TW202331747A - 用於電子元件低溫裝配的導電組合物 - Google Patents

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Abstract

本發明提供 用於低於150°C的溫度下在電子元件之間形成互連件的導電且導熱的組合物，其具有二不同粒子類型。第一粒子類型包含金屬試劑A並且可另外包含合金化促進劑元素(alloying Facilitator element)。1型粒子包含二不同子群組：1A型粒子及1B型粒子。1A型粒子於製程溫度T1下為液體。1B型粒子於低於T1 + 100°C的溫度下為液態。1A型及/或1B型與一或更多用以降低該合金組合物中試劑A的液相線溫度(liquidus temperature)的促進劑元素形成合金。第二粒子類型包含金屬試劑B，其藉由固液相互擴散(solid-liquid interdiffusion)與試劑A反應，形成於T1下為固體的固溶體(solid-solution)及金屬間反應產物。

Description

用於電子元件低溫裝配的導電組合物
本案請求2021年11月23日申請的美國臨時申請案第63/282,604號之優先權，在此以引用的方式併入本文。
本揭示內容關於金屬組合物、其製備方法及其用途。更明確地說，本揭示內容關於利用金屬微粒填料組合的傳導性金屬組合物。
電子業不斷驅向以更小外形實現更高性能及功能。這些驅動力已轉化為支持更高效電路佈線、消除封裝層、將多重元件集積於單一電子封裝件中及複雜工程材料的更小電路特徵、設計及製造方法。這些趨勢加劇的問題包括熱管理及不同材料緊密並置產生的熱機械應力的管理。
其一實例為半導體處理器的封裝，其中將多重半導體晶粒元件及被動元件集積於單一大型封裝件中。除此之外，也包含提供機械穩定性及熱管理的結構以及廣泛電路佈線以將晶片級互連點擴展到與主機板上的電路幾何形狀兼容的圖案。此封裝件中—以及接收主機板內—的過多材料經常導致翹曲，此翹曲會隨著外加熱量而加劇例如在該封裝件裝於該主機板的裝配操作時會遇到這種情況。若該封裝件及/或該主機板翹曲，則會有缺乏共面性(coplanarity)的重大風險，這將導致在該裝配操作期間兩者之間形成較差或不存在的電氣互連。因此，降低該裝配操作的製程溫度可藉由降低該封裝件及主機板的翹曲來減輕此重大風險。
採用低溫裝配製程的障礙為目前與此製程兼容的材料。被動加載導電填料的熱固性黏合劑缺乏高性能計算所需的電氣和熱性能及可靠性。低熔點焊料合金材料提供可接受的性能，但是可能必須在操作或常見熱循環可靠性測試時再熔化，其中黏合上限溫度與所考慮的裝配溫度在相同範圍內。
瞬態液相燒結(TLPS)為可用以解決這些問題的技術。在TLPS糊組合物中，存有二不同類型金屬粒子的混合物。第一類型粒子在或接近裝配程序溫度時變成液體並且含有與第二類型粒子中的元素具反應性的元素該。該第二類型粒子不會隨著該裝配製程溫度變成液體。於該裝配製程溫度下，該第一粒子類型中的反應性元素與該第二粒子類型的反應性元素相互擴散並且快速反應，從而由於新反應產物形成而導致該第一粒子類型中的反應性元素的消耗。所得反應產物的熔化溫度超過該裝配製程溫度。
TLPS糊組合物可像習用焊料糊一樣加工並且形成堅固的冶金接合部以焊接可濕性表面，但是與焊料不同的是，這些組合物本本上會在加工期間產生金屬“熱固物”。此“熱固”特性是有利的，因為該糊狀材料可用以實行低溫裝配而不需要於原始製程溫度下再熔化。
在先前技藝的TLPS組合物中，該第一粒子類型通常包含錫合金並且該第二粒子類型通常包含銅、銀及鎳中之其一或多者。在這些組合物中，錫用作第一類型粒子中的反應性元素並且與銅、銀及鎳具反應性以形成熔點遠高於該製程溫度的結晶金屬間化合物。通常，錫與一或更多其他元素形成合金以提供降低的製程溫度、改進的待接合表面潤濕性或改進的機械特性。
對於低裝配溫度製程，壓抑該錫熔化溫度的合適合金化元素(alloying element)包括銦及鉍。舉例來說，錫的熔點為232°C，但是通過與銦或鉍形成二元合金(binary alloy)，所得合金的熔化溫度可分別降至118°C及138°C，取決於組成。小比例的其他合金化元素可能會進一步壓抑該熔點。
電子元件封裝行業將140°C或以下的製程溫度指定為極低溫裝配製程。為實現該熔融合金的高流量並且確保堅固的接合部，通常該合金的熔化溫度應該至少比該製程溫度低10°C。因此，SnBi共晶合金(eutectic alloy)於138°C下不適合極低溫裝配。相反地，SnIn共晶合金於118°C下的熔化溫度太低而無法承受溫度上限為125°C的典型工業熱循環要求。
