專利名稱：一種制造電子裝置的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種使用無鉛焊料(確實不含鉛的焊料)的電子裝置，并且尤其涉及一種使用溫度層級而通過焊接結(jié)合方法制作的電子裝置，該溫度層級能夠有效地安裝由電子裝置等等形成的模塊。
背景技術(shù)：
在使用Sn鉛基焊料進(jìn)行結(jié)合時，采用溫度層級結(jié)合方法。在這種結(jié)合技術(shù)中，各個元件首先使用高溫焊接所用的焊料，如富鉛的Pb-5Sn質(zhì)量百分比的焊料(熔點314-310攝氏度)或者Pb-10Sn質(zhì)量百分比的焊料(熔點302-275攝氏度)，在330攝氏度和350度之間的一個溫度進(jìn)行焊接，然后，使用低溫焊接所用的焊料，如Sn-37Pb低共熔體(183攝氏度)進(jìn)行另一次焊接而不熔化已焊接的部分(下文中不再標(biāo)明“質(zhì)量百分比”，只列出數(shù)字)。在對芯片進(jìn)行模片結(jié)合的半導(dǎo)體裝置制作過程以及使用倒裝片結(jié)合方法的半導(dǎo)體裝置制作過程等等中采用這種溫度層級結(jié)合方法。舉例來說，在形成BGA、WL-CSP(晶片級CSP)、多芯片模塊(縮寫為MCM)以及諸如此類時需要使用這種溫度層級結(jié)合方法。就是說，在半導(dǎo)體制作過程中，提供溫度層級結(jié)合方法已經(jīng)變得很重要，這種溫度層級結(jié)合方法可以進(jìn)行一次焊接以便將各元件結(jié)合于半導(dǎo)體裝置的內(nèi)部，并且進(jìn)行另一次焊接以便將半導(dǎo)體裝置自身結(jié)合于襯底上。
另一方面，對于一些產(chǎn)品，存在的情況是，考慮到各元件的耐熱性限制問題因而需要在不高于290攝氏度的溫度下進(jìn)行結(jié)合。作為常規(guī)型Sn鉛基焊料中具有處于適應(yīng)這種要求的高溫焊接所用的成分范圍內(nèi)的成分的焊料，考慮的是Pb-15Sn焊料(液相線溫度183攝氏度)和具有類似成分的焊料。然而，當(dāng)Sn含量高于該水平時，低溫低共熔體(183攝氏度)就會沉淀。另外，當(dāng)Sn含量低于該水平時，液相線溫度就會升高因此就難以在不高于290攝氏度的溫度下進(jìn)行結(jié)合。為此原因，即使當(dāng)用于結(jié)合于印刷電路板上的二次軟熔焊料為低共熔Sn鉛基焊料時，也不可能避免出現(xiàn)高溫焊接的結(jié)合再熔化問題。當(dāng)無鉛焊料用于二次軟熔時，結(jié)合過程在處于240-250攝氏度范圍內(nèi)的溫度下進(jìn)行。該溫度比使用低共熔Sn鉛基焊料進(jìn)行結(jié)合所需的溫度高20-30攝氏度左右。因此，使用無鉛溶膠在不高于290攝氏度的溫度下結(jié)合變得更加困難。
更具體而言，目前還沒有容許在330至350攝氏度范圍內(nèi)的焊接溫度下或者290攝氏度的溫度水平下進(jìn)行溫度層級結(jié)合的高溫?zé)o鉛焊接材料。
在下文中對這種情況進(jìn)行詳細(xì)描述。目前，根據(jù)環(huán)保要求，無鉛焊料正應(yīng)用于日益增多的應(yīng)用場合中。對于用于將元件焊接于印刷電路板上的無鉛焊料而言，低共熔SnAg基焊料、低共熔SnAgCu基焊料以及低共熔SnCu基焊料正在成為主流。因此，表面安裝中的焊接溫度通常處于240至250攝氏度的范圍內(nèi)。然而，尚沒有用于高溫端的溫度層級的無鉛焊料能夠與這些低共熔無鉛焊料一起用于表面安裝中。作為具有最可能成為高溫端焊料的候選者的成分的焊料，可以考慮Sn-5Sb焊料(240-232攝氏度)。然而，要將軟熔爐中的襯底尚的溫度不規(guī)則變化之類的情況考慮在內(nèi)的話，尚不存在能夠進(jìn)行結(jié)合而不會熔化Sn-5Sb焊料的具有高可靠性的低溫端焊料。另一方面，盡管Au-20Sn焊料(熔點280攝氏度)被看作是高溫焊料，然而由于其為硬質(zhì)材料并且成本很高，因此其用途受到限制。特別是，在將Si芯片結(jié)合于具有與Si芯片的膨脹系數(shù)差別很大的膨脹系數(shù)的材料上或者在結(jié)合大尺寸的Si芯片時，不能使用這種焊料，因為它太硬因而可能破壞Si芯片。

發(fā)明內(nèi)容
考慮到上述情況，這里就需要一種技術(shù)以便能夠適應(yīng)使用無鉛焊料的要求，并且能夠在模塊安裝過程中在不超過各元件的耐熱性的不高于290攝氏度的溫度下使用高溫端焊料進(jìn)行結(jié)合(初次軟熔)，而且能夠進(jìn)行隨后的結(jié)合來使用Sn-3Ag-0.5Cu焊料(熔點217-221攝氏度)將模塊的端子表面安裝于印刷電路板或諸如此類的外部接線端子上(二次軟熔)。舉例來說，已經(jīng)開發(fā)出一種用于便攜式產(chǎn)品的模塊(例如高頻模塊)，其中安裝有芯片元件和半導(dǎo)體芯片。在這種模塊中，芯片元件和半導(dǎo)體芯片使用高溫焊料結(jié)合于模塊襯底上，并且需要使用帽罩或通過樹脂模塑將它們封裝起來。根據(jù)其耐熱性，這些芯片元件要求其結(jié)合過程在最高不高于290攝氏度的溫度下進(jìn)行。然而，由于使用高溫端焊料進(jìn)行結(jié)合所需的溫度根據(jù)芯片元件的耐熱性來確定，因此這種溫度并非一直限制于290攝氏度。當(dāng)該模塊的二次軟熔使用Sn-3Ag-0.5Cu焊料進(jìn)行時，焊接溫度達(dá)到大約240攝氏度。因此，考慮到即使在所有Sn基焊料中具有最高熔點的Sn-5Sb焊料的熔點也僅為232攝氏度，并且當(dāng)芯片電極的鍍層中包含鉛或諸如此類時，焊料的熔點還會降低，因此不可以避免模塊中的芯片元件的已焊接部分由于二次軟熔而發(fā)生再熔化。因此，需要一種即使當(dāng)焊料再熔化時也不會產(chǎn)生這類問題的系統(tǒng)或方法。
為解決這類問題，一種常見的做法是使用鉛基焊料在最高290攝氏度的溫度下將芯片模片結(jié)合于模塊襯底上以便進(jìn)行芯片元件的軟熔。然后，將軟質(zhì)硅酮凝膠涂敷于線結(jié)合的芯片上，在模塊襯底的上表面上蓋上一個由Al等制成的帽罩，并使用低共熔Sn-Pb焊料進(jìn)行二次軟熔。由于使用這種構(gòu)成，因此在二次軟熔中，即使當(dāng)模塊接合處的一部分焊料熔化時也不會產(chǎn)生應(yīng)力，因此芯片不會移動并且不會產(chǎn)生高頻特征的問題。然而，現(xiàn)在需要使用無鉛基焊料進(jìn)行二次軟熔，同時，必須開發(fā)一種樹脂封裝型模塊以便降低成本。為了突破這種情況，需要解決以下問題1)必須可以在最高不高于290攝氏度的溫度下在空氣中進(jìn)行軟熔焊接(芯片元件的保證耐熱溫度290攝氏度)。
2)在二次軟熔中(最高260攝氏度)不能發(fā)生熔化，或者即使發(fā)生熔化，芯片也不能移動(因為如果芯片移動的話，高頻特性就會受到影響)。
3)即使在二次軟熔過程中模塊內(nèi)部的焊料發(fā)生再熔化時，也不能因芯片元件的焊料的體積膨脹而產(chǎn)生短路。
下文中對在檢查RF(射頻)模塊的評價結(jié)果時發(fā)現(xiàn)的問題進(jìn)行敘述。
在RF模塊中，芯片元件和模塊襯底使用常規(guī)的鉛基焊料結(jié)合在一起。盡管鉛基焊料的固相線為245攝氏度，仍將Sn鉛基焊料鍍層涂敷于芯片元件的連接端子上，因此就會形成低溫Sn鉛基低共熔體從而發(fā)生再熔化。對二次安裝軟熔后由于焊料的流出而產(chǎn)生的短路發(fā)生率相對于使用具有不同彈性模量的各種類型的絕緣樹脂而進(jìn)行一次操作封裝起來的模塊之間的關(guān)系進(jìn)行了研究。
圖12(a)為流出的說明圖，示出了模塊中的芯片元件的二次安裝軟熔過程中的焊料流的原理。圖12(b)為芯片元件的焊料流的一個實例的透視圖。
由于焊料流出而產(chǎn)生短路的機(jī)理如下。模塊內(nèi)部的焊料中產(chǎn)生的熔化和膨脹壓力使得沿芯片元件與樹脂之間的界面或者沿樹脂與模塊襯底之間的界面產(chǎn)生剝落。因此，焊料在這一瞬間流入發(fā)生剝落的界面中，這樣就使得表面安裝的元件的兩端的端子相互聯(lián)接起來從而產(chǎn)生短路。
通過以上研究，顯然，由于焊料流出而產(chǎn)生的短路發(fā)生次數(shù)與樹脂的彈性模量成比例。另外，顯然，常規(guī)型高彈性環(huán)氧樹脂并不適用，并且，對于軟質(zhì)硅酮樹脂，當(dāng)其在180攝氏度(Sn鉛低共熔體的熔點)的彈性模量比較低時，就不會產(chǎn)生短路。
然而，在實際應(yīng)用中，低彈性樹脂指的就是硅酮樹脂，因此，在襯底劃分過程中，由于樹脂的性能，樹脂的一些部分不能完全劃分開而可能產(chǎn)生它們保持原樣的情況。在這種情況下，就需要一種使用激光束之類對剩余部分進(jìn)行切割的方法。另一方面，當(dāng)使用普通的環(huán)氧樹脂時，可以進(jìn)行機(jī)械劃分，盡管由于其具有高硬度而產(chǎn)生短路因而并不適用。然而，根據(jù)樹脂性能，目前，很難在180攝氏度將樹脂軟化至不會發(fā)生短路的程度。如果可以進(jìn)行能夠起機(jī)械保護(hù)作用并且同時還能防止焊料流出的樹脂封裝，就無需使用外殼或帽罩蓋住，因此成本得以降低。
另外，對于用于制作包括RF模塊在內(nèi)的電子裝置(多個電子裝置)的使用無鉛焊接材料的焊接結(jié)合方法，特別是對于在空氣中在高溫(焊接結(jié)合溫度大約240攝氏度至300攝氏度)進(jìn)行的焊接，本發(fā)明的發(fā)明人進(jìn)行了大量試驗并且得到以下結(jié)果。即，與在惰性氣體(例如氮氣環(huán)境)中進(jìn)行的焊接不同，在空氣中進(jìn)行焊接會使高溫端無鉛焊接材料發(fā)生氧化，這就會在焊接結(jié)合過程中產(chǎn)生嚴(yán)重的問題，例如降低結(jié)合的焊接可濕性和焊接可靠性。另外，由于微小的金屬粒子在焊料中迅速擴(kuò)散，因此就會加速形成化合物的過程因而會升高熔點。因此，通過釋放氣體而產(chǎn)生的焊料變形不能順利進(jìn)行，因而焊料中就會包括大量的空隙。這種現(xiàn)象并不限于射頻模塊的焊接。
因此，本發(fā)明的一個目的是提供一種全新的焊接膏、一種焊接結(jié)合方法以及一種焊接接合結(jié)構(gòu)。特別地，本發(fā)明的一個目的是提供考慮到空氣中的無鉛焊接結(jié)合而開發(fā)的一種焊接膏、一種焊接結(jié)合方法以及一種焊接接合結(jié)構(gòu)。
本發(fā)明的另一個目的是提供一種使用能夠在高溫下保持結(jié)合強(qiáng)度的焊料的溫度層級結(jié)合方法。特別地，本發(fā)明的一個目的是提供一種溫度層級結(jié)合方法，即使當(dāng)在空氣中使用無鉛材料進(jìn)行焊接時，它也能夠在高溫端結(jié)合部分中減少空隙缺陷并且保持結(jié)合可靠性。
本發(fā)明的另外一個目的是提供一種包括能夠在高溫下保持結(jié)合強(qiáng)度的焊接結(jié)合部分的電子裝置。特別地，本發(fā)明的一個目的是提供一種電子裝置，即使當(dāng)在空氣中使用無鉛材料進(jìn)行焊接時，它也能夠保持高溫端結(jié)合部分的結(jié)合可靠性。
下面對為實現(xiàn)以上目的而在本申請中公開的本發(fā)明的典型基本特征進(jìn)行概括。
本發(fā)明的目的在于一種包括電子元件和一個在上面安裝著電子元件的安裝襯底的電子裝置，其中，電子元件的電極和安裝襯底的電極通過由包括Sn基焊球和金屬球的焊料形成的焊接結(jié)合部分彼此相連接，其中金屬球的熔點高于Sn焊球的熔點，并且其中每個金屬球的表面覆蓋有一個Ni層而Ni層上覆蓋有一個Au層。
本發(fā)明的目的還在于一種包括半導(dǎo)體裝置和一個在上面安裝著半導(dǎo)體裝置的安裝襯底的電子裝置，其中，半導(dǎo)體裝置的電極和安裝襯底的電極利用各自通過使焊料經(jīng)受軟熔而形成的結(jié)合部分彼此相連接，其中焊料包括Sn基焊球和金屬球，金屬球的熔點高于Sn焊球的熔點，每個金屬球上覆蓋有一個Ni層而Ni層上覆蓋有一個Au層，并且各金屬球通過由金屬和Sn構(gòu)成的化合物而結(jié)合在一起。
本發(fā)明的目的還在于一種包括半導(dǎo)體裝置、一個在上面安裝著半導(dǎo)體裝置的第一襯底以及一個在上面安裝著第一襯底的第二襯底的電子裝置，其中，半導(dǎo)體裝置的電極和第一襯底的電極利用各自通過使焊料經(jīng)受軟熔而形成的結(jié)合部分彼此相連接，其中焊料包括Sn基焊球和金屬球，金屬球的熔點高于Sn基焊球的熔點，每個金屬球上覆蓋有一個Ni層而Ni層上覆蓋有一個Au層，而且，第一襯底的電極和第二襯底的電極通過各自由Sn-Ag基焊料、Sn-Ag-Cu基焊料、Sn-Cu基焊料和Sn-Zn基焊料中的至少任意一種形成的結(jié)合部分彼此相連接。
