TW504427B - Composition, methods and devices for high temperature lead-free solder - Google Patents

Description

本發明範疇為不含鉛之焊劑。 兩、」日曰^黏接万法為採用高含錯悍劑來黏接積體 =導體晶粒於引腳（leadframe)中，以作為機械性之 :及提供晶粒與引腳間熱及電之傳導。雖然大部分高含 、Ά劑相對便苴’且顯示種種所期望之物理化學性質，但 t在晶粒的黏接及他種烊劑裏-鉛的用_ 3兄及職業健康的觀點審視所影響。因此，已著手進行各種 万法以使不含鉛晶粒黏接組合物代替含鉛焊劑。 例如，如美國專利第 5，15〇，195 ; 5，19539 ; 5,25〇,6〇〇 ; 5’399,907及5,386,000號所描述’其係使用了一種聚合黏著劑 (例如，環氧樹脂或氰酸酯樹脂）來黏接晶粒於基板上。聚 合黏著劑在低於200t之溫度下，通常能在相對短的時間 内固化，且如美國專利第5,612,4〇3號所示，在固化後甚 土旎保有結構上之撓性，以使黏接晶粒之積體電路能 附於撓性$基板上。然而，多數聚合黏著劑有樹脂滲出 之傾向’此現象可能引起並不想要的晶粒與基板間電 流接觸之減少’或甚至於使晶粒部分或完全的脫落。 為阻止至少某些樹脂滲出的問題，如米達尼（Mitan〇 等人在美國專利第5,982,041號中描述，可採用含矽酮之 晶粒黏接黏著劑。雖然此黏著劑能改善配線之連結，同 時也改善了樹脂密封劑與半導體晶片、基板、及/或引腳 間之結合，但對至少一些該種黏著劑之固化過程需要高能 7；"* 1 -— __- 4 _______ 本纸張尺度適财目S家標準(CNsTl4規格(210X 297公釐) ~ " 504427 A7 B7 五、發明説明（2 ) 量之輻射源，使得這種晶粒之黏接方法增加了明顯的成 本。 或者，如迪茲（Dietz)等人於美國專利第4,459，166號所示， 採用含有高鉛硼矽酸鹽玻璃之玻璃漿，藉以避免高能固化 過程。然而多數含高鉛硼矽酸鹽之玻璃漿需要425°C及更高 之溫度，以便耐久的固定晶粒於基板上。而且，玻璃漿當 在加熱與冷却間傾向於結晶，因而減少了黏接層的黏著 度。 — 另一解決之方法是採用高熔點焊劑來黏接晶粒於基板或 .引腳。焊接晶粒於基板具有種種優點，包括相對簡單之操 作法不用溶劑之塗佈，且於一些例子中其相對低廉。此項 技藝中已知有種種高溶點焊劑，然而它們全部或幾乎全部 有一或多項之缺點。例如，大部分金共熔合金（例如，八11-20% Sn，Au-3% Si，Au-12% Ge，及Au-25% Sb)相對昂貴且常受損 於不太理想的機械性質。或者，合金丁（ Ag-10°/〇 Sb-65% Sn， 例如，奧森（Olsen)等人之美國專利第4，170,472號）可使用於 種種高熔巧焊劑之應用，然而合金丁具228°C之固相線溫 度，且亦受損於相對貧乏之機械效能。 雖然此項技藝中已知種種焊劑及晶粒黏接組合物之方法 及組合物，但其全部或幾乎全部仍有一或多項缺點’因此 仍然需要提供給焊劑（特別是不含鉛焊劑）已改善之組合物 及方法。 發明概要 本發明為關於一種焊劑之方法、組合物及裝置，此焊劑 _^_ 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐）