In及Bi皆具有其他不利特性。In價格昂貴並且為會與2型粒子中的活性元素形成一系列反應產物的極具反應性的金屬，其中一些具有低熔點及較差的機械特性。鉍很脆並且為極差的導熱及導電體。
若藉由將該SnIn合金的低熔化溫度與TLPS糊組合物中的SnBi合金的降低成本相結合來滿足該行業對極低溫度裝配製程的需求將會是有利的，這減輕了此二合金系列的有害特性藉由用包含Cu、Ag、Ni及其組合的2型粒子取代一些粒子組成以影響熔化溫度超過該製程溫度的反應產物。
本申請專利範圍係有關可於等於或低於140°C的溫度下加工的金屬粒子組合物，具有高度冶金元件選擇特異性，以及所得金屬間產物及其互連網絡。本組合物對熱機械應力具有高耐受性並且具有熱安定性體電阻及界面電阻及熱阻。本組合物可附帶地包含對黏附體及周圍材料具有應用特異性的有機化合物。
目前揭示的組合物包含二類型金屬粒子的混合物，於製程溫度下為液體或半液體(semi-liquid)的類型1及於製程溫度下不是液體的類型2。在目前揭示的組合物中，該1型和2型粒子所含的特定金屬元素經歷類似於有機化學反應的反應。該金屬試劑的引入方式、該金屬試劑的比例及其他金屬物種的存在，即使數量非常少，也對該反應產物具有實質影響。藉由本組合物的反應形成的金屬產物包括合金(固溶體)及金屬間化合物(具有特定元素比例的晶體結構)。與有機化學中的試劑經常引入促進基團(facilitating group) (例如，離去基例如鹵素或對甲苯磺酸根)非常相似，1型粒子除了主要金屬元素試劑外也可能包含促進金屬元素(facilitating metal element)。此外，與有機反應一樣，本案的一些組合物採用對該金屬反應產生催化作用的金屬元素。
將本發明組合物中發生反應形成金屬間化合物的金屬元素指定為金屬試劑A (存在於類型1粒子中)及金屬試劑B (存在於類型2粒子中)。在實施時，該1型粒子變成液體或半液體，因此液體試劑A可能與試劑B參與液固相互擴散，導致於製程溫度T1下為固體的金屬溶液及金屬間化合物晶體。該1型粒子於T1下的液化或接近液化藉由一或更多合金金屬元素來實現，將這些金屬元素指定為促進劑。促進劑元素藉由壓抑該1型粒子的熔點促進該液固相互擴散，使得至少一部分1型粒子於製程溫度T1下為液體。1型粒子及2型粒子皆可含有該試劑及促進劑元素之外的其他元素。
在該組合物的一些具體實例中，包含試劑A的1型粒子分二易於區分的組引入該組合物。1A型粒子的特徵為於T1下完全是液態，而1B型粒子的特徵為於低於T1+100°C的溫度下完全是液態。
更明確地說，在一些具體實例中，提供的組合物包括粒子及有機載體的混合物，該混合物包含介於約1質量%與約10質量%之間的包含至少一試劑A的1A型粒子；介於約50質量%與約80質量%之間的包含至少一試劑A的1B型粒子；介於約5質量%與約45質量%之間的包含至少一試劑B的2型粒子。
在一些具體實例中，1A型或1B型或1A型和1B型粒子可另外包含至少一促進劑元素；其中1A型粒子中的前述促進劑元素可與1B型粒子中的促進劑元素的元素類型及/或比例不同。
在本揭示內容的某些態樣中，試劑A及試劑B於T1下反應形成於T1下為固體的金屬溶液及金屬間化合物晶體。在該組合物的其他態樣中，試劑A進一步與包含選自由Sn、Ag、Au、Ni、Pd及Cu所組成的群組之元素的表面反應以於此表面上產生金屬接合部。
本揭示內容也提供由本組合物藉由於約80°C與150°C之間的溫度下加工之熱製程形成的固溶體及金屬間化合物產物。
另外提供藉由組合預定比率的1A型粒子、1B型粒子、2型粒子及該有機載體以形成元素混合物來製造本揭示內容的組合物之方法，其中該有機載體將該粒子一起保持於混合物中並且通常包含助熔劑(flux)。該有機載體也可含有樹脂、聚合物、反應性單體、揮發性溶劑及其他填料。
本揭示內容也提供藉由將一定量的本文所述的粒子混合物組合物施於至少二部件的裝配件來製造導電且導熱的互連件的方法，其中該至少二部件被電互連在一起，將該組合物加熱至溫度Tl，其中Tl介於約80°C與約150°C之間，其中該組合物中的試劑A及試劑B反應形成固溶體及金屬間化合物，其中該固溶體及金屬間化合物產物具有導電性及導熱性。在本揭示內容的一些具體實例中，該固溶體及金屬間物種的熔化溫度比該加工溫度T1高至少10℃。
