借助于等溫凝固反應(yīng)來連接接合配對(duì)件以形成In-Bi-Ag連接層的方法和接合配對(duì)件的相 ...的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]提出一種用于連接接合配對(duì)件的方法。此外，提出一種接合配對(duì)件的裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]出版物DE 102005029246描述一種用于在載體和半導(dǎo)體芯片之間構(gòu)成焊接連接的方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]待實(shí)現(xiàn)的目的在于，提出一種用于連接兩個(gè)接合配對(duì)件的方法，其中能夠在相對(duì)小的溫度下在接合配對(duì)件之間建立連接，其中這樣制造的連接是特別溫度穩(wěn)定的。
[0004]根據(jù)方法的至少一個(gè)實(shí)施方式，首先提供第一接合配對(duì)件和第二接合配對(duì)件。接合配對(duì)件例如能夠是下述元件中的至少一個(gè):光電子半導(dǎo)體芯片、光電子半導(dǎo)體芯片的晶片、金屬導(dǎo)體框、由塑料包封的金屬導(dǎo)體框、陶瓷載體、電路板(印刷電路板)、由GaAs、Ge或Si構(gòu)成的半導(dǎo)體晶片、由Si3N4或AlN或類似材料構(gòu)成的陶瓷晶片等。例如，能夠借助該方法將光電子半導(dǎo)體芯片、例如發(fā)光二極管芯片固定在電路板或金屬導(dǎo)體框上。
[0005]根據(jù)方法的至少一個(gè)實(shí)施方式，將第一層序列施加到第一接合配對(duì)件上。第一層序列包括至少一個(gè)包含至少一種金屬或由金屬構(gòu)成的層。例如能夠通過物理氣相沉積、如濺鍍或蒸鍍、電鍍沉積或無電沉積將第一層序列施加到第一接合配對(duì)件上。
[0006]根據(jù)方法的至少一個(gè)實(shí)施方式，將第二層序列施加到第二接合配對(duì)件上。能夠借助與施加第一層序列相同的方法施加第二層序列。第一和第二層序列能夠是相同的。然而也可能的是，第一和第二層序列關(guān)于其構(gòu)造、即在層序列中的層的順序和/或關(guān)于為層序列的層所使用的材料彼此不同。此外可能的是，第一和第二層序列借助不同的沉積法產(chǎn)生。
[0007]根據(jù)方法的至少一個(gè)實(shí)施方式，在接合溫度下，在預(yù)設(shè)的接合時(shí)間中，利用接合壓強(qiáng)將第一層序列和第二層序列在其分別背離第一接合配對(duì)件和第二接合配對(duì)件的端面上擠壓到一起。也就是說，將第一層序列以其背離第一接合配對(duì)件的端面首先與第二層序列的背離第二接合配對(duì)件的端面置于接觸。然后，在接合溫度下，在預(yù)設(shè)的時(shí)間段、接合時(shí)間中，利用接合壓強(qiáng)將兩個(gè)層序列在端面上擠壓到一起。在此，第一層序列和第二層序列至少部分地或完全地熔化并且兩個(gè)層序列的材料彼此混合。
[0008]根據(jù)方法的至少一個(gè)實(shí)施方式，第一層序列和第二層序列熔化成連接層，所述連接層直接鄰接于第一接合配對(duì)件和第二接合配對(duì)件。也就是說，在接合時(shí)間之后，層序列組合成連接層，所述連接層因此位于兩個(gè)接合配對(duì)件之間并且所述連接層促進(jìn)接合配對(duì)件之間的機(jī)械連接。
