專利名稱：混合合金焊料膏的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般涉及焊料組合物，并且更具體而言，一些實(shí)施方式涉及高溫焊接應(yīng)用的焊料組合物。相關(guān)技術(shù)描述由電子組件的處理產(chǎn)生的鉛被認(rèn)為對(duì)環(huán)境和人類健康有害。規(guī)章逐漸禁止在電子互連和電子封裝工業(yè)中使用含Pb焊料。已經(jīng)廣泛地研究替換傳統(tǒng)低共熔Pb-Sn的無(wú)Pb焊料。SnAg、SnCu, SnAgCu和SnZn焊料正在變成用于半導(dǎo)體互連和電子工業(yè)中的主流焊料。但是，開發(fā)高溫?zé)oPb焊料代替常規(guī)高鉛焊料即Pb-5Sn&Pb-5Sn-2. 5Ag仍處在其初期。當(dāng)組件被焊接在印刷電路板(PWB)上時(shí)，高溫焊料用于保持組件中元件內(nèi)的內(nèi)部連接。
高溫焊料的通常用途是用于芯片附著(die-attach)。在示例性方法中，通過(guò)使用高溫焊料將硅芯片焊接在引線框架上形成組件。接著，被封裝或未封裝的硅芯片/引線框架組件通過(guò)焊接或機(jī)械固定附著至PWB。板可暴露于再多幾次的回流工藝用于在板上表面安裝其他電子器件。在進(jìn)一步的焊接過(guò)程中，應(yīng)當(dāng)良好地保持硅芯片和引線框架之間的內(nèi)部連接。這需要高溫焊料經(jīng)得起多重回流而沒有任何功能故障。所以，為了與在工業(yè)中使用的焊料回流方案(profile)相容，高溫焊料的主要要求包括(i)熔化溫度約260°C和更高(根據(jù)典型的焊料回流方案)，( )好的抗熱疲勞性，Qii)高的熱導(dǎo)率/電導(dǎo)率，和(iv)低成本。目前，工業(yè)中沒有可用的滴入式(drop-in)無(wú)鉛替代物。但是，最近已經(jīng)提議一些無(wú)鉛焊料候選物用于高溫芯片附著應(yīng)用，比如⑴Sn-Sb，⑵Zn基合金，(3)Au-Sn/Si/Ge和(4)Bi-Ag。Sb小于10wt%的Sn-Sb合金保持良好的機(jī)械性能而不形成大量的金屬間化合物。但是它們的固相線溫度不高于250°C，這不能滿足260°C的抗回流要求。包括低共熔的Zn-Al、Zn-Al-Mg和Zn-Al-Cu的Zn基合金的熔化溫度高于330°C。但是，Ζη、Α1和Mg對(duì)氧的高親和力造成在各種金屬化表面飾面上的極差的濕潤(rùn)。提議為高溫?zé)o鉛替代焊料之一的Zn-(20-40wt%) Sn焊料合金的液相線溫度高于300°C，但是固相線溫度僅為約200°C。Zn-Sn焊料在約260°C時(shí)的半固體狀態(tài)被認(rèn)為在隨后的回流期間在元件之間保持良好的互連。但是，當(dāng)半固體焊料被擠壓在封裝的包裝內(nèi)并迫使半固體焊料流出時(shí)出現(xiàn)問(wèn)題。這產(chǎn)生預(yù)料不到的功能故障的風(fēng)險(xiǎn)。Zn基焊料合金也將在金屬化表面和焊料之間形成大量的頂C層。在隨后的回流和操作期間，MC層的存在及其劇烈生長(zhǎng)也造成可靠性問(wèn)題。由兩個(gè)金屬間化合物組成的低共熔Au-Sn已經(jīng)被實(shí)驗(yàn)顯示為可靠的高溫焊料，這是因?yàn)槠淙刍瘻囟葹?80°C、良好的機(jī)械性能、高的電導(dǎo)率&熱導(dǎo)率、和卓越的抗腐蝕性。但是，極高的成本限制了其在成本超過(guò)可靠性考慮因素的領(lǐng)域中的應(yīng)用。固相線溫度為262°C的Bi-Ag合金滿足高溫芯片附著焊料的熔化溫度要求。但是，存在幾個(gè)主要問(wèn)題(I)在各種表面飾面上差的濕潤(rùn)性和(2)相關(guān)的源于差的濕潤(rùn)性的弱結(jié)合界面。
難熔的無(wú)鉛焊料的熔化溫度要求使得Sn-Sb和Zn-Sn焊料不合適。富Au焊料的極高成本限制其被行業(yè)認(rèn)可。Zn-Al和Bi-Ag符合熔化溫度要求和合理的低成本。但是，由于對(duì)氧的高親和力(在Zn-Al焊料系統(tǒng)中)或由于焊料和基底金屬化之間差的反應(yīng)化學(xué)(在Bi-Ag焊料系統(tǒng)中或甚至一些含鉛焊料比如Pb-Cu和Pb-Ag系統(tǒng)中)，它們差的濕潤(rùn)性使得這些難熔的焊料難以在工業(yè)中使用，因?yàn)椴畹臐駶?rùn)性導(dǎo)致的弱結(jié)合強(qiáng)度。但是，BiAg和ZnAl的期望的高熔化溫度仍使得它們適合作為高溫?zé)o鉛焊料的候選物。如上所述，焊料差的濕潤(rùn)性源于(I)差的反應(yīng)化學(xué)或(2)焊料的氧化。弱結(jié)合通常與差的濕潤(rùn)性相關(guān)。