CN104282582A - 一种Ni-P基板的封装方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种Ni-P基板的封装方法；属于电子封装技术领域。本发明将5-20wt％的纳米镍粉与80-95wt％的助焊剂混合均匀后，涂覆或印刷于Ni-P基板上，然后再涂覆或印刷锡基焊料，得到待焊基板，然后将待焊基板置于磁场强度梯度为3-5×104G/m，且基板处磁感应强度为1000-2000G范围的静磁场中(磁场源在Ni-P板内侧)，进行回流焊接。本发明大大降低了焊点在服役过程中Ni-P的消耗速率，同时抑制了金属间化合物的长大，同时还避免了界面金属间化合物的分层或者剥离情况的出现。本发明焊点可靠性更好，且成本低，生产效率高，技术稳定性优良，适用于大规模工业应用。

Description

一种Ni-P基板的封装方法
技术领域
本发明涉及一种Ni-P基板的封装方法；特别涉及一种抑制Ni-P层消耗及界面层金属间化合物生长并采用含锡焊料封装Ni-P基板的方法；属于电子封装技术领域。
背景技术
P质量百分数为6-9％的非晶态化学镀Ni-P层与绝大多数基板(铜板、硅板等)具有较好的粘结性，能够有效地阻止锡基焊料中的Sn与基板的反应。与一般金属及合金镀层相比，非晶态Ni-P合金具有优异的机械性能及物理和化学特性，例如较高的硬度、良好的耐磨性和耐蚀性；另外，其具有良好的可焊接性，厚度均一可控性，表面光亮美观，因此，非晶态Ni-P化学镀层作为一种扩散阻挡层在flip-chip和BGA焊点等封装领域，尤其是航空航天关键电子元件与大功率计算机CPU封装中得到了广泛应用。但在封装焊接过程中，Ni原子从Ni-P层向焊接界面扩散，与Sn原子结合生成Ni3Sn4金属间化合物。同时，Ni原子向焊料中扩散也引起了Ni-P层的晶化，在Ni3Sn4与Ni-P层之间产生一层脆性的富P相(即Ni3P)严重影响焊点的力学性能。在焊点服役过程中，器件之间的热差异引起焊点内部的热迁移效应。热迁移作用使得Ni原子继续向焊接界面扩散，导致Ni3P层长大，最终Sn与Ni3P结合形成Ni-Sn-P金属间化合物，造成焊接界面的剥离。另外，Ni的消耗导致Ni-P层体积收缩，引起Ni3P中形成柱状孔洞，加速了基底Cu原子通过Ni-P层向界面的扩散速率，引起Ni-P/Cu界面的分离，严重影响焊点的电学性能、力学可靠性，最终导致BGA焊点失效，造成关键信息装置和电子器件的失效，引发通讯甚至航空事故。因此，迫切需要一种高效，廉价的Ni-P印刷基板焊接技术以抑制Ni-P层中Ni扩散和界面金属间化合物的生长，提高焊点可靠性和电子装置的寿命，推动新一轮封装技术革命。
据科技查新和专利检索结果，目前还没有抑制Sn-3.5Ag/Ni-P焊接界面Ni扩散的专利公布。近期科研文献主要集中在如何抑制Sn-Ag-Cu系焊料/Ni-P界面的反应。例如，Tseng等(Tseng C F,Lee T K,Ramakrishna G,et al.Suppressing Ni3Sn4formation in the Sn-Ag-Cu solder joints with Ni-P/Pd/Au surface finish[J].MaterialsLetters,2011,65(21):3216-3218.)提出在Ni-P板表面化学镀一层50 nm厚的Pd层，使用Sn-3.0Ag-0.5Cu焊接Ni-P/Pd/Au镀层发现界面形成了Cu6Sn5型的(Cu，Ni，Pd)6Sn5，此金属间化合物稳定性好，不易长大，且不会转变为Ni3Sn4型金属间化合物，有效地阻止了Ni-P中Ni的扩散，从而大大降低Ni3Sn4和Ni3P中柱状柯肯达尔空洞的生长速率。