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五、發明説明（ =量：Bi之，，其Ag含量為2重量%至18重量％， 於262 5t、’、’ 8重里％至82重量％。所涵蓋之合金具有不低 、太C广固相線溫度及^高於魏之液 二發。明-標的之態樣中，合金中之銀含量為2重量％ 二重：：：而叙為98重量％至93重量％，或者，銀含量 者，銀冬i土18重里0/0，而鉍為93重量％至82重量％，或 互。，.·各量為5重量％至9重量〇/〇，而鉍為95重量％至91重 二;所涵蓋之組合物尚可包括—具有氧親和性高於合金 心和性《化學元素，而此較佳之元素包括A!、Ba、 、、Ce、Cs、Hf、Li、Mg、Nd、P、Sc、Sr、Ti、 所涵盍之兀素濃度通常介於約1〇 ppm到約1〇〇〇 ppm 〇 本I月‘的之另-悲樣中，所涵蓋之坪劑具有至少9 、、之…、傳導率，且於放置沾濕儀一秒後量測顯示其沾Ag 又沾濕力（wetting f0rce)約〇·2 mN。所涵蓋之組合物可形成各 種形狀’包括線狀、帶狀、預鍀、球狀、或鱗鍵。 發明、標的之另一態樣中’一電子裝置包含了 一個半 導體晶粒’此晶粒藉由所涵蓋之組合物而連結於一表面， 其中特別涵蓋的半導體晶粒包括碎、鍺、及砰化鎵晶粒。 本發明尚®蓋把i少晶粒的一部分或者此裝置表面的一部 分之一以銀金屬化。特別佳之態樣中，該表面包含了一銀 金屬化的书腳。另一方面，所涵蓋的焊劑被用於區域陣列 (areaarray)電子封裝，其在半導體晶粒上形成多個凸塊 (bump)，作為晶粒與封裝基板（通稱覆晶）或印刷電路板（通 本紙張尺度適财關家標準(CNS) A4規格(210X297公爱) -6« A7 B7 五、發明説明（4 稱晶片板)間之電流連結。或者，所涵蓋之焊劑可使用於 禾成-組¥劑球’以便連結封裝至―基板（通稱為球格式 降列（ban grid aray)，因主題而有許多變化）或連結晶粒至基 板或印刷電路板。 本發明標的的另一態樣中，製造焊劑組合物的方法，具 有步騍，其中所提供鉍與銀的含量分別是9 8重量％至8 2 重量％以及2重量％至18重量％。次一步驟裏，銀和鉍在溫 度至少為960。。時熔解，以便形喊一種合金，該合金固相線 溫度不低於262.5t且液相線溫度不高於4〇〇t。所涵蓋之方 法尚包括視需要而添加具氧親和性高於合金之氧親和性之 化學元素。 k以下本盔明又較佳具體實施例及伴隨圖示的詳細說明 中’將更能顯示本發明之各項目的、特色、態樣、及優 _!示簡單說明 圖1為示範之電子裝置的圖式縱切面。 詳細說明 本發明者發現（尤其是對所期望的性質），所涵蓋之組； 物在各種晶粒黏接的應用裏，極具優勢而使㈣代替高: 錯焊劑。、特別是所涵蓋之組合物為不含錯合金，具有不^ 万；2。60(：《固相線溫度（而較佳地是不低於放沈）及不高方 400°C之液相線溫度。 ’所涵蓋之組合物為二元 其含銀量為2重量％至1 8 在本發明標的特別佳之態樣中 口金，遠一元合金可用於焊劑且

