專利名稱：熱固性助焊劑、焊膏和焊接方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種熱固性助焊劑，其適于半導(dǎo)體器件的電子部件的焊接粘結(jié)，并涉及一種應(yīng)用該助焊劑的焊膏。
相關(guān)領(lǐng)域的說明在半導(dǎo)體器件的裝配中，將半導(dǎo)體元件在規(guī)定部位裝配于引線框架或樹脂襯底上的裝配步驟，是影響元件長(zhǎng)期可靠性的重要步驟之一。傳統(tǒng)上作為裝配方法，已經(jīng)應(yīng)用焊接裝配法，其使用一種低熔點(diǎn)的合金(焊料)，和樹脂裝配法，其使用主要包含一種熱固性樹脂如環(huán)氧樹脂的樹脂膏。特別是，在需要具備熱釋放性能的半導(dǎo)體元件如功率元件的情況下，應(yīng)用焊接裝配法，其使用主要包含90％或更多的鉛的高溫焊料。
然而，在近些年中，隨著對(duì)全球環(huán)境問題關(guān)注的不斷提高，非鉛型焊料已經(jīng)被引起注意。對(duì)于電子設(shè)備來說，使用鉛型焊料的產(chǎn)品的生產(chǎn)以及它們的進(jìn)出口成為了法律調(diào)節(jié)的對(duì)象，從而需要緊急對(duì)策。
在這樣的形勢(shì)下，作為用于電子設(shè)備的非鉛型高溫焊料材料，Zn-Al-Mg型焊料(參見日本專利申請(qǐng)?zhí)亻_No.11-172354)，Zn-Al-Ge型焊料(參見日本專利申請(qǐng)?zhí)亻_No.11-172353)等已被提出。然而，任何組合物在加工性能方面都不能令人滿意并且這些組合物包含易被氧化的元素，使得它們?cè)诳蓾裥苑矫孑^差且不適合實(shí)際應(yīng)用。
另一方面，Sn-Cu型焊料曾被推測(cè)可能作為一種非鉛型高溫焊料材料。該Sn-Cu型焊料在氧化方面沒問題并且在可濕性方面表現(xiàn)優(yōu)異，然而，它們?cè)诖嘈陨洗嬖趩栴}，由此不適于實(shí)際應(yīng)用。如此，目前沒有可用的非鉛型焊料材料作為高溫焊料。
為了解決上面提到的問題，已經(jīng)討論過是否可能使用一種導(dǎo)電粘結(jié)劑作為高溫焊料的替代材料。另一方面，不僅作為焊接裝配材料，而且作為替代焊料的粘結(jié)材料，導(dǎo)電粘結(jié)劑已被嘗試用于一般電子設(shè)備襯底的裝配(參見日本專利申請(qǐng)?zhí)亻_No.2000-290617)。
導(dǎo)電粘結(jié)劑是通過將導(dǎo)電填料如銀、金、銅、鎳、碳或類似的物質(zhì)與粘結(jié)劑如環(huán)氧樹脂、酚樹脂、聚酯樹脂、丙烯酸樹脂或類似物質(zhì)按規(guī)定比例混合并將它們捏合而制備的。
然而，為了通過導(dǎo)電粘結(jié)劑獲得與通過傳統(tǒng)焊接得到的同樣高的導(dǎo)電性，那些含有鎳或碳作為導(dǎo)電填料的導(dǎo)電粘結(jié)劑是不能令人滿意的，目前不得不使用那些含有如銀、金或類似的貴金屬粉末作為導(dǎo)電填料的導(dǎo)電粘結(jié)劑。然而，與一般的焊料材料(主要含錫)的成本相比，銀和金的成本非常高，并且這已成為除技術(shù)問題外該導(dǎo)電粘結(jié)劑使用的一個(gè)障礙。另外，使用導(dǎo)電粘結(jié)劑作為功率元件的裝配材料存在的另一個(gè)問題是導(dǎo)熱性不足。然而，焊接還是最好的用于粘結(jié)半導(dǎo)體器件或電子部件的方法。
眾所周知，將助焊劑用于焊接。助焊劑的主要功能是凈化焊接粘結(jié)部位以防止金屬氧化，并且提高焊料的可濕性。由于這些功能，傳統(tǒng)的助焊劑是使焊接容易進(jìn)行的一種助劑，在焊接之后，其對(duì)焊接部位的粘結(jié)不起任何作用，因此，粘結(jié)強(qiáng)度僅僅取決于焊料金屬的熔融粘結(jié)。在使用普通的熔點(diǎn)為250℃或更低的非鉛型焊料材料的焊接粘結(jié)中，耐熱強(qiáng)度和粘結(jié)強(qiáng)度并不必然是足夠的。特別是對(duì)于半導(dǎo)體元件，在裝配半導(dǎo)體元件或雙重裝配型承載有部件的襯底的第二次裝配或隨后的裝配之后的線路粘結(jié)中，當(dāng)被加熱到250℃或更高溫度時(shí)，焊料材料可能再次熔融，從而導(dǎo)致不期望的后果，即半導(dǎo)體元件或電子部件的粘結(jié)部位分離或脫落。
