用于流控自组装的双焊料层、电组件衬底以及采用该流控自组装的方法

摘要

描述了用于流控自组装的双焊料层、电组件衬底以及采用所述流控自组装的方法。所述双焊料层包括在电组件衬底（18）的焊料焊盘（16）上所部署的基底焊料（14）的层上所部署的自组装焊料（12）的层。所述自组装焊料（12）具有小于第一温度的液相线温度，并且所述基底焊料（14）具有大于所述第一温度的固相线温度。在流控自组装方法期间所述自组装焊料（12）在第一温度下液化，以引起电组件（10）粘附到所述衬底（18）。在附接之后，所述衬底（18）被从浴器（20）被移除并且被加热，从而所述基底焊料（14）和自组装焊料（12）组合以形成合成合金（22），所述合成合金在所述组件（10）与所述衬底（18）上的所述焊料焊盘（16）之间形成最终的电焊料连接。

说明书

相关申请的交叉引用

该申请要求题为“DUAL SOLDER LAYER FOR FLUIDIC SELF ASSEMBLY AND ELECTRICAL COMPONENT SUBSTRATE AND METHOD EMPLOYING SAME”的于2012年8月2日提交的美国临时专利申请序列号61/678,933的优先权，其整体内容被通过引用合并到此。

背景技术

使用自组装的电子组件放置正成为用于大量生产电子组装的重要方法。例如，熟知的是在射频标识标签（RFID）的生产中使用流控自组装（SA）。在该方法中，具有独特尺寸和梯形形状的亚毫米集成封装掉落到被搅动的流体中，在此它们配合到衬底上的特定匹配沉降（matching depression）中。没有落入沉降中的封装被移除并且被重新掉落，直到全部都被匹配。然后通过在电子封装上进行掩模并沉积导电条带来作成电路连接。该方法在大量时运作良好，但是要求十分特定的几何形状的组件或封装，以及必须被特定地蚀刻以容纳封装的衬底。

已经被研究的一种更一般的方法不要求特定形状的封装，并且可以使用更标准的组件。在该方法中，使组件掉落到被搅动的流体中，在此它们使用各种方法通过接触和粘附而在衬底上找到正确的位置。例如，亲水和疏水材料可以被涂敷在组件和想要的衬底位置或接合部位site上，以使得当各部分找到在相同的涂料变为接触（即亲水-亲水或疏水-疏水）时它们意图粘接的正确位置的时候，混合的涂料不粘接。搅动流体也是必需的，因为其使组件的运动随机化，允许它们作出与衬底的所有区域的接触尝试。更进一步地，如果它们在首次尝试时未粘接，则搅动允许组件作出很多尝试，直到它们最终找到接合部位。

用以实现自组装的最佳方式之一是通过在金属接触上使用焊料的强浸润效应来将组件“拉动”到位。与其它SA接合材料不同，焊料还具有高的润滑作用；这意指一旦组件与焊料进行接触，组件就可以在最小摩擦的情况下找到最小能量配置。这种浸润效应在焊料为液体时发生，因此必须在焊料的熔点之上完成组件的自组装。在焊料SA的情况下，人们将衬底和电子组件浸没在液体中，允许液体将组件运送到它们的位置。当组件变为与衬底上的熔化的焊料接触时，焊料浸润效应起效，将组件拉动到它们的最终位置并且保持它们。注意，特别是，因为焊料助熔剂的低润滑作用，所以使用焊料助熔剂作为粘合剂对于SA并不是有用的。

对于焊料SA，由于各种原因而使用低熔化温度焊料（T_m<150℃，其中，T_m是熔点）。一个原因是，简单的更低黏性无毒液体（诸如水）是易于使用的，但明显要求温度小于它们的沸点。更进一步地，由于在典型SA运转中电子或光电组件被按一分钟的量级浸没在热液体中，所以高的温度可能损坏组件。遗憾的是，非常低温度焊料（T_m<100℃）通常要求Bi，Bi通常导致差的接合并且因此导致组件的不可靠的长期附接。焊料组分（诸如Sn-In）可以具有T_m=145℃，但是再次地对于组件的长期附接而言可靠接合是不可接受的。此外，使用具有如此低熔点的焊料对于其操作温度可能接近或甚至超过这样的低温度焊料的熔点的组件（诸如发光二级管（LED））的长期操作而言可能是有问题的。

