JP2009509767A - バルク金属ガラス製はんだ - Google Patents
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Abstract
非対称な液化曲線を有した深い共晶融点を有する合金から形成される高強度でかつ高信頼性のバルク金属ガラス(BMG)はんだ材料。BMGはんだ材料は結晶のはんだ材料よりも強く、かつ高い弾性率を有するので、各材料の熱膨張係数(CTE)が異なることで生じる熱応力によるlow-k層間誘電(ILD)材料への損傷を起こしにくい。BMGはんだ材料は、ある部位と他の部位とを、物理的、電気的、若しくは熱的、又はこれらを結合させた効果によって結合して良い。たとえば本発明の実施例では、BMGはんだ材料は、物理的かつ電気的に、エレクトロニクス部品をプリント回路基板に結合させて良い。たとえば本発明の他の実施例では、BMGはんだ材料は、物理的かつ熱的に、集積されたヒートシンクを半導体素子に結合させて良い。BMGはんだ材料の多くの実施例は鉛フリーでもあるため、鉛フリー製品に係る要求を満たしながらも、たとえばSn-Ag-Cuのような他の鉛フリーはんだ材料よりも良好な解決策を供する。
Description
本発明は概して、本道体素子のパッケージングに関する。特に本発明は、鉛フリーはんだ材料に関する。
エレクトロニクス産業の発展を通して、鉛ベースのはんだ、基本的にはスズ-鉛(Sn-Pb)、は、エレクトロニクス部品を高い信頼性で接合する主力の材料であった。鉛ベースのはんだは低融点でかつ導電性であるため、この目的に良く適している。しかし鉛の毒性が人々に知られるようになることで、鉛の使用に関して数多くの規制がなされるようになった。そのような規制とは基本的に、エレクトロニクス素子を廃棄するときに生じる廃棄物の流れを介して環境に鉛が入り込むことを防止するものである。いくつかの国及び経済団体は、多くの製品から強制的に鉛を除去するスケジュールを制定することで、近い将来、鉛含有製品の輸入及び販売を禁止する。
エレクトロニクス産業界は、製品に含まれる鉛に代わる適当な材料を競って探している。たとえばSnAg(Cu)のような‘鉛フリー’の代替はんだは一般的にSn-Pbはんだよりも強い。しかしそのような鉛フリーはんだはまた、Sn-Pbはんだの融点（リフロー温度）（約183℃）よりもかなり高い融点（約230-270℃）を有する。技術の発展とともに、これら2の特性は、エレクトロニクス部品での熱応力による損傷による事態を悪化させてきた。ダイ取り付けのようなプロセスの間、はんだのリフロー中に熱応力がシリコンダイ中で進展する。それにより現在のシリコン素子で用いられている、機械的に破壊しやすいlow-k層間誘電体105(ILD)材料が頻繁に損傷を受ける。たとえばはんだ接合すなわちはんだボール104内での凝集の不具合（たとえば亀裂）、又は基板102若しくは半導体素子101のいずれかとパッド103とはんだボール104との間の接着不具合（たとえば剥離）のような損傷もまた、鉛フリーはんだを用いるときに、従来よりもよく起こる問題となる恐れがある。次世代ILD材料は、より破壊しやすいと予想される。また熱的に誘起される応力による損傷に係る問題は、より顕著になることが予想される。
熱疲労もまた、信頼性に関する重要な問題である。製造中及び通常使用中、エレクトロニクス素子内のはんだ材料及び他の材料は、熱サイクルに服する。素子中のはんだ材料の熱膨張係数(CTE)と他の材料のCTEとが一致しないとき、はんだ接合は、非弾性ひずみの蓄積、熱疲労、及び最終的には疲労による亀裂の成長のような損傷を受ける恐れがある。
鉛フリー製品を要求する市場に鉛フリー製品を供しなければならない期限が近づいているので、エレクトロニクス産業界は、鉛含有はんだだけではなく、現在の鉛フリーはんだ材料で観察される多くの破壊機構の影響を受けにくく、かつ信頼性の高い鉛フリーはんだ材料の開発を継続して行っている。
本発明の実施例は、バルク金属ガラス(BMG)合金を有するはんだ材料について記載している。従来の金属ガラスは典型的に、たとえば>105℃/秒のような非常に高速で冷却されるのでなければ、融点(Tm)まで冷却されるときに結晶化する。そのような高速での熱の輸送には、特別でかつ高価な装置及び条件が必要となる。またそのような高速での熱の輸送により、典型的な金属ガラスとして形成することのできる部品のサイズは、非常に薄いワイヤ及びリボンのみに制限される。しかし冷却する際、BMG材料は結晶化を飛び越え、その代わりに、結晶化状態よりも溶融BMGが例外的に安定となる広範囲な過冷却領域の状態になる。この過冷却領域では、従来の超塑性金属のm値は0.6未満である一方で、BMGはニュートン粘性に従った振る舞い又は完全な超塑性(m=1)を示す。BMG合金は、結晶化を飛び越えて、たとえば現在のリフロー法を用いて到達可能である、<102℃/秒のような比較的遅い冷却速度でガラスを形成することができる。