本發(fā)明的目的還在于一種包括半導(dǎo)體芯片和一個在上面安裝著半導(dǎo)體芯片的襯底的電子裝置，其中，襯底的結(jié)合端子通過線結(jié)合與半導(dǎo)體芯片的一側(cè)表面上形成的結(jié)合端子相連接，而半導(dǎo)體芯片的另一側(cè)表面和襯底利用各自通過使焊料經(jīng)受軟熔而形成的結(jié)合部分彼此相連接，其中焊料包括Sn基焊球和金屬球，金屬球的熔點高于Sn焊球的熔點，每個金屬球上覆蓋有一個Ni層而Ni層上覆蓋有一個Au層，并且結(jié)合部分的各金屬球通過由金屬和Sn構(gòu)成的化合物而結(jié)合在一起。
本發(fā)明的目的還在于一種用于制作包括電子元件、一個在上面安裝著電子元件的第一襯底以及一個在上面安裝著第一襯底的第二襯底的電子裝置的方法，其中，這種方法包括一個第一步驟和一個第二步驟，在第一步驟中，電子元件的電極和第一襯底的電極通過使第一無鉛焊料在等于或高于240攝氏度并且等于或低于電子元件的耐熱溫度的溫度下經(jīng)受軟熔而彼此相連接，其中第一無鉛焊料包括Sn基焊球和金屬球，金屬球的熔點高于Sn基焊球的熔點，每個金屬球上覆蓋有一個Ni層而Ni層上覆蓋有一個Au層，而在第二步驟中，上面安裝著電子元件的第一襯底和第二襯底通過使第二無鉛焊料在低于第一步驟的軟熔溫度的溫度下經(jīng)受軟熔而彼此結(jié)合。
此外，在上面安裝著電子元件的第一襯底安裝在一個第二襯底例如印刷電路板或母板上的電子裝置中，將電子元件結(jié)合于第一襯底上是通過包含Cu球和Sn基焊球的焊接膏的軟熔來進(jìn)行，而將第一襯底結(jié)合于第二襯底上是通過一種Sn-(2.0-3.5)Ag-(0.5-1.0)Cu焊料的軟熔來進(jìn)行。
舉例來說，對于溫度層級結(jié)合，即使當(dāng)已經(jīng)結(jié)合好的高溫端的焊料的一部分熔化時，如果焊料的其它部分沒有熔化，那么焊料也能夠保證強(qiáng)度足以承受隨后的焊接結(jié)合期間所進(jìn)行的過程。
金屬間化合物的熔點很高。由于與金屬間化合物結(jié)合在一起的部分即使在300攝氏度也能夠提供足夠的結(jié)合強(qiáng)度，因此金屬間化合物能夠用于高溫端的溫度層級結(jié)合。因此，本發(fā)明人使用Cu(或Ag、Au、Al或塑料)球或者表面鍍有Sn之類的這些球與Sn基焊球的混合物構(gòu)成的焊膏來進(jìn)行結(jié)合，其中二者按照各自占大約50％的體積比混合于焊膏中。因此，在Cu球彼此接觸或者彼此靠近的部分中，由于Cu和Sn之間的擴(kuò)散，從而與周圍熔化的Sn發(fā)生反應(yīng)并形成Cu6Sn5金屬間化合物，因而可以保證Cu球之間在高溫下具有足夠的結(jié)合強(qiáng)度。由于這種化合物的熔點高并且在250攝氏度的焊接溫度下(只有Sn部分熔化)能夠保證足夠的強(qiáng)度，因此在為將模塊安裝于印刷電路板上而進(jìn)行的二次軟熔過程中不會發(fā)生結(jié)合部分剝落的現(xiàn)象。因此，模塊的焊接部分由具有兩種功能的復(fù)合材料構(gòu)成，即通過由高熔點化合物的結(jié)合產(chǎn)生的彈性結(jié)合力而在二次軟熔過程中保證高溫強(qiáng)度的第一功能，以及在溫度循環(huán)中通過軟質(zhì)Sn的柔性而保證使用壽命的第二功能。因此，已焊接的部分能夠適當(dāng)?shù)赜糜诟邷叵碌臏囟葘蛹壗Y(jié)合中。
另外，還可以使用具有所需熔點的硬質(zhì)高剛性焊料，例如Au-20Sn焊料、Au-(50-55)Sn焊料(熔點309-370攝氏度)和Au-12Ge(熔點356攝氏度)。在這種情況下，通過使用粒狀Cu和Sn粒子并且將軟質(zhì)彈性橡膠粒子擴(kuò)散并混合或者通過將軟質(zhì)低熔點Sn、銦之類的焊料擴(kuò)散并混合于上述硬質(zhì)高剛性焊料中，就可以即使在不低于以上硬質(zhì)高剛性焊料的固相線溫度的溫度下也能保證足夠的結(jié)合強(qiáng)度，并且可以減輕由于金屬粒子中存在的軟質(zhì)Sn、銦或橡膠的變形引起的現(xiàn)象，因此可以期望利用這種新的優(yōu)點來補(bǔ)償焊料的缺點。
下面，對應(yīng)用于樹脂封裝的RF模塊結(jié)構(gòu)的解決方法進(jìn)行描述。
防止由于焊接而引起的短路的對策包括(1)一種結(jié)構(gòu)，其中模塊內(nèi)的焊料在二次安裝軟熔過程中不會熔化，以及(2)一種結(jié)構(gòu)，其中即使當(dāng)模塊內(nèi)的焊料熔化時，也可以通過降低焊料的熔化和膨脹壓力而防止元件與樹脂之間的界面處和樹脂與模塊襯底之間的界面處發(fā)生剝落。然而，難以根據(jù)這些措施來進(jìn)行所需樹脂的設(shè)計。
另一方面，(3)還可以考慮使用一種結(jié)構(gòu)，它能夠利用凝膠狀態(tài)的低硬度樹脂等來降低熔化的內(nèi)部焊料的熔化和膨脹壓力。然而，由于這種結(jié)構(gòu)的保護(hù)力(機(jī)械強(qiáng)度)小，就需要利用外殼或帽罩來蓋住焊料。由于這種措施會升高成本，因此不能采用。
圖13(后文中將進(jìn)行描述)示出了一種使用樹脂封裝結(jié)構(gòu)中的常規(guī)型焊料的情況下與另一種使用本發(fā)明的焊料的情況下之間的焊料流熔化現(xiàn)象比較。鉛基焊料的體積膨脹為3.6％[Science andEngineering of Metallic Materials；Masuo Kawamori，P.14442]。根據(jù)本發(fā)明的結(jié)合結(jié)構(gòu)，在二次軟熔安裝過程中只有Sn在240攝氏度左右的溫度下熔化。因此，考慮到Cu球與Sn球的體積比約為50％比50％，剛剛?cè)刍蟊景l(fā)明的焊料的體積膨脹為1.4％，大約為鉛基焊料的體積膨脹的1/2.5。另一方面，對于再熔化的狀態(tài)，當(dāng)焊料再熔化時，常規(guī)型焊料立刻膨脹3.6％。因此，當(dāng)常規(guī)型焊料由硬質(zhì)樹脂制成時，由于樹脂不能變形，壓力就會增大因此熔化的焊料就會流入芯片元件和樹脂之間形成的界面中。為此，常規(guī)型焊料中要求樹脂為軟質(zhì)。另一方面，根據(jù)本發(fā)明的焊料，從圖1(后文中將進(jìn)行描述)所示的芯片橫截面的模型中可以清楚看到，Cu粒子主要通過Cu6Sn5化合物結(jié)合在一起。因此，即使當(dāng)處于Cu粒子的間隙中的Sn熔化時，Cu粒子由于結(jié)合在一起因而不會移動。
因此，由樹脂產(chǎn)生的壓力就會與結(jié)合在一起的Cu粒子的排斥力相平衡，這樣壓力就不會輕易作用于熔化的Sn上。另外，由于結(jié)合部分的體積膨脹小，即為常規(guī)型焊料的1/2.5，因此由于以上二者的協(xié)同作用，可以期望Sn流入芯片元件的界面中的幾率很小。因此，通過在模塊中采用本發(fā)明的結(jié)合結(jié)構(gòu)，可以提供一種能夠使用稍微軟化的環(huán)氧樹脂來進(jìn)行封裝并且同時能夠易于切割的低成本RF模塊。


圖1(a)至圖1(c)是一個模型的剖視圖，示出了用于結(jié)合的焊膏的材料和構(gòu)成；圖2(a)示出了相對于應(yīng)用了本發(fā)明的一個實例的剖面模型，而圖2(b)和圖2(c)分別是供膏方法和結(jié)合情況的模型圖；圖3(a)和圖3(b)是將本發(fā)明應(yīng)用于一種表面蝕刻圖型的情況的剖視圖；圖4是將本發(fā)明應(yīng)用于一個能夠易于成合金的鍍層的情況中結(jié)合之前的剖視圖；圖5(a)至圖5(c)是將模塊安裝于一個印刷電路板上的模型的剖視圖；圖6是一個塑料封裝的模型的剖視圖；圖7(a)至7(c)是一個安裝RF模塊的模型的剖視圖；圖8(a)和圖8(b)是RF模塊安裝的流程圖；
圖9(a)至9(d)是一個RF模塊的處理順序的模型的剖視圖；圖10是位于安裝襯底上的RF模塊的安裝狀態(tài)的透視圖；圖11是一種RF模塊裝配過程中的樹脂印刷方法的透視圖；圖12(a)和圖12(b)分別是RF模塊的一個比較實例中的焊料流的原理的剖視圖和透視圖；圖13示出了對一個比較實例和一個根據(jù)本發(fā)明的實例之間的RF模塊的現(xiàn)象比較；圖14(a)至圖14(c)是一個高輸出樹脂封裝的平面圖和該封裝的剖視圖；圖15是高輸出樹脂封裝的過程的流程圖；圖16(a)至圖16(d)是一個通過復(fù)合球的結(jié)合而得到的CSP接合的模型的剖視圖；圖17(a)至圖17(c)是一個使用Cu球突出部的BGA/CSP的模型的剖視圖；圖18(a)至圖18(b)是一個使用變形結(jié)構(gòu)的鍍Cu突出部的BGA/CSP的模型的剖視圖；圖19示出了Sn/Cu比與結(jié)合的適當(dāng)范圍之間的關(guān)系；圖20(a)和圖20(b)示出了結(jié)合膏的材料和構(gòu)成的剖面模型的視圖；以及圖21(a)和圖21(b)示出了在氮氣環(huán)境和在空氣中進(jìn)行焊料軟熔的操作過程中焊料的外觀。
具體實施例方式
以下對本發(fā)明的實施例進(jìn)行描述。
(實施例1)圖1(a)至圖1(c)示出根據(jù)本發(fā)明的一種結(jié)合結(jié)構(gòu)的概念模型。該圖還示出了焊接前的情況和焊接后的另一種情況。圖1(a)示出了一個使用其中通過焊劑4少量地適當(dāng)擴(kuò)散著粒子尺寸約為30微米的Cu球1(或者Ag、Au、CuSn合金之類的球)和粒子尺寸約為30微米的Sn基焊球2(熔點232攝氏度)的焊膏的實例。當(dāng)這種焊膏在不低于250攝氏度的溫度下經(jīng)受軟熔時，Sn基焊球2就會熔化，熔化的Sn3散布開以便使得熔化的Sn3將Cu球1潤濕并比較均勻地出現(xiàn)于Cu球1之間。此后，Cu球1和熔化的Sn3相互反應(yīng)以便使得各個Cu球1借助于Cu和Sn的化合物(主要是Cu6Sn5)而彼此相連接。Cu球1和Sn基焊球2的粒子尺寸并不限于上述值。
由于Cu6Sn5化合物可以通過盡量提高軟熔溫度而在短時間內(nèi)形成，因此不需要形成化合物所需的時效過程。當(dāng)Cu6Sn5化合物的形成不夠時，就需要通過在元件的耐熱溫度范圍內(nèi)進(jìn)行短暫的時效處理而保證各Cu球1之間具有足夠大的結(jié)合強(qiáng)度。由于Cu6Sn5化合物的熔點高達(dá)大約630攝氏度并且Cu6Sn5化合物的機(jī)械性能并不差，因此強(qiáng)度上不存在問題。如果在高溫下進(jìn)行長時間的時效處理，Cu3Sn化合物就會向Cu側(cè)生長。據(jù)認(rèn)為，對于Cu3Sn的機(jī)械性能，通常認(rèn)為其又硬又脆。然而，即使當(dāng)Cu3Sn在每個Cu粒子周圍的焊料內(nèi)形成時，在這個范圍內(nèi)也不存在問題，因為它對溫度循環(huán)試驗等中測量的使用壽命并無影響。在Cu3Sn短時間內(nèi)在高溫下充分形成的實驗中，不存在強(qiáng)度上的問題。據(jù)認(rèn)為這是因為在Cu3Sn對斷裂的影響方面，在Cu3Sn象迄今為止所遇到的那樣沿結(jié)合界面形成很長的情況中與Cu3Sn象本實例中那樣在每個粒子周圍形成的另一種情況中存在差別的緣故。在本情況中，還認(rèn)為存在于化合物周圍的軟質(zhì)Sn3的輔助作用也很大。
如上所公開，由于各Cu球1通過化合物(Cu6Sn5)而彼此結(jié)合，無論是接點(Cu6Sn5)還是Cu球1都不會熔化，因此即使當(dāng)模塊在結(jié)合后經(jīng)過大約240攝氏度的軟熔爐時也可以保證結(jié)合強(qiáng)度。考慮到各Cu球1的結(jié)合可靠性，優(yōu)選地，形成的化合物(Cu6Sn5)的厚度大約為幾微米。然而，并不需要使所有的鄰接Cu粒子都通過化合物結(jié)合在一起。相反，根據(jù)概率，優(yōu)選地，還存在沒有通過化合物產(chǎn)生的Cu球1的聯(lián)接的部分，因為這在焊料變形方面提供了自由度。
圖1(b)示出的另一個實例中，以上Cu球1上鍍有Sn之類(厚度約為0至不超過0.1微米)。當(dāng)由于Sn鍍層太薄而導(dǎo)致Sn量不足時，不足的Sn量由具有與焊球2相同球徑的Sn球來補(bǔ)充。涂敷于Cu球1上的Sn鍍層使得熔化的Sn3能夠易于沿Cu球1散布并潤濕Cu球1，從而使得各Cu球1之間的間隙更加均勻。另外，這還會對消除空隙產(chǎn)生非常有利的效果。焊料鍍層的氧化膜在軟熔過程中被破壞并且各Cu球1在表面張力作用下彼此相吸并彼此接近以形成Cu6Sn5化合物。另外，通過向Sn中加入微量(1-2％)的鉍之類而改善焊料的流動性從而改善焊料在端子上的可濕性。然而，加入大量的鉍并不合乎要求，因為焊料會變脆。
當(dāng)焊接在氮氣環(huán)境中進(jìn)行時，圖1(a)和圖1(b)中所示的焊料(焊接材料、焊接膏)非常有效。另外，即使當(dāng)焊接在空氣中進(jìn)行時，如果溫度等于或低于240攝氏度，它也非常有效。這是因為在等于或低于240攝氏度的溫度下，Cu球1和Sn基焊球2及焊劑4的氧化現(xiàn)象并不活躍。Sn基焊料意味著成分中包含Sn-(0-4)Ag-(0-2)Cu并混入銻、鉍、Ni之類。特別地，對于焊劑而言，即使當(dāng)進(jìn)行清潔時，仍存在殘留的問題，因此通常使用一種弱松香焊劑。焊劑4的氧化對結(jié)合可靠性的影響并不太大。
