專利名稱:具有改進玻璃密封性的防相互擴散的鐵—鎳合金的制作方法
本發明是關于在電子和電器應用中具有特殊用途的鐵-鎳合金。該鐵-鎳合金含有氮和至少一種選自由鉬和鋁組成的元素。
鐵-鎳合金，特別是鐵-鎳-鉬合金，是十分有名的磁性合金。這些合金是以這樣的所需要的特性，諸如高的初始導磁性、高的電阻率、良好的導磁率一致性(相容性)以及良好的磁穩定性為特征的。
美國專利1，757，178(Elmer)，2，407，234(Guthrie等人)，2，891，883(Howe)，3，024，142(Parkin)，4，082，580(Pfeifer等人)以及4，536，229(Jin等人)說明了這些鐵-鎳和鐵-鎳-鉬磁性合金。
還發明鐵合金，包括鐵-鎳合金，可用于電子應用。例如，陶瓷封裝(CERDIPs)中的導線框架和起罐頭用的銷，已用鐵-鎳合金制成。但是，使用這些合金不是沒有嚴重問題，在半導體器件中，鐵-鎳合金的導線框架典型地是通過許多鋁和/或鋁合金導線連接到一集成線路片上的。鐵合金的導線框架與鋁引線之間的接合位是典型的位置，在此由于暴露在熱之中，例如封裝半導體器件涉及的熱處理，鐵和鋁之間相互擴散的強烈傾向性的結果，形成了脆性金屬間化合物。
這種金屬間化合物問題，一般是通過在一個或多個鐵合金導線框架的表面形成一薄鋁條加以處理的。鋁條可以是涂覆到表面的薄涂層或一種鑲嵌物。在某些情況下，該鋁條包含一涂層在整個導線框架上。然后導線被焊接到鋁條上，以便形成一種鋁/鋁電偶。美國專利3，559，285(Kauffman)說明了具有一種鑲嵌鋁條的鐵合金導線框架材料。
使用鐵合金作為導線框架材料帶來的另一個問題與玻璃密封有關。許多半導體集成線路片用陶瓷封裝，稱作CERDIP。為了提供密封封裝結構，導線框架用玻璃密封材料諸如具有氧化鋁底座的那些材料焊接到一層或多層陶瓷材料上。Fe-42Ni一類鐵合金不能很好地與密封玻璃材料焊接。另一方面，在導線框架材料上或中的一鋁條被用來克服這種焊接問題，因為鋁一般與玻璃密封焊接很好。
半導體器件和/或密封裝置的制造者已表明需要這樣的合金，它們可用作導線框架的材料而不必涂覆或給導線框架鑲嵌。通過避免導線框架的涂覆和/或鑲嵌，降低了制造成本。所需要的合金的特征在于改進耐金屬間化合物的形成并提高與玻璃密封材料的焊結能力。
因此，本發明的一個目的是提供具有改進耐金屬間化合物形成的一種鐵-鎳合金。
本發明的又一個目的是提供具有改進玻璃粘結性能的一種上述合金。
本發明的另一個目的是提供具有改進線連接特性的上述合金。
本發明的又一個目的是提供適于用作半導體器件的導線框架的上述鐵-鎳合金。
從下面的說明和附圖中將對這些和其它目的以及優點變得更加明瞭，其中參考數字說明對應元件。
本發明通過將氮和至少一種選自由鉬和鋁組成的元素加至鐵-鎳合金，以達到前述目的。已經發現，將氮和鉬(有或沒有鋁)加至鐵-鎳合金，以改進合金對金屬間化合物的形成的阻力，尤其是在典型的半導體制造和/或封裝技術涉及的熱處理過程中更是如此。此外，業已發明含有這些添加物的合金具有改進了與玻璃密封材料的焊接附著性，而且使用標準工業超聲波焊接技術易于焊接到鋁或鋁合金導線上。
按照本發明的合金含有大約30%-60%的鎳，大約0.001%-0.15%的氮，至少一種選自由大約1%-10%的鉬和大約0.001%-2%的鋁組成的元素，剩下部分主要是鐵，該合金的特征是具有單相和單面的立方金屬結構。該合金最好還具有鐵與鎳之比在大約1.1∶1-1.6∶1的范圍內，推薦的合金含有大約39%-55%的鎳，大約0.005%-0.05%的氮，至少一種選自由大約1%-4%的鉬和大約0.3%-1%的鋁組成的元素，剩下的主要是鐵。
附圖是一個半導體密封裝置的橫截面圖。