例如，Bi基焊料在不同金屬化表面上的差的濕潤(rùn)性主要由于Bi和基底材料(即Cu)之間差的反應(yīng)化學(xué)或Bi在回流期間的氧化。已經(jīng)開發(fā)了 Ge摻雜的BiAg，目標(biāo)在于在熔化期間防止合金表面上形成過(guò)多的浮渣。但是，該摻雜將不改變Bi和基底金屬化表面飾面之間的反應(yīng)化學(xué)。Bi和Cu將不在Bi/Cu界面形成MC，其是差的濕潤(rùn)性和弱結(jié)合界面的主要原因。Bi和Ni將在Bi/Ni界面形成MC層，但是脆性的MC(Bi3Ni或BiNi)削弱接縫強(qiáng)度，因?yàn)榱芽p總是沿著Bi3Ni和焊料基體之間的界面或BiNi和Ni基底之間的界面生長(zhǎng)。因此，Bi和基底材料之間的反應(yīng)化學(xué)導(dǎo)致差的濕潤(rùn)性和弱結(jié)合強(qiáng)度。
已經(jīng)做出努力以通過(guò)將額外的元素在焊料中合金化改性焊料合金和金屬化表面飾面之間的反應(yīng)化學(xué)。但是，合金化通常與一些預(yù)料不到的性能損失有關(guān)。例如，與Bi相t匕，Sn具有與基底更好的反應(yīng)化學(xué)。但是，直接將Sn合金化進(jìn)入BiAg(其中Ag目的在于增加熱導(dǎo)率/電導(dǎo)率)可引起(I)熔化溫度的顯著降低或(2)合金中Ag3Sn IMC的形成。如果在回流期間它們沒有足夠的時(shí)間溶解在熔化的焊料中，這將不改善Sn與基底金屬之間的反應(yīng)化學(xué)。因此，直接將元素合金化進(jìn)入焊料，比如Sn直接進(jìn)入Bi-Ag合金顯示最小的改進(jìn)。發(fā)明實(shí)施方式簡(jiǎn)述本發(fā)明要求保護(hù)設(shè)計(jì)和制備混合合金焊料膏的新技術(shù)，其提供來(lái)自組成的合金粉末的結(jié)合優(yōu)勢(shì)。在一些實(shí)施方式中，混合合金焊料膏適合高溫焊料應(yīng)用，比如芯片附著，因?yàn)榻M分提供期望的優(yōu)勢(shì)，包括改善的反應(yīng)化學(xué)、良好控制的IMC層厚度、和因此來(lái)自第二合金的增強(qiáng)的可靠性和來(lái)自第一合金的高熔化溫度和良好的熱導(dǎo)率/電導(dǎo)率。本發(fā)明也提供制備混合合金焊料膏的方法和用該混合合金焊料膏連接電子元件或機(jī)械部件的方法。該發(fā)明的技術(shù)提供設(shè)計(jì)混合合金粉末膏的方法，其中添加劑粉末存在于膏中以在相對(duì)較低的溫度下或與第一合金焊料粉末的熔化一起改善反應(yīng)化學(xué)。在一些實(shí)施方式中，混合合金粉末膏包括兩種或多種合金粉末和助焊劑。膏中的合金粉末由作為多數(shù)的一種焊料合金粉末和作為少數(shù)的添加劑合金粉末組成。添加劑提供卓越的化學(xué)以在基底的各種金屬化表面飾面即通常使用的Cu和Ni表面飾面等上濕潤(rùn)。在一些實(shí)施方式中，添加劑將在多數(shù)焊料熔化之前或與多數(shù)焊料的熔化一起熔化。熔化的添加劑將在部分或完全熔化的第一合金之前或與其一起在基底上濕潤(rùn)并粘附至基底。添加劑被設(shè)計(jì)以支配MC沿著基底金屬化表面飾面的形成并在回流過(guò)程期間完全被轉(zhuǎn)化成MC。MC層的厚度將因此被膏中的添加劑的量良好地控制，因?yàn)樵贛C形成中添加劑起支配作用。在一些實(shí)施方式中，第一合金焊料將對(duì)在添加劑和基底之間形成的MC層具有強(qiáng)的親和力。該強(qiáng)的親和力將增強(qiáng)焊料體和IMC之間的結(jié)合強(qiáng)度。因此，期望的反應(yīng)化學(xué)和良好控制的IMC層厚度不僅改善濕潤(rùn)性能也增強(qiáng)與濕潤(rùn)性能相關(guān)的結(jié)合強(qiáng)度。
結(jié)合附圖
，由下列詳細(xì)說(shuō)明，本發(fā)明的其他特征和方面將變得顯而易見，所述附圖通過(guò)舉例的方式圖解說(shuō)明根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方式的特征。該簡(jiǎn)述不意在限制本發(fā)明的范圍，該范圍僅由所附的權(quán)利要求限定。附圖簡(jiǎn)述參考下列附圖詳細(xì)描述根據(jù)一個(gè)或多個(gè)各種實(shí)施方式的本發(fā)明。僅僅為了圖解的目的提供附圖并且僅僅描述本發(fā)明典型的或示例性的實(shí)施方式。提供這些附圖以有助于讀者理解本發(fā)明并且不應(yīng)認(rèn)為限制本發(fā)明的寬度、范圍或應(yīng)用。應(yīng)當(dāng)注意，為了清楚和容易圖解，這些附圖沒有必要按照比例繪制。