因此，在進(jìn)行半導(dǎo)體元件或電子部件的焊接粘結(jié)的情況下，需要加強(qiáng)該元件或電子部件的粘結(jié)強(qiáng)度。
為了加強(qiáng)在上述焊接時(shí)電子部件的粘結(jié)，已公開了通過將熱固性樹脂加入到松香型助焊劑中所得的用于熱固性焊料的助焊劑(參見日本專利申請(qǐng)?zhí)亻_No.2001-219294)。由于在焊接時(shí)助焊劑中熱固性樹脂的固化以及焊接粘結(jié)和熱固性樹脂粘結(jié)的結(jié)合，這種助焊劑能夠牢固地加強(qiáng)電子部件。然而，這項(xiàng)技術(shù)僅僅是基于將傳統(tǒng)松香加入熱固性樹脂中，該樹脂不與熱固性樹脂反應(yīng)，只是簡(jiǎn)單地與其混合并存在于熱固性樹脂中，因此耐熱強(qiáng)度不夠，使得在對(duì)于非鉛型焊料而言為高溫的情況下進(jìn)行焊接時(shí)，粘結(jié)部件分離，從而導(dǎo)致電子設(shè)備的可靠性下降。
發(fā)明簡(jiǎn)述在考慮上述問題的基礎(chǔ)上完成了本發(fā)明，本發(fā)明目的在于提供一種熱固性助焊劑，該助焊劑適于半導(dǎo)體元件和電子部件的焊接粘結(jié)，并能夠在焊接的同時(shí)牢固地將電子部件粘結(jié)到裝配部件的襯底上，并長(zhǎng)時(shí)間保持穩(wěn)定粘結(jié)，還提供一種使用該熱固性助焊劑的非鉛型焊膏。
本發(fā)明的第一方面提供一種熱固性助焊劑，其包含作為不可缺少的組分的環(huán)氧樹脂、固化劑和松香衍生物，該松香衍生物具有對(duì)環(huán)氧樹脂為反應(yīng)性的官能團(tuán)并且其是選自馬來酸改性松香、富馬酸改性松香和丙烯酸改性松香的至少一種化合物。
本發(fā)明的第二方面提供一種焊膏，其包含熱固性助焊劑和非鉛型焊料合金粉末，該熱固性助焊劑包括作為不可缺少的組分的環(huán)氧樹脂、固化劑和松香衍生物，該松香衍生物具有對(duì)環(huán)氧樹脂為反應(yīng)性的官能團(tuán)并且其是選自馬來酸改性松香、富馬酸改性松香和丙烯酸改性松香的至少一種化合物。
本發(fā)明的詳細(xì)說明按照本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案，熱固性助焊劑包含作為不可缺少的組分的包含環(huán)氧樹脂和固化劑的熱固性樹脂成分和具有助焊劑功能的松香衍生物，使得能夠提供優(yōu)異的焊接性能，并且由于環(huán)氧樹脂在助焊劑中起到粘結(jié)劑的作用同時(shí)在焊接時(shí)會(huì)固化，因此可牢固地固定元件或部件。
此外，由于在本實(shí)施方案中松香衍生物具有兩個(gè)或更多個(gè)對(duì)環(huán)氧樹脂為反應(yīng)性的羧基，因此，其能夠直接與環(huán)氧樹脂反應(yīng)并相應(yīng)地提高焊接后焊接部件的耐熱強(qiáng)度和粘結(jié)強(qiáng)度。因此，松香衍生物能夠防止元件或部件分離或脫落，并且能夠提高在半導(dǎo)體元件裝配之后的線路粘結(jié)步驟或雙重裝配型承載有部件的襯底的第二次或隨后的焊接步驟中的焊接粘結(jié)的可靠性。
作為適于應(yīng)用本發(fā)明實(shí)施方案的助焊劑進(jìn)行焊接粘結(jié)的半導(dǎo)體元件，可以例舉功率元件，例如智能功率器件、功率IC和功率晶體管，其他的獨(dú)立半導(dǎo)體元件，和IC。
作為適于應(yīng)用本發(fā)明實(shí)施方案的助焊劑進(jìn)行焊接粘結(jié)的電子部件，可以例舉直接裝配在承載有部件的襯底上的表面裝配型小型電子部件，例如焊料碰撞粘結(jié)型半導(dǎo)體組件如叩焊晶片、CSP等；和芯片部件如電阻器、線圈、電容器和晶體管。
在使用根據(jù)本實(shí)施方案的助焊劑的焊接粘結(jié)的情況下，該助焊劑可通過將其施涂于焊接部位而單獨(dú)使用，然而更優(yōu)選將焊料按這樣的方式使用將助焊劑與焊料合金粉末混合并捏合且以焊膏的形式使用。在將焊膏施涂于焊接粘結(jié)部位后，將半導(dǎo)體元件或電子部件裝配到該部位并進(jìn)行焊接粘結(jié)。
在將本實(shí)施方案的助焊劑與焊料分開單獨(dú)施涂于焊接粘結(jié)部位以進(jìn)行焊接的情況下，適于使用焊料球或焊料預(yù)涂布電極的回流或預(yù)成型焊料以焊接粘結(jié)。