本發明是關于具有改進的防金屬間化合物的形成性和/或與玻璃密封材料的附著力得到提高的鐵-鎳合金。這些合金在電器和電子的應用中央具有特殊用途。例如，它們可用作在半導體密封裝置中的導線框架或類似元件。另外，它們可用于起罐頭的銷，玻璃對金屬的電源饋線，或其它類似應用。
現在參考附圖來說明典型的半導體密封裝置10。它包括一個陶瓷底座口，第一玻璃層16和來自導線框架的大量導線18，此導線框架通過玻璃層16焊接到陶瓷底座12上。半導體器件20既可使用芯片(die)連接墊，也可使用含金材料層14固定在底座口上。含金材料被用于許多現代密封裝置中，以使層14和小片20之間有可能形成金-硅易熔焊接。含金屬層14可包含一鍍金板或一噴射到陶瓷底座上的金粉涂料。器件20用大量的引線22連接到導線18上。一般地說，引線由鋁或諸如Al-1%Si的鋁合金制成。第二玻璃層24置于導線框架組件的導線18上。為了完成密封裝置，由陶瓷或金屬材料制成的蓋26置在玻璃層24上。
在某些密封裝置中，玻璃層24和蓋26每個具有中心孔或窗孔，以使器件20焊接到墊或層14上，并且在玻璃層24和/或蓋26熔合玻璃層16以后進行導線連接。配有一個蓋板(未示出)，在器件置于墊上并在進行線連接后封閉窗孔。蓋板可用一種陶瓷材料、一種金屬材料，例如鍍金科伐(Kovar)，或玻璃材料制成。
為了加工圖中所示的半導體密封裝置，首先將芯片連接墊或含金屬層14焊接或鍍到陶瓷底座口上。然后將玻璃層16絲網印刷到陶瓷底座上并用空氣燃燒，留下用于把半導體器件20連接到墊或層14的孔或窗孔23。此后，將具有導線18的導線框架置于玻璃層16上并熔合。最好，第二玻璃層24與蓋26先連接，然后再與層16熔合。隨后，玻璃層24與玻璃層16熔合，形成密封裝置結構。但在這之前，器件20被連接到墊或層14上，并且進行器件20與導線18之間的線連接。典型的線連接是在環境壓力下使用熱壓，超聲或熱聲連接器進行。這種線連接操作常導致在導線18上形成表面氧化物。
用于封裝集成電路片或半導體器件的有代表性的陶瓷材料包括氧化鈹。在這些密封裝置中的玻璃層16和24可由任何適宜的玻璃材料，諸如85%氧化鋁-15%硼酸組合物組成。
應當承認，圖中所示的密封裝置以及所討論的附屬物只是用來做圖示，而決不意味著限制本發明。本發明的合金可連同各種各樣的密封裝置構件和材料一起使用。
如前文討論，在許多現代密封裝置中，導線18和導線框架可由諸如Fe-42Ni的鐵合金制成。用這些合金作導線框架材料已產生幾種明顯的問題。這些問題包括(1)在導線18和引線22的連接處形成金屬間化合物，尤其是當導線用鋁或鋁合金制成時;(2)導線18和玻璃層16和24之間的附著力差。金屬間化合物問題具有特殊意義，因為它有害地影響了導線連接的質量。許多半導體器件的損壞都是由于導線互相連接處變脆或斷裂造成的。附著性差的問題也很重要，因為它使裝置的密封性變差，并且導致密封裝置破裂。曾試圖克服這些問題，包括用象鋁、金、及其合金一類的材料對導線框架的導線18進行涂覆和/或鑲嵌。但涂覆和/或鑲嵌必然合增加密封裝置的制造成本。
按照本發明，這些問題可通過使用鐵合金的導線和導線框架加以解決，而所述的鐵合金顯示出改進了防金屬間化合物的形成和/或改進了對玻璃密封材料的附著力。本發明的合金包括這樣的合金它們主要是由大約30%-60%鎳、大約0.001%-0.15%氮、至少一種選自大約1%-10%鉬和大約0.001%-2%鋁組成的元素、剩下部分主要是鐵構成的一種組合物。最好，合金中鐵與鎳之比在大約1.1∶1-1.6∶1的范圍內。