但Pd属于稀贵金属，增加了电路板制造成本。Wang等(Wang S J,Liu C Y.Retarding growth of Ni3 P crystalline layer in Ni(P)substrateby reacting with Cu-bearing Sn(Cu)solders[J].Scripta materialia,2003,49(9):813-818.)提出在Sn中添加Cu元素，在焊接过程中界面形成一层Cu6Sn5从而减缓Ni的扩散速率。但Cu元素的加入会改变焊料体系的焊接特性，不能进行广泛的推广使用。在Sn-3.5Ag焊料中不存在Cu，反应界面不存在Cu6Sn5，因此上述两种方法不适于Sn-3.5Ag/Ni-P体系的焊接。Kang等(Kang H B,Bae J H,Lee J W,et al.Control of interfacial reaction layers formed in Sn-3.5 Ag-0.7 Cu/electroless Ni-Psolder joints[J].Scripta Materialia,2009,60(4):257-260.)提出在焊接前对Ni-P基板进行真空热处理，在Ni-P层中成弥散分布的纳米Ni颗粒，从而诱导非晶态Ni原子向周围纳米Ni颗粒的团聚，抑制了非晶态Ni向界面的扩散。但真空热处理对设备要求较高，处理时间较长，对基板树脂的损害较大，应用受到限制。
另外，尽管强磁场(1-12×104G)耦合回流焊接技术在某些文献资料中有报道，但是采用强磁场会对封装的磁性芯片等产生磁化、消磁等不利影响，而采用弱磁场配合纳米镍粉的回流焊接技术在封装领域还未见相关报道。
发明内容
本发明针对现有技术焊接Ni-P基板时，容易出现Ni-P层消耗并晶化、脆性富P相(即Ni3P)的富集并生成Ni-Sn-P金属间化合物等不利情况，提供一种Ni-P基板的封装方法。
本发明一种Ni-P基板的封装方法，包括下述步骤：
步骤一
将纳米镍粉和助焊剂混合均匀，得到混合助焊剂，所述混合助焊剂以质量百分比包括：
纳米镍粉5-20％、优选为9-18％、进一步优选为12-15％；
助焊剂80-95％、优选为82-91％、进一步优选为85-88％；
步骤二
在Ni-P基板上所设定的封装焊点位置涂覆或印刷步骤一所得混合助焊剂；
步骤三
在步骤二涂覆或印刷的混合助焊剂上涂覆或印刷锡基焊料，得到待焊基板；
步骤四
在保护气氛下，将步骤三所得待焊基板置于磁场中进行回流焊接，所述磁场的感应强度梯度为3-5×104G/m，所述待焊基板处的磁感应强度为1000-2000G。
本发明一种Ni-P基板的封装方法，步骤一中所述纳米镍粉的粒度为50-100nm，纯度≥99.99％。
本发明一种Ni-P基板的封装方法，步骤一中所述助焊剂选自卫特斯NC-559-ASM RMA-223-UV无铅焊油助焊剂、美国Burnley DM-200型免清洗助焊剂、美国AMTECH NC-559-ASM免洗型助焊剂、强力牌QL-N991助焊剂、特偶WTO GW 9810A型助焊剂、倍思特BST-223A环保BGA无铅助焊剂和阿尔法无铅助焊剂中的至少一种；所述阿尔法无铅助焊剂为RF800无铅助焊剂或RF800T无铅助焊剂或RF800H无铅助焊剂。优选为美国Burnley DM-200型免清洗助焊剂。
本发明一种Ni-P基板的封装方法，步骤一中将纳米镍粉和助焊剂混合均匀是通过下述方案实现的：
在真空度为10-1-10-3Pa的条件，将按所设计混合助焊剂组分配取的纳米镍粉和助焊剂进行搅拌混合，得到混合助焊剂；搅拌混合时，控制转速为150-300r/min、时间为0.5-1h。
