CN101641176B - 高温焊接材料 - Google Patents

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Abstract

采用瞬间液相烧结工艺来形成焊接材料，其中首先形成前体材料。前体材料包括多种金属颗粒，多种金属颗粒包括具有第一熔点温度的第一金属和具有第二熔点温度的第二金属，第一熔点温度高于第二熔点温度。将前体材料加热至高于第二熔点温度且低于第一熔点温度的工艺温度(Tp)，并将前体材料等温保持在工艺温度(Tp)下达预先选择的保持时间，以便形成具有高于工艺温度的熔点温度的金属合金材料。焊接材料可以用于在规定使用在应用温度(Ta)下的设备中将两个部件结合在一起，其中Ta/Tp＞1。

Description

高温焊接材料
相关申请的交叉引用
本申请要求享有2007年1月22日提交且题为“Ag-In Transient LiquidPhase High Temperature Solder Paste Attach(银-铟瞬间液相高温焊接膏连接)”的美国临时专利申请系列第60/885,997号和2007年2月27日提交且题为“Assembly Process for Ag-In Transient Liquid Phase High TemperatureSolderPaste Attach(用于银-铟瞬间液相高温焊接膏连接的组装工艺)”的美国临时专利申请系列第60/891,763号的优先权。这些临时专利申请的公开内容在此以引用方式全文并入。
发明领域
本发明涉及用于结合连接或附着连接两个部件的焊接材料。
背景
使用结合材料使两个或更多个部件彼此相连或连接需要多种不同的技术，包括部件内部至电子封装的连接和/或封装部件至用于电子的衬底或电路板(如，半导体部件)的连接和/或其他技术。
一种众所周知的连接工艺是焊接工艺，在此工艺中，熔化、回流并且然后凝固金属合金焊接材料，以在两个部件之间形成附着或结合。在这种用于制造设备的常规焊接工艺中，必须选择具有足够的熔点的焊接材料，以使焊接材料稳定，以便在设备所设计使用的和规定使用的应用温度范围下维持焊接材料的结合完整性。具体地说，为了避免在使用设备的过程中焊接材料熔化，通常选择熔点温度(Tm)高于设备的规定应用温度(specifiedapplication temperature)(Ta)的焊接材料。此外，在某些设备制造工艺(如，采用级联焊接(cascade soldering)的工艺)中，初始焊接材料必须具有足够的熔点温度，以避免在随后的工艺步骤中再次熔化。
在其中所选择的焊接材料的熔点高于应用温度的应用中，用于使用焊接材料在两个部件之间实现结合连接的工艺温度(Tp)通常被选择为高于熔点温度至少约30℃(即，Tp≥Tm+30℃＞Ta)。例如，对被认为在至少300℃的温度(Ta＝300℃)下工作的设备来说，期望使用具有至少约370℃的Tm和约400℃的Tp的焊接材料。
当使用采用常规焊接连接方法的焊接材料时，制造具有高的应用温度的设备所需要的高的工艺温度可能要求定制的设备来用在制造工艺中，且所有的制造材料必须能够应付这种高的工艺温度。此外，根据用于构建设备的不同材料之间的热膨胀系数(CTE)的差异，由两种或更多种材料之间的CTE差异产生的应力可能导致设备在从工艺温度冷却至室温的过程中产生结构缺陷并导致可能的可靠性问题。
可以用于在电子设备或其他设备中将两个或更多个部件连接在一起的另一种类型的连接工艺是固-固烧结工艺，在此工艺中，固体结合材料由金属颗粒(诸如银)形成。这种烧结工艺利用高温和外压(高达40MPa)来将颗粒附着并熔合在一起，以便形成固体材料或固体层。使用常规烧结工艺存在的一个严重问题是，将颗粒附着并熔合在一起所要求的高压可能导致部件的各部分断裂(如，衬底或芯片开裂)，而使用较低压力可能造成部件之间的结合变弱或不一致。
用于电子设备和其他设备的结合材料的又一种方法是使用聚合物基体作为结合材料，其中聚合物基体包括嵌入在基体内的金属颗粒。然而，本领域已知的这种聚合物基体往往具有接近或低于某些电子设备的典型应用温度的转变温度(如，熔点、玻璃转变温度)，而这可在使用设备的过程中造成聚合物基体结合材料的不稳定、分解或熔化。
因而，期望提供一种结合材料，该结合材料能有效地将设备(诸如电子设备)内的部件结合在一起，且该结合材料在设备的高应用温度下是可靠的并维持结合材料的结合完整性，同时有利于方便地制造设备。
概述
根据本发明，采用瞬间液相烧结工艺来形成焊接材料。首先形成包括多种金属颗粒的前体材料，多种金属颗粒包括具有第一熔点温度的第一金属和具有第二熔点温度的第二金属，第一熔点温度高于第二熔点温度。将前体材料加热至高于第二熔点温度且低于第一熔点温度的工艺温度(Tp)，并将前体材料等温保持在工艺温度(Tp)下达预先选择的保持时间，以便形成具有高于工艺温度的熔点温度的金属合金材料。
优选地，前体材料进一步包括与金属颗粒结合的粘合剂，使得前体材料呈膏体的形式。