已經發現，氮是特別有用的添加劑，因為它明顯降低了不需要的鐵-鋁金屬間化合物的形成。鉬和鋁添加物的益處在于，它們改進玻璃的附著性和合金的線連接特性。鉬也是有用的，它提高了本發明鐵-鎳合金中的氮溶解度和/或擴散度，并且據信，它與表面氧化物作用，有助于提高本發明的合金與玻璃密封材料之間的焊接性。
尤其有用的實施方案包括(a)一種主要由大約39%-55%鎳、大約0.005-0.05%氮、大約1%-4%鉬和主要是鐵的剩余部分構成的合金;(b)一種主要由大約39%-55%鎳、大約0.005%-0.05%氮、大約0.3%-1.0%鋁和主要是鐵的剩余部分構成的合金。當材料受到足以生成金屬間化合物的高溫時，合金(a)特別有用;而當溫度未達到足以形成金屬間化合物的高溫時，合金(b)特別有用。如果需要，合金(a)中可加入大約0.3%-1.0%范圍的鋁添加劑，以便進一步改善合金的玻璃密封性。
從金屬學的角度看，本發明的合金特征是面心立方結構。另外，該合金為單相合金。
當鉬被加入鐵-鎳合金中、而且鐵-鎳合金被焊接到純鋁組件時，合金的最小鉬含量可用下面的公式確定%Mo≥(86±5-%Ni)/(7.25±1.25)(1)對于本發明的某些鉬實施例的合金來說，也能確定合金的最小氮含量。例如，含大約39%-47%范圍的鎳和約1%-5.1%范圍的鉬的合金，推薦按下面的公式制定最小氮添加劑的用量。
%N＝(0.0001)×(34l-7.5Ni+7.4Mo)(2)如果需要，本發明的合金還可含有近大約1.0%有效量的錳和/或近大約0.1%有效量的鎂。據信，錳和/或鎂添加劑對降低鑄造過程中硫雜質的作用特別有效。
為了改善金屬間化合物的抑制特性，合金中應不含硅。這是由于硅與氮結合形成氮化硅，降低了氮在金屬間的作用。在本發明的合金中，可允許常規普通的雜質存在，但應保持在雜質量級。
本文所使用的前述合金組份的百分比為重量百分比。
本發明的合金可以任何所需方式鑄造，包括但不局限于Durville鑄造、連續鑄造和直接冷鑄，以形成鑄錠或條狀。鑄造后，可通過諸如熱軋對合金進行熱加工，和/或通過諸如冷軋進行具有至少一次中間退火的冷加工。最好對合金進行冷加工強化而不用預先熱加工。冷加工強化時，用標準冷軋技術獲得的壓縮量在大約20%-40%范圍內。
中間退火可在96%-4%H2氣氛下進行，而溫度在大約800℃-1000%范圍內，時間在大約1小時-24小時的范圍內。最好，在所述氣氛下，在大約2小時-8小時的時間范圍并在大約900℃-975℃的溫度范圍進行中間退火。如果需要，中間退火可采用將合金充氮。另一方面，可通過將氮氣吹入含鐵、鎳、鉬和/或鋁的熔體的方法加氮。任何本技術領域：
已知的適宜的技術手段，諸如噴槍都可以被使用，以使氮進入到熔體中。在另一個替換方法中，合金可在裂化氨氣氛下，通過使鑄錠或鑄條退火而充氮。
在加工后，鐵-鎳帶材可按照任何本技術領域：
已知的標準加工技術手段加工成所需要的產品，例如導線框架。
為了顯示本發明的改進之處，進行了下面的實施例。
實施例1為了證明用本發明的合金改進了防金屬間化合物所具有的形成作用。制備了一組具有表Ⅰ所示組分的合金。在950℃下，于60%N2-4%H2氣氛下加熱合金使它充氮。
表Ⅰ合 Ni Mo Al N Fe金 (重量%) (重量%) (重量%) (重量%) (重量%)A 42 - - 0.01 剩余部分B 42 0.7-6 - - 剩余部分C 42 2.8-9.1 - 0.01 剩余部分D 41 - 0.7-2.1 0.01 剩余部分E 40 2.5 0.8-1.8 0.01 剩余部分將每一種合金的2″×4″試樣焊接到鋁合金試樣上。鋁合金含有1.25%硅。用POSIT-BOND焊接技術進行焊接，其中試樣受到60%冷加工壓縮。試樣用機械清洗并在焊接前除油。經焊接的試樣在500℃下暴露16小時。測量在這種熱處理過程中形成的金屬間化合物的厚度。表Ⅱ報導了這些測量結果。
