制作厚膜/焊料接縫的方法技術

一種制作厚膜／焊料接縫的方法，它包括以下相繼的步驟：（１）在非導電性基片上涂施第一層厚膜導體糊料，布成具有預先選定的焊料襯墊區的圖形，然后焙燒該糊料層；（２）只在焊料襯墊區內的第一厚膜層上涂覆以第二層低玻璃料含量的厚膜導體糊料，并焙燒該糊料層；（３）在焙燒過的第二層厚膜上，涂覆以一層軟焊料，以形成焊料接縫。（*該技術在2012年保護過期，可自由使用*）

【技術實現步驟摘要】
【國外來華專利技術】
本專利技術涉及，尤其是涉及制作在熱循環后具有優良粘合性的厚膜/焊料接縫的方法。微電子工業的當前趨勢是將集成電路和其它器件裝置在厚膜金屬化基片的表面。雖然這是在大規模生產中能有效地降低成本的一種連接和封裝方法，但在實施該方法時遇到了若干可靠性問題。焊接是連接引線和集成電路組件的較好方法，但它會產生焊縫斷裂的問題，尤其是在經受熱循環時。這就嚴重限制了厚膜應用于某些用途，如汽車電子線路以及一些軍事和高功率的應用，這些用途中良好的熱循環性能是十分重要的。汽車的發動機艙是特別嚴厲的環境，在正常運行時，線路會遇到150℃的溫度，而在發動機停機以后，會在短時間內上升至160-170℃。相反地，在某些地區，環境溫度可降至-50℃。雖然上述的溫度只是極端的情況，但線路必須能承受這溫度范圍內很多次數的熱循環而粘合性不會顯著變劣，以避免災難性的故障。這種承受熱循環條件的能力，即熱循環粘合性(TCA)現在變得更重要了，因為汽車制造商提供了更長的保用期。用Sn/Pb易熔焊料焊接的常規Ag/Pd厚膜導體呈現較差的熱循環粘合性。Sn/Pb焊料的熱膨脹系數(TCE)比氧化鋁基質和厚膜導體高得多。這種TCE的不匹配導致在焊到厚膜導體上的Sn/Pb焊縫中產生高的張應力。雖然表面裝置工藝(SMT)是一種吸引人的用于高密度電子系統的裝配方法，但它還存在一些必須解決的問題。LCC、MLC和其它片狀器件通常是通過Sn/Pb焊料膏的回流而連接于氧化鋁的或陶瓷的多層連接板。由于在基片、金屬涂層與焊料之間存在很大的TCE不匹配，顯然在焊料凸焊縫底部的厚膜中將引起張應變。對于在氧化鋁基片上的焊接銅厚膜來說，由TCE不匹配而引起的應變ε可估計如下對于在-50-+150℃之間熱循環的焊接的銅膜，ε＝△α·△T＝(25-6)·(200)＝3800ppm在銅膜中的張應力σcu，可由Hookes定律估算σcu＝εE其中E是楊氏彈性模量。對于在-50至150℃之間的熱循環，其張應力可估算為σcu＝(3800×10-6)·3×106＝11，400psi(張應力)。這個計算只是近似的，因為αcu(厚膜)小于αcu(大塊物質)，并且一部分張應力可因焊料和銅內的塑性形變而消除。已用有限元分析方法(FEM)對SMT焊縫中的應力作了更精確的估算。FEM的結果表明張應力的數量級與此相同。顯然，對于LCC或IC片，應力的情況將更為復雜。重要之點是由TCE不匹配而引起的張應力是相當大的，而在厚膜導體、電介質或IC片中產生并傳播的裂紋，可導致開路故障。在由TCE重大差別而引起的應力之外，厚膜焊料襯墊還受到一些在熱循環時會使粘合性變劣的機械作用和化學作用，即·錫由焊料擴散至膜中，生成金屬互化物并增長。·在焊料內形成強度低的富含Pb的區域。·由于焊料凸焊縫與膜/基片之間TCE很大不匹配而引起的高應變。·與蠕變相聯系的過程，包括微空隙聚結和焊料氧化。·通過焊料/導體至基片/電介質界面的裂紋傳播。焊接的厚膜導體在熱循環時粘合力變劣的典型數據如附圖說明圖1所示。全部曲線在熱循環時粘合力都呈現小的起始降落，隨后在持續循環時迅速減小。本專利技術的第一方面，是一種制作具有預選面積的厚膜/焊料接縫的方法，它包括以下相繼的步驟(1)在非導電性基片上先用導電性組合物涂覆布成圖型的第一層厚膜，該膜具有預先選定的焊料襯墊區。所用導電性組合物由以下分散的微細顆粒組成(a)85.0-98.5%(重量)的非合金純導體金屬或其低合金，導體金屬選自金、銀、銅，其粒度為0.5-5微米，(b)1-10%(重量)的玻璃料;與(c)0.5-5%(重量)的形成尖晶石的金屬氧化物;(a)、(b)、(c)全都分散在有機介質中;(2)焙燒該第一層導電組合物厚膜，使得有機介質從其中揮發，并實現無機粘合劑的液相燒結;(3)在焙燒過的第一層導電性厚膜的焊料襯墊區上覆蓋第二層導電性組合物的厚膜，該組合物包含(a)94.0-99.3%(重量)的非合金純導體金屬或其低合金，導體金屬選自金、銀、銅，粒度為0.5-10微米;(b)0.2-1.0%(重量)的玻璃料;(c)0.5-5.0%(重量)的形成尖晶石的金屬氧化物;(a)、(b)、(c)也都分散在有機介質中;(4)焙燒該第二層導電性厚膜，使得有機介質從其中揮發，并實現無機粘合劑的液相燒結;以及(5)在焙燒過的第二層導電性厚膜的焊料襯墊區上，涂覆以熔點為120-300℃的、軟的低錫焊料層，以形成焊料接縫。