然而，當(dāng)在空氣中在超過240攝氏度的溫度(考慮到電子元件的耐熱性，優(yōu)選在處于240攝氏度至300攝氏度范圍內(nèi)的溫度下進(jìn)行焊接)進(jìn)行焊接時，發(fā)現(xiàn)結(jié)合可靠性會由于Cu球1、Sn基焊球2和焊劑4的氧化等問題而降低。舉例來說，在使用圖1(a)和圖1(b)中所示的焊接膏(焊接材料)在空氣中在290攝氏度的溫度下進(jìn)行的焊接結(jié)合實驗中，焊接結(jié)合部分由于氧化而褪色因而降低結(jié)合可靠性。圖21(a)和圖21(b)示出了這個實驗的結(jié)果，其中圖21(a)示出了通過軟熔在氮氣環(huán)境中結(jié)合于耐熱襯底上的1005芯片元件的外觀，而圖21(b)示出了在空氣中結(jié)合于耐熱襯底上的1005芯片元件的外觀。在空氣中得到結(jié)合結(jié)構(gòu)中，焊接的表面發(fā)生氧化并且褪色。另外，結(jié)合結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出較差的可濕性。在這里，溫度290攝氏度的設(shè)定是考慮到安裝于印刷電路板上的半導(dǎo)體裝置(半導(dǎo)體芯片)或者電子組件的耐熱性。然而，這并非意味著根據(jù)本發(fā)明焊料的軟熔溫度的上限為290攝氏度。
在這里，對實驗檢查的結(jié)果進(jìn)行專門說明。在根據(jù)圖1(a)和圖1(b)中所示的上述實施例的焊接膏中，Cu球1、Sn基焊球2和焊劑4都由于軟熔而發(fā)生氧化。就是說，當(dāng)焊劑4的量很大時，Cu球1和Sn基焊球2存在于液體形式的焊劑4中因此不會與空氣接觸因而不會發(fā)生氧化。然而，在組合有Cu球1和Sn基焊球2的根據(jù)本發(fā)明的焊料中，Cu球1和Sn基焊球2的直徑相當(dāng)于幾微米到幾十微米(當(dāng)Cu的流出受到控制時大約為5微米至40微米或者1至5微米)，因此全部Cu球1和Sn基焊球2的總表面面積很大。另一方面，焊膏中的焊劑4的量受到限制以便保持焊膏的性能。因此，就難以利用焊劑4覆蓋著全部Cu球1和Sn基焊球2，因此其中一部分就會從焊劑4中露出。因此，Cu球1和Sn基焊球2就很可能在空氣中氧化。Sn特別易于發(fā)生氧化。
另一方面，對于Cu球1，當(dāng)Sn基焊球2在軟熔期間熔化時，Cu球1就被熔化的Sn基焊料(熔化的Sn基焊料3)所覆蓋，因此可以認(rèn)為Cu球1不會發(fā)生氧化。然而，由于Cu的可濕性差并且散布開，因此被Sn基焊料所覆蓋的Cu球1的部分，即在上面形成有由Sn基焊料和Cu形成的化合物的Cu球1的部分并未在Cu球的整個表面上延伸，因而Cu球的部分呈露出狀態(tài)。因此，Cu球1發(fā)生氧化。另外，直到Sn基焊料熔化的時間為止(溫度達(dá)到232攝氏度)，Cu也會通過預(yù)熱之類得到加熱。
在這里，焊劑具有還原Cu球1和Sn基焊球2的氧化的作用。然而，由于當(dāng)溫度等于或高于240攝氏度時，焊劑4本身也會活潑地發(fā)生氧化，并且全部焊劑4都發(fā)生氧化，因此當(dāng)焊劑4的數(shù)量太少時，焊劑4的氧化還原強(qiáng)度就會下降，因而焊劑4不能還原Cu球1和Sn基焊球2的氧化。另外，盡管松香基焊劑能夠還原氧化銅，但是松香基焊劑不能有效還原氧化錫。當(dāng)Cu球1發(fā)生氧化時，熔化的Sn3就難以潤濕并散布于Cu球1的整個表面上，因此就難以形成化合物(Cu6Sn5)，因而使用高溫端焊料時的焊接結(jié)合可靠性就會降低。特別地，在圖1(a)中所示的狀態(tài)中，Cu球1處于裸露狀態(tài)(未覆蓋狀態(tài))，因此Cu球1很容易發(fā)生氧化。
另外，在圖1(b)所示的狀態(tài)中，盡管Cu球1上被Sn覆蓋，但厚度只有0.1微米左右的薄Sn膜不足以防止Cu球1的氧化。在這里，從技術(shù)上來講，很難在粒子尺寸為幾十微米的Cu球1的表面上形成厚度為幾微米的Sn膜。另外，當(dāng)Cu球1被薄Sn膜所覆蓋時，Sn和Cu易于形成一種化合物(Cu3Sn)，因此可能出現(xiàn)的情況是這種Cu3Sn發(fā)生氧化。Sn和Cu形成的這種氧化物的還原比氧化Cu和氧化Sn的還原更難。另外，一旦Cu3Sn形成后，Sn就不能潤濕Cu球1。
如上文結(jié)合圖1(a)和圖1(b)所述，當(dāng)在空氣中在超過240攝氏度左右的溫度下進(jìn)行焊接時，就會產(chǎn)生結(jié)合可靠性方面的問題。鑒于以上這些問題，我們對這點繼續(xù)進(jìn)行了廣泛研究，并且發(fā)現(xiàn)圖1(c)中所示的焊接膏即使在上述情況下也能夠保證結(jié)合可靠性。
圖1(c)中所示的焊接膏(焊接材料)包含表面上被Ni/Au鍍層124覆蓋的Cu球、Sn基焊球2和焊劑4。圖20(a)示出了表面上形成有Ni/Au鍍層124的Cu球1。在這里，Au可以防止Cu和Ni的氧化。另外，Ni可以防止Au擴(kuò)散進(jìn)入Cu中并且防止Cu流出(熔化)于Sn中，當(dāng)在等于或高于240攝氏度的溫度下進(jìn)行軟熔時會出現(xiàn)這種情況。特別地，當(dāng)Cu粒子的粒子尺寸很小時，Cu在高溫下易于熔入Sn基焊料中。在常見的焊接中，Cu熔化并排出反應(yīng)氣體之類并完成凝固。然而，當(dāng)Cu過快擴(kuò)散入焊料中時，就會形成CuSn化合物并且升高熔點，因此凝固過程就會易于在氣體尚未排出的狀態(tài)下已經(jīng)完成。因此，當(dāng)焊料殘留于芯片和襯底之間限定的間隙中時，就會增加外表上的空隙。這種缺點可以通過使用Ni作為阻礙物而得以克服。就是說，Ni可以防止Cu流出至焊料中，因此焊接就可以正常進(jìn)行。在這里，Cu3Sn會阻止Sn潤濕Cu球1并散布于Cu球1的整個表面上，并且Cu3Sn一般說來又硬又脆。由于Ni鍍層能夠防止Au擴(kuò)散入Cu中，因此即使在Sn不潤濕的高溫Au下也能防止Cu的氧化，并且當(dāng)焊料潤濕時，在軟熔后Cu就會散布于焊料(Sn)中。
為防止Au散布于Cu球1的整個表面上，通常需要將Ni膜的厚度設(shè)定為等于0.1微米或0.1微米以上的值。另一方面，在粒子尺寸為幾十微米的粒子上可以形成的膜厚度為1微米左右。因此，優(yōu)選地，Ni的膜厚度設(shè)定為處于0.1微米至1微米范圍內(nèi)的值。在這里，也可以增加Ni鍍層膜的厚度從而形成將Cu粒子彼此結(jié)合起來的Ni3Sn4化合物。
另外，Au膜厚度應(yīng)設(shè)定為足以防止Ni和Cu氧化的值，并且優(yōu)選地，考慮到Au覆蓋著其表面上具有不規(guī)則部分的整個Cu球1，Au膜厚度設(shè)定為等于或大于0.01微米的值。另一方面，為在考慮到成本因素以及通過鍍覆方法(沖洗鍍覆方法)可以得到的膜厚度的情況下確定Au膜厚度，優(yōu)選地，將Au膜厚度設(shè)定為等于或大于0.005至0.1微米。
在這里，當(dāng)由于預(yù)先考慮到Au擴(kuò)散入Cu球1中的因素而形成厚度較大的Au鍍層時，通常并不需要形成Ni鍍層膜。然而，鑒于形成較大厚度(等于或大于0.1微米)的Au鍍層膜的成本因素和技術(shù)難度因素，優(yōu)選地形成Ni鍍層膜。
另外，如圖20(b)中所示，為防止Sn發(fā)生氧化以及防止Sn與Cu球發(fā)生活潑反應(yīng)，優(yōu)選地在Sn基焊球2的表面上形成一層保護(hù)膜122。在這里，作為保護(hù)膜，可以使用(1)具有焊劑作用的樹脂膜例如尿烷膜、(2)由甘油之類制成的涂層膜、(3)由氬之類形成的等離子清潔膜、(4)使用氬之類的離子或原子形成的噴涂膜，等等。對于Sn基焊球2，即使當(dāng)其表面發(fā)生輕微氧化時，在其內(nèi)部仍保留著純凈的Sn，因此當(dāng)焊接膏在等于或高于240攝氏度的溫度下經(jīng)受軟熔時，內(nèi)部純凈的Si就會破壞氧化膜而出現(xiàn)。因此，盡管并非總是需要在Sn基焊球2的表面上形成保護(hù)膜122，但是保護(hù)膜122的形成能夠?qū)n基焊球2的氧化抑制至最小程度并且能夠保證焊接結(jié)合部分的可靠性。
當(dāng)包含表面上覆蓋有Ni/Au鍍層124的Cu球1和Sn基焊球2的焊接膏(圖1(c))經(jīng)受軟熔時，按照與圖1(a)和圖1(b)中所示的焊接膏相同的方式，Cu球1通過由Cu和Sn形成的化合物(Cu6Sn5)彼此結(jié)合。
按照這種方式，根據(jù)圖1(c)中所示的焊料，即使在空氣中在等于或高于240攝氏度左右的溫度下，也可以防止發(fā)生對結(jié)合可靠性影響最大的Cu球1的氧化從而保證焊接結(jié)合部分的結(jié)合可靠性。
在這里，除了Cu球1和Sn基焊球2之外，由Cu和Sn構(gòu)成的金屬間化合物所形成的Cu6Sn5球也可以預(yù)先包含于焊接膏中。在這種情況下，即使當(dāng)Cu球1和Sn基焊球2的氧化反應(yīng)偶爾比較活躍時，由于Cu6Sn5的原因，Cu球1也會更易于彼此結(jié)合。由于相對于Cu6Sn5球而言Cu流入Sn中的流出量很小，因此即使在高溫下也不會產(chǎn)生Cu球1之間的彈性受到Cu6Sn5形成過多的限制的缺點。
無需多說，圖1(a)至圖1(c)中所示的焊接膏可以用于制作上述各個實施例中所公開的各種電子裝置和電子元件。
下面，將具有這種結(jié)合結(jié)構(gòu)的電子元件例如大規(guī)模集成電路封裝和元件安裝于印刷電路板上。在該安裝過程中，需要使用溫度層級結(jié)合方法。舉例來說，在將Sn-3Ag-0.5Cu焊接膏(熔點221-217攝氏度)印刷于印刷電路板的連接端子上并安裝了電子元件例如大規(guī)模集成電路封裝和元件之后，可以在空氣中或在氮氣環(huán)境中在240攝氏度下進(jìn)行軟熔。特別地，對于圖1(c)中所示的焊料，可以在處于從不低于240攝氏度到電子元件的耐熱溫度(例如從不低于240攝氏度到不高于300攝氏度)的范圍內(nèi)的溫度下進(jìn)行軟熔。這種Sn-(2.0-3.5)Ag-(0.5-1.0)Cu焊料被看作用來代替常規(guī)型低共熔Sn鉛焊料的標(biāo)準(zhǔn)焊料。然而，由于這種焊料的熔點高于低共熔Sn鉛焊料，因此就要求開發(fā)一種適用于這種用途的高溫?zé)o鉛焊料。如上所述，高溫下Cu和Cu6Sn5之間的強(qiáng)度由已經(jīng)形成的接合得到保證，并且接合的強(qiáng)度高得足以承受由于軟熔過程中印刷電路板的變形而產(chǎn)生的應(yīng)力，等等。因此，即使當(dāng)將Sn-(2.0-3.5)Ag-(0.5-1.0)Cu焊料用于二次軟熔以便焊接于印刷電路板上時，這種焊料也能實現(xiàn)溫度層級結(jié)合，因為這種焊料具有高溫用途的焊料所具有的功能。在這種情況下，要使用的焊劑可以為用于非清潔用途的RMA(適度活性的松香)型或用于清潔用途的RA(活性松香)型，并且可以既使用清潔型又使用非清潔型。
(實施例2)在圖2(a)中，使用一種Au-20Sn焊料7之類將半導(dǎo)體裝置13結(jié)合于接合襯底6上。在使用金線8之類進(jìn)行了線結(jié)合后，通過將NiAu鍍層涂敷于Al板、鐵Ni板之類上而制作的帽罩9的外周部分使用上述非清潔型焊接膏10通過軟熔而結(jié)合于接合襯底6上。在這種情況下，當(dāng)認(rèn)為絕緣特征很重要時，需要使用帶有不含氯的焊劑的焊料在氮氣環(huán)境中進(jìn)行結(jié)合。然而，當(dāng)不能保證可濕性時，可以使用RMA型弱活性松香進(jìn)行封裝。不需要保證完全封裝或密封半導(dǎo)體裝置13。就是說，如果焊劑具有充分的絕緣特征，即使當(dāng)半導(dǎo)體裝置13長時間地保持于焊劑中時，半導(dǎo)體裝置13也不會受到負(fù)面影響。使用帽罩9封裝的目的主要是實現(xiàn)機(jī)械保護(hù)作用。作為一種封裝方法，可以使用脈沖電流電阻加熱體15之類對密封部分進(jìn)行壓力結(jié)合。在這種情況下，焊膏的涂敷使用分配器沿著密封部分進(jìn)行，并且形成一個精密連續(xù)圖型12(圖2(b))。
在圖2的右側(cè)放大示出了圖型的剖面A-A’的模型。Cu球1和Sn焊球2保持于焊劑4中。當(dāng)在從上方對焊膏施加壓力的同時使用脈沖電流電阻加熱體15進(jìn)行帽罩9與接合襯底6的結(jié)合時，焊膏就會變平，如圖2(c)中所示。在圖2的右側(cè)放大示出了顯示焊膏變平的剖面B-B’。在這種情況下，當(dāng)使用尺寸為30微米的Cu球1時，接合襯底6與帽罩9之間的焊接結(jié)合部分提供了一個尺寸(約為50微米)為Cu球1的尺寸的1至1.5倍的間隙。由于使用脈沖加熱體15在壓力下進(jìn)行的結(jié)合過程在350攝氏度下持續(xù)最多5秒鐘，因此Cu球1與接合襯底6的端子之間的接觸部分以及Cu球1與帽罩9之間的接觸部分就容易在厚的Cu基或Ni基鍍層形成于帽罩9的表面上的這段短時間內(nèi)形成Cu6Sn5和Ni3Sn4化合物。因此，在這種情況下，一般不需要時效過程。在這里，有意應(yīng)用寬度較窄的焊膏。舉例來說，在壓力下應(yīng)用的焊膏的橫截面的寬度為250微米而厚度為120微米。當(dāng)隨后將壓力施加于焊膏上時，橫截面的厚度就變?yōu)榇笾聻镃u球1的尺寸的1至1.5倍，因此橫截面的寬度增大至750微米左右。
