TWI466752B - 可用於與無鉛錫基焊料相容之金－錫－銦焊料 - Google Patents
可用於與無鉛錫基焊料相容之金－錫－銦焊料 Download PDFInfo
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Description
本件發明係與一種用於密封半導體與特種裝置有關之新無鉛焊料，該密封焊料之熔點溫度在290℃與340℃之間，以300℃與340℃之間較佳，其優點是此一密封裝置可隨後用高熔點焊料焊接而不致破壞密封之完整性。
現今半導體之密封採用金-錫(Au-Sn)焊料，其黃金濃度在78%至81%的範圍，而錫濃度在19%至22%的範圍。此種焊料使用於半導體裝置已有40年以上，其熔點溫度為280℃。請參閱Koopman之美國第4492842號專利案，半導體裝置與大量其他電子裝置使用熔點溫度在183℃至195℃之錫-鉛焊料作為後密封焊料，隨後焊接到印刷電路板上。這些後密封焊料之處理溫度通常比熔點溫度高35℃至50℃以上(即218℃至245℃)。使焊料流到半導體裝置之導線及印刷電路板之銅電路上需要超熱。由於金-錫密封焊料在280℃之前不會再熔解，故在高達245℃溫度處理半導體裝置也不致造成問題。
先前技術中，用於替換熔點在217℃之錫-鉛焊料之無鉛焊料，需要之處理溫度近於270℃。此處理溫度相當危險地接近用於密封裝置之金-錫焊料之熔點溫度280℃。另一種選項是捨棄錫基焊料而採用含鉛約85%之鉛基焊料，此鉛焊料具有熔點約300℃。但是，電子工業通常避免使用鉛基焊料。
因鉛持續從消費性電子器材中被移除，為了半導體晶片粘接及這些半導體裝置之密封發展，更高溫度焊接之需求隨之成長，而需要以無鉛高溫焊料取代傳統金-錫及鉛基焊料。本件發明之無鉛合金可符合此需求，其熔點溫度及密封能力使其特別適合作為半導體晶片粘接之焊料及半導體裝置之密封焊料。
本件發明包含的金焊料，其與半導體晶片粘接及半導體裝置封裝之密封相容，其熔點溫度高於290℃，並以高於300℃較佳。在本件發明之一個實施例中，該焊料為金-錫基焊料，摻雜銦以提升金-錫焊料之熔點溫度。
在本件發明之另一形態中，經銦修整過的金-錫基焊料以足夠高的熔點溫度相容於已知的半導體晶片粘接法及密封此類裝置，可防止此焊料在隨後超過270℃溫度的無鉛焊接作業中再熔。本件發明更朝向使用熔解溫度在290℃與340℃之間，以300℃與340℃之間較佳，及以300℃與320℃又更佳的金基焊料來製造半導體裝置及含有這些焊料之半導體裝置。
在本說明書描述之無鉛焊料主要包含金、錫及銦的合金，其中該合金之熔點大於290℃，以大於300℃較佳，以300℃與340℃之範圍更佳，及以300℃與320℃之範圍又更佳。
該合金之較佳純度至少為99.95%。前述合金包含17.5%至20.5%錫，2.0%至6.0%銦，而其餘大部份為金及微量雜質。在一實施例中，焊接材料之錫濃度約19.3%，銦濃度約4.5%，亦可考慮其他適合之濃度。例如，在另一實施例中，錫濃度的範圍從18.3%到20.3%，銦在3.5%到5.5%範圍內，此種焊接材料適用在各種領域，但特別適合用於半導體領域。
半導體裝置常使用熔點約為280℃之金-錫焊料密封。將金-錫焊料施加於尚未密封之封裝，形成之組件被加熱到足以造成焊料再熔的溫度，封裝冷卻時就被此焊料密封。此密封步驟使用之焊料的熔點應低到不至損壞半導體裝置本身。後密封作業可用於將其他元件附接於已密封裝置，而此作業通常包含隨後的焊接步驟。必須注意確保後密封焊料之熔點與密封焊料相容，因此，可用之熔點範圍很嚴苛。密封焊料之熔點必須是(1)足夠低到在不損壞裝置的條件下密封該裝置，及(2)足夠高到容許後密封加熱又不至於破壞密封完整性。
