專(zhuān)利名稱(chēng)：動(dòng)態(tài)的釬料膏成份的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及到一種釬料膏組合物，本發(fā)明特別涉及到一種用于微電子裝配的釬料膏組合物。
釬焊是用于金屬或者鍍金屬的物件機(jī)械的和電連接的一種低溫手段。一種選擇的低熔點(diǎn)的熔化的金屬合金構(gòu)成了這種連接。
在微電子裝配中，在裝配組件中釬焊是最后的步驟之一。分立的構(gòu)件利用管腳，導(dǎo)線(xiàn)或表面金屬襯片裝配在一起。基底制備成帶有互補(bǔ)的插孔或者金屬鍍層，用于安裝上述構(gòu)件。最后，這些構(gòu)件釬焊到該基底上。一般的共晶的和準(zhǔn)共晶的金屬合金及混合物用于這種釬料膏中。這種釬料膏中具有低的熔點(diǎn)，通常大約為100-200℃，允許波峰釬焊溫度低到120-220℃。
這種釬焊的低溫度使得其用于微電子裝配具有特殊的優(yōu)點(diǎn)。在要連接的零件上的熱應(yīng)力是最小的，以及這種零件的整體，特別是其中易熔化的接線(xiàn)圖案，不必利用以后的低溫釬料操作來(lái)兼顧。
但是，釬焊連接又是有缺點(diǎn)的。特別值得注意的是，該釬焊連接在以后的高溫處理或者用于熱惡化的環(huán)境中使用時(shí)能夠損壞，例如在汽車(chē)機(jī)罩之下。當(dāng)溫度接近該釬料金屬的熔點(diǎn)時(shí)，該釬料金屬就變軟和流動(dòng)。釬焊料中的金屬開(kāi)始不希望的散布到周?chē)慕饘馘儗由稀亩鲜鰴C(jī)械和電的連接可被完全破壞。以及當(dāng)這種釬料涂敷到陶瓷表面上的金屬鍍層時(shí)，該釬料腐蝕金屬鍍層一陶瓷界面，造成金屬鍍層脫開(kāi)該陶瓷。
為了試圖克服一般的釬料的這種缺點(diǎn)，提出了改進(jìn)的釬料成份。在“Metallurgica et Materialia”(25卷 P2323-2328，1991年)中，Betrabet等人提出另外一種含有金屬間化合物Ni3 Sn4顆粒的準(zhǔn)共晶釬料膏。類(lèi)似的在1992年在加拿大Anaheim的92西方各國(guó)的“國(guó)際電子裝配和產(chǎn)品討論會(huì)”(NEPCON)上，Clough等人揭示了一種共晶釬料膏，其添有一種銅和金屬間化合物Cu6Sn5的顆粒。Betrabet等人發(fā)現(xiàn)，金屬間的Ni3Sn4是有益的，而Ctough等人認(rèn)為添加的釬料膏組合物沒(méi)有明顯的優(yōu)點(diǎn)。目前仍然需要有一種在惡劣的溫度條件下于一定的時(shí)間內(nèi)可靠工作的釬料膏組合物。
本發(fā)明是一種釬料組合物，該組合物包括(a)重量百分比為4-96%的細(xì)分的共晶或者準(zhǔn)共晶金屬合金或者混合物;
(b)重量百分比為96-4%的由純金屬、它們的混合物或者合金構(gòu)成的細(xì)分的添加金屬的顆粒，它們具有熔點(diǎn)為120℃-1100℃或者至少高于在(a)中的合金30℃;以及(c)一種有機(jī)的介質(zhì)。
共晶的或者準(zhǔn)共晶的釬料膏成份基本上包括一種共晶的或者準(zhǔn)共晶的金屬合金或者混合物和一種有機(jī)的介質(zhì)。焊劑是任選的。
在“SolderPasteinElectronicsPackaging”(Hwang，P.73，VanNostrandReinholdNewYork)中揭示了。做為這種焊料組合物的例子。
