專利名稱：無鉛焊劑的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種無鉛焊劑。
在裝配電氣和電子元件、尤其是電路板時，焊劑以多種實施方式被應用。這類電氣元件為分立元件，特別是電阻、電容、二極管和晶體管。
在電子產品微型化的潮流中，相應的電子電路被集成在集成電路(IC)中。這種集成電路具有電路和連線的高集成度。此外單個的集成電路以很高的集成度裝配在電路板或類似構件上，其中電路板自身由多層導線平面構成。
為了將集成電路焊接到這種電路板上，僅剩下非常小的空間，焊劑必須被精確地設置于此空間中。
此外對于焊劑還提出了很高的機械上的要求。特別是焊劑必須抵抗剪切力和壓力。此外焊劑必須具有良好的熱疲勞強度，這意味著焊劑必須在劇烈的溫度變化下對體積的變化不敏感。
以鉛作為主要成份的焊劑滿足上述這些要求。尤其是為了在電路板上電子元件的電氣連接，采用PbSn(x)Ag(y)型的合金作為焊劑。這種焊劑具有260℃以上的固相溫度。因而這種焊劑特別適用于焊接功率半導體，在其工作時產生可觀的熱量。
這種焊劑的主要缺點在于，在此焊劑中的鉛具有強的毒性，并且從而構成對人體健康的危害。因此在用含鉛的焊劑裝配元件時需要采取嚴格的安全措施。立法的進展將對這種材料的焊按制定出高的要求。
因此人們研究用無鉛焊劑來代替這種含鉛的焊劑。這種無鉛焊劑典型地由以錫為基礎的合金構成。
然而這里的問題在于這種以錫為基礎的焊劑具有低的固相溫度。
此外這種焊劑的機械性能不能令人滿意。尤其是這種焊劑的變形特性、強度和在熱負載下的持續耐久性不夠。
在DE19538992A1中建議了一種無鉛焊劑，它改善了機械性能。這種焊劑由一種合金構成，此合金具有有效含量的鉍-錫以及有效含量的金。這里合金具有大約138℃的熔化溫度。此合金最好包含42％質量成份的錫，小于1％質量成份的金和約58％質量成份的鉍。
然而這種焊劑的缺點是，由于較低的熔化溫度，而不可能或者受到限制地用于焊接電子線路，特別是功率半導體。特別是在功率半導體中產生很強的熱量時妨礙了這種焊劑的應用。
WO974725公開了一種無鉛焊劑，它由包含錫、鉍和銀的合金構成。合金中錫的成份在70％和93％之間。此外焊劑含有5％至27.5％的鉍和2％至7.5％的銀。粉末狀的合金特別適用于生產焊膏。
EP826458描述了以錫為基礎的無鉛焊劑。焊劑含有3％至4％的銀。2％至6％的鉍和2％至6％的銦作為其它成份。此焊劑合金的固相溫度最高為211℃。
本發明的目的在于提供一種具有較高的熱和機械承載能力的無鉛焊劑。
上述任務由權利要求1所述的特征完成。在權利要求14和15中說明了本發明焊劑的應用。在從屬權利要求中描述了本發明具有優點的實施方式和符合目的的優化設計。
本發明的無鉛焊劑由以鉍為基礎的合金構成，合金具有至少80％重量的鉍，并且具有至少260℃的固相溫度。
由于本發明的焊劑不含鉛的成份，所以它是非常環保的。
本發明的焊劑具有高的固相溫度，這使得焊劑可以用于焊接集成電路。
至少260℃的固相溫度屬于通常只有含鉛焊劑的固相溫度才能達到的范圍。本發明焊劑的液相溫度具有優點地處于450℃以下。由于這種熱力學特性，本發明焊劑可在非常廣的范圍內應用于焊接電子元件，尤其是高度集成的電路。
本發明焊劑尤其適用于焊接功率半導體，在功率半導體工作時會釋放出大量的熱量。
本發明焊劑尤其可用于現代焊接工藝，它用在高度集成的電路的焊接中。屬于現代焊接工藝的主要有倒裝焊接工藝和所謂的模片固定工藝，在這些工藝中芯片或類似物借助于焊劑裝配在用于機械連接的基板上。
在這些焊接工藝中對焊劑的熱性能和機械性能提出了高的要求。
上述性能主要是熔劑的熱疲勞強度。熔劑的熱疲勞強度愈大，其抵抗由劇烈的溫度變化引起的機械變形的能力愈大。
