CN1558960A - 用于高温无铅焊料的改良的组成物、方法和装置 - Google Patents

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Abstract

一种无铅焊料包括分别含有约2wt％至约18wt％、约98wt％至约82wt％的银和铋的合金。期待的合金进一步包括锌、镍、锗或上述元素组合中的至少一种，含量可达到约1000ppm(最好约500ppm)且期待的合金具有不低于约262.5℃的固相线和不高于约400℃的液相线。期待的合金可进一步包括所具有的氧亲和力高于至少一种合金成分的氧亲和力的化学元素，且期待的元素特别是磷和锗。

Description

用于高温无铅焊料的改良的组成物、方法和装置
技术领域
本发明的领域是无铅焊料和焊料材料。
背景技术
多种已知的管芯连接方法利用高含铅量的焊料或焊料材料将集成电路内的半导体管芯连接至引线框架用于机械连接并在管芯和引线框架之间提供导热性和导电性。尽管绝大多数高含铅量的焊料相对便宜且显示出不同的所希望的物化性质，但是从环境健康和职业健康角度来说，在管芯连接和其它焊料中使用铅已受到更加严格的审查。因此，已采取多种方法用无铅管芯连接组成物取代含铅焊料。
例如，如在美国专利No.5,150,195；5,195,299；5,250,600；5,399,907和5,386,000所描述的一种方法中，聚合物粘结剂(例如环氧树脂或氰酸酯(cyanate ester)树脂)被用来将管芯连接到基底上。聚合物粘结剂通常在200℃以下在相对较短时间内发生固化，且在固化后甚至可以保持结构柔度，以在柔性基底上进行集成电路的管芯连接，如美国专利No.5,612,403所述。然而，许多聚合物粘结剂有产生树脂渗出的趋势，潜在地导致不希望有的管芯与基底电接触的减少。
为了防止发生至少一些与树脂渗出相关的问题，可使用含硅氧烷的管芯连接粘结剂，如Mitani等在美国专利No.5,982,041所述。虽然这种粘结剂有助于改善导线的粘结，以及在树脂密封材料与半导体晶片、基底、包壳和/或引线框架之间的粘结性能，但是至少用于其中一些粘结剂的这种固化过程要求有高能辐射源，这样可能大大增加管芯连接方法的成本。
另一种选择是，可使用一种含有高含铅量的硼硅玻璃的玻璃糊剂，如Dietz等在美国专利No.4,459,166所述。由此通常可避免高能固化步骤。然而，许多种含有高含铅量的硼硅玻璃的玻璃糊剂要求温度达到425℃甚至更高，以永久地将管芯粘结到基底上。此外，在加热和冷却过程中，玻璃糊剂常常趋向于结晶，由此降低了粘结层的附着性。
在另一种方法中，使用不同的高熔点焊料将管芯连接到基底或引线框架。将管芯焊接到基底上具有多种优点，包括工艺相对简单、不使用溶剂、和在一些情况下成本相对较低。现有技术中有多种高熔点焊料。然而，它们中的全部或绝大多数都具有一个或多个缺点。例如：绝大多数与金共晶的合金(例如：Au-20％Sn，Au-3％Si，Au-12％Ge和Au-25％Sb)相对较贵且力学性质常常低于理想值。另一种选择是，合金J(Ag-10％Sb-65％Sn，参见例如Olsen等的美国专利No.4,170,472)可被用于多种高熔点焊料用途。然而，合金J具有228℃的固相线且也受到相对较差的力学性质的不利影响。
尽管现有技术中已知多种不同的方法和组成物适用于焊料和管芯连接组成物，但它们中的全部或几乎全部都具有一个或多个缺点。因此，依然需要提供用于焊料，特别是无铅焊料的改良组成物和方法。
发明内容
在此公开的主题指向方法、组成物和装置，包括含有Ag和Bi的合金的焊料，其中Ag的含量为约2wt％(重量百分比)-18wt％；Bi的含量为98wt％(重量百分比)-82wt％。期待的焊料具有不低于约262.5℃的固相线和不高于约400℃的液相线。期待的焊料和/或焊料材料也可含有锌、镍、锗或上述元素组合中的至少一种，含量从约10ppm至约1000ppm。