Morris等人的美国专利公开No.2010/0139954公开了一种方法，通过该方法，可以在可行的温度下执行基于焊料或流体的SA，同时还提供用以将组件与可靠的更高温度焊料永久地电接合的方法。所述方法使用执行不同功能的多个部位。特别是，组件上的中心部位被用于SA粘合部位，而更靠近部分边界的空间分离的部位被用于电接合。通常，电接合部位是焊料凸块。所有的接触都在组件的底部上并且被设计为与衬底上的匹配部位相配。衬底上的中心接合部位支承当液化时形成半球形状的低温度焊料（或其它材料）。当液体超过固体电焊料凸块的高度时中心SA焊料的高度。焊料凸块在比中心接合部位焊料更高的温度下熔化。在所描述的实施例中，针对粘合到电组件上的焊料凸块的SA粘合部位采用共晶Bi-Sn焊料（T_m=138℃）。焊料凸块由对于形成可靠的高导电率电连接来说熟知的共晶Sn-Pb（T_m=183℃）构成。在两个步骤中执行组装。在第一步骤中，在高于中心SA粘合部位上的焊料或材料的熔点但是低于焊料凸块的熔点的温度下将组件和衬底放置在的流控浴器中。在液体浴器中执行到中心焊盘上的自组装。当组件接触在衬底上的中心SA焊料时，因为组件接触的附加浸润，所以凸起轮廓松弛。所组装的衬底被冷却以固定组件位置。衬底然后被放置到其中温度高于焊料凸块的熔点的回流炉中，焊料凸块然后必须扩展以到达组件上的接触。虽然该方法允许具有更可靠和更高导电率的电连接，但是组件和衬底要求附加的接触和焊盘，这导致更大的制备复杂度。更显著地，该方法的可行应用要求具有焊料凸块和附加焊料掩模的组件，以用于利用低温度焊料来仅涂敷SA粘合部位。这导致更长的总制造时间和成本，SA应当对这两者进行缓解。因为SA焊料和电接合焊料的物理高度改变必须与处理兼容，所以在该方法的情况下发生其它问题。

发明内容

本发明的目的在于消除现有技术的缺点。

本发明通过组合用于自组装（SA）的低温度焊料和更高温度的可回流焊料的优点以作出最终的更可靠的结合来解决上面的问题。

本发明采用两层方法，通过该方法，可以在低温度的情况下发生基于流控焊料的自组装，同时可以使用被已知为更可靠的更高温度焊料来完成最终焊接。更进一步地，与上面描述的分离的电接触/粘合部位方法不同，可以利用同一接触焊盘来作出自组装和电连接。这允许在组件接触和衬底焊盘配置上的更大得多的灵活性。此外，因为低温度焊料和高温度焊料这两者都被施加到同一接合焊盘，所以组装处理是直接的，减小了组装时间并且减少了成本。

两层焊料被用于每个电接触。不要求其它接触。因此，接触用作为SA粘合部位和焊料连接部位这两者。基底层焊料适合于高可靠性和高电导电率。典型地，这将是被用于回流的焊料。第二顶层是被用于SA的低熔化温度焊料或液体金属。在一个实施例中，该顶部低温度SA焊料层将比基底层薄，比例取决于所涉及的焊料的组分。然而，这在本发明中并不是限定的约束。该方案将允许低温度SA焊料层熔化并且在冷却之后在自组装步骤期间将组件接合到衬底。由于各部分已经被接合在正确的位置，因此冷却的衬底将在回流炉或其中这两层焊料都将熔化的其它部件中被重新加热到高于基底焊料层的熔点的温度。利用焊料的正确选择，两个焊料层将混合并且与在仅有低温度SA焊料的情况下而可能的相比将形成更可靠并且更高的导电率结合。

依照本发明的一方面，提供了一种电组件衬底，包括具有双焊料层的至少一个焊料焊盘，所述双焊料层包括自组装焊料的第一层和基底焊料的第二层，所述基底焊料的第二层被部署在所述焊料焊盘上，并且所述自组装焊料的第一层被部署在所述第二层上，其中，自组装焊料具有小于第一温度的液相线温度，并且基底焊料具有大于所述第一温度的固相线温度。

