制造与焊料预形体连接的器件的方法与流程

文档序号:19816685发布日期:2020-01-31 19:25阅读:158来源:国知局
本发明涉及一种制造与焊料预形体连接的器件的方法。在此使用的表述“与焊料预形体连接的器件”是指,焊料预形体与器件以>0.1mpa的抗剪强度相互附着;换言之,其具有>0.1mpa的描述相互附着强度的抗剪强度。抗剪强度可以借助常见的剪切测试仪来测定。us4,659,006揭示过:作为在半导体芯片与衬底之间建立焊接连接的方法的分步骤,通过热压来将衬底与自由焊料预形体连接。在将衬底与焊料预形体连接时,首先使得衬底与焊料预形体相互接触,随后再将其共同加热至一个低于焊料预形体的熔化温度的温度。在这个温度起作用期间,对焊料预形体施加压制压力。在此过程中将焊料预形体的初始厚度减小至少40%。随后以常见的方式将如此获得的由配设有焊料沉积物的衬底构成的配置与半导体芯片焊接在一起。该案有意地将器件的焊料连接与焊接连接加以区分。焊料连接与焊接连接二者均会引起器件的导热、导电及机械连接,而焊料连接与焊接连接的区别在于:与形成器件间的焊料连接不同,焊料金属在形成焊接连接时会熔化并重新凝固,换言之,被加热至熔化温度以上再冷却至其凝固温度以下。申请人自己意外地发现,在采用大体类似于us4,659,006所揭示的处理方式,但在更加温和的热压条件下工作的情况下,能够将器件与自由焊料预形体连接。本发明涉及一种制造与焊料预形体连接的器件的方法。所述方法包括以下步骤:(1)提供具有至少一个接触面的器件和自由的焊料预形体,(2)通过使所述器件的一个或唯一接触面与所述自由焊料预形体的一个接触面发生接触,制造由器件与尚未连接的焊料预形体构成的配置,以及(3)在形成与焊料预形体连接的器件的情况下,在比焊料预形体的焊料金属的以℃表示的熔化温度低10至40%的温度下,以及在使具有初始自由度的焊料预形体的初始厚度减小≤10%的压制压力与压制持续时间组合条件下,对在步骤(2)中制造的配置进行热压。在所述方法的步骤(1)中,提供具有唯一或者数个接触面的器件。本发明中的器件这一概念优选包括单个部件。这些单个部件优选无法进一步分解。器件的接触面通常是金属的,例如形式为金属化层。器件或确切言之其接触面的金属可以是纯净的金属,或者是由>50至<100wt%的金属与相应地>0至<50wt%的至少另一金属构成的合金。纯净金属或确切言之合金主金属的示例为锡、铜、银、金、镍、钯和铂,特别是为锡、铜、银、金、钯和铂。在步骤(2)中在制造所述配置时使用的器件接触面可以具有处于1至3000mm2、特别是>10至1000mm2、尤其15至500mm2的范围内的尺寸。本发明中的器件可以是衬底或者有源或无源器件。特别是为应用在电子装置中的构件。衬底例如指ims衬底(insulatedmetal-substrate,绝缘金属衬底)、dcb衬底(directcopperbonded-substrate,直接铜接合衬底)、amb衬底(activemetalbraze-substrate,活性金属焊接衬底)、陶瓷衬底、pcb(printedcircuitboard,印制电路板)和引线框。有源器件例如指二极管、led(lightemittingdiodes,发光二极管)、裸片(半导体芯片)、igbt(insulated-gatebipolartransistors,绝缘栅双极晶体管)、ic(integratedcircuits,集成电路)和mosfet(metal-oxide-semiconductorfield-effecttransistors,金属氧化物半导体场效应晶体管)。无源器件例如指传感器、底板、冷却体、电阻器、电容器、变压器、扼流器和线圈。除所述具有至少一个接触面的器件以外,在所述方法的步骤(1)中提供自由的、即离散的焊料预形体。本发明中的自由焊料预形体特别是指形式为扁平成形件的焊料金属,例如焊料金属膜、焊料金属带或者焊料金属薄片。这类自由焊料预形体具有离散的接触面,即相互独立并且可区分的接触面,特别是两个设于彼此相对的侧上的接触面。接触面的形状可以是任意的,例如为圆形、六角形、三角形,优选为矩形。尺寸和形状优选对应所述器件的接触面的尺寸和形状。所述自由焊料预形体的厚度例如可以处于10至500μm或者50至300μm的范围内。所述焊料预形体的焊料金属(焊料)通常指铟、铟合金,或者特别是为锡或者富含锡的合金。富含锡的合金的示例为锡比例例如处于90至99.5wt%(重量百分比)的范围内的合金。合金金属例如指铜、银、铟、锗、镍、铅、铋和锑。