CN104416296A

CN104416296A - 一种增强焊料互联焊点抗电迁移性能的方法和应用

Info

Publication number: CN104416296A
Application number: CN201310395972.0A
Authority: CN
Inventors: 吴萍; 周伟; 穆文凯; 杨中宝; 李宝凌
Original assignee: Tianjin University
Current assignee: Tianjin University
Priority date: 2013-09-03
Filing date: 2013-09-03
Publication date: 2015-03-18

Abstract

本发明公开了一种增强焊料互联焊点抗电迁移性能的方法，在进行焊接时使用添加具有金属镍镀层的碳纳米管的无铅焊膏。所述无铅锡膏为96.5wt.%Sn和3.5wt.%Ag或者96.5wt.%Sn、3.0wt.%Ag和0.5wt.%Cu，向无铅焊膏中按无铅焊膏质量分数为0.1%～1%的镀镍碳纳米管并搅拌均匀，得到混合焊膏。本发明通过向传统无铅焊料中添加具有高导电性的镀镍碳纳米管，提高了互联焊点的抗电迁移性能。互联焊点在电迁移失效中常见的“极性效应”现象得到抑制，空洞及金属小丘在互联焊点上的形成也被抑制，显著提高了焊点的机械强度，也减少了互联焊点因电迁移导致断路以及焊点间短路的危险。

Description

一种增强焊料互联焊点抗电迁移性能的方法和应用

技术领域

本发明属于微电子封装领域的微互联结构，更加具体地说，涉及一种抑制焊料互联焊点电迁移效应的方法，适用于抑制焊料互联焊点电迁移失效，提高互联焊点结构的可靠性。

背景技术

电子产品的微型化及高性能化使得集成电路尺寸不断减小，相应地，作为连接和导电桥梁的焊料焊点的尺寸也急剧减小，从而带来一系列可靠性问题，其中尤以电迁移最为突出。电迁移是指导电金属材料在电流密度较大的情况下，导体中的金属原子在电子风力的作用下沿电子流方向发生扩散的一种现象。电迁移使得焊点阴极因原子的迁出而产生空洞，严重时会导致互联结构断路；在焊点阳极，因为原子的迁入而形成“小丘”，引起短路。这最终会引发微互联结构不可逆转的破环。因此，电迁移失效问题引起了国内外学术界及工业界的广泛关注。提高无铅焊料性能的有效方法之一就是在焊料合金中添加增强相形成复合焊料。目前制备复合焊料选用的增强相主要有金属颗粒、金属间化合物颗粒和低溶解相材料等。

发明内容

本发明目的在于克服现有技术的不足，提供一种提高焊料抗电迁移性能的方法，这种方法能够有效的抑制倒装芯片互联焊点电迁移失效，适合当前微电子封装中焊点互联结构可靠性的需求。

本发明的技术方案通过下述技术方案予以实现：

一种增强焊料互联焊点抗电迁移性能的方法，在进行焊接时使用添加具有金属镍镀层的碳纳米管的无铅焊膏。即添加具有金属镍镀层的碳纳米管的无铅焊膏在增强焊料互联焊点抗电迁移性能中的应用。

其中所述添加具有金属镍镀层的碳纳米管的无铅焊膏按照下述步骤进行制备：

步骤1，将具有镍镀层的碳纳米管置于分散液中并使用超声波进行清洗，然后进行干燥处理。

其中所述具有镍镀层的碳纳米管为镀镍单壁或者多壁碳纳米管，直径为5-40nm，长为20-60μm，长径比均大于1000，其中镍的质量分数为60%；所述分散液为酒精和盐酸的混合液，在混合液中酒精体积百分数为95vol.%，盐酸体积百分数为5vol.%，盐酸为3mol/L的HCl水溶液，酒精为体积比75：25的乙醇和水混合溶液；所述超声波清洗所用功率为100w，时间为5min，在常温20—25摄氏度下进行清洗即可。

步骤2，向无铅焊膏中按无铅焊膏质量分数为0.1%～1%的量加入步骤1中干燥后的镀镍碳纳米管并搅拌均匀，得到混合焊膏。

其中所述无铅锡膏为96.5wt.%Sn-3.5wt.%Ag，即质量百分数96.5wt.%Sn和质量百分数3.5wt.%Ag或者96.5wt.%Sn-3.0wt.%Ag-0.5wt.%Cu，即质量百分数96.5wt.%Sn、质量百分数3.0wt.%Ag和质量百分数0.5wt.%Cu；所述无铅焊膏中焊料合金的颗粒度为0.5-20μm；选择将混合后无铅焊膏用球磨机以60r/min的转速球磨5～10小时，得到混合均匀的混合焊膏。

