CN101480763A

CN101480763A - 复合材料焊料及其制备方法

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Publication number: CN101480763A
Application number: CNA2008100016396A
Authority: CN
Inventors: 刘海
Original assignee: Samsung Semiconductor China R&D Co Ltd; Samsung Electronics Co Ltd
Current assignee: Samsung Semiconductor China R&D Co Ltd; Samsung Electronics Co Ltd
Priority date: 2008-01-07
Filing date: 2008-01-07
Publication date: 2009-07-15

Abstract

本发明公开了一种复合材料焊料及其制备方法。该复合材料焊料包含作为基体的金属焊料和作为增强体的SiC晶须，其中金属焊料可以为含铅金属焊料或无铅金属焊料，SiC晶须所占的体积百分比可以为0.1％－30％，直径可以为0.5－1微米，长径比可以为20∶1至40∶1。该复合材料焊料具有较高的抵抗蠕变和抵抗裂纹扩展的能力。

Description

复合材料焊料及其制备方法

技术领域

本发明涉及适用于将电子元件进行互连的焊料，具体地讲，涉及一种金属焊料基陶瓷晶须增强的复合材料焊料以及该复合材料焊料的制备方法。

背景技术

焊料互连是各级电子互连的重要方式之一，主要用于倒装芯片(flipchip)、球栅阵列封装(BGA)、四侧引脚扁平封装(QFP)等封装技术。在适用于将电子元件进行互连的焊料中，锡铅焊料以其优异的性能和低廉的成本而成为电子互连领域中主要采用的焊接材料。近来，由于减少和防止环境污染的原因，无铅焊料逐渐引起了人们的关注。目前，所开发的无铅焊料主要包括二元合金无铅焊料和多元合金无铅焊料。二元合金无铅焊料的示例为Sn-Ag、Sn-Cu、Sn-Bi、Sn-Zn、Sn-Sb等；多元合金无铅焊料的示例为Sn-Ag-Cu、Sn-Zn-Bi、Sn-Ag-Bi-Cu、Sn-Ag-Bi-In、Sn-Ag-Bi-Cu-Ge等。

然而，由于电子设备的日益小型化和多功能化的发展趋势需要不断地提高电子元件的集成度，因而也需要不断地改进焊料的性能，从而使焊料能够经受长时间的加热、温度变化、热膨胀差异、机械振动等的影响，并防止裂纹等缺陷的产生和扩展，进而提高半导体装置中电子互连的可靠性。

因此，开发与利用性能优异的焊料成为人们研究的重点。

为了提高焊料的性能，可以采用优化金属焊料的组成、将焊料颗粒纳米化和添加增强体等多种方式，其中关于添加增强体方面的研究最为丰富。例如，可以向金属焊料中添加金属纳米颗粒，诸如Cu、Mo、Ta等纳米颗粒，从而提高焊料的微观硬度；可添加微量稀土元素，诸如Sc、La、Ce、Er、Y等，从而细化晶粒，提高焊料的润湿性能，并提高焊料的断裂韧性；可添加惰性材料，诸如纳米多面低聚倍半硅氧烷(POSS)材料(如图1a所示)，POSS作为惰性的无机/有机混合材料可增强金属焊料与增强体之间的相互作用，从而提高焊料的机械性能；可物理或化学地添加金属间化合物，诸如纳米Cu₆Sn₅材料(如图1b所示)，从而提高焊料的蠕变应变率敏感性等性能；可以向液态金属焊料中添加细小的铁磁颗粒，这种细小的分散质颗粒可提高焊料的抗变形和抗蠕变能力；可以添加陶瓷颗粒，诸如Al₂O₃颗粒等，从而提高焊料的机械性能；此外，还可以添加氧化钛、氧化锆和氮化铝等氧化物或氮化物颗粒，以提高焊料的微观硬度。

虽然这些增强体可以起到分担基体所承受的载荷、增加基体中的位错等作用，从而提高焊料承受热疲劳和机械冲击的能力，但是目前研究的这些增强体仍然具有多方面的缺点。例如，微量元素的添加对焊料性能的提高非常有限，金属间化合物常常由于回流过程中与基体的反应而导致互连强度降低，而氧化铝等颗粒则会在回流过程中存在团聚问题，并影响焊料与焊盘的润湿性能等。

因此，仍然需要对焊料的增强体进行不断的探索和研究。

发明内容

本发明的目的在于提供一种复合材料焊料，该复合材料焊料具有较高的抵抗蠕变和抵抗裂纹扩展的能力。

本发明的另一目的在于提供一种复合材料焊料的制备方法，以制备能够有效地提高焊料抵抗蠕变和抵抗裂纹扩展的能力的复合材料焊料。

本发明的另一目的在于提供一种电子组件，以提高电子组件的可靠性。

本发明的另一目的在于提供一种电子元件的连接方法，以提高电子互连的可靠性。

为了实现上述发明目的，本发明提供了一种复合材料焊料，该复合材料焊料包含作为基体的金属焊料和作为增强体的SiC晶须，其中金属焊料可以为含铅金属焊料或无铅金属焊料，SiC晶须所占的体积百分比可以为0.1％-30％，直径可以为0.5-1微米，长径比可以为20:1至40:1。