焊接材料可以用于在规定使用在优选至少约180℃的应用温度(Ta)下的设备内将两个部件结合在一起，其中Ta/Tp可以大于1。
可以提供第一金属和第二金属(以及任选地，另外的金属)的任意合适的组合来形成所得到的金属合金，其中所得到的金属合金焊接材料的熔点温度高于形成金属合金的工艺温度。例如，第一金属可以包括银(Ag)、铜(Cu)和金(Au)，而第二金属可以包括铟(In)、嫁(Ga)和锡(Sn)。
当考虑到下面的本发明的具体实施方案的详细描述时，尤其是当结合附图时，本发明的上面的和另外的特征和优势将变得明显。
附图简述
图1是Ag-In平衡相图的图，其显示了不同的Ag-In组合物(composition)的熔点。
图2是用于形成焊接材料的粉末中的Ag颗粒的SEM图。
图3是用于形成焊接材料的粉末中的In颗粒的SEM图。
图4A是采用250℃的Tp和1分钟的保持时间的TLPS工艺来由Ag-In焊膏形成焊接材料时，从差示扫描量热仪(DSC)中得到的数据的图。
图4B是采用250℃的Tp和60分钟的保持时间的TLPS工艺来由Ag-In焊膏形成焊接材料时，从差示扫描量热仪(DSC)中得到的数据的图。
图5是采用TLPS工艺在衬底上形成的Ag-In焊接接合的SEM图。
图6是显示了使用不同膏体的TLPS工艺并在TLPS工艺的过程中采用不同的保持时间形成的金属合金焊接材料中的低熔点富In相的数据图。
详述
根据本发明，提供了一种结合了至少两种金属的高温焊接材料，这至少两种金属包括具有第一温度下的熔点的第一金属和具有明显低于第一温度的第二温度下的熔点的第二金属，其中使用瞬间液相烧结(TLPS)工艺来形成焊接材料。在TLPS工艺中，将用于形成焊接材料的金属颗粒加热，且然后等温保持在高于第二温度但远低于第一温度的工艺温度下足够的时间，以形成在至少两个部件之间实现结合连接或附着连接的金属合金焊接材料。当形成结合连接时，所得到的凝固的金属合金焊接材料的熔点远高于第二温度(即，高于第二金属的熔点)，使得可以使用焊接材料并维持其结合完整性的应用温度(Ta)(如，设备被期望使用或规定使用的应用温度)显著高于用于形成结合连接的工艺温度。
正如此处使用的，术语熔点温度(Tm)指的是金属或金属合金开始经历从固体到液体的相变时的温度。术语工艺温度(Tp)指的是由包括金属粉末的前体材料形成金属合金焊接材料时的温度或温度范围和/或在制造设备的过程中实现两个部件之间的结合连接或附着连接时的温度或温度范围。术语应用温度(Ta)指的是关于将两个部件结合在一起可以使用高温金属合金焊接材料而不会熔化且不会显著降低或损失其完整性的温度。具体地说，应用温度(Ta)指的是包括使用本发明的高温焊接材料形成的至少一个结合连接的设备被认定使用或规定使用的温度或温度范围。根据本发明形成的金属合金材料的熔点温度(Tm)优选地在形成金属合金材料的工艺温度(Tp)之上至少约50℃。此外，根据本发明形成的金属合金材料的熔点温度(Tm)高于应用温度(Ta)至少约30℃。
可以由任何合适的金属合金材料形成高温焊接材料，金属合金材料包括具有足够高于至少另一种金属或第二金属且进一步高于用于形成金属合金材料的工艺温度(Tp)的熔点温度(Tm)的第一金属。而且，第一金属的熔点温度(Tm)优选地高于将要使用焊接材料的设备的应用温度(Ta)，使得在加工形成合金的过程中第二金属熔化，以有利于固相和液相金属部分之间的扩散，因而形成具有所得到的高于Ta和Tp的Tm的合金材料。
在形成本发明的高温焊接材料时可以用作上述第一金属的具有较高熔点温度的合适的金属包括银(Ag)、铜(Cu)和金(Au)。可以用于形成本发明的金属合金材料的具有比第一金属低的熔点(即，低于最高熔点金属的熔点)的合适的金属包括铟(In)、嫁(Ga)和锡(Sn)。例如，可以用于形成高熔点焊接材料的合金的第一金属-第二金属组合包括但不限于：Ag-In、Ag-Sn、Ag-Ga、Cu-Sn、Cu-Ga、Au-In、Au-Sn。此外，可以采用三种或更多种金属的组合，只要至少最高熔点金属高于用于形成金属合金的工艺温度(Tp)，且至少最低熔点金属低于这种工艺温度(Tp)。
可以选择能够用于形成本发明的高温焊接材料的金属合金的较高熔点金属和较低熔点金属的合适的组合，使得所得到的金属合金的熔点温度(Tm)高于用于形成合金和结合连接的工艺温度(Tp)(即，Tm＞Tp或Tm/Tp＞1)。优选地，所形成的高温金属合金材料具有至少约250℃的Tm值。更优选地，所形成的高温金属合金材料具有至少约400℃的Tm值。
此外，可以形成高温焊接材料，使得工艺温度(Tp)低于应用温度(Ta)。正如下面进一步描述的，可以形成此处描述的高温焊接材料，使得Tm＞Ta＞Tp，其中Ta是至少约180℃且其中Ta/Tp＞1。
