可与无铅的锡基焊料兼容使用的金锡铟焊料.pdf

摘要
申请专利号：	CN200980123550.X	申请日：	2009.06.18
公开号：	CN102066045A	公开日：	2011.05.18
当前法律状态：	授权	有效性：	有权
法律详情：	授权\|\|\|实质审查的生效IPC(主分类):B23K 35/30申请日:20090618\|\|\|公开
IPC分类号：	B23K35/30; B23K35/26; B23K35/22; C22C5/02; H01L21/60; H01L23/04; H01L23/28	主分类号：	B23K35/30
申请人：	威廉姆斯高级材料有限公司
发明人：	海娜·利奇腾博格
地址：	美国纽约州
优先权：	2008.06.23 US 61/074,771
专利代理机构：	上海德昭知识产权代理有限公司 31204	代理人：	缪利明
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内容摘要

本说明书公开了一种以金、锡及铟制成的无铅焊接合金。锡的呈现浓度为17.5％至20.5％，铟呈现浓度为2.0％至6.0％，平衡质量为金。该合金的熔点范围为290℃至340℃，优选的是在300℃至340℃之间。因该焊接合金的熔点足够高，以容许后密封加热；且足够低以容许密封半导体而不造成损害，特别适用于密封半导体装置。

权利要求书

1：一种主要包含一种金、锡及铟合金的无铅焊接材料，其中锡呈现浓度为 17.5 ％至 20.5％，铟呈现浓度为
2： 0％至 6.0％，平衡质量为金，该合金的熔点大于 300℃。 2. 如权利要求 1 所述的焊接材料，其中该合金的熔点范围是 300℃至 340℃。
3：如权利要求 1 所述的焊接材料，其中该合金的熔点范围是 300℃至 320℃。
4：如权利要求 1 所述的焊接材料，其中该合金的熔点范围是 305℃至 315℃。
5：如权利要求 3 所述的焊接材料，其中锡呈现浓度为 18.3％至 20.3％，铟呈现浓度为 3.5％至 5.5％。 6. 如权利要求 3 所述的焊接材料，其中锡呈现浓度约为 19.3 ％，铟呈现浓度约为 4.5％。 7. 一种使用无铅焊接材料密封半导体封装的方法，包含下列步骤：将焊接材料施加于半导体封装的表面，其中该焊接材料主要包含一种金、锡及铟合金，其中锡呈现浓度为 17.5％至 20.5％，铟呈现浓度为 2.0％至 6.0％，平衡质量为金，该合金的熔点范围为 300℃至 320℃，将焊接材料加热至足以使焊接材料再熔以密封半导体封装。 8. 如权利要求 7 所述的方法，还包含于后密封作业中，将已密封的半导体封装加热至大于 270℃温度而不使焊接材料再熔。 9. 以无铅焊接材将半导体装置装设于一表面的方法，包含下列步骤：将焊接材料施加于半导体装置，其中该焊接材料主要包含一种金、锡及铟合金；其中锡呈现浓度为 17.5％至 20.5％，铟呈现浓度为 2.0％至 6.0％，平衡质量为金；该合金的熔点范围为 300℃至 320℃ ；将该半导体装置置于一表面而使该焊接材料同时接触半导体装置及该表面；将该焊接材料加热到使该焊接材料再熔的温度；冷却该焊接材料而将该半导体装置装设于该表面。 10. 如权利要求 9 所述的方法，还包含于后装设作业中，将该半导体装置的一部分加热至大于 270℃的温度而不使焊接材料再熔的步骤。 11. 一种包含用焊接材料密封的半导体装置的密封半导体组件，其中该焊接材料主要包含一种金、锡及铟合金，其中锡浓度为 17.5％至 20.5％，铟浓度为 2.0％至 6.0％，平衡质量为金；该合金的熔点范围为 300℃至 320℃。 12. 一种无铅焊接材料，主要包含一种金、锡及铟合金，其中锡浓度为 17.5 ％至 20.5％，铟浓度为 2.0％至 6.0％，平衡质量为金，该合金的熔点范围为 290℃至 320℃。 13. 如权利要求 12 所述的焊接材料，其中锡呈现浓度为 18.3％至 20.3％，铟呈现浓度为 3.5％至 5.5％。 14. 如权利要求 12 所述的焊接材料，其中锡呈现浓度约为 19.3 ％，铟呈现浓度约为 4.5％。