圖I圖解根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式實(shí)施的回流焊方法。圖2顯示在Cu試樣和合金42試樣上由90wt%Bil0. 02Ag3. 74Sn+10wt%助焊劑組成的實(shí)例焊料膏的濕潤(rùn)性能。 圖3顯示在Cu試樣和合金42試樣上由84wt%BillAg+6wt%Bi42Sn+10wt%助焊劑組成的混合合金粉末焊料膏的實(shí)例的濕潤(rùn)性能。圖4顯不在Cu試樣和合金42試樣上由84wt%Bi llAg+6wt%52In48Sn+10wt%助焊劑組成的混合合金粉末焊料膏的實(shí)例的濕潤(rùn)性能。圖5是由84wt%Bi IlAg+6wt%Sn 15Sb+10wt%助焊劑組成的混合合金粉末焊料膏的DSC圖。圖6是由84wt%Bi llAg+6wt%Sn3. 5Ag+10wt%助焊劑組成的混合合金粉末焊料膏的DSC圖。圖7是由84wt%Bi 1認(rèn)8+6￥七%1^42511+10￥七％助焊劑組成的混合合金粉末焊料膏的DSC 圖。圖8A和B是在Cu和Ni試樣上混合合金粉末焊料膏制成的接縫的橫截面圖像。混合合金粉末膏由84wt%Bi llAg+6wt%Sn3. 5Ag+10wt%助焊劑組成。附圖不打算是窮盡性的或?qū)⒈景l(fā)明限制在所公開的準(zhǔn)確形式。應(yīng)當(dāng)理解，本發(fā)明可通過(guò)修改和改變實(shí)施，并且本發(fā)明僅被權(quán)利要求及其等價(jià)物限制。發(fā)明實(shí)施方式詳述本發(fā)明涉及包括不同焊料合金在助焊劑中的混合物的焊料膏。兩種或多種焊料合金或金屬被并入助焊劑材料。第一焊料合金或金屬(“第一合金”)將在回流期間形成焊接縫的主體。根據(jù)與金屬基底的反應(yīng)化學(xué)或?qū)Φ谝缓辖鸬挠H和力選擇剩余的第二焊料合金或金屬或進(jìn)一步的額外焊料合金或金屬(“第二合金”)。第二合金的熔化溫度Tm(B)低于第一合金的熔化溫度Tm(A)。在回流期間，第二合金首先熔化，并蔓延至基底上。當(dāng)?shù)谝缓辖鹑刍瘯r(shí)，第二合金的存在有助于將熔化的第一合金置于基底上。第二合金設(shè)計(jì)用于完全轉(zhuǎn)化成MC，在最終的接縫中產(chǎn)生最少的低熔點(diǎn)相或不存在低熔點(diǎn)相。膏中的添加劑改進(jìn)回流期間的反應(yīng)化學(xué)、改善濕潤(rùn)性、控制IMC的厚度和因此增強(qiáng)結(jié)合強(qiáng)度。除了用于高溫?zé)o鉛焊接的具有期望的濕潤(rùn)性和可靠性的焊料外，該設(shè)計(jì)方法還可擴(kuò)大到其中使用差濕潤(rùn)性焊料的許多其他焊接應(yīng)用。例如，Pb-Cu合金具有高熔化溫度但在各種金屬基底上具有差的濕潤(rùn)性。因此，它們難以在焊接中使用。利用本發(fā)明，少的添加劑，比如Sn或含Sn合金，將幫助Pb-Cu濕潤(rùn)各種金屬表面。但是，如果Sn在Pb-Cu中僅僅是合金化，Cu6Sn5MC形成將降低來(lái)自Sn的反應(yīng)化學(xué)。在焊料中合金化更大量的Sn將顯著降低Pb-Cu的熔化溫度，這是不期望的。圖I圖解使用根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方式的混合焊料膏的回流方法?；旌虾噶细喟☉腋≡谥竸┲械牡谝缓辖鸷噶项w粒118和第二合金焊料顆粒115。在一些實(shí)施方式中，根據(jù)其對(duì)基底或?qū)υS多常用基底的卓越反應(yīng)化學(xué)選擇第二合金?；旌虾噶细嗍┘又粱?24。(為了方便說(shuō)明，從圖中省略了助焊劑。)在回流期間，組件的溫度升高超過(guò)第二合金的熔化溫度Tm(B)。第二合金熔化并且在基底124上并圍繞仍為固體的第一合金顆粒118蔓延112。第二合金的卓越表面反應(yīng)化學(xué)將有助于熔化的焊料合金112在基底124上的濕潤(rùn)。這導(dǎo)致在熔化的第二合金112和基底124之間形成MC層109。因此，MC層主要由初始膏中第二合金115的量控制。另外，設(shè)計(jì)第二合金以對(duì)第一合金具有良好的親和力。該親和力可由下列確定(I)第一合金和第二合金之間負(fù)的混合焓或(2)由來(lái)自第一和第二合金的組成元素組成的低共熔相的形成。在一些實(shí)施方式中，該親和力導(dǎo)致一些第一合金118溶解在熔化的第二合 金112中，形成第一和第二合金的混合物106。隨著溫度升高超過(guò)第一合金的熔化溫度Tm(A),第一合金完成熔化,形成第一和第二合金的溶液103，其濕潤(rùn)MC層109。隨著組件保持在Tm(A)之上，第二合金從溶液103中去除，增加MC層109，并留下熔化的第一合金100。在一些實(shí)施方式中，除了形成MC層109，來(lái)自第二合金的過(guò)量組分還可與來(lái)自第一合金的組分一起并入MC。第一合金和第二合金之間的親和力有助于改善第一合金100至MC層109上的濕潤(rùn)性，從而增強(qiáng)結(jié)合強(qiáng)度。隨著組件冷卻，焊料凸塊131或接縫由結(jié)合至MC 109的基底124組成，所述MC109結(jié)合至凝固的第一合金。凝固之后，獲得具有改善的結(jié)合界面的均質(zhì)焊接縫。即使當(dāng)單一焊料合金由第一和第二焊料合金的元素組成時(shí)，由使用混合焊料膏產(chǎn)生的焊接縫顯示使用包含單一焊料合金的焊料膏的大的改善。圖2圖解使用由90wt%Bi