本发明一种Ni-P基板的封装方法，步骤二中，所述混合助焊剂的涂覆或印刷厚度为10-30μm。
本发明一种Ni-P基板的封装方法，按BGA焊点的设定方式在Ni-P基板上设定封装焊点的位置。
本发明一种Ni-P基板的封装方法，步骤三中，锡基焊料的涂覆或印刷厚度为200-500μm。
本发明一种Ni-P基板的封装方法，步骤三中，所述锡基焊料选自Sn-Ag系焊料和Sn-Bi系焊料中的一种。优选为Sn-3.5Ag系无铅焊料。
本发明一种Ni-P基板的封装方法，步骤四中，所述保护气氛为氮气保护气氛，焊接时，控制气流速为1000-3000ml/min。所述氮气的纯度≥99.99％。
本发明一种Ni-P基板的封装方法，步骤四中，进行回流焊接时，先升温至160-180℃，并保温5-15s后，继续升温至240-260℃，优选为250℃，保温90-150s后，以8-10℃/s冷却速度冷却至室温。
本发明一种Ni-P基板的封装方法，步骤四中，冷却方式为风冷。
原理和优势
本发明利用弱磁场对纳米镍粉的磁力作用使镍粉与Ni-P基板紧密接触，在回流焊接过程中纳米镍粉与Sn原子结合在Ni-P板表面形成一层连续、致密的Ni3Sn4金属间化合物层，有效地隔离了焊料中的Sn与Ni-P的直接接触，阻挡了焊点在焊接和服役过程中，Sn原子和基板中Ni原子的扩散结合。
另外，Ni原子在Ni3Sn4中的扩散速率小，Sn-基焊料/Ni3Sn4界面处Ni原子浓度接近Ni原子在Sn中的固溶度，因此Ni-P基板中Ni原子向焊接界面的扩散速率大大降低，Ni3Sn4的生长得到抑制。
由于脆性Ni3P和Sn-Ni-P化合物是Ni-P基板晶化后的产物，而Ni原子向焊接界面的扩散才会引起Ni-P的晶化，因此Ni原子扩散速率的降低减缓了Ni-P的晶化，也就抑制了脆性Ni3P和Sn-Ni-P化合物的生成，进而提高了焊点的寿命和可靠性。经测试，该方法回流焊接得到界面金属间化合物层致密度优于普通回流焊接工艺，Ni-P板消耗率小于15％，200℃下132h时效后界面金属间化合物厚度小于8μm，并且无Sn-Ni-P金属间化合物形成，Ni-P基板消耗速率及界面反应速率明显低于相同条件下普通Sn-3.5Ag/Ni-P焊点。
与现有技术相比，本发明的优点在于在助焊剂中直接添加微量的纳米镍粉，不改变Sn-3.5Ag的焊接特性曲线，利用弱磁场控制纳米镍粉分布，对电子元器件无损害，成功地通过外加法将合适厚度的致密Ni3Sn4引入界面，显著降低了界面金属间化合物的生长速率，有效地抑制了Ni-P层消耗及界面层的分层，大大提高了焊点的可靠性，解决了界面反应诱导的界面剥离和断路问题，且该技术成本低，工艺稳定，实用性强、易于大规模推广应用。
附图说明
附图1为本发明焊接技术示意图
附图2为普通焊接工艺得到的Sn-3.5Ag/Ni-P焊点界面微观组织。
附图3为普通焊接工艺得到的Sn-3.5Ag/Ni-P焊点在200℃经132h时效后的界面微观组织。
附图4为实施例1得到的Sn-3.5Ag/Ni-P焊点界面微观组织。
附图5为实施例1得到的Sn-3.5Ag/Ni-P焊点在200℃经132h时效后的界面微观组织。
附图6为实施例2得到的Sn-3.5Ag/Ni-P焊点界面微观组织。
附图7为实施例2得到的Sn-3.5Ag/Ni-P焊点在200℃经132h时效后的界面微观组织。
附图8为实施例3得到的Sn-3.5Ag/Ni-P焊点界面微观组织。
附图9为实施例3得到的Sn-3.5Ag/Ni-P焊点在200℃经132h时效后的界面微观组织。
