用于电子组件的工程化材料制造技术

本发明专利技术公开了一种在电子组件中使用的焊料材料，该焊料材料包括：焊料层；和包括芯材料的芯层，该芯层被夹置在焊料层之间，其中：芯材料的热导率大于焊料的热导率。料的热导率大于焊料的热导率。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于电子组件的工程化材料
[0001]本专利技术涉及一种在电子组件中使用的焊料材料。
[0002]存在与高功率电子装置的封装和组装相关联的两个主要挑战，该高功率电子装置诸如IGBT、MOSFET、高功率LED、高功率微处理器和在正常操作期间产生大量热量的其他大面积装置。首先，如何确保将产生的热量有效耗散以维持正常操作温度。第二，如何降低由于焊料或其他粘合剂材料附接的相邻层的材料之间的热膨胀系数(CTE)失配引起的剪切应力。
[0003]图1示出了典型的电子装置的组件1，该组件包括经由互连件3(第I级)连接到衬底4的装置2。衬底4经由互连件5(第II级)连接到印刷电路板(PCB)6。该PCB 6经由互连件7(第III级)连接到散热器8。用于高功率电子装置的最重要的互连件是将装置/管芯连接到衬底、将衬底连接到印刷电路板(PCB)和将PCB连接到散热器的那些互连件，即图1的3、5和7。此类互连件位于热耗散路径中。因此，期望互连材料的高热导率。半导体管芯材料、衬底材料和PCB材料具有不同的CTE，从而在高温操作期间在界面处产生应力。为了使该应力最小化，设计者通常增加互连件的界面厚度，但这继而增加了界面的热阻。
[0004]焊料是电子工业中使用的最常见互连材料。大部分焊料的热导率低于65W/m.K。能够使用具有较高热导率的互连材料以便帮助热耗散将是有利的。厚的焊料互连件的另一个问题在于，在回流工艺期间，当焊料呈液相时，管芯或衬底在该焊料被冷却到低于焊料的冷冻温度之前在液体材料上浮接。这导致管芯/衬底在所有方向上移动(所谓的“倾斜”)，这是装置性能和可靠性的另一个问题。控制该管芯移动是一个挑战。
[0005]本专利技术试图解决与现有技术相关联的至少一些问题或至少提供现有技术的商业上可接受的替代解决方案。
[0006]在第一方面，本专利技术提供了一种在电子组件中使用的焊料材料，该焊料材料包括：
[0007]焊料层；和
[0008]包括芯材料的芯层，该芯层被夹置在焊料层之间，
[0009]其中：
[0010]芯材料的热导率大于焊料的热导率。
[0011]如本文所定义的每个方面或实施方案可与任何其他方面或实施方案组合，除非有明确的相反指示。具体地，被指示为优选或有利的任何特征可与被指示为优选或有利的任何其他特征组合。
[0012]专利技术人已惊奇地发现，当用于连接在升高的温度下操作的电子装置的部件时，此类焊料材料可以能够降低由连接部件的CTE值的失配引起的应力。不受理论的束缚，认为芯材料的存在用于“增厚”连接部件之间的接头，从而降低应力。有利地，可以在不显著降低来自连接部件的热耗散的情况下提供此类应力降低。不受理论的束缚，认为这是因为芯材料的热导率大于焊料的热导率。换句话说，通过使用其热导率比焊料的热导率大的芯材料，可能使接头增厚以在不降低热耗散的情况下降低热应力。因此，其中使用焊料材料连接部件的高功率电子装置诸如IGBT、MOSFET、高功率LED、高功率微处理器或在正常操作期间产生大量热量的其他大面积装置可以表现出改善的性能和/或可靠性。此类性能和可靠性可在
升高的温度和/或接通和断开期间改善。
[0013]与典型的无铅焊料诸如SnCu、SAC、SnAg和SnBi相比，使用焊料材料形成的接头或互连件可能具有更好的热机械可靠性。
[0014]本文所用的术语“电子组件”涵盖例如电子封装件和装置的组件，并且可以包括例如将装置或管芯附接到衬底、将衬底附接到印刷电路板或将印刷电路板附接到散热器的附接件。
[0015]本文所用的术语“焊料”涵盖熔点在90℃至400℃范围内的易熔金属或金属合金。
[0016]焊料材料包括焊料层和芯层。焊料材料可以基本上由焊料层和芯层组成或由焊料层和芯层组成。“基本上由
……
组成”意指焊料材料可以包括其他非特定部件，前提条件是它们不会实质上影响焊料材料的性质。
[0017]焊料材料通常包括两个焊料层，但可以包括多于两个焊料层。该焊料层可以由相同的焊料或不同的焊料形成。通常，焊料层由相同的焊料或至少具有类似回流温度的焊料形成，即，液相线温度以不超过20℃、典型地不超过10℃、更典型地不超过5℃不同。
[0018]焊料和芯呈层的形式。此类层将通常呈片的形式，其中两个相背对表面(主表面)具有比其他表面显著更大的表面积。焊料层可以是相同的尺寸和形状，或者可以是不同的尺寸和/或形状。芯层可以具有与一个或多个焊料层相似的尺寸和形状，或者可以具有不同的尺寸和/或形状。
[0019]芯层包括芯材料。芯层可以基本上由芯材料组成或由芯材料组成。
[0020]芯层被夹置在焊料层之间。通常，焊料层将基本上覆盖芯层的整个至少两个相背对表面、典型地主(即最大表面积)表面。芯层可以完全包封在焊料内，使得没有芯材料暴露。在这种情况下，认为第一焊料片覆盖该片的主表面，并且认为第二焊料层覆盖该片的相背对主表面，其中两个焊料层“悬挂”在主表面之上以便覆盖芯层的剩余表面。另选地，芯层可以在仅一些表面、典型地仅两个相背对表面、更典型地主表面上被焊料层覆盖。
[0021]该焊料层通常与芯层直接接触。焊料层通常是外层。
[0022]芯材料的热导率大于焊料的热导率。通常，这种热导率通过纳米闪光瞬态测量技术来测量。
[0023]芯材料的热导率优选地大于或等于65W/m.K，优选地大于65W/m.K，更优选地大于70W/m.K，甚至更优选地大于75W/m.K。此类热导率可以通过纳米闪光瞬态测量技术来测量。由于电子组件中采用的典型的焊料具有小于65w/m.K的热导率，因此具有较高热导率的芯材料的存在增加了焊料材料的整体热导率。