咸能理解前述一般描述及下列詳細描述皆僅為示範及解釋性的，而不是對請求保護的標的之限制。如本文所用的，除非另行明確指明，否則單數的使用包括複數。
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凡在本文中出現，整數值的數值範圍例如“1至20”表示於給定範圍內的各整數；例如，“1至20個百分比”意指該百分比可能是1%、2%、3%等等直到並且包括20%。本文所述的範圍包括小數值，例如“1.2%至10.5%”，該範圍表示該給定範圍內表示的最小增量的各小數值；例如，“1.2%至10.5%”意指該百分比可能是1.2%、1.3%、1.4%、1.5%等等直到並且包括10.5%；而“1.20%至10.50%”意指該百分比可為1.20%、1.21%、1.22%、1.23%等等直到並且包括10.50%。 措辭、定義及縮寫
如本文所用的措辭“約”意指被稱為“約”的數字包含列舉數字加減該列舉數字的1至10%。舉例來說，“約”100度可視情況而定意指95至105度或少至99至101 度。
措辭“合金”表示含有二或更多金屬及視需要地額外的非金屬之混合物，其中該合金的元素在熔化時熔合在一起或溶入彼此。本揭示內容提及的合金組成由構成元素的重量百分比來界定。
如本文所用的，“助熔劑”表示促進金屬熔合，特別是移除並防止金屬氧化物形成的物質，其經常為酸或鹼。
如本文所用的，措辭“液相線溫度”表示固體於大氣壓下變為液體的溫度(點)。
如本文所用的，措辭“1A型粒子”表示液相線溫度等於或低於約150°C的金屬粒子。
如本文所用的，措辭“1B 型粒子”表示液相線溫度低於約250°C的金屬粒子。
如本文所用的，措辭“2型粒子”表示液相線溫度高於約550°C的金屬。
如本文所用的，措辭“促進劑”表示可與試劑A在1A型或1B型粒子中合金化以降低該粒子的液相線溫度的元素。
措辭“共晶”表示混合物或合金，其中組成部分以熔點盡可能低的比例存在，各成分同時熔化。因此，共晶合金或混合物於單一溫度下液化。
措辭“非共晶”表示不具有共晶性質的混合物或合金。因此，當非共晶合金液化時，其元件於不同溫度下液化，顯現出低於液相線溫度的熔化範圍。
措辭“差示掃描量熱法”(“DSC”)表示將使樣品及參考物的溫度升高所需的熱量差異當作溫度函數測量之熱分析方法。
措辭“燒結”表示金屬粉末粒子的相鄰表面藉由加熱黏合在一起的製程。“液相燒結”表示該固體粉末粒子與液相共存的燒結形式。當該金屬相互擴散並且形成新的合金及/或金屬間物種時就會發生該混合物的緻密化及均質化。
提及粉末時，措辭“瞬態液相燒結”或“TLPS”描述由於該金屬均質化形成固體合金的混合物及/或金屬間物種使得液體僅存在很短的時間之製程。該液相在周圍的固相中具有非常高的溶解度，因此迅速擴散到該固體中並且最終凝固。擴散均質化產生最終組合物而無需將該混合物加熱到其平衡熔化溫度以上。
措辭“加工溫度”或“T1”表示試劑A及試劑B (兩者皆在本案下文中詳細描述並討論)反應形成固溶體及金屬間物種的溫度。
措辭“金屬間化合物”或“金屬間物種”表示包含二或更多金屬原子按一定比例的固體材料，其具有不同於其組成金屬的確切結構。
措辭“體電阻率”表示“整塊”材料的固有電阻，即與形狀或尺寸無關。
如本文所用的，措辭“實質上”表示指定物種的比例高於90個重量百分比。
在包含粉末冶金的TLPS組合物中，混合了包含試劑A及試劑B的粒子。當溫度升高到加工溫度T1時，至少一包含試劑 A 的粒子類型變成液體。此轉變可在差示掃描量熱法(DSC)中以吸熱事件的方式觀察到。這些粒子中的試劑A接著與試劑B反應形成於T1下為固體的固溶體及金屬間化合物。該固溶體及金屬間反應產物的形成可在DSC中以放熱事件的方式觀察到。因此，該典型TLPS DSC“特徵”為吸熱後放熱。可採液體形式利用的試劑A及可採固體形式的試劑B之擴散及反應繼續進行到該試劑完全耗盡為止，於該製程溫度下不再有液相，或藉由冷卻該混合物使該反應淬滅。冷卻之後，其後的溫度劇增(temperature excursion)，甚至超過原始熔化溫度，不會重現該混合物的原始熔化特徵。這就是典型瞬態液相燒結金屬混合物的DSC“特徵”。
然而，如上所述，TLPS受限於該試劑A和試劑B的比例，其一可能在加工成該反應產物的期間耗盡。當試劑A過量時，在僅包括含試劑A的單一粒子類型的先前技藝TLPS組合物中，具有不合宜性質的殘留促進劑金屬(例如，Bi)在加工後的混合物中也佔很大比例。相反地，當試劑B過量時，一旦該液化粒子中的試劑A耗盡，則使試劑A與試劑B之間迅速形成額外反應產物的能力便耗盡了。試劑A與試劑B之間的固態相互擴散可能會繼續，但是速度會實質上降低。