在僅僅將助焊劑施涂于焊接粘結(jié)部位來進(jìn)行焊接的情況下，由于在焊料周圍環(huán)氧樹脂的固化，助焊劑在焊接和固定方面的功能可同時(shí)完成。
在以包含與助焊劑捏合的焊料合金粉末的膏形式使用助焊劑進(jìn)行元件或部件的焊接粘結(jié)的情況下，在加熱時(shí)，膏中的助焊劑進(jìn)入待粘結(jié)的襯底與元件或部件之間的間隙中，并且在焊接完成時(shí)，環(huán)氧樹脂固化物質(zhì)固定了元件或部件。
下文將詳細(xì)描述本發(fā)明實(shí)施方案的各組分。
作為應(yīng)用于本發(fā)明實(shí)施方案中的環(huán)氧樹脂，可以在無任何特殊限制的條件下使用在每個(gè)分子中具有兩個(gè)或更多個(gè)環(huán)氧基的環(huán)氧樹脂。實(shí)際例子是雙酚A型環(huán)氧樹脂、雙酚F型環(huán)氧樹脂、苯酚酚醛清漆型環(huán)氧樹脂、甲酚酚醛清漆型環(huán)氧樹脂、萘酚型酚醛清漆環(huán)氧樹脂、雙酚A的酚醛清漆型環(huán)氧樹脂、萘二酚型環(huán)氧樹脂、脂環(huán)族型環(huán)氧樹脂、由三或四(羥苯基)烷烴衍生的環(huán)氧化合物、雙羥基聯(lián)苯基型環(huán)氧樹脂、苯酚芳烷基樹脂的環(huán)氧化合物等。這些環(huán)氧樹脂可單獨(dú)使用或其中的兩種或更多種以混合物的形式使用。
作為應(yīng)用于本發(fā)明實(shí)施方案中的固化劑，可以在無任何特珠限制的條件下使用一般用作環(huán)氧樹脂固化劑的那些固化劑。該試劑的實(shí)際例子是酸酐，例如鄰苯二甲酸酐、六氫鄰苯二甲酸酐、四氫鄰苯二甲酸酐、偏苯三酸酐；酚醛清漆型酚樹脂例如苯酚酚醛清漆樹脂、甲酚酚醛清漆樹脂、叔丁基苯酚酚醛清漆樹脂、壬基苯酚酚醛清漆樹脂和雙酚A的酚醛清漆樹脂；雙環(huán)戊二烯-苯酚聚合物、多官能酚樹脂如三(雙苯氧基苯基)烷烴；具有萜烯骨架結(jié)構(gòu)的酚樹脂；芳香胺例如二氨基二苯甲烷、二氨基二苯砜等。其中，酸酐和苯酚酚醛清漆樹脂是特別優(yōu)選使用的。這些固化劑可以單獨(dú)使用或其中的兩種或多種組合使用。
固化劑的混合比率不受特別的限制，然而優(yōu)選調(diào)節(jié)上述環(huán)氧樹脂的環(huán)氧基與固化劑的反應(yīng)基的當(dāng)量比在約0.5至1.5的范圍內(nèi)，更優(yōu)選在約0.8至1.2的范圍內(nèi)。其原因在于，如果此比率在上述范圍之外，則將難以充分引起固化反應(yīng)，而導(dǎo)致焊接后耐熱強(qiáng)度和粘結(jié)強(qiáng)度的下降。
在本發(fā)明的實(shí)施方案中，除了固化劑之外，可以添加固化促進(jìn)劑。作為固化促進(jìn)劑，可以使用通常使用的那些固化促進(jìn)劑而無任何特殊限制，例如可以使用堿性催化劑。它的實(shí)際例子為有機(jī)膦化合物如三甲基膦、三乙基膦、三丁基膦、三苯基膦、三(對(duì)甲苯基)膦、甲基二苯基膦和三(2，6-二甲氧基苯基)膦；咪唑化合物和其衍生物如2-乙基咪唑、2，4-二甲基咪唑、2-乙基-4-甲基咪唑、2-苯基咪唑和2-十七烷基咪唑；DBU(1，8-二氮雜雙環(huán)十一碳-7-烯)或其酚鹽和6-二丁基氨基-1，8-二氮雜雙環(huán)十一碳-7-烯。
固化促進(jìn)劑的混合量并無特別限制，然而優(yōu)選為環(huán)氧樹脂和固化劑總重的約0.01-10重量％。
用于本發(fā)明實(shí)施方案中的環(huán)氧樹脂和固化劑的熔點(diǎn)優(yōu)選與焊接溫度相同或比其低。這是因?yàn)槿绻鋈埸c(diǎn)超過焊接溫度，那么在焊接溫度下環(huán)氧樹脂的固化反應(yīng)難以發(fā)生，且相應(yīng)地環(huán)氧樹脂不能起到粘合劑的作用，從而導(dǎo)致元件或部件的粘結(jié)強(qiáng)度下降。
優(yōu)選選擇環(huán)氧樹脂、固化劑和固化促進(jìn)劑的組合，以使環(huán)氧樹脂在不低于所用焊料合金的液相線溫度下固化。這是因?yàn)槿绻h(huán)氧樹脂在焊料熔化之前固化，則會(huì)抑制焊接粘結(jié)。