1量％而含鉍量為98重量％至82重量％。在製備所涵蓋組 合物的万法中，將一適當重量（前述）純金屬置於堅固或耐 二、^合态中（例如石墨坩堝）在真空或惰性氣壓下（例如氮氣 或氦氣）加熱至960°C及l〇〇〇t：間直到形成液體溶液。攪拌並 =持其溫度使有足夠之時間以確保兩種金屬完全混合並熔 解。將此熔融之混合物快速的倒進模子冷却至周遭之溫度 而固化，再經由習用_出技術製造成線狀（其中包括加熱 材in到、190 C )，或製成帶狀一其方法是將長方形寬幅之 厚板退火至225-25(TC，然後在同溫度下熱捲。或者，帶條 可被擠出Μ而捲成較薄之〖寸。纟溶化之步驟亦可在空氣 中進行，/、要所形成之熔渣在混合物倒入模子之前被 除。 、四於本發明標的的另一態樣中(特別是需要較高的液相線 溫度時），其涵蓋之組合物可在合金裏包括Ag，其量為7 重f %至1 8重量％而鉍為9 3重量％至8 2重量％。在另一方 面，需要相對較低之液相線溫度時，其涵蓋之組合物可在 合金中包括Ag的量為2重量％至7重量％而鉍為9 8重量％至 93重量％ '然而，最多數晶粒黏接應用上一般所採用之組 合物係在合金中，Ag之量為5重量。/。至⑺重量^/❶而…為” 重量％至9 0重量％。 應特別了解到所涵蓋之組合物可使用於當作不含鉛焊 劑，而此焊劑也完全不含以，以為已知不含鉛焊&中共 通之主要組分。並且，雖然依據本發明標的所涵蓋之最適 組合物為二元合金，但也應了解到其替代組合物可三 五 、發明説明（ 一 四元、及更南元之合金。 親ΓΓ、’特別適合之替代組合物可包括—種或較多種具氧 性南於合金之氧親和性之化學元素 凡素包括A丨、以、^、以、^^之化予 ρ . ς c Le Cs Hf、h、Mg、Nd、 素之：二Tl、Y、及ΖΓ ’且尚涵蓋在合金中之此等元 別、'辰又力万？大、約10鹏與大約1000 PPm之間。雖不想與特 =理論或機轉連結，但可以注意的是較合金具較高^ ::兀素能減少金屬氧化物十已知金屬氧化物能增加橡 ^或^融焊劑之，面張力），因此，本發明所涵蓋的是當 減）金屬#ι化物的#時’通f將減少炫融焊劑之表 面張力，因而明顯的增加了焊劑之沾濕能力。 在另-例中，可添加-種或更多種之金屬來改善不含錯 焊劑之熱一機械性（例如，熱傳導率、熱膨脹係數、硬 度、糊狀領域、延展性等）。特収所涵蓋之金屬包括·· 銦、錫、#、鋅及鎳。然而，前面提到的金屬之外之各種 金屬也適合使用於本文技術中，只要此類金屬改善了至少 一項熱一機械性。因此，尚可涵蓋之金屬包括：銅、金、

鍺、及坤。因此，特別涵蓋之金屬包括A %至18重量…其量為98重量%至8/重量;里= 素，其f為0·1重量％至5.0重量％。特別涵蓋之第三元素包 括至少 Au、Cu、Pt、Sb、In、Sn、Ni、Ge、&MZn 中之一。因此，隨著第三元素的特定量，應認知該種合金 具有不低於230 C之固相線溫度（較佳為不低於248。〇，最 佳則為不低於258°C)，及不高於400艺之液相線溫度。此類 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210X 297公著) -9 - 504427 A7 B7 五、發明説明（7 ) 合金特別涵蓋之用途包括應用於晶粒之黏接（例如：黏接半 導體晶粒至基板上）。因此，本發明涵蓋一電子裝置，其 將包括一半導體晶粒經由一物質連結於一表面，此物質包 含之組合物含有涵蓋之三元（或更高元）合金。關於所涵蓋 的三元合金的生產，其具有描繪於上述之應用中相同考 慮。通常，所涵蓋的是第三元素以適當量添加於二元合金 或二元合金之組分中。 尚應了解的是：為改善一項或-更多物理一化學性質或熱 一機械性而添加化學元素或金屬可依任何順序進行，只要 合金中所有之組分是實質上完全（例如：每一組分至少9 5 %) 熔融，本發明所涵蓋的是：添加之順序不限於本發明的標 的。同樣的，應了解：雖然較佳是銀與鉍在熔解步驟前結 合，但是本發明亦涵蓋：銀與鉍可各自熔融，再將已熔融 之銀與鉍結合。進一步延長加熱步驟至高於銀的熔點溫 度，以便實質上確定組分的完全熔化及混合。應特別了解 到當包含一種或更多種添加元素時，所涵蓋的合金其固相 線溫度會降j氏。因此，具有添加元素之所涵蓋合金將具有 260-255°C、225-250°C、250-245°C、245-235°C，及甚至更低的固 相線溫度。 關於所涵蓋的合金之熱傳導率，依據本發明標的之組合 物具有不低於5 W/mk之熱傳導率，其較佳者為不低於9 W/mk，其最佳者為不低於1 5 W /mk。本發明尚涵蓋適合之 組合物包括具有沾濕力之合金，其沾銀之沾濕力高於0.1 mN，其較佳者為高於0.2 mN，而最佳者為高於0.3mN，此 _-10-_ 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐）