表Ⅱ合金 金屬間的厚度(μm)A 12B 11-10C 2D 11E 2
表Ⅱ的數據表明，通過將具有或沒有鋁的氮和鉬加入鐵-鎳合金，則在Fe-Ni和Al-Si組份之間形成的金屬間化合物的厚度減低。這通過使用合金C和E得到的結果證實。
為了在半導體密封裝置中使生產者免除使用鍍鋁或鑲鋁條的鐵-鎳合金組件，替換的鐵-鎳合金應顯示出等同的或基本等同的玻璃密封性。下面的實施例說明了用本發明的合金可以得到的改進的玻璃密封性。
實施例Ⅱ制備一組具有表Ⅲ所示組份的鐵-鎳合金。為了便于比較，也制備鍍鋁的Fe-42Ni合金試樣。每一種合金試樣焊接到市售的氧化鋁陶瓷封裝(CERIP)材料上，以便形成玻璃-金屬-玻璃的復合層。在焊接前，將鐵合金試樣除油。
在焊接后，玻璃-金屬-玻璃復合層受到用于和集成線路密封裝置一起的標準扭距試驗。在這個試驗中，試樣扭曲直至破裂。表Ⅲ報導了這個試驗的結果。
表Ⅲ合金 扭距強度(吋-磅)鍍鋁Fe-42Ni 74-82Fe-42Ni-0.0027N 0Fe-40Ni-2.8Mo-0.0058N ＞50Fe-41Ni-2.7Mo-0.8Al-0.01N ＞50Fe-42Ni-0.7Al-0.01N ＞50從表Ⅲ可以看出，按照本發明形成的那些合金，顯示的扭距強度可與鍍鋁的F2-42N2達到的強度相比。表Ⅲ還表明，僅把氮加入Fe-42Ni中不能改善合金的玻璃密封性。據信，本發明的合金提供的玻璃密封附著性的改進，是玻璃和金屬之間形成的化學鍵的結果，而不是用先有技術材料所發現的機械壓實型接合。
為了免除Fe-42Ni導線框架用鋁鍍/鑲鋁條，還必須把鋁或鋁合金引線直接線焊接到裸露合金導線框架上，而且要得到用鍍鋁合金所得到的疲勞載荷。下面的實施例說明了在用本發明合金得到的線連接的改進。
實施例Ⅲ制備一組具有表Ⅳ報導的組份的鐵-鎳基體。為了模擬典型的線連接操作，使用Kulicke和Soffa Model＃484-8線連接器，在基體上線連接一個由Al-1%Si合金組成的1.25密耳的導線。所有基體在峰溫493℃下進行空氣框架沉降處理8分鐘。表Ⅳ報導了使線和各種基體間斷開連接所需的平均載荷的結果。
表Ⅳ基體 平均導線拉力載荷(克)鑲鋁條的Fe-42Ni 12裸露的Fe-42Ni 9Fe-40Ni-2.8No-0.01N 10Fe-42Ni-0.7Al-0.01N 10Fe-41Ni-2.1Al-0.01N 9Fe-41Ni-2.6Mo-0.45Al-0.01N 12Fe-42Ni-2.5Mo-1.8Al-0.01N 10從表Ⅳ可以看出，本發明合金制成的基體與裸露的鐵-鎳合金基體比較，一般顯示出改進的線連接特性。
當本發明的合金在電子和電器應用中具有特殊用途時，它們還在其它需要提高防金屬間化合物形成性和/或改進的玻璃附著性的應用中具有特殊用途。例如，本發明的合金可用于復合結構中，例如鐵-鎳/玻璃復合物和鐵-鎳合金/鋁或鋁合金復合物。
顯然，按照本發明提供的防相互擴散的鐵-鎳合金具有改進的玻璃密封性，這完全滿足了目的、手段以及前述的優點。在結合其具體實施例說明了本發明之后，很明顯，根據前面的描述，多種替換物、改型、和變換，對本技術領域：
專業人員是顯而易見的。因此，打算把所有這些替換物，改型和變換包括在所附權利要求
的精神實質和較寬的范圍內。
權利要求
1.一種具有改進的防金屬間化合物形成性的鐵-鎳合金，其特征在于所述合金主要包括大約30%-60鎳、大約0.005-0.15%氮、至少一種選自由大約1%-10%鉬和大約0.001-2%鋁組成的元素，剩下部分主要是鐵組成。
2.根據權利要求