進(jìn)一步地，在焊接溫度下環(huán)氧樹脂的凝膠時(shí)間(固化所需時(shí)間)優(yōu)選設(shè)置在30分鐘以內(nèi)。這是因?yàn)槿绻h(huán)氧樹脂的凝膠時(shí)間超過30分鐘，則半導(dǎo)體元件、框架、部件電極和襯底電極可能被氧化，從而導(dǎo)致功能變劣。通常，為了縮短電子設(shè)備的裝配時(shí)間，需要盡可能快地固化環(huán)氧樹脂，并且在焊接溫度下優(yōu)選將環(huán)氧樹脂的凝膠時(shí)間設(shè)定為幾秒至幾分鐘。為了縮短環(huán)氧樹脂的凝膠時(shí)間，可添加上述的固化促進(jìn)劑或?qū)⒑附訙囟壬粮摺?br> 本發(fā)明實(shí)施方案中使用焊膏的焊接溫度優(yōu)選在200至300℃的范圍內(nèi)。如果焊接溫度低于該范圍，則由于環(huán)氧樹脂的固化時(shí)間被延長(zhǎng)而是不期望的，另一方面，如果焊接溫度超過上述范圍，則待進(jìn)行焊接的襯底和裝配在襯底上的部件因受熱而大幅度損壞的可能性會(huì)增大，因而這不是優(yōu)選的。
在本發(fā)明的實(shí)施方案中上述環(huán)氧樹脂和固化劑的總的添加量并不特別加以限制，然而優(yōu)選占助焊劑總重量的50至95％。這是因?yàn)椋绻渲亓堪俜趾康陀?0％，則焊接后的耐熱強(qiáng)度和粘結(jié)強(qiáng)度會(huì)不足，而如果其重量百分含量超過95％，則焊接性能就會(huì)下降。
本發(fā)明實(shí)施方案中所用的松香衍生物是選自馬來酸改性松香、富馬酸改性松香和丙烯酸改性松香的化合物。這些改性松香是由作為原料的松香與馬來酸酐、富馬酸或丙烯酸的加成反應(yīng)(Diels Alder反應(yīng))制得。它們?cè)诿總€(gè)分子中具有兩個(gè)或更多個(gè)羧基并且能通過交聯(lián)反應(yīng)而與環(huán)氧樹脂發(fā)生反應(yīng)。作為原料的松香可以舉例為，天然松香如樹膠松香、木松香和妥爾油；歧化松香、氫化松香、聚合松香、乙醇酸改性松香、高純度精煉松香等。這樣的松香的商業(yè)化產(chǎn)品有由Arakawa Chemical Industries，Ltd.制備的KR-85、KR-604、KR-610、KR-612和AG-100。
在本發(fā)明的實(shí)施方案中上述松香衍生物的添加量并不特別加以限制，然而優(yōu)選占助焊劑總重量的5至50％。這是因?yàn)?，如果其重量百分含量低?％，則其焊接性能會(huì)降低，而如果其重量百分含量超過50％，則焊接之后的耐熱強(qiáng)度和粘結(jié)強(qiáng)度會(huì)不足。
在本發(fā)明的實(shí)施方案中，除上述松香衍生物以外，各種具有對(duì)環(huán)氧樹脂為反應(yīng)性的官能團(tuán)的松香衍生物可適當(dāng)加入到這樣的程度以致它們不影響可固化助焊劑的功能如焊接性能和固化性能。這樣的松香衍生物可舉例為環(huán)氧基化松香、松香胺、松香酰胺、含松香骨架的二醇化合物、松香改性苯酚樹脂等。
環(huán)氧基化松香是由松香和縮水甘油醚反應(yīng)所得的松香縮水甘油酯。
松香胺和松香酰胺是將松香的羧基改性為氨基或酰氨基而從松香得到的。
含松香骨架的二醇化合物是由二環(huán)氧化合物與松香在摩爾比為1∶2，在120至200℃的溫度下，在用于調(diào)節(jié)酸值為5或更低的催化劑的存在下，由開環(huán)和加成反應(yīng)制得的。此類二環(huán)氧化合物的例子有乙二醇二縮水甘油醚、二甘醇二縮水甘油醚、三甘醇二縮水甘油醚、聚乙二醇二縮水甘油醚、丙二醇二縮水甘油醚、二丙二醇二縮水甘油醚、新戊二醇二縮水甘油醚、1，6-己二醇二縮水甘油醚、雙酚A二縮水甘油醚、雙酚F縮水甘油醚等。此類催化劑的例子可以包括胺型催化劑如三甲基胺、三乙基胺、三丁基胺、芐基二甲基胺、吡啶、2-咪唑等等；季銨如氯化芐基三甲基銨；路易斯酸；硼酸酯；有機(jī)金屬化合物；有機(jī)金屬鹽。用該方法得到的含松香骨架的二醇化合物的商業(yè)化產(chǎn)品的例子有由Arakawa Chemical Industries，Ltd.制備的KE-601、KE-615和KE-624。
松香改性苯酚樹脂通過如下方法生產(chǎn)將松香和苯酚甲醛初始縮合物混合，在200-300℃的高溫下加熱混合物，用甘油、季戊四醇或乙二醇酯化松香中的羧基。用上述方式生產(chǎn)的商業(yè)化產(chǎn)品的例子有由Arakawa Chemical Industries，Ltd.制備的Tamanol 135和145。
除上述不可缺少的組分外，本發(fā)明實(shí)施方案的助焊劑可根據(jù)需要包含添加劑如活化劑、溶劑和觸變劑。
