CN1642393A - 电子器件和形成电子器件的方法 - Google Patents

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Abstract

公开了形成电子器件的方法。该方法包括(a)提供基板和待连接至基板的元件，其中该元件选自电子元件，光学元件，器件盖，和它们的组合；(b)将焊料膏施加至该基板和/或元件，其中该焊料膏包含载体和含有金属颗粒的金属部分；和(c)使基板和元件互相接触。该焊料膏具有比该焊料膏熔化且该熔体再次凝固后所得的固相线温度低的固相线温度。同时提供了可以通过本发明的方法形成的电子器件。可以在电子工业中的密封电子器件封装中得到具体的应用，例如，由半导体晶片形成的密封光电子器件封装。

Description

电子器件和形成电子器件的方法
相关申请的相互引用
本申请要求2003年12月22日提交的美国临时申请No.60/532,265的根据35U.S.C§119(e)的权利，这里引用其全部内容作为参考。
技术领域
本发明大体上涉及形成电子器件的方法和可以通过该方法形成的电子器件。更具体地，本发明涉及使用具有降低的固相线温度的焊料膏形成电子器件的方法，和包含这种焊料膏的电子器件。可以在电子工业中的密闭电子器件封装中得到具体的应用，例如，由半导体晶片形成的密闭光电子器件封装。
背景技术
已提出了使用容纳一个或多个电子，光电子，和/或光学元件的密封(hermetically sealed)电子封装。例如，美国专利公开No.2003/0123816公开了密封光学器件封装，该封装具有在其上表面容纳有光信号载体即光纤短线(stub)，光学半导体元件，和介于光纤和该光学半导体元件之间的其它可选元件(例如透镜，滤光器，调制器等)。将一个框架结合到基板的上表面以致使该框架的开口位于该元件和至少一部分光纤之上。将一个盖结合至该框架形成一个外壳，从而与该盖一起形成将元件密封在外壳中的封盖结构。
密封封装为封入的器件提供了容纳和保护，该器件典型对环境条件敏感。在这点上，大气污染物如潮湿，灰尘和自由离子会引起一个或多个元件在工作中发生劣化。封装中的光电和光学元件的光学输入/输出表面对污染物尤为敏感，而该封装的金属表面对腐蚀敏感。这些影响都会引起可靠性问题。因此希望封装的密封可以阻止与外界气氛的接触。
将封盖固定到基板之前，典型通过焊接首先将封装的元件连接到基板上。这要求建立一定的结合层次以便使先前结合的元件通常不会在连接其它元件或处理期间受到随后热处理的不利影响。例如，当通过焊接将元件连接至基板，在随后的处理期间不应接近该焊料的固相线温度以防止该焊料连接的软化和劣化。然而，使用低熔点的焊料难以制造可靠的焊接连接，因为它们常常会在该电子元件的工作期间发生疲劳或变形(例如蠕变)，从而导致降低的可靠性。因此该结合层次严重限制了可以在连接电子器件的元件中使用的材料的类型。
使用焊料材料的又一个限制涉及近期受环境因素驱动的无铅的要求，这提高了消除电子工业中所使用的含铅材料的要求，例如共晶锡-铅合金。遗憾的是，含铅材料最好的替代材料相对共晶锡-铅具有更高的固相线温度。目前，考虑使用Sn/Ag3.0/Cu0.5焊料膏作为共晶Sn/Pb替代材料。然而遗憾的是，Sn/Ag3.0/Cu0.5的固相线温度约为217℃，这比共晶Sn/Pb的固相线温度高34℃。这种合金所需要的增加的热激增(excursion)会导致电子元件的过早失效。因此，存在寻找含铅合金的合适替代材料的需求，该替代材料具有相对低的固相线温度。
在光电子器件密封中使用的另一种重要合金是80∶20比例的SnAu，该合金具有280℃的固相线温度。通常在高真空下通过蒸发技术施用这种合金，虽然也可以通过电镀技术对其进行应用。当使用这种材料来密封密封的封装时，必需使用具有更高固相线温度的材料来连接其中的器件。正如使用Sn/Ag3.0/Cu0.5代替共晶Sn/Pb时，这种高温会对该封装内的器件产生不利的影响。因此，在本领域中存在对通常具有相对低的固相线温度的连接材料的需求。
本发明的方法和元件可防止或显著改善上面所述关于现有技术的问题中的一个或多个。
发明内容
依照第一个方面，本发明提供了形成电子器件的方法。该方法包括：(a)提供基板和待连接至基板的元件，其中该元件选自电子元件，光学元件，器件盖，和它们的组合；(b)将焊料膏施加至该基板和/或元件，其中该焊料膏包含载体和含有金属颗粒的金属部分；和(c)使基板和元件互相接触。该焊料膏具有比该焊料膏熔化且该熔体再次凝固后所得的固相线温度低的固相线温度。