6： 0％，平衡质量为金，该合金的熔点大于 300℃。 2. 如权利要求 1 所述的焊接材料，其中该合金的熔点范围是 300℃至 340℃。 3. 如权利要求 1 所述的焊接材料，其中该合金的熔点范围是 300℃至 320℃。 4. 如权利要求 1 所述的焊接材料，其中该合金的熔点范围是 305℃至 315℃。 5. 如权利要求 3 所述的焊接材料，其中锡呈现浓度为 18.3％至 20.3％，铟呈现浓度为 3.5％至 5.5％。 6. 如权利要求 3 所述的焊接材料，其中锡呈现浓度约为 19.3 ％，铟呈现浓度约为 4.5％。 7. 一种使用无铅焊接材料密封半导体封装的方法，包含下列步骤：将焊接材料施加于半导体封装的表面，其中该焊接材料主要包含一种金、锡及铟合金，其中锡呈现浓度为 17.5％至 20.5％，铟呈现浓度为 2.0％至 6.0％，平衡质量为金，该合金的熔点范围为 300℃至 320℃，将焊接材料加热至足以使焊接材料再熔以密封半导体封装。 8. 如权利要求 7 所述的方法，还包含于后密封作业中，将已密封的半导体封装加热至大于 270℃温度而不使焊接材料再熔。 9. 以无铅焊接材将半导体装置装设于一表面的方法，包含下列步骤：将焊接材料施加于半导体装置，其中该焊接材料主要包含一种金、锡及铟合金；其中锡呈现浓度为 17.5％至 20.5％，铟呈现浓度为 2.0％至 6.0％，平衡质量为金；该合金的熔点范围为 300℃至 320℃ ；将该半导体装置置于一表面而使该焊接材料同时接触半导体装置及该表面；将该焊接材料加热到使该焊接材料再熔的温度；冷却该焊接材料而将该半导体装置装设于该表面。 10. 如权利要求 9 所述的方法，还包含于后装设作业中，将该半导体装置的一部分加热至大于 270℃的温度而不使焊接材料再熔的步骤。 11. 一种包含用焊接材料密封的半导体装置的密封半导体组件，其中该焊接材料主要包含一种金、锡及铟合金，其中锡浓度为 17.5％至 20.5％，铟浓度为 2.0％至 6.0％，平衡质量为金；该合金的熔点范围为 300℃至 320℃。 12. 一种无铅焊接材料，主要包含一种金、锡及铟合金，其中锡浓度为 17.5 ％至 20.5％，铟浓度为 2.0％至 6.0％，平衡质量为金，该合金的熔点范围为 290℃至 320℃。 13. 如权利要求 12 所述的焊接材料，其中锡呈现浓度为 18.3％至 20.3％，铟呈现浓度为 3.5％至 5.5％。 14. 如权利要求 12 所述的焊接材料，其中锡呈现浓度约为 19.3 ％，铟呈现浓度约为 4.5％。
7： 5 ％至 20.5％，铟呈现浓度为 2.0％至 6.0％，平衡质量为金，该合金的熔点大于 300℃。 2. 如权利要求 1 所述的焊接材料，其中该合金的熔点范围是 300℃至 340℃。 3. 如权利要求 1 所述的焊接材料，其中该合金的熔点范围是 300℃至 320℃。 4. 如权利要求 1 所述的焊接材料，其中该合金的熔点范围是 305℃至 315℃。 5. 如权利要求 3 所述的焊接材料，其中锡呈现浓度为 1
8： 3％至 20.3％，铟呈现浓度为 3.5％至 5.5％。 6. 如权利要求 3 所述的焊接材料，其中锡呈现浓度约为 1
9： 3 ％，铟呈现浓度约为 4.5％。 7. 一种使用无铅焊接材料密封半导体封装的方法，包含下列步骤：将焊接材料施加于半导体封装的表面，其中该焊接材料主要包含一种金、锡及铟合金，其中锡呈现浓度为 17.5％至 20.5％，铟呈现浓度为 2.0％至 6.0％，平衡质量为金，该合金的熔点范围为 300℃至 320℃，将焊接材料加热至足以使焊接材料再熔以密封半导体封装。 8. 如权利要求 7 所述的方法，还包含于后密封作业中，将已密封的半导体封装加热至大于 270℃温度而不使焊接材料再熔。 9. 以无铅焊接材将半导体装置装设于一表面的方法，包含下列步骤：将焊接材料施加于半导体装置，其中该焊接材料主要包含一种金、锡及铟合金；其中锡呈现浓度为 17.5％至 20.5％，铟呈现浓度为 2.0％至 6.0％，平衡质量为金；该合金的熔点范围为 300℃至 320℃ ；将该半导体装置置于一表面而使该焊接材料同时接触半导体装置及该表面；将该焊接材料加热到使该焊接材料再熔的温度；冷却该焊接材料而将该半导体装置装设于该表面。
10：如权利要求 9 所述的方法，还包含于后装设作业中，将该半导体装置的一部分加热至大于 270℃的温度而不使焊接材料再熔的步骤。
11：一种包含用焊接材料密封的半导体装置的密封半导体组件，其中该焊接材料主要包含一种金、锡及铟合金，其中锡浓度为 17.5％至 20.5％，铟浓度为 2.0％至 6.0％，平衡质量为金；该合金的熔点范围为 300℃至 320℃。
12：一种无铅焊接材料，主要包含一种金、锡及铟合金，其中锡浓度为 17.5 ％至 20.5％，铟浓度为 2.0％至 6.0％，平衡质量为金，该合金的熔点范围为 290℃至 320℃。
13：如权利要求 12 所述的焊接材料，其中锡呈现浓度为 18.3％至 20.3％，铟呈现浓度为 3.5％至 5.5％。
14：如权利要求 12 所述的焊接材料，其中锡呈现浓度约为 19.3 ％，铟呈现浓度约为 4.5％。

