专利名称：芯片焊接焊料的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于芯片焊接的芯片焊接焊料，该芯片焊接焊料用于将硅片或者类似物质固定到一个基台上。
如用于检测压力或者压差的压力传感器一样，采用一个半导体压力传感器的半导体压力变换器是公知的(如，日本实用新型专利No.59-135654或类似发明)。
图9表示装有这样一种半导体压力传感器的半导体压力变换器的一个现有示例。
这种半导体压力变换器通过把一个基台902安装在一个载体901上及把一个半导体压力传感器903安装在该基台902上来形成。
载体901由大约为0.5到3mm厚的金属板或者陶瓷板制成。一个压力导入孔904布置在中心，同时导电销906插入到附近的边缘上并用诸如玻璃的密封材料905气密地密封起来。
基台902由绝缘材料形成为一个1到5mm高的圆柱体，该绝缘材料的线性膨胀系数与半导体压力传感器903的非常相似。此外，基台902具有一个插入孔908，该插入孔908与上述压力导入孔104相通。
为了提高通过焊接将基台902连接到载体901上的可焊性，除了镀金的单一物质或者镀镍的单一物质或者在镀镍表面上镀金之后所得到的产物之外，通过使用一种焊料907来连接载体901和基台902。
例如，在通过用作基台902的陶瓷把基台902连接到载体901时，用一个连接焊接平台加热放置在载体901和基台902的接合表面901a和902a之间的焊料(硬焊材料)907以使焊料907熔化，从而在根据现有公知方法金属化之后进行连接，该现有公知方法包括把Mo、Mn或者类似材料烤熔而凝结到它们的接合表面902a上，并且在其上面叠加一个镀镍(Ni)或者镀金(Au)层。一种包括锡(Sn)和金(Au)的Sn-Ag系列共晶焊料也被用作焊料907，并且接合部分的厚度一般设置成大约为10到50μm。
此外，半导体压力传感器903由n型单晶硅(Si)或类似物质制成，并且具有半导体基片909，该基片909静电型地连接到基台902的上表面。在该半导体基片909上形成一个大约20到100μm厚度的变形产生部分或者盘形压力接收膜片911。此外，在膜片911的表面侧上通过杂质扩散或者离子注入技术形成4个量器912，它们用作压电电阻区。并且，一个单臂电桥由这些部件组成并通过导线913连接到导电销106上。
然而，由于较软，上述焊料易于吸收应力，但对一些固定晶片而言，当这些焊料自己固化时，应力施加到它们上从而使上述传感器晶片破裂或者使传感器的测量结果产生偏差。
此外，上述焊料易发生氧化作用而不能保存在空气中，因此处理时不方便。
相应地，本发明的主要目的是抑制作用于固定晶片的应力产生并使晶片更加容易固定。
为了达到这种目的，本发明的第一发明是这样设计的，使得芯片焊接焊料包括锡和金，并且它的物质组成比是这样的在锡的含量大于金的含量时它具有一个低共熔点。
这种组成的结果是，与由Sn-Ag共晶体制成的焊料相比，这种芯片焊接焊料提高了接近室温时的延伸率和抗拉强度。
此外，第二发明是这样设计的，使得除了锡和金之外在第一发明所述的芯片焊接焊料中加入一种添加剂，该添加剂由金属制成，该金属具有比锡高的熔点，并与金具有比锡和金二者的共晶体的熔点高的低共熔点，而且与锡形成不了共晶体。
这种添加剂首先在熔化的芯片焊接焊料的冷却过程中作为单一物质沉积下来。
此外，第三发明是在第二发明的基础上使添加剂的加入量按重量计在0.1％到9％的范围内。
此外，第四发明是在第二发明的基础上使用锑、锗或硅中的任何一种用作添加剂。
此外，第五发明是在第一发明的基础上使锡和金的共晶体包括大体上是95％到90％的锡和5％到10％的金。