依照另一个方面，本发明提供了电子器件。该器件包括基板和该基板表面上的元件。该元件选自电子元件，光学元件，器件盖，和它们的组合。提供与该基板和元件接触的焊料膏。该焊料膏包含载体和含有金属颗粒的金属部分。该焊料膏具有比该焊料膏熔化且该熔体再次凝固后所得的固相线温度低的固相线温度。
参照下列描述，权利要求，和相关的附图，本领域技术人员将清楚的认识到本发明的其它特征和优点。
附图说明
本发明将参照下列附图进行讨论，其中：
图1说明了依照本发明的示例性电子器件。
具体实施方式
现在将对本发明的方法进行描述。正如这里所使用的，术语“一个”是指一个或多个除非另外明确说明。术语纳米颗粒是指具有50nm或更小直径的颗粒。术语“金属”是指单组分金属，金属混合物，金属合金，和金属间化合物。将材料最初开始熔化的温度称为“固相线温度”。当谈到将一个物体与另一个物体“连接”或“接触”时，分别是想表达指直接和间接的连接或接触。术语“电子器件”包括具有电子功能(functionality)的器件，具有电子和光学功能的器件，即光电子器件，MEMS(微电子机械系统)器件等等。
本发明的方法包括通过将焊料膏施加至基板和/或待连接至该基板的元件，并使该基板和元件相互接触来形成电子器件。该元件选自电子元件，光学元件，器件盖，和它们的组合。
本发明中所使用的焊料是由焊料膏形成，该焊料膏包含金属颗粒形式的金属成分和载体成分。对该金属颗粒的尺寸进行选择以便使该焊料膏具有比该焊料膏熔化且该熔体再次凝固后所得的固相线温度低的固相线温度。
本发明是基于这样的原理：传统焊料膏中，所使用的较大尺寸的颗粒具有与块状金属相同的固相线温度，而金属纳米颗粒具有相比更低的固相线温度。可以通过将颗粒尺寸逐渐(incremental)减小到阈值以下，从而逐渐降低该金属的固相线温度。一旦熔化并凝固，所得金属便具有该再次凝固的熔体/块状材料的固相线温度。当包含在焊料膏中时，相比随后的熔化和凝固材料，该纳米颗粒可以以相同的方式有效降低该焊料膏的固相线温度。因此可以在给定的温度下形成焊料区，其在随后的在相同(或甚至更高)的温度下的热处理过程中不会发生回流(reflow)。这在电子元件的连接顺序和层次，以及焊料膏和其它器件材料的选择中提供了相当大的灵活性。
此外，当在该焊料膏中使用有机成分时，所用的金属颗粒可减少或消除焊料膏回流后可能残留下的有机残渣。虽然不希望受任何具体理论的限制，但认为该焊料膏中的金属颗粒相对高的表面积会提高该有机材料的催化分解速率。
然而该金属颗粒的有效尺寸将取决于例如具体的金属和所需的焊料膏的固相线温度，有用的颗粒通常在纳米尺寸范围内。可以通过许多已知的技术例如化学气相沉积(CVD)，物理气相沉积(PVD)如溅射，电解沉积，激光分解，电弧加热，高温火焰或等离子喷涂，气溶胶燃烧，静电喷涂，模板电沉积(templatedeletrodeposition)，沉淀，浓缩，研磨等来制造纳米颗粒。例如国际公开No.WO96/06700公开了使用如激光，电弧，火焰，或等离子的能源通过加热和分解起始材料来从起始材料形成纳米颗粒的技术，这里将其全部引用作为参考。
在本发明中有用的金属颗粒包括，例如锡(Sn)，铅(Pb)，银(Ag)，铋(Bi)，铟(In)，锑(Sb)，金(Au)，镍(Ni)，铜(Cu)，铝(Al)，钯(Pb)，铂(Pt)，锌(Zn)，锗(Ge)，镧系元素，它们组合，和它们的合金。其中，典型为Sn，Pb，Ag，Bi，In，Au，Cu，它们的组合，和它们的合金，例如锡和锡合金，如Sn-Pb，Sn-Au，Sn-Ag，Sn-Cu，Sn-Ag-Cu，Sn-Bi，Sn-Ag-Bi，和Sn-In。更具体地，Sn-Pb37，Sn-Pb95，Sn-Au20，Sn-Ag3.5，Sn/Ag3.0/Cu0.5(wt％基于金属成分)等在本发明中得到了使用。
可以对焊料膏中金属颗粒的尺寸和尺寸的分布进行选择以便提供所需的固相线温度，该温度将取决于例如颗粒的类型。例如可以对颗粒的尺寸和分布进行选择以便为该焊料膏提供比焊料膏熔化且该熔体再次凝固后所得的固相线温度低3℃或更多的固相线温度，例如低5℃或更多，低10℃或更多，低50℃或更多，低100℃或更多，低200℃或更多，低400℃或更多，或低500℃或更多。