これらの特性により、BMG材料のガラス形成能は改善し、かつBMG材料の結晶化傾向は遅くなる。しかし一旦固体のガラス状態が形成されると、BMG材料は非常に強くて固くなり、しかも延性でかつ非常に高い弾性歪み限界を有する。BMG材料のこれらのリフロー後特性のため、BMG材料は、半導体素子製造で用いられるはんだ化合物として使用するのに、より適したものとなる。
たとえばSnAg(Cu)のような典型的な鉛フリーはんだ化合物では、結晶状態で固化する時点、通常はTm又はTm周辺の温度、で非弾性熱応力が確定する。BMG材料では、ガラスが形成される温度(Tg)よりも低くなるまでは、熱応力が確定しない。従ってはんだと、はんだに取り付けられる材料との間でのCTEのミスマッチが存在する場合には、従来の鉛フリーはんだにおいて冷却中に生じる熱歪みは、BMG材料において冷却中に生じる熱歪みよりも、より大きな温度差にわたって蓄積する。その理由は、室温とTmとの間の温度差は、室温とTgとの間の温度差よりも大きいからである。
冷却中に生じる熱歪みが小さくなることに加えて、BMG材料は、一般的に用いられる剛性で結晶を形成する鉛フリーはんだの弾性歪み限界（約0.1%）よりもはるかに高い弾性歪み限界（約2%）を有する。よって系内に存在する如何なる大きな歪みも、BMGはんだによって吸収されることで、はんだによって接合する材料に課される全歪みは小さくなる。従って本発明の実施例に従ってBMGはんだが用いられる半導体素子中に存在する熱歪みが小さくなることで、現在及び将来用いられる損傷しやすいlow-k誘電材料が損傷する危険性が小さくなる。
共晶合金とは、共晶合金の構成物の融点よりも低い融点を有する合金である。深い共晶融点とは、合金の融点であって、合金の構成物の融点よりもかなり低い温度のことである。典型的実施例では、合金の深い共晶融点は、合金の構成物の融点よりも約25%低くて良い。他の実施例では、深い共晶融点は、合金の構成物の融点よりも約25%よりも低くて良い。深い共晶融点を有する合金、特に共晶融点周辺で（金属が完全に液体になるときに）非対称な液相線を有する合金、は、BMG合金を形成することが示された。他のガラス固化した材料同様に、BMG合金は一般的に、ガラス転移点以下で固化（‘ガラス固化’）するときには、秩序化した結晶を形成しない。むしろBMG材料中での原子の配列は実質的にはアモルファスでかつ乱れている。
本発明の典型的実施例によるはんだ材料として用いられる、スズ(Sn)を含む‘2元’合金（2の構成元素すなわち構成物を含む）は、スズ-ビスマス(Sn-Bi)を含んで良い。バルク金属ガラスはんだ材料を形成できる組成は、スズが約30-53%(wt%)含まれる範囲内で見いだすことができる。厳密な組成を特定するのには、通常の実験を用いることが可能である。厳密な組成は、定められた範囲内でwt%にして0.1%ずつ増やしながら見いだすことができる。同様にバルク金属ガラスは、以下の合金及び組成範囲内で生成されて良い。スズ-インジウム（Sn-In、Snは45-60wt%）、スズ-亜鉛（Sn-Zn、Snは80-92wt%）、スズ-ニッケル（Sn-Ni、Snは95-99.9wt%）、スズ-銅（Sn-Cu、Snは95-99.9wt%）、スズ-銀（Sn-Ag、Snは90-98wt%）、スズ-アルミニウム（Sn-Cu、Snは95-99.9wt%）、スズ-ヒ素（Sn-As、Snは95-99.9wt%）、スズ-金（Sn-Au、Snは80-95wt%）、スズ-カドミウム（Sn-Cd、Snは60-70wt%）、スズ-ジスプロシウム（Sn-Dy、Snは95-99wt%）、スズ-マグネシウム（Sn-Mg、Snは80-90wt%）、スズ-鉛（Sn-Cu、Snは55-70wt%）、及びスズ-トリウム（Sn-Th、Snは50-65wt%）。
本発明の他の典型的実施例によると、BMGはんだ材料は、インジウムを含む2元合金及び組成範囲内で生成されて良い。そのようなインジウムを含む2元合金及び組成範囲はたとえば、インジウム-ビスマス（In-Bi、Inは60-70wt%）、インジウム-亜鉛（In-Zn、Inは97-99wt%）、インジウム-ニッケル（In-Ni、In>99wt%）、インジウム-銅（In-Cu、In>99wt%）、インジウム-銀（In-Ag、Inは95-99wt%）、及び、インジウム-金（In-Au、In>99wt%）、インジウム-カドミウム（In-Cd、Inは60-70wt%）、又はインジウム-ガリウム（In-Ga、Inは20-30wt%）である。