[0009]根據(jù)方法的至少一個(gè)實(shí)施方式，第一層序列包括至少一個(gè)包含銀或由銀構(gòu)成的層。因此，例如第一層序列也能夠由所述銀層構(gòu)成。
[0010]根據(jù)方法的至少一個(gè)實(shí)施方式，第二層序列包括至少一個(gè)包含銦和鉍的層，或者第二層序列包含至少一個(gè)包含銦的層和包含鉍的層。換言之，第二層序列至少包含銦和鉍作為金屬。例如可能的是，第二層序列此外不包含其他金屬。金屬銦和鉍能夠在第二層序列中在唯一的共同的層中例如作為銦-鉍合金存在。此外可能的是，第二層序列包含至少一個(gè)由銦構(gòu)成的單層和由鉍構(gòu)成的單層。此外，可能的是，第一層和/或第二層不具有鉛和/或錫。此外，第一層和/或第二層能夠不具有金。
[0011]根據(jù)方法的至少一個(gè)實(shí)施方式，在接合期間將第一層序列和第二層序列加熱到的接合溫度最高為120°C。在所述溫度下，第一層序列和第二層序列熔化或連接成連接層，所述連接層因此包含銀、銦和鉍并且在從大約260°C起的高得多的溫度下才再次熔化。
[0012]根據(jù)用于連接接合配對(duì)件的方法的至少一個(gè)實(shí)施方式，所述方法包括下述步驟:
[0013]-提供第一接合配對(duì)件和第二接合配對(duì)件；
[0014]-將第一層序列施加到第一接合配對(duì)件上；
[0015]-將第二層序列施加到第二接合配對(duì)件上；
[0016]-在接合溫度下，在預(yù)設(shè)的接合時(shí)間中，利用接合壓強(qiáng)將第一層序列和第二層序列在其分別背離第一接合配對(duì)件和第二接合配對(duì)件的端面上擠壓到一起，其中
[0017]-第一層序列包括至少一個(gè)包含銀或由銀構(gòu)成的層；
[0018]-第二層序列包括至少一個(gè)包含銦和鉍的層，或者第二層序列包括至少一個(gè)包含銦的層和包含鉍的層；
[0019]-接合溫度最高為120°C，并且
[0020]-第一層序列和第二層序列熔化成連接層，所述連接層直接鄰接于第一接合配對(duì)件和第二接合配對(duì)件。
[0021]在此所描述的用于連接接合配對(duì)件的方法還利用下述考慮:
[0022]為了連接接合配對(duì)件、例如為了將半導(dǎo)體器件與殼體或印刷電路板組合或在將封裝的電子器件安裝到印刷電路板上時(shí)，能夠使用軟焊料并且將軟焊用作連接法。為了將接合配對(duì)件的熱負(fù)荷保持得小，在此力求低的接合溫度。在此，已知的軟焊料法例如基于Sn-Ag-Cu (SaC)材料體系或基于Sn-Pb材料體系。
[0023]在所述軟焊料法中，液態(tài)的焊料在冷卻到其熔點(diǎn)之下時(shí)凝固。當(dāng)將連接再次加熱到熔點(diǎn)的溫度時(shí)，所述連接喪失其堅(jiān)固性。因此，多個(gè)相繼的集成步驟、例如將半導(dǎo)體芯片安裝到陶瓷印刷電路板上和隨后將陶瓷焊接到金屬芯印刷電路板上不能夠借助相同的焊料體系實(shí)現(xiàn)，而不損害首先建立的焊料連接的整體性。
[0024]該問題能夠在使用具有分級(jí)的熔點(diǎn)的不同的焊料體系時(shí)克服。另一個(gè)可能性在于，代替在冷卻時(shí)常規(guī)的低共熔的凝固，利用等溫的凝固反應(yīng)。在此，在接合溫度保持恒定時(shí)，通過金屬熔液與更高熔點(diǎn)的金屬組分的反應(yīng)形成持久牢固的連接，所述連接的熔點(diǎn)能夠遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于接合溫度。為了在隨后的接合步驟中不損害借助上文所述的SAC合金作為連接劑的連接，例如能夠使用由焊料和粘接劑構(gòu)成的混合物。對(duì)此的示例是TLPS膏(TransientLiquid Phase Sintering Pastes，瞬態(tài)液相燒結(jié)膏)，所述TLPS膏使在較低的溫度下恪化的B1-SN合金與銅等溫地凝固，以便不損害之前建立的SAC連接并且不排除隨后的用于連接接合配對(duì)件的SAC連接。應(yīng)確保由B1-Sn構(gòu)成的非稀有的組分的反應(yīng)性的熔劑嵌入到粘接基質(zhì)中。