图1中，1为铜材料；2为Ni-P镀层；3为免清洗助焊剂；4为纳米镍粉；5为Sn-3.5Ag BGA焊点；6为磁场源；从图1中还可以看出，磁场线与待焊基板的角度关系，在实际生产过程中，最优角度关系是二者成直角关系。
从图2可以看出普通Sn-3.5Ag/Ni-P焊点回流焊接后界面形成的Ni3Sn4非连续分布，Ni3Sn4颗粒散布在焊料基体上；从图3可以看出在200℃时效132h后，界面金属间化合物明显长大，部分Sn原子扩散进入Ni-P层与Ni原子，及从基板扩散进入的Cu原子形成Sn-Ni-Cu化合物，Sn-Ni-P化合物显著生长并呈现连续层状分布。部分Sn原子扩散越过Ni-P层与基底Cu反应形成Cu6Sn5化合物，将Ni-P层与Cu基板分隔。200℃时效132h后，Ni-P层明显收缩，厚度减小非常明显，Ni-P层平均消耗量高达60％。
图4，图6和图8为采用本发明封装技术得到的Sn-3.5Ag/Ni-P焊点界面微观组织形貌，Ni3Sn4均呈现连续分布；图5、7、9为采用本发明封装技术得到的Sn-3.5Ag/Ni-P焊点并在200℃下时效132h后的界面微观组织；从图5、7、9可以看出界面金属间化合物长大并不明显，Ni3Sn4厚度不超过8μm，焊接界面无Sn-Ni-P化合物生成，Sn原子并未扩散进入Ni-P层，Ni-P层消耗量小于15％。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明的内容做进步一详述，实施例中所提及的内容并非对本发明的限定。
本发明实施例中所用免清洗助焊剂为美国Burnley DM-200型免清洗助焊剂。
实施例1：
精确配制纳米镍粉(粒径为范围80-100nm)质量百分数为5％，免清洗助焊剂质量百分数为95％的混合助焊剂；在搅拌机中(真空度2.8×10-2Pa)以200r/min的搅拌速度搅拌1h，得到混合均匀的含纳米Ni粉的混合助焊剂；在封装前在厚度为10μm的Ni-P板上均匀印刷一层厚度为15μm的混合助焊剂，然后在Ni-P基板上印刷厚度为400μm的Sn-3.5Ag(wt.％)焊膏；将Ni-P基板置于磁感应梯度为3×104G/m，磁场源位于基板内侧，且焊接界面处磁感应强度为1000G的磁场中，焊接气氛为99.99％的高纯氮，气流速率为1500ml/min，回流焊接过程加热速率为5℃/s，在160℃活化10s，至峰值温度250℃，峰值温度回流时间为120s，冷却速率10℃/s冷却至室温。
本实施例获得的Sn-3.5Ag/Ni-P焊点界面金属间化合物连续分布，平均厚度为4.4μm，200℃时效132h后平均界面层厚度增长至6.0μm，Ni-P层消耗量为13％，且界面无Sn-Ni-P化合物生成，Ni-P层中无Sn-Ni化合物。
实施例2：
精确配制镍粉(粒径为范围60-100nm)质量百分数为15％，免清洗助焊剂质量百分数为85％的混合助焊剂；在搅拌机中(真空度2.4×10-2Pa)，以150r/min的搅拌速度搅拌1h，得到混合均匀的含纳米Ni粉的混合助焊剂；在封装前在厚度为10μm的Ni-P板上均匀印刷一层厚度为10μm的混合助焊剂，然后在Ni-P基板上印刷厚度为500μm的Sn-3.5Ag(wt.％)焊膏；将Ni-P基板置于磁感应梯度为5×104G/m，磁场源位于基板内侧，且焊接界面处磁感应强度为2000G的磁场中，焊接气氛为99.99％的高纯氮，气流速率为2000ml/min，回流焊接过程加热速率为10℃/s，在180℃活化10s，至峰值温度250℃，峰值温度回流时间为120s，冷却速率10℃/s冷却至室温。
