TW202015904A

TW202015904A - 混成高溫無鉛焊料預成形物

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Publication number: TW202015904A
Application number: TW108118398A
Authority: TW
Inventors: 宏聞張; 秋水吳; 強納森敏特; 寧成李
Original assignee: 美商銦業公司
Priority date: 2018-05-29
Filing date: 2019-05-28
Publication date: 2020-05-01
Also published as: US20190366486A1; TWI821296B; US10888958B2; WO2019231749A1

Abstract

本發明係關於無鉛焊料預成形物，其包括芯層及塗佈於該芯層表面上方之黏著層，其中該預成形物實現該等芯及黏著層之組成焊料合金之組合優點，以在高溫焊料應用(例如黏晶)中提供高溫性能及經改良潤濕。該芯層可由固相線溫度高於260℃之Bi合金形成，且該黏著層可由固相線溫度低於245℃之Sn、Sn合金、Bi合金、In或In合金形成。該焊料預成形物可使用諸如以下技術形成：(1) 利用黏著材料電鍍芯帶，(2)將黏著材料箔包覆於芯帶上，及/或(3) 將芯帶浸於熔化黏著合金浴中以使黏著材料之薄層黏著至芯帶。

Description

混成高溫無鉛焊料預成形物

本發明概言之係關於焊料預成形物，且更特定而言，一些實施方案係關於用於高溫焊料接頭應用之焊料預成形物。

因電子總成之丟棄產生之鉛(Pb)被視為對環境及人類健康有害。法規越來越多地禁止在電子互連及電子封裝工業中使用基於Pb之焊料。已廣泛地研究無Pb焊料用以代替傳統共晶Pb-Sn焊料。基於SnAg、SnCu及SnAgCu之焊料已成為半導體及電子工業中形成互連之常用焊料。然而，用以代替習用高鉛焊料(即，Pb-5Sn及Pb-5Sn-2.5Ag)之高熔化溫度之無Pb焊料之開發仍在初始階段。

高熔化溫度焊料之常見用途係用於黏晶應用。在黏晶期間，將含有積體電路之晶粒結合至基板、封裝或另一晶粒以形成電子裝置/組件。在該等應用中，黏晶後製得之電子裝置/組件用於後續表面安裝製程。舉例而言，矽晶粒可使用高熔化溫度焊料焊接至引線框以形成總成。隨後，藉由焊接或機械緊固而將矽晶粒/引線框總成(經囊封或未經囊封)附接至印刷線路板(PWB)上。製造期間，該板可再暴露於幾個回流焊接製程以將其他表面安裝組件結合至同一板上。在該等進一步焊接製程期間，應很好地維持矽晶粒與引線框之間之內部連接。此需要高熔化溫度焊料抵抗多個回流焊接製程而不會出現任何功能故障。因此，為與工業中使用之焊料回流曲線相容，對高溫焊料之主要要求包括：(i) 約260℃及以上之熔化溫度(根據典型焊料回流曲線)，(ii)良好的耐熱疲勞性，(iii)高熱/電導性，及(iv)低成本。

目前工業上可用之無鉛滴入式(drop-in)替代品係有限的。一種建議替代品包括固相線溫度為262℃之Bi-Ag合金，其滿足用於高溫黏晶焊料之熔化溫度要求。然而，由於Bi與表面處理層材料之間差的反應化學，故Bi-Ag在常用表面處理層材料上不能提供良好潤濕。此導致源於差的潤濕之弱結合界面。因此，Bi-Ag合金單獨不能正確地作為焊料材料用於結合。

已進行一些嘗試以藉由將Sn合金化於BiAg中來改質Bi-Ag與表面處理層之間之反應化學。Sn與常用表面處理層材料(例如Cu、Ag、Ni、Au等)具有良好反應化學。然而，將Sn直接合金化於Bi-Ag中可造成熔化溫度之顯著降低(若過多Sn經合金化)或在合金中形成Ag3Sn金屬間化合物(IMC)相。舉例而言，若過多Sn經合金化，則過量Sn在Bi基質中形成低熔點Bi-Sn相，此將使得自此一焊料形成之焊料接頭不適於高溫焊接。另一方面，合金中Ag3Sn IMC相之形成可能不允許改良Sn與基板金屬之間之反應化學。在回流焊接期間，Ag3Sn需要時間以溶解返回至熔化Bi基質中以釋放游離Sn。該等游離Sn擴散至界面並與表面處理層材料反應以提供潤濕。然而，在大多數情形中，在游離Sn釋放之前發生熔化Bi基質之去潤濕。去潤濕之後，焊料後退。甚至在游離Sn釋放之後，Bi基質亦不會返回至其退出之區域。因此，將Sn直接合金化至Bi-Ag合金中顯示最小改良。

受讓給Indium之美國專利第9,017,446號闡述解決該等問題之混合合金焊料膏，其由兩種不同的焊料粉末及助銲劑構成。第一高熔化溫度焊料粉末提供最終焊料接頭之良好機械性能及熱/電行為。在第一焊料粉末之前熔化之第二焊料粉末控制在各種常用結合表面處理層上之潤濕及界面IMC形成，而不破壞最終接頭之高熔化溫度。

目前業內沒有自單一合金段擠出/輥壓/衝壓出之提供以下各項之高溫無鉛焊料預成形物：i)良好的高熔化溫度性能(例如，在260℃及以上)，ii)對於諸如黏晶之應用的經改良潤濕性能，及iii)低成本。