该金属颗粒在焊料膏中的存在数量基于该焊料膏典型大于50wt％，例如大于85wt％。如上文所述，能够有效降低金属颗粒和所得焊料膏的固相线温度的颗粒尺寸将取决于颗粒材料的具体类型。通常，如果该颗粒的50％或更多，例如75％或更多，90％或更多，或99％或更多具有50nm或更小，例如30nm或更小，20nm或更小，或10nm或更小的直径，将充分满足要求。通常，该金属和/或金属合金颗粒的平均直径为50nm或更小，例如30nm或更小，20nm或更小，或者10nm或更小。典型地，该金属颗粒的尺寸和尺寸分布可有效地允许该焊料膏在比该凝固熔体的固相线温度低的温度下熔化。然而，如果一部分颗粒是尺寸较大且不熔化的颗粒也可以满足要求，假定所得焊料区可以在电子元件中提供足够可靠的电子连接。一部分较大的颗粒会溶解到该焊料膏的熔化部分中。
该载体可以包含一种或多种成分，例如一种或多种溶剂，助熔剂，和活化剂。焊料膏中该载体的存在数量典型为1至30wt％，例如5至15wt％。
在载体中典型存在溶剂以便调节该焊料膏的粘度，该粘度典型为100kcps(千厘泊)至2000kcps，例如500至1500kcps或750至1000kcps。适合的溶剂包括，例如，有机溶剂如低分子量的醇类例如乙醇，酮类例如甲基乙基酮，酯类例如乙酸乙酯，和烃类例如煤油。该溶剂在载体中的存在数量典型为10至50wt％，例如30至40wt％。
可以在载体中进一步包含助熔剂以便增强焊料膏与接触表面的粘结。适合的助熔剂包括，例如一种或多种松香如聚合松香，氢化松香，和酯化松香，脂肪酸，甘油，或软蜡。当使用时，助熔剂在载体中的存在数量典型为25至80wt％。对于光学或光电元件，希望避免使用助熔剂，因为光学表面可能会被这些成分或它们的分解副产物所覆盖。这会在系统中引起光损失和光传输的问题。在某些情形中，使用还原性气氛可消除使用助熔剂的必要。在这个情形中，可以将颗粒分散在简单溶剂例如甲醇中，加热时该溶剂挥发从而留下很少的污染残渣。清洁燃烧的分散体例如丙烯酸酯在这种焊料膏中特别有用。当加热焊料膏时，活化剂有助于除去与焊料膏接触的表面和/或金属颗粒表面上形成的氧化物。适合的活化剂在本领域内是众所周知的，且包括例如一种或多种有机酸如丁二酸或己二酸和/或有机胺如尿素，其它金属螯合剂例如EDTA，卤化物例如氯化铵或盐酸。当使用时，活化剂在载体中的存在数量典型为0.5至10wt％，例如1至5wt％。
可以在焊料膏中选择使用另外的添加剂，例如触变剂，例如硬化蓖麻油，羟基硬脂酸，或多元醇(polyhydridic alcohole)。该可选添加剂在焊料膏中的存在数量典型为0至5wt％，例如0.5至2.0wt％。
为减小形成的电子元件被腐蚀的可能性和相关的问题，该焊料膏可以基本上不含卤素和碱金属原子。典型地，卤素和碱金属原子在该焊料中的含量小于100ppm，例如小于1ppm。
可以通过将金属成分与载体成分混合，并包含任何所需可选成分来形成依照本发明的焊料膏。可以首先混合非金属成分以便提供更均匀的分散体。
图1说明了依照本发明的示例性电子器件2。虽然该示例器件是光电子器件，本发明同样适用于不包含光学功能的电子器件，例如用于苛刻环境如汽车，宇航，或医疗应用的高频信号探测器。
提供具有一个或多个表面部件的基板4，该表面部件形成于其表面内或表面上用来容纳一个或多个电子和/或光学元件。该基板典型由下列材料形成，例如，硅例如单晶硅如<100>硅，硅-蓝宝石(SOS)，硅-绝缘体(SOI)，陶瓷，聚合物或金属。该基板可以是例如光具座，玻璃或陶瓷的光学板，或模制塑料部件。可以连接至该基板的电子元件包括，例如集成电路(IC)，激光器，发光二极管(LED)，光电探测器，垂直腔体表面发射激光器(VCSEL)，微光电机械器件(MOEM)，热电制冷器，等等。适合的光学元件包括，例如光纤，光纤短线，透镜，滤光器，光栅，波导管，调制器等等。
图示的电子器件2是密封的硅光具座，该器件包含具有上部主要表面6的<100>硅基板4，用于容纳光纤短线10的刻蚀的V形槽8，用于容纳电子元件14如激光二极管，发光二极管(LED)，或光电探测器的焊料垫12，和由例如硅，陶瓷，或玻璃制成用于密封该器件的封盖16。