步骤3，将混合焊膏加热进行熔化，使得镀镍碳纳米管与焊料母体之间有良好的结合，最终获得经镀镍碳纳米管增强的复合焊料小球。

其中熔化温度为无铅锡膏熔点之上10—15℃，保温2—5s；通过加入混合焊膏的数量以实现复合焊料小球粒径为60-80μm；在进行加热熔化过程中，选择SMT精密无铅回焊炉，型号为QS-5188，对混合焊膏进行电阻丝加热熔化。

在本发明的技术方案中，碳纳米管因具有优异的力、热和电学性能（其强度是钢的100倍，导电性为纯铜的10⁵倍），探究通过向焊料中添加碳纳米管对焊料性能的影响。通过分散手段，得到纯净的具有镍镀层的碳纳米管，并使得具有镍镀层的碳纳米管分散开来，不团聚；选用具有镍镀层的碳纳米管目的在于：焊料在熔融状态下能与镍发生反应生成金属间化合物，从而起到碳纳米管与焊料母体之间良好的连接作用。然后利用获得的增强后的无铅复合焊料小球制作互联焊点进行电迁移性能测试，以未经碳纳米管增强的互联焊点电迁移现象作为对比。所述电迁移测试为在高电流密度（电流密度范围1×10⁴A/cm²～1×10⁶A/cm²）情况下。本发明中，电迁移测试效果良好。经过碳纳米管增强焊点的极性效应明显得到抑制，其产生空洞和金属小丘现象被阻止。

本发明通过向传统无铅焊料中添加具有高导电性的镀镍碳纳米管，提高了互联焊点的抗电迁移性能。互联焊点在电迁移失效中常见的“极性效应”现象得到抑制，空洞及金属小丘在互联焊点上的形成也被抑制，显著提高了焊点的机械强度，也减少了互联焊点因电迁移导致断路以及焊点间短路的危险。因此，该方法可以有效抑制互联焊点的电迁移失效行为，满足当前集成度不断提高的倒装芯片中互联焊点结构可靠性的要求，具有广泛的应用范围。

附图说明

图1是本发明中用于电迁移测试样本结构示意图，其中1为玻璃模具、2为铜导线、3为复合焊料小球。

图2是未经镀镍碳纳米管增强的焊点在未加电和加电260h后界面的微观结构，其中(a)、(b)分别为未加电时的阴极和阳极，(c)、(d)分别为加电260h时的阴极和阳极。

图3是经镀镍碳纳米管增强的焊点在未加电和加电260h后界面的微观结构，其中(a)、(b)分别为未加电时的阴极和阳极，(c)、(d)分别为加电260h时的阴极和阳极。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明技术方案做进一步具体的说明。具有金属镍镀层的碳纳米管购于中国科学院成都有机化学有限公司；无铅焊膏购于北京达博长城锡焊料有限公司。

（1）称量0.1g镀镍多壁碳纳米管和10g96.5wt.%Sn-3.0wt.%Ag-0.5wt.%Cu锡膏，将镀镍多壁碳纳米管置于分散液中并使用超声波进行清洗，然后进行干燥处理；

（2）将干燥的镀镍多壁碳纳米管与焊膏利用球磨机进行球磨混合，球磨机转速为60r/min，球磨10小时，得到混合均匀的复合焊膏；

（3）将混合焊膏加热进行熔化，使得镀镍碳纳米管与焊料母体之间有良好的结合，最终获得经镀镍碳纳米管增强的复合焊料小球，熔化温度为无铅锡膏熔点之上10℃，保温2s，通过加入混合焊膏的数量以实现复合焊料小球粒径为60μm。

所述分散液为酒精和盐酸的混合液，在混合液中酒精体积百分数为95vol.%，盐酸体积百分数为5vol.%，盐酸为3mol/L的HCl水溶液，酒精为体积比75：25的乙醇和水混合溶液；所述超声波清洗所用功率为100w，时间为5min，在常温20—25摄氏度下进行清洗即可。

在进行加热熔化过程中，选择SMT精密无铅回焊炉，型号为QS-5188，对混合焊膏进行电阻丝加热熔化。

为了消除热梯度产生的影响，采用了铜线/焊球/铜线的一维线性互联结构。首先将铜线两端进行抛光，然后将铜线、焊球、铜线至于一玻璃制凹槽内进行焊接（如图1所示），焊接最高温度为250℃（焊膏熔点217℃），在此温度下保持60s。焊接过后自然冷却。然后将样品用砂纸磨去一半并进行抛光处理以观察焊点界面组织结构。接下来进行电迁移测试。测试条件为10⁴/cm²，通电260h。每次通电结束后用扫描电镜观察其界面的组织结构，如图3所示。从图3可以看出经过碳纳米管增强的焊点产生的“极性效应”较弱。

比较实施例：未经碳纳米管增强的96.5wt.%Sn-3.0wt.%Ag-0.5wt.%Cu焊点电迁移失效分析，采用同样的方法制作测试样，焊球为未经过镀镍碳纳米管增强的焊球，按照实施例的电迁移测试条件进行电迁移测试，其界面组织结构如图2所示。从图2中可以发现，阴极化合物分解剥离，而阳极化合物明显增厚，发生了明显的“极化效应”。