本揭示內容闡述無鉛焊料預成形物，其包括芯層及塗佈於該芯層表面上方之黏著層，其中預成形物實現芯及黏著層之組成焊料合金之組合優點，以在高溫焊料應用(例如黏晶)中提供高溫性能及經改良潤濕。

在一個實施例中，焊料預成形物包括：芯層，其包括固相線溫度高於260℃之第一焊料合金，其中該第一焊料合金係Bi合金；及塗佈於該芯層上方之黏著層，該黏著層包括固相線溫度低於245℃之第二焊料合金或金屬，其中該第二焊料合金或金屬係Sn、Sn合金、Bi合金、In或In合金。

在實施方案中，黏著層具有經設計厚度，使得在焊接期間有足夠潤濕且在焊接回流之後焊料接頭內部沒有低熔點相。

在實施方案中，芯層可具有介於約1與8密耳之間之厚度。在其中黏著層由金屬Sn構成之實施方案中，黏著層可具有介於約0.1與7微米之間之最小厚度。在其中黏著層由Bi-Sn構成之實施方案中，黏著層可具有介於約0.1與52微米之間之最小厚度。

在實施方案中，第二焊料合金可為Sn-Ag合金、Sn-Cu合金、Sn-Ag-Cu合金、Sn-Ag-Cu-X (X= Al、Au、Bi、Co、Ga、Ge、In、Mn、Ni、P、Pd、Pt、Sb或Zn)合金、Sn-Zn合金、Sn-In合金或Sn-In-X (X= Ag、Al、Au、Bi、Co、Cu、Ga、Ge、Mn、Ni、P、Pd、Pt、Sb或Zn)合金。

在特定實施方案中，第二焊料合金可為Bi-Sn合金、Bi-Sn-X (X= Ag、Al、Au、Co、Cu、Ga、Ge、In、Mn、Ni、P、Pd、Pt、Sb或Zn)合金、Bi-In合金或Bi-In-X (X= Ag、Al、Au、Co、Cu、Ga、Ge、Mn、Ni、P、Pd、Pt、Sb或Zn)合金。

在實施方案中，第一焊料合金可為Bi-Ag合金、Bi-Cu合金、Bi-Ag-Cu合金或Bi-Sb合金。

在一個實施例中，製作焊料預成形物之方法包括：形成第一焊料合金之芯層，該第一焊料合金具有高於260℃之固相線溫度，其中該第一焊料合金係Bi合金；及將黏著層添加至所形成芯層之表面上，該黏著層包括固相線溫度低於245℃之第二焊料合金或金屬，其中該第二焊料合金或金屬係Sn、Sn合金、Bi合金、In或In合金。

在實施方案中，形成該芯層包括形成第一合金之焊料帶，其中添加黏著層包括添加第二焊料合金或金屬至該帶之表面，其中該方法進一步包括：在添加該黏著層後，輥壓該帶至期望厚度；及自該輥壓帶衝壓或切割預成形物。

在實施方案中，添加黏著層至該帶之表面包括：利用由第二焊料合金或金屬製成之黏著材料電鍍該帶之表面。

在實施方案中，添加黏著層至該帶之表面包括：將由第二焊料合金或金屬製成之黏著材料箔包覆於該帶之頂部側及底部側上。

在實施方案中，添加黏著層至該帶之表面包括：將該帶浸於第二焊料合金或金屬之熔化浴中。

在實施方案中，形成第一合金之焊料帶包括：將第一焊料合金澆鑄、擠出並輥壓成帶。

結合附圖自以下詳細描述將明瞭本發明之其他特徵及態樣，該等附圖以實例方式圖解說明本發明實施例之特徵。本發明內容不欲限制本發明之範圍，本發明之範圍僅由本文隨附申請專利範圍來定義。

本文所揭示之技術係關於無鉛焊料預成形物，其包括芯層及塗佈於該芯層表面上方之黏著層，其中預成形物實現芯及黏著層之組成焊料合金之組合優點，以在高溫焊料應用(例如黏晶)中提供高溫性能及經改良潤濕。根據實施方案，可藉由使用本文所述之焊料預成形物達成之性能益處包括：(1)形成熔化溫度為260℃及以上之焊料接頭；(2)良好的熱疲勞性能；(3)良好的熱導率及/或電導率，及(4)與其他無鉛選項相比，相抵較低之應用成本。

根據實施方案，焊料預成形物之芯層可由具有高熔化溫度且展現良好機械性質及可接受之熱/電導性之第一合金構成。焊料預成形物之黏著層塗層可由第二合金構成，以提供優良反應化學以在基板之各種常用表面處理層(例如Cu、Ag、Ni、Au)上進行潤濕。

本文所述之其他實施方案係關於製備本文所述焊料預成形物之方法及利用焊料預成形物接合電子組件及/或機械部件之方法。舉例而言，所述焊料預成形物之芯-黏著結構可使用諸如以下之技術製造：(1)利用黏著材料電鍍芯帶，(2)將黏著材料箔包覆於芯帶上，及/或(3)將芯帶浸於熔化黏著合金浴中以使黏著材料之薄層黏著至芯帶。