依照本发明的另一方面，提供了一种用于流控自组装的方法，包括：

（a）获得电组件衬底，所述衬底包括具有双焊料层的至少一个焊料焊盘，所述双焊料层包括自组装焊料的第一层和基底焊料的第二层，所述基底焊料的第二层被部署在所述焊料焊盘上，并且所述自组装焊料的第一层被部署在所述第二层上，其中，自组装焊料具有小于第一温度的液相线温度，并且基底焊料具有大于所述第一温度的固相线温度；

（b）在所述第一温度下将所述电组件衬底和至少一个电组件浸没在流体浴器中，从而所述自组装焊料液化；

（c）搅动所述流体浴器，从而所述电组件粘附到液化的自组装焊料；

（d）从所述流体浴器移除所述电组件衬底；

（e）将所述电组件衬底加热到大于所述基底焊料的所述固相线温度的第二温度，从而所述基底焊料和所述自组装焊料组合以形成合成合金；以及

（f）冷却所述合成合金，以在所述电组件与所述电组件衬底上的焊料焊盘之间形成电焊料连接。

在一个实施例中，所述第一温度小于约150℃，并且更优选地，小于约100℃。

在另一个实施例中，所述自组装焊料对于所述基底焊料的质量比小于1，并且更优选地在0.5和1之间。

附图说明

图1A-图1C示意性地图解根据本发明的两层基于焊料的自组装衬底和方法的实施例。

图2A和图2B分别是用于自组装（SA）焊料和基底焊料的示例性二元相图。

图3是用于Ga-Sn的二元相图。

图4是用于Ga-Zn的二元相图。

图5是用于Ga-In的二元相图。

图6是用于Sn(0.5)-Ga(0.5)的在回流之后的合成焊料中的元素的计算出的质量分数的图形表示。

图7是用于Sn(0.21)-Ga(0.79)的在回流之后的合成焊料中的元素的计算出的质量分数的图形表示。

具体实施方式

为了更好地理解本发明连同本发明的其它和进一步的目的、优点和能力，参照结合上面描述的附图所做的随后公开和所附权利要求。

在图1A-图1C中图解依照本发明的采用电组件衬底的实施例的自组装方法的实施例。为了示例，我们考虑相同的一个接触的组件的SA。两层焊料已经被施加到电组件衬底18的焊料焊盘16。在图1A中，组件10被放置在液体浴器20中，液体浴器20的温度高于上SA焊料层12的熔点但是低于基底焊料层14的熔点。上SA焊料层12因此在浴器的温度下是液体，而附接到在衬底18上的焊料焊盘16的基底焊料层14仍为固体。通常，浴器20由不反应或损坏组件、焊料或衬底材料的流体（诸如水或乙二醇）构成。流体一般被搅动以增加对于衬底上的焊料部位的组件附接的概率。组件10使其电接触被涂覆有金或其它贵金属，液化的上SA焊料层12将对所述金或其它贵金属有效地浸润。优选地，组件10是LED管芯。

在一段时间之后，所有或大多数部分将附接到想要的焊料粘合部位，并且SA处理终止。实现想要的附接产出所必需的时间由搅动速率、液体浴器的物理参数、温度、焊料表面能量、组件接触特性和其它因素确定。衬底然后被冷却，以允许SA焊料固化。在一些实施例中，若是液体SA焊料的粘合强度高得足以防止组件在从浴器移除衬底时脱落，那么不要对SA焊料固化。在图1B中示出针对固化的SA焊料的情况的得到的配置。

在最终步骤中，基底焊料层14被熔化，从而组件10形成对焊料焊盘16的电焊料连接22。这可以通过本领域中所知的各种方法来完成，但是典型地将由在想要的时间-温度轮廓的情况下使衬底通过回流炉构成。在该最终回流时段期间，基底层和SA焊料层这两者都熔化以形成液体，其组分现在由这两种焊料的混合物构成。在冷却期间，所熔化的焊料将固化，形成电焊料连接22，电焊料连接22由具有想要的电特性和机械特性的新合成合金组成。在图1C中对此进行了描绘。