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^U4427 A7

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504427 A7 ____B7 五、發明説明（9 ) 大於260 C。特別佳之替代用途包括以所涵蓋之焊劑連結熱 交換器的組分，以其充當不熔之隔離球或電流/熱能間之 連結。 實施例 由於各種物質之熱膨脹係數不同，因此，·焊劑之連結常 遭受剪力負荷。因此，特別需要合金連結該等具低剪變模 數之物質，使之能因此具有良好的熱機械疲乏抗力。例 如’在晶粒黏接之應用上，具祗·剪變模數及好的熱機械疲 乏性有助於防止晶粒之碎裂，特別是在相對大的晶粒連結 在固體的支架上。 基於已知純金屬彈力模數，A g與B i顯示其部分固體的 可混合性，且A g - B i系統不含中間金屬性或中間相。本發 明所涵蓋的是：室溫下A g - B i合金之剪變模數為1 3 - 1 6 GPa(假定室溫之剪變模數具加成性，亦即：合於混合物規 則）。所涵蓋的合金，在室溫下之剪變模數為1 3 - 1 6 GPa， 與剪變模數是25 GPa的合金Au-25% Sb和Au-20% Sn比 較，特別熳秀（以相同之方法及相同之假設計算），與剪變 模數是2 1 GPa的丁合金（Ag-10% Sb-65% Sn)比較，也 是優秀的，合金丁的剪變模數測量值為22.3 GPa。 用A g - 8 9 % B i合金連結矽晶粒於引腳之測試裝配經15〇〇 次熱老化循環，並無跡象顯示破損，此更支持經計算及觀 察低剪變模數的A g - B i合金。 在測試裝配與其他晶粒黏接之應用裏，焊劑通常均被製 成薄片而放置於晶粒與基板之間而焊接。其後的加熱將溶

五 發明説明

線、综融、者h基板先加熱，再放置薄片、 用於區域陣列封裝時接頭。 產生許多一&周、人、、# + 7成《糊水、或其他形式以 焊劑可用於1=:;:^ 類似喷墨而印刷；==從固體，形式蒸發； 於製造接頭。— 、以產生绛劑凸塊陣列而用 ^ l "#i (flux) 4 ^#J ^( 球保持在適當位置直到它二將焊劑 :::使:! 一度’或二== 糊，#連接則可低於坪劑之炫點。使用助坪劑或谭劑 加熱而«ΙΓ球之封裝與區域陣列並列於基板上且經 曰黏接半f體晶粒於封裝或印刷電路板的較佳料，包括 槐’該產生凸塊是藉由透過罩幕印刷焊劑糊、透過 罩恭蒸發焊劑、或將焊劑€鍵至傳導塾之陣列上。依此技 街所產生之凸塊或管柱，可以有均句之組合物，因此當加 寺正個凸塊或官柱溶化形成接頭；或於半導體晶粒表面 的垂直方向不均勾，因此僅部分之突塊或管柱溶化。 到此，不含鉛焊劑的特別具體實施例及應用已經揭露， 然而’對於熟諸此技藝者應該是清楚明白，除了已描 504427 A7 B7 五 發明説明（11

之外，許多未悖離本發明概念之修改法亦是可能的 此，除了附屬申請專利範圍之核心部分，本發明標的口因 被限制的。再者，在說明書與申請專利範圍中，^、疋不 應以最廣義之方式解說，以求其與上下文諧嘀。有術語 或步驟，意即相關元素、組分、或步騾可呈現’，、二組分、 或與其他並不特別指示之元辛、 王’或使用， 京、，且分、或步騾結合。 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210X 297公釐) •14-

Claims (1)