圖1圖解說明根據實施方案焊料預成形物100之矩形橫截面。儘管在此實例中圖解說明具有矩形橫截面之板狀焊料預成形物，但應注意，焊料預成形物可包含各種其他標準形狀，例如盤狀、墊圈、框架、正方形、小球或一些其他標準形狀或非標準形狀(例如，用於特殊應用)。如所示，預成形物100包括芯層110及塗佈或以其他方式形成於芯層110表面上方之一或多個黏著層120，該一或多個黏著層在焊接期間接觸結合基板。舉例而言，芯層110可自第一合金之帶形成，且黏著層120可藉由將帶浸於第二金屬或合金之浴中、利用第二合金電鍍帶或將第二合金之箔包覆於帶上形成。儘管在此實例中，黏著層120顯示為形成於芯層110之頂部及底部表面上方，但應瞭解，在一些實施方案中，預成形物可經形成使得黏著層塗佈芯層之所有或實質上所有表面。

根據實施方案，芯層110包含具有高熔化溫度(例如260℃或更高之固相線溫度)且展現良好機械性質及可接受熱/電導性之合金。焊料預成形物之黏著層120包含第二金屬或合金，其具有較芯層合金低之熔化溫度且經構形以提供優良反應化學以在基板之各種常用表面處理層(例如Cu、Ag、Ni、Au)上進行潤濕。舉例而言，在預成形物外部上之黏著層合金可經選擇以控制IMC沿結合界面之形成並增強焊料預成形物之結合強度，而不損害由芯層合金提供之高溫性能。

舉例而言，圖2圖解說明根據實施方案使用焊料預成形物100之回流焊接製程。如所圖解說明，可將焊料預成形物100放置於基板(例如Cu或Ni基板) 210上，且裝置220 (例如晶粒)可放置於焊料預成形物上以形成總成。回流期間，總成之溫度升至高於黏著層之金屬或合金的熔化溫度Tm(B)。塗佈芯層之黏著層的金屬或合金熔化225，而芯層合金保持為固體。黏著層之合金的優良表面反應化學將促進芯層合金在基板上之潤濕。此導致在黏著層之熔化合金與基板210之間形成IMC層230且在黏著層之熔化合金與裝置220之間形成IMC層231。因此，IMC層之厚度可由黏著層合金之厚度及/或數量來控制。

另外，黏著層之合金可經設計以對芯層之合金具有良好親和力。此親和力可由以下各項判定：(1)合金之間之負混合焓，及/或(2)由來自合金之組成元素構成之共晶相之形成。在一些實施方案中，此親和力導致一些芯層合金溶於熔化的黏著層合金中以形成二者之混合物235。

隨著溫度升高高於芯合金之熔化溫度Tm(A)，芯合金完成熔化，形成芯層與剩餘黏著層合金之熔化溶液240，其潤濕IMC層230-231。由於總成維持高於Tm(A)，故黏著層合金或黏著層之反應性元素可藉由連續形成界面IMC而自溶液耗盡，並留下熔化芯層合金245。

在一些實施例中，除形成IMC層以外，來自黏著層合金之過多成分可與來自芯層合金之成分一起併入IMC中，以使得接頭內部完全沒有低熔點相。

當總成冷卻時，形成將基板210結合至IMC 230並將裝置220結合至IMC 231之焊料凸塊或接頭250，該焊料凸塊或接頭結合至凝固芯層合金。凝固後，已達成具有經改良結合界面之同質焊料接頭。

對於高溫焊料應用，芯層合金可選自各種高熔點焊料合金。在一些實施例中，可使用固相線溫度為約260℃及以上之富Bi合金，例如Bi-Ag、Bi-Cu及Bi-Ag-Cu。黏著層合金可選自具有較低熔化溫度且顯示優良化學性質以潤濕及黏著至各種金屬化表面處理層且對熔化Bi顯示良好親和力之合金。在實施例中，黏著層合金可經選擇以具有約245℃及以下之固相線溫度。

在實施例中，黏著層合金將在富Bi合金之前或與含Bi合金一起熔化且然後容易地潤濕及黏著至基板。在實施方案中，Bi與黏著層合金之間之良好親和力可提供良好潤濕。因此，在一些實施例中，可選擇Sn、含Sn合金、In及In合金作為黏著層之金屬或合金。

在一個實施方案中，預成形物之芯的合金具有約260℃及以上之固相線溫度，且可包含Bi-Ag合金或Bi-Ag-X (X= Al、Au、Co、Ga、Ge、In、Mn、Ni、P、Pd、Pt、Sb、Sn或Zn)合金。在一些Bi-Ag實施方案中，芯合金包含0至30 wt% Ag，其餘為Bi。在特定Bi-Ag實施方案中，芯合金包含2.5至16 wt% Ag，其餘為Bi。在一些Bi-Ag-X實施方案中，芯合金包含大於0至20 wt% Ag、大於0至5 wt% X，其餘為Bi。在特定Bi-Ag-X實施方案中，芯合金包含大於0至16 wt% Ag、大於0至2 wt% X，其餘為Bi。

在一個實施方案中，預成形物之芯的合金具有約270℃及以上之固相線溫度，且可包含Bi-Cu合金或Bi-Cu-X (X= Al、Au、Co、Ga、Ge、In、Mn、Ni、P、Pd、Pt、Sb、Sn或Zn)合金。在一些Bi-Cu實施方案中，芯合金包含大於0至5 wt% Cu，其餘為Bi。在特定Bi-Cu實施方案中，芯合金包含0.2至1.5 wt% Cu，其餘為Bi。在一些Bi-Cu-X實施方案中，芯合金包含大於0至5 wt% Cu、大於0至5 wt% X，其餘為Bi。在特定Bi-Cu-X實施方案中，芯合金包含大於0至5 wt% Cu、大於0至2 wt% X，其餘為Bi。