图1是表示使用本发明的一个实施例的芯片焊接焊料的半导体压力变换器的结构的剖视图；图2是Sn-Sb的相图；图3是Au-Sb的相图；图4是Au-Sn的相图；图5是Au-Ge的相图；图6是Ge-Sn的相图；图7是Au-Si的相图；图8是Si-Sn的相图；以及图9是表示使用现有的芯片焊接焊料的半导体压力变换器的结构的剖视图。
参照附图，下面将详细地描述本发明的优选实施例(第一实施例)。
图1是表示一个半导体压力变换器的结构的剖面图，该压力变换器采用了本发明的一个实施例的芯片焊接焊料。
下文中，制造如图1所示的半导体压力变换器时采用本发明的芯片焊接焊料的情况被当作一个示例在在第一实施例中进行描述。
通过把一个基台102安装在一个载体101上以及把一个半导体压力传感器103安装在该基台102上来形成图1所示的半导体压力变换器。
载体101是采用42号合金、柯伐合金或类似材料形成的形状为大约0.5到3mm厚的薄板。压力导入孔104形成在其中心，同时导电销106插入到附近边缘上并用诸如玻璃的密封材料105气密地加以密封。
线性膨胀系数与半导体压力传感器103非常相似的一种绝缘材料被用作基台102。这种应用是由于在连接半导体压力传感器103时所产生的热应变传导给传感器103会损坏变换器的温度特性，从而导致零点偏移。而且，这种绝缘材料的示例包括硼硅酸玻璃(商业名称)和陶瓷。基台102形成为大约1到5mm高的圆柱体并具有一个插入孔108，该插入孔108与压力导入孔104相通。
同时，由于载体101是由42号合金或者柯伐合金制成，因此基台102可直接地焊接到那里。为了提高可焊性，通常采用焊料来连接载体101和基台102，而焊料带有镀金的单一物质或者镀镍的单一物质或者在所加入的镀镍表面上进行镀金之后所得到的产物。在把例如由陶瓷制成的基台102连接到载体101上时，用连接焊接平台加热放置在载体101和基台102的接合表面101a和102a之间的焊料(硬焊材料)107，以使焊料107熔化从而用于在根据现有公知方法金属化之后进行连接，例如，该现有公知方法包括把Mo、Mn或者类似材料烤熔而凝结到基台102的接合表面102a上，并且在其上面叠加一镀镍(Ni)或者镀金(Au)层。
在第一实施例中，一种包括锡(Sn)和金(Au)的Sn-Au系列共晶焊料被用作焊料107，并且它的物质组成比设计成在Sn的含量比Au的含量高时具有一个低共熔点(大约217℃)。为此，例如，只需要选择一种低共熔晶体，其具有Sn大约90％和Au大约10％的组成比(重量比)。另外，接合部分的厚度一般设置成大约为10到50μm。
此外，半导体压力传感器103由n型单晶硅(Si)或类似物制成，并且具有一个半导体基片109，该基片109静电型地连接到基台102的上表面。
在该半导体基片109上，通过借助于蚀刻除去中心背面来形成一个大约20到100μm厚度的变形产生部分或者盘形压力接收膜片111。此外，在膜片111的表面侧上通过杂质扩散或者离子注入技术形成4个量器112，它们起着压电电阻区的作用。而且，由这4个量器112形成一个单臂电桥并通过导线113连接至导电销106。
在将测量压力P1和P2分别施加到这种结构的压力接受膜片111的前表面和后表面上时，压力接受膜片111根据它们的压差ΔP(＝P1-P2)变形，从而引起量器112的电阻率变化。因此，通过检测伴随此时电阻率变化的输出电压，就可测出压差ΔP。此外，在使用量器来检测压差时，压力导入孔104与大气相通，测量压力P1作用在膜片111上。
