[其他]添加表面活性剂改进低熔点焊料的润湿性

说明书

本发明主要涉及一种常用的焊料合金和用作焊接电子元件特别是将半导体装置焊到金属或陶瓷基体上的焊料合金的润湿性能的改进。

在金属物理中，焊接是将二种往往具有不同组成的材料连接在一起的方法。焊接的方法可被用来将晶体管或其它半导体装置（小片或集成电路片）连接到一种金属或陶瓷部件上（主框架或基座）以对此装置提供机械支撑。这一过程常被称为小片固定。典型地，一种熔点低于欲被连接在一起的基体部件材料熔点的金属填料，被放入到金属部件中间形成一组合体。接着，这一组合体被加热到一个足以熔化其金属填料的温度。当冷却时，形成一个坚固的、无缝的焊接点。在这种情况下，焊接的完成通常称作为“熔炉固定”。被称作为“自动小片焊合”的为焊接的另一种方法，由于它较大的生产能力，在工业生产中正被广泛地使用。在自动小片焊合技术中，系在惰性或还原性气体的气氛下，预先将主框架或基座加热至一所需的焊接温度，接着将预制的焊料滴到热的主框架或基体上。这种预制焊料几乎立刻被熔化。接着将硅小片放到被熔化了的焊料上并且在该小片上加一个小的外力使它能将模件与焊料间的和焊料与主框架表面间的残存的气体挤压出，然后，使结合体在受控气氛下冷却。

在焊接合金材料中，有一种通常被用在小片固定中的，具有焊剂Pb-5    Sn（重量百分比%）的组成。使用这种焊接合金后的焊接处非常牢固并对在设备运行过程中的热疲劳有足够的抵抗能力。一般地，这种合金材料被使用时是呈薄片或线状。使用这种薄片，特别是在自动小片焊接设备中使用时，所带来的问题之一是它的非润湿或带有抗润湿倾向，即，在自动小片焊接设备中，所预制的焊料在热的主框架或基座上熔融后缩回到成一个球型，这个现象是由焊料合金的非润湿性、部分润湿或抗润湿性所引起的。如果一个硅元件是用一个部分润湿的或反润湿性的焊料合金焊接的，则形成焊接处会包含空隙与空洞，并将导致装置的性能不良。理想的是，被点在热的主框架后，焊料的预制件应熔化并流动到超过其固体预制件的初时尺寸，因此标志出良好的润湿与铺开的特性。由适当的润湿性焊料合金焊出的焊缝将是坚固的，因此，将显示出优良的性质。

在已有技术中保持着对Pb-Sn焊料的润湿特性进行改进的一种要求。

本发明提供了在润湿特性上具有改进的Pb-Sn焊料焊剂。在润湿特性上的有关改进是通过添加少量的表面活性剂来实现的，该添加剂包含选自包含Sb，Se和Te的组中的一个或多个元素。一般说明，本发明的合金含有4～17%（重量百分）的Sn和选自包括XTe和/或y    Sb+Z    Se组中的至少一个元，其中，X的变化大约可由0.01%（重量百分）到0.5%（重量百分），Y的变化可由大约0.1%至0.5%（重量百分），和Z变化可由约0.01%至0.5%（重量百分），所有这些成份的余量为Pb和偶然带入的杂质。

由于本发明的合金包含相当大的Sn含量（约4%至7%（重量百分）），它在Pb中具有有限的固溶度，本发明的熔化金属合金的常规凝固将导致焊剂成份的分凝。具有一分凝结构的焊料薄片比各向同性微结构的焊料薄片须要一更高的焊接温度和/或一更长的时间来使其重新流动。从本发明的合金中生产微晶各向同性焊料薄片的可取方法是在一移动的冷的表面上迅速固化。用这种方法生产出来的薄片为微晶形态和具有化学的各向同性的性质。其它方法，如辗压、铸造、粉末冶金技术或抽丝方法能被用来将这些合金制成薄片状或线状。本发明的焊接合金也可通过熔融物喷雾或将上述组成的薄片进行机械粉碎产生粉末形状。

另外，本发明提供了将二个或更多的部件焊接在一起的工艺，其步骤为：

（a）在将要被焊成一组合体的部件之间插入一填料金属薄片，这种填料金属薄片具有比较欲被焊在一起的各个部件的熔化温度更低的熔化温度。

（b）将组合体至少加热至填料金属的熔化温度，然后冷却此组合体，其中的改进包括使用的填料金属至少是由熔化一种合金产生的一种各向同性的焊料薄片，此焊料主要包含约4～17%（重量百分）的Sn，和包括选自组成XTe和/或Y Sb+Z Se组中的至少一个成份的表面活性剂，其中X变化从0.01%～0.5%（重量百分），Y的变化从0.1%～0.5%（重量百分），Z变化从0.01%～0.5%（重量百分），所有这些成份的余量为Pb和偶然带入的杂质，并在一冷却率至少为10³℃/秒的快速移动冷却表面上将这种合金骤冷。

换句话说，焊接过程能由一具有下列步骤组合的过程来实现：