10.02Ag3. 74Sn+10wt%助焊劑組成的焊料膏分別在Cu基底200和合金42基底205上形成的焊料凸塊201和207。如這些結(jié)果顯示的，使用單一焊料合金發(fā)生顯著的反潤(rùn)濕202和206。相比之下，圖3圖解使用混合焊料膏分別在Cu基底210和合金42基底215上形成的焊料凸塊211和216，所述混合焊料膏由84wt%BillAg+6wt%Bi42Sn+10wt%助焊劑組成。如這些結(jié)果顯示的，混合焊料膏的使用顯示一點(diǎn)反潤(rùn)濕至沒有可見的反潤(rùn)濕。在一種實(shí)施方式中，混合焊料膏包括BiAg作為第一合金和SnSb作為第二合金。在第二合金中，由于Sn相對(duì)于Bi與各種基底更卓越的反應(yīng)化學(xué)而選擇Sn。SnSb比BiAg具有更低的熔化溫度。根據(jù)二元相圖，Sn和Bi顯示負(fù)的混合焓并在寬的組成范圍內(nèi)形成低共熔相。Sb和Bi也顯示負(fù)的混合焓以及對(duì)彼此的無(wú)限溶解性。在回流期間，SnSb首先熔化并在基底表面上形成含Sn的MC層。當(dāng)溫度達(dá)到超過(guò)BiAg的熔化溫度時(shí)，膏中的所有合金粉末熔化。Bi和Sn/Sb之間的良好親和力確保熔化的Bi在含Sn的MC層上的良好粘附。另外，第一合金中Ag的存在可將任何多余的Sn轉(zhuǎn)化成存在于焊料體中的Ag3Sn MC。因此，因?yàn)橥ㄟ^(guò)形成(I)焊料和金屬基底之間的MC層和(2)8148焊料凸塊內(nèi)部的八83511，Sn被完全消耗，留下最少量的低熔點(diǎn)BiSn相或沒有留下低熔點(diǎn)BiSn相。圖5圖解了由使用84wt%Bi llAg+6wt%Snl5Sb+10wt%助焊劑產(chǎn)生的焊接縫的DSC曲線。頂部曲線圖解了在陶瓷試樣上回流之后的熱流曲線。在約138°C的尖峰說(shuō)明第二合金的存在。底部曲線圖解在Cu試樣上回流之后的膏的熱流曲線。底部曲線中該尖峰的缺少證實(shí)BiAg+SnSb系統(tǒng)中低熔點(diǎn)相的消失。圖6圖解在BiAg+SnAg系統(tǒng)中低熔點(diǎn)相的消失。圖6的實(shí)驗(yàn)在陶瓷和Cu試樣上使用84wt%BillAg+6wt%Sn3. 5Ag+10wt%助焊劑，如在圖5中。圖7圖解在BiAg+BiSn系統(tǒng)中的消失。圖7的實(shí)驗(yàn)在陶瓷和Cu試樣上使用84wt%BillAg+6wt%Bi42Sn+10wt%助焊劑，如在圖5和6中。在圖7中，圖解陶瓷上的焊料回流之后熱流曲線的頂部曲線顯示沒有低熔點(diǎn)相。這可能是由于混合焊料膏中少量的反應(yīng)試劑Sn和Sn與Ag之間的高親和力，導(dǎo)致第二合金的Sn與第一合金的一些Ag —起并入最終焊料凸塊的IMC中。圖8是使用由84wt%Bi llAg+6wt%Sn3. 5Ag+10wt%助焊劑組成的混合焊料膏產(chǎn)生的焊接縫的顯微圖。在該實(shí)例中，混合焊料膏被施加至Cu試樣300。在Cu 300和第二合金之間形成頂C 301。該MC 301的大小主要取決于膏中第二合金的量。在圖解的實(shí)例中，6wt%的第二合金Sn3. 5Ag產(chǎn)生僅僅幾微米厚的MC。焊接縫的大部分由富含Bi的相302中的Ag 303組成。在150°C下老化2周不明顯增加MC厚度。相比之下，Bi和Cu不形成金屬間化合物，所以Bi IlAg單獨(dú)形成弱的結(jié)合，因?yàn)樵诤噶虾突字g不存在MC層。 在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式中，設(shè)計(jì)混合焊料膏的方法包括根據(jù)最終焊接縫的期望特性選擇第一合金，并且然后根據(jù)可用的基底和與所選擇的第一合金的親和力選擇第二合金。第一合金、第二合金和助焊劑的相對(duì)量可根據(jù)多種因素確定，比如期望的MC層厚度、需要的施加條件和回流方法。IMC層厚度與焊料膏中第二合金的量、回流曲線和施加之后的老化條件相關(guān)。可接受的MC層厚度可隨著不同的應(yīng)用條件和不同的MC組成變化。