專利名稱：向h的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種使用包含氫和氘的還原性氣體的氣體混合物通過電子附著使要焊接的一種或多種元件的金屬表面干熔的方法。
背景技術：
再流焊接是表面堆積電子部件組裝中最廣泛使用的技術。在再流焊接過程中，各部件是用事先印刷在電路板上的焊膏固定在電路板的相應跡區上的。然后，把這樣形成的焊接部件裝進一臺再流爐中、通過加熱區和冷卻區，并通過使焊膏熔融、潤濕、和冷凝而在電路板上的部件引線與焊地之間形成焊接接合點。為了確保接合表面上熔融焊劑的良好潤濕，該焊膏中通常含有有機助熔劑，以除去焊劑和基礎金屬兩者上的初始表面氧化物和保持該表面在凝固前的清潔狀態。這些助溶劑大部分在焊接期間蒸發到蒸氣相中，然而助熔劑揮發性可能引起問題，例如在焊劑接合點中形成空洞和污染再流爐。焊接后，總有一些助熔劑殘留物留在電路板上，這可能引起腐蝕和電短路。
另一方面，波焊是插入堆積部件組裝的一種傳統使用焊接方法。它也可以在焊接前用粘合劑將各部件臨時粘結在電路板上而用于表面堆積部件。對于這兩種情況來說，有插入或臨時粘結的部件的電路板必須用液體助熔劑清潔，以除去部件引線和焊接地上的氧化物，然后通過一種高溫熔融焊劑浴。這種熔融焊劑自動地潤濕要焊接的金屬表面，從而形成焊劑接合部。該浴中的熔融焊劑有受氧化的高度傾向，形成焊劑浮液。因此，焊劑浴表面必須經常通過機械法去除浮渣進行清潔，這增加了運行成本和焊劑消耗。焊接后，助熔劑殘留物仍留在該電路板上，這帶來與對再流焊接所述的相同問題。
為去除助熔劑殘留物，必須使用一種后清潔方法。通常使用含氯氟烴(CFCs)作為清潔劑，但它們據信正在損害地球的防護性臭氧層，而且它們的使用是被禁止的。盡管已經通過使用少量活化劑而開發了免清洗助熔劑來減少殘留，但在助熔劑殘留量的增減與助熔劑活性之間存在著權衡。
以上所述的所有問題，包括助熔劑揮發性、助熔劑殘留、和浮渣形成，其一種良好解決方案是使用還原性氣體作為焊接環境來代替用于去除金屬氧化物的有機助熔劑。這樣的焊接技術稱為“無助熔劑焊接”。在各種無助熔劑焊接方法中，用氫作為反應性氣體來還原這些基礎金屬和焊劑上的氧化物是特別引人矚目的，因為它是一種非常清潔的方法(其唯一副產物是能容易地從爐中排出的水)，而且它可以與一種開放和連續的焊接生產線兼容(H2是無毒的，其可燃范圍為4～75％)。因此，氫無助熔劑焊接長期以來就一直是一個技術目標。
然而，氫無助熔劑焊接的主要限制是在正常焊接溫度范圍內金屬氧化物在氫中的低效率和緩慢還原速率，對于其金屬氧鍵強度高于要焊接的基礎金屬上的氧化物的焊劑氧化物來說尤其如此。氫的這種低效率歸因于氫分子在低溫下缺乏反應性。高反應性基團例如單原子氫在比正常焊接溫度范圍高得多的溫度生成。例如，純H2使錫系焊劑上錫氧化物還原的有效溫度范圍是350℃以上。這樣的高溫可以要么損害集成電路(IC)芯片要么引起可靠性問題。因此，行業內一直在尋求有助于在正常溫度范圍內產生高反應性H2基的催化方法。
先有技術已經有人使用若干種技術來執行無助焊劑(干)焊接。
可以使用化學上活潑的含鹵素氣體例如CF4Cl2、CF4和SF6來去除焊接的表面氧化物。然而，這樣的氣體留下鹵化物殘留，這些殘留降低了焊劑鍵強度并促進了腐蝕。這樣的化合物也提出了安全性和環境處置問題，而且會化學侵蝕焊接設備。
金屬氧化物可以使用激光器燒蝕或加熱到其蒸發溫度。這樣的方法典型地是在惰性氣氛或還原氣氛下進行的，以防止釋放的污染物引起的再氧化。然而，氧化物和基礎金屬的熔點或沸點可能是類似的，而且并非所希望的是使該基礎金屬熔融或蒸發。因此，這樣的激光方法難以實施。激光器典型地也是昂貴的而且運行起來低效率的，而且必須有一條對準該氧化物層的瞄準線。這些因素限制了激光技術對大多數焊接應用的有用性。
表面氧化物可以通過在高溫下暴露于反應性氣體(例如H2)進行化學還原(例如還原成H2O)。典型地使用一種在惰性載體(如N2)中含有5％或更高還原氣體的混合物。然后，通過在高溫下脫附而從該表面釋放反應產物(如H2O)，并在氣流場中將其帶走。典型的工藝溫度必須超過350℃。然而，這種方法可能是緩慢的和低效的，即使在高溫下也如此。
使用更活潑的還原劑會提高該還原方法的速度和有效性。這樣的活潑還原劑可以用慣常等離子體技術產生。