同様に‘3元’合金（3種類の構成元素を含む合金）が、BMGはんだ材料として用いられても良い。本発明の実施例による3元合金の例には、スズ-インジウム-ビスマス(Sn-In-Bi)、スズ-インジウム-亜鉛(Sn-In-Zn)、インジウム-ビスマス-亜鉛(In-Bi-Zn)、スズ-銀-銅(Sn-Ag-Cu)、スズ-銀-ニッケル(Sn-Ag-Ni)、スズ-銅-ビスマス(Sn-Cu-Bi)、及びスズ-銅-インジウム(Sn-Cu-In)が含まれる。
列挙された2元及び3元合金は単なる典型的実施例に過ぎず、本発明の実施例によるBMGはんだ材料として用いることのできる2元及び3元合金がすべて列挙されているわけではないことに留意して欲しい。列挙された合金は、非対称な液相線を有する深い共晶融点を有することを共通の特徴とする。従ってこの記載から、非対称な液相点を有する深い共晶融点という特性を同様に有する他の合金も、本発明の実施例によるBMGはんだ材料として用いることができることに留意して欲しい。
3元又は“高次の”合金（4以上の構成物を含む合金）については、深い共晶融点領域が見いだすことのできる組成範囲を設計し、かつ特定するのに、市販されているソフトウエアが用いられて良い。そのような市販ソフトウエアはたとえば、サーモカルクソフトウエア(Thermo-calc)社の‘サーモカルククラシック’(TCC)又は‘サーモカルクウインドウズ’(TCW)である。よって2元系について前述したように、通常の実験によって、BMG合金にとって有用である厳密な組成範囲が、その組成範囲内で特定できる。
複数の実施例では、BMGはんだ材料を含む装置の動作温度が、用いられるBMG合金のTgよりも顕著に高くならないように、BMG合金の特定の組成が選択されて良い。様々な実施例では、Tgは変化して良いので、本発明の実施例によるBMG合金を用いるための適切な動作温度限界を決定するのに、時間-温度変換図が用いられて良い。一般的には、使用条件は、結晶化温度が温度の関数としてプロットされる時間-温度変換図での“C”曲線の‘鼻’を超えてはならない。たとえばBMG合金が、動作温度がはんだ系のTgを大きく超える恐れのある装置で用いられるように選択される場合、そのBMG材料は結晶化してしまうだろう。従って動作温度よりも顕著に低くならないTgを有するBMG合金を選択することは有利になりうる。
しかし用途によっては、BMGはんだ材料のTgを超えることが有利であることも考えられる。典型的実施例では、通常開いている電力回路スイッチは、BMGはんだ材料によって閉じられるようにはんだ付けされて良い。動作温度が最大許容温度を超えることで危険な状態に陥った場合、BMGはんだ材料が柔らなくなり、回路が開放できるようになることで、装置への電力を中断させることが可能である。従ってBMGはんだ材料の合金組成は、用途に応じて有利なTgとなるように選ばれて良い。
合金の構成物の組成割合を変更することで、組成割合を変更した結果生成された合金のTg及びTmを変化させることができる。従って、BMG合金の数多くの組成が、本発明の実施例に従って生成されて良く、かつ可能な組成はここで列挙できないほど多いことが分かる。
本発明の実施例によるBMGはんだ材料は、多数の形態をとってよく、かつ広範な用途を含んで良い。本発明の実施例によると、はんだ球（はんだボール）は、リフロー後にBMGはんだ接合を形成することができる合金から生成されて良い。一の係る実施例200では、BMGはんだ球205は、部品201を取り付けるボールグリッドアレイ(BGA)に用いられて良い。他の実施例では、BMGはんだ球205は、BMGはんだペースト中に含まれて良い。BMGペーストは、部品301の付着部位303及び基板302の付着部位304と接するように供されて良い。それによりリフロー後に、部品301と基板302とを強固に接続するBMGはんだ隅肉溶接部が形成される。他の実施例では、同様のペーストは、BMG球ではなくBMG粉体を含んで良い。
従来のはんだ球及び粉体/ペーストのリフロープロセスパラメータは、BMGベースのはんだ材料は多くの金属ガラス化合物のような高速冷却速度を必要としないので、BMGベースのはんだの利用にすぐ適用できる。従ってBMGベースのはんだペーストは、現在のプロセスパラメータ及び装置を用いるペーストのプリントに用いられて良い。部品と基板との接続、たとえば一の典型的実施例のような、たとえばキャパシタ、抵抗器、及び他の同様なエレクトロニクス部品のような部品とプリント回路基板(PCB)との接続をするためのはんだ隅肉溶接部は、BMGはんだペーストを用いることによって形成されて良い。