低共熔Sn-0.75Cu焊球隨著外部接合端子11預(yù)先供向該已封好的封裝處，而焊接膏則通過印刷按照與其它元件相同的方式置于并安裝于印刷電路板上。然后，通過軟熔進(jìn)行表面安裝。作為軟熔焊料，可以使用Sn-3Ag焊料(熔點221攝氏度，軟熔溫度250攝氏度)、Sn-0.75Cu焊料(熔點228攝氏度，軟熔溫度250攝氏度)、Sn-3Ag-0.5Cu焊料(熔點221-217攝氏度，軟熔溫度240攝氏度)等中的任何一種?？紤]到過去得到的Sn鉛低共熔焊接的性能記錄，通過低共熔Sn鉛焊料能夠保證Cu和Cu6Sn5之間具有足夠的強(qiáng)度，因此在軟熔操作過程中，已封裝的部分等等不可能發(fā)生剝落。順便說一下，當(dāng)通過使用這種焊接膏將Cu箔片結(jié)合在一起而產(chǎn)生的搭接型接頭在270攝氏度經(jīng)受剪切拉伸試驗(拉伸率50mm/min)時，得到的值大約為0.3kgf/mm。這表明在高溫下能夠保證接合具有足夠大的強(qiáng)度。
當(dāng)模塊的帽罩部分由鍍有Ni/Au的Al板構(gòu)成或者由鍍有Ni/Au的鐵Ni板構(gòu)成時，NiSn合金層在不低于175攝氏度的溫度下的生長率高于CuSn合金層的生長率，在形成的含Ni層具有的膜厚度約為3微米(舉例來說，D.Olsen et al.；Reliability Physics，13thAnnualProc.，pp 80-86，1975)的情況下，通過高溫時效處理，Ni3Sn4合金層也會充分形成。然而，相對于合金層的性能，Cu6Sn5要勝過Ni3Sn4合金層。因此，并不優(yōu)選使得Ni3Sn4合金層生長至較大的厚度。然而，在這種情況下，由于高溫時效處理不能持續(xù)很長時間，因此不必?fù)?dān)心Ni3Sn4合金層過量生長從而引起脆化的問題。根據(jù)關(guān)于其合金層生長率低于Sn合金層的生長率并且已經(jīng)在實際操作中使用多年的Sn-40Pb焊料的數(shù)據(jù)，可以粗略估計Sn的生長率。即使在280攝氏度下經(jīng)過10小時，Sn-40Pb相對于Ni的生長率也不超過1微米(根據(jù)一些數(shù)據(jù)，在170攝氏度下經(jīng)過8小時后生長率為1微米)。因此，在短時間內(nèi)進(jìn)行高溫時效處理的情況下，不會產(chǎn)生脆化的問題。關(guān)于由鍍有Ni的Sn產(chǎn)生的合金層(Ni3Sn4)的生長率，大家都知道，根據(jù)鍍覆的類型不同，例如電鍍和化學(xué)鍍等等，合金層的生長率具有很大區(qū)別。由于需要保持高結(jié)合強(qiáng)度，因此在本實施例中要求合金層具有高生長率。另一方面，存在以下數(shù)據(jù)，在170攝氏度下6小時內(nèi)，由Cu產(chǎn)生的Sn-40Pb焊料的生長率為1微米(與在假定焊球只是處于固態(tài)的實施例中使用Sn-0.75Cu低共熔焊球的情況下在230攝氏度下每小時1微米的生長率相一致)。在350攝氏度下5秒鐘內(nèi)進(jìn)行的結(jié)合實驗中，本發(fā)明人能夠觀察到在Cu粒子之間形成有厚度最大為5微米的Cu6Sn5的部分。通過這個事實，認(rèn)為當(dāng)焊接在高溫下進(jìn)行時一般不需要時效處理。
在這種焊膏方法中，還有一個最重要的任務(wù)是盡可能地減少空隙的產(chǎn)生。為了減少空隙的產(chǎn)生，重要的是要改善焊料對Cu粒子的可濕性和改善焊料的流動性。為實現(xiàn)這個目的，被視為有效的措施包括將Sn鍍于Cu球上、將Sn-Cu焊料鍍于Cu球上、將Sn-Bi焊料鍍于Cu球上及將Sn-Ag焊料鍍于Cu球上、采用低共熔Sn-0.7Cu焊球、將鉍加入焊球中、等等。
另外，焊球并不限于Sn焊球。就是說，焊球可以為低共熔Sn-Cu基焊球、低共熔Sn-Ag基焊球、低共熔Sn-Ag-Cu基焊球或者通過將從In、Zn、Bi等元素中選定的至少一種元素加入到任一種這些焊球中而得到的焊球。同樣，Sn構(gòu)成了這些焊球的成分的主要元素，可以產(chǎn)生任何所需的化合物。另外，可以混合兩種或更多種焊球。由于這些焊球的熔點低于Sn的熔點，因此觀察到的趨勢是對于這些焊球，合金層的生長率一般說來在高溫下更快。
(實施例3)根據(jù)本發(fā)明的焊膏還可以用于圖2(a)中所示的模片結(jié)合7中。在使用根據(jù)本發(fā)明的焊膏結(jié)合半導(dǎo)體裝置13之后，進(jìn)行清潔處理和線結(jié)合。在現(xiàn)有技術(shù)中，模片結(jié)合使用Au-20Sn結(jié)合來進(jìn)行。然而，鑒于Au-20Sn焊料的可靠性，Au-20Sn焊料的使用只限于小型芯片的模片安裝中。另外，當(dāng)使用由鉛基焊料構(gòu)成的焊膏進(jìn)行模片結(jié)合時，所使用的是Pb-10Sn焊料之類。根據(jù)本發(fā)明的結(jié)合方法還適用于具有較大面積的芯片。結(jié)合部分的厚度越大，使用壽命就會延長并且可靠性就會增加。根據(jù)本發(fā)明，可以通過使用各自具有較大尺寸的高熔點球來增加厚度。在厚度降低的情況下，通過降低粒子(即球)的尺寸來進(jìn)行。在一些結(jié)合方法中，還可以在降低粒子尺寸的同時形成較厚的結(jié)合部分。甚至可以使用尺寸為5-10微米的Cu粒子，并且可以將尺寸更小的粒子與其混合。在Si芯片(在其背面上提供有Cr-Cu-Au、Ni鍍層之類作為金屬鍍層)和Cu球之間以及在Cu球和襯底上的連接端子之間形成的化合物可以為Sn-Cu化合物或者Sn-Ni化合物。由于合金層的生長率很小，因此不會產(chǎn)生脆化的問題。
(實施例4)由高溫焊接提供的接合只需要在隨后步驟中進(jìn)行的軟熔過程中承受溫度，并且據(jù)認(rèn)為在軟熔過程中施加于該接合上的應(yīng)力很小。因此，代替使用金屬球的是，每個連接端子的一側(cè)或者兩側(cè)被弄粗糙以便可以形成由Cu、Ni之類形成的突出部，從而使得合金層的確形成于突出部與使用焊料結(jié)合的其它部分的接觸部分。這與使用球具有相同的效果。焊料使用分配器涂敷于端子之一上，然后利用脈沖電流的電阻加熱體而使焊料在通過以上方式形成突出部的同時發(fā)生熔化以便迫使它們侵入彼此之中，從而在高溫下進(jìn)行模片結(jié)合。因此，由于突出部具有固著效果并且在接觸部分中形成了化合物，因此接觸部分可以得到足夠高的強(qiáng)度以便承受軟熔過程中產(chǎn)生的應(yīng)力。圖3(a)示出了接合的橫截面的模型，其中襯底19的Cu墊18的表面通過蝕刻20而弄粗糙并且由Sn基焊料2形成的焊膏被涂敷于粗糙的表面上。在這種情況下，將精細(xì)的Cu粒子之類加入Sn基焊料中。元件的端子部分75的背面可以為平直表面。然而，在這種情況下，平直的背面上鍍有Cu或Ni之類，且鍍層的表面通過蝕刻20而弄粗糙。圖3(b)示出了通過在壓力下加熱而進(jìn)行結(jié)合的狀態(tài)，其中化合物通過在較高溫度下進(jìn)行軟熔而形成于接觸部分處，以便使得接觸部分具有高強(qiáng)度。因此，在將外部連接端子結(jié)合于襯底端子上的隨后的軟熔步驟中，該部分不會發(fā)生剝落。
(實施例5)在使用Au-Sn合金進(jìn)行結(jié)合時，其中通過時效處理增加了擴(kuò)散的元素的數(shù)量并且由這些元素構(gòu)成的合成化合物從低溫向高熔點端按照三個階段而改變，在處于溫度變化很小的范圍內(nèi)的較低溫度下形成不同的化合物。Au-Sn合金的一種為大家所熟知的成分構(gòu)成是Au-20Sn(熔點280攝氏度，低共熔體型)。將低共熔溫度保持于280攝氏度的Sn的成分范圍為Sn占大約10％至37％。當(dāng)Sn含量增加時，Au-Sn結(jié)合呈現(xiàn)變脆的趨勢。據(jù)認(rèn)為，在含有少量Au的合金中可以實現(xiàn)的成分范圍是Sn占55％至70％，并且在這個成分范圍中，出現(xiàn)252攝氏度相(Hansen；Constitution of Binary Alloys，McGRAW-HILL，1958)。據(jù)認(rèn)為在先前的步驟(初次軟熔)中結(jié)合的部分的溫度在經(jīng)過隨后的步驟(二次軟熔)中的結(jié)合之后達(dá)到252攝氏度的可能性很小，因此可以認(rèn)為即使在該成分范圍內(nèi)，也可以實現(xiàn)溫度層級結(jié)合的目標(biāo)。關(guān)于成分構(gòu)成，據(jù)認(rèn)為可以形成從AuSn2到AuSn4范圍內(nèi)的成分構(gòu)成并且這些化合物可以應(yīng)用于模片結(jié)合7或者帽罩9的封裝部分中。為進(jìn)一步確保安全，可以采用包含50％至55％的Sn的Au-Sn合金。在這種合金中，其固相線和液相線最高分別為309攝氏度和370攝氏度，以便可以防止析出252攝氏度的相。圖4示出了在Si芯片25的背面預(yù)先鍍上Ni(2微米)-Au(0.1微米)24的橫截面的模型，例如鍍有Ni(2微米)22-Sn(2-3微米)23的引線框架19上的接片22。在壓力下加熱的同時在氮氣環(huán)境中進(jìn)行的模片結(jié)合過程中，以及在根據(jù)場合需要而另加的時效處理過程中，一部分Sn用于形成Ni-Sn合金層(即Ni-Sn化合物層)，而剩下的Sn則形成Au-Sn合金層。在含Sn量過高的情況下，形成低共熔點很低(217攝氏度)的Sn和AuSn4。因此，需要控制含Sn量以便不會形成這種低共熔點。另外，可以在上面涂上一種其中混合有精細(xì)金屬粒子、Sn之類的焊膏。由于模片結(jié)合使用Au-Sn焊料在350-380攝氏度的高溫下進(jìn)行，因此可以通過控制膜厚度、溫度和時間而形成含Sn量低于AuSn2的含Sn量的化合物，因而可以使得其熔點不低于252攝氏度。因此可以認(rèn)為在隨后的軟熔過程中不會產(chǎn)生問題。
如上所述，通過使焊料在大大高于Sn熔點的300攝氏度下熔化，就可以激活元素的擴(kuò)散并且形成化合物，從而能夠保證高溫下所需的強(qiáng)度并且在溫度層級結(jié)合中實現(xiàn)高溫端的高可靠性結(jié)合。
關(guān)于上述的金屬球，可以使用由單元素金屬(例如Cu、Ag、Au、Al和Ni)構(gòu)成的球、由合金(例如Cu合金、Cu-Sn合金和Ni-Sn合金)構(gòu)成的球、由化合物(例如Cu6Sn5化合物)構(gòu)成的球以及包含以上各種球的混合物的球中的任何一個。就是說，可以使用能夠與熔化的Sn形成化合物因而能夠保證各金屬球之間的結(jié)合的任一種物質(zhì)。因此，金屬球并不限于一種類型，而是可以混合兩種或多種金屬球。這些金屬球可以提供有Au鍍層、Ni/Au鍍層、單元素Sn鍍層、或者含Sn的合金鍍層。另外，可以使用表面上鍍有從Ni/Au鍍層、Ni/Sn鍍層、Ni/Cu/Sn鍍層、Cu/Ni鍍層和Cu/Ni/Au鍍層中選定的一種鍍層的樹脂球。通過將樹脂球混入焊接膏中，可以期望具有消除應(yīng)力作用。
在這里，如果焊料包括具有Ni鍍層、Au鍍層或者Cu鍍層的金屬球(單元素金屬、合金、化合物等等)和位于其表面上的Sn球，就可以得到即使在空氣中在超過240攝氏度的溫度下進(jìn)行軟熔的軟熔情況下也能顯示高可靠性結(jié)合的焊接結(jié)合部分。
另外，在本發(fā)明中，也可以使用這種焊料，其中在耐熱樹脂球的表面上形成有由Cu或Ni構(gòu)成的厚度較大的鍍層并且在由Cu或Ni構(gòu)成的鍍層表面上還敷有Au鍍層。此外，也可以使用這種焊料，其中在具有低熱膨脹系數(shù)的球的表面上形成有由Cu或Ni構(gòu)成的厚度較大的鍍層并且在由Cu或Ni構(gòu)成的鍍層表面上還敷有Au鍍層。使用耐熱樹脂球的原因在于樹脂具有減輕熱沖擊作用，因此能夠期望增加在結(jié)合之后抗熱疲勞的使用壽命。另一方面，使用具有低熱膨脹系數(shù)的球的原因在于這種球能夠降低焊料的熱膨脹系數(shù)因而使得降低后的熱膨脹系數(shù)近似為待結(jié)合的材料的熱膨脹系數(shù)，因此能夠期望增加在結(jié)合之后抗熱疲勞的使用壽命。
(實施例6)下面，對如同使用由其它金屬制成的球一樣使用Al球的情況進(jìn)行描述。一般說來，高熔點金屬很硬，而純Al則是一種可用的廉價的軟質(zhì)金屬。純Al(99.99％)通常不能潤濕Sn，盡管其為軟質(zhì)金屬(Hv17)。然而，可以通過將Ni/Au鍍層、Ni/Cu/Au鍍層、Au鍍層、Ni/Sn鍍層、Cu/Ni/Sn鍍層涂敷于純Al上而使得Sn易于潤濕。在高溫下純Al易于在真空中擴(kuò)散。因此，通過在一些結(jié)合條件下使用含Ag的Sn基焊料，就可以與Al形成化合物例如Al-Ag。在這種情況下，Al表面不需要鍍覆金屬而這點對于降低成本方面具有很大好處。可以將微量的Ag、Zn、Cu、Ni之類加入Sn中以便使得Sn易于與Al反應(yīng)。Al表面可以完全潤濕或者以斑點方式潤濕。在采用斑點狀潤濕的后一種情況下，當(dāng)應(yīng)力施加在金屬球上時，因為結(jié)合強(qiáng)度能夠得到保證，因而在變形時約束力減小，因此焊料易于發(fā)生變形并且未潤濕部分吸收能量作為摩擦損失。因此，就得到一種變形能力非常優(yōu)越的材料。還可以將由Si、Ni-Sn、Ag之類形成的鍍層涂敷于Al線上然后將帶鍍層的Al線切成粒子型式。通過在氮氣環(huán)境中進(jìn)行霧化過程之類可以低成本地大量產(chǎn)生Al粒子。很難在不發(fā)生表面氧化的情況下產(chǎn)生Al粒子。然而，即使當(dāng)表面曾經(jīng)或者最初被氧化時，也可以通過金屬鍍覆處理而清除氧化膜。