优选地，由具有受控的颗粒尺寸(例如，直径)和形状(如，圆形或不规则的形状)的金属粉末或颗粒形成高温焊接材料。可以存在于所得到的金属合金焊接材料中的高熔点金属的量可以是焊接材料中的金属总重量的约30％到约95％的范围。例如，在含有是Ag、Cu或Au的第一金属和是In或Sn的第二金属的双金属焊接合金中，第一(高熔点)金属和第二(低熔点)金属的量可以基于焊接材料内的合金金属总重量从30/70、40/60、50/50、60/40、70/30、80/20、90/10以及95/5(重量百分数)变化。例如，对根据本发明形成的Ag-In金属合金组合来说，确定了可以使用60/40、70/30、80/20、90/10以及95/5(Ag的重量百分数/In的重量百分数)的重量百分数来形成有效的金属合金焊接接合。
可以混合呈粉末形式的金属颗粒以形成通常均匀的混合物，其中粉末混合物是用于形成高温焊接合金材料的前体材料。金属颗粒优选地基本上是纯的，且具有约50纳米(nm)到约50微米(微米)，优选为约500纳米到约25微米，以及更优选为约1微米到约10微米范围内的颗粒尺寸(如，直径)。在一个示例性的实施方案中，金属颗粒可以包括不大于约1微米的尺寸范围。能够以，如任何常规的或其他合适的方式获得诸如上述范围中的任一种的颗粒尺寸范围。例如，可以使用利用了一种或多种不同筛目大小的网筛的筛分或筛选技术来获得具有特定尺寸范围的金属颗粒。
金属颗粒可以具有范围从大致圆形的和球形的到带状或不规则形状的以及甚至细长形或片状的几何外形或形状。对大致圆形的和球形的颗粒形状来说，颗粒尺寸可以通常由颗粒直径来表征，而最大尺寸(如，长度或宽度)可以用于表征带状或不规则形状的颗粒。优选地，用于形成粉末混合物的至少较低熔点的金属颗粒(如，In或Sn)是不规则形状的或细长形的或片状的，以便提供每颗粒较高的表面积，以在形成合金材料的过程中增强金属的熔化和扩散。此外，还可以提供具有带状或不规则形状，或细长形或片状的较高熔点的金属，以在形成合金的过程中增强金属间的加热和扩散过程。
焊接前体材料可以呈松散的或压实的粉末的混合物的形式。可选择地，前体材料还可以包括粘合剂材料，以结合金属粉末混合物并形成前体焊膏材料。粘合剂材料可以进一步增强加工形成合金的过程中金属的流动和扩散。粘合剂材料可以包括油，油是环境友好的(如，鱼油)，且对合金形成过程是进一步相对惰性的。粘合剂材料还可以包括由合适的活化剂形成的熔剂材料，在高温处理过程中以及在储存过程中，活化剂抑制金属的氧化(因而，增强膏的储存寿命)。
熔剂材料可包括合适的活化剂，诸如构成熔剂材料体积的约0.5％的活化剂，其中起到熔剂的基本组分或介质作用的天然的或合成的松香或一些树脂构成熔剂材料体积的约75％。松香对膏的流动特性，尤其是高温下的流动特性产生作用，且其还为膏体材料提供某些物理特性，诸如“粘合性”。松香提供带“体”的熔剂，这为膏体最终的流变特性做出贡献。举个例子，基于松香的熔剂中的松香可以包括熔剂重量的约34％的量的松香酸、熔剂重量的约24％的量的脱氢松香酸和熔剂重量的约9％的量的长叶松酸。这些天然的或合成的松香或树脂还可以有助于熔剂的活性，但也可以提供另外的活化剂以改善系统的清洁功效。活化剂赋予熔剂其清洁能力，即从正被焊接的表面去除氧化物的能力。活化剂可以选自多种化学物质，包括无机酸和盐、胺、有机酸以及能够减少或去除氧化物和锈蚀的任何其他物质。用于形成前体焊膏材料的优选熔剂材料包括不纯的(即，有益的熔剂残余物和/或无实质量的熔剂残余物)中度活性松香(RMA)熔剂，诸如可商业上从Indium Corporation(New York)购得的以商品名TACFlux 007销售的RMA熔剂材料。
用诸如RMA熔剂的粘结材料形成焊膏使焊接材料易于应用和用来形成结合连接。例如，可以使用诸如雕版印花(stencil printing)或其他分配技术的常规技术来容易地将焊膏材料应用于板(如，电路板)、衬底或任何其他部件的表面，其中接着，用焊接材料将第二部件(如，半导体芯片或芯片、封装部件或其他类型的电子部件)结合到衬底。与用于常规焊接的常规熔剂材料一样，粘合剂材料(如，熔剂材料，诸如不纯的RMA熔剂材料)因形成焊接材料结合连接所采用的高处理温度而基本上或完全从焊接材料去除。
优选地，以焊膏材料总重量的约5％到约15％的量提供粘合剂材料，且存在于焊膏材料中的金属粉末在焊膏材料总重量的约85％到约95％的范围内。更优选地，以焊膏材料总重量的约8％到约12％的量提供粘合剂材料，且存在于焊膏材料中的金属粉末在焊膏材料总重量的约88％到约92％的量。
如上所述，金属粉末混合物，或膏体材料(其包括粘合剂材料和金属粉末混合物)是必须被热处理以形成本发明的高温焊接材料的前体材料。瞬间液相烧结(TLPS)工艺用于将前体材料转化成高熔点焊接材料。在此工艺中，以选定的加热速率加热前体材料，直到获得预先选择的保持温度或工艺温度(Tp)，且然后在这种Tp下等温保持预先选择的时间段，以确保形成合金的金属之间充分扩散。在前体材料中，将Tp设定成处于至少最高熔点金属的Tm值和至少最低熔点金属的Tm值之间的合适的值，其中Tp优选为高于至少最低熔点金属的Tm值至少约30℃。将前体材料等温保持在工艺温度(Tp)下达足够的时间段，以便有利于至少最低熔点金属相变成液相并允许充分扩散以开始启动金属合金的形成。