図4A-4Dに図示されている典型的実施例によると、BMGはんだペースト410は、スクリーンプリント、ステンシルプリント、手動塗布又は他の方法によって、基板402の表面上にプリントされて良い。それにより、ペーストは、所望のように、すなわち設計情報によって指示されているように、基板402の表面の領域又は部位404上にのみ堆積される。よって部品401は基板402の表面にマウント可能となる。BMGはんだペースト410が基板402の表面上の導電性部位404上に堆積され、かつ部品401が基板402の表面に設けられることで、外部導電性端子403又は部品の取り付け部位がBMGはんだ410と接する後、はんだ410は、BMGはんだ材料410を融解してリフローする温度であるBMGはんだ材料の融点Tm以上の温度に加熱される。続いてBMGはんだ材料410はTmよりも低温であるTgにまで冷却される。それによりBMGはんだ材料410は、部品410と基板402の表面とを接続する導電性金属ガラスの隅肉溶接部415として固化される。
複数の実施例では、基板表面上の導電性部位の例には、パッド、ビア、露出したトレース、露出した電力供給面若しくは接地面、埋め込み部品の端子、又は他の供給可能な部品が含まれて良い。部品の導電性端子の例には、型打ちした金属リード線、ピン、パッド、形成された金属端部端子、又は他の供給可能な部品が含まれて良い。部品の導電性端子の例のいずれも、取り付け部位として機能して良い。複数の実施例では、部品の導電性端子は、取り付け目的専用として部品上に存在し、基板又は部品のいずれとも電気的には接続しなくても良い。同様に基板表面上の導電性部位は、基板の他の導電性部位と電気的に接続しないことで、電気的に絶縁される。この状況では、基板表面上の導電性部位は、基板表面上の取り付け部位としてのみ機能すると考えられる。
表面にマウントされたBMGはんだ材料のリフローは、リフロー用オーブン内で、その材料を高温に曝露することによって、又は、たとえばはんだごて若しくはレーザーによって、より局所的に加熱することによって実現されて良い。その際、熱源は、BMGはんだ材料が存在する基板表面に適用される。また基板は、たとえばホットプレート、オープンフレーム、又は他の手段のような、熱源の上に設けられても良い。その際、熱はBMGはんだ材料が存在しない基板表面に付与され、かつその熱は基板を介して伝わる。加熱が、BMGはんだ材料が存在する基板表面又はそれ以外の面に対して、全体的又は局所的に行われる様々な実施例では、熱源は、BMGはんだ材料をそのTmよりも高温に昇温して、かつBMGはんだ材料をリフローさせる。
前述の実施例に記載されているように、BMGはんだ材料は、部品を基板表面にマウントするのに用いられて良い。しかし他の実施例では、BMGはんだ材料はまた、‘貫通穴にマウントされる’部品と基板とを接続するのにも用いられて良い。典型的には、貫通穴にマウントされる部品501は、金属ピン503、又は部品501から外側へ延在する（突出する）他の部位を有する。貫通穴にマウントされる部品501は、1以上の突出した部位503が、基板502内に供された穴507を部分的又は完全に延在するように、基板付近に設けられる。穴507の内側表面には、金属層504が供されて良い。金属層504は、部品501とはんだ材料とが強固に付着した結合を促進する。金属層504はさらに、基板の1以上の導電層と電気的に接続して良い。よって設けられた金属層504は、基板502の取り付け部位若しくは導電性部位、又は前記の両方として機能して良い。
取り付けは典型的には、部品が存在する面とは反対側の基板面を、ある量の溶融BMGはんだ材料520に曝露することによって実現される。BMGはんだ材料520の一部は、毛管作用によって穴507に入り込み、穴の内側表面上の金属層504と部品501の突出付着部位503との間の隙間の空間を、部分的又は完全に満たす。穴507内のはんだ材料520がTmよりも低温にまで冷却されるとき、はんだ材料520は固化することで、部品501と基板502とを堅固に接続する。はんだ隅肉溶接部515は、突出付着部位503の一部の周りで形成される。突出付着部位503は、部品501が設けられている表面近傍とは反対側である基板502の表面を介して、さらにはそれを超えて延在する。そのようにして形成されたはんだ隅肉溶接部515は、冷却されて固化されることで、部品501と基板502とを結合するのに十分なものとなりうる。たとえ前述したように穴507の中の空間を埋めるはんだ520が欠損しているとしても十分なものとなりうる。
前述したように貫通穴のマウントに影響を及ぼすために、基板502が曝露される所定量のはんだ520は、溶融はんだ材料の静的な槽であって良い。エレクトロニクス部品においては、所定量のはんだ520は、より典型的には、溶融はんだ材料520の‘波状はんだ槽’530である。定在波525は槽530の表面上に供され、その表面は槽530を通り過ぎる基板502の表面と接する。基板502の表面に接するはんだは、上述したように、はんだ材料520の定在波525と接触し、その後に定在波525から離れた後でさえも、基板502上に残って良い。明らかに、溶融はんだ材料は、基板の貫通穴にマウントされる部品に影響を及ぼす他の手段によって供されて良い。