活化劑的例子為胺的含鹵鹽如苯胺氫溴酸鹽、異丙胺鹽酸鹽、乙胺鹽酸鹽、二乙胺氫溴酸鹽、二苯基胍氫溴酸鹽和環(huán)己胺鹽酸鹽；胺的有機(jī)酸鹽；有機(jī)一元羧酸如甲酸、乙酸、肉豆蔻酸、棕櫚酸、硬脂酸和苯甲酸；有機(jī)二元羧酸及其酸酐如乙二酸、丙二酸、丁二酸、己二酸、富馬酸和馬來酸；有機(jī)胺如己胺、二辛基胺和三乙基胺；和鹵化烴?；罨瘎┑奶砑恿?jī)?yōu)選占助焊劑總量的0至10重量％。
作為溶劑可以使用醇、酮、酯和芳族溶劑，可用溶劑的實(shí)際例子為苯甲醇、乙醇、異丙醇、丁醇、醋酸溶纖劑、乙基溶纖劑、丁基溶纖劑、丁基溶纖劑醋酸酯、丁基卡必醇、萜品醇、甲苯、二甲苯、丙二醇單苯基醚、二甘醇單己基醚和二甘醇單丁基醚?？紤]到環(huán)氧樹脂和固化劑的性能，可以適當(dāng)調(diào)節(jié)溶劑的添加比率，使得得到適于使助焊劑便于使用的濃度和粘度，通常，該添加比率優(yōu)選占助焊劑總量的0至40重量％。
作為觸變劑，可以使用固化蓖麻油、氫化蓖麻油、蜂蠟、巴西棕櫚蠟、硬脂酸酰胺和羥基硬脂酸亞乙基雙酰胺。一般地，觸變劑的混合比率優(yōu)選占助焊劑總量的0至10重量％。
本發(fā)明實(shí)施方案的焊膏是通過將上述助焊劑和非鉛型焊料合金粉末捏合而得到的。
用于本發(fā)明實(shí)施方案中的焊料合金，如果其是非鉛型的焊料合金且具有作為焊料的合適的特性，則不特別加以限制。焊料合金可選自Sn、Ag、Cu、Zn、Bi、In和Sb的合金，典型的例子為Sn-Ag型、Sn-Cu型、Sn-Zn型、Sn-Bi型和Zn-Al-Mg-Sn型合金。
作為上述的焊料合金，優(yōu)選具有熔點(diǎn)(液相線溫度)在150-300℃范圍內(nèi)的那些，更優(yōu)選具有熔點(diǎn)(液相線溫度)在180-280℃范圍內(nèi)的那些。這是因?yàn)?，在熔點(diǎn)太低的情況下，由于在使用過程中功率元件中產(chǎn)生的熱量會(huì)使焊料熔化，從而可能會(huì)導(dǎo)致可靠性的下降。另一方面，如果熔點(diǎn)超過300℃，則由于焊接溫度升高，在一些情況下環(huán)氧樹脂不能承受該溫度。
通過將這樣的焊料合金粉碎為粒徑為4-100μm，優(yōu)選10-50μm而得到的粉末與上述助焊劑捏合以獲得焊膏。焊料粉末的混合比率優(yōu)選調(diào)節(jié)為，在焊料粉末與助焊劑總重為100重量份中，焊料合金粉末為85至95重量份，和助焊劑為5-15重量份。
在本發(fā)明實(shí)施方案中的膏可根據(jù)需要包含添加劑如抗氧化劑、防腐蝕劑或類似的添加劑。
抗氧化劑因抗氧化功能和作為自由基收集劑的功能而抑制與氧的反應(yīng)。在焊膏中，其吸收氧并因而提高了膏的儲(chǔ)存穩(wěn)定性。接下來，在回流步驟中，它收集周圍環(huán)境中的氧來防止焊膏的氧化并抑制其可濕性和涂布性能的變劣。另一方面，防腐蝕劑在膏中具有類似于螯合劑的功能，并且與焊料粉末表面上的金屬形成螯合配合物以保護(hù)焊料粉末表面。相應(yīng)地，可以防止由焊料合金中易被氧化的金屬組分與助焊劑中的活化劑發(fā)生反應(yīng)而導(dǎo)致粘度升高并因而可以防止焊膏儲(chǔ)存穩(wěn)定性的下降。在回流過程中，其可有效地防止用周圍環(huán)境中的氧的氧化。
用于抗氧化劑的有機(jī)化合物可廣義地劃分為聚合物酚化合物、磷化合物和硫化合物。另外，用于防腐蝕劑的有機(jī)化合物可廣義地劃分為氮化合物和硫化合物，氮化合物包括三唑型、咪唑型和胍型，硫化合物包括噻唑型、秋蘭姆型和二硫代氨基甲酸鹽。這些抗氧化劑和防腐蝕劑可單獨(dú)或組合使用。
用于抗氧化劑的聚合物酚化合物可包括例如三甘醇雙[3-(3-叔丁基-5-甲基-4-羥苯基)丙酸酯]，1，6-己二醇雙[3-(3，5-二叔丁基-4-羥苯基)丙酸酯]，季戊四醇四[3-(3，5-二叔丁基-4-羥苯基)丙酸酯]，十八烷基-3-(3，5-二叔丁基-4-羥苯基)丙酸酯，和1，3，5-三甲基-2，4，6-三(3，5-二叔丁基-4-羥芐基)苯。磷化合物可包括亞磷酸三苯酯、亞磷酸三壬基苯基酯、亞磷酸三(2，4-二叔丁基苯基)酯、二硬脂酰二亞磷酸季戊四醇酯、亞磷酸二苯異癸酯等。硫化合物可包括3，3′-硫代二丙酸二月桂酯，3，3′-硫代二丙酸二肉豆蔻酯，3，3′-硫代二丙酸二硬脂酯，二月桂基硫化物，2-巰基苯并咪唑和2-巰基甲基苯并咪唑。