另外，考慮到難以將Al球結(jié)合在一起，有效措施是使用其中包含Al球和Sn球的焊料(焊接材料、焊接膏)，其中Al球這樣形成，一個Ni層形成于Al球的表面上，一個較大厚度的Cu層形成于該Ni層上，而還有一個薄Ni層涂敷于該Cu層的表面上，并且一個薄Au層涂敷于該薄Ni層的表面上。通過提供Cu層，Cu層就會與熔化的Sn一起形成Cu-Sn化合物(主要是Cu6Sn5)，因此由于這些Cu-Sn化合物的作用，各Al球能夠彼此結(jié)合。提供的Au層用于防止Cu層發(fā)生氧化。
更具體而言，為使用Ni3Sn4化合物將粒子結(jié)合在一起，可以將由Ni(1-5微米)/Au(0.1微米)形成的鍍層涂敷于Al球的表面上。另外，為使用Cu6Sn5化合物將粒子結(jié)合在一起，可以將由Ni(0.5微米)/Cu(3-5微米)/Ni(0.3微米)/Au(0.1微米)形成的鍍層涂敷于Al球的表面上。此外，為使用Au-Su化合物將粒子結(jié)合在一起，可以將具有3微米的較大厚度的Au鍍層涂敷于Al粒子的表面上。通過使用包含少量的Sn的化合物例如AuSn2、AuSn等等將Al粒子結(jié)合在一起，就可以得到能夠承受高溫的結(jié)合。
各自的表面上形成有Ni/Au層、Ni/Cu/Au層、Ni/Cu/Ni/Au層或者Au層的Al球和Sn球可以非常有效地用于在等于或高于240攝氏度的溫度下在空氣中進(jìn)行焊接結(jié)合。另外，由于Al比Cu軟，因此即使當(dāng)由Al和Su形成的化合物很硬時，包含Al球和Sn球的焊料也呈現(xiàn)出比包含Cu球和Sn球的焊料更高的柔性(消除應(yīng)力性能)。因此，通過溫度循環(huán)試驗之類已經(jīng)證明包含Al球和Sn球的焊料能有效防止待結(jié)合的材料發(fā)生斷裂。
(實施例7)下面，對Au球進(jìn)行描述。在Au球的情況中，Sn易于將它們潤濕，因此在結(jié)合在短時間內(nèi)進(jìn)行的情況下無需進(jìn)行金屬鍍覆處理。然而，當(dāng)焊接時間較長時，Sn就會大量擴(kuò)散入Au中因而就會擔(dān)心形成脆性的Au-Sn化合物。因此，為了得到一種軟質(zhì)結(jié)構(gòu)，有效的措施是使用向Au中的擴(kuò)散程度很低的In(銦)鍍層之類。在這種情況下，也可以使用Ni、Ni-Au之類來作阻擋。通過使得阻擋層盡可能的薄，Au球就會易于變形。另外，在能夠抑制帶有Au的合金層生長的情況下，也可以采用其它金屬鍍覆結(jié)構(gòu)。當(dāng)在模片結(jié)合方法中結(jié)合在短時間內(nèi)進(jìn)行時，在顆粒邊界處形成的合金層具有的厚度很小，因此即使在不提供阻擋的情況下，也可以期望Au的柔性會產(chǎn)生很好的效果。也可以組合使用Au球和銦焊球。
(實施例8)下面，對Ag球進(jìn)行描述。使用Ag球得到的構(gòu)成和有利效果大致與Cu球相似。然而，在本實施例中，由于Ag3Sn化合物的機(jī)械性能例如硬度之類非常有利，因此也可以通過常見的方法來使用化合物將Ag粒子結(jié)合在一起。還可以將Ag球與Cu之類混合起來。無須多說的是，Ni層和Au層可以形成于Ag球的表面上。
(實施例9)下面，對將金屬材料用作金屬球材料的情況進(jìn)行描述。作為典型的合金基材料，可用的有Zn-Al基和Au-Sn基材料。Zn-Al基焊料的熔點主要在從330攝氏度到370攝氏度的范圍內(nèi)，該溫度范圍適于利用Sn-Ag-Cu基焊料、Sn-Ag基焊料和Sn-Cu基焊料進(jìn)行層級結(jié)合。作為Zn-Al基焊料的典型實例，可以使用Zn-Al-Mg基焊料、Zn-Al-Mg-Ga基焊料、Zn-Al-Ge基焊料、Zn-Al-Mg-Ge基焊料，以及這些焊料中的任意一種，但是還包含從Sn、In、Ag、Cu、Au、Ni等等中選定的至少一種元素。在Zn-Al基焊料的情況下，其氧化作用強(qiáng)烈發(fā)生因此焊料剛性很高。由于這些原因，需要指出的是，當(dāng)結(jié)合Si芯片時，可能會在Si芯片中產(chǎn)生裂紋(Shimizu et al.“Zn-Al-Mg-GaAlloys for Pb-Free Solders for Die Attachment，”Mate99，1999)。因此，當(dāng)使用Zn-Al基焊料作為金屬球時必須解決這些問題。
因此，為了解決這些問題，就是說，為了降低焊料的剛性，將鍍有Ni/焊料、Ni/Cu/焊料、Ni/Ag/焊料或Au的耐熱塑料球均勻地擴(kuò)散于Zn-Al基球中以便降低楊氏模量。優(yōu)選地，這些擴(kuò)散的粒子的粒子尺寸小于Zn-Al基球的粒子尺寸并且均勻地擴(kuò)散于Zn-Al基球中。當(dāng)焊料變形時，尺寸約為1微米的具有彈性的軟塑料球也發(fā)生變形以便使得焊料能夠在消除熱沖擊和機(jī)械沖擊方面得到非常有利的效果。當(dāng)橡膠擴(kuò)散于Zn-Al基焊球中時，楊氏模量就會降低。由于塑料球幾乎均勻地擴(kuò)散于Zn-Al基焊球中，因此當(dāng)熔化在短時間內(nèi)進(jìn)行時，這種均勻擴(kuò)散形式不會受到很大破壞。另外，通過使用熱分解溫度約為400攝氏度的塑料球，就可以防止其有機(jī)物質(zhì)在使用電阻加熱體進(jìn)行結(jié)合的過程中在焊料中分解。
Zn-Al易于發(fā)生氧化。因此，在考慮其儲存的情況下，優(yōu)選地在Zn-Al球的表面上鍍上用來代替Cu的Sn。在Sn和Cu的量很小的情況下，Sn和Cu在結(jié)合過程中在Zn-Al焊料中溶解。由于Sn存在于Zn-Al球的表面上，因此，舉例來說，便于將Sn結(jié)合于在Cu桿上形成的Ni/Au鍍層上。在不低于200攝氏度的高溫下，Ni-Sn合金層(Ni3Sn4)的生長率大于Cu6Sn5的生長率，因此不可能發(fā)生由于化合物形成不足而不能進(jìn)行結(jié)合的情況。
另外，通過除了塑料球之外再將5-50％的Sn球混入焊料中，Sn層就會滲入Zn-Al基焊料中。在這種情況下，Sn層的一部分用于使Zn-Al球彼此直接結(jié)合。然而，Sn層的其它部分構(gòu)成了低熔點的比較軟的Sn-Zn相以及存在于Zn-Al基焊料中的剩余的Sn等。因此，任何變形都可以被Sn、Sn-Zn相和塑料球的橡膠吸收。特別地，由于塑料球和Sn層的組合作用，可以期望剛性得到進(jìn)一步降低。即使在這種情況下，Zn-Al基焊料的固相線溫度也能保證不低于280攝氏度，因而在高溫所需的強(qiáng)度方面不存在問題。
通過將Sn鍍層涂敷于Zn-Al基焊球上以便有意留下未溶解于球中的Sn相，Sn相就起到吸收變形的作用因此Zn-Al焊球的剛性就能夠得到降低。為了進(jìn)一步降低剛性，可以在使用Zn-Al基焊球的同時在其中混合通過金屬鍍覆和焊接而涂敷的尺寸約為1微米的塑料球。因此，其耐沖擊能力就得以提高而其楊氏模量得以降低。另外，通過使用在其中將由Sn、In等形成的球、鍍Sn塑料球或橡膠擴(kuò)散于Zn-Al基(例如Zn-Al-Mg、Zn-Al-Ge、Zn-Al-Mg-Ge和Zn-Al-Mg-Ga)焊球中的焊膏，同樣可以提高耐溫度循環(huán)能力和耐沖擊能力，從而能夠保證焊接膏的高可靠性。當(dāng)只使用Zn-Al基焊料時，球就會很硬(大約為120-160Hv)并且剛性很大因此就會擔(dān)心大尺寸的Si芯片發(fā)生破裂。為了消除這種擔(dān)心，通過將具有低熔點Sn的軟Sn層或者In層部分地設(shè)置于球的周圍，并且通過將橡膠擴(kuò)散于球的周圍，就能夠保證變形能力并且降低剛性。
(實施例10)圖5(a)至圖5(c)示出的實例中，通過一個扁平封裝型封裝結(jié)構(gòu)來將便攜式移動電話中用來進(jìn)行信號處理的較小輸出模塊等安裝于印刷電路板上，其中該模塊為大方形，其一條邊的長度大于15毫米，在該扁平封裝型封裝結(jié)構(gòu)中，通過引線來消除模塊與襯底之間的熱膨脹系數(shù)的差別。在這種型式的結(jié)構(gòu)中，通常采用的系統(tǒng)中，每個電路元件的背面通過模片結(jié)合方法結(jié)合于具有良好導(dǎo)熱性的接合襯底上，并且它們通過線結(jié)合聯(lián)接于接合襯底的端子上。對于這種系統(tǒng)，有許多采用MCM(多芯片模塊)設(shè)計的實例，其中置有幾個芯片和位于每個芯片周圍的芯片元件例如電阻器和電容器。其典型實例有常規(guī)型HIC(混合集成電路)、功率MOSIC之類。作為可用的模塊襯底材料，有Si薄膜襯底、具有低熱膨脹系數(shù)和高導(dǎo)熱性的AIN襯底、低熱膨脹系數(shù)的玻璃陶瓷襯底、以及熱膨脹系數(shù)與GaAs接近的Al2O3襯底、具有高耐熱性和改進(jìn)的導(dǎo)熱能力的Cu之類制成的金屬芯有機(jī)襯底。
圖5(a)示出了將Si芯片8安裝于Si襯底35上的一個實例。由于電阻器、電容器之類可由Si襯底35上的薄膜構(gòu)成，因此可以進(jìn)行較高密度安裝。在這個實例中，示出了Si芯片8的一種倒裝片安裝結(jié)構(gòu)。也可以采用Si芯片通過模片結(jié)合方法進(jìn)行結(jié)合而端子通過線結(jié)合連接起來的系統(tǒng)。圖5(b)示出的另一個實例中，將元件安裝于印刷電路板49上的安裝方法為使用QFP-LSI型模塊結(jié)構(gòu)并且采用軟的Cu基引線29。一般地，使用Ni/Pd、Ni/Pd/Au、Ni/Sn等來在Cu引線29上進(jìn)行金屬鍍覆處理。引線29與Si襯底35的結(jié)合通過使用根據(jù)本發(fā)明的焊膏在壓力下加熱來進(jìn)行。關(guān)于引線29，可以采用使用分配器作為一排端子上的直線來供給引線的方法，或者采用的方法是，其材料的供給通過對每個端子進(jìn)行印刷來進(jìn)行而引線通過在壓力下加熱而對應(yīng)于單個端子進(jìn)行分離而形成。各個Si芯片8的Au或Cu突出部18通過將根據(jù)本發(fā)明的焊膏供向接合襯底35而進(jìn)行結(jié)合。另外，可以通過將Sn鍍層涂敷于位于襯底側(cè)的端子上而進(jìn)行Au-Sn結(jié)合或Cu-Sn結(jié)合。此外，作為另一種結(jié)合方法，在使用Au球突出部而同時在襯底上提供有鍍Sn端子時，Au-Sn結(jié)合通過熱壓結(jié)合技術(shù)來實現(xiàn)以便使得形成的接合能夠足以承受250攝氏度的軟熔溫度。另外，也可以使用耐熱導(dǎo)電焊膏。為了保護(hù)芯片，在每個芯片上提供有硅酮凝膠26、包含填料和/或橡膠例如硅酮并具有低熱膨脹系數(shù)和一定水平的柔性而同時能夠在安裝后保持流動性和機(jī)械強(qiáng)度的環(huán)氧樹脂、或者硅酮樹脂，從而使得可以保護(hù)并加強(qiáng)包括引線的端子部分在內(nèi)的芯片。這就能夠通過溫度層級進(jìn)行無鉛結(jié)合，已經(jīng)對這種方法的實現(xiàn)提出了需求。
當(dāng)使用厚膜襯底例如AIN襯底、玻璃陶瓷襯底或Al2O3襯底來代替Si襯底時，電阻器、電容器之類的安裝基本上象芯片元件一樣安裝。另外，可以采用進(jìn)行激光修整而同時使用厚膜焊膏的成形方法。當(dāng)電阻器和電容器由厚膜焊膏構(gòu)成時，可以采用與上述Si襯底相同的安裝系統(tǒng)。
圖5(b)示出的另一種系統(tǒng)包括以下步驟，將由Si或GaAs制成的芯片8在其面朝上的情況下安裝于具有良好的導(dǎo)熱性和機(jī)械性能的Al2O3襯底19上、利用脈沖電阻加熱體在壓力下對其進(jìn)行結(jié)合、進(jìn)行芯片元件的軟熔結(jié)合、對其進(jìn)行清潔、以及進(jìn)行線結(jié)合。在這種情況下，通常按照與結(jié)合圖5(a)所述的情況中相同的方式采用樹脂封裝。與圖5(a)的情況相似，這里所用的樹脂26為其中散有石英填料和橡膠如硅酮橡膠并且能夠減小熱沖擊的具有低熱膨脹系數(shù)的環(huán)氧樹脂，或者硅酮樹脂，或者按照某種狀態(tài)或形式將環(huán)氧樹脂和硅酮樹脂混合的一種樹脂。在這種系統(tǒng)中，直到芯片和芯片元件的安裝已經(jīng)完成之前一直使用處于未分割狀態(tài)的大襯底，隨后將大襯底分割，并且在結(jié)合引線之后在每個分割的部分上覆蓋上樹脂。GaAs和Al2O3的熱膨脹系數(shù)彼此接近，本發(fā)明的焊膏中包含大約50％的Cu，并且通過結(jié)合在一起的Cu粒子的結(jié)構(gòu)來進(jìn)行結(jié)合，因此這種結(jié)構(gòu)具有良好的導(dǎo)熱性。為了進(jìn)一步提高散熱能力，在緊靠芯片8下方形成的金屬鍍覆層之下提供有熱通路，因此還可以從襯底19的背部散熱。將根據(jù)本發(fā)明的焊膏供向這些端子的過程通過印刷或者使用分配器來進(jìn)行。根據(jù)本發(fā)明的焊膏還可以用于在引線29和Al2O3襯底19之間提供結(jié)合的焊接接合33處。