在一個實施方案中，預成形物之芯的合金具有約270℃及以上之固相線溫度，且可包含Bi-Sb合金或Bi-Sb-X (X= Ag、Al、Au、Co、Cu、Ga、Ge、In、Mn、Ni、P、Pd、Pt、Sb、Sn或Zn)合金。在一些Bi-Sb實施方案中，芯合金包含大於0至20 wt% Sb，其餘為Bi。在特定Bi-Sb實施方案中，芯合金包含大於0至10 wt% Sb，其餘為Bi。在一些Bi-Sb-X實施方案中，芯合金包含大於0至20 wt% Sb、大於0至10 wt% X，其餘為Bi。在特定Bi-Sb-X實施方案中，芯合金包含大於0至10 wt% Sb、大於0至5 wt% X，其餘為Bi。

在一個實施方案中，預成形物之芯的合金具有約260℃及以上之固相線溫度，且可包含Bi-Ag-Cu合金或Bi-Ag-Cu-X (X= Al、Au、Co、Ga、Ge、In、Mn、Ni、P、Pd、Pt、Sb、Sn或Zn)合金。在一些Bi-Ag-Cu實施方案中，芯合金包含大於0至20 wt% Ag、大於0至5 wt% Cu，其餘為Bi。在特定Bi-Ag-Cu實施方案中，芯合金包含2.5至16 wt% Ag、0.2至1.5 wt% Cu，其餘為Bi。在一些Bi-Ag-Cu-X實施方案中，芯合金包含大於0至20 wt% Ag、大於0至5 wt% Cu、大於0至5 wt% X，其餘為Bi。在特定Bi-Ag-Cu-X實施方案中，芯合金包含大於0至16 wt% Ag、大於0至1.5 wt% Cu、大於0至2 wt% X，其餘為Bi。

在各實施方案中，預成形物之黏著層可具有介於約100℃與250℃之間之固相線溫度。其可由Sn、Sn合金、In或In合金構成。

在一個實施方案中，預成形物之黏著層係由金屬Sn或SnSb合金構成，且具有介於約231℃與245℃之間之熔化溫度。

在一個實施方案中，預成形物之黏著層包含Sn-Ag合金，且具有約221℃及以上之熔化溫度。在一些實施方案中，黏著層合金包含大於0至10 wt% Ag，其餘為Sn。在特定實施方案中，黏著層合金包含大於0至5 wt% Ag，其餘為Sn。

在一個實施方案中，預成形物之黏著層包含Sn-Cu合金，且具有約227℃及以上之熔化溫度。在一些實施方案中，黏著層合金包含大於0至5 wt% Cu，其餘為Sn。在特定實施方案中，黏著層合金包含大於0至2 wt% Cu，其餘為Sn。

在一個實施方案中，預成形物之黏著層包含Sn-Ag-Cu合金，且具有介於約217℃及以上之間之熔化溫度。在一些實施方案中，黏著層合金包含大於0至10 wt% Ag、大於0至5 wt% Cu，其餘為Sn。在特定實施方案中，黏著層合金包含大於0至5 wt% Ag、大於0至2 wt% Cu，其餘為Sn。

在一個實施方案中，預成形物之黏著層包含Sn-Ag-Cu-X合金(X= Al、Au、Bi、Co、Ga、Ge、In、Mn、Ni、P、Pd、Pt、Sb或Zn)，且具有在約200℃及以上之間之熔化溫度。在一些實施方案中，黏著層合金包含大於0至10 wt% Ag、大於0至5 wt% Cu、大於0至5 wt% X，其餘為Sn。在特定實施方案中，黏著層合金包含大於0至5 wt% Ag、大於0至2 wt% Cu、大於0至2 wt% X，其餘為Sn。

在一個實施方案中，預成形物之黏著層包含Sn-Zn合金，且具有約190℃及以上之熔化溫度。在一些實施方案中，黏著層合金包含大於0至20 wt% Zn，其餘為Sn。在特定實施方案中，黏著層合金包含1至11 wt% Zn，其餘為Sn。

在一個實施方案中，預成形物之黏著層包含Sn-Bi合金或Bi-Sn-X (X= Ag、Al、Au、Co、Cu、Ga、Ge、In、Mn、Ni、P、Pd、Pt、Sb或Zn)合金，且具有約100℃及以上之熔化溫度。在一些Sn-Bi實施方案中，黏著層合金包含2至95 wt% Sn，其餘為Bi。在特定Bi-Sn實施方案中，黏著層合金包含2至42 wt% Sn，其餘為Bi。在一些Sn-Bi-X實施方案中，黏著層合金包含2至50 wt% Sn、大於0至30 wt% X，其餘為Bi。在特定Sn-Bi-X實施方案中，黏著層合金包含2至42 wt% Sn、大於0至5 wt% X，其餘為Bi。

在一個實施方案中，預成形物之黏著層包含Sn-In合金或Sn-In-X (X= Ag、Al、Au、Bi、Co、Cu、Ga、Ge、Mn、Ni、P、Pd、Pt、Sb或Zn)合金，且具有約100℃及以上之熔化溫度。在一些Sn-In實施方案中，黏著層合金包含大於0至50 wt% In，其餘為Sn。在特定Sn-In實施方案中，黏著層合金包含1至40 wt% In，其餘為Sn。在一些Sn-In-X實施方案中，黏著層合金包含大於0至50 wt% In、大於0至30 wt% X，其餘為Sn。在特定Sn-In-X實施方案中，黏著層合金包含1至40 wt% In、大於0至5 wt% X，其餘為Sn。