说明书

可与无铅的锡基焊料兼容使用的金 - 锡 - 铟焊料
    技术领域本发明是关于一种用在密封半导体与特种装置的新无铅焊料。该密封焊料的熔解温度在 290℃与 340℃之间，以 300℃与 340℃之间较佳。其优点是此密封装置可随后用高熔点焊料焊接而不会影响密封的完整性。
     先前技术
     近年来，半导体的密封采用金 - 锡 (Au-Sn) 焊料，其黄金浓度在 78％至 81％范围，锡浓度在 19 ％至 22 ％范围。此种焊料用于半导体装置已有 40 年以上了，其熔解温度为 280℃。见 Koopman 的美国专利 4492842 号，半导体装置与众多其它电子装置使用熔解温度在 183℃至 195℃的锡 - 铅焊料做后密封焊料，随后焊接到印刷电路板上。此后密封焊料的处理温度通常比熔解温度高 35℃至 50℃以上 ( 即 218℃至 245℃ )。使焊料流到半导体装置的导线及印刷电路板的铜电路上需要超热。由于金 - 锡密封焊料在 280℃之前不会再熔解，因此在高达 245℃温度处理半导体装置也不会造成问题。
     现有替换熔点在 217℃的锡 - 铅焊料的无铅焊料，需要的处理温度近于 270℃。此处理温度接近用来密封装置的金 - 锡焊料的熔解温度 280℃，有其危险。一种选择是舍弃锡基焊料而采用含铅约 85％的铅基焊料。此铅焊料熔点约 300℃。但是电子工业通常避免使用铅基焊料。
     随着铅持续被消费电子移除，针对半导体芯片粘接及此等半导体装置的密封发展更高温度熔接的需求成长。有以无铅高温焊料取代传统金 - 锡及铅基焊料的需求存在。本发明的无铅合金可符合此需求，其熔解温度及密封能力使其特别适用做半导体芯片粘接的焊料及半导体装置的密封焊料。
     发明内容本发明包含的金焊料，与半导体芯片粘接及半导体装置封装的密封兼容，熔解温度高于 290℃，并以高于 300℃较佳。在本发明的一个实施例内，该焊料为金 - 锡基焊料，掺杂铟以提升金 - 锡焊料的熔解温度。
     在本发明的另一形态中，经铟修整过的金 - 锡基焊料以足够高的熔解温度兼容于已知的半导体芯片粘接法及密封此等装置，可防止此焊料在随后超过 270℃温度的无铅焊接作业中再熔 (reflow)。本发明还指向采用熔解温度在 290℃与 340℃之间，较好的是在 300℃与 340℃之间，更好的是在 300℃与 320℃之间的金基焊料来制造半导体装置及含有这些焊料的半导体装置。
     具体实施方式
     在本说明书中描述的无铅焊料主要包含金、锡及铟的合金，其中该合金的该熔点大于 290℃，较好的是大于 300℃，更好的是在 300℃与 340℃之间，更优选的是在 300℃与 320℃之间。
     该合金的较佳纯度至少为 99.95％。前述合金包含 17.5％至 20.5％锡， 2.0％至6.0％铟，平衡质量 (balance of the mass) 为金及微量杂质。在一实施例内，焊接材料的锡浓度约 19.3％，铟浓度约 4.5％，也可考虑其它适合的浓度。例如，在另一实施例内，锡浓度的范围从 18.3％到 20.3％，铟在 3.5％到 5.5％范围内。这种焊接材料适用在各种领域，且特别用于半导体领域。