在TLPS工艺的过程中，在工艺温度(Tp)下且在保持时间段的过程中，因组合物中的液体金属和固体金属之间的扩散而形成金属合金。液体金属和固体金属之间的扩散至少部分是因为固体金属粉末内的液体金属的毛细作用或“芯吸作用”以及组合物内的不同金属之间的浓度梯度。较低熔点金属或多种金属的熔化速率和加热材料内的金属的扩散可能受到许多因素的影响和控制，这些因素包括但不限于：工艺温度(Tp)、Tp下的保持时间、整个组合物内的金属的组成和类型以及颗粒的几何形状(如，圆形的和球形的以及非球形的或不规则形状的颗粒)。
虽然工艺温度(Tp)将会根据用于形成合金的金属的组合和量进行变化，但是Tp值将优选为约160℃到约800℃、更优选为约200℃到约400℃以及甚至更优选为约250℃到约300℃的范围内。与较高的Tp值相比，在较低的Tp值下，保持时间段将会更长，以便确保合金内的金属之间充分扩散以及金属合金内的低熔点部分的百分数(即，合金内具有高浓度的低熔点金属的部分的百分数)较低。然而，优选采用的保持时间为约5分钟到约120分钟、更优选为约20分钟到约90分钟以及最优选为约45分钟到约60分钟的范围内，且示例性的保持时间段是约60分钟。加热速率(以及任选地，随后的冷却速率)可以被控制在约0.4℃/秒到约2℃/秒的速率下，且示例性的加热速率(以及任选地，随后的冷却速率)是约0.5℃/秒和1℃/秒。
当将组合物保持在Tp下达预先选择的保持时间段时，组合物凝固(由于液体金属和固体金属之间的扩散)且形成金属合金。所得到的形成的金属合金具有较高的Tm值，该Tm值处于组合物内的金属的最高Tm值与最低Tm值之间。如上所述，选择合适的金属粉末前体组合物(或合适的膏体前体组合物)并利用TLPS工艺，将会获得具有所得到的高于Tp的Tm值的高温焊接材料，并进一步有利于焊接材料在其中应用温度(Ta)也高于Tp(即，Ta/Tp＞1)的应用中的使用。
当根据本发明利用前体膏体材料和TLPS工艺形成焊接接合时，可以容易地将少量的焊接材料膏体应用于(如，经由雕版印花技术)板、衬底或作为结合位置的其他部件的表面。待应用的焊接材料膏体的厚度可以根据焊膏的组成和特定的应用进行变化。然而，焊膏材料的示例性厚度可以为约50微米(约2mil)到约254微米(约10mil)，优选为约100微米(约4mil)到约204微米(约8mil)的范围内。接着，可以将第二部件应用于焊接材料膏体层，然后进行如上所述的TLPS工艺，以形成具有所得到的超过工艺温度(Tp)的高熔点温度(Tm)的焊接接合。所得到的所形成的金属合金焊接接合的厚度可以为约25微米(约1mil)到约127微米(约5mil)、优选为约50微米(约2mil)到约100微米(约4mil)的范围内。
如上所述，高温金属合金焊接材料可以应用于任意数目的不同表面(如，板、衬底或部件表面)，以有利于在电子部件(如，彼此相连的或连接至板或衬底表面的半导体芯片或芯片部件、封装到板的陶瓷封装部件、内部和/或外部互连结构等)之间形成任意数目的不同类型的连接。进一步注意到，高温金属合金焊接材料还可以用于将任何其他类型的部件或设备连接在一起。例如，高温金属合金焊接材料可以用于形成用于管件结构(如，水管)的焊接接合或可以用于在待结合在一起的任何其他类型的部件之间形成焊接接合。
根据本发明提供的TLPS工艺在至少下面的方面不同于常规的烧结工艺。在其中期望金属颗粒固-固结合的常规烧结工艺中，要求向材料施加高温和高的外压。在本发明的TLPS工艺中，在此工艺中熔化的较低Tm的金属提供了借助毛细作用在固体金属颗粒之间流动的液相，且不需要外压来形成合金。这是因为液体金属提供了增强组合物致密化的润湿力(即，液体金属的润湿力消除了对外压的需求)。此外，与发生在常规烧结工艺中的固-固质量输送相比，金属液体增强了组合物内的金属质量输送的速率。
相比用于将部件连接在一起的常规焊接材料或其他结合材料，根据本发明形成的焊接材料提供了诸多优势。例如，根据本发明的至少一种高熔点金属与至少一种低熔点金属的组合(例如，如上所述的金属组合)获得了具有所得到的熔点(Tm)的合金材料，该熔点是足够高的，以有利于焊接材料在明显高于用于形成焊接材料的Tp值的应用温度(Ta)下使用，且因此降低了形成与常规的回流焊接材料有关的结合连接所要求的工艺温度(Tp)。根据本发明形成的高温焊接材料在多个Ta值下具有高温稳定性，包括至少约180℃的Ta值。例如，证明了根据本发明形成的焊接材料能够在高达约500℃、约550℃以及甚至约600℃的Ta值下的设备中用作结合材料或连接材料。此外，将会期望诸如上述组合的金属的组合，以根据本发明形成高温焊接材料，这些材料可以在甚至更高的应用温度(Ta值)下使用，包括在低于金属合金焊接材料中的最高熔点金属的熔点高达约50℃的应用温度下使用。例如，在根据本发明形成的包括Ag(诸如Ag-Sn组合)的某些金属合金焊接材料中，这种金属合金焊接材料的应用温度可以高达约912℃(因为Ag的熔点温度是962℃)。