在結(jié)合Al翼片的情況中，如果可以采用非清潔型，則可用的一種系統(tǒng)包括以下步驟，通過分配器或印刷而以環(huán)繞著翼片的形式供給焊膏、以及使用電阻加熱體、激光、光束等等在壓力下進(jìn)行結(jié)合，或者利用通過軟熔與芯片元件同時的操作進(jìn)行結(jié)合。在Al材料的情況下，鍍Ni之類作為金屬鍍覆處理來進(jìn)行。在翼片結(jié)合的情況下，為了實現(xiàn)非清潔型，Al形成箔狀并且如此得到的箔通過電阻加熱體在氮氣環(huán)境中在壓力下進(jìn)行結(jié)合。
圖5(c)示出了一個模塊結(jié)構(gòu)的一部分，其中電子元件安裝于其中具有金屬39的金屬芯襯底上并且利用Al翼片31來封裝。芯片13可具有朝下結(jié)構(gòu)并且可以通過安裝空端子45而直接結(jié)合于金屬芯襯底的金屬39上以便散熱。結(jié)合通過LGA(引線柵極陣列)系統(tǒng)來進(jìn)行，芯片端的墊(電極)由Ni/Au或Ag/-Pt/Ni/Au制成，而襯底端的墊(電極)由Cu/Ni/Au制成，而它們使用根據(jù)本發(fā)明的焊膏彼此相結(jié)合。在使用具有低熱膨脹系數(shù)和耐熱性能的聚酰亞胺襯底或者使用具有與其相似的耐熱性能的組合式襯底的情況下，可以進(jìn)行利用溫度層級的模塊安裝，其中半導(dǎo)體裝置13使用根據(jù)本發(fā)明的焊膏36直接安裝。在高發(fā)熱能力的芯片的情況下，也可以通過熱通路將熱量導(dǎo)向金屬39。由于在每條熱路中，存在彼此接觸的Cu粒子，因此熱量可以瞬時導(dǎo)向金屬。就是說，這種結(jié)構(gòu)具有良好的導(dǎo)熱性。在這種情況下，同樣，對于結(jié)合帽罩31的部分，也使用根據(jù)本發(fā)明的焊膏31來進(jìn)行結(jié)合。焊膏部分36可以在一次操作中完成印刷。
作為將本實施例應(yīng)用于電路元件的一個實例，上文對RF模塊進(jìn)行了描述。然而，本發(fā)明也可應(yīng)用于任意一種用做各種類型的移動通訊裝置所用的帶通濾波器的SAW(表面聲波)裝置結(jié)構(gòu)、PA(高頻功率放大器)模塊、用于監(jiān)控鋰電池的模塊、以及其它模塊和電路元件中?？梢詰?yīng)用本發(fā)明的焊料的產(chǎn)品領(lǐng)域既不限于包括移動產(chǎn)品在內(nèi)的便攜式蜂窩電話，也不限于筆記本個人計算機(jī)等等。就是說，在當(dāng)今數(shù)字化時代，本發(fā)明的焊料可以應(yīng)用于能夠在新型家用電器之類中用到的模塊安裝元件。無須多說，根據(jù)本發(fā)明的焊料可以用于使用無鉛焊料的溫度層級結(jié)合中。
(實施例11)圖6示出了將本發(fā)明應(yīng)用于常用的塑料封裝中的一個實例。按常規(guī)方式，Si芯片25的背面使用導(dǎo)電焊膏54結(jié)合于由42合金制成的接片53上。電路元件使用金線8之類通過線結(jié)合連接于相應(yīng)的引線29上并且使用樹脂5進(jìn)行模塑。然后，與無鉛結(jié)合設(shè)計相應(yīng)，將Sn基鍍層涂敷于引線上。按常規(guī)方式，熔點為183攝氏度的低共熔Sn-37Pb焊料能夠用于在印刷電路板上進(jìn)行安裝，因此，就可以最高在220攝氏度下進(jìn)行軟熔結(jié)合。然而，在無鉛結(jié)合的情況下，由于軟熔結(jié)合使用Sn-3Ag-0.5Cu焊料(熔點217-221攝氏度)來進(jìn)行，軟熔溫度就變?yōu)?40攝氏度左右，就是說，最高溫度比常規(guī)方法的最高溫度提高了大約20攝氏度。因此，就用于在Si芯片25和由42-合金制成的接片53之間形成結(jié)合的常用的耐熱導(dǎo)電型焊膏而言，高溫下的結(jié)合強(qiáng)度會降低，因此就會擔(dān)心其可靠性受到負(fù)面影響。因此，通過使用本發(fā)明的焊膏來代替導(dǎo)電型焊膏，相對于模片結(jié)合而言就可以在290攝氏度左右進(jìn)行無鉛結(jié)合。在塑料封裝中的這種應(yīng)用可以應(yīng)用于在其中將Si芯片和接片結(jié)合在一起的所有塑料封裝結(jié)構(gòu)中。關(guān)于引線的形狀，在結(jié)構(gòu)上有鷗翼型、扁平型、J引線型、平接引線型和無鉛型。無須多說，本發(fā)明可以應(yīng)用于所有這些類型。
(實施例12)圖7(a)至圖7(c)示出了一個將本發(fā)明應(yīng)用于高頻RF模塊的安裝的更具體的實例。圖7(a)為模塊的剖視圖，而圖7(b)為模塊的平面圖，其中位于上表面的Al翼片31已拆掉。
在實際的結(jié)構(gòu)中，幾個MOSFET元件各自包括一個用于產(chǎn)生無線電波的尺寸為1×1.5毫米的芯片13，這些MOSFET元件使用朝上結(jié)合進(jìn)行安裝以便適應(yīng)于多頻帶設(shè)計，并且通過元件17例如電阻器和電容器在MOSFET元件周圍還形成一個用于有效產(chǎn)生無線電波的高頻電路。芯片元件也呈小型化并且使用的是1005、0603之類。模塊長度約為7毫米，寬度約為14毫米，利用高密度安裝而呈小型化。
在本實施例中，只考慮焊料的功能方面，并且在所描述的一個模型中，安裝有一個電路元件和一個芯片元件作為其典型代表。在這種情況下，如下文中所述，芯片13和芯片元件17通過根據(jù)本發(fā)明的焊料結(jié)合于襯底43上。Si(或GaAs)芯片13的端子通過線結(jié)合8而結(jié)合于襯底43的墊(電極)上，并且還通過通孔44和內(nèi)部連線45而電連接于在襯底的背面上提供了外部連接部分的端子46上。芯片元件17焊接結(jié)合于襯底的墊上并且還通過通孔44和內(nèi)部連線45而電連接于在襯底的背面上提供了外部連接部分的端子46上。芯片13上通常涂有硅酮凝膠(圖中已略去)。在芯片13下方，提供有用于散熱的熱通路44，該熱通路44通向端子42以便在背面上散熱。在陶瓷襯底的情況下，熱通路中裝有導(dǎo)熱性良好的Cu基材料的厚膜焊膏。當(dāng)使用耐熱性比較差的有機(jī)襯底時，通過使用根據(jù)本發(fā)明的焊膏，可以在250攝氏度至290攝氏度的范圍內(nèi)進(jìn)行焊接以便用于結(jié)合芯片的背面，結(jié)合芯片元件，和在熱通路內(nèi)進(jìn)行結(jié)合等等。另外，覆蓋著整個模塊的Al翼片31和襯底43通過填隙之類固定在一起。這種模塊的安裝通過將提供外部連接的端子46焊接結(jié)合于印刷電路板之類上而進(jìn)行，并且在這種情況下，需要進(jìn)行溫度層級結(jié)合。
圖7(c)示出的實例中，除了該FR模塊之外，在印刷電路板49上還安裝有BGA型半導(dǎo)體裝置和芯片元件17。在半導(dǎo)體裝置中，使用根據(jù)本發(fā)明的焊接膏將半導(dǎo)體芯片25以朝上的狀態(tài)結(jié)合于接合襯底14上，而半導(dǎo)體芯片25的端子和接合襯底14的端子通過線結(jié)合而結(jié)合在一起，并且結(jié)合部分周圍的區(qū)域進(jìn)行樹脂封裝。舉例來說，通過在290攝氏度下將焊接膏熔化5秒鐘，就可以使用電阻加熱體將半導(dǎo)體芯片25模片結(jié)合于接合襯底14上。另外，在接合襯底14的背面，形成有焊球端子30。舉例來說，在焊球端子30中使用的是Sn-3Ag-0.5Cu焊料。而且，半導(dǎo)體裝置(在本實例中為TSOP-LSI)也焊接結(jié)合于襯底49的背面，這就是所謂的雙面安裝的一個實例。
舉例來說，作為一種雙面安裝方法，首先將Sn-3Ag-0.5Cu焊接膏印刷于印刷電路板49上的墊部分18中。然后，為了從半導(dǎo)體裝置例如TSOP-LSI50的安裝面這一側(cè)進(jìn)行焊接結(jié)合，對TSOP-LSI50進(jìn)行定位并且在最高240攝氏度下對其進(jìn)行軟熔結(jié)合。接著，對芯片元件17、模塊和半導(dǎo)體進(jìn)行定位并且在最高240攝氏度下對其進(jìn)行軟熔結(jié)合，從而實現(xiàn)雙面安裝。常見的做法是首先對具有耐熱能力的輕型元件進(jìn)行軟熔結(jié)合，然后對不具耐熱能力的重型元件進(jìn)行結(jié)合。在后面的階段中進(jìn)行軟熔結(jié)合時，要求首先結(jié)合的元件的焊料不能落下，并且理想的想法是防止焊料再熔化。
在軟熔并且通過軟熔進(jìn)行雙面安裝的情況下，就會產(chǎn)生已安裝于背面上的接頭的溫度超過焊料的熔點的情況。然而，在大多數(shù)情況下，當(dāng)安裝的元件不會落下時就不存在問題。在軟熔的情況下，襯底上下表面間的溫度差很小，因此襯底的翹曲很小，并且，即使在焊料熔化時，由于表面張力的作用，輕型元件也不會落下。盡管上文在根據(jù)本發(fā)明的典型實例中對Cu球和Sn的組合進(jìn)行了描述，但是無須多說，本發(fā)明同樣適用于權(quán)利要求中所述的其它組合方式。
(實施例13)下面，為了進(jìn)一步降低RF模塊的成本，在下文中對使用根據(jù)本發(fā)明的焊膏的樹脂封裝方法進(jìn)行描述。
圖8(a)示出了樹脂封裝方法的RF模塊裝配步驟，而圖8(b)示出了將模塊安裝于印刷電路板上的二次安裝和裝配步驟。圖9(a)至圖9(d)為剖面模型圖，示出了圖8(a)中所示的RF模塊裝配步驟中的裝配順序。方形Al2O3多層陶瓷襯底43一側(cè)的大小為100至150毫米，并且Al2O3多層陶瓷襯底43上提供有用于斷開的縫隙62以便可以將其分割成相應(yīng)的多個模塊襯底。在要對Al2O3多層陶瓷襯底43上的每個Si芯片13進(jìn)行模片結(jié)合的位置上形成有空腔61，并且空腔61的每個表面上都鍍有厚Cu膜/Ni/Au或Ag-Pi/Ni/Au。就在模片結(jié)合的正下方形成有多個熱通路(裝有Cu厚膜導(dǎo)體等)44，它們連接于形成于襯底背面上的墊45上以便通過多層印刷電路板49進(jìn)行散熱(圖9(d))。這就使得由幾瓦的高輸出芯片所產(chǎn)生的熱量能夠順利散發(fā)。使用Ag-Pt厚膜導(dǎo)體來構(gòu)成Al2O3多層襯底43上的墊材料。另外，根據(jù)接合襯底的類型和制造方法(本實施例中由Al2O3制成)，可以使用Cu厚膜導(dǎo)體，或者可以使用W-Ni導(dǎo)體或Ag-Pd導(dǎo)體。各自安裝著芯片元件的墊部分由Ag-Pt膜/Ni/Au形成的厚鍍層制成。關(guān)于形成于Si芯片背面的墊部分，在本實施例中使用的是Ti/Ni/Au薄膜。然而，墊并不限于這種結(jié)構(gòu)，如常用的Cr/Ni/Au薄膜等也可用作墊。
在對Si芯片13進(jìn)行模片結(jié)合和對芯片元件17進(jìn)行軟熔(隨后將對此進(jìn)行詳細(xì)描述)之后，在清潔了Al2O3多層襯底后進(jìn)行線結(jié)合8(圖9(b))。另外，通過印刷向其提供樹脂并且得到如圖9(c)中所示的剖面。樹脂為硅酮樹脂或低彈性環(huán)氧樹脂，通過刮板65進(jìn)行印刷，如圖10中所示，以便通過一次操作而利用樹脂覆蓋Al2O3多層襯底43，從而在Al2O3多層襯底43上形成一個單操作封裝部分73。在樹脂安裝或者固化之后，通過激光之類做上識別標(biāo)志。在分割襯底之后進(jìn)行特征檢查。圖11為一個通過以下步驟完成的模塊的透視圖，這些步驟包括，分割A(yù)l2O3多層襯底43、將其安裝于印刷電路板上、以及對其進(jìn)行軟熔。模塊被制成具有LGA結(jié)構(gòu)以便可以在印刷電路板上進(jìn)行高密度安裝。
下面，通過參考圖8(a)中所示的RF模塊裝配的步驟順序?qū)σ陨厦枋鲞M(jìn)行補(bǔ)充。根據(jù)本發(fā)明的焊膏通過印刷供向芯片元件，而對于將要安裝于空腔上的芯片13，利用分配器供給這種焊膏。首先，安裝無源裝置17，例如芯片電阻器、芯片電容器之類。接著，安裝1毫米×1.5毫米的芯片13，同時通過在290攝氏度下利用加熱體輕輕地而又均勻地按壓Si芯片13而對其進(jìn)行模片結(jié)合并且將其整平。Si芯片的模片結(jié)合和芯片元件17的軟熔主要通過位于Al2O3多層襯底下方的加熱體按步驟順序進(jìn)行。為了消除空隙，使用鍍Sn的Cu球。在290攝氏度，Cu球有點軟化而Sn在高溫下流動性提高，從而激活Cu與Ni之間的反應(yīng)。在這種情況下，在Cu粒子相互接觸以及Cu粒子和金屬鍍覆部分彼此形成接觸的接觸部分處就會形成化合物。一旦化合物形成后，由于它們?nèi)埸c很高，因此就不會再熔化，即使在250攝氏度的二次軟熔溫度下。另外，由于模片結(jié)合溫度高于二次軟熔溫度，Sn就能充分潤濕并充分散布開從而形成化合物。因此，在二次軟熔過程中，化合物層在高溫下能提供足夠的強(qiáng)度，因而Si即使在樹脂封裝的結(jié)構(gòu)中也不會移動。另外，即使在低熔點Sn發(fā)生再熔化的情況下，由于它已經(jīng)歷過更高溫度下的加熱，因此即使在250攝氏度的高溫下它也不會流出。由于這些原因，Si芯片在二次軟熔過程中就保持固定，因此模塊特征不會受到Sn再熔化的影響。