     半导体装置常采用熔点约为 280℃的金 - 锡焊料密封。将金 - 锡焊料施加于尚未密封的封装，形成的组件被加热到足以造成焊料再熔的温度，封装冷却时就被此焊料密封。此密封步骤使用的焊料的熔点应低到不至损坏半导体装置本身。可用后密封作业将其它组件附装于该已密封装置，此作业通常包含随后的焊接步骤。必须注意确保后密封焊料的熔点与密封焊料兼容，故可用的熔点范围很严苛。密封焊料的熔点须 (1) 足够低到以不损坏装置的条件下密封该装置，及 (2) 足够高到容许后密封加热又不至破坏密封完整性。
     此处所述的焊接材料的优点是满足这些参数。该金 - 锡 - 铟焊接材料容许温度大于 270℃的后密封作业，该焊接材料不会再熔及导致破坏密封完整性。该焊接材料的另一优点是其熔点足够低 ( 低于 340℃，较好的是低于 320℃ )，故而可密封半导体装置又不损坏此装置。
     在本发明的一个程序中，将金 - 铟焊料施加于半导体封装的表面，将形成的组件加热至足使该焊料再熔的温度，如此则密封该封装。然后，对该密封装置进行包含加热 ( 如后密封焊接等 ) 的后密封作业。由于密封焊料的熔点大于 290℃及较佳的大于 300℃，高温度 ( 例如 270℃ ) 的后密封加热不会造成密封焊料再熔，故不会破坏该密封的完整性。
     虽然已参考较佳实施说明本发明，但本领域的技术人员应知道可以做各种的变化，且可用相等的组件取代其组件以适应特定状况而不脱离本发明的范围。因此，发表的特定实施例被视为实施本发明的最佳模式，本发明不限制于该特定实施例，但是本发明将包含在申请专利范围内及其精神的全部实施例。4

资源描述

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1、(10)申请公布号 CN 102066045 A(43)申请公布日 2011.05.18CN102066045A*CN102066045A*(21)申请号 200980123550.X(22)申请日 2009.06.1861/074,771 2008.06.23 USB23K 35/30(2006.01)B23K 35/26(2006.01)B23K 35/22(2006.01)C22C 5/02(2006.01)H01L 21/60(2006.01)H01L 23/04(2006.01)H01L 23/28(2006.01)(71)申请人威廉姆斯高级材料有限公司地址美国纽约州(72)发明人海。

2、娜利奇腾博格(74)专利代理机构上海德昭知识产权代理有限公司 31204代理人缪利明(54) 发明名称可与无铅的锡基焊料兼容使用的金-锡-铟焊料(57) 摘要本说明书公开了一种以金、锡及铟制成的无铅焊接合金。锡的呈现浓度为17.5至20.5，铟呈现浓度为2.0至6.0，平衡质量为金。该合金的熔点范围为290至340，优选的是在300至340之间。因该焊接合金的熔点足够高，以容许后密封加热；且足够低以容许密封半导体而不造成损害，特别适用于密封半导体装置。(30)优先权数据(85)PCT申请进入国家阶段日2010.12.23(86)PCT申请的申请数据PCT/US2009/047748 2009.。