例如，對(duì)于Cu6Sn IMC層，10微米可以是大約可接受的厚度。隨著膏中第二合金的量增加，在最終的接縫中可具有低熔點(diǎn)相剩余。如果焊料膏中第二合金的量降低，可能難以實(shí)現(xiàn)期望的濕潤(rùn)性能。隨著第二合金的量降低，良好的濕潤(rùn)需要使用更大總量的膏印刷在或分散在基底上。但是，增加膏的總量可能干擾焊接包裝的幾何約束。對(duì)于高溫焊料應(yīng)用，第一合金必須選自各種高熔點(diǎn)焊料合金。在一些實(shí)施方式中，使用固相線溫度為約258°C和更高的富含Bi的合金，即Bi-Ag、Bi-Cu和Bi-Ag-Cu。第二合金(或添加劑)選自這樣的合金，其已經(jīng)顯示卓越的化學(xué)以在各種金屬化表面飾面上濕潤(rùn)并粘附至各種金屬化表面飾面以及對(duì)熔化的Bi良好的親和力。在這些實(shí)施方式中，第二合金將在富含Bi的合金熔化之前或與富含Bi的合金一起熔化并且然后容易地在基底上濕潤(rùn)并粘附至基底。同時(shí)，Bi和第二合金之間的良好的親和力將提供良好的濕潤(rùn)。所以，Sn、Sn合金、In和In合金被選擇作為第二合金?；谒x擇的第二合金的熔化溫度，已經(jīng)分成3組。組A包括固相線溫度在約230°C和250°C之間的添加劑合金，即 Sn、Sn-Sb、Sn-Sb-X (X=Ag, Al、Au、Co、Cu、Ga、Ge、In、Mn、Ni、P、Pd、Pt和Zn)合金等。組B包含固相線溫度在約200°C和230°C之間的焊料合金，包括Sn_Ag、Sn-Cu、Sn-Ag-X (X=Al、Au、Co、Cu、Ga、Ge、In、Mn、Ni、P、Pd、Pt、Sb 和 Zn)和 Sn-Zn 合金等。組C具有固相線溫度低于200°C的焊料合金，即Sn-Bi、Sn-In、Bi-In, In-Cu, In-Ag和In-Ag-X(X=Al, Au、Bi、Co、Cu、Ga、Ge、Mn、Ni、P、Pd、Pt、Sb、Sn 和 Zn)合金等。在這些合金中，Sn是該系統(tǒng)中的反應(yīng)劑。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式中，第一合金是來(lái)自Bi-Ag系統(tǒng)的合金并且固相線溫度為約260°C和更高。在具體的實(shí)施方式中，第一合金包括從O至20wt%的Ag，剩余的為Bi。在進(jìn)一步的實(shí)施方式中，第一合金包括從2. 6wt%至15wt%的Ag,剩余的為Bi。在本發(fā)明的第二實(shí)施方式中，第一合金選自Bi-Cu系統(tǒng)并且固相線溫度為約270°C和更高。在具體的實(shí)施方式中，第一合金包括從O至5被％的Cu，剩余的為Bi。在進(jìn)一步的實(shí)施方式中，第一合金包括從O. 2wt%至I. 5wt%的Cu,剩余的為Bi。在本發(fā)明的第三實(shí)施方式中，第一合金選自Bi-Ag-Cu系統(tǒng)并且固相線溫度為約258°C和更高。在具體的實(shí)施方式中，第一合金包括從O至20wt%的Ag和從O至5wt%的Cu，剩余的為Bi。在進(jìn)一步的實(shí)施方式中，第一合金包括從2. 6wt%至15wt%的Ag,和從O. 2wt%至I. 5wt%的Cu，剩余的為Bi。在本發(fā)明的第四實(shí)施方式，第二合金來(lái)自Sn-Sb系統(tǒng)并且固相線溫度在約231°C和約250°C之間。在具體的實(shí)施方式中，第二合金包括從O至2(^丨％的Sb，剩余的為Sn。在進(jìn)一步的實(shí)施方式中，第二合金包括從O至15wt%的Sb,剩余的為Sn。·
在本發(fā)明的第五實(shí)施方式中，第二合金包括Sn-Sb-X (其中X=Ag、Al、Au、Co、Cu、Ga、Ge、In、Mn、Ni、P、Pd、Pt和Zn)并且固相線溫度在約230°C和約250°C之間。在具體的實(shí)施方式中，第二合金包括從O至20wt%的Sb和從O至20wt%的X，剩余的為Sn。在進(jìn)一步的實(shí)施方式中，第二合金包括從O至10wt%的Sb和從O至5wt%的X,剩余的為Sn。在本發(fā)明的第六實(shí)施方式中，第二合金包括Sn-Ag并且固相線溫度為約221°C和更高。在具體的實(shí)施方式中，第二合金包括從O至10wt%的Ag，剩余的為Sn。在進(jìn)一步的實(shí)施方式中，第二合金包括從O至5wt%的Ag,剩余的為Sn。在本發(fā)明的第七實(shí)施方式在，第二合金包括Sn-Cu并且固相線溫度為約227°C和更高。在具體的實(shí)施方式中，第二合金包括從O至5wt%的Cu，剩余的為Sn。在進(jìn)一步的實(shí)施方式中，第二合金包括從O至2wt%的Cu,剩余的為Sn。