先前技藝的組合物教導將多重Sn基合金與銅結合以於低於至少一合金熔點的溫度下進行TLPS加工的用途。Shearer等人(美國專利第8,221,518號，以引用的方式將其全文併入本文)教導包括粒子混合物的組合物，其包括介於約30質量%至約70質量%之間的第一金屬粒子，該第一金屬粒子包含至少一高熔點金屬；介於約10質量%與約60質量%之間的第二金屬粒子，該第二金屬粒子包含反應性低熔點金屬及載體金屬的合金，其中該反應性低熔點金屬能夠與該高熔點金屬反應形成金屬間化合物；介於約25質量%與約75質量%之間的第三金屬粒子，該第三金屬粒子包含至少40質量%的反應性低熔點金屬；及有機載體。Shearer進一步教導，“藉由摻混或混合合金，可控制在最終加工的TLPS網絡中具有不合宜性質的殘留承載金屬(例如，Bi)的比例，同時使形成的合意金屬間化合物的量最大化。” 然而，Shearer教導由該非熔融合金就地補充該熔融合金中Sn的實際限制每3份非熔融合金對1份熔融合金的比率：“此現像已在該非熔融相與熔融合金相的比例高達3：1的TLPS組合物中觀察到，導致該合物中不合意Bi比例的實質降低。”
本揭示內容係基於下列觀察，即與Shearer的教導相反，實質上較低的熔融(或液態)合金對非熔融合金的比率(在約1：20至約1：2的範圍內)不僅可行，而且在一些組合物及應用中達成更好的性能及可靠度。 本揭示內容的組合物
因此，本揭示內容提供在有機載體中含有三類型金屬粒子的組合物：1A型、1B型及2型。
用最簡單的措辭來說，本發明揭示的組合物由粒子混合物組成，該粒子混合物包含： a. 介於1質量%與10質量%之間且於溫度T1下為液體的1A型粒子，其包含至少一試劑A； b. 介於50質量%與80質量%之間且於介於T1與T1加100℃之間的溫度下為液體的1B型粒子，其包含至少一試劑A； c. 介於約5質量%與約45質量%之間的包含至少一試劑B的2型粒子；及 d. 有機載體；
其中1A型或1B型或1A型和1B型粒子另外包含至少一促進劑元素。
試劑A為採液態的反應性金屬，會與固態試劑B快速相互擴散以形成於製程溫度T1下為固態的固溶體及金屬間化合物。考慮用作試劑A的元素可選自由Sn、In、Ga及其組合所組成的群組。在本揭示內容的一些具體實例中，試劑A為Sn。
促進劑元素係定義為可與1A型及1B型粒子中任一或二者中的試劑A形成合金化降低前述粒子的液相線溫度之元素。例如，當與Ag及Cu形成合金時，Sn的液相線溫度可自232°C降至呈合金形式的217°C。另外，當Sn與Bi或In形成合金時，該元素Sn的液相線溫度可分別於該共晶合金組合物中降至138°C和118°C。當形成非共晶合金時，促進劑元素可能將元素試劑A的液相線溫度降至逐漸形成液相的規定範圍內，導致“糊狀”相，直到達到該合金的液相線溫度為止。因此，該促進劑元素及其於與試劑A的合金中的比例可被獨立地控制以達成期望的結果。考慮用作促進劑的元素包含Bi、In、Pb、Zn、Ag、Cu。某些元素，例如In、Ag及Cu；可存在於組合物中兼作為促進劑及試劑，該促進劑及試劑在各粒子類型中以獨立能力發揮作用。該組合物由三不同粒子類型的特性及實現這些特性各自所需的元素組成來定義，而不是由整體組合物的元素表示法來定義。通過經定義的三粒子類型輸送元素的方法對本揭示內容至關重要。
1A型粒子包含試劑A並且可與至少一促進劑元素形成合金。於溫度T1 (下文討論)下，該1A型粒子為液體。在該揭示內容的一些具體實例中，1A型粒子包含於共晶合金中的Sn及In。該Sn及In的共晶合金具有118°C的液相線溫度，遠低於電子業所需的極低裝配溫度140°C。儘管In很昂貴並且有形成不希望的低熔點金屬間化合物的傾向，但是本發明揭示的組合物中1A型粒子的低比例顯著減輕了這些不利特性。
1B型粒子包含試劑A並且可與至少一促進劑元素形成合金。1B型粒子於低於T1加100°C的溫度下為液態。在該揭示內容的一些具體實例中，1B型粒子包含於非共晶組合物中的元素Sn及Bi。Bi為非常差的導電及導熱體，易碎，並且於與Sn的共晶組合物中，具有差的潤濕特性，導致低裝配品質。然而，在液相線溫度為170攝氏度的非共晶Sn60：Bi40組合物中，本發明揭示的組合物中Bi的總比例仍然相對較低並且該潤濕特性大幅改善。