這種特別用于微電子裝配的共晶金屬合金是Sn63/Pb37.Sn42/Bi58，Sn95/Sb5，Pb30/In70，Au80/Sn20以及Au88/Ge12。準(zhǔn)共晶合金和混合物具有的成份和性能類(lèi)似于共晶合金。例如Sn60-62/Pb40-38和Sn64-66/Pb36-34是一種準(zhǔn)共晶合金和混合物。與在共晶合金中成份不同的少量的金屬也可以存在于準(zhǔn)共晶中，Ag.In.Cd和Sb可以做為這種另外的金屬的例子，這些金屬的量小于5%，一般為1-3%是合適的。
添加的金屬由純金屬，純金屬的混合物或者純金屬的合金組成。該添加金屬的熔點(diǎn)應(yīng)當(dāng)至少高于在焊料膏組合物中的共晶或者準(zhǔn)共晶金屬合金的熔點(diǎn)30℃。通常，添加金屬的熔點(diǎn)是120℃-1100℃。適合的添加金屬可以是由純金屬，它們的混合物或者它們的合金，它們符合于上述的熔點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)，并且可與組合物中的共晶或準(zhǔn)共晶合金相容，這些金屬包括鉛、鋅、銻、銀和銅、它們的混合物，合金以及與錫、鉍或銦的合金。
有機(jī)介質(zhì)主要是作為金屬顆粒的載體并提供所期望的流變性，在此所用的流變性主要是指在給定的條件(如，印刷或其它涂敷條件)下焊料膏的流動(dòng)和變形。公知焊料膏中的有機(jī)介質(zhì)均可用于本發(fā)明的組合物中。
焊料膏中焊劑的作用是化學(xué)清理要焊接的表面、清理焊料(SolderPowder)表面并在回流(reflow)過(guò)程中保持基底表面和導(dǎo)線(xiàn)的內(nèi)接表面的清潔，從而可以在釬焊合金與連接的表面之間形成好的潤(rùn)濕性和金屬連續(xù)性。所以，概括地說(shuō)，通常在釬焊領(lǐng)域應(yīng)用的能夠?qū)饘傺趸锾峁┖玫姆磻?yīng)性及清潔金屬的任何化學(xué)物均可用作焊劑，在某些情況下，在釬焊回流過(guò)程中使用熔劑/還原爐氣氛，以減少釬焊合金及要連接表面的表面氧化物。
當(dāng)存在有機(jī)介質(zhì)和焊劑時(shí)，它們?cè)谕瓿赦F焊過(guò)程時(shí)實(shí)際均是暫時(shí)的，其或者在加熱(回流)階段由揮發(fā)，分解和反應(yīng)部分排出，或者在后續(xù)的清理步驟而去除。在固定的基底上，回流之后的金屬接縫是最后釬焊熔合區(qū)中準(zhǔn)一有用的部分。
本發(fā)明的釬料膏組合物可以用傳統(tǒng)的工藝來(lái)配制，如，共晶或準(zhǔn)共晶金屬合金的顆粒和添加金屬的顆?？梢耘c液態(tài)有機(jī)介質(zhì)混合。另一方面，在液態(tài)有機(jī)介質(zhì)中一種共晶或者準(zhǔn)共晶金屬顆粒的混合物可以與在液態(tài)有機(jī)介質(zhì)中的第二種含有添加金屬顆粒的混合物相結(jié)合，條件是這兩種有機(jī)介質(zhì)應(yīng)當(dāng)是相同的或者相容的。該最終的釬料膏一般將含有占組合物中的金屬總重量的4-96%的共晶或準(zhǔn)共晶金屬，和96-4%的添加金屬，較好的是共晶或準(zhǔn)共晶成份10-50%加添金屬占90-50%，更好是共晶成份或準(zhǔn)共晶成份占15-30%和85-70%的添加金屬，最好是20-30%的共晶或準(zhǔn)共晶成份，80-70%的添加金屬。