在一個實施方案中，預成形物之黏著層包含In-Bi合金或In-Bi-X (X= Ag、Al、Au、Co、Cu、Ga、Ge、Mn、Ni、P、Pd、Pt、Sb或Zn)合金，且具有約100℃及以上之熔化溫度。在一些Bi-In實施方案中，黏著層合金包含大於0至50 wt% In，其餘為Bi。在特定Bi-In實施方案中，黏著層合金包含1至20 wt% In，其餘為Bi。在一些In-Bi-X實施方案中，黏著層合金包含大於0至50 wt% In、大於0至30 wt% X，其餘為Bi。在特定In-Bi-X實施方案中，黏著層合金包含大於0至20 wt% In、大於0至5 wt% X，其餘為Bi。

在各實施方案中，黏著層之厚度可經調整以滿足焊料預成形物之以下性質：(1) 改良反應化學及結合期間之潤濕行為；(2) 所形成之焊料接頭無過低熔點相；及(3) 對預成形物之最終幾何規格無損害。為滿足要求，芯層及黏著層二者之合金組成之設計以及黏著層相對於芯層之最小厚度必須遵循實用公式。舉例而言，黏著層之最小厚度可端視芯層之厚度、芯層之合金組成及黏著層自身之組成進行控制。

在一個實例設計中，利用Bi-Ag作為芯層且純Sn作為黏著層，開發數學模型以將純Sn之最小黏著層厚度「t」對芯層厚度「a」及Bi-Ag芯層中之Ag含量「y」之依賴性關聯。下表1說明使用此模型推導之「t」對「a」及「y」之實例依賴性。圖9係圖解說明最小厚度(以微米計)相對於Bi-Ag芯層中之Ag含量%及芯層之厚度芯層(以密耳計)之關係的圖表。在此實例中，黏著層之最小厚度係基於不考慮任何界面反應而在回流後不再存在低熔點Bi-Sn相之設計來計算。考慮到Bi-Sn黏著層中之Sn與封裝之表面處理層之間之界面反應(其中消耗Sn以形成界面IMC)，可增加黏著層厚度而不會在回流後留下低熔點相。精確黏著層厚度可基於芯層及黏著層合金二者之組成、芯層厚度及接合封裝之表面處理層來計算。而且，混成預成形物之設計可考慮界面反應，其包括回流溫度、時間及表面處理層金屬化。表 1 ：純 Sn 黏著層 厚度「 t 」對 Bi-Ag 芯層 厚度「 a 」及 Bi-Ag 芯層中之 Ag 含量 % 「 y 」之依 賴性

在另一實例設計中，利用Bi-15Ag作為芯層且Bi-Sn合金作為黏著層，開發數學模型以發現Bi-xSn黏著層厚度「t」對芯層厚度「a」及Bi-Sn (或對於100%，Sn)黏著層中之Sn% 「x」之依賴性。表2說明使用此模型推導之實例依賴性。圖10係顯示Bi-Sn或Sn黏著層之最小厚度(以微米計)相對於芯層厚度(以密耳計)及芯層及黏著層二者之組成之關係的圖表。表 2 ：黏著層 厚度「 t 」對 Bi-Ag 芯層 厚度「 a 」及 Bi-Sn 黏著層中之 Sn 含量「 x 」之依 賴性

圖3係圖解說明根據本文所述之實施方案形成預成形物之實例方法的操作流程圖。為簡單起見，可自此說明省略一些製程操作(例如預成形物形成期間或之後之清潔/洗滌/乾燥)。

在操作310，可形成芯層合金之帶。舉例而言，可將富Bi焊料合金(例如BiAg)澆鑄，擠出並輥壓成帶。在操作320，將包括第二金屬或焊料合金之黏著層添加至芯帶之表面上以形成芯-黏著層狀帶。

在一個實施方案中，黏著層可藉由利用黏著材料(例如由Sn金屬或Bi-Sn合金製得之材料)電鍍芯帶(例如BiAg芯帶)之表面來添加。圖4A-4B係圖解說明將純Sn電鍍於Bi-11Ag芯帶之表面上後芯-黏著層狀帶之一個實例的電子顯微照片。圖4A係圖解說明電鍍後帶之橫截面的顯微照片。圖4B係圖解說明Sn電鍍層之晶粒形態的顯微照片。在此實例中，在168微米厚芯層之每一側上，電鍍層厚度為約28微米。視處理條件而定，電鍍層之平均厚度可在約5至30微米之間變化。

在另一實施方案中，黏著層可藉由將黏著材料箔(例如由Sn金屬或Bi-Sn合金製得之箔)包覆於芯帶(例如BiAg芯帶)之兩側來添加。包覆期間，芯帶可放置於兩個黏著箔之間，並輥壓總成以將層接合在一起並形成芯-黏著帶。圖5A-5B係圖解說明富Sn合金箔包覆於BiAg芯帶兩側上之後芯-黏著層狀帶之橫截面之兩個實例的電子顯微照片。在圖5A之實例中，芯-黏著層狀帶為約7密耳厚且具有各自約1.2密耳厚之黏著層。在圖5B之實例中，芯-黏著層狀帶為約11密耳厚且具有各自約1密耳厚之黏著層。在各實施方案中，包覆層厚度及芯層厚度可藉由以下控制：(i) 採用芯帶及/或黏著箔之不同厚度；及/或(ii)在輥壓期間控制厚度減小速率。包覆製程之一個優點在於可使黏著層之表面粗糙度最小化。

