[发明专利]用于具有不同基板的热可靠封装的方法和配置

说明书

技术领域

本发明通常涉及在基板之间施加焊料，并且更具体地，涉及一种使用不同的基板的封装及其组装和制造，其不易受到热应力的影响。

背景技术

包括具有不同基板材料的基板的焊接模块经受由于各个基板之间的不同的热膨胀系数(CTE)引起的热应力。例如，在回流焊接工艺过程中，在尝试将陶瓷基板焊接到诸如FR4的印刷电路板(PCB)材料时，由于CTE失配，出现了焊料中的以及可能的其他位置(基板自身)的裂缝。

基板之间的不同的CTE通常还被称为CTE失配。典型的PCB材料可以具有15PPM/℃的CTE，而陶瓷基板可以具有6PPM/℃的CTE。因此，在(回流焊接工艺的)冷却工艺过程中，随着PCB和陶瓷之间的焊料材料凝固，同时PCB和陶瓷未完全处于稳定状态，开始出现裂缝。应当注意，当PCB和陶瓷随着温度的降低仍然以不同的速率收缩时，无Pb焊膏(95.5％Sn-3.8％Ag-0.7％Cu)凝固或者具有217℃的固相线温度。结果，在陶瓷中形成了裂缝，并且在焊料中也可能形成裂缝。在高固相线温度的焊膏(95.5％Sn-3.8％Ag-0.7％Cu)凝固之后的长时间后，陶瓷和PCB板停止以不同的速率收缩。

应当注意，术语“固相线”、“液相线”和“熔点”之间存在差异。如冶金学家使用的术语“熔点”通常应用于纯净金属，其在单一温度下熔化。合金相比于其纯净形式，具有非常不同的熔化特性。大部分合金不具有单一的熔化温度或熔点，但是它们具有熔化范围。该范围的上限被称为液相线温度，而该范围的下限被称为固相线温度。因此，大部分冶金学家称纯净金属具有熔点，而合金(钎料)具有熔化范围。在加热过程中，固相线是合金开始熔化的温度。在固相线和液相线温度之间，合金将是固相和液相的混合物。在恰好高于固相线的温度下，混合物主要是固体，具有某些液相。在恰好低于液相线的温度下，混合物主要是液体，具有某些固相。液相线是这样的温度，在高于该温度下，合金完全熔化。换言之，当合金超过液相线温度时，不存在固相。合金完全熔化并流动。数种特殊的合金组分具有类似于纯净金属的特定熔点，换言之，固相线和液相线是相同的温度。该类型的合金被称为“共熔组分”，并且熔点被称为共熔点。

发明内容

根据本发明的实施例说明了一种形成具有至少两个基板的模块的配置和方法，该至少两个基板具有不同的材料，其在回流焊接工艺的过程之中和之后，基本上保持没有裂缝。

在本发明的第一方面中，一种减少不同材料的基板之间的应力的方法包括步骤，将焊料(诸如无铅焊料)施加在第一基板上，回流焊接第一基板上的焊料，以形成覆层基板，在第二基板上施加介质，将覆层基板安置在第二基板上，第二基板具有基本上不同于第一基板的热膨胀系数，并且回流焊接覆层基板和第二基板，由此第一和第二基板之间的基本上不同的热膨胀系数引起的热应力受到了限制，直至温度大致达到低于第一基板上使用的焊料的固相线温度。该无铅焊料可以具有低于217℃的固相线温度，并且可以包括许多不同的无铅焊料，诸如具有139℃的固相线温度的57％Bi，42％Sn，1％Ag或者具有144℃的固相线温度的43％Sn，43％Pb，14％Bi。第一基板可以是陶瓷基板，其具有例如6PPM/℃的热膨胀系数。第二基板可由印刷电路板材料制成，其具有例如15PPM/℃的热膨胀系数。该介质可以是定位介质，诸如焊剂或焊料。该介质可以具有高于施加到第一基板的焊料的固相线温度的固相线温度。可选地，将焊料施加到第一基板的步骤可以包括，将焊料施加到第一基板的第一面，并且该方法可以进一步包括步骤，将元件安置在第一基板的相反面上，并且回流焊接该相反面和元件。应当注意，第一和第二基板之间的基本上不同的热膨胀系数引起的热应力受到了限制，直至温度大致达到低于由第一基板上使用的焊料和第二基板上使用的焊料形成的复合焊料合金的固相线温度。而且，应当注意，复合焊料合金的固相线温度主要由第一基板上使用的焊料的固相线温度支配。