在发明主题的一个方面中，合金中存在的银含量为约2wt％至约7wt％且铋含量为约98wt％至约93wt％，或者合金中存在的银含量为约7wt％至约18wt％且铋含量为约93wt％至约82wt％，或者合金中存在的银含量为约5wt％至约9wt％且铋含量为约95wt％至约91wt％。期待的组成物进一步可以包括所具有的氧亲和力高于至少一种合金主要组分的氧亲和力的化学元素，优选的元素包括Al、Ba、Ca、Ce、Cs、Hf、Li、Mg、Nd、Sc、Sr、P、Ti、Y、Ge和Zr，且期待的元素特别是磷和锗。期待元素的浓度范围通常为约10ppm至约1000ppm。也可期待其它备选的浓度范围。
在发明主题的另一个方面中，期待的焊料的导热系数至少为9W/mK，且显示出浸润多种基底，包括那些含Cu、Ag、Ni和Au的基底，的润湿力在达到湿度平衡1秒后约为0.2μN/mm。期待的组成物可被成形为多种形状，包括线材、带状物、粗加工的成品、球体或铸锭。
在另一个方面中，期待的组成物包括Bi(85wt％-98wt％)和Ag(2wt％-15wt％)，以及锌、镍、锗或上述元素组合中的至少一种，含量从约10ppm至约1000ppm。这种组成物可进一步包括磷，浓度范围通常为约10ppm至约500ppm。期待的组成物的一个实例包括合金，其中Bi含量为约89wt％、Ag含量为约11wt％、以及锌、镍、锗或上述元素组合中的至少一种，含量约为500ppm(可有选择地加入磷至最高为250ppm)，其中与不含锌、镍、锗、磷和/或上述元素组合中的相似组成物相比，这些组成物至少对Cu和Ni具有改进的湿润性。
在发明主题的另一个方面中，一种包含有通过期待的组成物连接到表面的半导体管芯的电子装置，其中特定的期待的半导体管芯包括硅、锗和砷化镓管芯。进一步期待：可使用银金属化管芯的至少一部分或这些装置表面的一部分。在特别优选的方面，该表面含有被银金属化的引线框架。另一方面，期待的焊料以在半导体管芯上的多个突点的形式被用在区域阵列(Area array)电子封装中，以起到在管芯和或封装基底(通常被叫做倒装晶片)，或印刷线路板(通常被叫做板上芯片)之间电互联的作用。另一种选择是，期待的焊料可以多个焊球的形式用于将封装件与基底(通常所说的带有在该主题上的多种变型的球栅阵列)相连接，或将管芯与或是基底，或是印刷线路板相连接。
在发明主题的另一个方面中，一种生产焊料组成物的方法具有一个步骤，其中分别按照98wt％-82wt％和2wt％-18wt％的量提供铋和银，其中存在锌、镍、锗或上述元素组合中的至少一种，含量最高达到约1000ppm。在另一步骤中，将银、铋和锌、镍、锗或上述元素组合中的至少一种在温度至少为约960℃条件下熔化，以形成具有不低于约262.5℃的固相线和不高于约400℃的液相线的合金。期待的方法进一步包括有选择地添加所具有的氧亲和力高于合金的氧亲和力的化学元素。
通过以下对本发明的优选实施例的详细描述并结合附图，本发明的各种目的、特征、方面和优点将更加显而易见。
附图说明
图1是Ag-Bi相图；
图2是一种典型的Ag-Bi合金的电镜照片；
图3是Ge-Ni相图；
图4是说明Ag-Bi合金的导热系数随Ag含量变化的曲线图；
图5A和5B是说明期待合金在不同基底上的润湿力的曲线图；
图6是示出计算得出的不同合金接触角的表；
图7是期待合金在具有不同浓度Ge的镀Ni引线框架上的典型润湿行为的照片；
图8是期待电子装置的垂直横截面示意图；
图9A和9B是使用典型合金与引线框架相连接的管芯的照片/扫描声学显微镜(SAM)的显微照片；
图10A是Ni-Bi相图；
图10B是含有Ni和Bi的特定典型合金的电镜照片；
图11A和11B是示出清除全部Ag的基底的电镜照片；
图12是汇总了各种合金的各种物理性能的表。
具体实施方式