在另一實施方案中，黏著層可藉由以下方式形成：將芯帶(例如BiAg芯帶)浸於熔化黏著合金浴(例如熔化Sn合金浴)中，並使總成冷卻，以使得黏著合金黏著於芯帶之兩側上。在仍其他實施方案中，可使用其他方法以在芯帶上方形成黏著層。

在操作330，所形成芯-黏著層狀帶可經輥壓以使帶薄至期望厚度及/或使帶之表面(即，黏著層)平滑。在一些實施方案中，可略過此操作。圖6A-6B係圖解說明在輥壓電鍍帶後圖4A-4B之電鍍帶的電子顯微照片。如所圖解說明，BiAg芯層及Sn塗層之厚度已經變薄，且Sn塗層已變得平滑。圖6A係圖解說明電鍍及輥壓後帶之橫截面的顯微照片。圖6B圖解說明輥壓後Sn塗層之壓扁顆粒。

在操作340，可自經輥壓芯-黏著層狀帶衝壓或切割一或多個預成形物。舉例而言，可自帶衝壓或切割板形預成形物、框架形預成形物或其他形狀之預成形物。

圖7A圖解說明自帶衝壓之矩形形狀芯-黏著結構化預成形物。圖7B圖解說明自帶衝壓之框架形芯-黏著結構化預成形物。

在黏晶封裝中測試本文所述芯-黏著結構化預成形物之實施方案。圖8A係圖解說明包括Si晶粒與Cu基板之間之焊料接頭的Si晶粒/Cu基板總成的X-射線影像，其中焊料接頭係自根據本揭示內容之焊料預成形物形成。圖8B係圖解說明圖8A之總成之焊料接頭之顯微結構橫截面的顯微照片。在此實例中，焊料預成形物包含Bi-Ag作為芯層且Sn作為黏著層。如圖8A-8B所圖解說明，封裝中幾乎沒有空隙，且Si晶粒與Cu基板之間所得接頭之顯微結構良好且未檢測到低熔點Bi-Sn相。

儘管上文已闡述所揭示技術之各個實施例，但應理解，該等實施例僅以實例方式給出且不具有限制性。同樣，各圖示可繪示所揭示技術之實例架構或其他構形，藉此有助於理解所揭示技術中可包括之特徵及功能。所揭示技術不限定於所圖解說明之實例架構或構形，但可使用各種替代架構及構形來實施期望特徵。實際上，熟習此項技術者應明瞭可如何實施替代功能、邏輯或物理分區及構形來實施本文所揭示技術之期望特徵。此外，可將除本文所繪示之構成模組名稱之外的眾多不同構成模組名稱應用於各種分區。另外，關於流程圖、操作說明及方法請求項，除非上下文另外指示，否則本文中所展示步驟之順序不應強制命令以相同順序來實施各個實施例以實施所述功能。

雖然上文係根據各實例性實施例及實施方案來闡述所揭示技術，但應理解，在個別實施例中之一或多者中所述之各種特徵、態樣及功能並不將其適用性限於闡述其之特定實施例，而是可單獨或以各種組合應用於所揭示技術之其他實施例中之一或多者，無論是否闡述此等實施例且無論此等特徵是否作為所述實施例之一部分展示。因此，本文所揭示技術之廣度及範圍不應受上述實例性實施例中之任一者限制。

除非另外明確說明，否則此文件中所用術語及片語及其變化形式應理解為開放式而非限制性。作為前述之實例：術語「包括」應理解為意指「包括但不限於」或諸如此類；術語「實例」用於提供所討論物項之實例性例項，而非其窮盡性或限制性列表；術語「一(a或an)」應理解為意指「至少一者」、「一或多者」或諸如此類；且諸如「習用」、「傳統」、「正常」、「標準」、「已知」等形容詞及類似含義之術語不應解釋為將所述物項限制於給定時間段或在給定時間內可用之物項，而應理解為涵蓋現在或未來之任何時間可用或已知之習用、傳統、正常或標準技術。同樣，在此文件提及熟習此項技術者應明瞭或已知之技術之情形下，該等技術涵蓋熟習此項技術者現在或未來之任何時間所明瞭或已知之技術。

在一些情況中，諸如「一或多個」、「至少」、「但不限於」或其他類似片語之擴展詞及片語的存在不應理解為意味著在可能缺少該等擴展片語之情況下，較窄情形係所要或所需的。術語「模組」之使用並不暗示所闡述或主張作為模組之部分之組件或功能性全部構形於共同封裝中。實際上，模組之各個組件中之任一者或全部(無論控制邏輯或其他組件)可組合於單個封裝中或單獨維持且可進一步分佈於多個群組或封裝中或跨越多個位置分佈。

另外，根據實例性方塊圖、流程圖及其他圖解說明來闡述本文所述各個實施例。如熟習此項技術者在閱讀此文件後應明瞭，可實施所圖解說明之實施例及其各種替代而不侷限於所圖解說明之實例。舉例而言，不應將方塊圖及其隨附說明理解為強制要求特定架構或構形。

100:焊料預成形物/預成形物 110:芯層 120:黏著層 210:基板 220:裝置 225:塗佈芯層之黏著層的金屬或合金熔化 230:IMC層/IMC 231:IMC層/IMC 235:混合物 240:熔化溶液 245:熔化芯層合金 250:焊料凸塊或接頭

參照所包括之圖來詳細闡述本文根據一或多個不同實施例所揭示之技術。該等圖僅出於說明目的提供且僅繪示實例實施方案。此外，應注意，為清晰及易於說明，圖中之元件未必按比例繪製。