如上所述，常规回流焊接材料要求高于焊料的熔点(Tm)且因此，还高于可以使用常规焊接材料的最高应用温度(Ta)的工艺温度(Tp)(即，对常规焊接材料来说，Tp＞Tm＞Ta)。因此，对常规焊接材料来说，Tm/Tp的比和Ta/Tp的比都必须小于1，以形成焊接接合，且还在使用其中存在焊接接合的设备的过程中确保焊接接合的稳定性和完整性。
如上所述，形成了根据本发明使用如上所述的TLPS工艺形成的高温焊接材料，其中所得到的金属合金焊料的熔点高于用于形成金属合金和焊接接合的工艺温度(即，Tm/Tp＞1)。例如，对根据本发明形成的金属合金焊接材料中的Ag-In组合来说，Tm/Tp(金属合金的熔点温度/形成金属合金的工艺温度)的比可以大于约1.5、大于约2、或甚至大于约2.5。
此外，本发明的高温焊接材料可以用于其中Ta/Tp(使用金属合金焊料的应用温度/形成金属合金的工艺温度)的比大于1的某些应用中。例如，此处描述的高温焊接材料可以使用在具有至少约2的Ta/Tp值的设备中，且形成的一些高温焊接材料具有约2.5或更大的Ta/Tp值。因而，可以在非常低的Tp值和与常规回流焊接有关的非常大范围的Ta值(这有利于更宽范围的应用)下对高温焊接材料进行处理。
进一步如上所述，与常规的烧结工艺相比，用于形成本发明的高温焊接材料的TLPS工艺提供了诸多优势，包括但不限于，消除了向材料施加压力来实现烧结工艺中的金属粉末的期望的致密化的需求的优势。如上所述，在TLPS工艺的最初阶段的过程中形成的液体金属实现了所得到的形成的合金材料的期望的致密化，而不需要在烧结工艺过程中施加压力(施加压力可能对烧结的金属材料所附着的衬底、芯片或工件不利)。
此外，应该注意，某些平面薄膜沉积技术在电子设备制造中是已知的，其中在制造工艺过程中，在包括不同金属的各层之间的界面处可能出现液相烧结。然而，这种技术是受限的，这是因为它们要求所需厚度的薄膜层的物理气相沉积或化学气相沉积，以便在层界面处的金属之间实现期望的扩散。与本发明的工艺相比，这是明显更复杂的和耗时的，在本发明的工艺中，将前体焊接材料简单地应用于衬底的表面并进行TLPS工艺，以在设备的制造工艺的过程中实现有效的焊接接合。此外，当使用包括如上所述的熔剂的焊膏材料时，TLPS工艺并不要求无氧或惰性气氛(这是因为在TLPS工艺的过程中，熔剂介质避免金属氧化)。
下面的实施例证明了根据本发明使用TLPS工艺来形成高温焊接材料的有效性。
实施例1：形成Ag-In焊接材料
使用具有约962℃的Tm值的银(Ag)和具有约157℃的熔点的铟(In)来形成焊接材料。形成包括与不纯的RMA熔剂材料(可商业上从IndiumCorporation(New York)购得的以商品名TAC Flux 007销售的RMA熔剂材料)结合的Ag和In的金属粉末的前体膏体材料。
如上所述，焊接材料中提供的每一种金属的量或组成将基于所选择的特定的金属以及还基于诸如期望的应用温度(Ta)范围的因素，在此期望的应用温度范围内，要求焊接材料保持稳定并根据期望的技术要求进行。Ag-In平衡相图描绘在图1中，并提供了有关基于合金中不同组成的Ag和In的Ag-In合金的不同熔点的有用信息。优选的是，根据本发明形成的Ag-In焊接材料将会具有焊接材料中形成的金属合金重量的约14％到约35％的In含量(即，金属合金中约65％到约86％的Ag的重量百分数)，这将获得所形成的金属合金的所得到的熔点(Tm)，该熔点(Tm)明显高于In的Tm值。
所形成的粉末组合物包括金属粉末重量的约75％的Ag和约25％的In。参考图1的相图，使用这种Ag-In比将会导致形成具有所得到的约693℃的熔点(Tm)的Ag-In合金。
焊膏中的RMA熔剂材料的量是膏体材料总重量(即，金属粉末与熔剂材料的组合量)的约10％。
Ag和In粉末的每一种包括具有(-325/+500)目(由标准的筛选工艺或筛分工艺确定)颗粒尺寸的颗粒。这等同于小于50微米的粉末内Ag和In颗粒的每一种的颗粒尺寸，其中80％的颗粒具有约25微米到约45微米的尺寸。图2和图3描绘了粉末内的Ag和In颗粒的各自的SEM(扫描电子显微镜)图。正如从图2的SEM图像中看到的，Ag粉末包括具有大致圆形和球形几何形状的颗粒。图3的SEM图像显示，In粉末包括具有大致带状几何形状的颗粒。在合金形成工艺的过程中，In颗粒的带状几何形状有利于In颗粒熔化(如，由于增大的颗粒表面积/体积比)。
按照上述方式使包括Ag和In颗粒的焊膏材料经受TLPS工艺。TLPS工艺的工艺温度(Tp)选择在250℃。采用许多不同的保持时间，且测试所得到的合金焊接材料以确定任何富In相(即，较高浓度的In金属)以多大的程度存在于所得到的焊接材料中。使用差示扫描量热仪(DSC)热表征以不同的保持时间形成的所得到的焊接材料。以两个不同的保持时间进行的测试的结果显示在图4A和图4B中。