使用上面所述的焊料膏将电子元件14，光纤10或盖16的一个或多个连接至基板4。可以使用其它已知的材料和技术来连接那些不用该焊料膏连接的部件。使用本发明的焊料膏时，必需对有待连接的元件表面和/或该基板的表面进行准备以便提供可焊接的表面。例如，对于硅基板或硅盖，可以通过抛光，清洗然后使用溅射，CVD，或镀覆技术镀覆金属对该连接表面进行准备。对于由例如玻璃，陶瓷，或聚合物形成的光学元件，可以通过抛光，清洗，和施用预处理溶液或气相沉积材料对连接表面进行准备。电子元件可典型由可焊精整(solderable finish)，如化学镀镍浸金(ENIG)制成。
在使该物体互相接触之前，可以将焊料膏施加到该基板合/或待连接的元件上。例如可以将焊料膏作为角焊缝(as a fillet)施加到V形槽中，或施加至沿V形槽和/或光纤长度的选定位置以便将光纤10连接到适当的位置。通过在垫12和/或该器件上以层状施加焊料膏，可将该光电子元件14连接至适当的位置。最后，可以将焊料膏18以环形施加在基板的周边和该盖与基板之间接触的位置处的光纤10上，从而将盖16连接至基板上的适当位置。另外或可选地，可以将该焊料膏施加至盖16与基板接触的表面。当加热时，焊料膏熔化并再次凝固，由此可获得密封。可选地，可以在使基板和元件或盖互相接触后将焊料膏施加至其上。可以通过例如丝网印刷，刮刀，喷涂，通过如注射器的喷嘴进行的分散，或本领域中已知的多种技术对该焊料膏进行施加。然而所用焊料膏的数量和厚度将取决于例如具体的焊料膏和成分以及所涉及的元件和基板的几何形状，典型将该焊料膏施加至2至400μm的厚度。对于某些元件的连接，人们可能希望使用相对薄的涂层例如2至50μm，或相对厚的涂层例如100至400μm。
然后对该基板进行加热以便熔化焊料膏。例如，可以在该焊料膏熔化的温度下在回流炉中进行该加热。适合的加热技术在本领域中是众所周知的，且包括例如红外，直接激光加热，传导，和对流技术，以及它们的组合。可以在惰性气氛，还原气氛，或空气中进行该热处理步骤，具体的处理温度和时间取决于该焊料膏的具体组成和其中金属颗粒的尺寸。当熔体凝固时，在元件和基板之间形成了连接以致该凝固的材料具有比起始的焊料膏更高的固相线温度。
下面的预示(prophetic)实施例的意图是进一步对本发明进行说明，而并非用来在任何方面对本发明的范围进行限制。
                     实施例1-11
如下制备依照本发明的纳米颗粒焊料膏。由0.92g苯甲酸和20ml二乙醚制备0.25M的苯甲酸溶液。将86g焊料合金纳米颗粒加入该溶液浸泡一小时并不时进行搅拌。对该粉末浆料进行冲洗和干燥。由50wt％的松香，41wt％的乙二醇溶剂，4wt％的丁二酸，和5wt％的蓖麻油制备松香基助熔剂。将该助熔剂加入该金属颗粒以便形成具有88wt％金属的膏剂，如表1所示。使用所得焊料膏按下面所述在电子器件上形成焊料区。
提供图1中所示的硅光具座和元件。使用丝网印刷技术将焊料膏施加至盖，并使该盖与硅质光具座接触。将焊料膏加热至表1中所示的预期固相线温度(Tsol)，从而熔化该焊料。使该焊料再次凝固由此将封盖连接至基板表面。表1中同时示出了Tsol与熔化并凝固后该焊料膏的预期固相线温度之间的差异(Tsol-Tbulk)。可以看出，对于给定的材料，通过使用纳米颗粒焊料膏可以获得预期固相线温度的显著降低。此外，通过调节金属颗粒的尺寸可以控制这种降低的程度。
                                                      表1
    实施例                     金属成分     Tsol(℃)     Tsol-Tbulk(℃)
    材料   颗粒尺寸(nm)
    1     Au     5nm     827     -100
    2     Au     3nm     627     -300
    3     Au     2nm     152     -639
    4     Sn     20nm     227     -5
    5     Sn     5nm     207     -25
    6     Al     2nm     527     -140
    7     In     15nm     144     -13
    8     Pb     15nm     317     -10
    9     63Sn/37Pb     10nm     170     -13
    10     80Au/20Sn     15nm     270     -10