涂敷釬料膏的一般的工藝?yán)缇W(wǎng)板或模板印刷法或者噴射法涂敷，這些方法可以用于涂敷本發(fā)明的焊料膏。另一方面，該成份可以用噴墨印刷法或者予先流到連接的零件之一上。管腳、導(dǎo)線(xiàn)、表面金屬。電鍍金屬口和任何其它的電鍍金屬的構(gòu)件可以有設(shè)置在具有附加的金屬?lài)婂儗拥幕咨系谋砻妗Ｔ摬ǚ搴傅臏囟却笾屡c用于含有共晶或者準(zhǔn)共晶并且不含有高熔點(diǎn)的添加金屬的組分溫度相同。例如，波峰釬焊溫度一般為120-280℃和任何氣氛，例如空氣、氮、氫或者它們的混合氣體在釬焊操作時(shí)可以使用。正如在下面實(shí)施例所描述的，這些實(shí)施例僅僅包括指出的實(shí)例，但本發(fā)明不限于這些。這種利用本發(fā)明的釬料膏形成的連接可以在惡劣的溫度下應(yīng)用，例如熱循環(huán)、熱老化和熱沖擊。
實(shí)施例1在該實(shí)施例中，一般的共晶釬料和本發(fā)明的釬料在一種熱循環(huán)性能試驗(yàn)中，通過(guò)兩種釬料的導(dǎo)線(xiàn)剝離附著力進(jìn)行比較。
由含有96%氧化鋁的1英寸×1英寸×0.025英寸的薄片制備用于兩種釬料的基底，一種絕緣的厚膜Dupont5704印刷到該氧化鋁上。(這里提到的全部Dupont產(chǎn)品可由E.I.dupontdeNemours&Company,Wilmington,DE買(mǎi)到)，這種絕緣敷兩層，該第一層印刷上和在150℃干燥。該第二層然后也印刷上和直接在第一層的頂上干燥。該兩層然后一起燒制。兩個(gè)絕緣層中的每一個(gè)干燥35-40微米厚，以及燒制后大約為20微米。其次，Dupont7484，一種含鈀和銀的導(dǎo)電的厚膜利用一個(gè)具有6個(gè)0.080英寸試驗(yàn)襯片的模子印刷到每一個(gè)基座上(每個(gè)基底三根導(dǎo)線(xiàn)，每根導(dǎo)線(xiàn)兩個(gè)襯片)。Dupont7484的燒制厚度是9-11微米。
對(duì)于一般的共晶釬料，利用最后得到的基底、釬料Sn62/Pb36/Ag2和在下面的技術(shù)報(bào)告中的準(zhǔn)則制備試件，該技術(shù)報(bào)告為“TestMethodForWirePeelAdhesionofSolderedThickFilmConductorsTOCeramicSubstrates”,DuPont號(hào)為H-25649(E.I.dupontdeNemoursandCo,Wilmington,DE)，三根清潔的0.032英寸銅導(dǎo)線(xiàn)連接到每個(gè)基底上，以及最后的試件浸漬到含有Sn62/Ph36/Ag2釬料的釬料槽中。
按重量百分比將添加金屬Sn5/Pb95和有機(jī)介質(zhì)配成焊料膏。一種0.040英寸×0.040英寸的正方形焊料膏網(wǎng)板印刷到基底上的0.080英寸×0.080英寸的襯片的中部。該最后的工件然后配置到石墨夾具中，該夾具當(dāng)回流時(shí)要保持該零件與導(dǎo)線(xiàn)對(duì)準(zhǔn)。接著，0.025英寸的銅導(dǎo)線(xiàn)配置在釬料膏的頂部，并且通過(guò)夾具而保持在適當(dāng)?shù)奈恢谩蓚€(gè)20克重的銅件配置在導(dǎo)線(xiàn)上以便保持該導(dǎo)線(xiàn)向下并保證與釬料良好接觸。該零件然后經(jīng)過(guò)一個(gè)汽相回流裝置運(yùn)行以便回流該釬料膏和使導(dǎo)線(xiàn)結(jié)合到基底的金屬鍍層上。
