[发明专利]复合焊料合金预制件

说明书

技术领域

本发明一般地涉及焊接，并且更具体而言，一些实施方式涉及用于高温无铅焊接应用的焊料预制件(preform)。

相关技术描述

高温焊料合金广泛用于芯片附着(die attach)、电力半导体和光学器件封装、倒装片封装、散热片连接(heat-sink joining)等。目前用于这些应用的产业标准焊料主要是高铅焊料(90-95wt% Pb)和Au基低共熔焊料合金比如80Au20Sn焊料。芯片附着工艺包括用粘合剂粘合或焊料连接将硅芯片或晶片连接到引线框架(lead frame)或其它衬底。焊接对于将芯片附着到引线框，特别是对于电力装置而言是优选的方法，因为焊料合金比粘合剂具有更高的载流量和更好的热导率。后一特性对消散器件产生的热量被证明是有益的。用于芯片附着的焊料通常具有280℃或以上的液相线温度以允许随后通过200℃至250℃温度的回流焊(reflow soldering)用低共熔SnPb或无铅SnAgCu(SAC)焊料将封装的器件装配在印刷电路板上。

对于芯片附着最广泛使用的焊料是高Pb合金，例如95Pb5Sn、88Pb10Sn2Ag和92.5Pb5Sn2.5Ag。然而，Pb是有毒的，并且其使用在许多应用中是被禁止的。尽管用于第一级封装用途的高Pb焊料合金由于缺少可靠的它们的替代物而被从目前的有害物质限用指导(Restriction of Hazardous Substances Directive)(RoHS)细则中免除，但在这些领域中将最终实现向无Pb材料的转换。无Pb低共熔Au-Sn(280℃)、Au-Si(363℃)和Au-Ge(356℃)合金可用作芯片附着焊料，但成本过高。尽管在Sn-Sb、Bi-Ag、Zn-Sn和Zn-Al系统中的其它高温无铅焊料也已知作为候选，但每个都具有其自身的缺点。例如，Sn-Sb和Zn-Sn合金的固相线温度过低，Zn-Al合金是高度腐蚀性的且易于氧化，以及Bi-Ag合金具有脆性和低的热/电传导率问题。

发明实施方式概述

本发明的各实施方式提供用于高温无Pb焊接应用的层状复合预制箔。层状复合预制箔由高熔点延展性金属或合金核心层和在核心层每个侧面上的低熔点焊料涂布层组成。在焊接期间，核心金属、液体焊料层和衬底金属反应并消耗低熔点焊料相以形成高熔点金属间化合物相(IMC)。产生的焊接接头由被在衬底侧的IMC层包夹的延展性核心层组成。接头具有比初始焊料合金涂层的原始熔化温度高得多的再熔化温度，允许随后装配封装的器件。

根据本发明的实施方式，复合预制箔包括核心金属层，该核心金属层包括选自Ag、Au、Pd、Pt、Cu、Ni、Co、Fe、Mn、Mg、Ti、Zr或其合金的金属，该合金具有超过280℃的固相线温度；连接到核心金属层的第一焊料层，该第一焊料层包括Sn基焊料或In基焊料，并且该第一焊料层具有等于或大于5μm的厚度；和连接到核心金属层的第二焊料层，该第二焊料层包括Sn基焊料或In基焊料，并且该第二焊料层具有等于或大于5μm的厚度；其中核心金属层具有足够的厚度以便在回流焊中的等温固化之后保留一层金属。

由下列详述，连同参考根据本发明的实施方式通过举例说明特征的附图，本发明的其它特征和方面将变得明显。该概述并非意欲限制仅由本文所附权利要求限定的本发明范围。

附图简述

根据一个或多个不同的实施方式，参照下面的附图详细描述了本发明。提供附图仅出于说明的目的并且附图仅描述本发明典型的或示例实施方式。提供这些附图用于帮助读者理解本发明，并且不应认为附图限制本发明的宽度、范围或适用性。应当注意出于说明的清晰和简洁，这些附图不必按比例制作。

本文包括的一些图从不同的视角说明了本发明的各实施方式。尽管所附的描述性文字可能参照如“顶”“底”“侧”视图这些视图，但除非另作明确的规定，否则这种参照仅仅是描述性的且并非意味着或要求以特定的空间取向实施或使用本发明。

图1是根据本发明的实施方式说明复合预制箔及连接方法的图。

图2是根据本发明的实施方式说明由在回流焊中使用复合预制箔产生的焊接接头的图。

图3是呈现用于辅助参考的Sn-Ag系统的二元相图。

图4A-4D是由使用本发明的各种实施方式以连接Cu衬底产生的焊接接头的微结构。

图4E-4H是图4A-4D的焊接接头的图解。

图5A是由使用本发明的各种实施方式以将Cu衬底连接到合金42衬底产生的焊接接头的微结构。

图5B和5C是图5A的焊接接头的图解。