所述合金可以含铅或者无铅。无铅合金例如可以选自由snag、snbi、snsb、snagcu、sncu、snsb、insncd、inbisn、insn、bisnag或snagcubisbni构成的群组。含铅合金例如可以选自包括snpb和snpbag的群组。所述焊料金属的熔化温度例如可以处于140至380℃、特别是170至300℃的范围内。在本发明的方法的步骤(2)中,制造由所述器件与所述焊料预形体构成的配置,其中器件与焊料预形体尚未相连。在此情形下,焊料预形体尽管仅是经过布置,但不再像原本那样自由。为此,使得所述自由焊料预形体的一个接触面与所述器件的一个或唯一接触面接触,例如通过以使焊料预形体的接触面朝向器件的相关接触面的方式安放自由焊料预形体来实现。一般而言,安放自由焊料预形体是指将其铺设至器件上或者将器件铺设至自由焊料预形体上,或确切言之,为器件配设自由焊料预形体或者为自由焊料预形体配设器件。在一个实施方式中,可以在两个待相互接触的接触面之间使用由固定剂组成构成的固定剂,或确切言之,在使接触面相互接触前,将固定剂施涂至一个或两个接触面上。在本发明的方法的步骤(3)中,对在步骤(2)中制造的配置进行热压,其中器件与布置的焊料预形体连接,形成一个与焊料预形体连接的器件。所述与焊料预形体连接的器件具有一个朝向外部的焊料金属接触面。所述经连接的焊料预形体是所谓的焊料沉积物。例如可以将常见的热压机用作生产工具。在比焊料预形体的焊料金属的以℃表示的熔化温度低10至40%的温度下,以及在使具有初始自由度的焊料预形体(即焊料预形体处于其初始的自由状态下)的初始厚度减小≤10%的压制压力与压制持续时间组合的影响下,进行热压。具体而言,所述焊料金属的熔化温度例如可以处于140至380℃的范围内,且温度在热压期间例如处于84至342℃的范围内。根据具有初始自由度的焊料预形体的初始厚度,述及的≤10%的厚度减小例如可以处于0至50μm的范围内。在比焊料预形体的焊料金属的以℃表示的熔化温度低10至40%的温度下使具有初始自由度的焊料预形体的初始厚度减小≤10%的压制压力与压制持续时间组合例如可以处于10至200mpa以及1秒至5分钟的范围内。选择的压制压力越高,可选择的压制持续时间便越短,反之亦然。本发明的方法在与本文开篇述及的us4,659,006所揭示的热压条件相比温和得多的热压条件下实施。其中,实现器件与具有初始自由度的焊料预形体的足够稳固的连接。如前文所述,在原本的方法实施方面,也在形式为与具有初始自由度的焊料预形体连接的器件的直接方法产物方面,本发明的方法具有各种优点。本发明的方法能够借助结构相对简单的热压机实施。本发明的方法也可以借助比本文开篇述及的us4,659,006所揭示的器件更加压敏的器件实施。在实施方式中,本发明的方法,或确切言之为热压,甚至可以在无特殊预防措施的情况下在正常环境气氛中实施,即在空气中实施,即既不需要在惰性气体中,也不需要在诸如惰性气体/氢气氛围的还原性氛围中实施。与器件在本发明的方法中连接的焊料预形体的特征不仅在于与具有初始自由度的焊料预形体的初始厚度相比减小程度≤10%的厚度,也在于在热压结束后与原本相比大体不变的形状和表面尺寸。据此,大体不出现位于与器件在本发明的方法中连接的焊料预形体的外缘上的突出部,这就电子领域中不断发展的微型化而言是有利的,且器件密度随之增大。举例而言,原本为矩形的自由焊料预形体即使是在与器件连接的形式中也大体保持矩形,具有大体笔直的、即大体不弯曲的外缘。在本段落中多次使用的表述“大体”是基于肉眼观察。在本发明的方法中制造的与焊料预形体连接的器件可用于连接另一器件,或者换言之,用于提供一个稳固的夹层配置,其由在步骤(1)中提供的第一器件、另一器件以及位于所述器件之间的焊料构成。为此,可以将按照本发明的方法制造的与焊料预形体连接的器件的朝外的焊料金属接触面与待连接的另一器件的一个或唯一接触面接触,且随后进行连接。在此使用的表述“稳固的夹层配置”是指,器件在位于器件之间的焊料的协助下以>0.1mpa的抗剪强度相互附着;换言之,其具有>0.1mpa的描述相互附着强度的抗剪强度。抗剪强度可以借助常见的剪切测试仪来测定。在步骤(1)中提供的第一器件和需要与其连接的另一器件可以是同一类型的,即二者例如可以均为衬底,也可以均为有源或无源器件,或者一个有源和一个无源器件。但也可以采用以下方案:一个器件是衬底,另一器件是有源或无源器件,反之亦然。