圖1圖解說明根據本文所述之實施方案焊料預成形物之矩形橫截面。

圖2圖解說明根據本文所述之實施方案使用焊料預成形物之回流焊接製程。

圖3係圖解說明根據本文所述之實施方案形成焊料預成形物之實例方法的操作流程圖。

圖4A係圖解說明根據實施方案將純Sn電鍍於Bi-11Ag芯帶上之後實例芯-黏著層狀帶之橫截面的電子顯微照片。

圖4B係圖解說明圖4A之Sn電鍍層之晶粒形態的電子顯微照片。

圖5A係圖解說明根據實施方案將富Sn合金箔包覆於BiAg芯帶之兩側上之後實例芯-黏著層狀帶之橫截面的電子顯微照片。

圖5B係圖解說明根據實施方案將富Sn合金箔包覆於BiAg芯帶之兩側上之後另一實例芯-黏著層狀帶之橫截面的電子顯微照片。

圖6A係圖解說明輥壓帶之後圖4A之芯-黏著層狀帶之橫截面的電子顯微照片。

圖6B係圖解說明圖6A之Sn電鍍層之晶粒形態的電子顯微照片。

圖7A圖解說明根據實施方案自帶衝壓之矩形形狀之芯-黏著結構化預成形物。

圖7B圖解說明根據實施方案自帶衝壓之框架形狀之芯-黏著結構化預成形物。

圖8A係圖解說明包括Si晶粒與Cu基板之間之焊料接頭之Si晶粒/Cu基板總成的X-射線影像，其中焊料接頭係根據實施方案自焊料預成形物形成。

圖8B係圖解說明圖8A之總成的焊料接頭之顯微結構之橫截面的電子顯微照片。

圖9係圖解說明最小厚度(以微米計)與Bi-Ag芯層中之Ag含量%及芯層之厚度(以密耳計)之關係的圖表。

圖10係顯示Bi-Sn或Sn黏著層之最小厚度(以微米計)與芯層厚度(以密耳計)以及芯層及黏著層之組成之關係的圖表。

該等圖不意欲具有窮盡性或將本發明限制於所揭示之精確形式。應理解，可以修改及替代形式來實踐本發明，且所揭示技術僅由申請專利範圍及其等效內容來限制。

100:焊料預成形物

210:基板

220:裝置

225:塗佈芯層之黏著層的金屬或合金熔化

230:IMC層/IMC

231:IMC層/IMC

235:混合物

240:熔化溶液

245:熔化芯層合金

250:焊料凸塊或接頭

Claims

一種焊料預成形物，其包含：芯層，其包含固相線溫度高於260℃之第一焊料合金，其中該第一焊料合金係Bi合金，塗佈於該芯層上方之黏著層，該黏著層包含固相線溫度低於245℃之第二焊料合金或金屬，其中該第二焊料合金或金屬係Sn、Sn合金、Bi合金、In或In合金。
如請求項1之焊料預成形物，其中該第二焊料合金或金屬係Sn或Sn合金。
如請求項2之焊料預成形物，其中該第二焊料合金或金屬係Sn。
如請求項2之焊料預成形物，其中該第二焊料合金或金屬係Sn-Ag合金、Sn-Cu合金、Sn-Ag-Cu合金、Sn-Ag-Cu-X (X= Al、Au、Bi、Co、Ga、Ge、In、Mn、Ni、P、Pd、Pt、Sb或Zn)合金、Sn-Zn合金、Sn-In合金或Sn-In-X (X= Ag、Al、Au、Bi、Co、Cu、Ga、Ge、Mn、Ni、P、Pd、Pt、Sb或Zn)合金。
如請求項4之焊料預成形物，其中該第二焊料合金係Sn-Ag合金、Sn-Cu合金、Sn-Ag-Cu合金或Sn-Ag-Cu-X (X= Al、Au、Bi、Co、Ga、Ge、In、Mn、Ni、P、Pd、Pt、Sb或Zn)合金。
如請求項5之焊料預成形物，其中該第二焊料合金包含大於0至10 wt% Ag，其餘為Sn；或大於0至5 wt% Cu，其餘為Sn；或大於0至10 wt% Ag及大於0至5 wt% Cu，其餘為Sn；或大於0至10 wt% Ag、大於0至5 wt% Cu及大於0至5 wt% X，其餘為Sn。
如請求項6之焊料預成形物，其中該第二焊料合金包含大於0至5 wt% Ag，其餘為Sn；或大於0至2 wt% Cu，其餘為Sn；或大於0至5 wt% Ag及大於0至2 wt% Cu，其餘為Sn；或大於0至5 wt% Ag及大於0至2 wt% Cu及大於0至2 wt% X，其餘為Sn。
如請求項4之焊料預成形物，其中該第二焊料合金係Sn-In合金或Sn-In-X (X= Ag、Al、Au、Bi、Co、Cu、Ga、Ge、Mn、Ni、P、Pd、Pt、Sb或Zn)合金。
如請求項8之焊料預成形物，其中該第二焊料合金包含大於0至50 wt% In，其餘為Sn；或大於0至50 wt% In及大於0至30 wt% X，其餘為Sn。
如請求項1之焊料預成形物，其中該第二焊料合金或金屬係Bi合金。
如請求項10之焊料預成形物，其中該第二焊料合金或金屬係Bi-Sn合金或Bi-Sn-X (X= Ag、Al、Au、Co、Cu、Ga、Ge、In、Mn、Ni、P、Pd、Pt、Sb或Zn)合金。