可以使用聲頻、射頻、或微波頻率的氣體等離子體來產生表面去氧化用反應性基團。在這樣的方法中，使用高強度電子輻射來電離和離解H2、O2、SF6、或其它化學種，包括含氟化合物，而使其成為高反應性基團。表面處理可以在300℃以下的溫度進行。然而，為了得到等離子體形成的最佳條件，這樣的方法典型地是在真空條件下進行的。真空操作需要昂貴的設備，而且必須作為一種緩慢、間歇的方法而不是快速、連續的方法進行。此外，等離子體典型地是在工藝室內擴散式地分散的，而且難以在特定基質區域檢測到。因此，這些反應性化學種無法高效率地利用于該方法中。等離子體也會通過濺射過程對工藝室造成損害，而且會在介電表面上產生空間電荷的積累，導致可能的微電路損害。微波本身也會引起微電路損害，且基材溫度在處理期間可能難以控制。等離子體也會釋放出潛在危險的紫外光。這樣的方法也需要昂貴的電設備并消耗可觀的電力，從而降低了其總體成本有效性。
US 5,409,543公開了一種使用熱離子(熱絲)電子發射產生反應性氫化學種的方法。賦能的氫化學地使基材表面還原。熱離子型電子是從保持在500℃～2200℃的難熔金屬絲發射的。使用有電偏壓的柵極來偏轉或捕獲過量自由電子。該反應性化學種是從惰性載氣中含有2％～100％氫的混合物產生的。
US 6,203,637也公開了一種利用熱離子陰極放電的氫活化方法。在這種情況下，發射過程是一個含有加熱燈絲的獨立(遙控)室中進行的。離子和活化的中性物流進該室中使氧化的金屬表面化學還原。然而，這樣的熱陰極過程需要真空條件來達到最佳有效性和燈絲壽命。真空操作需要昂貴的設備，這些必須結合到焊接傳送帶系統中，從而降低其總體成本有效性。
Potier，et al.，“Fluxless Soldering Under Activated Atmosphere at AmbientPressure”，Surface Mount International Conference，1995，San Jose，CA，和US6,146,503，US 6,089,445，US 6,021,940，US 6,007,637，US 5,941,448，US 5,858,312和US 5,722,581描述了一種利用放電產生活化H2(或其它還原性氣體例如CH4或NH3)的方法。該還原性氣體是以“百分率水平”存在于一種惰性載氣(N2)中的。該放電是用一個“若干千伏”的交流電壓源產生的。從一個遙控室中的電極發射的電子產生帶電荷的和中性的氫基，然后讓其流進該基材中。所得到的方法在150℃附近的溫度使要焊接的基礎金屬上的氧化物還原。然而，這樣的遙控放電室需要顯著的設備成本，而且不容易改裝到現行焊接傳送帶系統上。此外，這種方法并不是為脫除焊劑氧化物設計的。
US 5,433,820描述了一種利用在大氣壓下從高壓(1kV～50kV)電極放電或等離子體的表面處理方法。該電極放在基材附近而不是遙控室中。從該電極發射的自由電子產生反應性氫基—一種含有原子氫的等離子體—然后使其通過一個置于受氧化基材上的介電屏障中的小孔。該介電屏障使活性氫富集到那些需要去氧化的特定表面位置上。然而，這樣的介電屏障會積累表面電荷，這可能改變電場和抑制準確工藝控制。所描述的方法只用來熔化基礎金屬表面。
一份題為“中性離解碎片的質譜法檢測”政府報告(美國商務部，國家技術信息服務局，1982)可以概述如下。使用質譜儀研究了檢測分子離解過程中的中性碎片的可行性。該質譜儀配備2個離子化器。一個離子化器用來形成中性和離子型離解碎片(用氣體放電)。該中性碎片進入第二離子化器進行離子化(氣體放電)和隨后的檢測。第一離子化器啟動或關閉時所測信號的差異會揭示關于作為電子能量的函數的中性物形成的信息。這項研究用于檢測來自N2和H2的中性N和H碎片。我們的發明相當不同于這種先有技術。在我們的發明中，該質譜儀不需要改進，這使分析工作變得十分簡單。
US 6,776,330涉及焊劑氫熔的離解電子附著，但沒有設想如本發明中的氘的使用。
有興趣的其它先有技術包括US 3,742,213；US 5,105,761；US5,807,614；US 5,807,615；US 5,928,527；US 5,985,378；US 6,004,631；US 6,037,241；US 6,174,500；US 6,193,135；US 6,194,036；US 6,196,446；Koopman，et.al.，FluxlessFlip Chip Solder Joining，NEPCON WEST’95 PROCEEDINGS，pp 919-931；和Shiloh，et.al.，Flux-free Soldering，NEPCON WEST’94 PROCEEDINGS，pp 251-273. 先有技術在提供經濟和高效率的無焊劑焊接方法來去除基礎金屬和焊劑氧化物以達到優異的焊接而在焊劑接合部中無氧化物或助熔劑缺陷方面的缺點由本發明克服了，本發明提供了在低溫、近常壓或大氣壓條件、低直流電源需要或類似低能量電子傳播的無焊劑焊接，以在焊接作業之前或期間利用帶負電荷的離子氫活潑地與氧化物反應，如同以下更詳細地論述的。