各抗氧化劑可單獨(dú)使用，并更優(yōu)選其中的兩種或更多種組合使用。特別是，聚合物酚化合物與磷化合物的組合使用以及聚合物酚化合物與硫化合物的組合使用顯示出非常有效的協(xié)同作用?？寡趸瘎┑奶砑恿堪粗竸┛偭坑?jì)合適地為0.5-20重量％，進(jìn)一步優(yōu)選1-10重量％。在組合使用多種抗氧化劑的情況下，優(yōu)選保持其總量在上述范圍內(nèi)。
用作為防腐蝕劑的氮化合物可包括三唑化合物如苯并三唑和甲基苯并三唑；咪唑型化合物如咪唑、甲基咪唑和2，4，5-三苯基咪唑；和胍化合物如1，3-二苯基胍。另外，硫化合物可包括噻唑化合物如2-巰基苯并噻唑和二硫化二苯并噻唑；秋蘭姆型化合物如二硫化四乙基秋蘭姆、二硫化四丁基秋蘭姆和二硫化四(2-乙基己基)秋蘭姆；硫脲型化合物，例如N，N′-二苯基硫脲；和二硫代氨基甲酸鹽。
這些防腐蝕劑可單獨(dú)使用或其中的兩種或多種可以組合使用。防腐蝕劑的添加量合適地占助焊劑總量的0.1-10重量％，更優(yōu)選0.5-5重量％。
然而，上述抗氧化劑和防腐蝕劑的總量合適地占助焊劑總量的1-30重量％。如果添加量太低，則防氧化作用和儲(chǔ)存穩(wěn)定化作用就會(huì)不足；而如果它過量，則對(duì)焊料金屬顆粒的保護(hù)太強(qiáng)以至于可能抑制活化力并且使可濕性和涂布性能變劣。
本發(fā)明實(shí)施方案的焊膏可由以下方式得到，即以普通的方式均勻地混合上述助焊劑組成組分而制備助焊劑，接下來將該助焊劑與焊料合金粉末一起捏合。在助焊劑的制備中，如果環(huán)氧樹脂和固化劑在室溫下是液態(tài)的，則混合可容易地通過僅添加不可缺少的組分而進(jìn)行，然而，如果環(huán)氧樹脂或固化劑在室溫下是固體且難于混合，則可添加適當(dāng)?shù)娜軇┮允够旌弦子谶M(jìn)行。
在生產(chǎn)焊料-裝配型材料和半導(dǎo)體元件、電子模塊和印刷線路襯底的電子部件時(shí)，本發(fā)明實(shí)施方案中的助焊劑和焊膏可以作為用于回流型焊接的焊料形式通過標(biāo)準(zhǔn)方法有效地加以使用。
下文將描述一種使用上述焊膏進(jìn)行焊接的方法。準(zhǔn)備好布線襯底如表面上已形成印刷線路的玻璃環(huán)氧樹脂復(fù)合襯底，將焊膏施涂于需進(jìn)行焊接粘結(jié)的襯底的一部分，即要進(jìn)行焊接粘結(jié)的類似的電極部分，該部分的末端處于襯底中。如上所述，焊膏優(yōu)選為包含熱固性助焊劑和非鉛型焊料合金粉末的焊膏，該熱固性助焊劑包含環(huán)氧樹脂、固化劑和至少一種松香衍生物，該松香衍生物具有能與環(huán)氧樹脂反應(yīng)的官能團(tuán)并選自馬來酸改性松香、富馬酸改性松香和丙烯酸改性松香。
該焊膏可通過采用已知的方法如絲網(wǎng)印刷法或類似的方法實(shí)施涂布。
該焊膏施涂于具有待粘結(jié)電極的襯底的目標(biāo)部位上，而后將待粘結(jié)目標(biāo)部件裝配于襯底上。
接著，將襯底和被裝配的部件在150-180℃下預(yù)熱0.1-10分鐘。而后，在200-300℃下將它們加熱0.1-30分鐘。在這些步驟中，焊膏中所包含的環(huán)氧樹脂固化以粘著襯底和被裝配的部件，并同時(shí)進(jìn)行焊接粘結(jié)，相應(yīng)地可得到其中部件以機(jī)械和電方式牢固裝配的襯底。
如上所詳述，當(dāng)在半導(dǎo)體元件或電子部件的焊接時(shí)使用實(shí)施方案中的助焊劑時(shí)，該助焊劑使得可能在焊接的同時(shí)牢固地粘結(jié)半導(dǎo)體元件或電子部件，并且它還能夠提供一種焊膏，其具有良好的焊接能力，適于半導(dǎo)體元件或電子部件的焊接粘結(jié)，并且粘結(jié)強(qiáng)度和高溫下耐熱強(qiáng)度優(yōu)異。另外，本發(fā)明的焊膏可用作焊膏的替代性粘結(jié)材料并且提供了非常期望的工業(yè)價(jià)值。
另外的優(yōu)點(diǎn)和改進(jìn)將由本領(lǐng)域技術(shù)人員很容易想到。因此，在更寬方面下的本發(fā)明不限于在此顯示和描述的特殊的細(xì)節(jié)和典型的實(shí)施方案。相應(yīng)地，在不背離如所附權(quán)利要求和它們的等價(jià)物所定義的總的發(fā)明構(gòu)思的主旨或范圍的條件下，可進(jìn)行各種各樣的改進(jìn)。
實(shí)施例下文將更加詳細(xì)地描述本發(fā)明。本發(fā)明不限制于這些實(shí)施例。
