预成型焊料的激光制造的制作方法

本申请要求申请日为2016年2月19日、申请号为62/297,258的美国临时专利申请的优先权，其全部内容通过引用并入本申请。

背景技术

本公开涉及用于陶瓷封装密封应用的预成型焊料。更具体地说，本文描述了可提高原材料利用率、减少缺陷和缩短生产周期的预成型焊料生产工艺，以及通过这些工艺形成的预成型焊料和包含这些预成型焊料的电子封装。

预成型焊料通常由冲压工具形成，该工具可从一条原料带中冲压出规定尺寸的预成型焊料。该冲压工具也被称为复合模具。复合模具可同时执行两项操作，例如切割环状预成型焊料的内边缘线和外边缘线。

在使用冲压工具形成预成型焊料时，只有少量的原料带被用于生产。与预成型焊料相邻的原材料和预成型焊料内部中心切除部分不会被使用，在再次送入冲压工具之前必须经过精炼或再熔化。这样会导致成本增加。此外还必须具有严密公差且足够对准的精准模具，才能使冲压工具生产出合格的预成型焊料。冲压工具还需要定期维护，会使生产线停产。这样会增加预成型焊料的生产成本并降低制造效率。

在使用冲压工具生产预成型焊料时，还有可能出现其它问题。首先，如果需要全新或不同尺寸的预成型焊料，通常必须制造新的冲压工具。制造每个冲压工具的生产周期可能会长达六到八周。如果在制造之后发现冲压工具的尺寸不正确，就必须重新制造新的工具，造成时间和成本的损失。其次，冲压工具可能会在冲压后的预成型焊料边缘留下凸起边或材料细片，称为毛刺。毛刺会影响预成型焊料的密封效果，并且可能导致在焊料中形成裂缝。不必要的去除毛刺过程会增加预成型焊料制造的生产成本。最好是找到方法来尽量减少这些问题。

技术实现要素：

本公开涉及在电子封装密封中使用的预成型焊料的生产方法。提供了原料带。第一环状预成型焊料通过使用激光切割原料带而形成，其外周切边限定了第一环状预成型焊料的外周，内周切边限定了第一环状预成型焊料的内周。随后，可以清理第一环状预成型焊料的外周切边和内周切边。

在一些实施例中，原料带由含有约80wt％的金和约20wt％的锡的金锡合金形成。

在其它实施例中，利用超声波清除环状预成型焊料的外周切边和内周切边上的碳来进行清理。

如果需要，可以使用激光从第一环状预成型焊料的内部切除部分中切出其它环状预成型焊料。该内部切除部分的外周通常由第一环状预成型焊料的内周切边限定。环状预成型焊料的形状可以是正方形、矩形或盘形。

不同实施例中还公开了通过以下方式制备的环状预成型焊料：接收原料带；使用激光沿外周切边和内周切边切割该原料带；然后清理所述外周切边和内周切边以得到该环状预成型焊料。

所述原材料可以是一种金锡合金。所述环状预成型焊料的外周可以是长度和宽度约为0.3英寸的正方形，并且该环状预成型焊料的内周可以是长度和宽度约为0.25英寸的正方形。所述环状预成型焊料的形状可以是正方形、矩形或盘形。

这些方法可能还包含一种在盖壳组件中使用环状预成型焊料的方法。所述环状预成型焊料被点焊到一个罩盖上，该罩盖带有第一面、第二面以及将所述第一面和第二面结合到一起的侧壁。所述环状预成型焊料被熔化，以将该罩盖熔融到其形状包含空腔的绝缘基底上。所述环状预成型焊料通过由激光切割具有合适形状及尺寸的原料带而形成。外周切边限定了该环状预成型焊料的外周，内周切边限定了该环状预成型焊料的内周。

所述罩盖可以采用以下材料形成：铍铜合金、钼、青铜、玻璃、铁镍钴合金或陶瓷，所述陶瓷选自包括铝(al2o3)、氧化铍(beo)、氮化铝(aln)、氧化锆增韧氧化铝(zta)、碳化硅(sic)和氮化硅(si3n4)的组。