1的合金，其進一步的特征在于所述至少一種元素包含鉬，所述的鉬提高了合金的氮溶解度和/或擴散性，并按照下述公式的量存在%Mo≥(86±5-%Ni)/(7.25±1.25)。
3.根據權利要求
1的合金，其進一步的特征在于所述至少一種元素包含大約1%-4%的鉬;所述氮以大約0.005%-0.05%的量存在。
4.根據權利要求
3的合金，其進一步的特征在于所述合金另外主要包括大約0.3%-1.0%鋁。
5.根據權利要求
1的合金，其進一步的特征在于所述至少一種元素包含大約0.3%-1.0%鋁;所述氮以大約0.005%-0.05%的量存在。
6.根據權利要求
1的合金，其特征在于鐵與鎳在所述合金中的比例在大約1.1∶1-1.6∶1范圍內。
7.根據權利要求
1的合金，其進一步特征在于所述合金另外主要包括選自有效量近大約1.0%錳和有效量近大約0.1%鎂的至少一種添加元素，以便在鑄造過程中降低硫雜質的作用。
8.根據權利要求
1的合金，其進一步特征在于所述鎳以大約30%和小于約60%的量存在，所述鉬以大約1%-5.1%的量存在，而氮的量按下面的公式給定。%N＝(0.0001)×(34l-7.5Ni+7.4Mo)。
9.一種導線框架，其特征在于所述導線框架由權利要求
1的合金制成。
10.一種半導體密封裝置(10)，其特征在于至少一個導線框架的導線(18)由一種合金制成，該合金主要包括大約30%-60%鎳、大約0.005%-0.15%氮、至少一種選自由大約1%-10%鉬和大約0.001-2%鋁組成的元素、剩余部分主要是鐵。
11.根據權利要求
10的半導體密封裝置(10)，其進一步的特征在于至少一種鋁或鋁合金1線(22)焊接到每種所述鐵-鎳合金導線(18)的第一部分上;及玻璃材料(16、24)連接到每種所述導線(18)的第二部分上。
12.根據權利要求
11的半導體密封裝置，其進一步特征在于一個半導體器件(20);通過至少一種所述引線(22)，將每種所述導線(18)連接到所述器件(20)上;及至少一個組件(12，26)由陶瓷材料制成，用所述玻璃材料(16，24)將所述陶瓷材料組件焊接到每個所述導線(18)上，以便形成密封結構。
13.一種形成鐵鎳合金的方法，其特征在于形成一種熔體，它含有大約30%-60%鎳、至少一種選自由大約1%-10%鉬和大約0.001%-2%鋁組成的元素、剩余部分是鐵;及將大約0.005%-0.15%氮加入所述熔體。
14.根據權利要求
13的方法，其進一步特征在于所述氮加入步驟中，包括將氮氣吹入所述熔體。
15.一種形成鐵-鎳合金的方法，其特征在于鑄造一種鐵-鎳合金，它主要包括大約30%-60%鎳，至少一種選自由大約1%-10%鉬和大約0.001%-2%鋁組成的元素，剩余部分是鐵;在含氮氣氛下使所述鑄造合金退火，由此使所述合金充入大約0.005%-0.15%氮。
16.根據權利要求
15的方法，其進一步特征在于在所述退火步驟前，將所述合金加工成條狀;及在所述含氮氣氛下，使所述合金條在大約800℃-1000℃下退火約1-24小時。
專利摘要
本發明涉及一種鐵—鎳合金，它含有大約30—60％鎳，大約0.001—0.15％氮、至少一種選自由大約1—10％鉬和大約0.001—2％鋁組成的元素，剩余部分主要是鐵。該合金顯示了改進的防金屬間化合物形成性，改善了玻璃與金屬的密封性，并且改善了線焊接性能。本發明的合金作為半導體密封裝置(10)的導線框架材料具有特殊用途。
文檔編號C22C33/04GK86107676SQ86107676
公開日1987年7月15日 申請日期1986年11月28日
發明者趙章遙, 約翰·F·布里迪斯 申請人:奧林公司導出引文BiBTeX, EndNote, RefMan