下面，通過對根據(jù)本發(fā)明的焊膏的情況與常規(guī)型Pb基焊料(使得可以在290攝氏度下進(jìn)行軟熔)的情況進(jìn)行比較，在下文中對樹脂產(chǎn)生的影響進(jìn)行描述。
在圖12(a)和12(b)中，示出了在進(jìn)行二次軟熔(220攝氏度)以便結(jié)合于印刷電路板上的情況(與圖11的安裝狀態(tài)相似并且焊料30的成分為一種Sn-Pb低共熔體)下，由于常規(guī)型Pb基焊料(固相線溫度為245攝氏度)的流出71而在芯片元件17中產(chǎn)生的短路現(xiàn)象的模型。在模塊通過包含填料的高彈性環(huán)氧樹脂68封裝的情況下(即，在芯片元件鍍有常用于進(jìn)行金屬鍍覆處理的Sn或Sn-Pb的情況下，由于Sn-Pb低共熔體相的形成，焊料再熔化的熔點降至180攝氏度左右)，短路由于在180攝氏度下使用樹脂的彈性模量而在該樹脂的壓力下引起，在180攝氏度下焊料的流出達(dá)1000MPa。盡管Pb基焊料的熔點最初為245攝氏度的固相線溫度，但由于芯片元件的墊上鍍有Sn-Pb焊料以及襯底側(cè)鍍有Au，因而它降至180攝氏度左右。因此，Pb基焊料在二次軟熔過程中(220攝氏度)處于再熔化狀態(tài)。當(dāng)Pb基焊料從固體變?yōu)橐后w時，在焊料中就會突然發(fā)生3.6％的體積膨脹。在芯片元件一側(cè)形成一個焊腳的Pb基焊料76的再熔化膨脹壓力70和樹脂壓力69以很大的力相互平衡并且使得作為結(jié)構(gòu)上的脆弱部分的在芯片上表面與樹脂之間形成的界面發(fā)生剝落，從而使得焊料流出71。因此，與對面一側(cè)的墊發(fā)生短路的概率很高(70％)。還發(fā)現(xiàn)通過降低在高溫下(180攝氏度)所確定的樹脂的彈性模量，就可以減小這種短路現(xiàn)象的發(fā)生率。由于對于環(huán)氧樹脂的軟化存在限制，研究發(fā)現(xiàn)通過向軟硅酮樹脂中加入填料之類可以增加彈性模量。因此，人們發(fā)現(xiàn)當(dāng)在180攝氏度下的彈性模量不高于10Mpa時，將不會發(fā)生焊料的流出71。當(dāng)在180攝氏度下彈性模量增加至200Mpa時，短路發(fā)生的概率為2％。鑒于上述原因，在再熔化的焊料結(jié)構(gòu)中，要求樹脂的彈性模量在180攝氏度下不超過200MPa。
然后，對于根據(jù)本發(fā)明的焊膏結(jié)構(gòu)，在圖13中示出了由流出產(chǎn)生的影響，同時將其與常規(guī)型焊料進(jìn)行了比較。如上所述，當(dāng)使用根據(jù)本發(fā)明的焊膏進(jìn)行結(jié)合時，Sn在熔化的部分中所占的體積約為一半，并且部分也是因為Sn自身的膨脹值很小，因此焊料的體積膨脹比呈現(xiàn)大小為1.4％的很小的值，只有Pb基焊料的膨脹比的1/2.6倍。另外，如圖13中所示的模型所示，Cu粒子以點接觸狀態(tài)結(jié)合在一起，即使在Sn熔化時，樹脂的壓力也能通過受約束的Cu粒子的反應(yīng)而得到平衡，因此焊接部分不會發(fā)生破碎，就是說，可以期望一種截然不同于焊料熔化的情況中的現(xiàn)象。就是說，可以期望由于Sn的流出而在墊(電極)之間發(fā)生短路的概率很低。因此，即使使用按照設(shè)計甚至當(dāng)加入填料時也會變得有些軟的環(huán)氧樹脂，也能防止焊料的流出。根據(jù)圖13的結(jié)果，假定Sn完全熔化并且容許樹脂的彈性模量與體積膨脹比成反比，則允許的樹脂彈性模量變?yōu)?00Mpa。實際上，可以期望Cu粒子的反應(yīng)能夠產(chǎn)生效果，因而可以期望即使使用具有高彈性模量的樹脂時也不會發(fā)生流出。在可以使用環(huán)氧樹脂的情況下，襯底的分割可以通過機(jī)械方式進(jìn)行，而不需要利用激光等在樹脂中進(jìn)行切割，因此還可以提高生產(chǎn)率和效率。
上述的模塊安裝方法也可以應(yīng)用于其它的陶瓷襯底、有機(jī)金屬芯襯底和組合式襯底。另外，芯片元件既能夠按照朝上方式進(jìn)行結(jié)合，又能夠按照朝下方式進(jìn)行結(jié)合。關(guān)于模塊，本發(fā)明還可應(yīng)用于表面聲波(SAW)模塊、功率MOSIC模塊、存儲模塊、多芯片模塊等等。
(實施例14)下面，對將本發(fā)明應(yīng)用于高輸出芯片例如馬達(dá)驅(qū)動器IC的樹脂封裝中的一個實例進(jìn)行描述。圖14(a)為高輸出樹脂封裝的平面圖，其中引線框架51和散熱板52結(jié)合在一起并填隙。圖14(b)為封裝的剖視圖。圖14(c)為圖14(b)中的圓圈部分的局部放大圖。在這個實例中，半導(dǎo)體芯片25使用根據(jù)本發(fā)明的焊接膏結(jié)合于散熱板(散熱片)52上。引線51和半導(dǎo)體芯片25的端子通過線結(jié)合8而結(jié)合在一起并且使用樹脂封裝。引線由Cu基材料制成。
圖15為高輸出樹脂封裝的步驟的流程圖。首先，通過供給焊接膏3而將半導(dǎo)體芯片25模片結(jié)合于通過填隙連接的引線框架51和散熱板52上。然后，如圖中所示，利用引線51、金線8之類對通過模片結(jié)合方法進(jìn)行結(jié)合的半導(dǎo)體芯片25繼續(xù)進(jìn)行線結(jié)合。隨后，在擋板切割之后進(jìn)行樹脂封裝并進(jìn)行Sn基焊料鍍覆。然后，進(jìn)行引線切割和引線成形加工并且進(jìn)行散熱板切割，從而完成封裝。Si芯片的背面墊可以通過常用的材料，例如Cr-Ni-Au、Cr-Cu-Au和Ti-Pt-Au進(jìn)行金屬鍍覆。即使在含Au量較大的情況下，只要形成具有高Au-Sn熔點的富Au化合物，就能得到良好的效果。關(guān)于模片結(jié)合，它在通過印刷供給焊膏之后，在300攝氏度下使用初始壓力為1kgf的電阻加熱體進(jìn)行5秒鐘。
對于大型芯片，優(yōu)選地，在特別硬的Zn-Al基焊料的情況下，通過加入橡膠和低膨脹填料而保證高可靠性。
(實施例15)對于BGA和CSP的實例，圖16(a)和16(b)示出了芯片25和接合襯底14的封裝，這種封裝通過使用甚至在270攝氏度下也能保持強(qiáng)度的Cu球80進(jìn)行無Pb焊料的溫度層級結(jié)合而實現(xiàn)。按照常規(guī)，溫度層級結(jié)合使用高熔點Pb-(5-10)Sn焊料來進(jìn)行以便將芯片和陶瓷接合襯底結(jié)合在一起。然而，當(dāng)要使用無Pb焊料時，就沒有方法能夠代替常規(guī)的方法。因此，提供了這樣一種結(jié)構(gòu)，在這種結(jié)構(gòu)中，利用Sn基焊料和由其形成的化合物，結(jié)合部分在軟熔時不會熔化，因此甚至當(dāng)焊料部分熔化時也能保持結(jié)合強(qiáng)度。圖16(a)示出了BGA/CSP的剖面模型，其中作為一種有機(jī)襯底，使用組合式襯底來用作接合襯底14，盡管組合式襯底、金屬芯襯底、陶瓷襯底等等都可以考慮使用。關(guān)于突出部的形狀，有球形突出部(圖16(b))、線結(jié)合突出部(圖16(c))和具有易于變形結(jié)構(gòu)的鍍Cu突出部(圖16(d))。外部連接端子為Cu墊或者呈球或焊膏形式的在鍍有Ni/Au部分83上形成的Sn-Ag-Cu基焊接部分30。
在圖16(a)所示的情況中，通過以下步驟可以得到能夠承受軟熔的結(jié)合利用氣相沉積、鍍覆、焊膏或者包括金屬球和焊球在內(nèi)的復(fù)合焊膏將Sn送往Si芯片25側(cè)的薄膜墊82上；通過熱壓力結(jié)合方法將金屬球80例如Cu、Ag、Au的球、鍍Au的Al球、金屬鍍覆的有機(jī)樹脂球與其結(jié)合，從而在與薄膜墊材料(Cu、Ni、Ag等)相接觸的接觸部分84處或該接觸部分附近形成帶有Sn的金屬間化合物84。接著，將在以上芯片上形成的球墊83定位于接合襯底(Al2O3、AlN、有機(jī)、組合式襯底或者金屬芯襯底)14的墊上，該墊上已預(yù)先供有包括金屬球、焊料(Sn、Sn-Ag、Sn-Ag-Cu、Sn-Cu等等，或者包含In、Bi和Zn中的至少一種的焊料)和球的焊膏，并且進(jìn)行熱壓力結(jié)合，以便類似地，形成一種接合襯底的墊83與Sn的金屬化合物84，從而可以提供一種能夠承受280攝氏度的結(jié)構(gòu)。即使當(dāng)突出部高度不同時，這種不同也可以由復(fù)合焊膏進(jìn)行補(bǔ)償。因此，就可以得到高可靠性的BGA或CSP，其中作用于每個焊膏突出部和Si芯片墊上的應(yīng)力負(fù)荷很小，因此突出部的使用壽命就會增加，并且其中為了提供機(jī)械保護(hù)免受下落沖擊，使用具有優(yōu)良的流動性、處于50至15000MDa范圍內(nèi)的楊氏模量和10至60×10-6/攝氏度的熱膨脹系數(shù)的無溶劑樹脂81形成填料。
對圖16(b)至圖16(d)的方法在下面進(jìn)行描述。
圖17(a)至圖17(c)示出了通過圖16(b)中所示的Cu球80的系統(tǒng)將Si芯片25和接合襯底14結(jié)合在一起的結(jié)合方法。盡管在這種情況下芯片20上的電極端子82由Ti/Pt/Au制成，但材料并不限于Ti/Pt/Au。在晶片處理階段，將Sn鍍層、Sn-Ag-Cu基焊料或者包括金屬球和焊球的復(fù)合焊膏85送至在每個芯片上形成的薄膜墊82上。提供Au的目的主要是用來防止表面氧化，Au的厚度不超過0.1微米。因此，Au溶解于熔化后處于固溶體狀態(tài)的焊料中。關(guān)于Pt-Sn化合物層，存在多種化合物例如Pt3Sn和PtSn2。當(dāng)球80的直徑較大時，需要采用能夠供給厚焊料85的印刷方法以便將球固定。另外，也可以使用預(yù)先鍍覆的焊料的球。
圖17(a)示出的狀態(tài)中，在將焊劑4涂敷于鍍有Sn的端子23上后，150微米的金屬球(Cu球)80通過金屬-掩模引導(dǎo)器進(jìn)行定位和固定。為了保證晶片或芯片上的所有的球都能與薄膜墊82的中心部分形成正接觸，通過扁平脈沖電流電阻加熱體之類在290攝氏度下進(jìn)行5秒鐘的壓力下的熔化。由于芯片中的Cu球80的尺寸不同，一些球不能與墊部分形成接觸。然而，在這些球靠近墊部分的情況下，形成合金層的概率就會變高，盡管這要取決于Cu在高溫下的塑性變形。即使存在少許突出部通過Sn層與墊部分接觸而沒有形成合金層，只要大多數(shù)突出部形成合金層就不會存在問題。在復(fù)合焊膏34的情況下，即使當(dāng)Cu球80沒有與墊部分形成接觸時，墊部分也會通過在結(jié)合后形成的合金層與Cu球相連接，因此即使在高溫下也能保證強(qiáng)度。
圖17(b)中示出了熔化后電極部分的剖面。Cu球與端子形成接觸，而接觸部分84通過Pt-Sn和Cu-Sn化合物進(jìn)行結(jié)合。即使在接觸部分沒有通過化合物完全結(jié)合的情況下，也會存在由于后續(xù)步驟中的加熱、加壓等措施因而生成合金層的這樣一種情況，因此可以實現(xiàn)其連接。盡管Sn焊腳在周邊區(qū)域形成，Sn通常不能一直在整個Cu上潤濕并散布。在球的結(jié)合完成后，對芯片的每個晶片進(jìn)行清潔(在晶片的情況下，將晶片切開以為每個芯片所用)，然后利用脈沖電流電阻加熱體吸引芯片的背面，球端子被定位和固定于在組合式接合襯底14的電極端子83上形成的復(fù)合焊膏36上，并且在噴射氮氣的同時在290攝氏度下進(jìn)行5秒鐘的壓力下熔化。當(dāng)后續(xù)步驟中不進(jìn)行樹脂填充時，可以使用焊劑。
圖17(c)示出了進(jìn)行了壓力下熔化后得到的剖面。從芯片側(cè)的電極端子82到接合襯底側(cè)的電極端子83，所有的高熔點金屬和金屬間化合物41等等接連地彼此相連接，因此即使在后續(xù)的軟熔步驟中也不會發(fā)生剝落。由于球突出部的高度不同，一些突出部不能與接合襯底上的墊形成接觸。然而，由于這些球突出部通過金屬間化合物84相連接，因此即使在軟熔過程中也不會產(chǎn)生問題。
圖16(c)示出了通過熱壓力結(jié)合(在一些情況下，可以應(yīng)用超聲波)將Si芯片側(cè)的線結(jié)合端子(Cr/Ni/Au，等等)48和由Cu、Ag或者Au之類形成的線突出端子86之類結(jié)合在一起。線突出端子的特征在于其通過毛細(xì)管作用而變形的形狀及其撕裂的頸部。盡管在某些當(dāng)中，撕裂的頸部的高度差別很大，但是在加壓過程中不規(guī)則的高度已經(jīng)得到平整，且由于其通過混合焊膏進(jìn)行結(jié)合，因此不會產(chǎn)生問題。關(guān)于線突出端子的材料，可以采用能夠與Sn良好潤濕并且較軟的Au、Ag、Cu和Al材料。在Al的情況下，其用途限于能與Sn良好潤濕的焊料并且選擇范圍很窄。然而，可以使用Al。與圖16(b)中所示的情況相似，由于狹隙的清潔在操作中會產(chǎn)生困難，所以前提是使用非清潔方法。在定位之后，同樣就可以通過在噴射氮氣的同時進(jìn)行熱壓力結(jié)合而形成由Sn和接合襯底的墊形成的金屬間化合物84，同樣可以形成由接合襯底電極與Sn形成的金屬間化合物41，因此就可以得到一種能夠承受280攝氏度的結(jié)合結(jié)構(gòu)，與圖16(b)的情況相似。