發明內容
本發明是一種使用包含氫和氘的還原性氣體的氣體混合物通過電子附著使要焊接的一種或多種元件的金屬表面干熔的方法，該方法包含下列步驟a)提供一種或多種與第一電極連接的、要焊接的元件作為靶組件；b)在該靶組件鄰近提供一個第二電極；c)在第一和第二電極之間提供一種包含氫和氘的還原性氣體的氣體混合物；d)給第一和第二電極提供一個直流(DC)電壓，以在這兩個電極之間形成一股發射電流并向該還原性氣體供給電子而形成帶負電荷的離子型還原性氣體和氫與氘鍵合的分子；e)使該靶組件與帶負電荷的離子型還原性氣體接觸和使該靶組件上的氧化物還原。
這種方法可以用來檢測帶負電荷的離子型還原性氣體是否生成，以證實那些本來難以檢測和證實的化學種的生成。
該方法包括與氘鍵合的氫的分子的測定，作為離解電子附著而生成帶負電荷氫離子的程度的一種指示，使得工藝參數能調整得氫與氘鍵合的分子、從而使帶負電荷的氫離子最大化。
公開了相關裝置，包含一個有發射尖端的陰極，以增強陰極與陽極之間的電子流動。
圖1A是通過本發明的離解電子附著產生負氫離子的圖示說明。
圖1B是本發明的實驗電子附著器件的圖示說明。
圖2是280℃的離解電子附著中在電子發生存在下分子氫氘(HD)生成的質譜法結果圖。
圖3是較高的溫度與較高的HD生成的正相關的質譜法結果圖。
圖4是以另一種方式說明圖3的數據的HD峰強度隨溫度變化的另一種圖。
圖5是發射電流增大與增大的HD生成的正相關的質譜法結果圖。
圖6是以另一種方式說明圖5的數據的HD峰強度隨發射電流變化的另一種圖。
圖7是H2+D2濃度與HD生成的正相關的質譜法結果圖。
圖8是以另一種方式說明圖7的數據的HD峰強度隨H2+D2濃度變化的另一種圖。
圖9是H2/D2比值與HD生成的質譜法結果圖，顯示75vol％H2/25vol％D2比值對生成HD是最佳的。
圖10是以另一種方式說明圖9的數據的HD峰值隨H2/D2比值變化的另一種質譜法結果圖。
圖11是保持本發明器件的恒定發射電壓所需的所施加電壓數量圖，并說明該過程啟動時和該過程周期結束時的電極外形。
具體實施例方式本發明涉及H2無助焊劑焊接、尤其晶片暴沸再流焊接。本發明可以通過改進傳統再流焊機或波焊機來制造。本發明也可應用于金屬鍍，例如印刷電路板或金屬表面某些部分的焊劑鍍，使其更容易進行隨后的焊接。本發明的氫無助熔劑加工(干熔)法去除氧化物同樣適用于這樣的金屬鍍技術。
初始焊劑氧化物的去除和再流期間進一步氧化物生成的預防可以用很多途徑進行。目前，最常用的思路是再流前用助熔劑在晶片上涂上電鍍焊劑隆起塊，或使該助熔劑與已經印刷到該晶片上的焊膏混合而形成該隆起塊。然后，有助熔劑涂層的晶片或有含助熔劑的焊劑隆起塊的晶片在氮氣流中再流，這進一步使得焊劑氧化物的生成降低到最低限度。再流期間，該助熔劑有效地去除該焊劑表面上存在的氧化物層。然而，這種含助熔劑的再流會引起工藝問題和不方便。例如，當有機助熔劑在加熱期間分解時，產生揮發性材料。這些揮發物會截留在熔融焊劑中并形成空洞，這不僅降低了機械性能和電性能等級，而且也破壞了有焊劑隆起塊的晶片的共平面性并影響隨后的芯片粘結過程。助熔劑揮發物也會凝結并積累在爐壁上，這增加了保養成本和設備停車時間。分解后的有機助熔劑總是留下殘渣，這會引起腐蝕和降低組件性能等級。例如，助熔劑殘渣會使光電組件中的激光信號偏轉或減弱，從而影響發射部件或接收部件的性能。
為了去除助熔劑殘渣，需要進行后清潔。含氯氟烴(CFCs)常用來作為清潔劑，然而，它們的使用已被禁止，以減少對地球防護性臭氧層的進一步損害。盡管有采用少量活化劑以減少殘渣的免清潔助熔劑可供利用，但在助熔劑殘渣數量的增減與助熔劑的活性之間總是有權衡。
作為結果，對無助熔劑焊劑再流用于晶片緩沖有日益增長的興趣。盡管無助熔劑技術不斷取得進展，但無一廣泛用于集成電路(IC)制造業內。高效率、簡單、可靠、成本有效、和環境上安全的無助熔劑解決方案仍然是高級IC包的高度優先目標。