已经发现在其它所希望的性能中，期待的组成物可有利地在各种管芯连接应用中近似混入地替换(near drop-in replacement)高含铅量的焊料。特别是，期待的组成物是具有不低于约260℃的固相线(最好不低于约262.5℃)和不高于约400℃的液相线的无铅合金。期待的方法和组成物的不同方面在正在审查的PCT申请PCT/US01/17491中披露，在此整体被引用。
一组期待的组成物包括可被用作焊料且包含约2wt％至约18wt％的银和约98wt％至约82wt％的铋的二元合金。图1示出了Ag-Bi相图。在此期待的组成物可按照以下步骤制备，即a)提供适当称重量(见上)的纯金属装料；b)在耐火材料或耐热容器(例如石墨坩埚)中在真空或惰性气氛(例如氮或氦)中约960℃-1000℃之间加热金属材料，直至形成液体溶液；c)在该温度条件下搅拌金属材料一段时间，以确保两种金属材料完全混合和熔融。锌、镍、锗或上述元素组合中的至少一种可被加入到装料或熔融材料中，掺杂量最高达约1000ppm，最好达到约500ppm。
然后快速将该熔融混合物或熔料倒入铸模中，通过冷却至环境温度使其凝固，并使用传统的挤出技术，其包括将金属坯加热至接近190℃，生产出线材；或通过一种工艺，即将矩形板坯首先在约225-250℃之间退火，然后在相同温度条件下热轧，生产出带状物。另一种选择是，带状物可被挤出，随后再被轧制成较薄尺寸。只要在将混合物倒入铸模中之前除去形成的熔渣，那么也可在空气下进行熔融步骤。图2示出一张电镜照片，其中Ag-Bi合金看来要形成一种亚共晶合金，其中主要成分(银)被细的共晶结构所包围。从电镜照片中可以看到，在材料中仅有很小的互溶度，由此产生比金属铋延性更好的材料。
在另一个实施例中，特别是需要较高的液相线温度时，期待的组成物可包括合金中存在含量为约7wt％至约18wt％的银和含量为约93wt％至约82wt％的铋。另一方面，在需要相对较低的液相线温度时，期待的组成物可包括合金中存在含量为约2wt％至约7wt％的银和含量为约98wt％至约93wt％的铋。然而，通常在绝大多数管芯连接应用中，期待的组成物可包括合金中存在含量为约5wt％至约12wt％的银和含量为约95wt％至约89wt％的铋。对于这些实施例，典型合金可具有的成分为铋约89wt％、银约11wt％。
在这一点上应理解，除非被指出，否则在说明书和权利要求书中所使用的表示组分、成分、反应条件等等的数字应被理解为在一切情况下由于所用术语“约”而可被更改。因此除非与此相反地指明，在说明书和所附权利要求中列出的数字参数均为可根据在此的主题寻求得到的所需性质而变化的近似值。一点都不是企图限制与权利要求等效的原则的应用，每一数字参数至少应根据报导的重要数字的数量和通过采用普通的舍入技术进行解释。尽管列出在此存在的主题的较宽范围的数字范围和参数是近似值，但是在具体实例中列出的数值应尽可能准确。然而任何数值都包括由于在它们各自测试测量过程中存在的标准偏差而产生的内在误差。
应该特别意识到期待的组成物可被用作基本上也没有Sn的无铅焊料，而在已知的无铅焊料中Sn是普通和主要的成分。此外，通常期待特别合适的组成物是二元合金。还应该意识到备选组成物可包括三元、四元和更多元的合金。
特别合适的备选组成物可以包括一种或多种所具有的氧亲和力高于至少一种合金主要组分(无该化学元素)的氧亲和力的化学元素。特别是期待的化学元素包括Al、Ba、Ca、Ce、Cs、Hf、Li、Mg、Nd、P、Sc、Sr、Ti、Y、Ge和Zr，且进一步期待这些元素在合金中的浓度范围通常在约10ppm(更少)至约1000ppm(更高)之间。虽然不希望一定要特定的理论或机理，但是期待比合金具有较高氧亲和力的元素减少了已知增加熔料或熔融焊料表面张力的金属氧化物的形成，并由此显著增强了焊料的润湿能力。
此外，特别地期待磷(P)可单独地或与其它金属(例如锗(Ge))一起加入以改善润湿能力。虽然不希望一定要特定的理论或假说，期待磷可起到助熔剂的作用，且磷的添加或磷与其他金属的协同效应可进一步提高对至少一些基底(例如如下含有Ag的基底)的润湿性能。在这方面，可加入与镍、铜、金、银或上述元素的组合形成金属间组合物或化合物的化学元素。