可以使用激光从所述第一环状预成型焊料的内部切除部分中切出第二环状预成型焊料。所述第二环状预成型焊料可以点焊到第二个罩盖上，该罩盖带有第一面、第二面以及将所述第一面和第二面接合到一起的侧壁。然后，对所述第二环状预成型焊料进行加热和熔化。随后，所述第二环状预成型焊料可以将所述第二个罩盖熔融到其形状包含空腔的第二个绝缘基底上。

本文还公开了包含激光切割外周切边和激光切割内周切边的环状预成型焊料，该外周切边确定了环状预成型焊料的外周，该内周切边确定了环状预成型焊料的内周。所述环状预成型焊料由一种含有约80wt％的金和约20wt％的锡的合金形成。

可以使用激光从所述第一环状预成型焊料的内部切除部分中切出第二环状预成型焊料。所述环状预成型焊料的形状可以是正方形、矩形或盘形。

本文还公开了通过一个原料带制造多个预成型焊料的方法，包括：接收由一种含有约80wt％的金和约20wt％的锡的合金形成的原料带；使用激光沿外周切边和内周切边切割所述原料带以形成第一环状预成型焊料，该内周切边限定了内部切除部分的外周；使用激光从所述第一环状预成型焊料的所述内部切除部分中切出第二环状预成型焊料。

下文更具体地介绍了本公开的这些特点和其他非限制性特点。

附图说明

以下是附图的摘要说明，这些附图用于示出本文中公开的示例性实施例，并非对其实施例进行限制。

图1是原料带的顶视图，示出了一种形成环状预成型焊料的传统冲压方法。

图2是原料带的顶视图，示出了通过单条原料带形成多个尺寸不同的环状预成型焊料的概念。

图3a-3e示出了一种使用激光切割多个正方形环状预成型焊料的方法的各个步骤的示意图。图3a显示了所述原料带。图3b显示了所述外周切边。图3c显示了所述内周切边。图3d显示了在所述第一环状预成型焊料的所述中心切除部分中形成的第二环状预成型焊料。图3e显示了所述两个环状预成型焊料的尺寸。

图4是环状预成型焊料的透视图。

图5a-5d示出了一种使用激光切割多个圆形环状预成型焊料的方法的各个步骤的示意图。图5a显示了所述原料带。图5b显示了所述外周切边。图5c显示了所述内周切边。图5d显示了在所述第一环状预成型焊料的所述中心切除部分中形成的第二环状预成型焊料。

图6a是未经过清理的预成型焊料(左侧)和已经过清理的预成型焊料(右侧)在熔化试验之前的图片。

图6b是图6a中的所述两个预成型焊料在熔化试验之后的图片。

图7是包含本公开的环状预成型焊料的传统电子封装的侧横截面视图。

图8是图7中的所述传统电子封装的分解透视图。

图9a是显示了所述密封环的罩盖/罩板的透视图。图9b是图9a中所述罩板的顶视图。图9c是图9a中所述罩板的侧视图。

图10a是显示正在点焊到所述罩盖/罩板上的所述环状预成型焊料的分解视图。

图10b是图10a中所述罩盖/罩板和环状预成型焊料的顶视图。

具体实施方式

通过参考附图可以获得对本文公开的工艺和装置的更完整的理解。这些附图仅仅是基于表明现有技术和/或发展现状的方便性和易用性的示意性表示，因此不旨在表明其部件和组件的相对规格和/或尺寸。

通过参考以下对所需实施例的详细说明及其包含的示例，可以更容易地理解本公开。在随后的说明书和权利要求中将参考一些术语，它们应定义为具有如下含义：

除非上下文另有明确说明，否则单数形式“一”、“一个”和“所述”包括复数指示物。

本申请的说明书和权利要求中的数值应该被理解为，包括当减少到相同数量的有效数字时数值相同的数值，以及与规定值的差小于本申请中描述的确定该值的类型的常规测量技术的实验误差的数值。

本文公开的所有范围包括所述端点并且可独立组合(例如，“2克至10克”的范围包括端点2克和10克以及所有中间值)。

如本文中所使用的，可以应用诸如“约”和“基本上”的近似语言来修饰任何有可能变化但不会导致其相关基本功能发生改变的数量表示。修饰语“约”也应该被认为是公开了由两个端点的绝对值限定的范围。例如，表述“从约2到约4”还公开了“从2到4”的范围。术语“约”可以表示所指数字的正/负10％。