在0.1%～1%的加入量范围内调整碳纳米管加入量，均表现为经过碳纳米管增强的焊点产生的“极性效应”较弱。更换为镀镍单壁碳纳米管、96.5wt.%Sn-3.5wt.%Ag，并在0.1%～1%的加入量内进行调整，表现出相同的性质。

以上对本发明做了示例性的描述，应该说明的是，在不脱离本发明的核心的情况下，任何简单的变形、修改或者其他本领域技术人员能够不花费创造性劳动的等同替换均落入本发明的保护范围。

Claims

1.一种增强焊料互联焊点抗电迁移性能的方法，其特征在于，在进行焊接时使用添加具有金属镍镀层的碳纳米管的无铅焊膏，其中所述无铅锡膏为96.5wt.%Sn-3.5wt.%Ag，即质量百分数96.5wt.%Sn和质量百分数3.5wt.%Ag或者96.5wt.%Sn-3.0wt.%Ag-0.5wt.%Cu，即质量百分数96.5wt.%Sn、质量百分数3.0wt.%Ag和质量百分数0.5wt.%Cu，所述具有镍镀层的碳纳米管为镀镍单壁或者多壁碳纳米管，向无铅焊膏中按无铅焊膏质量分数为0.1%～1%的量加入具有镍镀层的碳纳米管。

2.根据权利要求1所述的一种增强焊料互联焊点抗电迁移性能的方法，其特征在于，所述具有镍镀层的碳纳米管，直径为5-40nm，长为20-60μm，长径比均大于1000，其中镍的质量分数为60%。

3.根据权利要求1所述的一种增强焊料互联焊点抗电迁移性能的方法，其特征在于，所述具有镍镀层的碳纳米管置于分散液中并使用超声波进行清洗，然后进行干燥处理，其中所述分散液为酒精和盐酸的混合液，在混合液中酒精体积百分数为95vol.%，盐酸体积百分数为5vol.%，盐酸为3mol/L的HCl水溶液，酒精为体积比75：25的乙醇和水混合溶液；所述超声波清洗所用功率为100w，时间为5min，在常温20—25摄氏度下进行清洗即可。

4.根据权利要求1所述的一种增强焊料互联焊点抗电迁移性能的方法，其特征在于，所述无铅焊膏中焊料合金的颗粒度为0.5-20μm。

5.根据权利要求1所述的一种增强焊料互联焊点抗电迁移性能的方法，其特征在于，选择将混合后无铅焊膏用球磨机以60r/min的转速球磨5～10小时，得到混合均匀的混合焊膏。

6.根据权利要求1所述的一种增强焊料互联焊点抗电迁移性能的方法，其特征在于，添加具有金属镍镀层的碳纳米管的无铅焊膏加热进行熔化，使得镀镍碳纳米管与焊料母体之间有良好的结合，最终获得经镀镍碳纳米管增强的复合焊料小球，其中熔化温度为无铅锡膏熔点之上10—15℃，保温2—5s；通过加入混合焊膏的数量以实现复合焊料小球粒径为60-80μm。

7.添加具有金属镍镀层的碳纳米管的无铅焊膏在增强焊料互联焊点抗电迁移性能中的应用，其特征在于，所述无铅锡膏为96.5wt.%Sn-3.5wt.%Ag，即质量百分数96.5wt.%Sn和质量百分数3.5wt.%Ag或者96.5wt.%Sn-3.0wt.%Ag-0.5wt.%Cu，即质量百分数96.5wt.%Sn、质量百分数3.0wt.%Ag和质量百分数0.5wt.%Cu，所述具有镍镀层的碳纳米管为镀镍单壁或者多壁碳纳米管，向无铅焊膏中按无铅焊膏质量分数为0.1%～1%的量加入具有镍镀层的碳纳米管，在混合均匀后加热进行熔化，使得镀镍碳纳米管与焊料母体之间有良好的结合，最终获得经镀镍碳纳米管增强的复合焊料小球，球粒径为60-80μm。

8.根据权利要求7所述的添加具有金属镍镀层的碳纳米管的无铅焊膏在增强焊料互联焊点抗电迁移性能中的应用，其特征在于，所述具有镍镀层的碳纳米管，直径为5-40nm，长为20-60μm，长径比均大于1000，其中镍的质量分数为60%。

9.根据权利要求7所述的添加具有金属镍镀层的碳纳米管的无铅焊膏在增强焊料互联焊点抗电迁移性能中的应用，其特征在于，所述无铅焊膏中焊料合金的颗粒度为0.5-20μm。

10.根据权利要求7所述的添加具有金属镍镀层的碳纳米管的无铅焊膏在增强焊料互联焊点抗电迁移性能中的应用，其特征在于，熔化温度为无铅锡膏熔点之上10—15℃，保温2—5s。