在一些具體實例中，1A型粒子與1B型粒子的重量比率介於約1：20與約1：2之間。在其他具體實例中，該1A型粒子與1B型粒子的重量比率介於約1：18與約1：4之間。
按本發明揭示的組合物的比例之含有共晶SnIn的1A型粒子及含有非共晶SnBi的1B型粒子之混合物因此有利地利用了In及Bi二者的有利特性，同時減輕了其不利特性。
按本發明揭示的組合物的比例之含有共晶SnIn的1A型粒子及含有共晶SnBi的1B型粒子之混合物顯示出與機械性能及回流穩定性相關的有利特性。
2型粒子包含試劑B。試劑B必須通過該固液擴散機制與於T1下的試劑A反應以形成於T1下為固體的反應產物。考慮用作試劑B的元素係選自由Cu、Ag、Ni及其組合所組成的群組。除試劑B外，類型2粒子可另外包含合金化元素。
包含Cu的2型粒子可以介於約5質量%與約45質量%之間，更佳地介於約7質量%與約40質量%之間，最佳地介於8質量%與約35質量%之間存在。
Cu相對便宜、儲量豐富，與通常用於電子電路元件的冶金相容，熔化溫度超過1,000°C，具延展性，易於以各種粉末形式獲得，並且是優異的電及熱導體。
Ag也特別被考慮作為試劑B用於本發明揭示的組合物，特別是在銅粒子易受後繼製程(例如，銅蝕刻)影響的應用中，或在貴金屬的使用將實質上減少對用以移除粒子上的金屬氧化物之有機助熔劑的需求的情況下。
鎳也相對便宜、儲量豐富，與通常用於電子電路元件的冶金相容。當與Cu結合使用時，Ni可抑制該Cu6Sn5金屬間化合物的形成，該金屬間化合物會於186°C下改變晶型，伴隨著密度變化，那可能對疲勞壽命不利。Ni也呈現比Cu更低的熱膨脹係數，那可提供與極低熱膨脹係數的黏附體(例如Si晶粒)更好的相容性。
在該揭示內容的一些具體實例中，1A型及1B型粒子的試劑A為相同的金屬並且該粒子類型藉由該合金化促進劑元素及/或各自合金中的促進劑元素比例來區分。
在一些具體實例中，該1A型粒子的組合物為共晶的，並且該1B型粒子的組合物為非共晶的。在一些具體實例中，該1B型粒子包含錫合金例如In52Sn48 (共晶合金)。在一些具體實例中，該1B型粒子包含錫合金例如Sn60Bi40 (非共晶合金)或Sn96.5：Ag3.0Cu0.5(SAC305)。在一些具體實例中，該1A型粒子的組合物為共晶的(In52：Sn48)，並且該1B型粒子的組合物為共晶的(Sn42：Bi58)。
該組合物可另外包含額外元素，或者以微粒形式，或作為1型或2型微粒中的合金化元素。在一些具體實例中，包括此額外元素使得於T1下加工的組合物的反應產物將具有針對預期應用的最佳屬性組合。可考慮的屬性通常包含熱穩定性、延展性、高導電及導熱性及與周圍材料相似的熱膨脹係數等。
不欲受任何特定理論的束縛，咸相信由於該液化1A型粒子中的試劑A在與試劑B的反應產物中被消耗掉，所以透過該1B型粒子於該液化1A型粒子中的溶解度供應額外的試劑A。因此，使該液化的1A型粒子於T1下持續原位再生直到試劑A或試劑B的供應耗盡為止。
本組合物中的所有三粒子類型皆可在1至50μm的尺寸範圍內，並且各者皆可以此範圍內的一或更多粒子尺寸分佈存在。此領域之熟知技藝者將理解該2型粒子的尺寸範圍將影響實際可用於T1下與試劑A反應的試劑B的量。
該有機載體可能僅為金屬粒子的載體，用以將該混合物保持在一起以便於應用並且使各種粒子彼此靠近。更典型地，該有機載體的一關鍵屬性為從該粒子表面減少及/或移除金屬氧化物。該金屬氧化物的移除被稱為助熔並且可藉由此領域之習知技藝者已知的多種化學物種來完成，包括有機酸及強鹼。該有機載體的其他屬性將專為該應用程序。例如，在將本發明揭示的金屬組合物用作焊料糊替代品的應用中，整個有機載體可配製成在加工期間揮發。在本金屬組合物用於非金屬表面上的黏附體塗層的應用中，該有機載體可包含起到黏合劑功能的元件。因此，除了助熔組分的必要性之外，該有機載體可包含多種有機成分。
本組合物可藉由稱取規定比例的三類型金屬粒子，將其混合，並且與該有機載體混合以形成糊狀組合物來製備。用於此配方摻混的技術是此領域之習知技藝者眾所周知的。該有機載體的所有粒子及組分皆可從多重來源商購獲得。
製備後，該組合物可接著用於各種裝配應用。舉例來說，於T1或約T1的溫度下加工少於20分鐘的持續時間後，半導體封裝件可使用本組合物機械接合並且電互連於金屬化基板。為了達成使對電子業的這些類型組件造成問題的翹曲問題減少之目的，T1較佳地低於150℃，更佳地低於或等於140℃。
於T1下加工完成後，由本發明揭示的組合物形成的接合部在後繼的熱劇增過程中保持電氣及機械穩定。