1. 504427 ABCD 六、申請專利範圍 1. 一種組合物，其包括： 一焊劑，其包括含A g量為2重量％至1 8重量°/〇且含B i 量為98重量％至82重量％之合金，其中該合金具有不低 於262.5°C之固相線溫度，及不高於400°C之液相線溫度。 2. 如申請專利範圍第1項之組合物，其中該合金中之A g含 量為2重量％至7重量％，及Bi含量為98重量％至93重量 %。 3. 如申請專利範圍第1項之組合-物，其中該合金中之Ag含 量為7重量％至18重量％，及Bi含量為93重量％至82重 量％ 〇 4·如申請專利範圍第1項之組合物，其中該合金中之Ag含 量為5重量％至1〇重量％，及Bi含量為95重量％至90重 量％ 〇 5.如申請專利範圍第1項之組合物，其中該焊劑具有不低 於9 W /mk之熱傳導率。 6·如申請專利範圍第1項之組合物，其中該焊劑具有沾A g 之沾濕力（wetting force)約0.2 mN，該沾濕力為沾濕儀上經 1秒鐘測得者。 7·如申請專利範圍第1項之組合物，其尚包括具氧親和性 高於合金之氧親和性的化學元素。 8·如申請專利範圍第7項之組合物，其中該化學元素係選 自下列各物組成之群：Al、Ba、Ca、Ce、Cs、Hf、 Li、Mg、Nd、P、Sc:、Sr、丁i、Y、及Zr。 9.如申請專利範圍第8項之組合物，其中該化學元素的濃 -15- 本紙張尺度適财® S家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐） ~ '---- -~~ -----J 504427 A8 B8 C8 _____D8 _ 六、申請專利範圍 度為 1 0 ppm至 1000 ppm。 10·如申請專利範圍第1項之組合物，其中該合金至少可形 成以下之一：線狀、帶狀、預鑄形、正極、球狀 '糊 狀、及蒸發金屬片。 11· 一種電子裝置，其包括半導體晶粒藉由一物質連結於 一表面，該物質包括如申請專利範圍第1項之組合物。 12.如申請專利範圍第11項之電子裝置，其中該半導體晶 粒至少一部分被Ag金屬化。一 13·如申請專利範圍第丨i項之電子裝置，其中該表面至少 .一部分被A g金屬化。 14. 如申請專利範圍第1 1項之電子裝置，其中該表面包括 一銀金屬化之引腳（leadframe)。 15. —種製造焊劑組合物之方法，其包括： 預備Ag與Bi，其中Ag的含量為Ag與Bi總重的2重 量％至18重量％且8丨的含量為98重量％至82重量❹/〇 ;及 將Ag與Bi熔解到溫度至少960t以形成合金，該合金 具不低於、262.5它的固相線溫度及不高於400。(：的液相線溫 度。 16·如申請專利範圍第15項之方法，其中熔解Ag與Bi之前 先結合A g與B i。 17.如申請專利範圍第1 5項之方法，其尚包括添加具氧親 和性高於合金氧親和性之化學元素。 18·如申請專利範圍第1 5項之方法，其中該Ag之含量為2 重量％至7重量％ 丨之含量為9 8重量％至9 3重量0/〇。 -16- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210X297公釐) 50442Ί 8 8 8 8 A B c D 六、申請專利範圍 19·.如申，專利範圍第.1 5項之方法，其中該a g之含量為7 重量％至18重量％且以之量為93重量％至82重量％。 20·如申叫專利範圍第1 5項之方法，其中該a g之含量為5 重量％至10重量％且以之含量為95重量％至9〇重量％。 21. —種組合物，其包括： 一卜劑’其包括含A g量為2重量％至1 8重量％，B i含 量為98重量％至82重量。/。，及第三種元素含量為〇1重量 %至5.0重量。/〇之合金。 _ _ 其中’該第三種元素係選自下列各物組成之群： 八11、（：11、？卜81)、211、111、811、1^及〇6，而其中該 合金具不低於230°C之固相線溫度及不高於4〇〇 t：之液相 線溫度。 22. 如申請專利範圍第2 1項之組合物，其中該合金具不低 於248°C之固相線溫度。 23·如申請專利範圍第2 1項之組合物，其中該合金具不低 於258°C之固相線溫度。 24·如申請專利範圍第2 1項之組合物，其中該第三種元素是 Au 〇 25·如申請專利範圍第2 1項之組合物，其中該第三種元素 是C u 0 26·如申請專利範圍第2 1項之組合物，其中該第三種元素 是Pt。 27.如申請專利範圍第2 1項之組合物，其中該第三種元素 是S b 〇 -17- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐) 504427 8 8 8 8 A B c D 六、申請專利範圍 28, 如申請專利範圍第2 1項之組合物，其中該第三種元素 是Ζ η 〇 29. 如申請專利範圍第2 1項之組合物，其中該第三種元素 是I η 〇 30·如申請專利範圍第2 1項之組合物，其中該第三種元素 是S η 0 31. 如申請專利範圍第2 1項之組合物，其中該第三種元素 是 N i 〇 — 32. 如申請專利範圍第2 1項之組合物，其中該第三種元素 是G e 〇 33. —種電子裝置，其包括半導體晶粒藉由一物質連結於 一表面，該物質包括如申請專利範圍第2 1項之組合物。 -18- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐)