[发明专利]块体金属玻璃焊料

说明书

技术领域

本发明一般地涉及半导体器件封装的领域。具体地，本发明涉及无铅焊接材料。

背景技术

在整个电子工业的发展历程中，铅基焊料，主要是锡-铅(Sn-Pb)已经是用于可靠连接电子元件的主流材料。由于其相对较低的熔化温度和导电性，其很适于这个目的。然而，随着人们逐渐意识到铅对人的毒性，已经导致对其应用的许多限制，主要是防止当电子器件被废弃时铅通过废物流进入环境中。一些国家和经济实体已经制定计划，在不久的将来将铅从许多产品中强制去除，禁止进口和销售含铅商品。

电子工业已经努力地寻求在他们的产品中铅焊料合适的替代材料。“无铅”替代焊料，例如SnAg(Cu)通常比传统的Sn-Pb焊料更坚固，但它们也具有比Sn-Pb(大约183℃)显著更高的熔化(回流)温度(大约230-270℃)。这两个特性，加上其它技术的发展，已经加剧了电子元件中热应力损坏的发生频率。在例如芯片焊接的工艺过程中，焊料回流期间硅芯片中产生热应力，经常损坏125目前硅器件中所使用的机械脆性低K层间介电105(ILD)材料。在使用无铅焊料时，诸如焊点或焊球104内的粘接失效115(例如破裂)，或者基板102或半导体器件101的焊球104与焊盘103之间的粘附失效120(例如分层)等损害，也可能是更为普遍的问题。预计下一代的ILD材料将更为脆性，而由热诱导应力损坏带来的问题预计将变得更为显著。

热疲劳也是重要的可靠性问题。在制造和通常使用期间，电子器件中的焊接材料和其它材料承受热循环。当器件中的焊料和其它材料的热膨胀系数(CTE)失配时，焊点可能承受非弹性应变积累、热疲劳，并且最终产生例如疲劳裂纹生长等的损坏。

随着向需要无铅产品的市场提供无铅产品的期限的临近，电子工业继续努力开发不易遭受现有无铅焊料以及一些含铅焊料所遇到的许多破坏机理的可靠的无铅焊接材料。

附图说明

图1示出根据现有技术，装配到基板上的半导体器件的受损坏焊球的截面图；

图2示出根据本发明的实施方案，通过块体金属玻璃焊球装配到基板上的半导体器件的截面图；

图3示出根据本发明的实施方案，通过块体金属玻璃焊接材料装配到基板上的表面安装元件的截面图；

图4a-4d示出根据本发明的实施方案，用块体金属玻璃焊接材料将表面安装元件装配到基板上的方法的截面图；

图5a和图5b示出根据本发明的实施方案，用块体金属玻璃焊接材料将通孔安装元件装配到基板上的方法的截面图；

图6a-6c示出根据本发明的实施方案，块体金属玻璃焊接材料作为热界面材料的截面图；

图7示出用块体金属玻璃焊接材料来连接两个元件的过程的方框图。

具体实施方式

本发明的实施方案描述了一种包括块体金属玻璃(BMG)合金的焊接材料。常规金属玻璃通过在冷却到其熔化温度(T_m)时发生结晶，除非以极高的速率冷却，例如＞10⁵℃/秒。这种高速率的热传递需要专门的且昂贵的设备和条件，并且限制产品的尺寸，作为典型的金属玻璃其仅仅可以形成很细的丝和带。然而，当冷却时，BMG材料绕过结晶化并取而代之经过大的过冷区域，其中熔化的BMG对于结晶化异常地稳定。在所述过冷区域中，BMG表现出牛顿粘性行为，或者理想的超塑性(m＝1)，而常规的超塑性金属具有小于0.6的m值。BMG合金可以绕过结晶化并以相对较慢的冷却速率，例如＜10²℃/秒形成玻璃，这使用目前的回流方法是可以实现的。

这些特性赋予BMG材料增强的玻璃形成能力和慢的结晶化趋势。然而，一旦形成固体，即玻璃态，BMG材料就非常强硬坚韧，同时也有延展性并具有极高的弹性应变极限。BMG材料的这些后回流(post-reflow)特性使得它们非常适于在半导体器件制造中用作焊料化合物。

典型的无铅焊料化合物，例如SnAg(Cu)在晶体凝固时，通常在T_m或接近T_m时，锁定非弹性热应力，而BMG材料直到玻璃形成的较低温度(T_g)才锁定热应力。因此，当焊料和其连接材料之间存在CTE失配时，在传统的无铅焊料中将比BMG材料在更大的温度微分上积累冷却过程中产生的热应力，因为室温和T_m之间的温差大于室温和T_g之间的温差。