如上所述，由于载体101和基台102是布置成通过使用焊料107来连接，因此可防止变形的产生，而该变形起源于焊接部位处焊料107温度发生变化。
这里，从用作第一实施例焊料的Sn和Au的共晶体和用作现有焊料的Sn和Ag的共晶体之间的各种特性比较中，可得到下表1所示出的结果。
表1
这里，在第一实施例中，由于在载体101和基台102连接时用焊料107焊接的过程中的温度变化所产生的变形包括同时发生的弹性变形和塑性变形。焊接过程中晶片的破裂起源于弹性变形。此外，焊接之后产生的偏差起源于塑性变形。这种弹性变形受焊料的杨氏模量(young ratio)所影响，而塑性变形受焊料的硬度和延伸率所影响。
相应地，如从表1的比较中所表明的一样，使用根据第一实施例的焊料被发现能更好地抑制由于焊接引起的晶片破裂和传感器的偏差。
根据虎克定律(Hook’s law)，当使用第一实施例的Sn-Au共晶体时由焊接所产生的应力比使用Sn-Ag共晶体时由焊接所产生的应力小，如公式1所示。此外，这适用于在诸如热处理的条件下的焊接情况，而在热处理条件下可获得最大效果。
公式1{(α1-αg)×Tmelt1×El}/{(α2-αg)×Tmelt2×E2}＝{(136-30)×(217-25)×5610}/{(146-30)×(221-25)×2160}＝0.23这里，α1、α2和αg分别是第一实施例的Sn-Au共晶体的热膨胀系数、Sn-Ag共晶体的热膨胀系数和要连接的材料的热膨胀系数。此外，Tmelt1和Tmelt2是室温(25℃)与第一实施例的Sn-Au共晶体的熔点及Sn-Ag共晶体的熔点之间的温差。E1和E2是第一实施例的Sn-Au共晶体的杨氏模量和Sn-Ag共晶体的杨氏模量。
同时，在第一实施例中，焊料107的Sn和Au之间的组成比设定成大约90％比大约10％，但是该组成比不总是设定成这个值。例如，如果通过焊接来连接的对象物含有Au，将芯片焊接焊料的组成比设定成如上所述的Sn∶Au＝9∶1，那么Au从对象物向焊料扩散，结果导致焊料的组成比偏离9∶1。在这种情况下，预先适当地减少Au的组成比并将该组成比最大设置成大约为Sn∶Au＝95∶5。
即，这种设计是最好的根据通过焊接来连接的对象物中的Au的含量情况，芯片焊接焊料的组成“Sn∶Au”在“9∶1至95∶5”的范围内变化，并且该芯片焊接焊料是一种Sn-Au共晶体，而该Sn-Au共晶体的物质组成比在Sn的组成比大于Au的组成比时它具有一个低共熔点。
在使用如上所述的Sn-Au共晶体作为焊料的情况下，该Sn-Au共晶体的物质组成比在Sn的组成比大于Au的组成比时它具有一个低共熔点，那么具有这种情况焊料的太长冷却导致焊接性能降低。这可归因于包括Sn和Au的焊料的变质。由于在Sn的组成比大于Au的组成比或者接近9比1的组成比时的低共熔点，Sn和Au之间的金属互化物的晶体大大地长大了，一旦熔化之后在长期冷却焊料时这些晶体的晶粒尺寸变得太大。在大尺寸晶粒中，线性膨胀系数增加，因此使得焊料变硬和易脆。
因此，第二实施例是这样设计的把Sb作为添加剂以0.1％到9.0％的重量比的范围加到上述第一实施例的焊料中。通过这样加入Sb，可防止Sn和Au之间的金属互化物的晶粒过度长大，因此导致只有更微小的晶粒形成。
这似乎是因为Sb的加入使得Au扩散集中在熔化的焊料中。
首先，如图2的相图所示，由于Sn-Sb没有低共熔点，如果含有Sb，那么由具有Sn的组成比大于Au的组成比时其具有低共熔点的组成比的Sn-Au共晶体形成的焊料具有不低于232℃的液态温度，该温度为Sn的熔点。
此外，如图3的相图所示，Au-Sb的低共熔点是360℃，同时如图4的相图所示，在这种焊料内的Sn-Au的低共熔点是217℃。