在本發(fā)明的第八實(shí)施方式，第二合金包括Sn-Ag-X (其中X=Al、Au、Co、Cu、Ga、Ge、In、Mn、Ni、P、Pd、Pt、Sb和Zn)并且固相線溫度為約216°C和更高。在具體的實(shí)施方式中，第二合金包括從O至10wt%的Ag和從O至20wt%的X,剩余的為Sn。在進(jìn)一步的實(shí)施方式中，第二合金包括從O至5wt%的Ag和從O至5wt%的X,剩余的為Sn。在本發(fā)明的第九實(shí)施方式中，第二合金包括Sn-Zn并且固相線溫度為約200°C和更高。在具體的實(shí)施方式中，第二合金包括從O至20wt%的Zn，剩余的為Sn。在進(jìn)一步的實(shí)施方式中，第二合金包括從O至9wt%的Zn,剩余的為Sn。在本發(fā)明的第十實(shí)施方式中，第二合金包括Bi-Sn合金，固相線溫度為約139°C和更高。在具體的實(shí)施方式中，第二合金包括從8wt%至80wt%的Sn,剩余的為Bi。在進(jìn)一步的實(shí)施方式中，第二合金包括從30wt%至60wt%的Sn,剩余的為Bi。在本發(fā)明的第i^一實(shí)施方式中，第二合金包括Sn-In合金，固相線溫度為約120°C和更高。在具體的實(shí)施方式中，第二合金包括從O至80wt%In，剩余的為Sn。在進(jìn)一步的實(shí)施方式中，第二合金包括從30wt%至50wt%的In,剩余的為Sn。在本發(fā)明的第十二實(shí)施方式中，第二合金包括Bi-In合金，固相線溫度在約100和約200°C之間。在具體的實(shí)施方式中，第二合金包括從O至5(^丨％的In，剩余的為Bi。在具體的實(shí)施方式中，第二合金包括從20wt%至40wt%的In,剩余的為Bi。在本發(fā)明的第十三實(shí)施方式中，第二合金包括In-Cu合金，固相線溫度在約100和約200°C之間。在具體的實(shí)施方式中，第二合金包括從O至1(^丨％的Cu，剩余的為In。在具體的實(shí)施方式中，第二合金包括從O至5wt%的Cu,剩余的為In。在本發(fā)明的第十四實(shí)施方式中，第二合金包括In-Ag合金，固相線溫度在約100和約200°C之間。在具體的實(shí)施方式中，第二合金包括從O至3(^丨％的Ag，剩余的為In。在進(jìn)一步的實(shí)施方式中，第二合金包括從O至10wt%的Ag,剩余的為In。在第十五實(shí)施方式中，第二合金是In-Ag-X(X=A1、Au、Ri> Co、Cu、Ga、Ge、Mn、Ni、P、Pd、Pt、Sb、Sn和Zn)合金，固相線溫度在約100和約200°C之間。在進(jìn)一步的實(shí)施方式中，第二合金包括從O至20wt%的Ag，O至20wt%的X，剩余的為In。在具體的實(shí)施方式中，第二合金包括從O至10wt%的Ag, O至5wt%的X,剩余的為In。本發(fā)明的進(jìn)一步實(shí)施方式提供制造混合焊料膏的方法。在一些實(shí)施方式中，形成第一合金的顆粒并且形成第二合金的顆粒。第一和第二合金的顆粒然后與助焊劑混合以形成焊料膏。最終的膏包括第一合金粉末、第二合金粉末，以及余量的助焊劑。在一些實(shí)施方式中，第一合金顆粒是固相線溫度為至少約260°C的合金。在進(jìn)一步的實(shí)施方式中，第二合 金包括固相線溫度在約230°C和約250°C之間的合金、固相線溫度在約200°C和約230°C之間的合金或固相線溫度低于約200°C的合金。在一些實(shí)施方式中，膏由約60wt%和約92wt%之間的第一合金粉末、大于0%但小于或等于約12wt%的量的第二合金粉末以及余量的助焊劑組成。在進(jìn)一步實(shí)施方式中，第二合金粉末在混合焊料膏的2wt%和10wt%之間。在具體的實(shí)施方式中，第一合金包括Bi-Ag合金、Bi-Cu合金或Bi-Ag-Cu合金。在進(jìn)一步的實(shí)施方式中，固相線溫度在約230°C和約250°C之間的合金包括Sn合金、Sn-Sb合金或 Sn-Sb-X(其中 X=Ag、Al、Au、Co、Cu、Ga、Ge、In、Mn、Ni、P、Pd、Pt 和 Zn)合金。在另一實(shí)施方式中，固相線溫度在約200°C和約230°C之間的合金包括Sn-Ag合金、Sn-Cu合金、Sn-Ag-X (其中 X=Al、Au、Co、Cu、Ga、Ge、In、Mn、Ni、P、Pd、Pt、Sb 和 Zn)合金或 Sn-Zn 合金。在仍進(jìn)一步的實(shí)施方式中，固相線溫度低于約200°C的合金包括Sn-Bi合金、Sn-In合金或Bi-In合金。在進(jìn)一步的實(shí)施方式中，第二合金粉末包括由多個(gè)合金粉末組成的粉末。例如，第二合金粉末可包括選自本文所述合金的不同合金的混合物。在一些實(shí)施方式中，根據(jù)焊料應(yīng)用確定混合焊料膏中第一和第二合金的相對(duì)量。