在各種無助熔劑思路當中，使用氫作為反應性氣體來減少基礎金屬和焊劑上的氧化物是特別吸引人的，因為它是一種非常清潔和無毒的方法。唯一副產物是可以容易地從爐中排出的水。氫無助熔劑焊劑再流的主要限制是在正常焊劑再流溫度范圍內分子氫的反應性不足，該溫度范圍比焊劑的熔點高大約30℃。為了使這種思路變得有效，需要使用純氫。然而，純氫是一種高度可燃的氣體，而且它必須通過將其加熱到370℃以上的溫度以為氧化物還原提供足夠的活化能進行活化。除需要增加動力消耗和轉換時間外，高溫要求使得不可能使用低熔點焊劑，這是由于金屬間化合物(IMCs)晶粒變粗的緣故。
對氫無助熔劑焊劑再流的這些限制已經導致很多研究者探索各種催化方法以有助于產生高反應性氫基，這些方法當中等離子體輔助的無助熔劑再流是一種更廣泛研究的方法論。最近的研究已經顯示無鉛焊劑在10vol％H2/Ar的氣體混合物中的等離子體再流暴沸。然而，這樣一種方法形成的接合部強度由于等離子體加熱誘發的IMC晶粒變粗而相對低。此外，為了得到等離子體形成的最佳條件，這樣一個過程必須在真空下操作。真空不僅增加基本投資和運行費用，而且也將該方法限定于緩慢且不連續的間歇式方法；這減少了產量并增加了轉換時間。大氣壓等離子體也已經有人進行研究。它局限性顯然是潛在高能耗和由于在大氣過程內產生的活性化學種的壽命短而效率相對低。
這種方法的原理可以參閱圖1A和1B。在焊接或熔化期間，將氮和一種還原性氣體10例如氫或一氧化碳的氣體混合物導入有陰極14和陽極16的加熱室、烘箱或爐中，并使要焊接或熔化的部件18連接或安裝到陽極16上而形成靶組件16/18。當直流電壓20施加于陰極14和陽極16之間時，低能電子22就在陰極14上產生并漂移到電場24中的陽極16上。在這種電子漂移期間，分子還原性氣體即H226的一部分會通過電子附著而形成負離子28、然后也漂移到陽極16上。在陽極16上，帶負電荷的離子氫28會附著到焊劑和要焊接的金屬表面上，從而還原各自的氧化物而不使用傳統的助熔劑。在這個過程中，惰性氣體即N230不受影響，因為氮的電子親和性是零。
對于本發明來說，該氣體混合物中的H2濃度可以在大約0.1～100vol％、更好大約0.5～50vol％、最好小于或等于4vol％，以避免該還原性氣體混合物的可燃性。溫度可以是常溫或以上、或較好在大約100℃～400℃范圍內、更好在大約220℃～325℃范圍內。直流(DC)電壓可以包含大約-1～-50kV、較好在大約-2～-30kV范圍內。陰極與要處理的零部件的頂部表面之間的距離可以是大約0.5～10cm、更好的范圍是大約1～5cm。用來產生電子的陰極或器件(光電發射源或放射性源)應當靠近陽極或靶組件，而且不需要一個單獨的室或區域。除H2外，其它還原性氣體也可以用于該氣體混合物中，例如CO。除N2外，用于該氣體混合物中的惰性氣體可以是Ar、He、及其它。壓力較好是通常的大氣壓，這意味著該工藝領域的現行壓力。不需要特殊的壓力例如真空。典型地，10～20psia的壓力會是可接受的，但14～16psia、較好14.7psia的壓力是最適當的。
除以上所述的電子附著技術外，對氫分子或二原子氫的電子附著可以通過來自光敏陰極的光電發射、電子束技術、放射源技術、和雪崩技術來實現，其中串聯的初始電子漂移到電極陣列中相繼較高電位的電極上，引起來自每個相繼電極的附加電子。低自由能電子的光電發射可能在例如光敏源暴露于紫外光或其它適用波長光之后發生。在那些電子不因直流電壓而發射(即光電發射)的技術中，陰極和陽極仍會偏壓得能吸引所產生的電子并最終將帶負電荷的離子型氫分子或二原子氫吸引到陽極上。
盡管不想受制于關于本發明機理的任何特定理論，但本發明者們相信，當直流電壓施加到這些電極上時，低能電子就在陰極上產生并在電場中向陽極漂移。低能電子有足夠的能量離開陰極并附著到分子氫或二原子氫上而使該氫分子離解。在電子漂移期間，該分子還原性氣體例如氫的一部分會通過電子附著而形成負離子、然后也漂移到陽極上。在陽極上，帶負電荷的離子型氫會附著在焊劑和要焊接的基礎金屬表面上、從而還原焊劑和基礎金屬的現存氧化物。使用本發明的電子附著方法的氧化物還原的活化能低于無附著的情況，因為附著電子的轟擊消除了該氧化物鍵斷裂所需要的大部分能量。
在本發明的一種較好應用中，使用晶片暴沸而在已經建立了集成電路的整個硅晶片上形成焊劑隆起塊。暴沸過程是器件封裝中的一個決定性步驟，因為在晶片上形成的隆起塊充當叩焊晶片組件的電連接、機械連接、和堆積連接。因此，隆起塊必須顯示出對模頭的優異粘合、最低的電阻、和高平面性。需要防止或最大限度減少缺陷，例如隆起塊中的空洞、不均勻的隆起塊形狀、和晶片表面上的殘渣。
該隆起塊通常通過使焊劑沉積在墊上例如通過電鍍或鏤空印刷來制作。然后，使焊劑在其熔點以上的溫度再流，以進行合金化，形成一個對該模頭的金屬互連相，并使焊劑隆起塊從鍍上時的蘑茹狀轉化成半球形。