为了实现上述发明目的，本发明还提供了一种复合材料焊料的制备方法，包括：(a)将作为基体的金属焊料与作为增强体的SiC晶须进行混合，得到混合物；(b)使上述混合物成型，得到复合材料焊料。其中金属焊料可以为含铅金属焊料或无铅金属焊料，SiC晶须所占的体积百分比可以为0.1％-30％，直径可以为0.5-1微米，长径比可以为20:1至40:1。该制备方法可以采用搅拌铸造、粉末冶金、挤压铸造或喷射沉积方式中的一种。

为了实现上述发明目的，本发明还提供了一种电子组件，该电子组件由至少两个电子元件连接组成，所述连接采用如上所述的复合材料焊料。其中所述至少两个电子元件包含有源器件和无源器件中的至少一种。

为了实现上述发明目的，本发明还提供了一种电子元件的连接方法，所述连接采用如上所述的复合材料焊料。

通过参考以下结合附图对实施例进行的描述和说明，本发明的上述目的和优点将变得更加明了。

附图说明

图1a是根据现有技术的以纳米POSS为增强体的焊料的SEM图。

图1b是根据现有技术的掺杂有纳米Cu₆Sn₅的Sn-Ag-Cu焊料的TEM图。

图2是根据本发明的以金属焊料为基体且以SiC晶须为增强体(金属焊料/SiC晶须)的复合材料焊料的微结构的示意图。

图3是在根据本发明的金属焊料/SiC晶须复合材料焊料中裂纹扩展的示意图。

图4是根据本发明的SiC晶须增强体互相搭接的示意图。

图5a至图5d是根据本发明的金属焊料/SiC晶须复合材料焊料的制备方法的示意图，其中图5a至图5d分别是搅拌铸造、粉末冶金、挤压铸造和喷射沉积方式的示意图。

图6a至图6c是半导体封装件利用根据本发明的金属焊料/SiC晶须复合材料焊料在电子元件之间进行焊料互连的示意图。

具体实施方式

在下文中，参照附图更充分地描述了本发明，本发明的实施例示出在附图中。然而，本发明可以以多种不同的形式来实施，且不应被理解为局限于在此提出的实施例。相反，提供这些实施例使得本公开将是彻底和完全的，且将把本发明的范围充分地传达给本领域的技术人员。在附图中，为了清晰起见，会夸大层和区域的尺寸和相对尺寸。

参照图2，根据本发明的复合材料焊料包括作为基体的金属焊料和作为增强体的SiC晶须。SiC晶须分散在金属焊料基体中。

一方面，对于金属焊料基体来说，所述金属焊料可以为含铅金属焊料或无铅金属焊料，例如可以是由Sn、Pb、Ag、Cu、Bi、Zn、Sb、In、Ge和Mg中的至少两种金属形成的合金。其中含铅金属焊料可以为锡铅焊料；无铅金属焊料可为二元合金无铅焊料或多元合金无铅焊料，例如Sn-Ag、Sn-Cu、Sn-Bi、Sn-Zn、Sn-Sb、Sn-Ag-Cu、Sn-Zn-Bi、Sn-Ag-Bi-Cu、Sn-Ag-Bi-In、Sn-Ag-Bi-Cu-Ge等。

另一方面，对于SiC晶须增强体来说，SiC晶须通常是一种直径为纳米级至微米级的具有高度曲线性的纤维晶体材料。SiC晶须的晶体结构缺陷少，长径比大(可为大约20:1-100:1)，强度高，因此增强效果非常好。另外，SiC晶须还具有很高的抗拉强度和弹性模量，例如SiC晶须的抗拉强度可达到7GPa，弹性模量可达到550GPa。再者，SiC晶须的热胀系数低、导热系数高，还具有较高的化学稳定性以及抗高温氧化性，并与Al、Ti、Mg等多种金属之间有良好的化学相容性和润湿性。

因此，在如图2所示的金属焊料/SiC晶须复合材料焊料中，当该复合材料焊料承受热疲劳或冲击等作用时，分散在基体中的增强体SiC晶须可以分担一部分载荷，使作用在基体中的应力减小，从而提高复合材料焊料的机械性能，提高电子互连的可靠性和寿命。另外，由于SiC晶须的热胀系数远低于基体，因而在焊料制备过程中，会造成基体的微塑性变形，进而在基体中形成大量位错，从而提高焊料的屈服强度。再者，由于SiC晶须的化学稳定性高，因此在回流过程中不会与基体发生反应，从而也可提高电子互连的可靠性。