具体地说，对第一次试验来说，以250℃的Tp和1分钟的保持时间来进行TLPS工艺。第一次试验的结果绘制在图4A中。对第二次试验来说，以250℃的Tp和60分钟的保持时间来进行TLPS工艺。第二次试验的结果绘制在图4B中。对每一次试验来说，采用相同的前体焊膏材料且以约1℃/秒的加热速率来进行TLPS工艺。图4A和4B中的每一个图在加热时段的过程中是类似的，其中前体材料内的富In相在约147℃时开始熔化(正如可以从两个图上显示的吸热峰看出来的)。在冷却时段的过程中，在图4A中检测到放热峰，这表明存在一些百分数的所得到的含有低熔点富In相的材料。然而，图4B中未观察到放热峰，这表明不存在任何低熔点富In相，且进一步表明通过TLPS工艺，In金属已经在材料内充分扩散。
这些试验表明，对采用TLPS工艺和250℃的Tp形成Ag-In焊接材料来说，采用60分钟的保持时间将会确保In充分扩散入合金中，以形成可以在远高于Tp且还高于In熔点的应用温度下使用的合适的高温焊接材料。此外，因为所得到的Ag-In合金材料的熔点是约693℃，所以Tm/Tp的比是2.77。
实施例2：用Ag-In焊接材料形成焊接接合
使用实施例1中的上述Ag-In焊膏材料且通过采用了250℃的Tp、约1℃/秒的加热速率和60分钟的保持时间的TLPS工艺来形成焊接接合。通过将焊膏材料应用于衬底上来形成焊接接合，将具有镀纯Sn的引脚(lead)的TSOP封装连接到衬底上。确定所形成的焊接接合的组成(采用EDX光谱分析)为按重量计约75％的Ag和按重量计25％的In。由引脚镀层(leadfinish)溶解的任何Sn的量太少，以至于无法通过分析检测到。所形成的焊接接合的SEM图描绘在图5中。正如所看到的，尤其是从焊接接合的放大视图所看到的，大致球形的Ag颗粒存在于并嵌入在Ag-In金属基体内。
所得到的形成焊接接合的Ag-In金属合金具有约693℃的熔点，且确定了焊接接合保持稳定并能够经受住高达至少约600℃的应用温度(Ta值)。用于金属合金和焊接接合的Tm/Tp值是2.77，而此Ag-In金属合金焊接材料的Ta/Tp值是2.4。
如上所述，对认为能经受住高达600℃的Ta值的常规金属焊接材料来说，Tm和Tp值必须足够高于此温度(即，Ta/Tp的值小于1)。这种常规焊接材料的高处理温度使制造工艺复杂化，且进一步可能对用于形成具有这种焊接接合的设备的其他材料不利。
实施例3：在TLPS工艺中，颗粒尺寸和保持时间对Ag-In焊接材料的均质 化的影响
按照与上述实施例1中的方式类似的方式来形成两种Ag-In焊膏材料(膏体A和膏体B)，且金属粉末中的Ag/In的量是金属粉末总重量的约75％的Ag和25％的In，且提供以膏体总重量的约10％的量的不纯的RMA熔剂材料来形成膏体。在第一膏体中，膏体A，Ag和In颗粒的标称颗粒尺寸都被限制到不大于约25微米(采用(-500/+635)目，由标准的筛选工艺或筛分工艺确定，其中80％的颗粒是约15微米到约25微米)。在第二膏体中，膏体B，Ag和In颗粒的标称颗粒尺寸都被限制到不大于约50微米(采用(-325/+500)目，由标准的筛选工艺或筛分工艺确定，其中80％的颗粒是约25微米到约45微米)。
对两种膏体的每一种来说，按照与上述实施例1中的方式类似的方式进行TLPS工艺，其中Tp是250℃，且加热速率是约1℃/秒。在TLPS工艺中，以1分钟到90分钟变化的不同的保持时间对两种膏体的一系列样品进行热处理。采用DSC表征技术来测量不同样品的在TLPS工艺后留在所得到的金属合金焊接材料中的低熔点富In相材料的量(wt.％)。此数据绘制在图6中。
参考图6，可以看到，膏体A和膏体B形成了具有量非常少的低熔点富In相材料和低至25分钟的保持时间的金属合金焊接材料，这表明这两种膏体将会有效地用于形成在明显高于250℃的工艺温度的应用温度下使用的高温焊接材料。此外，图示的数据显示出，当保持时间增加时，所得到的金属合金焊接材料中的低熔点富In相材料的百分数从1分钟到60分钟明显减少，且当保持时间从60分钟增加到90分钟时，对于膏体A观察到很少或没有变化。图示在图6中的数据进一步揭示出，与具有较大的金属颗粒尺寸的膏体(膏体B)相比，在相同的保持时间下，具有较小的金属颗粒尺寸的膏体(膏体A)导致所得到的金属合金焊接材料内的低熔点富In相材料的百分数较低。
因而，此实施例显示了颗粒尺寸和保持时间对所得到的形成的金属合金焊接材料的影响。
实施例4：采用Ag-In焊接材料在半导体芯片与衬底之间形成焊接接合
按照与实施例1中提出的方式类似的方式来制备银-铟焊膏材料(金属粉末重量的75％的Ag，金属粉末重量的25％的In，且采用膏体材料重量的约10％的不纯的RMA熔剂材料)。采用雕版印花技术将此膏体材料应用于金属化的衬底的区域。