典型地沉積的焊劑含有天然的表面氧化物層。當該焊劑熔融時，該氧化物仍留在覆蓋該熔融焊劑的固相中，并妨礙它下面的液體流動。因此，焊劑隆起塊表面上的氧化物層會顯著有害地影響所希望的半球形和再流焊劑隆起塊。然而，如果該表面氧化物層在再流期間去除，則液體表面張力將驅動該整體熔融焊劑成為一種均勻的半球形。
晶片暴沸過程所形成的焊劑隆起塊的形狀是非常重要的。大的隆起塊高度有利于該接合部的高粘結強度和耐疲勞性能。所形成的隆起塊也需要在整個晶片上非常均勻，以確保平面性。只有無氧化物的隆起塊才能滿足這些期待。因此，焊劑再流期間的高效率氧化物脫除是成功的晶片暴沸的關鍵。隨著隆起塊尺寸繼續減小，焊劑氧化作用將因表面能增大而變得更嚴重，再流期間的氧化物去除對于確保所形成焊劑隆起塊的質量將是更重要的。
本發明的目的是發展一種新穎的氫無焊劑技術，其中高反應性氫種是在正常焊劑再流條件下產生的。更具體體地說，所發展的技術必須滿足下列期待。
·氫種必須是在常壓下產生的，以允許采用開放和連續的再流生產線；·應采用≤4vol％H2/N2混合氣體，以確保不可燃性；·有效再流溫度不應超過正常再流溫度范圍；和·基本投資和運行費用必須是微不足道，以使該方法變得成本有效。
在正常再流溫度范圍內氫還原金屬氧化物的限制性引發步驟是分子氫的鍵離解(104.204kcal/mol)。因此，在常壓下和正常再流溫度范圍內可以有助于產生要么中性要么帶電荷原子氫或減弱氫鍵的任何方法，都會有益于激活該還原過程。本發明將電子附著(EA)確認為在一種稀釋氣體例如氮中、在低于可燃性極限(≤4vol％)的氫濃度下分子氫離解的潛在活化過程。大氣壓下的EA已被用來去除氣流中的電負性雜質以進行氣體精制。然而，其促進表面化學反應的效用是一個新領域。
當低能電子(＜10eV)與氣體分子碰撞時，一些被氣體分子捕獲，通過離解附著或直接附著而產生負離子，一般將其定義為“電子附著”。在常壓下，低能電子可以由陰極發射、或電暈放電、或這兩者的組合產生，其中所產生電子的能量取決于電場強度E與總壓力p之比，或E/p。其理由是，電子在電場下在每一條自由途徑內受到加速，而當與氣體分子碰撞時減速。壓力增大提高了氣體分子的密度并促進電子與氣體分子之間的碰撞。因此，與真空相比，就產生低能電子和提高電子附著概率而言，常壓是有利得多的。
更具體地說，下列方程描述了氣態氮稀釋的氫氣體分子捕獲低能電子時的過程。
離解附著 H2+e-→H2-*→H-+H-----------------------(1)自動脫附 H2+e-→H2-*→H2*+e----------------------(2)直接/輻射附著H+e-→H-*→H-+hY------------------------(3)直接/碰撞穩定附著H+e-+N2→H-*+N2→H-+N2------------------(4) 由EA形成的受激分子氫陰離子H2-*處于一種中間共振狀態，這會要么通過離解電子附著(方程1)而離解成H-和H，要么自動脫附暫時鍵合的電子，留下一個振動的受激分子(H2*)，如方程2中所示。這兩個反應中哪一個會發生取決于入射電子的能量和氫分子的核內分離。核內分離越大，被H2捕獲的入射電子的能量就越低，離解附著發生的概率就越高。離解附著的速率系數在4eV左右的電子能量時有一個峰。方程3描述了從低能電子撞擊產生帶負電荷原子氫離子的一個次級過程，這是在氫分子離解之后發生的，稱之為直接或輻射附著。在此，輻射性發射去除了與直接附著相聯系的過量能量。直接附著的發生與初級離解附著過程有大致相同的效率，其速率系數隨入射電子能量的增大而稍微增大。在以上描述的EA過程期間，濃度≥96vol％的N2不會通過EA而形成負離子，因為N2的電子親和力為零。氮氣分子會在碰撞穩定作用中起到第三物體的作用，從而吸收由直接附著(方程4)形成的受激氫離子的過量能量。在這里所提出的申請中，相信碰撞穩定附著是比輻射附著更重要的，這是由于該系統中運用的常壓和高氮濃度的緣故。