實(shí)施例1-6和對(duì)比例1-3[助焊劑的制備]下列組分用作助焊劑的原料。
環(huán)氧樹脂A雙酚A型環(huán)氧樹脂(Epikote 828，環(huán)氧當(dāng)量190，液相；JapanEpoxy resin Co.，Ltd.制造)環(huán)氧樹脂B鄰甲酚酚醛清漆型環(huán)氧樹脂(ESCN-195 XL，環(huán)氧當(dāng)量197，固相，Sumitomo Chemical Co.，Ltd.制造。)固化劑A甲基四氫鄰苯二甲酸酐(MH-700，酸酐當(dāng)量168，液相，NewJapan Chemical Co.，Ltd.制造。)固化劑B苯酚酚醛清漆樹脂(BRG-556，羥基當(dāng)量104，固相，ShowaHighpolymer Co.，Ltd.制造。)固化促進(jìn)劑2-十七烷基咪唑(C 17Z，Shikoku Chemicals Corp.制造。)松香衍生物A馬來酸(酐)改性松香(酸值366)松香衍生物B富馬酸改性松香(酸值362)松香衍生物C丙烯酸改性松香(酸值265)松香衍生物D松香酯(KE-100，沒有官能團(tuán)，Arakawa Chemical Industries，Ltd.制造)松香聚合松香溶劑丙二醇單苯基醚活化劑二乙基胺氫溴酸鹽觸變劑氫化蓖麻油抗氧化劑A季戊四醇四[3-(3，5-二叔丁基-4-羥苯基)丙酸酯]抗氧化劑B亞磷酯三(2，4-二叔丁基苯基)酯防腐蝕劑甲基苯并三唑?qū)⑦@些組分按下面表1和表2中說明的比率(重量％)混合，裝入容器，攪拌并捏合以獲得助焊劑。作為非鉛型焊料合金色粉末，使用粒徑為20-40μm的Sn-3.0Ag-0.5Cu合金(熔點(diǎn)220℃)粉末，Sn-0.7Cu合金(熔點(diǎn)229℃)粉末和Sn-9Zn合金(熔點(diǎn)199℃)粉末，并且將焊料合金粉末90重量份，上述助焊劑10重量份混合并通過捏合機(jī)攪拌以生產(chǎn)焊膏。對(duì)按照上述方法制備的實(shí)施例1-6以及對(duì)比例1-3的9種類型的焊膏進(jìn)行下面的評(píng)估測(cè)試。
(1)焊料涂布率的評(píng)估焊料涂布率根據(jù)JIS Z 3197測(cè)量。在評(píng)估中使用普通的銅板。
(2)粘結(jié)強(qiáng)度的評(píng)估用絲網(wǎng)印刷法將每一種焊膏施涂于在玻璃環(huán)氧襯底的規(guī)定部位所形成的電極部分，并裝配上2,125型芯片部件。接著，在回流爐中，在170℃下預(yù)熱1分鐘，然后通過于200℃或更高溫度下，最高240℃下加熱而進(jìn)行回流40秒以完成焊接。
測(cè)定通過對(duì)部件在橫向施力而使該部件分離時(shí)的載荷(gf)作為粘結(jié)強(qiáng)度。用固定強(qiáng)度測(cè)量?jī)x進(jìn)行粘結(jié)強(qiáng)度的測(cè)量。
(3)高溫下耐熱強(qiáng)度的評(píng)估用每一種焊膏將2×2mm的硅片裝配于銅框架上并進(jìn)一步裝配于加熱至250℃的熱板上，在確認(rèn)焊料合金熔化后，輕微按芯片而完成焊接。之后將該熱板加熱至300℃以進(jìn)行模擬線路粘結(jié)的高溫處理，觀察粘結(jié)部件中分離的出現(xiàn)情況。在粘結(jié)部件分離的情況下標(biāo)記NG，在沒有觀察到分離并且發(fā)現(xiàn)粘結(jié)良好的情況下標(biāo)記OK。
(4)熱導(dǎo)率的評(píng)估焊接之后，將被粘結(jié)部件的焊接粘結(jié)體切開，通過激光閃光法測(cè)定熱導(dǎo)率。
所得評(píng)估結(jié)果顯示于下面的表1和表2中。
如表1所示，發(fā)現(xiàn)使用本發(fā)明助焊劑的焊膏表現(xiàn)出良好的可濕性和涂布性能，并且具有元件或部件對(duì)被粘結(jié)襯底的高的粘結(jié)強(qiáng)度。另外，沒有發(fā)生由于高溫處理而被粘結(jié)部件分離的情況，表明具有高的粘結(jié)強(qiáng)度。
另一方面，如表2所示，在使用傳統(tǒng)松香型助焊劑(對(duì)比例1)的情況下，粘結(jié)強(qiáng)度和耐熱強(qiáng)度低，并且在不使用松香衍生物(對(duì)比例2)的情況下，可濕性和涂布性能不夠。另外，在使用對(duì)環(huán)氧樹脂沒有反應(yīng)性的松香衍生物(對(duì)比例3)的情況下，耐熱強(qiáng)度較差，使得在高溫下被粘結(jié)的部件會(huì)分離。另外，在使用對(duì)比例4中的導(dǎo)電粘結(jié)劑(使用粒徑為5-15μm的銀粉作為導(dǎo)電顆粒)的情況下，導(dǎo)熱性不夠，且在使用其粘結(jié)功率元件的情況下，發(fā)現(xiàn)功率元件中產(chǎn)生的熱量不能有效地釋放。