例如可以区分出下列情形:第一器件:另一器件:衬底衬底有源器件无源器件无源器件有源器件有源器件有源器件无源器件无源器件衬底有源器件衬底无源器件无源器件衬底有源器件衬底为了建立这两个器件之间的连接,有两种方案。其中一种是实施经典的焊接操作,作为替代方案可以类似于前文所述实施热压操作。就已为本领域技术人员所知,故而不需要详细阐释的经典焊接方案而言,在本发明的方法后跟随有下列额外的步骤:(4)通过使与所述器件连接的焊料预形体的朝外的焊料金属接触面与所述另一器件的一个或唯一接触面接触,制造由与所述器件连接的焊料预形体和待与其连接的另一器件构成的夹层配置,(5)将所述夹层配置加热至高于所述焊料预形体的焊料金属的熔化温度的温度,以及(6)在形成所述器件之间的焊接连接的情况下,将所述夹层配置冷却至低于位于器件之间的熔化焊料金属的凝固温度以下。在步骤(4)中,使得在步骤(3)中与所述器件连接的焊料预形体的朝外的焊料金属接触面与所述另一器件的一个或唯一接触面接触,例如通过以使相关接触面朝向所述焊料金属接触面的方式安放所述另一器件来实现。一般而言,安放表示将所述另一器件铺设至在步骤(3)中制造的配置上或者将该配置铺设至另一器件上,或确切言之,为在步骤(3)中制造的配置配设另一器件或者为另一器件配设该配置。步骤(5)是焊接。在步骤(6)结束后,获得稳固的夹层配置,其由以下构成:最初在步骤(1)中提供的器件,在步骤(4)中提供的另一器件,以及位于其之间的将两个器件导热、导电和机械连接的焊料。就另一热压方案而言,在本发明的方法后则跟随有下列额外的步骤:(4')通过使与所述器件连接的焊料预形体的朝外的焊料金属接触面与所述另一器件的一个或唯一接触面接触,制造由与所述器件连接的焊料预形体和待与其连接的另一器件构成的夹层配置,以及(5')在形成器件之间的焊料连接的情况下,在比与在步骤(1)中提供的器件连接的焊料预形体的焊料金属的以℃表示的熔化温度低10至40%的温度下,对在步骤(4')中制造的夹层配置进行热压。在步骤(4')中,使得与所述器件连接的焊料预形体的朝外的焊料金属接触面与所述另一器件的一个或唯一接触面接触,例如通过以使相关接触面朝向所述焊料金属接触面的方式安放所述另一器件来实现。一般而言,安放表示将所述另一器件铺设至在步骤(3)中制造的配置上或者将该配置铺设至另一器件上,或确切言之,为在步骤(3)中制造的配置配设另一器件或者为另一器件配设该配置。在步骤(5')中,对在步骤(4')中制造的夹层配置进行热压,其中将该与焊料预形体连接的器件与所述另一器件连接。在此情形下形成器件之间的焊料连接。可以将常见的热压机用作生产工具。在比焊料预形体的焊料金属的以℃表示的熔化温度低10至40%的温度下进行热压,相关内容参见前述内容。优选地,压制压力和压制持续时间,即二者的组合处于一个范围内,其引起连接的焊料预形体(即在步骤(3)结束后的状态下)的≤10%的厚度减小;其中,压制压力例如可以处于10至200mpa的范围内,且压制持续时间可以处于1秒至5分钟的范围内。选择的压制压力越高,可选择的压制持续时间便越短,反之亦然。在实施方式中,步骤(5')可以在无特殊预防措施的情况下在正常环境气氛中实施,即在空气中实施,即既不需要在惰性气体中,也不需要在诸如惰性气体/氢气氛围的还原性氛围中实施。在步骤(5')结束后,获得稳固的夹层配置,其由以下构成:最初在步骤(1)中提供的器件,在步骤(4')中提供的另一器件,以及位于其之间的将两个器件导热、导电和机械连接的焊料。本发明的实例1将焊料预形体(sn3.5ag;熔化温度221℃;9mm×9mm×0.20mm)居中地铺设至dcb衬底(铝氧化物陶瓷,25mm×25mm×380μm,两侧在正方形面上配设有300μm铜)的铜表面上,并将如此获得的配置送入热压机(boschmann公司的sinterstarinnovatef-xl)的两个被预热至150℃的板件之间。在为时60秒的时间段内,将100mpa的压制压力施加至试样。借助mitutoyoabsolute数显测量表对焊料预形体的厚度减小进行测定。借助nordson公司的dage4000plus剪切测试仪在0.3mm/s的速度下在20℃下对试样的抗剪强度进行测量。此外,将初始为正方形的焊料预形体的按百分比计算的变形作为从顶点开始至顶点为止测得的长度尺寸加以测定。按百分比计算的<10%的变形表示令人满意的结果。类似于实例1,实施实例2至14。下表显示了热压期间压制温度、压制持续时间或压制压力的影响。当前第1页1 2 3 
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