圖1B中說明了本發明的焊劑再流實驗EA過程。在安裝于陽極100上焊劑暴沸晶片(未顯示)的再流期間，將≤4vol％H2/N2的混合氣體102導入再流爐104中，該再流爐典型地含有位于沿中心軸(未顯示)的不同段上的加熱/冷卻區，和一條從爐的一端到另一端的移動帶(未顯示)。在爐104內部，發射電子的陰極106安裝在上頭，并配備多個發射尖端107，將要再流的晶片置于接地的金屬陽極100或移動帶上。當一個適用的電壓108施加到陰極106上時，低能電子(未顯示)便從陰極106產生并在電場驅動下向陽極100移動。然后，分子氫會與這些電子碰撞，形成中性和帶負電荷的原子氫(方程1、3、和4)。帶負電荷的原子氫離子也沿電場移向陽極100，這導致活性種在晶片表面上的優先吸附，從而導致促進的焊劑氧化物還原。方程5描述了焊劑表面干熔或帶負電荷的原子氫離子的去氧化，其中相信錫系焊劑表面上氧化物層的顯性組成是SnO。
焊劑表面去氧化2H-+SnO→Sn+H2O+e----------------------5 在EA和表面去氧化過程期間，注入或產生于晶片表面的自由電子是通過遷移到焊劑隆起塊部分并經由硅基體漏到大地而放電的。大多數硅晶片含有一個＜2.0μm厚度范圍內的背面氧化物層，這使其在正常條件下變得電絕緣。當由于EA期間電荷積累而使整個背面氧化物層的電壓梯度增大到某一極限時，該晶片仍會表現出作為半導體的行為。
本發明的加強是一種檢測由離解電子附著到氫分子上而形成的原子氫的思路。該檢測是通過采用H2和D2(氘)的氣體混合物和使用質譜法監測HD(氫與氘鍵合的分子)的生成進行的。當運用電子附著時HD的增加會是離解附著發生的指示，從而證實產生了原子氫離子。下列方程描述了該過程H2+e-→H2*→H-+H---------------------------------(6)D2+e-→D2*→D-+D---------------------------------(7)H+D→HD------------------------------------------(8)式中H2-*和D2-*分別代表受激分子氫和氘陰離子。
也已經發現，存在著與最高HD生成對應的H2/D2的較好氣體濃度比，即2.5左右而不是1.0。高HD生成是更高效率離解電子附著的指示。
本發明緣起于需要發展一種基于電子附著(EA)、用于晶片暴沸的受控氫無助熔劑焊劑再流技術。本發明EA方法能在常壓和顯著低于熱離解溫度的溫度促進分子氫的離解和原子氫離子的產生(方程6)。該氫離子使焊劑氧化物還原，和便利在正常焊劑再流溫度下使用不可燃氫濃度(≤4vol％)的無助熔劑焊劑再流。
為了控制EA輔助的H2無助熔劑焊劑再流，理想的是證實通過離解電子附著(方程6)產生帶負電荷原子氫離子。原子氫(H)的檢測會是一種有離解電子附著的良好指示。然而，由于迅速復合，不可能用質譜儀直接檢測原子氫。
在本發明中，檢測原子氫生成和離解電子附著的進行的一種替代思路已被發現。本發明不僅對于以受控方式進行EA是有價值的，而且對于通過選擇工藝變量以使帶負電荷離子氫的生成增強或最大化來增強該EA過程也是有價值的。
參照圖1B中顯示的實驗裝置，該電子附著組件是安裝在一臺石英管式爐104內部的。在爐104的出口112，增加一個連接質譜儀的采樣口(未顯示)以表征該排氣的組成。將一個陶瓷襯里114插入該管式爐104內部，以防止電弧損害。
圖2顯示流動H2/D2摻合物的實驗結果。排氣的分析始于爐溫達到并于280℃在N2氣流下平衡時。數據采集開始后5分鐘，將氣流從N2切換到體積比為1∶1的H2/D2的工藝氣體混合物。然后，在數據采集開始后為期15～25分鐘期間，施加0.25mA/尖端的電子發射電流。如圖2中所示，當施加電子發射時HD強度增大，并在停止電子發射之后回落到其原來水平。
在不同溫度下重復以上等溫分析。我們發現，當工藝溫度提高時，峰值HD強度增大(圖3)，這是合理的，因為相信離解附著是一種吸熱反應。該等溫研究的概要顯示于圖4中。該數據指出，離解電子附著發生的啟動溫度是在100℃左右。
圖5和6說明在280℃的等溫溫度下發射電流對HD生成的影響。這項研究所使用的實驗條件和程序保持與以上討論的相同，例外的是我們把發射電流從0.125mA/尖端改變到0.375mA/尖端。可接受的范圍可以是0.01mA/尖端～1.0mA/尖端。該HD強度峰隨發射電流上升而顯著增大。這個結果證實，在我們所研究的工藝空間內，離解附著取決于陰極所發射的電子數目。
圖7和8說明在280℃的等溫溫度下N2稀釋對HD生成的影響。我們將進料氣體內的N2濃度從0改變到100vol％，而其它實驗變量例如H2/D2比和電子發射電流以及試驗程序保持與我們的等溫研究所使用的條件相同。結果證實，隨著提高H2+D2濃度，HD生成繼續增加。
圖9證實在280℃等溫溫度下H2/D2比對所生成HD的濃度的影響。這項研究所使用的實驗條件和程序保持與圖2中所討論的相同，例外的是我們將H2/D2比從0改變到∞。結果顯示，關于HD生成，有最佳H2/D2比。圖10進一步證實，在電子附著下與最高HD濃度對應的H2/D2的最佳比值是2.5左右而不是1.0。