本発明の実施例では、BMGはんだ材料は、基板の貫通穴に部品を付着させて良い。一の係る実施例では、BMGはんだ材料は、波状はんだ装置及びプロセス用の溶融はんだ材料を有して良い。他の実施例では、BMGはんだ材料は、部品を貫通穴に付着させるのに用いられる静的槽内に溶融はんだ材料を有して良い。たとえば手動はんだ付け又は自動の（たとえばロボットによる）はんだ付けのような、さらに他の実施例では、BMGはんだは、棒、ペースト、粉体、リボン、柔軟性ワイヤ、又は、貫通穴にマウントされる部品と基板とを接続するはんだ付け用途用のBMGはんだ材料の供給を補助することができる他の固体若しくは液体ユニットの状態で付与されて良い。
本明細書に記載されているBMGはんだの形態は貫通穴にマウントされる部品を取り付けでの使用にのみ限定されるわけではない。BMGはんだの形態は、付着部位上へのはんだの処置が、記載された形態のうちの一を用いることによって有効に実現可能である他の用途に用いられても良い。たとえば複数の実施例では、BMGはんだの記載された形態は、表面にマウントされた部品と基板とを接続するのに用いられて良い。同様に、本発明の実施例で述べられているBMGはんだ球は典型的実施例を表しているだけであって、他の実施例では、BMGはんだは、直方体、円柱形状、若しくは他の幾何学形状、又は球ではなく無定形であって良く、さもなければ、一般的にはかなり小さな個々のユニットを個別的なものとして用いられても良い。記載を簡明にするため、多数の形状又は形態の如何なるものをも含むBMGはんだ材料の個々のユニットを、本明細書では“ペレット”と呼ぶことにする。よってBMGはんだ球を用いることができる実施例では、BMGはんだ材料のペレットを用いることも可能であることが分かるだろう。
同様に複数の実施例では、はんだの棒は、多数の断面形状又は形態を有して良い。多数の形状又は形態には、円形、三角形、正方形、長方形、卵形、台形、又は他の形状が含まれる。また棒の断面形状は幾何学的形状にのみ限定されるのではない。複数の実施例は、多くの面を有する、又は画定された面を有していない無定形をも含んで良い。複数の実施例では、はんだの棒は、中が詰まった状態、又は中空状態若しくは有孔状態であって良い。従って本発明の実施例に記載されたはんだ材料の棒は、四角の棒、丸い棒、インゴット、梁、小隗、筒、又は他の構造として記載されても良い。
本発明の実施例によるはんだの液状ユニットは、ある量の溶融はんだを有して良い。また本発明の実施例によるはんだの液状ユニットは、液状の担体材料をも有して良い。BMGはんだ材料は、液状の担体材料と共に分配されて良い。液状担体材料を含む複数の実施例では、BMGはんだ材料は、個々のサイズが非常に小さいBMGはんだ粒子の懸濁物の形態、又は、乳化剤同様の機能を示すことが可能なはんだペーストと担体材料との低粘性混合物の形態をとって良い。
部品を基板に付着させるBMGはんだ材料の他の実施例では、部品は導電性ワイヤ、ストラップ、ケーブル、又は同様の器具であって良い。部品はまた、柱、ボルト、留め金具、ラッチ、クリップ、又は他の同様な物理的接続部品のような取り付け素子であっても良い。他の実施例では、部品は、ケーブル（たとえば電力供給ケーブル、ドライブケーブル（ハードドライブ、DVDドライブ等）、ジャンパケーブル、光ケーブル等）を受け取り、かつ保持するのに用いられるコネクタ、カードベースの素子（たとえばメモリカード、I/Oカード、グラフィックカード等）を受け取り、かつ保持するのに用いられる‘スロットコネクタ’、又は、半導体素子（たとえばピングリッドアレイ(PGA)ソケット、ランドグリッドアレイ(LGA)ソケット等）を受け取り、かつ保持するのに用いられるソケットを有して良い。他多数の実施例は、たとえばプリント回路基板のような基板に構成要素として物理的に取り付けることが可能な各独立した部品を多数有して良い。そのような実施例では、部品が主として基板表面に設けられた部位に付着するときには、その部品は、表面にマウントされる部品とみなされて良い。部品の特徴部位が、その部品に近接する基板表面を実質的に介して、基板内に供された穴に入り込む又は貫通するように突き出ている場合、その部品は、貫通穴にマウントされる部品と見なされて良い。