本專利技術的第二方面，是一種制作具有預選面積的厚膜/焊料接縫的方法，它包括以下相繼的步驟(1)在非導電性基片上先用導電性組合物涂覆一層布成圖型的厚膜，該膜具有預先選定的焊料襯墊區，所用組合物由以下分散的微細顆粒組成(a)85.0-98.5%(重量)的非合金純導體金屬或其低合金，導體金屬選自金、銀、銅，粒度為0.5-5微米;(b)1-10%(重量)的玻璃料;和(c)0.5-5.0%(重量)形成尖晶石的金屬氧化物;(a)、(b)、(c)全都分散在有機介質中;(2)焙燒該導電性組合物厚膜，使得有機介質從其中揮發，并實現無機粘合劑的液相燒結;(3)將一種厚膜電介質組合物涂覆在圍繞焊料襯墊區露出的基片區域上以及在焊料襯墊區內厚膜導體的外沿上，該電介質組合物由分散在有機介質中的微細玻璃顆粒組成;(4)焙燒該電介質組合物厚膜，使得有機介質從其中揮發，并使其中的玻璃燒結;(5)在焊料襯墊區內仍然露出的導電性組合物厚膜的表面上，涂覆以一層熔點為120-300℃的軟焊料以形成焊料接縫。附圖的簡單說明如下圖1是一些厚膜材料的粘合性與熱循環次數的關系圖;圖2a、圖2b、圖2c分別是評價本專利技術所用的三個熱循環曲線;圖3是粘合性與陳化時間的關系圖，并顯示了焙燒過的導體膜的厚度的影響;圖4是厚膜導體粘合性與在各種溫度下陳化的關系圖;圖5a，5b，5c，5d，5e，5f，5g分別是制作焊接的厚膜導體元件時，本專利技術所需步驟的示意圖;圖6是粘合性測試的粘接結構;圖7a是標準剝離試驗結構的截面示意圖;圖7b是改進的剝離試驗結構的截面示意圖。專利技術的詳細說明A.概述厚膜導體經受熱循環試驗時的性能，可通過控制一些材料的、工藝的、和設計的因素而得到改善。例如，玻璃粘合劑含量低的、純的可展性厚膜(如銀或銅)比Ag/Pd合金導體呈現較高的熱循環粘合性。相似地，厚的致密的膜比薄的多孔膜呈現較高的熱循環粘合性，因為錫從焊料擴散穿過厚的致密膜需要更長的時間。焊料組成和焊接條件也起著重要作用。用低屈服強度、低錫或無錫焊料焊接的厚膜在熱循環時性能較好，因為焊料中的塑性形變消除了一部分應力。而且，由于錫含量低，因形成金屬互化物MxSny而引起的厚膜變脆也減小了。在熱循環時，有時是焊料接縫發生疲勞斷裂而不是在厚膜/基片界面發生斷裂。通過產生細晶粒、無空隙的焊料接縫以及采用具有高疲勞強度的焊料組成，可將這種情況盡可能減少。比較焊料在各種條件下作熱循環的疲勞強度時可用Coffin-Manson方程。Naf·△εp＝常數以下列出影響厚膜導體的熱循環粘合性的各種因素。通過綜合地控制這些因素，可顯著地改善厚膜材料在熱循環時的性能。B.冶金學純金屬(如銀、銅、金)或這些金屬的低合金構成的厚膜組合物，在熱循環時的性能比硬的脆性合金(如30/70Pd/Ag)好。純金本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種制作具有預選面積的厚膜／焊料接縫的方法，其特征在于它包括以下各相繼的步驟：（１）在非導電性基片上涂覆以布成圖型具有預先選定的焊料襯墊區的第一層導電性組合物厚膜，該組合物由以下分散的微細顆粒組成：（ａ）８５．０－９８．５％（重量）純的未合金化韌性導體金屬或其低合金，其粒度為０．５－５微米，（ｂ）１－１０％（重量）玻璃料，和（ｃ）０．５－５．０％（重量）生成尖晶石的金屬氧化物，（ａ）、（ｂ）、和（ｃ）全都分散在有機介質中；（２）焙燒第一層導電性組合物厚膜，使有機介質從其中揮發，并實現無機粘合劑的液相燒結；（３）在焙燒過的第一層導體厚膜上，只在焊料襯墊區上覆蓋第二層導電性組合物厚膜，該組合物包含（ａ）９４．０－９９．３（重量）純的未合金化的金屬（金、銀或銅）或者其低合金，其粒度為０．５－１０微米，（ｂ）０．２－１．０％（重量）玻璃料，和（ｃ）０．５－５．０％（重量）形成尖晶石的金屬氧化物，（ａ）、（ｂ）和（ｃ）全都分散在有機介質中；（４）焙燒第二層導體厚膜，使有機介質從其中揮發，并實現無機粘合劑的液相燒焙；（５）在焙燒過的第二層導體厚膜的焊料襯墊區上，涂覆以熔點為１２０－３００℃的軟焊料層，以形成焊料接縫。...

【技術特征摘要】
【國外來華專利技術】...

【專利技術屬性】
技術研發人員：VP修泰，
申請(專利權)人：EI內穆爾杜邦公司，
類型：發明
國別省市：US[美國]