電子附著輔助的H2無助熔劑再流的期待值設想如下
·氫還原焊劑氧化物的啟動溫度可以降低，因為分子氫的鍵離解所需要的熱能減少了。
·電子附著所形成的帶負電荷原子氫離子由所施加電場驅動向焊劑表面。該活性(化學)種的優先吸附降低了氧化物去除所需要的有效H2濃度；它使得能使用不可燃H2/N2濃度(例如≤4vol％H2/N2)。
·電子在氫分子上附著的概率會隨氣體壓力增大而增大，這是由于所發射電子的能量水平降低且氣相中氫分子密度提高的緣故。因此，它會使電子附著方法的應用在常壓下比在真空下更有利。
·對于以4vol％H2/N2的氣體混合物應用電子附著來說，只有H2分子才有一定概率附著陰極所發射的電子。因此，活性種的生成效率應當是相對高的。
·由電子附著生成的氫離子互相排斥，因為它們全都帶負電荷，從而使其壽命在常壓下相對長。
為了建立圖1A和B中所述的本EA方法，重大的挑戰是要有一種可以在晶片表面以上均勻地產生電子而且在含有H2、N2、和ppm級O2和H2O的氣體環境的常壓下有長運行壽命的陰極。本發明者們發展一種特別適合于這一應用的新穎陰極發射系統。在探索很多陰極幾何形狀和發射機理(例如熱發射、場發射、和熱-場發射)之后，設計了一種由一塊有分布發射尖端107的金屬板組成的場發射陰極106。為了使電場最大化，從直徑為0.025英寸的Ni/Cr絲制成的每個發射尖端107都加工成在金屬板表面以外1.5cm露出的、有10度角的銳端。根據相鄰尖端間最低限度電場干擾與電子發射的最大表面覆蓋之間的權衡，優化的尖端間隔是1cm。
利用以上所述陰極發射尖端幾何形狀，當在該陰極與接地晶片之間施加一個頻率為10kHz、幅度為2kV的單極性脈沖直流電壓時，得到均勻的尖端照明。對于給定的脈沖直流電壓，發射電流可以從0.1～0.5mA/尖端不等。氣相是4vol％H2/N2的混合物，該陰極的發射尖端與該晶片的表面之間的間隙設定為1cm。使用電壓脈沖以最大限度減少電弧，因為已知在發射尖端附近進行陰極發射所需要的時間比進行氣相完全介電擊穿所需要的時間短。
發射尖端的壽命是通過監測單一尖端上維持0.3mA恒定發射所施加的電壓來測試的。尖端損壞會導致所施加電壓增大。如圖12中所示，所施加電壓隨運行時間增加而稍微增加，該發射尖端有顯著的形狀變化，變成壽命試驗之后不太銳利的尖端。電壓曲線上的局部變異相信與N2供應中H2O和O2沾污水平的變化有關。即使在這個試驗結束時，該尖端的電子發射性能依然相當正常。
權利要求
1.一種使用包含氫和氘的還原性氣體的氣體混合物通過電子附著使要焊接的一種或多種元件的金屬表面干熔的方法，該方法包含下列步驟a)提供一種或多種與第一電極連接的、要焊接的元件作為靶組件；b)在該靶組件鄰近提供一個第二電極；c)在所述第一和第二電極之間提供一種包含氫和氘的還原性氣體的氣體混合物；d)給所述第一和第二電極提供一個直流(DC)電壓，以在這兩個電極之間形成一股發射電流并向所述還原性氣體供給電子從而形成帶負電荷的離子型還原性氣體和氫與氘鍵合而形成的分子；e)使所述靶組件與所述帶負電荷的離子型還原性氣體接觸和使該靶組件上的氧化物還原。
2.權利要求1的方法，其中所述還原性氣體包含氫、氘和一種惰性氣體。
3.權利要求1的方法，其中氫與氘鍵合而形成的分子的濃度是確定的。
4.權利要求3的方法，其中使用所述濃度來調整選自下列組成的一組的方法條件所提供的氣體混合物的體積，直流電壓，氣體混合物所保持的溫度，及其組合，以增加帶負電荷離子型還原性氣體的生成。
5.權利要求4的方法，其中在所述第一和第二電極之間提供一種包含一種包含氫和氘的還原性氣體的氣體混合物是不連續的，隨后在所述第一和第二電極之間提供氫和一種惰性氣體的氣體混合物，且不生成氫與氘鍵合的分子。
6.權利要求1的方法，其中至少一個電極有發射尖端，且所述發射電流在0.01mA/尖端～1.0mA/尖端之間。
7.權利要求6的方法，其中至少一個電極有發射尖端，且所述發射電流在0.125mA/尖端～0.375mA/尖端之間。
8.權利要求1的方法，其中該惰性氣體中氫與氘分子的濃度是25vol％氫75vol％的氘～90vol％氫10vol％氘。
9.權利要求1的方法，其中該惰性氣體中氫與氘分子的濃度是75vol％氫25vol％氘。
10.權利要求1的方法，其中該惰性氣體中氫與氘分子之比是2.5∶1。
11.權利要求1的方法，其中所述惰性氣體選自下列組成的一組氮，氦，氬，氪，及其混合物。