本發明揭示的組合物在其中有用的應用的其他實例為將半導體晶粒連接到封裝元件，將經封裝的半導體元件連接到印刷電路板，將其他分立元件連接到電子基板，於堆疊晶粒之間形成連接件，及使電氣子系統通過中介層結構(interposer structure)電互連。
上述組合物可使用各種技術來施加，其包括，但不限於，針頭分配(needle dispensing)、模版印刷、網版印刷、噴墨、擠出、澆鑄、噴塗或此領域習知技藝者已知的其他方法。一旦施加，所述組合物便於烘箱中、加熱板上、回流爐中或藉由常用於加工焊料或經填充的有機黏合劑的其他方式進行熱處理。具體的熱處理條件取決於應用以及TLPS系統和任何有機載體成分的選擇。 實施例
現在將參考本揭示內容的更明確的具體實例及為此具體實例提供支持的實驗結果。下文提供的實施例是為了更充分地舉例說明該揭示標的並且不應被解釋為以任何方式限制本發明揭示的標的。 實施例1
一系列組合物藉由按表1中詳述的比例稱重並混合配方組分來製備： 表1
粒子類型 組合物 比較配方1 配方2 配方3
1A型 In52Sn48 28.6 5 5
1B型 Sn60Bi40 28.6 62 44
1B型 Sn96.5:Ag3.0Cu0.5       19
2型 Cu 42.8 33 32
有機載體 羧酸三烷醇胺鹽助熔劑 4.5 4.5 4.5
有機載體 二醇醚稀釋劑 4.5 4.5 4.5
比率 1A型:1B型 1:1 1:12.4 1:12.6
BGA裝配件用該組合物來製備，其係藉由使用具有對應於該BGA圖案及其接收電路焊墊的孔徑的模板將各自組合物施於電路化基板，將該BGA封裝件置於該圖案化沉積物上，使該BGA-糊-基板裝配件用峰值溫度及15分鐘的總持續時間在氮氣作用之下進行熱暴露。
將該接收基板的電路圖案設計為使所有球必須電連接於該基板或該測試圖案，當探測時，將讀取電開路。
用比較組合物1構建的裝配件中有25%剛加工好時是電開路的。配方2及3皆具有100%的電連接。
最初製備好各糊及各BGA的八裝配件，進行電探測，然後將其插入經設定為-40°C測至125°C的熱衝擊室中。該裝配件於250、500、750及1000次循環時從該熱衝擊室移出並且進行電探測，得到下列表2的結果： 表2
BGA 192 BGA 196
循環 比較配方1 (Ω) 配方2 (Ω) 配方3 (Ω) 比較配方1 (Ω) 配方2 (Ω) 配方3 (Ω)  
0 0.56 0.46 0.47 1.03 0.67 0.7  
250 fell off 0.46 0.83 fell off 0.6 0.98  
500   0.48 1.1   0.86 1.47  
750   0.5 1.37   1.12 1.57  
1000   0.51 1.37   1.26 1.91  
從該數據表可見得，採用本發明組合物2及3的裝配件在嚴格的空對空熱衝擊(air-to-air thermal shock)下保持相對穩定的電氣性能；而比較組合物1具有比本發明組合物裝配件更高的初始阻抗並且受250次衝擊便失去機械完整性(mechanical integrity)。 實施例2
一系列組合物藉由按表3中詳述的比例稱重並混合配方組分來製備： 表3
粒子類型 組合物 配方4 配方5 配方6 比較配方7 比較配方8
1A型 In52Sn48 5 5 5 35 35
1B型 Sn60Bi40 62            
1B型 Sn42Bi58    62         
1B型 Sn80Bi20       62      
2型 Cu 33 33 33    65
   Ag          65   
有機載體 羧酸三烷醇胺鹽助熔劑 4.5 4.5 4.5 4.5 4.5
有機載體 二醇醚稀釋劑 4.5 4.5 4.5 4.5 4.5
比率 1A型:1B型 1:12.4 1:12.4 1:12.4 N/A N/A
0805電阻器裝配件的室溫剪切強度 3.4kg 2.9kg 2.3kg 0.10kg 0.72kg
0805電阻器裝配件的100°C剪切強度 1.9kg 0.4kg 0.5kg 0.02kg 0.11kg
製備上述組合物的裝配件，其係藉由通過具有對應於一組0805晶片電阻器的孔徑的模板將各自糊施於銅基板上，將該0805晶片電阻器的端子置於該圖案化糊沉積物中，及於氮氣對流回流爐中加熱至140°C約15分鐘。
等各裝配件的熱處理完成之後，於室溫及升高溫度下剪切所得的接合部以表徵該接合部的相對強度。將結果彙總於表3。
