[发明专利]抗磨损和晶须的涂覆系统和方法

说明书

技术领域

本发明涉及用于涂覆导电衬底的系统和方法，特别是涉及用于涂覆导电衬底的多层系统和方法。

背景技术

在本专利申请中，用于限定某种合金的“基”是指该合金至少含有重量百分比为50％的所限定元素，例如，“铜基合金”是指在这种合金中铜的重量百分比大于50％。在电气与电子工业中，铜和铜基合金(在下文中统称为铜)被广泛用于制作接线器、电线、印刷电路板、球栅阵列(ball gridarrays)、引线框(leadframe)、多芯片组件等等。虽然铜具有良好的导电性，但是当铜被暴露在高温、潮湿或化学环境中时，极易被氧化和生锈。铜的氧化和生锈通常会使铜的接触电阻升高，因此会降低电学器件的性能。另外，铜的氧化和生锈也会降低焊接可湿性，使焊接过程出现问题。

避免或减少铜的氧化和生锈的方法之一是在铜衬底上镀上锡或锡基合金(以下统称为锡)涂层。这种锡涂层起到防止或减少铜氧化的作用，因此可以保持铜衬底的电学性能。然而，用锡作为导电衬底的涂层仍然存在很多问题。在室温下(通常为25℃)，锡涂层和铜衬底会互相扩散而生成铜-锡金属间化合物(IMC)。这些铜-锡金属间化合物使锡涂层厚度减小，导致铜衬底接触电阻升高，焊接性降低，并且锡涂层与铜衬底之间的这种扩散的速度在高温下会更快。

示例性的热变化过程包括，在引线接合或封装在聚合物中的过程需要在250℃持续几秒钟，回流处理需要在300℃持续几秒钟，为了降低摩擦而控制锡涂层厚度减小，需要在150℃下持续8到168小时。

一种用于降低铜-锡金属间化合物形成的效应、并保持低接触电阻的方法是增加锡涂层的厚度。然而，这种方法不仅会增加部件的成本，也会对功能造成影响。当在电连接器使用锡涂层时，厚的软锡涂层会使摩擦增大，进而增大连接器插入时所需要的力，使电连接器的插拔变得困难。对于电子器件而言，既然其发展趋势是超薄化和超小化，那么厚的锡或锡合金涂层也是不理想的。另外，在电子器件的导线(lead)上使用锡涂层的情况下，厚的锡涂层会使导线的共面和粗细的界定出现问题。

另一种降低铜-锡金属间化合物形成的效应的方法是在铜衬底和锡涂层之间增加过渡隔离层，以阻止铜-锡金属间化合物的形成。例如，美国专利No.4,441,118报道了使用镍的含量在15％至30％之间的铜-镍合金衬底，可以实现铜-锡金属间化合物低速率形成。

在另一个实例中，P.J.Kay和C.A.Mackay讨论了各种金属作为过渡隔离层的用途，该文章发表在1979年的“Transactions of the Institute of MetalFinishing”的第51期，169页。文章的一个实施例描述了一种厚度为1微米的银隔离层。然而，这个例子被证明是不理想的，因为银过渡隔离层不能够真正降低铜和锡之间的扩散速度。Schatzberg的美国专利No.4,756,467公开了一种可焊接连接器，该连接器包括铜衬底、薄银层、银-锡合金层以及最外面的锡层。其中，银-锡合金层通过扩散退火形成。Furukawa电气有限公司的日本专利No.2670348(出版号为02-301573)公开了一种铜衬底，该铜衬底上涂覆镍或钴的隔离层，隔离层上面是银层，银层上是锡或锡合金的熔化-固化(melt-solidified)层。

本申请人所拥有的、于2004年10月31号递交的序列号为10/930,316的美国专利申请，是序列号为09/657,794的美国专利申请的延续，该申请公开了一种设置在铜衬底和锡涂层之间的薄的抗锈蚀层。所公开的可以作为抗锈蚀层的金属有锌、铬、铟、磷、锰、硼、铊、钙、银、金、铂、钯以及这些金属的组合物和合金。

本申请人所拥有的Fister等的美国专利No.5,780,172和5,916,695还公开了其它隔离层。

利用锡作为导电衬底的涂层会引起的另外一个问题是锡易于产生摩擦腐蚀。摩擦腐蚀是接触面的氧化，这种氧化是由两个匹配接触面之间的相对移动(摩擦)引起的。这种摩擦引起的氧化可能会导致接触电阻的不可接受的增大。某些金属，比如银，已知具有极好的抗摩擦腐蚀性。然而，由于空气中存在二氧化硫，银在空气中容易产生锈蚀，在银表面生成银硫化物。这种锈蚀不仅在审美方面是不可接受的，也可能会降低银的电接触性能。