另一個重要參數是焊劑的潤濕性能。焊劑的潤濕性能愈好，它就能愈好地涂敷在基板的表面上。該參數在電氣焊接高度集成的電路時尤為有意義，因為在這種應用情況中極少量的焊劑必須精確定位地涂敷在基板上。同時必須保證這樣少量的焊劑具有在基板上的高度附著性能。為此焊劑的高潤濕性能是特別有意義的。
焊劑的其它機械參數是剪切強度和折彎強度。這意味著在借助于焊劑固定在基板上的電子元件上受到力的作用時，焊劑不會被折彎力或剪切力所損壞。此外焊劑的強度成為一個重要的機械參數。
本發明所述的焊劑在熱性能和機械性能方面表現良好，因此該焊劑可以抵抗高的熱負荷和機械負荷。
熱性能和機械性能可通過選擇其它的焊劑成份而靈活和可復現地得到。
尤其是在本發明的一種具有優點的實施方式中，通過加入銀來改變焊劑的熱性能和機械性能。
已經表明，隨著銀含量的提高，本發明焊劑的機械性能隨之改善。特別是焊劑的潤濕性能通過增加銀的含量而提高。焊劑的變形性能也通過添加銀而提高。
本發明焊劑尤其適用于制造成半成品，例如糊狀物、線材或帶狀材料。
通過本發明焊劑的良好變形性能，特別是在以鉍為基礎的含銀合金情況下，這些高質量的半成品可簡單地制造。特別是保證了這些半成品的優良的機械可加工性能。例如在應用本發明焊劑生產線材時得到了良好的可卷繞性能。此外，通過本發明焊劑很高的斷裂延伸率，得到半成品、特別是線材和帶狀材料的良好性能。
下面借助實施例和一個附圖詳細說明本發明。唯一的
圖1簡要表示了一個半導體芯片，它借助于本發明所述的焊劑焊接在一塊基板上。
圖1簡要表示了一個半導體芯片，它被焊接在一塊基板2上，優選地為金屬基板、所謂的引導框架或陶瓷基板上。
通常使用銅作為引導框架的材料。金屬基板可以，然而并非必須地涂敷一個附加的金屬層3。在陶瓷基板的情況下金屬層3是必需的。它最好由銅、鎳、銀或金構成。
也可以將具有一個或多個線路平面的單層或多層的線路板用作基板2。重要的是線路板可被加熱到至少達到無鉛焊劑的固相溫度，它在本發明焊劑的情況下至少為260℃。
半導體芯片1的背面同樣涂敷一個金屬層4或者涂敷多層。這里用金、銀、鎳和鈦作為材料，其中最外層一般由金構成。
為了半導體芯片1在基板2上的機械的和熱的連接，存在一個焊劑層5，它由本發明的無鉛焊劑構成。借助于焊劑層5，半導體芯片1被固定在基板2或基板2的層3上。
本發明焊劑的使用不局限于圖1所示的設置。本發明焊劑普遍適用于電氣或電子構件，尤其也適用于分立元件，如二極管、晶體管、電阻和類似元件的焊接。
本發明焊劑用于焊接功率半導體是特別具有好處的，在功率半導體工作時產生很高的熱量。此外，本發明焊劑被用于焊接高度集成的電路。這種電路在基板上的焊接例如用倒裝焊接工藝、模片固定工藝或類似工藝進行。
本發明所述的無鉛焊劑由以鉍為基礎的合金構成，其中鉍的成份至少占80％的重量。
本發明所述焊劑具有至少260℃的固相溫度，并且具有優點地具有低于450℃的液相溫度。
由于這種熱性能，也可以用本發明焊劑焊接諸如功率半導體這樣的元件，在功率半導體工作時釋放出大量熱量。該焊劑也可以在設置高集成度的元件時以很高的長時間穩定性被應用。特別地，集成電路也可以可靠地與大量的電氣連線相連接。
此外，本發明所述的焊劑具有良好的機械性能。尤其是以鉍為基礎的合金具有很高的強度。
本發明所述的焊劑也具有良好的熱疲勞強度性能。此外本發明焊劑具有良好的潤濕性能，尤其是在圖1所示實施例的基板層3上。
除鉍以外，本發明所述的焊劑含有銀作為主要成份。合金中包含的銀的重量最好在0.5％至15％之間。
通過改變銀含量，可以有針對性地改變本發明所述的焊劑的機械性能。
特別地，焊劑的變形性能隨銀含量的增加而提高。同時焊劑的可旋轉性也會提高，從而最終提高了焊劑的剪切強度、折彎強度和斷裂延伸率。
在含有至少1.5％重量的銀時所述機械性能得到顯著的改善。