还可以加入一种或多种金属以改善无铅焊料的热机械性能(例如导热系数、热膨胀系数、硬度、接合范围(paste range)、可延展性、对镀有不同金属的基底的可湿性)。期待的金属材料包括铟、锡、锑、锌和镍。然而，不在前述金属范围内的其它金属材料也适用于本发明的教导，前提是只要这些金属材料可改善至少一项热机械性能。因此，进一步期望的金属材料包括铜、金、锗和砷。
因此，特别期望的合金可包括约2wt％至约18wt％的Ag、约98wt％至约82wt％的Bi和最多达5.0wt％，且更典型的是根据特定的热机械性能，在约10ppm至约1000ppm范围内的第三元素。典型的期望的第三元素包括Au、Cu、Pt、Sb、In、Sn、Ni和/或Zn中的至少一种，且特别期望的第三元素包括锌、镍、锗和/或上述元素组合中的至少一种。
当第三元素包括锌、镍、锗(Ge)或上述元素组合中的至少一种时，期待在优选合金中存在锌、镍、锗或上述元素组合中的至少一种，含量范围在约10ppm和约1000ppm之间，通常在约200ppm和约700ppm之间的范围内，浓度最好为约500ppm。注意到锌、镍、锗或上述元素组合中的至少一种的加入改善了对镀有不同金属，特别包括铜和镍的基底或未镀的裸金属例如引线框架基底的可湿性，其中锌、镍、锗或上述元素组合中的至少一种的添加量在约10ppm至约1000ppm之间。虽然不希望一定要特定的理论，但是期待锌、镍、锗或上述元素组合中的至少一种可有利地与Ni形成金属间组合物，或通过优先氧化而减少氧化膜，由此有助于增大润湿力。Ge-Ni相图如图3所示，说明各种Ni-Ge金属间组合物和部分Ge-Ni固溶体的潜能。此外期待可发生锗的表面优先氧化。基于这些讨论，期待的组成物包括一种合金，含有(或组成)约89wt％的Bi、约11wt％的Ag、以及锌、镍、锗或上述元素组合中的至少一种，含量范围在约10ppm和约1000ppm之间，最好为约500ppm。该期待的合金可进一步包括高达约1000ppm，通常为约200ppm的磷。此外，应该注意到在期待的组成物中添加约10ppm至约1000ppm的Ge将不会显著降低这种组成物的固相线。而优选的合金含有约10ppm至约1000ppm的Ge，还应该注意到Ge还可以作为搀杂物存在，浓度在约10ppm和约1ppm(甚至更少)之间，或作为合金成分存在，浓度在约1000ppm和约5wt％之间甚至更高(例如在5wt％和7wt％之间，或在7wt％和10wt％之间甚至更高)。
因此，根据第三元素(锌、镍、锗或上述元素组合中的至少一种)的浓度/含量，应该注意到这种合金具有不低于约230℃，最好不低于约248℃且最佳不低于约258℃的固相线和不高于约400℃的液相线。特别是这种合金的期待用途包括管芯连接应用(例如将半导体管芯连接至基底)。因此，期待电子装置将包含通过含有期待三元(或更多元)合金的组成物连接到表面上的半导体管芯。对于期待三元合金的生产，相同的考虑同上。通常期待一种或多种第三元素被适量加入到二元合金或二元合金成分中。
还应该意识到只要当合金所有成分基本上熔融(即每一成分的至少95％)，就可按照任何顺序添加化学元素或金属以改善了一种或多种物化或热机械性能。期待添加顺序不受发明主题的限制。相似地，应该意识到虽然期待在熔化步骤前银和铋已经混合好，还可以期待银和铋单独进行熔化，随后混合熔融的银和熔融的铋。可加入至银的熔点之上的温度条件下的更长的加热步骤，以确保成分基本上完全熔化和混合。应该特别意识到当加入一种或多种其他元素时，期待合金的固相线可降低。由此含有这些合金成分的期待的合金可具有约260-255℃范围内、255-250℃范围内、250-245℃范围内、245-235℃范围内和甚至更低范围内的固相线。
当添加其他元素，且特别是添加锌、镍、锗或上述元素组合中的至少一种时，期待可以任何适当的形式(例如：粉末、细粒或小片)添加锌、镍、锗或上述元素组合中的至少一种至足够量以具有所需浓度的锌、镍、锗或上述元素组合中的至少一种，且第三元素的添加可在熔化Bi和Ag之前、之中或之后进行。