圖1係將球柵陣列(BGA)電子封裝件100連接到具有銅端子的電子基板之具體實例組合物的橫截面光學圖像。該橫截面圖像中的接合部係於140°C的峰值製程溫度下使用氮氣對流爐形成。各球101包含錫焊料例如SAC305。該導電糊102的接合部包含銅粒子106並且導電地連接該球101及該銅端子110。
圖2及圖3係於使用配方4的140°C製程中連接到基板的大型半導體封裝件200、300的X射線圖像，該配方4也用於圖1所示的具體實例中。將這些球柵陣列(BGA)封裝件分別稱為外圍陣列(peripheral array)及全陣列(full array)。在高溫裝配件中，這些類型的大型封裝件易於翹曲，從而阻止與該陣列中的某些球形成接合部 - 特別是於角落處。用本組合物製成的裝配件的X射線圖像清楚地表明在整個外圍陣列及全陣列上成功地形成接合部。該16x16外圍陣列200包含經由導電糊202連接到電路204及銅端子的球201。電路終端或探針點208及210顯示於該BGA 200的外圍。該14x14全陣列300包含經由導電糊302連接到電路304及銅端子的球301，及探針點308、310。 實施例3
製備三配方：該共晶組合物Bi58：Sn42的習用焊料糊、本發明配方#9及#10。使用表4中的比例，按照前面的實施例製備該配方。 表4
粒子類型    控制組 發明配方9 發明配方10
1A In52:Sn48    5 4.6
1B Sn60:Bi40       56.4
1B Sn42:Bi58 91 76   
2 Cu    10 30
有機載體 羧酸三烷醇胺助熔劑 4.5 4.5 4.5
有機載體 二醇醚稀釋劑 4.5 4.5 4.5
1A:1B的比率    0:1 1:15.2 1:12.3
各配方使用對應於該基板上的圖案及BGA半導體封裝件上的焊球圖案之模板掩模施於圖案化基板。將該BGA封裝件置於該圖案化糊上使該焊球與該糊沉積物接觸。放置後，該BGA-糊-基板裝配件在配備氮氣作為保護氣體(cover gas)的隧道回流爐中進行熱處理。配方9的熱處理具有140℃的峰值溫度，該控制組焊料糊具有165℃的峰值溫度以熔化1A型及1B型粒子，從而使該BGA與基板之間可形成接合部。
一旦經過熱處理，該裝配件就進行掉落測試(drop testing)。該掉落測試由垂直取向的8呎管道部分組成，各裝配件通過該管道重複地從邊緣掉落直到該BGA脫落為止。選擇該管道的直徑使得該裝配件在各掉落循環期間保持於邊緣呈現(on-edge presentation)。每5滴測試一次電氣連續性。該機械結果如下：
樣品 控制組 配方#9 配方#10
掉落到失敗的次數 35 35 5
本實驗證實本發明的配方可於實質上降低的峰值製程溫度下提供與習用焊料相當的機械性能。 實施例4
前一實施例的配方9再次用以藉由與前一實施例相同的熱處理來製造BGA-糊-裝配件。
常見的行業慣例是對由此熱製程形成的接合部進行額外的熱處理循環以確定連接是否保持穩定。
在用配方#9構建的裝配件中，電阻在額外的熱處理循環後沒有變化。
剛加工好(如圖4A例示)及經一額外回流循環後(如圖4B例示)的裝配件橫截面顯示該接合部形態沒有變化，那進一步表明穩定性。各球401a、401b包含錫焊料例如SAC 305。該導電糊402a、402b的接合部包含銅粒子(未顯示)並且導電地接合該球401a、401b及該銅端子410a、410b。
可很容易地確定，使用目前揭示的金屬粒子類型1A系列可於T1下提供全液相，但是當該組合物係於工業要求的140°C溫度下加工時，利用金屬粒子類型1B的優越接合部形成能力可於室溫及升高溫度下提供機械強力接合部。相比之下，僅依賴1A型金屬粒子的配方於140°C下加工時，於室溫及升高溫度下的接合部品質較差。
儘管本發明已針對這些指定實施例進行描述，但是咸應清楚的是在不悖離本發明的精神的情況下，其他修飾及變化也可行。
100:球柵陣列電子封裝件 101:球 102:導電糊 106:銅粒子 110:銅端子 200:外圍陣列 201:球 202:導電糊 204:電路 208:電路終端 210:探針點 300:全陣列 301:球 302:導電糊 304:電路 308、310:探針點 400a:剛加工好的裝配件 400b:經一額外回流循環後的裝配件 401a、401b:球 402a、402b:導電糊 410a、410b:銅端子