在一些情況下，當(dāng)膏中第二焊料合金的量增加超過(guò)某一閾值時(shí)，可能增加在最終焊接縫中保留一些低熔點(diǎn)相的可能性。在一些情況下，當(dāng)膏中第二焊料合金的量小于某一閾值時(shí)，可減少對(duì)基底的濕潤(rùn)。在一個(gè)實(shí)施方式中，確定膏中第二焊料合金的量，以便低熔點(diǎn)相可在回流之后完全轉(zhuǎn)化成高熔點(diǎn)MC。在進(jìn)一步的實(shí)施方式中，膏中第二合金在大于0wt%但小于約12wt%的量之間變化。在具體的實(shí)施方式中，膏中第二合金大于約2wt°MS小于約10wt%。除了各種正常的雜質(zhì)或少量的不同元素外，其他元素也可添加或并入這些合金中，只要保持Sn的反應(yīng)性質(zhì)。在一些實(shí)施方式中，以混合焊料膏用于焊接的回流曲線被設(shè)計(jì)以迅速加熱至第一合金的熔化溫度之上。在這些情況下，在低溫下更短的浸濕時(shí)間可使得反應(yīng)劑比如Sn迅速流向基底并與為完全熔化池液而不是半固體熔化池液的基底反應(yīng)。第一和第二合金二者的熔化將有助于來(lái)自熔化的焊料的第二合金元素向基底和部件擴(kuò)散并且“沉”在表面上以形成MC層。實(shí)施例測(cè)試包括本文所述范圍的各種混合合金粉末焊料膏的焊料性能。表I描述使用包括Bi IlAg或Bi2. 6Ag的第一合金、包括SnlOAg25Sb或SnlOAglOSb的第二合金和助焊劑制造的實(shí)施例混合焊料膏的配方。表I使用組A第二合金的混合焊料合金的重量百分?jǐn)?shù)
權(quán)利要求
1.焊料膏，其包括 約60wt%至約92wt%之間的量的第一焊料合金粉末； 大于Owt%并且小于約12wt%的量的第二焊料合金粉末；和 助焊劑； 其中所述第一焊料合金粉末包括第一焊料合金，其固相線溫度高于約260°C ;和 其中所述第二焊料合金粉末包括第二焊料合金，其固相線溫度低于約250°C。
2.權(quán)利要求I所述的焊料膏，其中所述第二焊料合金的固相線溫度在約230°C和約250°C之間。
3.權(quán)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、Sn-Sb合金、或Sn-Sb-X(其中 X=Ag、Al、Au、Co、Cu、Ga、Ge、In、Mn、Ni、P、Pd、Pt 或 Zn)合金。
4.權(quán)利要求I所述的焊料膏，其中所述第二焊料合金的固相線溫度在約200°C和約230°C之間。
5.權(quán)利要求I所述的焊料膏，其中所述第二焊料包括Sn-Ag合金、Sn-Cu合金、Sn-Ag-X(其中 X=Al、Au、Co、Cu、Ga、Ge、In、Mn、Ni、P、Pd、Pt、Sb 或 Zn)合金或 Sn-Zn 合金。
6.權(quán)利要求I所述的焊料膏，其中所述第二焊料合金的固相線溫度低于約200°C。
7.權(quán)利要求6所述的焊料膏,其中所述第二焊料包括Sn-Bi合金、Sn-In合金或Bi-InI=I -Wl O
8.權(quán)利要求I所述的焊料膏，其中所述第二焊料合金粉末的量在約2wt%和10wt%之間。
9.權(quán)利要求I所述的焊料膏，其中所述第一焊料合金包括Bi-Ag、Bi-Cu或Bi-Ag-Cu合金。
10.權(quán)利要求I所述的焊料膏，其中所述第一焊料合金包括從O至20wt%的Ag及剩余的為Bi，從O至5wt%的Cu及剩余的為Bi，或從O至20wt%的Ag和從O至5wt%的Cu及剩余的為Bi。
11.權(quán)利要求I所述的焊料膏，其中所述第一焊料合金包括從2.6wt%至15wt%的Ag及剩余的為Bi,從O. 2wt%至I. 5wt%的Cu及剩余的為Bi,或從2. 6wt%至15wt%的Ag和從O. 2wt%至I. 5wt%的Cu及剩余的為Bi。
12.制造焊料膏的方法，其包括將下述進(jìn)行混合 約60wt%至約92wt%之間的量的第一焊料合金粉末；和 大于0wt%并且小于約12wt%的量的第二焊料合金粉末；與 助焊劑； 其中所述第一焊料合金粉末包括第一焊料合金，其固相線溫度高于約260°C ;和 其中所述第二焊料合金粉末包括第二焊料合金，其固相線溫度低于約250°C。
13.權(quán)利要求I所述的方法，其中所述第二焊料合金包括Sn合金、Sn-Sb合金、Sn-Sb-X(其中 X=Ag、Al、Au、Co、Cu、Ga、Ge、In、Mn、Ni、P、Pd、Pt 或 Zn)合金、Sn-Ag 合金、Sn-Cu 合金、Sn-Ag-X(其中 X=Al、Au、Co、Cu、Ga、Ge、In、Mn、Ni、P、Pd、Pt、Sb 或 Zn)合金、Sn-Zn合金、Sn-Bi合金、Sn-In合金或Bi-In合金。
14.權(quán)利要求I所述的方法,其中所述第二焊料合金粉末的量在約2wt°/c^P10wt%之間。