由于两种焊料形成合成合金，因此应当适当地选取基底焊料和SA焊料这两者的组分和摩尔分数。针对SA焊料所要求的用于低熔点的可能材料优选地包括具有低毒性（无Hg、Pb、Sb和Cd）、用于可靠SA的高表面能量以及将被用于基底焊料的到公共无Pb回流焊料的溶解的系统。如果SA焊料的摩尔分数不太大（典型地小于10%），则SA焊料到基底焊料的溶解一般是可能的。替换地，人们可以选取SA焊料和基底焊料的摩尔浓度，以使得它们处于共晶；然而，这要求仔细监控每个焊料焊盘上的SA焊料和基底焊料质量比。因此，共晶方法是不太想要的。在第三方法中，SA焊料摩尔分数可以具有大于10%的值，或许50%或更大。固化的合成形成新合金，虽然与基底焊料的初始合金不同。这是优选方法，因为对SA焊料的施加约束得最少，并且可以通过其中衬底仅接触液体SA焊料浴器的简单的“薄化”方法来施加。

在很多情况下，可能想要使SA浴器处于甚至接近室温的温度。由于Ga、In、Bi和Sn的很多合金被已知为具有甚至低于100℃的熔点，因此这将通常把SA焊料限制为主要为Ga、In、Bi和Sn这些要素的纯元素或主要由Ga、In、Bi和Sn这些要素构成的金属合金。因为镓的低毒性和29.8℃的非常低的熔点，所以特别地使用纯Ga或Ga合金可能是特别有利的。Ga在其它合金中也是可溶解的。优选地，基底焊料是具有远高于期望的操作温度以使长期故障（诸如蠕变（creep）或氧化）最小化但是远低于任何组件或衬底损坏阈值的熔点的焊料。

在第一实施例中，SA焊料被选取为与基底焊料相比具有更低的熔点。关于组分（诸如为共晶、二元或其它物理因素或性质）未作出任何要求。特别是，自组装处理在温度T₁>T_SA,L下发生，其中，T_SA,L是SA焊料的液相线温度。此外，选取基底焊料，从而其固相线温度T_B,S>T₁。更进一步地，在回流或最终附接处理期间，用于形成最终电焊料连接的温度T₂高于用于基底焊料的液相线，或T₂>T_B,L，并且将总是超过初始SA焊料合金的液相线温度。最终准则是：温度T₂也高得足以将整个SA焊料和基底焊料溶液保持在液体状态；即T₂>T_comp,L，其中T_comp,L是从SA焊料和基底焊料的液体溶液形成的最终合成合金的液相线温度。

为了说明，图2A和图2B连同以上所限定的温度一起分别示出用于二元SA焊料合金和基底焊料合金的两个假定相图。假设SA焊料为由成分A和B构成的二元合金，其中组分为从B的0%到100%的范围，包括0%和100%。相似地，假设基底焊料由成分C和D构成，其中组分为从D的0%到100%的范围，包括0%和100%。在示例中，假设SA焊料和基底焊料分别具有组分xA+(1-x)B和yC+(1-y)D，其中，x和y是A和C的相应摩尔分数。在SA焊料的情况下，固体形式由富A的α相或溶液和富B的β相的混合物构成。注意，因为合成的SA合金和基底合金的最终组分确定所焊接的组件的最终可靠性性质，所以选取用于SA焊料和基底焊料的共晶组分不一定是有利的。

一般而言，用于该实施例的SA焊料系统可以由使用以下低熔点元素中的至少一个的纯金属、二元合金、三元合金或更高阶合金构成：Ga、In、Bi、Se、Sn和Zn。锑在一些应用中也是一种可能，但是其毒性大于Ga、In、Bi、Sn和Zn。碱金属通常具有非常低的熔点，但是它们的反应率对于焊料而言是高度不想要的。SA焊料合金还可以包括很少的元素杂质（<1%），这样的元素包括但不限制于Ag、Au、Al、Cu、Ge、Ni或Si。这样的杂质一般对于SA焊料而言是不想要的，因为它们将增加SA焊料的熔点，但是由于两层系统被加热到更高的回流温度，因此对于增强最终合成焊料性质或溶解行为来说可能或许是必要的。更进一步地，这样的杂质对于实际的焊料系统而言可能是不可避免的。