[0025]另一個(gè)替選方案是借助Au-Sn作為連接劑的等溫凝固，然而這一方面由于對(duì)此必需的高的金份額是昂貴的并且由于錫的相對(duì)高的熔點(diǎn)或低共熔的Au-Sn合金需要比能用于多個(gè)接合配對(duì)件的工藝溫度更高的工藝溫度。
[0026]現(xiàn)在，在此所描述的方法還基于利用等溫凝固工藝的思想，所述等溫凝固工藝一方面利用與Sn或AuSn相比在較低的溫度下熔化的組分，并且所述等溫凝固工藝另一方面避免昂貴的貴金屬金。因此，第一和/或第二層能夠不具有通常用在連接法中的鉛、錫和/或金。此外，將薄的層用于制造第一和第二層序列，由此能夠?qū)崿F(xiàn)層序列的特別簡單的熔化。
[0027]作為低熔點(diǎn)的組分使用由鉍和銦構(gòu)成的混合物。在鉍-銦體系中，在明顯低于100°C時(shí)已經(jīng)能夠形成熔液。通過添加銀，熔化溫度因此能夠大幅地提高。鉍-銦與銀的等溫凝固反應(yīng)在10°c時(shí)已經(jīng)引起在銀和銦之間形成金屬間化合物。由此，鉍-銦的銦的份額變小并且化合物的熔化溫度升高到大約260°c，其中金屬間的銀-銦化合物保持固態(tài)。在此，低熔點(diǎn)的組分能夠由鉍-銦合金構(gòu)成或其能夠在原位在接合工藝中由純的鉍層和銦層彼此間的反應(yīng)產(chǎn)生。
[0028]根據(jù)方法的至少一個(gè)實(shí)施方式，連接層具有包含鉍或由鉍構(gòu)成的區(qū)域，其中所述區(qū)域完全地由包含銦和/或銀的材料包圍。在此已證實(shí)的是，當(dāng)在接合工藝之后連接層的其中能夠溶解有少量的銦和銀的鉍組分沒有形成連續(xù)的、無中斷的層時(shí)，連接層是特別穩(wěn)定的，尤其是熱穩(wěn)定的。尤其，通過將銀引入到連接層中例如與接合溫度相比能夠顯著地提高熔化溫度。例如，以。C為單位的熔化溫度能夠是以。C為單位的接合溫度的至少兩倍高。
[0029]尤其，經(jīng)由選擇接合時(shí)間能夠?qū)崿F(xiàn)，在第一或第二層序列中存在的連續(xù)的鉍層中斷。因此，連接層不再具有連續(xù)的鉍層，而是不具有由鉍構(gòu)成的這種層或連接層不具有簡單連續(xù)的由鉍構(gòu)成的層。因此，鉍層例如能夠網(wǎng)狀地構(gòu)成，也就是說所述鉍層具有由層序列的其他金屬填充的孔或穿口。借助較長的接合時(shí)間可能的是，在接合前可能在第一層序列或第二層序列中存在的鉍層分解成單個(gè)顆粒，所述顆粒由層序列的其他金屬的材料、即尤其由銦和銀包圍。
[0030]在此，通過接合工藝或補(bǔ)充地通過再次加熱連接層的隨后的回火步驟能夠引起所述結(jié)構(gòu)影響。從熱學(xué)和機(jī)械角度來看，鉍顆粒、即包含鉍或由鉍構(gòu)成的區(qū)域在由銀和銦的金屬間化合物構(gòu)成的基質(zhì)中或在具有其中溶解有銦的銀顆粒的銀-銦合金中是接合區(qū)的進(jìn)而連接層的特別有利的微結(jié)構(gòu)。
[0031]根據(jù)方法的至少一個(gè)實(shí)施方式，在連接層的橫截面中，橫截