所包括的後附圖式是為了提供對本發明揭示的標的之進一步理解並且使其併入並構成本說明書的一部分，其舉例說明本發明揭示的標的之具體實例並且與發明內容一起用以解釋本發明揭示的標的之原理。在該圖式中：
圖1係將球柵陣列(BGA)電子封裝件連接到具有銅端子的電子基板之具體實例組合物的橫截面光學圖像。
圖2及圖3係於140°C製程中使用圖1中所示的具體實例的組合物連接到基板的大型半導體封裝件的X射線圖像。
圖4A及圖4B分別為剛加工好及經一額外回流循環後的組件的橫截面圖。
100:球柵陣列電子封裝件
101:球
102:導電糊
106:銅粒子
110:銅端子

Claims (26)

  1. 一種粒子混合物組合物，其包含： a)    介於約1質量%與約10質量%之間且於溫度T 1下為液體的1A型粒子，該1A型粒子包含至少一試劑A； b)    介於約50質量%與約80質量%之間且於介於T 1與T 1加100℃之間的溫度下為液體的1B型粒子，該1B型粒子包含至少一試劑A； c)    介於約5質量%與約45質量%之間的包含至少一試劑B的2型粒子； 及 d)    有機載體； 其中試劑A及試劑B為金屬，並且其中1A型或1B型或1A型和1B型粒子可另外包含至少一促進劑元素。
  2. 如請求項1之組合物，其中試劑A係選自由Sn、In及Ga及其組合所組成的群組。
  3. 如請求項1之組合物，其中試劑A係選自由Sn、In及其組合所組成的群組。
  4. 如請求項1之組合物，其中試劑A實質上為Sn。
  5. 如請求項1之組合物，其中試劑B係選自由Cu、Ag、Ni及其組合所組成的群組。
  6. 如請求項1之組合物，其中試劑B實質上為Cu。
  7. 如請求項1之組合物，其中促進劑元素係選自由Bi、In、Pb、Zn及其組合所組成的群組。
  8. 如請求項1之組合物，其中促進劑元素係選自由Bi、In及其組合所組成的群組。
  9. 如請求項1之組合物，其中1A型粒子包含促進劑元素In。
  10. 如請求項1之組合物，其中1B型粒子包含促進劑元素Bi。
  11. 如請求項1之組合物，其中前述有機載體包含熱固性黏合劑樹脂。
  12. 如請求項1之組合物，其中採液體形式的試劑A與採固體形式的試劑B於溫度T 1下反應，其中T 1係於介於約80 oC與約150 oC之間的範圍內。
  13. 如請求項1之組合物，其中1A型粒子包含In及Sn的合金。
  14. 如請求項13之組合物，其中1A型粒子包含In及Sn的共晶合金。
  15. 如請求項1之組合物，其中1A型粒子包含Sn及Bi的合金。
  16. 如請求項15之組合物，其中1A型粒子包含Sn及Bi的共晶合金。
  17. 如請求項12之組合物，其中該試劑A及試劑B的反應產物為於T 1下為固體的固溶體及金屬間化合物。
  18. 一種製造如請求項1之組合物之方法，該方法包含：組合預定比率的1A型粒子、1B型粒子、2型粒子及該有機載體，從而形成元素混合物。
  19. 一種製造導電且導熱的互連件之方法，其包含： a)    將一定量的如請求項1之組合物施於至少二部件的裝配件，其中該至少二部件被電互連在一起； b)    將該組合物加熱至溫度T l，其中T l介於約80°C與約150°C之間， 從而獲得導電且導熱的互連件。
  20. 一種粒子混合物組合物，其包含： a)    於溫度T 1下為液體的1A型粒子，其包含至少一試劑A； b)    於介於T 1與T 1加100℃之間的溫度下為液體的1B型粒子，其包含至少一試劑A； c)    包含至少一試劑B的2型粒子； 及 d)    有機載體； 其中試劑A及試劑B為金屬，並且其中1A型或1B型或1A型和1B型粒子可另外包含至少一促進劑元素， 並且其中1A型粒子與1B型粒子的重量比率介於約1：20與約1：2之間。
  21. 如請求項20之組合物，其中試劑A包含Sn或試劑B包含Cu。
  22. 如請求項20之組合物，其中該1A型粒子包含In及Sn的合金。
  23. 如請求項22之組合物，其中1A型粒子包含In及Sn的共晶合金。
  24. 如請求項20之組合物，其中該1B型粒子包含Sn及Bi的合金。
  25. 如請求項24之組合物，其中1B型粒子包含Sn及Bi的共晶合金。
  26. 如請求項20之組合物，其中該1A型粒子與1B型粒子的重量比率介於約1：18與約1：4之間。
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