关于期待合金的导热系数，期待在此公开的组成物的导热系数不小于约5W/mK、不小于约9W/mK更好且不小于约15W/mK最佳。使用激光闪光法对一些期待合金进行导热性分析说明导热系数至少为9W/mK，如图4所示。进一步期待适当的组成物(如含有约500ppm Ge的Bi-11Ag)包括一种对Ag、Ni、Au或Cu具有在达到湿度平衡1秒后润湿力的数值范围在约125micro-N/mm和约235micro-N/mm之间的焊料(参见如图5A和5B中期待合金在不同基底上的润湿力的测试结果的曲线图)。改善的可湿性也反应在图6示出的计算得出的合金接触角(空气、含水助熔剂)上。此外，在N2/H2条件下期待合金被应用于镀Ni的引线框架上，且Bi-11Ag-xGe(x＝0，10和500ppm)的结果如图7所示，其中上边系列样品处于中等偏低的pO2含量，而下边系列样品处于较低的pO2含量。
进一步期待：期待组成物的特定形状对于本发明的主题来说并不是关键的。然而，期待组成物最好形成线形、带状或球形(焊球)。
在其他用途中，期待组成物(如呈线形)可被用于将第一材料粘结到第二材料上。例如，期待组成物(和含有期待组成物的材料)可被用于电子装置中将半导体管芯(如硅、锗或砷化镓管芯)粘结到如图8所示的引线框架上。在此，电子装置100包括使用银层112金属化的引线框架110。第二银层122设置与半导体管芯120上(如通过背侧银的金属化)。该管芯与该引线框架通过它们各自的银层被期待组成物1 3 0(在此例如含有约2wt％至约18wt％的银和约98wt％至约82wt％的铋的合金的焊料，其中该合金具有不低于约262.5℃的固相线和不高于约400℃的液相线)相互连接。在最佳的管芯连接过程中，期待组成物被加热至特定合金液相线上约40℃ 15秒，最好不高于约430℃不超过30秒。可在还原性气氛(例如氢或合成气体)中进行焊接。使用含有期待合金的焊料线对如图9A(照片)和图9B(扫描声学显微镜(SAM)的显微照片)所示的镀Ni引线框架和半导体管芯进行管芯连接实验。
在其他备选方面，期待在此公开的组合物可被用于管芯连接用途外的多种焊接过程。事实上，期待组成物可对于所有的或几乎所有的分级钎焊用途均特别有用，在分级钎焊过程中，在低于期待组成物的熔化温度的条件下进行随后的焊接步骤。此外，在高含铅量的焊料需要被无铅焊料所取代，且固相线温度最好高于约260℃时，在应用过程中期待组成物可被用作焊料。特别优选的其它用途包括在热交换器中作为非熔化的支座球体(standoff sphere)或电/热互连的连接部件中使用期待组成物。
实例
由于不同材料的热膨胀系数存在差异，因此焊点会常常承受剪切载荷。因此，特别希望连接这些材料的合金具有较小的剪切模量，由此具有较好的热机械抗疲劳性。例如，在管芯连接应用中，特别是当相对较大的管芯与载体相连接时，小剪切模量和较好的热机械抗疲劳性有助于防止管芯开裂。
基于已知的纯金属弹性模量、Ag和Bi显示出部分固相互溶的事实以及Ag-Bi体系不含金属间相或中间相的事实，已经计算出的期待的Ag-Bi合金的室温剪切模量在约13-16Gpa的范围内(假设室温剪切模量具有加和性，即服从混合物定律)。与Au-25％Sb和Au-20％Sn合金的25Gpa(使用相同方法进行计算并作出相同假设)以及合金J(Ag-10％Sb-65％Sn)的21Gpa，合金J的测量值为22.3Gpa相比，期待合金的室温剪切模量在约13-16Gpa的范围内特别有利。进一步的实验证实了前面的计算并确定了以下合金的剪切模量：Bi-11Ag＝13.28Gpa；Bi-9Ag＝13.24Gpa；Au-20Sn＝21.26Gpa；Sn-25sb-10Ag(合金J)＝21.72Gpa；和Pb-5Sn＝9.34Gpa。更进一步的实验(数据未示出)表明Bi-11Ag和Pb-5Sn的剪切模量是可比的。