本实施例获得的Sn-3.5Ag/Ni-P焊点界面金属间化合物连续分布，平均厚度为5.1μm，200℃时效132h后平均界面层厚度增长至6.5μm，Ni-P层消耗量仅为10％，且界面无Sn-Ni-P化合物生成，Ni-P层中无Sn-Ni化合物。
实施例3：
精确配制镍粉(粒径为范围50-80nm)质量百分数为10％，免清洗助焊剂质量百分数为90％的混合助焊剂；在搅拌机中(真空度1.5×10-2Pa)，以300r/min的搅拌速度搅拌0.5h，得到混合均匀的含纳米Ni粉的混合助焊剂；在封装前在厚度为10μm的Ni-P板上均匀印刷一层厚度为10μm的混合助焊剂，然后在Ni-P基板上印刷厚度为500μm的Sn-3.5Ag(wt.％)焊膏；将Ni-P基板置于磁感应梯度为4×104G/m，磁场源位于基板内侧，且焊接界面处磁感应强度为1500G的磁场中，焊接气氛为99.99％的高纯氮，气流速率为3000ml/min，回流焊接过程加热速率为8℃/s，在160℃活化15s，至峰值温度250℃，峰值温度回流时间为120s，冷却速率10℃/s冷却至室温。
本实施例获得的Sn-3.5Ag/Ni-P焊点界面金属间化合物连续分布，平均厚度为4.0μm，200℃时效132h界面层厚度增长至5.8μm，Ni-P层消耗量不足12％，且界面无Sn-Ni-P化合物生成，Ni-P层中无Sn-Ni化合物。

Claims (9)

1.一种Ni-P基板的封装方法，其特征在于，包括下述步骤：
步骤一
将纳米镍粉和助焊剂混合均匀，得到混合助焊剂，所述混合助焊剂以质量百分比包括：
纳米镍粉 5-20％；
助焊剂   80-95％；
步骤二
在Ni-P基板上所设定的封装焊点位置涂覆或印刷步骤一所得混合助焊剂；
步骤三
在步骤二涂覆或印刷的混合助焊剂上涂覆或印刷锡基焊料，得到待焊基板；
步骤四
在保护气氛下，将步骤三所得待焊基板置于磁场中进行回流焊接，所述磁场的感应强度梯度为3-5×104G/m，所述待焊基板处的磁感应强度为1000-2000G。
2.根据权利要求1所述的一种Ni-P基板的封装方法；其特征在于：步骤一中所述纳米镍粉的粒度为50-100nm，纯度≥99.99％。
3.根据权利要求1所述的一种Ni-P基板的封装方法；其特征在于：步骤一中所述助焊剂选自卫特斯NC-559-ASM RMA-223-UV无铅焊油助焊剂、美国Burnley DM-200型免清洗助焊剂、美国AMTECH NC-559-ASM免洗型助焊剂、强力牌QL-N991助焊剂、特偶WTO GW 9810A型助焊剂、倍思特BST-223A环保BGA无铅助焊剂、阿尔法无铅助焊剂中的至少一种。
4.根据权利要求3所述的一种Ni-P基板的封装方法；其特征在于：所述助焊剂为美国Burnley DM-200型免清洗助焊剂。
5.根据权利要求1所述的一种Ni-P基板的封装方法；其特征在于：步骤二中，所述混合助焊剂的涂覆或印刷厚度为10-30μm。
6.根据权利要求1所述的一种Ni-P基板的封装方法；其特征在于：按BGA焊点的设定方式在Ni-P基板上设定封装焊点的位置。
7.根据权利要求1所述的一种Ni-P基板的封装方法；其特征在于：步骤三中，锡基焊料的涂覆或印刷厚度为200-500μm。
8.根据权利要求1所述的一种Ni-P基板的封装方法；其特征在于：步骤三中，所述锡基焊料选自Sn-Ag系焊料、Sn-Bi系焊料中的一种。
9.根据权利要求1所述的一种Ni-P基板的封装方法；其特征在于：步骤四中，进行回流焊接时，先升温至160-180℃，并保温5-15s后，继续升温至240-260℃，保温90-150s后，以8-10℃/s冷却速度冷却至室温。
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