利用一般的釬料和利用本發(fā)明的釬料的全部的裝配的零件要經(jīng)受以下的熱循環(huán)試驗(yàn)。裝配的零件裝入熱循環(huán)箱中，該采用的熱循環(huán)波峰值為一40℃和125℃的兩小時(shí)的循環(huán)。該零件在每一個(gè)峰值用20分鐘和用去40分鐘由峰值過(guò)濾到峰值。每一個(gè)熱循環(huán)之后，該導(dǎo)線(xiàn)用一個(gè)Instron拉力機(jī)牽引。對(duì)于在零件上的三個(gè)導(dǎo)線(xiàn)中的每一根導(dǎo)線(xiàn)拉引兩個(gè)襯片。由機(jī)器測(cè)量出的在每根導(dǎo)線(xiàn)上的襯片的附著力值進(jìn)行比較，以及兩個(gè)襯片中較低的附著力值規(guī)定為整個(gè)導(dǎo)線(xiàn)的最大的附著力。零件的破壞規(guī)定為具有低于原始強(qiáng)度四分之一的剝離強(qiáng)度。
利用一般的釬料Sn62/Pb36/Ag2，釬焊的零件直到破壞的循環(huán)數(shù)是50，與此相對(duì)比，利用本發(fā)明的組合物釬焊的零件的破壞循環(huán)數(shù)為200。
實(shí)施例2在該實(shí)施例中，兩種釬料連接部件在絕緣的厚膜上的熱循環(huán)性能是能通過(guò)測(cè)試28導(dǎo)線(xiàn)ShortOutlinePlasticIC組件(SOIC′S)的附著力來(lái)比較的，兩種釬料是一種是一般的Sn63/Pb37共晶釬料膏，一種是含有30%Sn63/Pb37共晶成分，70%Sn5/Pb95合金的本發(fā)明的釬料膏。
用于兩種釬料膏的基底是由1″×1″×0.025″的含有96%氧化鋁的片制成的，一種絕緣的厚膜片，DupongQM42，被印刷到該氧化鋁片上。這種絕緣敷兩層，該第一層印刷上和在150℃干燥。該第二層也印刷上和直接在第一層的頂上干燥。該兩層然后一起燒制。兩個(gè)絕緣層中的每一個(gè)干燥到大約30微米厚，以及燒制到大約20微米厚。接著，DuPontQs170，一種含有鉑和銀的導(dǎo)電厚膜利用一種具有28個(gè)0.035英寸×0.050英寸試驗(yàn)襯片的模子印刷到基底上。該DupontQs170具有的燒制厚度為8-12微米。
用于兩種類(lèi)型的釬料的試件以同樣的方式制備。該釬料膏在基底上于金屬鍍層Qs170的中部印成0.030英寸×0.043英寸襯片，該零件然后放置在石墨夾上，該試件然后通過(guò)一個(gè)汽相回流裝置運(yùn)行，以便回流過(guò)程中保持零件在適當(dāng)?shù)奈恢谩?8導(dǎo)線(xiàn)SOIC片放置到試件上，以便使該片的導(dǎo)線(xiàn)對(duì)準(zhǔn)在印刷釬料膏的頂部上。該試件然后通過(guò)一個(gè)汽相回流裝置運(yùn)行，以便回流該釬料膏和使導(dǎo)線(xiàn)結(jié)合到金屬鍍層上。
零件釬焊之后，該另件利用一歐姆計(jì)進(jìn)行檢驗(yàn)，以便找出由不良釬焊造成的導(dǎo)線(xiàn)與金屬鍍層之間的任何一個(gè)斷路。任何的斷路將導(dǎo)致具有無(wú)窮大電阻的開(kāi)路。經(jīng)過(guò)每一個(gè)整個(gè)部件的原始電阻是以歐姆計(jì)量的并且記錄下來(lái)。然后將不具有無(wú)窮大電阻零件放入熱循環(huán)箱中。用于該實(shí)施例的熱循環(huán)是具有峰值-40℃和125℃的兩小時(shí)循環(huán)。