為了優化本發明所述焊劑的性能，尤其是機械參數，在以鉍為基礎的合金中作為補充或者取代所述的銀含量而添加其它成份。
第一種這樣的成份為銅，最好在本發明所述焊劑中含有直到5％重量的銅。
本發明所述的焊劑中也可含有錫作為其成份。
與已知的無鉛焊劑不同，錫不作為合金的主要成份，而將其含量限制在最大為3％。通過對錫含量的限制，保證了焊劑的固相溫度高于260℃。
作為其它成份，在焊劑中含有銻和/或銦和/或鎂。這些成份的含量分別被限制在最大為3％。
此外砷和/或磷也可作為焊劑的其它成份。它們的含量分別被限制在最大為1％。
本發明所述焊劑被用于制造諸如糊狀物、線材和帶狀材料等半成品。
本發明所述的焊劑，尤其是在實施方式中，除了作為主要成份的鉍以外，還包含有顯著含量的銀，它的一個主要優點是良好的變形性能。
這種變形性能是生產半成品的重要條件。
為了生產焊膏需要由焊劑構成的粉末，它具有規定的顆粒大小，并且在盡可能小的范圍內充入氧氣。本發明所述的焊劑也可以很好地適用于這種應用。
在制造帶狀材料時這樣來選擇以鉍為基礎的合金中各種成份的含量，使得在良好的變形性能的同時取得焊劑的高強度。由本發明所述焊劑制成的帶狀材料具有良好的機械承壓性能。尤其是帶狀材料可以被很好地卷繞并折彎，而不會出現帶狀材料中的斷裂點。
在制造線材時這樣來選擇焊劑的各種成份的含量，使得線材可以被很好地卷繞。
通常通過適當選擇焊劑的成份可以獲得由它生產的半成品的良好的性能。
權利要求
1.無鉛焊劑，它由以鉍為基礎的合金構成，具有重量至少占80％的鉍，并且具有至少為260℃的固相溫度。
2.如權利要求1所述的焊劑，其特征在于，它含有作為其它成份的銀。
3.如權利要求2所述的焊劑，其特征在于，它含有重量占0.5％至15％的銀。
4.如權利要求2或3所述的焊劑，其特征在于，銀含量的重量至少占1.5％。
5.如權利要求1至4中任一項所述的焊劑，其特征在于，它含有重量最多占5％的銅作為其它成份。
6.如權利要求1至5中任一項所述的焊劑，其特征在于，它含有重量最多占3％的銻作為其它成份。
7.如權利要求1至6中任一項所述的焊劑，其特征在于，它含有重量最多占3％的鋅作為其它成份。
8.如權利要求1至7中任一項所述的焊劑，其特征在于，它含有重量最多占3％的銦作為其它成份。
9.如權利要求1至8中任一項所述的焊劑，其特征在于，它含有重量最多占3％的鎂作為其它成份。
10.如權利要求1至9中任一項所述的焊劑，其特征在于，它含有重量最多占1％的砷作為其它成份。
11.如權利要求1至10中任一項所述的焊劑，其特征在于，它含有重量最多占1％的磷作為其它成份。
12.如權利要求1至11中任一項所述的焊劑，其特征在于，它含有重量最多占3％的錫作為其它成份。
13.如權利要求1至12中任一項所述的焊劑，其特征在于，它的液相溫度低于450℃。
14.如權利要求1至13中任一項所述焊劑的應用，用于制造半成品，特別是用于制造線材、糊狀物和帶狀材料。
15.如權利要求1至14中任一項所述焊劑的應用，用于將電子元件焊接在基板(2)上。
16.如權利要求15所述的焊劑的應用，其特征在于，電子元件被設計為集成電路和/或功率半導體電路。
17.如權利要求15或16所述的焊劑的應用，其特征在于，基板被一個由銅、鎳、銀或金構成的層(3)所涂敷。
全文摘要
本發明涉及一種由以鉍為基礎的合金構成的無鉛焊劑。此無鉛焊劑具有重量至少占80％的鉍含量和至少260℃的固相溫度。
文檔編號H01L21/52GK1463294SQ02802046
公開日2003年12月24日 申請日期2002年6月4日 優先權日2001年6月12日
發明者派特雷·蘭布里奇特, 馬庫斯·雷頓梅爾, 克里斯托弗·特斯庫蒂恩, 索德·阿薩萊尼 申請人:Esec貿易公司