    11     80Au/20Sn     5nm     200     -80
                      实施例12-21
如下制备依照本发明的无助熔剂纳米颗粒焊料膏。由0.36g聚丙烯酸和20ml乙醇制备含有低分子量聚丙烯酸的溶液。将20g焊料合金纳米颗粒加入该溶液浸泡一小时并不时搅拌。然后对该粉末浆料进行冲洗和干燥。通过按重量混合85份金属和15份例如甲基乙基酮，乙酸乙酯，或甲醇的溶剂配置该焊料膏，如表2中所述。使用所得焊料膏按下面所述在电子器件上形成焊料区。
提供图1所示的硅质光具座和元件。将光纤放入硅质光具座中加工的V形槽并使用机械支架将其置于适当的位置。通过喷嘴分散将焊料膏施加到光纤上。将焊料膏加热至表2中所示的预期固相线温度(Tsol)，从而熔化该焊料。使该焊料再次凝固由此将光纤连接至硅质光具座，并去掉机械支架。表2中同时示出了Tsol与熔化并凝固后该焊料膏的预期固相线温度之间的差异(Tsol-Tbulk)。可以看出，对于给定的材料，通过使用纳米颗粒焊料膏可以获得预期固相线温度的显著降低。此外，通过调节金属颗粒的尺寸可以控制这种降低的程度。
                                                    表2
    实施例                     金属成分     Tsol(℃)     Tsol-Tbulk(℃)
    材料 颗粒尺寸(nm)
    12     Au     5nm     827     -100
    13     Au     3nm     627     -300
    14     Au     2nm     152     -639
    15     Sn     20nm     227     -5
    16     Sn     5nm     207     -25
    17     In     15nm     144     -13
    18     Pb     15nm     317     -10
    19     63Sn/37Pb     10nm     170     -13
    20     80Au/20Sn     15nm     270     -10
    21     80Au/20Sn     5nm     200     -80
虽然根据具体的实施方案对本发明进行了详细的描述，本领域的技术人员将明白，使用等同条件可以做出多种改变和修改而不背离权利要求的范围。

Claims (10)

1.形成电子器件的方法，该方法包括：
(1)提供基板和待连接至基板的元件，其中该元件选自电子元件，光学元件，器件盖，和它们的组合；
(2)将焊料膏施加至该基板和/或元件，其中该焊料膏包含载体和含有金属颗粒的金属部分；和
(3)使基板和元件互相接触。
其中该焊料膏具有比该焊料膏熔化且该熔体再次凝固后所得的固相线温度低的固相线温度。
2.权利要求1的方法，其中50％或更多的颗粒具有50nm或更小的直径。
3.权利要求1或2的方法，其中该金属和/或金属合金颗粒的平均直径是30nm或更小。
4.权利要求1-3任何一个的方法，其中该焊料膏的固相线温度比该焊料膏熔化且该熔体再次凝固后所得的固相线温度低3℃或更多。
5.权利要求1-4任何一个的方法，其中该电子器件是密封的，且该元件是器件盖。
6.一种电子器件，包括：
基板；
基板表面上的元件，其中该元件选自电子元件，光学元件，器件盖，和它们的组合；和
与该基板和元件接触的焊料膏，其中该焊料膏包含载体和含有金属颗粒的金属部分，且其中该焊料膏具有比该焊料膏熔化且该熔体再次凝固后所得的固相线温度低的固相线温度。
7.权利要求6的电子器件，其中该金属和/或金属合金颗粒的平均直径是30nm或更小。
8.权利要求6或7的电子器件，其中该焊料膏是不含助焊剂的焊料膏。
9.权利要求6-8任何一个的电子器件，其中该焊料膏的固相线温度比该焊料膏熔化且该熔体再次凝固后所得的固相线温度低3℃或更多。
10.权利要求6-9任何一个的电子器件，其中该电子器件是密封的，且该元件是器件盖，而且其中该基板和盖由单晶硅形成。
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