3、06.18(87)PCT申请的公布数据WO2010/008752 EN 2010.01.21(51)Int.Cl.(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请权利要求书 1 页说明书 2 页CN 102066055 A 1/1页21.一种主要包含一种金、锡及铟合金的无铅焊接材料，其中锡呈现浓度为17.5至20.5，铟呈现浓度为2.0至6.0，平衡质量为金，该合金的熔点大于300。2.如权利要求1所述的焊接材料，其中该合金的熔点范围是300至340。3.如权利要求1所述的焊接材料，其中该合金的熔点范围是300至320。4.如权利要求1所述的焊接材料，其中该合金的熔点范围是305至3。

4、15。5.如权利要求3所述的焊接材料，其中锡呈现浓度为18.3至20.3，铟呈现浓度为3.5至5.5。6.如权利要求3所述的焊接材料，其中锡呈现浓度约为19.3，铟呈现浓度约为4.5。7.一种使用无铅焊接材料密封半导体封装的方法，包含下列步骤：将焊接材料施加于半导体封装的表面，其中该焊接材料主要包含一种金、锡及铟合金，其中锡呈现浓度为17.5至20.5，铟呈现浓度为2.0至6.0，平衡质量为金，该合金的熔点范围为300至320，将焊接材料加热至足以使焊接材料再熔以密封半导体封装。8.如权利要求7所述的方法，还包含于后密封作业中，将已密封的半导体封装加热至大于270温度而不使焊接材料再熔。9.以。

5、无铅焊接材将半导体装置装设于一表面的方法，包含下列步骤：将焊接材料施加于半导体装置，其中该焊接材料主要包含一种金、锡及铟合金；其中锡呈现浓度为17.5至20.5，铟呈现浓度为2.0至6.0，平衡质量为金；该合金的熔点范围为300至320；将该半导体装置置于一表面而使该焊接材料同时接触半导体装置及该表面；将该焊接材料加热到使该焊接材料再熔的温度；冷却该焊接材料而将该半导体装置装设于该表面。10.如权利要求9所述的方法，还包含于后装设作业中，将该半导体装置的一部分加热至大于270的温度而不使焊接材料再熔的步骤。11.一种包含用焊接材料密封的半导体装置的密封半导体组件，其中该焊接材料主要包含一种金、。

6、锡及铟合金，其中锡浓度为17.5至20.5，铟浓度为2.0至6.0，平衡质量为金；该合金的熔点范围为300至320。12.一种无铅焊接材料，主要包含一种金、锡及铟合金，其中锡浓度为17.5至20.5，铟浓度为2.0至6.0，平衡质量为金，该合金的熔点范围为290至320。13.如权利要求12所述的焊接材料，其中锡呈现浓度为18.3至20.3，铟呈现浓度为3.5至5.5。14.如权利要求12所述的焊接材料，其中锡呈现浓度约为19.3，铟呈现浓度约为4.5。权利要求书CN 102066045 ACN 102066055 A 1/2页3可与无铅的锡基焊料兼容使用的金 - 锡 - 铟焊料技术领。

7、域0001 本发明是关于一种用在密封半导体与特种装置的新无铅焊料。该密封焊料的熔解温度在290与340之间，以300与340之间较佳。其优点是此密封装置可随后用高熔点焊料焊接而不会影响密封的完整性。0002 先前技术0003 近年来，半导体的密封采用金-锡(Au-Sn)焊料，其黄金浓度在78至81范围，锡浓度在19至22范围。此种焊料用于半导体装置已有40年以上了，其熔解温度为280。见Koopman的美国专利4492842号，半导体装置与众多其它电子装置使用熔解温度在183至195的锡-铅焊料做后密封焊料，随后焊接到印刷电路板上。此后密封焊料的处理温度通常比熔解温度高35至50以上(即21。