BMGはんだ材料が新規でかつ有利である他の実施例は、たとえば半導体チップ又は半導体パッケージ（本明細書では“半導体素子”と総称する）601、611及び621のような発熱素子と、たとえば集積ヒートスプレッダ(IHS)602、IHS622、ヒートシンク612、熱電クーラー、ファン、液体冷却ユニット、冷蔵ユニット、多相冷却ユニット（熱パイプ、又は冷却媒質の相変化に基づく他の冷却素子）、又は他の装置のような熱放散素子（冷却素子）との間に供される放熱素子(TIM)610、620及び630である。他の実施例では、BMGはんだ材料は、第1冷却素子と第2冷却素子との間のTIMとして供されて良い。そのような実施例の一では、BMGはんだ635は、IHS622とヒートシンク623の間に設けられて良い。BMGはんだ635は、ヒートシンク623とIHS622とを接続する役割と、IHS622とヒートシンク623との間の熱伝導を促進する役割の両方を果たす。BMGはんだは高い熱伝導率を有して良い。高い熱伝導率を有するため、BMGはんだは、熱伝導が重要となる用途に適したものとなる。
BMGはんだがTIMとして用いられるとき、BMGはんだ材料はまた、互いに異なるCTE値を有する材料間での閉じていてかつ強固な結合を維持することで、効率的な伝熱を阻害する恐れのあるクラック又は剥離を防止する、という利点をも供する。よってBMGはんだ材料を含むTIMは、発熱素子と冷却素子又は2の冷却素子を物理的に結合しながら、前記素子と熱的にも結合する。
本発明の典型的実施例によると、BMGはんだ材料は、半導体素子と冷却素子両方の表面領域のほとんどで結合が形成されるように、半導体素子と冷却素子の間に設けられる。BMGはんだ材料は、最初固体の状態で、冷却素子又は半導体素子のいずれかに付与される。続いてBMGはんだ材料は、両素子の表面領域のほとんどが接触したままの状態で、Tg以下にまでリフロー及び冷却される。あるいはその代わりに、複数の実施例は、溶融BMGはんだ材料を、冷却素子又は半導体素子のいずれかに付与する工程、前記素子を1つにすることで、両素子の表面領域のほとんどがBMGはんだ材料と接触した状態にする工程、続いてBMGはんだ材料をTg以下の温度にまで冷却する工程、を有して良い。
本発明の実施例は、冷却素子又は半導体素子のいずれかの上にBMGはんだ材料を、ペースト、粉体、厚膜（たとえばシート）、薄膜（たとえばテープ）、又は制御された設置を可能にし、かつリフロー、ガラス固化、接合、若しくはBMGはんだの熱伝導特性を損なわない他の物理的状態若しくは形態で設ける工程をも有して良い。他の実施例では、BMGはんだは、冷却素子と半導体素子の両方の表面領域とほとんど接触したまま、リフローされて、かつTg以下の温度にまで冷却される。記載された実施例の範囲内では、BMGはんだ材料と付着接触した冷却素子と半導体素子の表面領域は、記載した目的のための付着部位と見なされて良いことが分かる。
半導体素子及び冷却素子の通常動作は熱循環及び温度差を含み、かつ互いにCTEが大きく異なる材料が含まれるので、BMGはんだ材料の高い弾性歪み、及び高い靱性により、大多数の用途において、本明細書の最初に述べた複数の種類の損傷を防止するという、TIMとしての利点が供される。従って、BGMはんだ材料の様々な合金及び組成が、BMGはんだと接合する材料のCTE値に基づいて選ばれて良い。それらの材料は、アセンブリ又は通常の使用の間、動作温度及びプロセス温度に支配されると考えられる。
たとえ供された詳細な説明が、BMGはんだ材料の使用を、冷却素子と半導体素子との間のTIMと考えているとしても、ここでの議論は、たとえば典型的実施例におけるHISとヒートシンクとの間のように、第1冷却素子と第2冷却素子との間のTIMとしてBMGはんだ材料を用いることにも適用できることが分かる。
よってかなりの程度本明細書で説明し、かつ図7に図示されているように、本発明の実施例は、バルク金属ガラス(BMG)合金をはんだ材料として用いる方法を有する。概して本発明は、BMGはんだ材料を少なくとも第1部位及び第2部位に接するように設ける工程701、BMG合金を含むBMGはんだ材料を融点(Tm)にまで加熱する工程702、続いてBMGはんだ材料をガラス転移点(Tg)にまで冷却する工程703を有する。前記工程により、第1部位と第2部位とを接続するBMGはんだ接合が形成される。あるいはその代わりに、BMGはんだ材料は、第1部位にのみ接するように設けられて良いが、BMGはんだ材料が融点より高温に加熱されるときに、BMGはんだ材料は第2部位と接するようになる。さらに他の実施例では、BMGはんだ材料は、第1部位にのみ接するように設けられて良く、続いて第2部位が、BMGはんだ材料と接するように設けられて良い。第1部位及び第2部位は、それぞれ別個の部品又は素子であって良い。あるいは第1部位及び第2部位は、部品、素子、又は基板の一部として組み込まれている構造を有する素子であって良い。部品、素子、又は基板とはたとえば、エレクトロニクス部品、半導体素子、冷却素子、又は本明細書に記載した実施例によるプリント回路基板であって良いが、それらに限定されるわけではない。