金属化的衬底是氧化铝(A12O3)衬底(0.625mm厚)，其具有直接结合的铜(Cu)层(0.3mm厚)、化学镀到Cu层上的镍(Ni)层和通过物理气相沉积而沉积到Ni层上的Ag层(1200nm厚)。采用呈8mil(约203微米)厚的具有激光切口的不锈钢箔形式的模版将膏体材料应用于金属化的衬底的区域，其中模版置于衬底上，且膏体材料涂覆在激光切口上，以便应用于选定区域的衬底表面和衬底的各位置。因而，将8mil(约203微米)厚的膏体以图案形式涂覆到衬底表面上。
形成的模拟半导体芯片包括用30nm厚的铬(Cr)层、150nm厚的Ni层和300nm厚的Ag层金属化的硅衬底。将半导体芯片应用于涂覆了膏体材料的衬底的部分，且芯片的金属化表面接触膏体材料。
当将半导体芯片应用于衬底时，采用类似于实施例1中的上述TLPS工艺的TLPS工艺(1℃/秒的加热速率、Tp＝250℃和60分钟的等温保持时间)来加热衬底。当冷却到室温时，通过在TLPS工艺的过程中由膏体形成的焊接材料组成的焊接接合将半导体芯片有效地固定到衬底。焊接接合具有约4mil(约102微米)的厚度。
测试了焊接接合对高达约600℃的温度的稳定性，且观察到焊接接合在这样的温度下是稳定的。因而，Ag-In焊接接合在远高于工艺温度的应用温度(即，Ta/Tp值远大于1)下有效地维持了完整性。
此处描述的金属合金焊接材料在形成将设备(如电气设备或电子设备)内的部件结合在一起的焊接接合方面是高度有效的。可以在低的工艺温度下实现焊接接合的形成，其中使用前体材料形成的所得到的金属合金具有远高于形成金属合金所需要的工艺温度的熔点温度(即，Tm/Tp＞1)，这有利于焊接材料在还远高于用于形成焊接材料的工艺温度的应用温度(即，Ta/Tp＞1)下使用。
已经描述了用于形成高温焊接材料和包括用这种高温焊接材料形成的焊接接合的设备的示例性的实施方案，认为本领域的技术人员根据此处提出的教导可以做出其他修改、变化和改动。因此，应理解，所有这样的变化、修改和改动都被认为落入了由所附权利要求界定的本发明的范围内。虽然此处采用了特定的术语，但是它们仅仅以一般性的和描述性的意义来使用，而不是为了进行限制。

Claims (48)

1.一种形成焊接材料的方法，所述方法包括：
(A)形成包括多种金属颗粒的前体材料，所述多种金属颗粒包括具有第一熔点温度的第一金属和具有第二熔点温度的第二金属，其中所述第一金属和所述第二金属中的至少一种包括片状颗粒，所述第一熔点温度高于所述第二熔点温度；
(B)将所述前体材料加热至高于所述第二熔点温度且低于所述第一熔点温度的工艺温度(Tp)；以及
(C)将所述前体材料等温保持在所述工艺温度(Tp)下达预先选择的保持时间，以便形成包括所述第一金属和所述第二金属的金属合金材料，其中所述金属合金材料具有高于所述工艺温度(Tp)的熔点温度(Tm)，并且其中所述金属合金材料在至少500℃的温度下维持稳定性和结合完整性。
2.如权利要求1所述的方法，其中所述前体材料进一步包括与所述金属颗粒结合以形成膏体材料的粘合剂材料。
3.如权利要求2所述的方法，其中所述粘合剂材料包括熔剂材料。
4.如权利要求2所述的方法，其中所述粘合剂材料以所述前体材料重量的5％到15％的量存在于所述前体材料内。
5.如权利要求1所述的方法，其中所述前体材料内的所述金属颗粒的颗粒尺寸不大于50微米。
6.如权利要求1所述的方法，其中所述前体材料内的所述金属颗粒的颗粒尺寸不大于10微米。
7.如权利要求1所述的方法，其中所述前体材料中的所述第一金属的量是所述前体材料内的所述金属颗粒总重量的30％到95％。
8.如权利要求7所述的方法，其中所述第一金属是Ag、Cu和Au中的一种。
9.如权利要求8所述的方法，其中所述第二金属是In、Sn和Ga中的一种。
10.如权利要求7所述的方法，其中所述第一金属是Ag且所述第二金属是In。
11.如权利要求10所述的方法，其中所述前体材料包括所述前体材料内的所述金属颗粒重量的75％的量的Ag和所述前体材料内的所述金属颗粒重量的25％的量的In。
12.如权利要求1所述的方法，其中所述工艺温度(Tp)是160℃到180℃。
13.如权利要求1所述的方法，其中所述工艺温度(Tp)是200℃到400℃。
14.如权利要求1所述的方法，其中所述工艺温度(Tp)是250℃到300℃。
15.如权利要求1所述的方法，其中所述前体材料以0.4℃/秒到2℃/秒的加热速率被加热至所述工艺温度(Tp)。
16.如权利要求1所述的方法，其中所述前体材料被等温保持在所述工艺温度(Tp)下20分钟到90分钟的保持时间。
17.如权利要求1所述的方法，其中所述前体材料被等温保持在所述工艺温度(Tp)下45分钟到60分钟的保持时间。
18.如权利要求1所述的方法，其中所述前体材料进一步包括具有低于所述第一熔点温度的第三熔点温度的第三金属的金属颗粒，且所形成的金属合金材料进一步包括所述第三金属。
19.如权利要求1所述的方法，其中所述金属合金材料的熔点是至少250℃。
20.一种制造包括形成了将两个部件结合在一起的焊接接合的设备的方法，所述方法包括：
(A)提供待结合在一起的第一部件和第二部件；