如請求項11之焊料預成形物，其中該第二焊料合金包含2至60 wt% Sn，其餘為Bi；或2至50 wt% Sn及大於0至30 wt% X，其餘為Bi。
如請求項10之焊料預成形物，其中該第二焊料合金或金屬係Bi-In合金或Bi-In-X (X= Ag、Al、Au、Co、Cu、Ga、Ge、Mn、Ni、P、Pd、Pt、Sb或Zn)合金。
如請求項13之焊料預成形物，其中該第二焊料合金包含大於0至50 wt% In，其餘為Bi；或大於0至50 wt% In及大於0至30 wt% X，其餘為Bi。
如請求項1之焊料預成形物，其中該第一焊料合金係Bi-Ag合金、Bi-Cu合金、Bi-Ag-Cu合金或Bi-Sb合金。
如請求項15之焊料預成形物，其中該第一焊料合金係Bi-Ag合金或Bi-Ag-X (X= Al、Au、Co、Ga、Ge、In、Mn、Ni、P、Pd、Pt、Sb、Sn或Zn)合金，其中該第一焊料合金包含大於0至30 wt% Ag，其餘為Bi；或大於0至20 wt% Ag及大於0至5 wt% X，其餘為Bi。
如請求項15之焊料預成形物，其中該第一焊料合金係Bi-Cu合金或Bi-Cu-X (X= Al、Au、Co、Ga、Ge、In、Mn、Ni、P、Pd、Pt、Sb、Sn或Zn)合金，其中該第一焊料合金包含大於0至5 wt% Cu，其餘為Bi；或大於0至5 wt% Cu及大於0至5 wt% X，其餘為Bi。
如請求項15之焊料預成形物，其中該第一焊料合金係Bi-Ag-Cu合金或Bi-Ag-Cu-X (X= Al、Au、Co、Ga、Ge、In、Mn、Ni、P、Pd、Pt、Sb、Sn或Zn)合金，其中該第一焊料合金包含大於0至20 wt% Ag及大於0至5 wt% Cu，其餘為Bi；或大於0至20 wt% Ag及大於0至5 wt% Cu及大於0至5 wt% X，其餘為Bi。
如請求項15之焊料預成形物，其中該第一焊料合金係Bi-Sb或Bi-Sb-X (X= Ag、Al、Au、Co、Cu、Ga、Ge、In、Mn、Ni、P、Pd、Pt、Sb、Sn或Zn)合金，其中該第一焊料合金包含大於0至20 wt% Sb，其餘為Bi；或大於0至20 wt% Sb及大於0至10 wt% X，其餘為Bi。
如請求項1之焊料預成形物，其中基於至少該第一焊料合金之組成、該第二焊料合金或金屬之組成及該芯層之厚度，該黏著層具有最小厚度，使得在藉由回流焊接該焊料預成形物所形成之焊料接頭內部沒有低熔點相。
一種製作焊料預成形物之方法，其包含：形成第一焊料合金之芯層，該第一焊料合金具有高於260℃之固相線溫度，其中該第一焊料合金係Bi合金；及將黏著層添加於該所形成芯層之表面上，該黏著層包含固相線溫度低於245℃之第二焊料合金或金屬，其中該第二焊料合金或金屬係Sn、Sn合金、Bi合金、In或In合金。
如請求項21之方法，其中形成該芯層包含形成該第一合金之焊料帶，其中添加黏著層包含將該第二焊料合金或金屬添加至該帶之表面，其中該方法進一步包含：在添加該黏著層後，輥壓該帶至期望厚度；及自該經輥壓帶衝壓或切割預成形物。
如請求項22之方法，其中添加該黏著層至該帶之表面包含利用由該第二焊料合金或金屬製成之黏著材料電鍍該帶之該表面。
如請求項22之方法，其中添加該黏著層至該帶之表面包含將由該第二焊料合金或金屬製成之黏著材料箔包覆於該帶之頂部及底部側上。
如請求項22之方法，其中添加該黏著層至該帶之表面包含將該帶浸於該第二焊料合金或金屬之熔化浴中。
如請求項22之方法，其中形成該第一合金之該焊料帶包含將該第一焊料合金澆鑄、擠出及輥壓成帶。
如請求項22之方法，其中該第一焊料合金係Bi-Ag合金、Bi-Cu合金、Bi-Ag-Cu合金或Bi-Sb合金，且其中該第二焊料合金或金屬係Sn或Sn合金。
一種藉由方法形成之焊料接頭，該方法包含：將焊料預成形物放置於基板上，該焊料預成形物包含：芯層，其包含固相線溫度高於260℃之第一焊料合金，其中該第一焊料合金係Bi合金；塗佈於該芯層上方之黏著層，該黏著層包含固相線溫度低於245℃之第二焊料合金或金屬，其中該第二焊料合金或金屬係Sn、Sn合金、Bi合金、In或In合金；將裝置放置於該焊料預成形物上以形成總成；及回流焊接該總成，以形成將該基板結合至該總成之焊料接頭。
如請求項28之焊料接頭，其中該裝置係包含電路板之Si晶粒。
如請求項29之焊料接頭，其中該基板係Cu基板。
如請求項28之焊料接頭，其中該第一焊料合金係Bi-Ag合金、Bi-Cu合金、Bi-Ag-Cu合金或Bi-Sb合金，且其中該第二焊料合金或金屬係Sn或Sn合金。