本件發明的優點是，此處所述之焊接材料滿足這些參數。該金-錫-銦焊接材料容許溫度大於270℃之後密封作業，不會使該焊接材料再熔，導致破壞密封完整性。該焊接材料之另一項優點是其熔點夠低(低於340℃，以低於320℃較佳)，因此可密封半導體裝置而不損壞該裝置。
在本件發明之一個程序中，將金-錫-銦焊料施加於半導體封裝的表面，將形成之組件加熱至足使該焊料再熔之溫度，因此可密封該封裝。然後，對該密封裝置進行包含加熱(例如：後密封焊接等)之後密封作業。由於密封焊料之熔點大於290℃，以大於300℃較佳，因此後密封加熱之高溫(例如270℃)不會造成密封焊料再熔，因此不會破壞該密封之完整性。
雖然已參考較佳實施例說明本件發明，但熟知該技術者應該知道可以做各種變化，且可用相等的元件取代以適應特定狀況而不脫離本件發明之範疇。因此，本件發明不限於被揭露預期作為執行本件發明最佳模式之特定實施例，但是本件發明包含申請專利範圍及其附屬項之全部實施例。
Claims (14)
- 一種可用於與無鉛錫基焊料相容之金-錫-銦焊料，主要包含一種金、錫及銦合金，其中錫呈現濃度為17.5%至20.5%，銦呈現濃度為2.0%至6.0%，其餘部份為金，且該合金之熔點大於290℃。
- 如申請專利範圍第1項所述之焊料，其中該合金之熔點範圍是290℃至340℃。
- 如申請專利範圍第1項所述之焊料，其中該合金之熔點範圍是290℃至320℃。
- 如申請專利範圍第1項所述之焊料，其中該合金之熔點範圍是305℃至315℃。
- 如申請專利範圍第3項所述之焊料，其中錫呈現濃度為18.3%至20.3%，銦呈現濃度為3.5%至5.5%。
- 如申請專利範圍第3項所述之焊料，其中錫呈現濃度約為19.3%，銦呈現濃度約為4.5%。
- 一種使用可用於與無鉛錫基焊料相容之金-錫-銦焊料密封一半導體封裝的方法，包括下列步驟：將一焊料施加於一半導體封裝之表面，其中該焊料主要包含一種金、錫及銦合金，其中錫呈現濃度為17.5%至20.5%，銦呈現濃度為2.0%至6.0%，其餘部份為金，且該合金之熔點範圍為290℃至320℃；將焊料加熱至足以使焊料再熔因而密封半導體封裝。
- 如申請專利範圍第7項所述之方法，尚包含於後密封作業中，將已密封半導體封裝之一部份加熱至大於270℃溫度而不會使焊料再熔之步驟。
- 一種以可用於與無鉛錫基焊料相容之金-錫-銦焊料將半導體裝置裝設於一表面之方法，包括下列步驟：將焊料施加於一半導體裝置，其中該焊料主要包含一種金、錫及銦合金，其中錫呈現濃度為17.5%至20.5%，銦呈現濃度為2.0%至6.0%，其餘部份為金，該合金之熔點範圍為290℃至320℃；將該半導體裝置放置於一表面上，而使該焊料接觸半導體裝置與該表面；將該焊料加熱到使該焊料再熔之溫度；冷卻該焊料而使該半導體裝置裝設於該表面。
- 如申請專利範圍第9項所述之方法，尚包含於後裝設作業中，將該半導體裝置之一部分加熱至大於270℃之溫度而不會使焊料再熔之步驟。
- 一種包括使用焊料密封半導體裝置之密封半導體組件，其中該焊料主要包含一種金、錫及銦合金，其中錫濃度為17.5%至20.5%，銦濃度為2.0%至6.0%，其餘部份為金，該合金之熔點範圍為290℃至320℃。
- 一種可用於與無鉛錫基焊料相容之金-錫-銦焊料，主要包含一種金、錫及銦合金，其中錫濃度為17.5%至20.5%，銦濃度為2.0%至6.0%，其餘部份為金，該合金之熔點範圍為290℃至320℃。
- 如申請專利範圍第12項所述之焊料，其中錫呈現濃度為18.3%至20.3%，銦呈現濃度為3.5%至5.5%。
- 如申請專利範圍第12項所述之焊料，其中錫呈現濃度約為19.3%，銦呈現濃度約為4.5%。
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