在圖18(a)和18(b)中示出了生產(chǎn)圖16(d)的結(jié)構(gòu)的方法。這種方法為一種系統(tǒng)，在這種系統(tǒng)中，在晶片處理方法中，通過Si芯片25的半導(dǎo)體裝置上的Cu端子87、聚酰亞胺絕緣膜90之類進(jìn)行重新安置，并且在這種系統(tǒng)中，隨后通過Cu鍍層88形成突出部。使用光致抗蝕劑89和Cu鍍層技術(shù)，提供了一種鍍Cu的突出部結(jié)構(gòu)91，該結(jié)構(gòu)并不是簡單的突出部，而是具有易于在應(yīng)力作用下沿平面方向變形的薄頸部。圖18(a)為晶片處理方法中形成的模型的剖面圖，其中，為了保證在重新設(shè)置的端子上不會產(chǎn)生應(yīng)力集中，使用光致抗蝕劑89和鍍層形成一種易于變形的結(jié)構(gòu)，隨后將光致抗蝕劑除去以便可以形成Cu突出部。圖18(b)示出了通過以下步驟利用Cu6Sn5的金屬間化合物84在Cu突出部91與Cu端子之間形成的結(jié)合部分的剖面，這些步驟包括在接合襯底14上涂上Cu和Sn的復(fù)合焊膏、定位芯片的Cu突出部91、以及在不使用焊劑的情況下在氮氣環(huán)境中對其加壓加熱(在290攝氏度下進(jìn)行5秒鐘)。
(實施例16)下面，為了檢驗包括于焊接膏中的金屬球(選擇Cu為典型成分)與焊球(選擇Sn為典型成分)的比率的適當(dāng)范圍，對Sn與Cu的重量比(選擇Sn為典型成分)、Sn與Cu(Sn/Cu)的重量比進(jìn)行變化。檢驗結(jié)果如圖19中所示。關(guān)于評價方法，根據(jù)接觸情況和/或Cu粒子的接近情況等等，對軟熔后的結(jié)合部分的剖面進(jìn)行觀察并且檢驗混合的成分的適當(dāng)數(shù)量。這里所用的焊劑為常用的非清潔型。關(guān)于Cu和Sn的粒子尺寸，使用20至40微米的比較大的粒子。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，Sn/Cu比率范圍優(yōu)選0.6至1.4的范圍，并且更優(yōu)選0.8至1.0的范圍。除非粒子尺寸最多為50微米或者更小，否則不可能采用精細(xì)設(shè)計(相對于間距、每個端子的直徑以及其間的距離而言)，易于使用的是20至30微米的水平。也使用5至10微米的精細(xì)粒子來作為以上精細(xì)設(shè)計的極限粒子尺寸。然而，在尺寸過于精細(xì)的情況下，由于表面積增加并且由于焊劑的還原能力受到限制，就會產(chǎn)生諸如焊球剩余以及由于Cu-Sn合金化的加速而失去Sn的軟度特征等問題。焊料(Sn)不涉及粒子尺寸的問題，因為它最終會熔化。然而，在焊膏狀態(tài)下，要求Cu球和Sn焊球均勻散布，以便達(dá)到使兩種球的粒子尺寸處于同一水平的基本要求。另外，需要在Cu粒子的表面上鍍上Sn使涂層厚度達(dá)1微米左右以便使得焊料變得容易潤濕。這就使得焊劑上的負(fù)擔(dān)能夠得以降低。
為了降低復(fù)合焊劑的剛性，有效的做法是將軟的金屬鍍覆的塑料球散布于金屬球和焊球中。特別地，在硬金屬的情況下，這種做法能夠有效提高可靠性，因為軟塑料球起到降低變形和熱沖擊的作用。類似地，通過散布金屬鍍覆于復(fù)合焊料中的低熱膨脹的物質(zhì)，如不脹鋼、二氧化硅、氮化鋁和碳化硅，就能夠降低接頭中的應(yīng)力，因此可以期望得到高可靠性。這里，合金指的是能夠降低其熔點而非其機(jī)械性能的新材料。盡管合金一般為硬質(zhì)材料，但是合金的這種性能可以通過散布軟質(zhì)金屬球如金屬鍍覆的Al、塑料球等等而得以改善。
盡管由本發(fā)明的發(fā)明人做出的本發(fā)明結(jié)合一些實施例進(jìn)行了說明，但是本發(fā)明并不限于上述實施例，而可以在不背離本發(fā)明的要旨的情況下做出各種改動。
另外，鑒于上述實施例中所公開的各個方面，扼要重述以下本發(fā)明的典型構(gòu)成，它們?nèi)缦?1)在一種包括電子元件和一個在上面安裝著電子元件的安裝襯底的電子裝置中，電子元件的電極和安裝襯底的電極通過由包括Sn基焊球和金屬球的焊料形成的焊接結(jié)合部分相連接，其中金屬球的熔點高于Sn基焊球的熔點，并且其中每個金屬球的表面覆蓋有一個Ni層而Ni層上覆蓋有一個Au層。
(2)在構(gòu)成(1)中所述的電子裝置中，金屬球為Cu球。
(3)在構(gòu)成(1)中所述的電子裝置中，金屬球為Al球。
(4)在構(gòu)成(1)中所述的電子裝置中，金屬球為Ag球。
(5)在構(gòu)成(1)中所述的電子裝置中，金屬球為從包括Cu合金球、Cu-Sn合金球、Ni-Sn合金球、Zn-Al基合金球和Au-Sn基合金球的組中選定的任意一種。
(6)在構(gòu)成(1)中所述的電子裝置中，金屬球包括Cu球和Cu-Sn合金球。
(7)在構(gòu)成(1)至(6)中的任一項中所述的電子裝置中，金屬球的直徑為5微米至40微米。
(8)在構(gòu)成(1)至(7)中的任一項中所述的電子裝置中，在空氣中在等于或高于240攝氏度的焊接溫度下，Au層的功能是防止金屬球發(fā)生氧化，而Ni層的作用是防止Au層擴(kuò)散入金屬球中。
(9)在構(gòu)成(8)中所述的電子裝置中，金屬球為Cu球而Ni層的作用是防止形成通過Cu球與Sn基焊球之間的反應(yīng)而產(chǎn)生的Cu3Sn化合物。
(10)在構(gòu)成(1)至(6)中的任一項中所述的電子裝置中，Ni層具有從等于或高于0.1微米至等于或低于1微米的厚度。
(11)在構(gòu)成(1)至(6)中的任一項中所述的電子裝置中，Au層具有從等于或高于0.01微米至等于或低于0.1微米的厚度。
(12)在一種包括半導(dǎo)體裝置和一個在上面安裝著半導(dǎo)體裝置的安裝襯底的電子裝置中，其中半導(dǎo)體裝置的電極和安裝襯底的電極利用各自通過使焊料經(jīng)受軟熔而形成的結(jié)合部分彼此相連接，其中焊料包括Sn基焊球和金屬球，金屬球的熔點高于Sn基焊球的熔點，每個金屬球上覆蓋有一個Ni層而Ni層上覆蓋有一個Au層，并且各金屬球通過由金屬和Sn構(gòu)成的化合物而結(jié)合在一起。
(13)在構(gòu)成(12)中所述的電子裝置中，金屬球為Cu球。
(14)在構(gòu)成(12)中所述的電子裝置中，在結(jié)合部分中，金屬球通過由金屬和Sn構(gòu)成的化合物而結(jié)合在一起。
(15)在一種包括半導(dǎo)體裝置、一個在上面安裝著半導(dǎo)體裝置的第一襯底以及一個在上面安裝著第一襯底的第二襯底的電子裝置中，其中半導(dǎo)體裝置的電極和第一襯底的電極利用各自通過使焊料經(jīng)受軟熔而形成的結(jié)合部分彼此相連接，其中焊料包括Sn基焊球和金屬球，金屬球的熔點高于Sn焊球的熔點，每個金屬球上覆蓋有一個Ni層而Ni層上覆蓋有一個Au層，而且，第一襯底的電極和第二襯底的電極通過各自由Sn-Ag基焊料、Sn-Ag-Cu基焊料、Sn-Cu基焊料和Sn-Zn基焊料中的至少任意一種形成的結(jié)合部分彼此相連接。
(16)在構(gòu)成(15)中所述的電子裝置中，第一襯底的電極和第二襯底的電極通過由Sn-(2.0-3.5)Ag-(0.5-1.0)Cu焊料形成的結(jié)合部分彼此相連接。
(17)在一種包括半導(dǎo)體芯片和一個在上面安裝著半導(dǎo)體芯片的安裝襯底的電子裝置中，其中襯底的結(jié)合端子通過線結(jié)合與半導(dǎo)體芯片的一側(cè)表面上形成的結(jié)合端子相連接，而半導(dǎo)體芯片的另一側(cè)表面和襯底利用各自通過使焊料經(jīng)受軟熔而形成的結(jié)合部分彼此相連接，其中焊料包括Sn基焊球和金屬球，金屬球的熔點高于Sn基焊球的熔點，每個金屬球上覆蓋有一個Ni層而Ni層上覆蓋有一個Au層，并且各金屬球通過由金屬和Sn構(gòu)成的化合物而結(jié)合在一起。
(18)在構(gòu)成(17)中所述的電子裝置中，襯底具有位于與形成有結(jié)合端子的襯底表面相對的背面上的外部結(jié)合端子，而外部結(jié)合端子由Sn-Ag基焊料、Sn-Ag-Cu基焊料、Sn-Cu基焊料和Sn-Zn基焊料中的至少任意一種形成。
(19)在一種用于制作包括電子元件、一個在上面安裝著電子元件的第一襯底以及一個在上面安裝著第一襯底的第二襯底的電子裝置的方法中，其中這種方法包括一個第一步驟和一個第二步驟，在第一步驟中，電子元件的電極和第一襯底的電極通過使第一無鉛焊料在等于或高于240攝氏度并且等于或低于電子元件的耐熱溫度的溫度下經(jīng)受軟熔而彼此相連接，其中第一無鉛焊料包括Sn基焊球和金屬球，金屬球的熔點高于Sn基焊球的熔點，每個金屬球上覆蓋有一個Ni層而Ni層上覆蓋有一個Au層，而在第二步驟中，上面安裝著電子元件的第一襯底和第二襯底通過使第二無鉛焊料在低于第一步驟的軟熔溫度的溫度下經(jīng)受軟熔而彼此結(jié)合。
(20)在構(gòu)成(19)中所述的用于制造電子裝置的方法中，第一無鉛焊接的軟熔在空氣中進(jìn)行。
(21)在構(gòu)成(19)中所述的用于制造電子裝置的方法中，第一無鉛焊接的軟熔在等于或高于270攝氏度至等于或低于300攝氏度范圍內(nèi)的溫度下進(jìn)行。
(22)在構(gòu)成(19)中所述的用于制作電子裝置的方法中，第一襯底與第二襯底的結(jié)合通過使用Sn-Ag基焊料、Sn-Ag-Cu基焊料和Sn-Zn基焊料作為第二無鉛焊料來進(jìn)行。
(23)在構(gòu)成(22)中所述的用于制作電子裝置的方法中，第一襯底與第二襯底的結(jié)合通過使用Sn-(2.0-3.5)Ag-(0.5-1.0)Cu焊料作為Sn-Ag-Cu基焊料來進(jìn)行。
下面對通過本發(fā)明的典型基本特征而得到的有利效果進(jìn)行簡短描述。
根據(jù)本發(fā)明，可以提供能夠在溫度層級結(jié)合中在高溫下保持結(jié)合強(qiáng)度的焊料。特別地，可以提供考慮到空氣中的無鉛焊接連接而開發(fā)的焊接膏、焊接結(jié)合方法及焊接聯(lián)接結(jié)構(gòu)。
另外，根據(jù)本發(fā)明，可以提供一種使用能夠在高溫下保持結(jié)合強(qiáng)度的焊料的溫度層級結(jié)合方法。特別地，可以提供溫度層級結(jié)合方法，即使當(dāng)在空氣中使用無鉛焊接材料進(jìn)行焊接時，也能夠在高溫端結(jié)合部分中保持結(jié)合可靠性。
此外，根據(jù)本發(fā)明，可以提供一種具有能夠在高溫下保持結(jié)合強(qiáng)度的結(jié)合部分的電子裝置。特別地，可以提供電子裝置，即使當(dāng)在空氣中使用無鉛焊接材料進(jìn)行焊接時，也具有高溫端結(jié)合部分的結(jié)合可靠性。
權(quán)利要求
1.一種制造電子裝置的方法，其中該電子裝置具有在上面安裝著芯片元件和半導(dǎo)體芯片的襯底，所述方法包括通過焊料將芯片元件焊接到所述襯底，其中焊料包括Sn基焊球和覆蓋有Ni層和Au層的金屬球。
2.如權(quán)利要求1所述的制造電子裝置的方法，其特征在于，焊接溫度大于Sn基焊球的熔化溫度，小于金屬球的熔化溫度。
3.如權(quán)利要求1所述的制造電子裝置的方法，其特征在于，所述金屬球是Cu球。
4.如權(quán)利要求1所述的制造電子裝置的方法，其特征在于，金屬球是從以下中任選的一種Ag球、Au球、Al球、N i球、Cu合金球、Cu-Sn合金球、Ni-Sn合金球。
5.如權(quán)利要求1所述的制造電子裝置的方法，其特征在于，Sn基焊球是從以下中任選的一種Sn、Sn-Cu基焊料、Sn-Ag基焊料、Sn-Ag-Cu基焊料。
6.如權(quán)利要求1或2所述的制造電子裝置的方法，其特征在于，芯片元件和襯底通過由所述金屬和所述Sn制成的金屬間化合物連接在一起。
7.如權(quán)利要求6所述的制造電子裝置的方法，其特征在于，所述金屬間化合物將金屬球相互結(jié)合在一起。
8.如權(quán)利要求6所述的制造電子裝置的方法，其特征在于，所述金屬間化合物包括Cu6Sn5.
全文摘要
在一種在溫度層級結(jié)合中實現(xiàn)高溫端焊接結(jié)合的電子裝置中，半導(dǎo)體裝置與襯底之間的結(jié)合部分通過由Cu之類構(gòu)成的金屬球和由金屬球和Sn構(gòu)成的化合物而形成，并且金屬球通過化合物而結(jié)合在一起。
文檔編號H05K3/34GK1983542SQ20061016286
公開日2007年6月20日 申請日期2003年3月10日 優(yōu)先權(quán)日2002年3月8日
發(fā)明者曾我太佐男, 秦英惠, 中塚哲也, 根岸干夫, 中嶋浩一, 遠(yuǎn)藤恒雄 申請人:株式會社日立制作所