术语“室温”是指从20℃到25℃的范围。

术语“环状”或“环形”是指由两个边线彼此平行的同心形状之间的区域所形成的平面形状。例如，这两个术语可以指以两个同心圆限定的圆环形状，或指两个共有一个中心且边线彼此平行的正方形之间包含的形状。

图1中示出了一种形成环状预成型焊料的传统冲压方法100。原料带102由诸如金锡合金(例如，80au-20sn)的合金原材料形成。首先，原料带制造从铸造金锡合金开始，以形成颗粒结构精细且大致均匀的铸件。随后可以轧制并修整该铸件，以形成具有所需厚度、长度和宽度的金锡合金板或金锡合金带。然后，冲压该原料带，从而形成预成型焊料104。随后对该预成型焊料进行清理，这可能包括去毛刺工艺，以除去沿冲压边缘形成的不必要的脊线或变形。

将原料带冲压成预成型焊料的传统方法会导致带状部分106(预成型焊料的外部)和内部切除部分108(从每个预成型焊料的中心)在冲压过程之后未被利用。可以精炼或再熔化这些部分(106和108)以形成新的原料带，随后可将其再次送入冲压工具/模具以形成更多环状预成型焊料。

在此形成环状预成型的焊料传统冲压方法中，金锡合金带用量可以计算出来。再次参考图1，原料带102的假设长度lr约为340英寸，假设宽度wr约为0.5英寸，由此原料带总面积为170平方英寸(in²)。在具有上述尺寸的原料带上，可以冲压出一千个外宽wo和外长lo约为0.300英寸、内宽wi和内长li约为0.250英寸的环状预成型焊料104。一个具有以上尺寸的环状预成型焊料的总面积约为0.028in²，全部一千个预成型焊料的总面积约为28in²。这样，在初次冲压过程中，一千个环状预成型焊料仅仅使用了原料带总面积的16％(即，28/170)。所有中心切除部分108的总面积约为62.5in²，约占原料带总面积的37％。剩余原料带部分106未被利用，约占原料带总面积的47％。因此，在经过一轮冲压工具加工之后，约有84％的原料带总面积未被利用。

根据本公开，图1中示出的传统冲压工艺可以替换为激光切割工艺。无需对原材料制造工艺进行任何修改。也就是说，原料带的制造仍然从铸造颗粒结构精细且大致均匀的金锡合金开始，然后是轧制和整理以形成具有所需厚度、长度和宽度的原料带。形成原料带之后，可将其轧制成片轴状，随后送入激光切割机以将该原料带切割成预成型焊料。切割之后，对预成型焊料采用清理工艺，以去除沿切边积聚的碳。

有利的是，预成型焊料在切割过程中不应变形、损坏或熔化。精准的激光切割工艺可以保持金锡合金的原始成分，不会改变合金的化学相。此外，激光切割可以产生无毛刺的切边，并且不影响合金品质。

图2是原料带102的顶视图，其示出了本公开的工艺。此处示出了使用激光切割工艺，从原料带102形成第一环状预成型焊料110。形成第一环状预成型焊料会产生内部或中心切除部分108。可以使用激光从第一环状预成型焊料的内部切除部分108中切出第二环状预成型焊料118。因此，第二环状预成型焊料的外部尺寸必然会小于第一环状预成型焊料的内部尺寸。

本公开不限于按图2中所示使用激光切割出两个环状预成型焊料110和118。视尺寸而定，可以从每个现有环状预成型焊料的内部切除部分中切出另一个环状预成型焊料。还应该理解的是，通过一轮加工可以从原料带中切出具有多种尺寸的任意数量环状预成型焊料，这取决于原料带的大小以及所需的环状预成型焊料尺寸。与图1中所示的传统冲压方法相比，图2中的更多原料带材料可以转换为用于盖壳组件(framelidassembly)的成品环状预成型焊料。特别是，每个环状预成型焊料的中心切除部分都可用于形成更多预成型焊料，有利地实现了原料带利用率最大化，同时降低制造成本并缩短生产周期。

在图3a-3e中，示出了一种使用激光切割多个正方形环状预成型焊料的方法。首先，在图3a中，激光切割机接收原料带102。接下来，在图3b中，通过切割外周切边112开始获取第一环状预成型焊料的过程。该外周切边限定了第一环状预成型焊料的外周。接下来，在图3c中，切割内周切边114。该内周切边限定了第一环状预成型焊料110的内周。该内周切边还确定了内部切除部分116的外周。外周切边112通常在内周切边114之前切割，但必要时也可以倒转这一顺序。