12.權利要求1的方法，其中所述氣體混合物處于100～400℃范圍內的溫度。
13.權利要求12的方法，其中所述靶組件處于220℃～320℃范圍內的溫度。
14.權利要求1的方法，其中所述電壓在大約-1～-50kV范圍內。
15.權利要求14的方法，其中所述電壓在大約-2～-30kV范圍內。
16.權利要求1的方法，其中所述靶組件與所述第二電極之間的距離是大約0.5～10cm。
17.權利要求16的方法，其中所述靶組件與所述第二電極之間的距離是大約1～5cm。
18.一種或多種要焊接的元件的焊劑干熔方法，包含下列步驟a)提供要焊接的一種或多種元件和焊劑，所述元件和焊劑配置于陽極上作為靶組件；b)提供一個毗鄰所述靶組件的陰極；c)在處于高溫的所述陽極與陰極之間提供一種包含氫、氘和惰性氣體的還原性氣體混合物；d)給所述陽極和陰極提供一個直流(DC)電壓，以向所述還原性氣體混合物供給電子從而生成帶負電荷的離子型氫和氫與氘鍵合的分子；e)使所述靶組件與所述帶負電荷的離子型氫接觸，并使所述元件和所述焊劑上的氧化物還原。
19.權利要求18的方法，其中氫與氘鍵合的分子的濃度是確定的。
20.權利要求19的方法，其中使用所述濃度來調整選自下列組成的一組的方法條件所提供的氣體混合物的體積，直流電壓，氣體混合物所保持的溫度，及其組合，以增加帶負電荷離子型還原性氣體的生成。
21.權利要求20的方法，其中在所述第一和第二電極之間提供一種包含一種包含氫和氘的還原性氣體的氣體混合物是不連續的，隨后在所述第一和第二電極之間提供氫和一種惰性氣體的氣體混合物，且不生成氫與氘鍵合的分子。
22.通過電子附著使要焊接的一種或多種元件的金屬表面干熔的裝置，包含a)一臺能容納這樣的元件的爐；b)一個與所述爐連接的由氫、氘和惰性氣體組成的還原性氣體混合物的源；c)配置于所述爐中，用于支撐這樣的元件的陽極；d)毗鄰所述陽極、有多個附著于一塊板上的發射尖端的陰極，該發射尖端的長度1.5cm、直徑0.025英寸、離所述板最遠的尖端的端點有一個相對于該尖端的軸而言的10度角、且該發射尖端與相鄰發射尖端的間隔為1cm；e)與所述陽極和所述陰極連接的直流電源；和f)所述爐上的還原性氣體混合物出口。
23.權利要求22的裝置，其中該爐上的出口有一臺用于檢測從所述氫和氘生成的分子的檢測器。
24.利用原子和氘的混合物、用經受電子附著的原子處理表面的方法，包含下列步驟a)提供與第一電極連接的、要處理的一個或多個表面作為靶組件；b)提供一個毗鄰所述靶組件的第二電極；c)在所述第一和第二電極之間提供一種包含要經受電子附著的原子和氘的混合物；d)向所述第一和第二電極提供一個直流(DC)電壓，以在這兩個電極之間形成一個發射電流，并使電子供給所述混合物，形成帶負電荷的離子型原子和該原子與氘鍵合的分子；e)使所述靶組件與所述帶負電荷的離子型原子接觸，并在所述靶組件上用所述帶負電荷的離子型原子處理所述表面。
25.權利要求24的方法，其中要經受電子附著的原子與氘鍵合的分子的濃度是確定的。
26.權利要求25的方法，其中使用所述濃度來調整選自下列組成的一組的方法條件所提供的氣體混合物的體積，直流電壓，氣體混合物所保持的溫度，及其組合，以增加帶負電荷離子型原子的生成。
27.權利要求26的方法，其中在所述第一和第二電極之間提供一種包含一種包含要經受電子附著的原子和氘的還原性氣體的氣體混合物是不連續的，隨后在所述第一和第二電極之間提供要經受電子附著的原子和一種惰性氣體的混合物，且不生成要經受電子附著的原子與氘鍵合的分子。
全文摘要
本發明是一種使用包含氫和氘的還原性氣體的氣體混合物通過電子附著使要焊接的一種或多種元件的金屬表面干熔的檢測和校準方法，該方法包含下列步驟a)提供一種或多種與第一電極連接的、要焊接的元件作為靶組件；b)在該靶組件鄰近提供一個第二電極；c)在第一和第二電極之間提供一種包含氫和氘的還原性氣體的氣體混合物；d)給第一和第二電極提供一個直流(DC)電壓，以在這兩個電極之間形成一股發射電流并向該還原性氣體供給電子而形成帶負電荷的離子型還原性氣體和與氘鍵合的氫的分子；e)使該靶組件與帶負電荷的離子型還原氣體接觸和使該靶組件上的氧化物還原，也公開相關的裝置。
文檔編號H05K3/34GK1990150SQ20061016418
公開日2007年7月4日 申請日期2006年12月8日 優先權日2005年12月9日
發明者C·C·董, E·J·小卡瓦克基, R·E·帕特里克 申請人:氣體產品與化學公司