權(quán)利要求
1.一種熱固性助焊劑，其包含環(huán)氧樹脂、固化劑和至少一種松香衍生物，該松香衍生物具有對(duì)環(huán)氧樹脂為反應(yīng)性的官能團(tuán)并選自馬來酸改性松香、富馬酸改性松香和丙烯酸改性松香。
2.按照權(quán)利要求1的熱固性助焊劑，其中在熱固性助焊劑中松香衍生物的重量百分比為5-50％。
3.按照權(quán)利要求1的熱固性助焊劑，其中環(huán)氧樹脂的環(huán)氧基與固化劑的反應(yīng)基的當(dāng)量比為0.5-1.5。
4.按照權(quán)利要求3的熱固性助焊劑，其中環(huán)氧樹脂的環(huán)氧基與固化劑的反應(yīng)基的當(dāng)量比為0.8-1.2。
5.按照權(quán)利要求1的熱固性助焊劑，其中松香衍生物是馬來酸改性松香。
6.按照權(quán)利要求1的熱固性助焊劑，其中在焊接溫度下環(huán)氧樹脂的固化時(shí)間在30分鐘以內(nèi)。
7.一種焊膏，其包含熱固性助焊劑和非鉛型焊料合金粉末，該熱固性助焊劑包含環(huán)氧樹脂、固化劑和至少一種松香衍生物，該松香衍生物具有對(duì)環(huán)氧樹脂為反應(yīng)性的官能團(tuán)并選自馬來酸改性松香、富馬酸改性松香和丙烯酸改性松香。
8.按照權(quán)利要求7的焊膏，其中相對(duì)于100重量份的焊膏，焊膏中熱固性助焊劑的添加量為不多于5重量份且不少于15重量份。
9.按照權(quán)利要求7的焊膏，其中環(huán)氧樹脂和固化劑的熔點(diǎn)與非鉛型焊料合金的熔點(diǎn)相同或比其低。
10.按照權(quán)利要求7的焊膏，其中焊膏中環(huán)氧樹脂的固化溫度與非鉛型焊料合金的熔點(diǎn)相同或比其高。
11.按照權(quán)利要求7的焊膏，其中在焊接溫度下環(huán)氧樹脂的固化時(shí)間在30分鐘以內(nèi)。
12.按照權(quán)利要求7的焊膏，其中非鉛型焊料合金的熔點(diǎn)在150-300℃的范圍內(nèi)。
13.按照權(quán)利要求12的焊膏，其中非鉛型焊料合金的熔點(diǎn)在180-280℃的范圍內(nèi)。
14.按照權(quán)利要求7的焊膏，其中焊膏包含至少一種抗氧化劑和防腐蝕劑。
15.一種焊接方法，其至少包括如下步驟將一種焊膏施涂于具有待粘結(jié)電極的襯底的目標(biāo)部位上，而后將待粘結(jié)的目標(biāo)部件裝配于襯底上；在150-180℃下將襯底和被裝配部件預(yù)熱0.1-10分鐘；并且在200-300℃下將所得到的襯底和被裝配的部件加熱0.1-30分鐘，所述焊膏包含熱固性助焊劑和非鉛型焊料合金粉末，該熱固性助焊劑包含環(huán)氧樹脂、固化劑和至少一種松香衍生物，該松香衍生物具有對(duì)環(huán)氧樹脂為反應(yīng)性的官能團(tuán)并選自馬來酸改性松香、富馬酸改性松香和丙烯酸改性松香。
16.按照權(quán)利要求15的焊接方法，其中待粘結(jié)的目標(biāo)部件是功率半導(dǎo)體元件。
全文摘要
本發(fā)明目的在于提供一種熱固性助焊劑，其適于半導(dǎo)體元件和電子部件的焊接粘結(jié)并且實(shí)現(xiàn)焊接粘結(jié)具有高的粘結(jié)強(qiáng)度和高溫下高的耐熱強(qiáng)度，和提供一種膏，其包含所述助焊劑和非鉛型焊料，對(duì)于該熱固性助焊劑，使用了環(huán)氧樹脂、固化劑和至少一種松香衍生物，該松香衍生物具有對(duì)環(huán)氧樹脂為反應(yīng)性的官能團(tuán)并選自馬來酸改性松香、富馬酸改性松香和丙烯酸改性松香。該助焊劑可在與非鉛型焊料合金粉末混合并捏合的同時(shí)以焊膏的形式使用。
文檔編號(hào)H05K3/34GK1579698SQ20041007667
公開日2005年2月16日 申請(qǐng)日期2004年8月6日 優(yōu)先權(quán)日2003年8月8日
發(fā)明者松本一高, 忠內(nèi)仁弘, 小松出 申請(qǐng)人:株式會(huì)社東芝