为了使SiC晶须增强体的增强效果达到最佳，优选地，在根据本发明的复合材料焊料中，SiC晶须增强体的晶体结构是单晶结构，直径为0.5-1微米，长径比为20:1至40:1，平均长度为20微米。

参照图3，高强度的SiC晶须可有效承受外界载荷，并当焊料基体中有裂纹形成时，在断开的裂纹面之间起到坚实的桥连作用，使基体产生使裂纹闭合的力，从而提高复合材料的韧性；另外，由于SiC晶须的拔出机制，也可以消耗一部分外界负载能量，从而达到增韧目的。由此可见，通过SiC晶须的拔出、桥连、承担载荷等机制可延缓裂纹的扩展速度，增强复合材料焊料的韧性，从而提高复合材料焊料抵抗蠕变和抵抗裂纹扩展的能力。

基于根据本发明的复合材料焊料的总体积，SiC晶须增强体所占的体积百分比可以为0.1％-30％。若SiC晶须增强体的体积百分比小于0.1％，则SiC晶须增强体的增强效果不明显；若SiC晶须增强体的体积百分比高于30％，则SiC晶须的增强效果并不会有显著提高。因此SiC晶须增强体的体积百分比为0.1％-30％。如图4所示，当SiC晶须的体积百分比达到20％或大于20％时，分布在金属焊料基体中的SiC晶须可互相搭接，从而在回流过程中更加有效地防止由于增强体的坍塌、漂移而产生的团聚现象。可见，SiC晶须的体积百分比优选地为20％-30％。

下面参照图5a至图5d详细描述根据本发明的金属焊料/SiC晶须复合材料焊料的制备方法。

实施例1：

下面参照图5a描述以搅拌铸造方式制备根据本发明的复合材料焊料的步骤：提供液态金属焊料基体，然后向液态金属焊料基体中添加适宜比例的SiC晶须，机械搅拌均匀，使SiC晶须均匀分散在金属焊料基体中，最后将液态金属焊料基体与SiC晶须的混合物浇铸成型，从而得到金属焊料/SiC晶须复合材料焊料。

实施例2：

下面参照图5b描述以粉末冶金方式制备根据本发明的复合材料焊料的步骤：提供粉末状金属焊料基体，然后向粉末状金属焊料基体中添加适宜比例的SiC晶须，机械搅拌均匀，最后进行冷压烧结或者采用热压烧结使粉末状金属焊料基体与SiC晶须的混合物成型，从而得到金属焊料/SiC晶须复合材料焊料。

实施例3：

下面参照图5c描述以挤压铸造方式制备根据本发明的复合材料焊料的步骤：首先，将适宜比例的SiC晶须与硅胶混合，使两者的混合物成型并烘干，将得到的SiC晶须预制块放入模具中；其次，提供液态金属焊料基体，通过压头进行加压，从而将液态金属焊料基体压入SiC晶须预制块的孔隙中，并从下面的排气孔中排出气体；最后铸造成型，从而得到金属焊料/SiC晶须复合材料焊料。

实施例4：

下面参照图5d描述以喷射沉积方式制备根据本发明的复合材料焊料的步骤：提供液态金属焊料基体，将液态金属焊料基体通过喷雾，在惰性气体气流的作用下分散成细小的液态金属雾化流；在液态金属焊料基体喷射雾化的同时，将SiC晶须加入到雾化的液态金属焊料中，以与液态金属焊料基体混合，然后将液态金属焊料基体和SiC晶须一起在衬底上沉积成型，最终得到金属焊料/SiC晶须复合材料焊料。

根据本发明的金属焊料/SiC晶须复合材料焊料可以以诸如浇焊、回流焊、焊接后电镀、焊球、丝焊等各种方式应用到电子元件之间的电子互连中。即可以采用常用的电子互连方式将根据本发明的复合材料焊料应用到电子互连中，例如(a)将根据本发明的金属焊料/SiC晶须复合材料焊料制成焊膏，从而应用于电子互连中；(b)以液滴方式或喷雾方式将金属焊料/SiC晶须复合材料焊料应用于电子互连中；(c)将根据本发明的金属焊料/SiC晶须复合材料焊料轧制成薄片或拉成丝，然后使用油熔法制备焊球，从而应用于电子互连中。所述电子元件既可以为半导体封装件中的半导体芯片等有源器件，也可以为电阻、电容等无源器件。