一旦リフローされたBMGはんだ材料は任意で、Tgよりも十分高温でかつTmよりも低温でアニーリングされることで、部分的又は完全にナノ結晶はんだを生成して良いことにも留意して欲しい。
上記の詳細な説明及び添付の図は単なる例示であって限定するものではない。これらは主として、本発明の実施例を明確かつ総合的に理解してもらうために供されたものであり、本発明の実施例から不要な限定は導かれない。本明細書に記載された実施例に係る多数の付加型、削除型、及び修正型、並びに代替構成は、本発明の実施例の技術的思想及び「特許請求の範囲」の請求項の技術的範囲から逸脱することなく当業者は想到できる。
Claims (31)
- 第1部位と第2部位の付近に合金を設ける工程；
前記合金を第1温度に加熱する工程；並びに
前記合金を第2温度に冷却することで、前記第1部位と前記第2部位を物理的に結合させるバルク金属ガラスはんだ材料を形成する工程；
を有する方法。 - 前記第1部位及び前記第2部位のうちの少なくとも1が導電性である、請求項1に記載の方法。
- 前記合金が、液体、球、ペレット、ペースト、粉体、厚膜、薄膜、中が詰まった状態の棒、及び柔軟性ワイヤのうちの少なくとも1の形態をとる、請求項1に記載の方法。
- 前記バルク金属ガラスはんだ材料が2元合金を有し、
前記2元合金は、45-60wt%のスズを含むスズ-インジウム、80-92wt%のスズを含むスズ-亜鉛、95-99.9wt%のスズを含むスズ-ニッケル、95-99.9wt%のスズを含むスズ-銅、90-98wt%のスズを含むスズ-銀、95-99.9wt%のスズを含むスズ-アルミニウム、95-99.9wt%のスズを含むスズ-ヒ素、80-95wt%のスズを含むスズ-金、60-70wt%のスズを含むスズ-カドミウム、95-99wt%のスズを含むスズ-ジスプロシウム、80-90wt%のスズを含むスズ-マグネシウム、55-70wt%のスズを含むスズ-鉛、50-65wt%のスズを含むスズ-トリウム、60-70wt%のインジウムを含むインジウム-ビスマス、97-99wt%のインジウムを含むインジウム-亜鉛、>99wt%のインジウムを含むインジウム-ニッケル、>99wt%のインジウムを含むインジウム-銅、95-99wt%のインジウムを含むインジウム-銀、>99wt%のインジウムを含むインジウム-金、60-70wt%のインジウムを含むインジウム-カドミウム、及び20-30wt%のインジウムを含むインジウム-ガリウムのうちの少なくとも1を含む、
請求項1に記載の方法。 - 前記バルク金属ガラスはんだ材料が、スズ(Sn)及びインジウム(In)のうちの少なくとも1を含む3元合金を有する、請求項1に記載の方法。
- 前記バルク金属ガラスはんだ材料が、ビスマス(Bi)、亜鉛(Zn)、ニッケル(Ni)、銅(Cu)、及び銀(Ag)のうちの2をさらに有する、請求項5に記載の方法。
- 前記合金が、深い共晶融点及び非対称の液相線を有する、請求項1に記載の方法。
- 前記第1温度が、前記合金の融点(Tm)以上の温度である、請求項1に記載の方法。
- 前記第2温度が、前記合金のガラス転移点(Tg)以下の温度である、請求項1に記載の方法。
- 少なくとも第1温度にまで加熱され、かつ少なくとも第2温度にまで冷却されるときに、バルク金属ガラス材料を形成する合金を有するはんだ材料。
- 前記合金が2元合金を有し、
前記2元合金は、45-60wt%のスズを含むスズ-インジウム、80-92wt%のスズを含むスズ-亜鉛、95-99.9wt%のスズを含むスズ-ニッケル、95-99.9wt%のスズを含むスズ-銅、90-98wt%のスズを含むスズ-銀、95-99.9wt%のスズを含むスズ-アルミニウム、95-99.9wt%のスズを含むスズ-ヒ素、80-95wt%のスズを含むスズ-金、60-70wt%のスズを含むスズ-カドミウム、95-99wt%のスズを含むスズ-ジスプロシウム、80-90wt%のスズを含むスズ-マグネシウム、55-70wt%のスズを含むスズ-鉛、50-65wt%のスズを含むスズ-トリウム、60-70wt%のインジウムを含むインジウム-ビスマス、97-99wt%のインジウムを含むインジウム-亜鉛、>99wt%のインジウムを含むインジウム-ニッケル、>99wt%のインジウムを含むインジウム-銅、95-99wt%のインジウムを含むインジウム-銀、>99wt%のインジウムを含むインジウム-金、60-70wt%のインジウムを含むインジウム-カドミウム、及び20-30wt%のインジウムを含むインジウム-ガリウムのうちの少なくとも1を含む、
請求項10に記載のはんだ材料。 - 前記合金が、深い共晶融点及び非対称の液相線を有する、請求項10に記載のはんだ材料。
- 前記合金が、スズ(Sn)及びインジウム(In)のうちの少なくとも1を含む3元合金を有する、請求項10に記載のはんだ材料。