8、8至245)。使焊料流到半导体装置的导线及印刷电路板的铜电路上需要超热。由于金-锡密封焊料在280之前不会再熔解，因此在高达245温度处理半导体装置也不会造成问题。0004 现有替换熔点在217的锡-铅焊料的无铅焊料，需要的处理温度近于270。此处理温度接近用来密封装置的金-锡焊料的熔解温度280，有其危险。一种选择是舍弃锡基焊料而采用含铅约85的铅基焊料。此铅焊料熔点约300。但是电子工业通常避免使用铅基焊料。0005 随着铅持续被消费电子移除，针对半导体芯片粘接及此等半导体装置的密封发展更高温度熔接的需求成长。有以无铅高温焊料取代传统金-锡及铅基焊料的需求存在。本发明的无铅合金可符合此需求。

9、，其熔解温度及密封能力使其特别适用做半导体芯片粘接的焊料及半导体装置的密封焊料。发明内容0006 本发明包含的金焊料，与半导体芯片粘接及半导体装置封装的密封兼容，熔解温度高于290，并以高于300较佳。在本发明的一个实施例内，该焊料为金-锡基焊料，掺杂铟以提升金-锡焊料的熔解温度。0007 在本发明的另一形态中，经铟修整过的金-锡基焊料以足够高的熔解温度兼容于已知的半导体芯片粘接法及密封此等装置，可防止此焊料在随后超过270温度的无铅焊接作业中再熔(reflow)。本发明还指向采用熔解温度在290与340之间，较好的是在300与340之间，更好的是在300与320之间的金基焊料来制造半导体装置。

10、及含有这些焊料的半导体装置。具体实施方式0008 在本说明书中描述的无铅焊料主要包含金、锡及铟的合金，其中该合金的该熔点大于290，较好的是大于300，更好的是在300与340之间，更优选的是在300与320之间。0009 该合金的较佳纯度至少为99.95。前述合金包含17.5至20.5锡，2.0至说明书CN 102066045 ACN 102066055 A 2/2页46.0铟，平衡质量(balance of the mass)为金及微量杂质。在一实施例内，焊接材料的锡浓度约19.3，铟浓度约4.5，也可考虑其它适合的浓度。例如，在另一实施例内，锡浓度的范围从18.3到20.3，铟在3.。

11、5到5.5范围内。这种焊接材料适用在各种领域，且特别用于半导体领域。0010 半导体装置常采用熔点约为280的金-锡焊料密封。将金-锡焊料施加于尚未密封的封装，形成的组件被加热到足以造成焊料再熔的温度，封装冷却时就被此焊料密封。此密封步骤使用的焊料的熔点应低到不至损坏半导体装置本身。可用后密封作业将其它组件附装于该已密封装置，此作业通常包含随后的焊接步骤。必须注意确保后密封焊料的熔点与密封焊料兼容，故可用的熔点范围很严苛。密封焊料的熔点须(1)足够低到以不损坏装置的条件下密封该装置，及(2)足够高到容许后密封加热又不至破坏密封完整性。0011 此处所述的焊接材料的优点是满足这些参数。该金-锡-。

12、铟焊接材料容许温度大于270的后密封作业，该焊接材料不会再熔及导致破坏密封完整性。该焊接材料的另一优点是其熔点足够低(低于340，较好的是低于320)，故而可密封半导体装置又不损坏此装置。0012 在本发明的一个程序中，将金-铟焊料施加于半导体封装的表面，将形成的组件加热至足使该焊料再熔的温度，如此则密封该封装。然后，对该密封装置进行包含加热(如后密封焊接等)的后密封作业。由于密封焊料的熔点大于290及较佳的大于300，高温度(例如270)的后密封加热不会造成密封焊料再熔，故不会破坏该密封的完整性。0013 虽然已参考较佳实施说明本发明，但本领域的技术人员应知道可以做各种的变化，且可用相等的组件取代其组件以适应特定状况而不脱离本发明的范围。因此，发表的特定实施例被视为实施本发明的最佳模式，本发明不限制于该特定实施例，但是本发明将包含在申请专利范围内及其精神的全部实施例。说明书CN 102066045 A。

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