随后，可以从内部切除部分116中形成第二环状预成型焊料。再次说明，从内部切除部分116中制造的其它任何预成型焊料必然会小于第一环状预成型焊料。这可以通过仍然位于第一环状预成型焊料110之内的内部切除部分116完成，也可以从第一环状预成型焊料中取出内部切除部分116再进行加工。

如图3d中所示，为形成第二环状预成型焊料118，激光切割机在内部切除部分116之内形成第二外周切边120和第二内周切边122，并在两个切边120和122之间形成第二环状预成型焊料118。第二切除部分124也由第二个切边122形成。

需要考虑的是，第一环状预成型焊料的内周切边114有时还可以用作第二外周切边120。但是，相信此类情况很少会出现。

随后，从原料带102中取出第一环状预成型焊料110和第二环状预成型焊料118。然后可以清理环状预成型焊料110和118，以清除其内周和外周上可能积聚的碳。未被利用的原料带部分134和剩余的切除部分116可以收集起来，以进行精炼/再熔化/再加工。

在图3a-3e所示的一些特定实施例中，所述环状预成型焊料的内周和外周呈正方形。图3e比较了两个环状预成型焊料110和118的尺寸。如图所示，第一环状预成型焊料110的外长lo和外宽wo约为0.300英寸。使用激光切割该外周切边大约需要1.5秒。第一环状预成型焊料110的内周由外周切边确定，其内长li和内宽wi约为0.250英寸，即该环状预成型焊料本身的宽度约为0.05英寸。使用激光切割该内周切边大约也需要1.5秒。因此，使用激光切割所述第一环状预成型焊料的时间约为3秒。所述外周和内周切边基本上没有毛刺，预成型焊料的质量也不会降低。第二环状预成型焊料118同样具有外长l2和外宽w2。所述第一环状预成型焊料的内长li大于所述第二环状预成型焊料的外长l2，所述第一环状预成型焊料的内宽wi大于所述第二环状预成型焊料118的外宽w2。

应该注意的是，预成型焊料110和118非常薄，并且在本文中被描述为为二维正方形环状。但是应该理解的是，预成型焊料实际上是三维物体，不过厚度极小。如图4中所示，每个预成型焊料110都可以被视为具有第一面130以及与第一面相对的第二面132。预成型焊料的厚度在此处以侧壁134的形式示出，该侧壁具有将所述第一面和第二面接合在一起的四个面。所述第一面和第二面通常彼此平行，也就是说，所述预成型焊料具有恒定的厚度135。还应该理解的是，所述预成型焊料按其整体形状进行说明，并且可能与严格的几何定义存在一些偏差。例如，图3a-3e中的正方形预成型焊料可能带有圆角。

同样，环状预成型焊料也可能是任何所需的形状。特别需要考虑的是，环状预成型焊料的形状可能是正方形、矩形或盘形。正方形具有四条等长的边和四个直角，而矩形则带有四个直角，并且相邻边的长度可以不同。盘形由两个同心圆形成。

图5a-5d示出了一种使用激光切割多个盘形环状预成型焊料的方法。首先，在图5a中，激光切割机接收原料带202。接下来，在图5b中，通过切割外周切边212开始获取所述第一环状预成型焊料的过程。该外周切边限定了所述第一环状预成型焊料的外周。接下来，在图5c中，切割内周切边214。该内周切边限定了第一环状预成型焊料210的内周。该内周切边还确定了内部切除部分216的外周。同样，外周切边212和内周切边214可以按任何所需顺序切割。

随后，可以从内部切除部分216中形成第二环状预成型焊料。如图5d所示，可以使用激光切割机在内部切除部分216之内形成第二个外周切边220和第二个内周切边222，并在两个切边220和222之间形成第二环状预成型焊料218。

随后，从原料带202中取出第一环状预成型焊料210和第二环状预成型焊料218。然后可以清理环状预成型焊料210和218，以清除其内周和外周上可能积聚的碳。可以收集未被利用的原料带部分234和剩余的切除部分216，以进行精炼/再熔化/再加工。