其它力学性质如表1所示，表1总结了焊条的液相线、极限抗拉强度和延展性(％延伸率)等数据：
合金             液相线       极限抗拉强度      延展性
Pb-5Sn            315            25.4            38.0
Pb-2.5Ag-2Sn      296            31.5            22.0
Sn-8.5Sb          246            52.4            55.0
Bi-11Ag           360            59.0            34.6
Bi-11Ag-0.05Ge        360            69.7         19.1
Sn-25Ag-10Sb          395            109.4        10.4
                           表1
还进行多项实验以确定期待合金中第三金属(在本例中为Ge)的适当浓度，以改善这种合金对镀有不同金属包括Ag、Ni、Au和Cu的基底的可湿性，如表2所示(所有数据的单位为μN/mm；在镀Cu的基底中加入100ppm的磷，在镀有其它金属的基底中加入1000ppm的磷)：
        5000ppm  2000ppm  1000ppm  500ppm  500ppm   Bi-9Ag  Bi-9Ag+
           Ge      Ge       Ge       Ge      Ge+               P
                                            200ppm P
精练Cu    200      200      200      200    200      100      150
镀Ni      125      100      125      125    150      50       110
镀Ag      225      235      N/A      225    235      215      225
镀Au      225      235      N/A      235    245      230      250
                            表2
类似地，得到添加和未添加500ppm Ge的Bi-11Ag的数据，且结果如表3所示：
                  500ppm Ge            Bi-11Ag
精练Cu                185                165
镀Ni                  125                65
镀Ag                  225                215
镀Au                  235                230
                       表3
因此，向Bi-11Ag中添加Ge增加了最大润湿力(μN/mm)，如表4所示；
            Bi-11Ag            加P         加Ge
精练Cu       ～90             ～125        ～200
镀Ni         ～50             ～110        ～125
                         表4
虽然计划添加锗以增大润湿力，但是也应该意识到多种备选金属(特别是镍、锌和/或以上的组合，带有或不带有锗)也可考虑适用于此，且特别期待的元素包括那些可以与焊接在合金上的金属形成金属间组合物的元素。