这里，首先，将注意这样一个过程由具有Sn的组成比大于Au的组成比时其具有低共熔点的组成比的Sn-Au共晶体形成的焊料在熔化之后逐渐地冷却。
在有关的冷却过程中当温度接近Sn-Au的低共熔点时，形成以某一组成比而构成的金属互化物AuSnx。在这种冷却过程中，当焊料内部的温度分布均匀且冷却速度非常慢时，x的值从1→2→4进行变化，同时在沉积和熔化之间形成一个平衡状态。最后，金属互化物形成Sn处于AuSn4的状态的共晶体结构，从而变成固相。
在冷却过程中，由于温度不是不变的，因此不能实现完全平衡，Sn-Au的金属互化物从熔化状态和沉积状态之间的平衡稍稍地移向沉积状态一侧。即，Sn-Au的金属互化物以固态漂浮在周围熔化的焊料中，移向固相一侧。
在这种情况下，由于冷却的过渡状态，因此在焊料中产生了温差。在冷却过程中，由于热量从熔化的焊料的表面散发，因此熔化的边缘部分的温度总是比存在于内部的固态金属互化物的温度低。由于这个原因，即使焊料的温度没有冷却到Sn-Au的低共熔点，固态的Sn-Au金属互化物会最新形成并伴随有已经形成的Sn-Au的金属互化物，同时漂移通过液相，从而通过内聚力被结合。其结果是，AuSn4的金属互化物的晶粒尺寸长得太大。如果这种金属互化物的晶体尺寸变得太大，那么在冷却和固化的焊料中线性膨胀系数变大，因此如上所述一样使焊料变硬和易脆。
这里，研究在上述焊料中含有9％的重量百分比的Sb的情况。在这种焊料熔化之后逐渐地进行冷却。首先，在冷却过程中当焊料的温度到达246℃时，允许Sb沿着如图2所示的Sn-Sb的液态温度曲线在熔化焊料的液相中作为一种单一物质沉积下来。这种现象的原因如下。首先，由于上述温度比上述的Au-Sb的低共熔点360℃低，即使是任何Au和Sb之间的组成比也不能在该温度时保持Sb的熔化状态。第二，由于对这种焊料Sn-Au的低共熔点是217℃，而Au在246℃温度时处于熔化状态。即，Sn-Au的固态溶液或者金属互化物不能以固态沉积下来。第三，由于Sn和Sb的混合物形成不了共晶体并如图2所示没有低共熔点，因此Sn单独熔化并根据图2的相图在246℃附近沉积下来。
然后，随着进一步的冷却，如上所述，Sn和Au的金属互化物的晶粒连续地形成，但是现在Sb沉积物的存在妨碍了所形成的金属互化物漂移通过液相。其结果是，在冷却过程中形成的Sn和Au的金属互化物的晶粒的相互结合的机会减少，因此防止了晶粒的过度长大。如上所述，由于Sb单独在Sn-Au的低共熔点附近和上方沉积，因此可防止Sn和Au的金属互化物的晶粒移过液相。
由于第二实施例的芯片焊接焊料设计成加入如上所述的Sb，因此即使在焊接过程中进行逐渐冷却硬化，也可使Sb在Sn和Au的金属互化物的沉积起始温度以单一物质沉积下来。其结果是，由于可防止Sn和Au的金属互化物的晶粒尺寸长得太大，因此可以防止第一实施例中的芯片焊接焊料的性能降低。
这里，如果Sb的加入量不低于0.1％的重量百分比，那么就可得到上述效果。但是，对Sb的加入量高于大约10％的重量百分比，Sn-Au焊料变得易脆并变硬，并且破坏应力减弱机能，添加剂的加入量不得不只设定在大约10％的重量百分比以下。
此外，在第二实施例中，设计成加入Sb，但是本发明不局限于此，即使设计加入Si或Ge也可以得到与加入Sb一样的效果。
首先，如图5所示，Au-Ge的低共熔点是356℃，而且Ge-Sn形成不了共晶体且没有低共熔点。在超过上述的Sn-Au低共熔点217℃的高温区域内，Ge被允许作为单一物质沿着图6的液态温度曲线沉积在熔化Sn-Au焊料的液相中，而图6表示Ge存在于Sn-Au焊料中。