针对本发明接下来的实施例，我们考虑具有尽可能低熔点但是将不招致最终的合成焊料结合中的不想要的性质的SA焊料组分。基底焊料优选地是兼容的无铅焊料。为了减少针对SA焊料的元素选择的数目，我们考虑在低毒性焊料中可使用的最低熔点元素：Ga、In、Bi和Sn（表1）。注意，铟通常在焊料结合中引发蠕变，并且大概应当在大多数应用中被避免。铟也是昂贵的。然而，一定的铟组分已经示出为具有良好的焊料性质，因此其在两层焊料自组装中是有用的。

表1.用于自组装焊料的主要元素

用于两层焊料自组装的一个重要特性是SA焊料M_SA对于基底焊料M_B的质量比R_M，其中，R_M=M_SA/M_B。通常，因为SA焊料一般含有大量低熔化元素以将SA焊料熔点保持在合理的值，所以通常该比将远小于1。另一方面，这些元素通常在最终的合成焊料中具有更小的质量分数，以便当组件在高于环境温度下操作时具有用以使蠕变和其它问题最小化所需要的合理焊料性质和更高的熔点。然而，如果质量比R_M更接近二分之一或更大，则自组装被更好地配适。这是因为，必须向液体浴器中的组件提供足够熔融的材料，以形成充足的粘合部位。更进一步地，SA焊料的施加将通常被以熔融形式完成，并且将强烈地浸润下面的固体基底焊料强烈浸润；因此，少量SA焊料的受控制的施加是更困难的。此外，人们将要把基底焊料和SA焊料的总质量保持为与常规的一层回流或其它焊接处理相似的量。因此，在衬底上放置大量基底焊料以容纳更大量的SA焊料的沉积是不可行的。在谨记这些概念的情况下，我们在接下来的实施例中考虑用于两层焊料自组装的示例可行系统。

针对第二实施例，我们考虑Bi二元合金。由于Bi-Sn在57的重量百分比的Bi的情况下具有139℃的共晶温度，因此其为最佳选择之一。虽然Bi焊料具有包括脆性和适度毒性的一些可靠性折中，但是它们可能在某些两层自组装处理中具有应用。因此，人们可以使用Bi(58)-Sn(42)共晶焊料用于质量M_SA的SA焊料。注意，所有分数焊料合金组分以重量百分比（wt.%）为单位。例如，Bi(58)-Sn(42)含有58wt.%的Bi和42wt.%的Sn。针对兼容的基底焊料，人们可以使用Sn-Ag或Sn-Ag-Cu的兼容合金。如果人们使用例如商业上可用的合金（Indium公司）Sn(96.5)-Ag(3.0)-Cu(0.5)（T_L=220℃），则在回流之后的合成焊料将接近具有在198-212℃的范围中的熔点的熟知的系统Sn(90)-Ag(2.0)-Bi(7.5)-Cu(0.5)。这对于回流接合而言是合适的，并且对于组件（诸如LED）而言在可接受的温度范围内。

所要求的SA焊料对于基底焊料的质量分数R_M可以由以下等式求出：

(1),

其中，x_Bi-SA是SA焊料中的Bi的质量浓度，并且x_Bi-Comp是在回流之后的合成焊料中的质量浓度。对于合成焊料中的7.5%的Bi的情况而言，SA焊料对于基底焊料的质量分数近似为0.15。最终的合成焊料组分是不太远离想要的组分的Sn(89.4%)-Ag(2.6)-Bi(7.5)-Cu(0.4)。

一般而言，人们将在可能对于SA焊料的沉积有益的SA焊料的更高质量分数和自组装要求之间作出折中，同时更低的质量分数减少Bi含量并且可以给出更好的合成焊料性质。例如，焊料Sn(91.8)-Ag(3.4)-Bi(4.8)已经示出具有在200-216℃的范围内的熔点的优异的长期电性质和热性质。在该情况下，人们可以以具有对于回流而言稍高但可接受的221℃的熔点的Sn(96.5)-Ag(3.5)共晶合金（可从Indium公司得到）的基底焊料开始。在想要的质量分数R_M=0.090的情况下，所得到的合成焊料非常接近想要的Sn(92.0)-Ag(3.2)-Bi(4.8)。

