核心金屬層包括具有大于400°C的固相線溫度的純Ag金屬或Ag基合金。
6.權(quán)利要求4所述的復合預(yù)制箔，其中所述第一焊料層和所述第二焊料層包括具有從O至73wt% Ag含量的Sn-Ag或Sn-Ag基合金。
7.權(quán)利要求所述的復合預(yù)制箔，其中所述核心金屬層包括Ag、Au、Pd、Pt、Cu、Ni、Mn、Mg、Ti或其合金，并且其中所述第一焊料層和所述第二焊料層包括In或In基合金，該In或 In 基合金選自包括 InAg、InCu> InBi、InSb、InAgCu> InAgBi、InAgSn> InAgSb> InAgCuBi、InAgCuIn> InAgCuSb或其結(jié)合的合金系統(tǒng)。
8.一種連接方法，包括 將復合預(yù)制箔置于待連接的兩部件之間以形成組裝；并且 用足以使得所述復合預(yù)制箔經(jīng)歷等溫固化的適當?shù)幕亓髑€回流焊所述組裝，以形成具有復合結(jié)構(gòu)的焊接接頭，所述復合結(jié)構(gòu)包括第一金屬間層、第二金屬間層和所述第一金屬間層和第二金屬間層之間的延展性金屬或金屬合金層； 其中所述復合預(yù)制箔包括核心金屬層，該核心金屬層包括選自Ag、Au、Pd、Pt、Cu、Ni、Co、Fe、Mn、Mg、Ti、Zr或其合金的金屬，所述金屬具有大于280°C的固相線溫度； 連接到所述核心金屬層的第一焊料層，所述第一焊料層包括Sn基焊料或In基焊料，并且所述第一焊料層具有等于或大于5 μ m的厚度；以及 連接到所述核心金屬層的第二焊料層，所述第二焊料層包括Sn基焊料或In基焊料，并且所述第二焊料層具有等于或大于5 μ m的厚度； 其中所述核心金屬層具有足夠的厚度以便在回流焊中等溫固化之后保留一層所述金屬。
9.權(quán)利要求8所述的方法，其中所述第一焊料層和所述第二焊料層包括Sn基合金，該Sn 基合金選自包括 SnAg、SnCu> SnBi、SnSb> SnZn> SnAu> SnAgCu> SnAgBi、SnAgIn> SnAgSb>SnAgCuBi、SnAgCuIn> SnAgCuSb或其結(jié)合的焊料系統(tǒng)。
10.權(quán)利要求8所述的方法,其中所述核心金屬層包括Ag、Au、Pd、Pt、Cu、Ni、Mn、Mg、Ti或其合金，并且其中所述第一焊料層和所述第二焊料層包括In或In基合金，該In或In 基合金選自包括 InAg、InCu> InBi> InSb、InAgCu> InAgBi> InAgSn> InAgSb> InAgCuBi>InAgCuIn> InAgCuSb或其組合的合金系統(tǒng)。
11.權(quán)利要求8所述的方法，其中所述核心金屬層包括具有大于400°C的固相線溫度的純Ag金屬或Ag基合金，并且其中所述第一焊料層和所述第二焊料層包括具有從O至73wt%Ag含量的Sn-Ag或Sn-Ag基合金。
12.權(quán)利要求8所述的方法，進一步包括在所述回流焊的步驟之后對所述組裝應(yīng)用熱處理加工，以便所述第一焊料層和所述第二焊料層完全轉(zhuǎn)化成金屬間層。
13.權(quán)利要求1所述的復合預(yù)制箔，其中所述第一焊料層的厚度不同于所述第二焊料層的厚度。
14.權(quán)利要求1所述的復合預(yù)制箔，其中所述第一焊料層由不同于所述第二焊料層的材料組成。
15.權(quán)利要求8所述的方法，其中所述第一焊料層的厚度不同于所述第二焊料層的厚度。
16.權(quán)利要求8所述的方法，其中所述第一焊料層由不同于所述第二焊料層的材料組成。
全文摘要
本發(fā)明的各種實施方式提供用于高溫無Pb焊接應(yīng)用的層狀復合預(yù)制箔。層狀復合預(yù)制箔由高熔點延展性金屬或合金核心層和在核心層每一側(cè)的低熔點焊料涂布層組成。在焊接期間，核心金屬、液體焊料層和襯底金屬反應(yīng)并消耗低熔點焊料相，以形成高熔點金屬間化合物相(IMC)。產(chǎn)生的焊接接頭由被在襯底側(cè)的IMC層包夾的延展性核心層組成。接頭具有比初始焊料合金涂層的原始熔化溫度高得多的再熔化溫度，允許隨后裝配封裝的器件。
文檔編號B23K35/26GK102883851SQ201180012879
公開日2013年1月16日 申請日期2011年3月9日 優(yōu)先權(quán)日2010年3月9日
發(fā)明者W·劉, N-C·李 申請人:銦泰公司