原料带102、202和由其形成的环状预成型焊料110、118、210、218可由一种合金形成，例如一种含铅合金和一种无铅合金。在特定实施例中，所述合金是指一种金锡合金。在最理想的情况下，所述金锡合金是含有约80wt％(重量百分比)的金和约20wt％(重量百分比)的锡(即80au-20sn)的一种共熔组合物。预成型焊料的厚度大于约0.001英寸，包括从约0.006英寸到最大约0.010英寸。预成型焊料的外径或外宽最大可达约2.500英寸。预成型焊料的熔融温度理想为从约200℃到约350℃。在一些实施例中，在80au-20sn中添加了铟以提高预成型焊料的熔点，从而在焊接过程中防止二次回流、气密性损失或关键成分变化。

激光切割可通过领域内已知的任何合适方法来执行，例如使用二氧化碳激光器、掺钕钇铝石榴石(yag)激光器或准分子激光器。在一些特定实施例中，使用一种二氧化碳激光器来执行激光切割。二氧化碳激光器通常使用气体混合物，其中光线通过二氧化碳分子放大。实现激光切割的方法一般是将气体(例如，二氧化碳、氮气和氦气)混合在一起，然后将混合气体送入放电管的第一端。随后，使用机械前级泵(mechanicalforepump)将该气体从放电管的第二端泵出。在放电管的第一端和第二端之间将保持放电。使用各种光学透镜(即光镜)聚焦，并引导激光穿过管嘴并射到要切割的工件上。聚焦后的激光束可以熔化、燃烧、蒸发或吹走接触到激光束的材料，从而形成带有高品质表面光洁度的切边。该切边基本上没有凸起边或材料细片(通常称为毛刺)。可以使用紫外(uv)激光器。

可以使用计算机数控(cnc)机床，相对于所产生激光束的位置来移动原材料，或者相对于原材料位置来移动激光束。还可以采用运动控制系统，以执行要从材料中切出的图案的cnc或g代码。这样可以方便地切出任意数量的不同图案，以形成具有复杂几何形状的预成型焊料。

可以通过任何合适的方法来进行环状预成型焊料的清理，例如超声波清理、压力清洗、高温除气、超纯水冲洗或压缩清洁空气干燥。在特定实施例中，执行清理的方法是超声波清理。超声波清理一般是指使用合适频率的超声波和合适的清洁剂来清理预成型焊料的过程。这种清理可以清除在激光切割之后可能残留下来的碎屑和污染物(例如，碳)，从而提高预成型焊料的清洁度并改善密封性能。超声波频率可以是从约30khz到约50khz。进行超声波清理的时间为约20分钟到约40分钟，包括约30分钟。

在图6a和6b中，可以看到超声波清理过程的结果。图6a显示了清理之前的预成型焊料(左侧)，其中的碳积聚显示为所述内周和外周切边的黑色轮廓。图6a的右侧显示了清理之后的所述预成型焊料，其中的表面光洁度质量得以改善，碳积聚也已被清除。在进行熔化试验之前图6a中的所述预成型焊料的图片。可以进行熔化，以使所述预成型焊料能够将传统电子封装的两个部件熔融(fuse)到一起，以下内容详细介绍了这一过程。

接下来，在图6b中，显示了图6a中所述清理之前和清理之后的预成型焊料在进行熔化试验之后的图片。未经过清理处理的所述预成型焊料(左侧)出现了不希望的变形，可能会在后续的密封操作中影响所述预成型焊料的密封质量。与此相反，经过清理处理的所述预成型焊料(右侧)可以实现均匀熔化，并且基本上不会出现影响密封品质或产生裂缝的变形。

图7是使用环状预成型焊料的传统电子封装的侧横截面视图。图8是显示了所述电子封装各个方面的分解透视图。电子封装300是一个盖壳组件(framelidassembly)，其由绝缘基底344、环状预成型焊料110和罩盖或罩板336组成。罩盖336带有第一面338、第二面340和侧壁342。所述基底的形状为空腔348，其中安装有电子元件(例如，半导体)。此处未显示所述基底中可能包含的各种导线和导通孔。所述基底的周边包含凸起壁350。所述预成型焊料在加热之后熔化，用于将所述罩盖的第二面340熔融到所述基底的凸起壁350上，从而以气封方式密封所述空腔。