此外，如图7所示，Au-Si的低共熔点是370℃，而且如图8所示Si-Sn形成不了共晶体且没有低共熔点。也是在这种情况下，在超过上述的Sn-Au低共熔点217℃的高温区域内，Si被允许作为单一物质沿着图8的液态温度曲线沉积在熔化焊料的液相中，而图8表示Si存在于Sn-Au焊料中。
因此，无论是Ge还是Si，加入它们可以得到与上述加入Sb一样的效果。
这里，如上述描述所表明的一样，根据本发明，第一发明由锡和金组成，该Sn和Au具有这样的物质组成比以致在Sn的含量比Au的含量大时具有低共熔点。
这种组成的结果是，本发明的芯片焊接焊料与由Sn-Ag共晶体所形成的焊料的应用相比，接近室温时的延伸率增加了，杨氏模量和线性膨胀系数较小，因此使得对固定晶片产生应力的可能性比现有的小。此外，由于具有高抗拉强度因此可获得高连接强度，而且金的含量可产生优异的抗氧化性并且可使在焊接时不需要焊剂而使用这种芯片焊接焊料。
此外，第二发明在第一发明的基础上这样设计，除了锡和金之外，将一种添加剂加入到上述芯片焊接焊料中，该添加剂由熔点比锡高的金属形成，并与锡形成不了共晶体且与金具有比锡和金的共晶体的上述熔点高的一个低共熔点。这种添加剂在熔化的芯片焊接焊料的冷却过程中首先作为单一物质沉积下来，并相应地抑制大晶粒的形成，从而防止了焊料的连接性能降低。
此外，第三发明是在第二发明的基础上使添加剂的加入量在重量百分比为0.1％到9％的范围内。这种添加剂在熔化的芯片焊接焊料的冷却过程中首先作为单一物质沉积下来，并相应地抑制大晶粒的形成，从而防止了焊料的连接性能降低。
此外，第四发明是在第二发明的基础上使用锑、锗或硅中的任何一种用作添加剂。这种添加剂在熔化的芯片焊接焊料的冷却过程中首先作为单一物质沉积下来，并相应地抑制大晶粒的形成，从而防止了焊料的连接性能降低。
此外，第五发明是在第一发明的基础上使锡和金的共晶体大体上包括95％到90％的锡和5％到10％的金。这样的结果是，本发明的芯片焊接焊料与使用由Sn-Ag共晶体制成的焊料相比，接近室温时的延伸率增加，杨氏模量和线性膨胀系数较小，因此使得对固定晶片产生应力的可能性比现有的小。此外，由于具有高抗拉强度因此可获得高连接强度，而且金的含量可产生优异的抗氧化性并且可使在焊接时不需要焊剂而使用这种芯片焊接焊料。
权利要求
1.一种芯片焊接焊料，其特征在于，该芯片焊接焊料包括具有这种物质组成比的锡和金，使得在锡的含量大于金的含量时其具有低共熔点。
2.如权利要求1所述的芯片焊接焊料，其特征在于，除了锡和金之外，加入一种添加剂，所述添加剂由金属制成，该金属具有比锡高的熔点，并与锡形成不了共晶体，而且与金具有比锡和金的共晶体的所述熔点高的的低共熔点。
3.如权利要求2所述的芯片焊接焊料，其特征在于，所述添加剂的添加量在重量百分比为0.1％到9％的范围内。
4.如权利要求2所述的芯片焊接焊料，其特征在于，所述的添加剂是锑。
5.如权利要求2所述的芯片焊接焊料，其特征在于，所述的添加剂是锗。
6.如权利要求2所述的芯片焊接焊料，其特征在于，所述的添加剂是硅。
7.如权利要求1所述的芯片焊接焊料，其特征在于，所述组成比在锡和金之间大体上是锡95％到90％和金5％到10％。
全文摘要
本发明的芯片焊接焊料设计成一种包括锡和金的共晶体,该共晶体具有这样的物质组成比使得在锡的含量大于金的含量时其具有低共熔点。
文档编号H01L23/488GK1262783SQ9980042
公开日2000年8月9日 申请日期1999年3月29日 优先权日1998年3月30日
发明者增田誉 申请人:株式会社山武