- 前記合金が、ビスマス(Bi)、亜鉛(Zn)、ニッケル(Ni)、銅(Cu)、及び銀(Ag)のうちの2をさらに有する、請求項10に記載のはんだ材料。
- 前記第1温度が、前記合金の融点(Tm)以上の温度である、請求項10に記載のはんだ材料。
- 前記第2温度が、前記合金のガラス転移点(Tg)以下の温度である、請求項10に記載のはんだ材料。
- 前記合金が、液体、球、ペレット、ペースト、粉体、厚膜、薄膜、リボン、棒、及び柔軟性ワイヤのうちの少なくとも1の形態をとる、請求項10に記載のはんだ材料。
- 基板；
部品；及び
前記基板と前記部品とを物理的に結合するバルク金属ガラスはんだ材料；
を有する製造物。 - 前記基板がプリント回路基板である、請求項18に記載の製造物。
- 前記部品が、表面にマウントする部品、BGA部品、及び貫通穴にマウントする部品のうちの少なくとも1である、請求項18に記載の製造物。
- バルク金属ガラスはんだ材料が、2元合金及び3元合金のうちの少なくとも1を有する、請求項18に記載の製造物。
- 前記バルク金属ガラスはんだ材料が合金を有し、
前記2元合金は、45-60wt%のスズを含むスズ-インジウム、80-92wt%のスズを含むスズ-亜鉛、95-99.9wt%のスズを含むスズ-ニッケル、95-99.9wt%のスズを含むスズ-銅、90-98wt%のスズを含むスズ-銀、95-99.9wt%のスズを含むスズ-アルミニウム、95-99.9wt%のスズを含むスズ-ヒ素、80-95wt%のスズを含むスズ-金、60-70wt%のスズを含むスズ-カドミウム、95-99wt%のスズを含むスズ-ジスプロシウム、80-90wt%のスズを含むスズ-マグネシウム、55-70wt%のスズを含むスズ-鉛、50-65wt%のスズを含むスズ-トリウム、60-70wt%のインジウムを含むインジウム-ビスマス、97-99wt%のインジウムを含むインジウム-亜鉛、>99wt%のインジウムを含むインジウム-ニッケル、>99wt%のインジウムを含むインジウム-銅、95-99wt%のインジウムを含むインジウム-銀、>99wt%のインジウムを含むインジウム-金、60-70wt%のインジウムを含むインジウム-カドミウム、及び20-30wt%のインジウムを含むインジウム-ガリウムのうちの少なくとも1を含む、
請求項18に記載の製造物。 - 前記バルク金属ガラスはんだ材料が、深い共晶融点及び非対称の液相線を有する、請求項18に記載の製造物。
- 第1素子；
第2素子；及び
前記第1素子及び前記第2素子とかなりの程度接触した状態で設けられているバルク金属ガラスはんだ材料；
を有する製造物。 - 前記第1素子が、半導体素子又は集積ヒートスプレッダのうちの少なくとも1を有する、請求項24に記載の製造物。
- 前記第1素子が発熱素子を有する、請求項24に記載の製造物。
- 前記第2素子が冷却素子である、請求項24に記載の製造物。
- 前記冷却素子が、集積ヒートスプレッダ、ヒートシンク、熱電クーラー、ファン、液体冷却ユニット、冷蔵ユニット、及び多相冷却ユニットのうちの少なくとも1を有する、請求項27に記載の製造物。
- 前記バルク金属ガラスはんだ材料が合金を有し、
前記合金は、45-60wt%のスズを含むスズ-インジウム、80-92wt%のスズを含むスズ-亜鉛、95-99.9wt%のスズを含むスズ-ニッケル、95-99.9wt%のスズを含むスズ-銅、90-98wt%のスズを含むスズ-銀、95-99.9wt%のスズを含むスズ-アルミニウム、95-99.9wt%のスズを含むスズ-ヒ素、80-95wt%のスズを含むスズ-金、60-70wt%のスズを含むスズ-カドミウム、95-99wt%のスズを含むスズ-ジスプロシウム、80-90wt%のスズを含むスズ-マグネシウム、55-70wt%のスズを含むスズ-鉛、50-65wt%のスズを含むスズ-トリウム、60-70wt%のインジウムを含むインジウム-ビスマス、97-99wt%のインジウムを含むインジウム-亜鉛、>99wt%のインジウムを含むインジウム-ニッケル、>99wt%のインジウムを含むインジウム-銅、95-99wt%のインジウムを含むインジウム-銀、>99wt%のインジウムを含むインジウム-金、60-70wt%のインジウムを含むインジウム-カドミウム、及び20-30wt%のインジウムを含むインジウム-ガリウムのうちの少なくとも1を含む、
請求項24に記載の製造物。 - 前記バルク金属ガラスはんだ材料が、深い共晶融点及び非対称の液相線を有する、請求項24に記載の製造物。
- 前記バルク金属ガラスはんだ材料が、2元合金及び3元合金のうちの少なくとも1を有する、請求項24に記載の製造物。
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