由使用Ag-89％Bi合金焊接到引线框架上的硅管芯构成的试件组在经过1500热时效周期后并未示出可见的失效信号，这进一步支持了所计算出的和所观察到的期待的Ag-Bi合金具有低剪切模量。在进一步的实验中，期待的合金被焊接到镀Ni的基底上。如可从图10A所示的Ni-Bi合金相图中预期，金属间组合物可在Ni-焊料合金的界面上形成，如图10B所示。类似地，期待的合金被焊接到镀Ag的基底上，且在图11A和图11b中所示的条件下可观察到银去除的情况。
使用不同样品进行结合强度的测量，且测试结果和样品的平均值如下表5所示(MIL-STD-883E方法2019.5要求力的最小值为2.5kg或其倍数)：
编号       管芯尺寸(平方  剪切强度(千  备注
              厘米)           克)
1             0.2025        25.0        粘结失效
2             0.2025        53.7        管芯被削去
3             0.2025        29.0        粘结失效
4             0.2025        24.6        管芯依然完整
5             0.2025        32.6        管芯依然完整
6             0.2025        22.0
7             0.2025        32.6
8             0.2025        69.5
9             0.2025        28.2
10            0.2025        20.7
11            0.2025            14.1
12            0.2025            18.9
平均值        0.2025            30.9
                        表5
在图12中总结了期待的合金(和对比合金)的一些物理性质和成本，数据清楚地表明期待的合金的全部优点。
在试件组和其它不同的管芯连接应用中，焊料通常被制成位于管芯和要对其进行焊接的基底之间的薄板进行焊接。随后的加热将焊料熔化并形成焊点。另一种选择是，可在将焊料以薄板、线材、熔化的焊料或其它形式放置在受热基底上以在半导体管芯被放置以形成焊点的地方产生焊料液滴后，加热基底。
对于区域阵列封装，期待的焊料可以球体、小型初加工制品、由焊料粉末制成的焊膏或其它形式被放置，以形成多个通常用于本用途的焊点。另一种选择是，在以下过程中可以使用期待的焊料，这些过程包括在电镀槽中的电镀过程、从固体和液体中的蒸发过程、从喷嘴象喷墨打印机一样的印刷过程或用以产生一列用于形成焊点的焊料突点的溅射过程。
在期待的方法中，或使用焊剂或使用焊膏(在液体载体中的焊料粉末)将球体放置在封装件上的焊点上，以在适当的位置保持球体直至其被加热而焊接到封装件上。温度或是使焊料球体熔化的温度，当使用低熔点成分的焊膏时，或是低于焊料熔点的温度。然后或使用焊剂或使用焊膏，将带有连接的焊料球的封装件在基底上排成区域阵列并加热形成焊接点。
一种将半导体管芯连接到封装件或印刷线路板的优选方法，包括通过将焊膏透印过掩模，将焊料蒸发出掩模或将焊料镀在导电焊点的阵列上，形成焊料突点。使用这种技术形成的该突点或立柱可以或具有均匀地成分，当被加热形成接点时，以使整个突点或立柱熔化；或在垂直于半导体管芯表面的方向上可以是不均匀的，以使仅一部分突点或立柱熔化。
至此，已披露了无铅焊料的具体实施例和应用。然而对于那些本领域的普通技术人员来说，明显的是除了所述的改动外，在不偏离本发明思想的情况下，可对本发明进行更多的修改。因此，本发明主题内容除了受后续权利要求书的精神的限制外，不受其它的限制。此外，在解释说明书和权利要求时，所有用语应被理解成与上下文一致的最广阔的可能方式。特别是，术语“包括”和“含有”应被理解为以非排他的方式涉及部件、成分或步骤，意思是说被引用的部件、成分或步骤可存在，或被使用或与其它并未明确引用的部件、成分或步骤组合。