[0024]芯材料的熔点优选地大于焊料的回流温度。例如，芯材料的熔融温度可比焊料的回流温度高至少50℃，典型地高至少75℃，更典型地高至少100℃。术语“回流温度”在本文中用于指高于固体焊料块一定熔融(与仅软化不同)的温度。如果冷却到低于该温度，则焊料将不会流动。加热到再一次高于该温度，焊料将再次流动，即“回流”。通过使芯材料的熔融温度高于焊料的回流温度，可以增加接头/互连件的厚度，而不会显著增加管芯/封装件移动和/或倾斜，这是由于当焊料处于液态时管芯/封装件在液体焊料的顶部上浮接。这可以改善具有使用焊料材料连接的部件的电子装置的性能或可靠性。
[0025]芯层的厚度优选地为100μm至500μm、更优选地200μm至400μm、甚至更优选地150μm至300μm。此类厚度可以特别适合于降低由部件的CTE失配引起的应力而不会过度增加电子
装置的尺寸。较大的厚度可以增加热阻。相对较高的厚度可能导致较高的电阻但较低的侧向应力。
[0026]每个焊料层的厚度优选地为25μm至150μm、甚至更优选地50μm至100μm。此类厚度可能特别适合于在部件之间提供足够的粘附力，而不会显著降低焊料材料的整体热导率或过度增加装置的尺寸。较低的厚度可能在温度循环的高温操作期间导致较高的侧向应力。
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种在电子组件中使用的焊料材料，所述焊料材料包括：焊料层；和芯层，所述芯层包括芯材料，所述芯层被夹置在所述焊料层之间，其中：所述芯材料的热导率大于所述焊料的热导率。2.根据权利要求1所述的焊料材料，其中所述芯材料的热导率大于或等于65W/m.K，优选地大于65W/m.K，更优选地大于70W/m.K，甚至更优选地大于75W/m.K。3.根据权利要求1或权利要求2所述的焊料材料，其中所述芯材料的熔点大于所述焊料的回流温度，并且4.根据任一前述权利要求所述的焊料材料，其中所述芯层的厚度为100μm至500μm、优选地200μm至400μm、更优选地150μm至300μm。5.根据任一前述权利要求所述的焊料材料，其中每个焊料层的厚度为25μm至150μm、优选地50μm至100μm。6.根据任一前述权利要求所述的焊料材料，其中所述芯材料包括金属和/或合金。7.根据任一前述权利要求所述的焊料材料，其中所述芯材料包括以下项中的一者或多者：铜、银、镍、钼、铍、钴、铁、铜
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钨合金、镍
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银合金、铜
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锌合金和铜
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镍
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锌合金。8.根据任一前述权利要求所述的焊料材料，其中所述焊料是无铅的。9.根据任一前述权利要求所述的焊料材料，其中所述焊料包括以下项中的一者或多者：In、SnIn合金(例如，5％
‑
58％Sn、42％
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95％In)、SnBi合金(例如，42％
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60％Sn、40％
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58％Bi)、BiIn合金(例如，5％
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67％Bi、33％
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95％In)、AgIn合金(例如，3％Ag、97％In)、SnAg合金(例如，90％
‑
97.5％Sn、2.5％
‑
10％Ag)、SnCu合金(例如，99.3％
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99.6％Sn、0.4％
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0.7％Cu)、InGa合金(例如，99.3％
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99.5％In、0.5％
‑
0.7％Ga)、SnBiAgCu合金(例如，50％Sn、47％Bi、1％Ag、2％Cu)、SnBiZn合金(例如，65.5％Sn、31.5％Bi、3％Zn)、SnInAg合金(例如，77.2％Sn、20％In、2.8％Ag)、SnBiAgCuIn合金(例如，82.3％Sn、2.2％Bi、3％Ag、0.5％Cu、12％In)、SnZn合金(例如，91％Sn、9％Zn)、SnCuInGa合金(例如，92.8％Sn、0.7％Cu、6％In、0.5％Ga)、SnCuAg合金(例如，95.5％Sn、3.8％Ag、0....

【专利技术属性】
技术研发人员：R，
申请(专利权)人：阿尔法装配解决方案公司，
类型：发明
国别省市：