一般而言，人们可以使用共晶Sn-Bi合金用于SA焊料，连同于此，可以使用各种可用的Sn-Ag合金用于基底焊料，其中Sn质量浓度至少为80%，并且优选地大于90%，以实现可使用的回流温度。此外，在共晶Sn-Bi合金上的变化（诸如三元合金Sn(42)-Bi(57)-Ag(1.0)）具有非常接近二元共晶的熔化温度（T_l=140℃），但是可能具有附加的想要的性质。这样的三元合金已经被用在商业产品中。

在第三实施例中，我们考虑具有In的合金，In可以针对最终的合成焊料合金给出良好的焊料性质。已经研究了形式Sn-Ag-Bi-In的四元合金，其中，In质量浓度从2.5%到8.0%变化。特别是，发现了更高的In组分Sn(88)-Ag(3.5)-Bi(0.5)-In(8)在长期测试中具有良好的强度和结合可靠性，同时具有合理的固相线熔点T_S=165℃以及T_L=206℃的液相线点。因为In具有低熔点（表1），所以其对于SA焊料而言非常有用，并且与基于Bi的SA焊料相比可以允许更平衡的SA焊料对于基底焊料的质量比。

对于基于In的SA焊料而言的良好选择是共晶In(50.9)-Sn(49.1)合金，其具有熔点T_m=120℃，稍低于Bi-Sn共晶。根据针对In的情况的等式(1)，我们发现，质量分数R_M=0.195，并且想要的基底焊料组分是Sn(96.2)-Ag(4.2)-Bi(0.6)。用于该三元合金的液相线点是大约235℃，该温度归因于Ag₃Sn相的形成而比想要的稍高。将基底焊料中的Ag浓度减少到3.5%给出大约220℃的更好的液相线点。使用减少的Ag浓度并且改动基底焊料中的Sn的平衡给出最终的合成焊料Sn(88.6)-Ag(2.9)-Bi(0.5)-In(8)，其应当具有接近上面描述的焊料的性质。注意，更通常地，各种In-Bi-Sn和In-Bi合金具有甚至比In-Sn共晶更低的熔点，并且在恰当的基底焊料组分的情况下对于SA焊料而言可能是有用的。

在第四实施例中，因为当用作具有其它焊料合金的添加剂时镓的非常低的熔点（表1）和想要的冶金性质，所以我们针对SA焊料考虑Ga合金。非常低的Ga熔点意指宽范围的Ga合金也将在大组分范围上具有低熔点，这允许在更接近室温的温度下进行自组装。如所讨论的那样，这对于两层焊料自组装而言是强烈地想要的。Ga的二元合金包括Ga-Sn、Ga-Zn和Ga-In。图3到图5分别示出用于这些合金的相图。

为了在Ga的情况下进行示例，我们考虑最简单的SA焊料组分和基底焊料组分。参照图3，我们考虑Sn(1-y)-Ga(y)的基底焊料组分，其中，y是Ga的质量分数。如果假设最大可使用的SA焊料液相线低于150℃，则Ga的分数y>0.25。对于T_L=100℃或50℃的更合理的温度而言，分别为y=0.5和y=0.79。合理的基底焊料是具有T_m=221℃的熔点的共晶焊料Sn(96.5)-Ag(3.5)，T_m=221℃的熔点远高于针对所考虑的Sn(1-y)-Ga(y)合金的范围的液相线温度。图6示出在假设为Sn(0.50)-Ga(0.50)的SA焊料组分的情况下作为SA焊料对于基底焊料质量比的R_M的函数的所计算的合成合金的质量分数。在图7中示出针对Sn(0.21)-Ga(0.79)的更低温度SA焊料组分的相似的计算。

原则上，可能存在宽范围的基于Ga的二元、三元以及甚至四元SA焊料合金，其包括Ga和主要成分的Sn、Zn、In和Bi。对于基底焊料而言，无铅合金可以基于包括Sn的二元系统（诸如，Sn-Ag、Sn-Au、Sn-Zn、Sn-Cu、Sn–Bi以及Sn-In）。合适的合金可以进一步包括更少量的Cu、Al、Ni和Mg以辅助焊料性质。然而，SA焊料组分和基底焊料组分不限制于这些组合。

虽然已经示出并描述了目前被考虑为本发明的优选实施例的内容，但是对于本领域技术人员将显而易见的是，在不脱离由所附权利要求所限定的本发明的范围的情况下，可以在此作出各种改变和修改。