例如，可以采用倒装芯片、球栅阵列封装(BGA)、四侧引脚扁平封装(QFP)等封装技术将根据本发明的金属焊料/SiC晶须复合材料焊料应用于半导体封装件中，如图6a至图6c所示，半导体芯片可以通过根据本发明的复合材料焊料与基板进行连接。由于金属焊料/SiC晶须复合材料焊料的抵抗蠕变和抵抗裂纹扩展的能力等性能得到了很大程度的改善，因此利用该复合材料焊料进行电子互连的半导体封装件的可靠性也可得到很大程度的改善。

尽管对本发明的一些示例性实施例进行了描述，但是本发明不应理解为局限于这些示例性实施例，在本发明的精神和范围内本领域的普通技术人员可以做出各种变化和修改。

Claims

1、一种复合材料焊料，包含作为基体的金属焊料和分散在所述基体中作为增强体的SiC晶须。

2、如权利要求1所述的复合材料焊料，其特征在于所述金属焊料为含铅金属焊料或无铅金属焊料。

3、如权利要求1所述的复合材料焊料，其特征在于所述金属焊料是由Sn、Pb、Ag、Cu、Bi、Zn、Sb、In、Ge和Mg中的至少两种金属形成的合金。

4、如权利要求2所述的复合材料焊料，其特征在于所述含铅金属焊料为锡铅焊料。

5、如权利要求2所述的复合材料焊料，其特征在于所述无铅金属焊料为Sn-Ag、Sn-Cu、Sn-Bi、Sn-Zn、Sn-Sb、Sn-Ag-Cu、Sn-Zn-Bi、Sn-Ag-Bi-Cu、Sn-Ag-Bi-In和Sn-Ag-Bi-Cu-Ge中的一种。

6、如权利要求1所述的复合材料焊料，其特征在于所述SiC晶须所占的体积百分比为0.1％-30％。

7、如权利要求1所述的复合材料焊料，其特征在于所述SiC晶须所占的体积百分比为20％-30％。

8、如权利要求1所述的复合材料焊料，其特征在于所述SiC晶须的晶体结构是单晶结构。

9、如权利要求1所述的复合材料焊料，其特征在于所述SiC晶须的直径为0.5-1微米。

10、如权利要求1或权利要求9所述的复合材料焊料，其特征在于所述SiC晶须的长径比为20:1至40:1。

11、如权利要求1或权利要求9所述的复合材料焊料，其特征在于所述SiC晶须的平均长度为20微米。

12、一种复合材料焊料的制备方法，其特征在于将作为基体的金属焊料与作为增强体的SiC晶须进行混合，并使所得的混合物成型。

13、如权利要求12所述的制备方法，其特征在于所述金属焊料为含铅金属焊料或无铅金属焊料。

14、如权利要求12所述的制备方法，其特征在于所述金属焊料是由Sn、Pb、Ag、Cu、Bi、Zn、Sb、In、Ge和Mg中的至少两种金属形成的合金。

15、如权利要求13所述的制备方法，其特征在于所述含铅金属焊料为锡铅焊料。

16、如权利要求13所述的复合材料焊料，其特征在于所述无铅金属焊料为Sn-Ag、Sn-Cu、Sn-Bi、Sn-Zn、Sn-Sb、Sn-Ag-Cu、Sn-Zn-Bi、Sn-Ag-Bi-Cu、Sn-Ag-Bi-In和Sn-Ag-Bi-Cu-Ge中的一种。

17、如权利要求12所述的制备方法，其特征在于所述SiC晶须所占的体积百分比为0.1％-30％。

18、如权利要求12所述的制备方法，其特征在于所述SiC晶须所占的体积百分比为20％-30％。

19、如权利要求12所述的制备方法，其特征在于所述SiC晶须的晶体结构是单晶结构。

20、如权利要求12所述的制备方法，其特征在于所述SiC晶须的直径为0.5-1微米。

21、如权利要求12或权利要求20所述的制备方法，其特征在于所述SiC晶须的长径比为20:1至40:1。

22、如权利要求12或权利要求20所述的制备方法，其特征在于所述SiC晶须的平均长度为20微米。

23、如权利要求12至权利要求22中任意一项所述的制备方法，其特征在于所述的混合、成型采用搅拌铸造、粉末冶金、挤压铸造或喷射沉积方式之一。

24、一种电子组件由至少两个电子元件连接组成，其特征在于所述的连接采用复合材料焊料，该复合材料焊料包含作为基体的金属焊料和分散在所述基体中作为增强体的SiC晶须。

25、如权利要求24所述的电子组件，其特征在于所述至少两个电子元件包含有源器件和无源器件中的至少一种。

26、如权利要求25所述的电子组件，其特征在于所述有源器件为半导体芯片。

27、一种电子元件的连接方法，其特征在于所述的连接采用复合材料焊料，该复合材料焊料包含作为基体的金属焊料和分散在所述基体中作为增强体的SiC晶须。