(B)将前体材料应用于所述第一部件的表面，所述前体材料包括具有第一熔点温度的第一金属和具有第二熔点温度的第二金属，其中所述第一金属和所述第二金属中的至少一种包括片状颗粒，所述第一熔点温度高于所述第二熔点温度；
(C)将所述第二部件应用于包括所述前体材料的所述第一部件的表面；
(D)将所述前体材料加热至高于所述第二熔点温度且低于所述第一熔点温度的工艺温度(Tp)；以及
(E)将所述前体材料等温保持在所述工艺温度(Tp)下达预先选择的保持时间，以便形成将所述第一部件结合到所述第二部件的金属合金材料，所述金属合金材料具有高于所述工艺温度(Tp)的熔点温度，并且其中所述金属合金材料在至少500℃的温度下维持稳定性和结合完整性。
21.如权利要求20所述的方法，其中所形成的金属合金材料的熔点温度高于所述设备被规定使用的最高应用温度(Ta)，所述应用温度(Ta)是至少180℃，且Ta/Tp＞1。
22.如权利要求20所述的方法，其中所形成的金属合金材料的熔点温度高于所述设备被规定使用的最高应用温度(Ta)，所述应用温度(Ta)是至少400℃，且Ta/Tp＞1。
23.如权利要求21或22所述的方法，其中Ta/Tp＞2。
24.如权利要求23所述的方法，其中所述第一金属是Ag且所述第二金属是In。
25.如权利要求20所述的方法，其中所述第一金属是Ag、Cu和Au中的一种，且所述第二金属是In、Sn和Ga中的一种。
26.如权利要求20所述的方法，其中所述设备包括电子设备。
27.如权利要求20所述的方法，其中所述第一部件包括板、衬底和电子部件中的一种，且所述第二部件包括电子部件。
28.一种用于形成金属合金焊接材料的前体材料，所述前体材料包括与粘合剂材料结合的金属颗粒，所述金属颗粒包括具有第一熔点温度的第一金属和具有第二熔点温度的第二金属，其中所述第一金属和所述第二金属中的至少一种包括片状颗粒，所述第一熔点温度高于所述第二熔点温度，其中所述金属颗粒具有不大于50微米的尺寸，并且其中由所述前体材料形成的金属合金焊接材料：
(A)具有高于所述第二熔点温度且低于所述第一熔点温度的熔点温度(Tm)；且
(B)在至少500℃的温度下维持稳定性和结合完整性。
29.如权利要求28所述的前体材料，其中所述金属颗粒具有不大于1微米的尺寸。
30.如权利要求28所述的前体材料，其中所述前体材料中的粘合剂材料的量是所述前体材料重量的5％到15％。
31.如权利要求30所述的前体材料，其中所述粘合剂材料包括熔剂材料。
32.如权利要求28所述的前体材料，其中所述前体材料中的所述第一金属的量是所述前体材料内的所述金属颗粒总重量的30％到95％。
33.如权利要求32所述的前体材料，其中所述第一金属是Ag、Cu和Au中的一种。
34.如权利要求33所述的前体材料，其中所述第二金属是In、Sn和Ga中的一种。
35.如权利要求28所述的前体材料，其中所述前体材料包括所述前体材料内的所述金属颗粒重量的75％的量的Ag和所述前体材料内的所述金属颗粒重量的25％的量的In。
36.一种焊接材料，其包括由多种金属形成的金属合金，所述多种金属包括具有第一熔点温度的第一金属和具有第二熔点温度的第二金属，其中所述第一金属和所述第二金属中的至少一种包括片状颗粒，所述第一熔点温度高于所述第二熔点温度，其中所述金属合金通过将所述第一金属的颗粒与所述第二金属的颗粒结合并将所述金属颗粒加热至工艺温度以形成所述金属合金来形成，其中所述金属合金具有高于所述第二熔点温度和所述工艺温度的熔点温度，并且其中由所述多种金属形成的所述金属合金在至少500℃的温度下维持稳定性和结合完整性。
37.如权利要求36所述的焊接材料，其中所述第一金属在所述焊接材料中的量是所述焊接材料总重量的30％到95％。
38.如权利要求36所述的焊接材料，其中所述第一金属是Ag、Cu和Au中的一种。
39.如权利要求38所述的焊接材料，其中所述第二金属是In、Sn和Ga中的一种。
40.如权利要求36所述的焊接材料，其中所述第一金属是Ag且所述第二金属是In。
41.如权利要求40所述的焊接材料，其中Ag在所述焊接材料中是所述焊接材料重量的75％的量，且In在所述焊接材料中是所述焊接材料重量的25％的量。
42.如权利要求36所述的焊接材料，其中所述金属合金的熔点是至少250℃。
43.一种设备，其包括用权利要求36所述的焊接材料结合到第二部件的第一部件。
44.如权利要求43所述的设备，其中所述第一金属是Ag、Cu和Au中的一种，且所述第二金属是In、Sn和Ga中的一种。
45.如权利要求43所述的设备，其中所述第一金属是Ag且所述第二金属是In。
46.如权利要求43所述的设备，其中所述设备包括电子设备。
47.如权利要求43所述的设备，其中所述第一部件包括板、衬底和电子部件中的一种，且所述第二部件包括电子部件。
48.如权利要求47所述的设备，其中用于所述第一部件和所述第二部件中的至少一种的所述电子部件包括半导体芯片。
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