Claims (25)

1、一种组成物包括：
包含约2wt％至约18wt％的Ag、约98wt％至约82wt％的Bi、以及锌、镍、锗或上述元素组合中的至少一种，其含量最高达到约1000ppm的合金的焊料，其中该合金具有不低于约262.5℃的固相线和不高于约400℃的液相线。
2、根据权利要求1所述的组成物，其中合金中存在的银含量为约7wt％至约18wt％且铋含量为约93wt％至约82wt％。
3、根据权利要求1所述的组成物，其中合金中存在的Ag含量为约11wt％且Bi含量为约89wt％。
4、根据权利要求1所述的组成物，其中存在锌、镍、锗或上述元素组合中的至少一种，其含量约为500ppm。
5、根据权利要求1所述的组成物，其中焊料的导热系数不小于约9W/mK。
6、根据权利要求1所述的组成物，其中焊料具有在达到湿度平衡1秒后约为0.2μN/mm大小的润湿力以润湿Ag、Ni、Au或Cu。
7、根据权利要求1所述的组成物，进一步包括所具有的氧亲和力高于合金的至少一种主要组分的氧亲和力的化学元素。
8、根据权利要求7所述的组成物，其中该化学元素是磷。
9、根据权利要求8所述的组成物，其中该化学元素的存在浓度在约10ppm和约1000ppm之间。
10、根据权利要求1所述的组成物，其中该合金被成形为线材、带状物、粗加工的成品、阳极、球体、糊状物和蒸发金属块中的至少一种。
11、根据权利要求1所述的组成物，进一步包括与镍、铜、金、银或上述元素的组合形成金属间组合物或化合物的化学元素。
12、根据权利要求11所述的组成物，其中该化学元素是磷或锗。
13、根据权利要求12所述的组成物，其中该化学元素的存在浓度在约10ppm和约1000ppm之间。
14、一种电子装置包括通过含有根据权利要求1所述的组成物的材料连接到表面上的半导体管芯。
15、根据权利要求14所述的电子装置，其中半导体管芯的至少一部分被Ag金属化。
16、根据权利要求14所述的电子装置，其中表面的至少一部分被Ag、Cu、Ni或Au金属化。
17、根据权利要求14所述的电子装置，其中该表面包括用银金属化的或用镍金属化的引线框架。
18、一种生产焊料组成物的方法，包括：
提供Ag、Bi，和锌、镍、锗或上述元素组合中的至少一种，其中存在的Ag含量为Ag和Bi总重的约2wt％至约18wt％、铋含量为Ag和Bi总重的约98wt％至约82wt％，以及锌、镍、锗或上述元素组合中的至少一种，其含量最高达到约1000ppm；和
将Ag和Bi在温度至少为约960℃条件下熔化，以形成具有不低于约262.5℃的固相线和不高于约400℃的液相线的合金。
19、根据权利要求18所述的方法，其中熔化Ag和Bi这一步在混合Ag和Bi这一步之前进行。
20、根据权利要求18所述的方法，进一步包括加入所具有的氧亲和力高于合金的氧亲和力的化学元素。
21、根据权利要求18所述的方法，其中存在的银含量为约7wt％至约18wt％且铋含量为约98wt％至约82wt％。
22、根据权利要求18所述的方法，其中存在锌、镍、锗或上述元素组合中的至少一种，其含量约为500ppm。
23、一种包含约2wt％至约18wt％的Ag、约98wt％至约82wt％的Bi、以及锌、镍、锗或上述元素组合中的至少一种，其含量最高达到约1000ppm的合金的焊料，其中该合金具有不低于约262.5℃的固相线和不高于约400℃的液相线。
24、根据权利要求23所述的焊料，其中存在锌、镍、锗或上述元素组合中的至少一种，其含量约为500ppm。
25、根据权利要求23或24所述的焊料，进一步包括磷，其含量最高达到约1000ppm。
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