一般来说，所述环状预成型焊料可以点焊到所述罩盖第二面上的一个密封环。图9a-9c示出了罩盖的各个视图。图9a是所述罩盖的放大透视图。图9b是所述罩盖(与所述封装的基底接合)底面的平面图。图9c是所述罩盖的侧视图。

首先参见图9a，罩盖336带有第一面338和第二面340，并用侧壁342将它们接合在一起。所述第二面分为外围区域352和中心区域354。所述第二面的外围区域352上存在一个金属层，侧壁342上也存在一个金属层。在本文中，这两个金属层合并称为密封环360。所述金属可以是银、钯、铂、镍、金或由其合金。在特定实施例中，所述密封环由一种非磁性金属形成。金属喷镀可以通过溅射淀积、电镀、热喷涂、化学汽相沉积(chemicalvapordeposition，cvd)或其它任何合适的方式来完成。应该强调的是，所述密封环覆盖所述第二面的整个外围区域。

在一些期望的实施例中，所述密封环可以由一组次层形成。在这些实施例中，可能有两个次层或三个次层。在特定实施例中，可以先镀上一层镍次层，然后在该镍次层之上镀上一层金次层。所述镍次层用作防腐蚀层，而所述金次层则提供了易于焊接的表面。每个所述次层的厚度/深度可能是0.001毫米至0.01毫米(即，1微米至10微米)。所述密封环的厚度/深度可能是0.001毫米至0.004毫米(即，1微米至40微米)。

图9b是所述罩盖/罩板的平面(顶视)图。图9c是所述金属喷镀板的侧视图。参见图9b，所述密封环标有标号360，并以清晰的条纹表示。所述中心区域标有标号354，并以斜线表示。所述外围区域约占所述罩板第二面的表面积的20％至35％。所述中心区域约占所述罩板第二面的表面积的65％至80％。所述外围区域的宽度标有标号361。如图8c所示，所述罩板的侧壁342上也存在所述金属密封环。所述罩板的厚度也标有标号337。

接下来，如图10a和图10b所示，预成型焊料110被连接到密封环360。更具体地，所述预成型焊料放置在第二面外围区域352上方的所述密封环盖住的部分上。所述预成型焊料通常点焊到所述密封环上。图10a是所述第二面的分解视图，而图10b则是所述第二面的平面图。所述预成型焊料为环状。所述预成型焊料的宽度115可以等于或小于所述外围区域的宽度361。根据需要，所述预成型焊料的宽度为约0.01英寸到约0.1英寸。如图10b所示，所述预成型焊料的宽度115小于所述外围区域/密封环的宽度361。

如上文所述，所述环状预成型焊料点焊到位于所述罩盖/罩板第二面上的密封环。随后加热以熔化所述第一环状预成型焊料，并将所述罩盖熔融到所述基底上。所述罩盖336由非磁性材料形成。示例性非磁性材料包括铍铜合金、钼、青铜、玻璃、铁镍钴合金(例如，kovar^tm)、铁镍二元合金(例如，合金42)或选自下组的陶瓷，所述组包括铝(al2o3)、氧化铍(beo)、氮化铝(aln)、氧化锆增韧氧化铝(zta)、碳化硅(sic)和氮化硅(si3n4)。所述罩板的厚度(在所述第一面与第二面之间测量)为约0.5毫米(mm)至约1毫米。在特定实施例中，所述罩板由一种非磁性材料形成。在一些应用中，电信号/噪声可能会干扰到封装中的电子元件，例如在医疗成像应用中，此类材料就很有用处。

本文所述的方法带来了许多好处。不需要制造工具和模具，这样不但可以降低预成型焊料的生产成本，还能节省人力。此外，也避免了存储和维护工具及模具的麻烦。与传统冲压方法相比，激光切割允许实现更复杂的切割设计，同时缩短了生产周期。激光切割产生的切割质量可以缩短后期的精炼工艺，特别是去除毛刺，因为激光产生的切口不会有毛刺。此外，还能最大化原料带的利用率。

本公开中的说明参考了示例性实施例。显然，其他人在阅读和理解前述详细说明时会想到一些修改和变更。本公开应理解为包含落在所附权利要求或其等同物范围之内的所有此类修改和变更。