15.權(quán)利要求I所述的方法，其中所述第一焊料合金包括Bi-Ag、Bi-Cu或Bi-Ag-Cu合金。
16.權(quán)利要求I所述的方法，其中所述第一焊料合金包括從O至20wt%的Ag及剩余的為Bi,從O至5wt%的Cu及剩余的為Bi,或從O至20wt%的Ag和從O至5wt%的Cu及剩余的為Bi。
17.權(quán)利要求I所述的方法，其中所述第一焊料合金包括從2.6wt%至15wt%的Ag及剩余的為Bi,從O. 2wt%至I. 5wt%的Cu及剩余的為Bi,或從2. 6wt%至15wt%的Ag和從O. 2wt%至I. 5wt%的Cu及剩余的為Bi。
18.焊接方法，其包括 將焊料膏施加在基底和器件之間以形成組件； 使用回流曲線回流焊接所述組件以形成焊接縫；其中所述焊料膏包括 約60wt%至約92wt%之間的量的第一焊料合金粉末； 大于Owt%并且小于約12wt%的量的第二焊料合金粉末；和 助焊劑； 其中所述第一焊料合金粉末包括第一焊料合金，其固相線溫度高于約260°C ;和 其中所述第二焊料合金粉末包括第二焊料合金，其固相線溫度低于約250°C。
19.權(quán)利要求I所述的方法，其中所述第二焊料合金包括Sn合金、Sn-Sb合金、Sn-Sb-X(其中 X=Ag> Al、Au、Co、Cu、Ga、Ge、In、Mn、Ni、P、Pd、Pt 或 Zn)合金、Sn-Ag 合金、Sn-Cu 合金、Sn-Ag-X(其中 X=Al、Au、Co、Cu、Ga、Ge、In、Mn、Ni、P、Pd、Pt、Sb 或 Zn)合金、Sn-Zn 合金、Sn-Bi合金、Sn-In合金或Bi-In合金。
20.權(quán)利要求I所述的方法,其中所述第二焊料合金粉末的量在約2wt°/c^P10wt%之間。
21.權(quán)利要求I所述的方法，其中所述第一焊料合金包括Bi-Ag、Bi-Cu或Bi-Ag-Cu合金。
22.權(quán)利要求I所述的方法，其中所述第一焊料合金包括從O至20wt%的Ag及剩余的為Bi,從O至5wt%的Cu及剩余的為Bi,或從O至20wt%的Ag和從O至5wt%的Cu及剩余的為Bi。
23.權(quán)利要求I所述的方法，其中所述第一焊料合金包括從2.6wt%至15wt%的Ag及剩余的為Bi,從O. 2wt%至I. 5wt%的Cu及剩余的為Bi,或從2. 6wt%至15wt%的Ag和從O. 2wt%至I. 5wt%的Cu及剩余的為Bi。
24.由下述方法形成的焊接縫 將焊料膏施加在基底和器件之間以形成組件； 使用回流曲線回流焊接所述組件以形成所述焊接縫； 其中所述焊料膏包括； 約60wt%至約92wt%之間的量的第一焊料合金粉末； 大于0wt%并且小于約12wt%的量的第二焊料合金粉末；和 助焊劑； 其中所述第一焊料合金粉末包括第一焊料合金，其固相線溫度高于約260°C ;和 其中所述第二焊料合金粉末包括第二焊料合金，其固相線溫度低于約250°C。
25.權(quán)利要求I所述的焊接縫，其中所述第二焊料合金包括Sn合金、Sn-Sb合金、Sn-Sb-X(其中 X=Ag> Al、Au、Co、Cu、Ga、Ge、In、Mn、Ni、P、Pd、Pt 或 Zn)合金、Sn-Ag 合金、Sn-Cu 合金、Sn-Ag-X(其中 X=Al、Au、Co、Cu、Ga、Ge、In、Mn、Ni、P、Pd、Pt、Sb 或 Zn)合金、Sn-Zn合金、Sn-Bi合金、Sn-In合金或Bi-In合金。
26.權(quán)利要求I所述的焊接縫，其中所述第二焊料合金粉末的量在約2wt%和10wt%之間。
27.權(quán)利要求I所述的焊接縫，其中所述第一焊料合金包括Bi-Ag、Bi-Cu或Bi-Ag-CuI=I -Wl O
28.權(quán)利要求I所述的焊接縫，其中所述第一焊料合金包括從O至20wt%的Ag及剩余的為Bi，從O至5wt%的Cu及剩余的為Bi，或從O至20wt%的Ag和從O至5wt%的Cu及剩余的為Bi。
29.權(quán)利要求I所述的焊接縫，其中所述第一焊料合金包括從2.6wt%至15wt%的Ag及剩余的為Bi,從O. 2wt%至I. 5wt%的Cu及剩余的為Bi,或從2. 6wt%至15wt%的Ag和從O. 2wt%至I. 5wt%的Cu及剩余的為Bi。
全文摘要
焊料膏包括約60wt%至約92wt%之間的量的第一焊料合金粉末；大于0wt%并且小于約12wt%的量的第二焊料合金粉末；和助焊劑；其中第一焊料合金粉末包括第一焊料合金，其固相線溫度高于約260℃；和其中第二焊料合金粉末包括第二焊料合金，其固相線溫度低于約250℃。
文檔編號(hào)B23K35/362GK102892549SQ201180022297
公開日2013年1月23日 申請(qǐng)日期2011年4月4日 優(yōu)先權(quán)日2010年5月3日
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