該工件每一峰值用去20分鐘和40分鐘用于由峰值過(guò)濾到峰值。當(dāng)工件完成了希望的熱循環(huán)數(shù)之后，將它們由箱中移出來(lái)，以及再一次的利用歐姆計(jì)檢驗(yàn)通過(guò)電路的電阻并記錄。當(dāng)電路的電阻大于1000歐姆時(shí)該零件規(guī)定為“有缺陷的”。在1250次循環(huán)后，利用本發(fā)明的釬料膏組合物的釬焊的零件沒(méi)有產(chǎn)生破壞，與此相比較，利用一般的共晶釬料膏釬焊的零件在100次循環(huán)時(shí)就開(kāi)始有缺陷，并且在1250次循環(huán)之后所有的零件都破壞了。
權(quán)利要求
1.一種釬料膏組合物包括(a)重量百分比為4-96%的共晶或準(zhǔn)共晶金屬的合金或混合物的細(xì)分的顆粒；(b)重量百分比為96-4%的由純金屬，該金屬的混合物或其合金構(gòu)成的添加金屬的細(xì)分的顆粒，它們具有的熔點(diǎn)至少高于(a)中的金屬合金的熔點(diǎn)30℃；(c)一種有機(jī)介質(zhì)。
2.按照權(quán)利要求1所述的組合物包括(a)重量百分比為10-50%的共晶或準(zhǔn)共晶金屬合金或者混合物;(b)重量百分比為90-50%的添加金屬。
3.按照權(quán)利要求2所述的組合物包括(a)重量百分比為15-30%的共晶或準(zhǔn)共晶金屬合金或者混合物;(b)重量百分比為85-70%的添加金屬。
4.按照權(quán)利要求3所述的組合物包括(a)重量百分比為20-30%的共晶或準(zhǔn)共晶金屬合金或者混合物;(b)重量百分比為80-70%的添加金屬。
5.按照權(quán)利要求1所述的組合物，其特征在于，在(a)中的共晶或者準(zhǔn)共晶金屬合金包括Sn63/Pb37或者Sn62/Pb36/Ag2。
6.按照權(quán)利要求5所述的組合物，其特征在于，在(b)中的添加金屬包括重量百分比最少為40%鉛的錫一鉛一銀合金。
7.按照權(quán)利要求6所述的組合物，其特征在于，在(b)中的添加金屬包括一種含鉛重最少為70%的合金。
8.按照權(quán)利要求7所述的組合物，其特征在于，在(b)中的添加金屬包括一種含鉛重最少為88%的一種合金，例如包括Sn10/Pb90，Sn10/Pb88/Ag2、Sn5/Pb95、Sn3/Pb97等等。
9.按照權(quán)利要求8所述的組合物，其特征在于，在(b)中的添加金屬包括選自如下合金組的一個(gè)，該合金組為Sn10/Pb90，Sn10/Pb88/Ag2，Sn5/Pb95和Sn3/Pb97。
10.按照權(quán)利要求5所述的組合物，其特征在于，在(b)中的添加金屬由Sn5/Pb95合金組成。
全文摘要
一種釬料膏組合物包括(a)重量百分比為4-96％的共晶或準(zhǔn)共晶金屬合金或混合物的細(xì)分的顆粒；(b)重量百分比96-4％的由純金屬，它們的混合物或其合金構(gòu)成的添加金屬的細(xì)分的顆粒，它們具有的熔點(diǎn)至少高于在(a)中金屬合金30℃；以及(c)一種有機(jī)介質(zhì)。該釬料膏特別適用于在微電子裝配中將金屬化部件表面裝配到金屬基底上。
文檔編號(hào)B23K35/26GK1098346SQ9410426
公開(kāi)日1995年2月8日 申請(qǐng)日期1994年3月8日 優(yōu)先權(quán)日1993年3月8日
發(fā)明者R·L·凱塞揚(yáng) 申請(qǐng)人:納幕爾杜邦公司