CN106271183A - Mems器件三维封装互连材料 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了MEMS器件三维封装互连材料，属于MEMS互连材料领域。该互连材料的纳米PrSn3含量为0.05～0.5％，纳米Cu6Sn5含量为0.5～1.5％，亚微米Cu颗粒含量为0.05～0.5％，Ag纳米线为0.5～2.0％，Bi含量为40～60％，其余为Sn。使用纳米PrSn3颗粒、纳米Cu6Sn5颗粒、亚微米Cu颗粒，Ag纳米线，预先将Sn/Bi粉末混合均匀，添加钎剂混合，制备膏状的互连材料，然后加入亚微米Cu颗粒和Ag纳米线，最后添加纳米PrSn3颗粒、纳米Cu6Sn5颗粒。采用高能超声搅拌制备成焊膏使用。本互连材料具有较低的低熔点和较高的性能，可用于MEMS器件的互连。

Description

MEMS器件三维封装互连材料
技术领域
本发明涉及一种MEMS器件三维封装互连材料，属MEMS互连材料领域。该互连材料主要用于MEMS一类电子器件高可靠性需求的领域，是一种具有高性能的新型互连钎料。
背景技术
MEMS是利用微机械加工工艺制作具有机械特性的传感器系统，该系统包括传感器和执行器等微机械部件以及电子集成电路，一般采用硅或非硅材料作为机械结构，以获得优异的机械性能。在MEMS器件封装中，微小互连焊点扮演者机械支撑和电气连接的角色，在MEMS器件可靠性中起着重要的作用。
为了实现MEMS器件的低温连接，诸多研究者选用了钎焊材料在250℃低温条件下进行连接，传统的SnPb钎料因为183℃的低温和高性能被认为是最佳的互连材料，但是由于Pb的毒性，国内外的研究者和企业决定剔出Pb，选择无铅钎料进行连接。在系列的无铅钎料中，SnAgCu钎料被推荐为替代传统SnPb的最优选择，但是在服役期间SnAgCu内部会出现组织粗大、抗蠕变性能低、使用寿命较短的缺陷。对于MEMS器件而言，焊点数量较多且尺寸较小，在服役期间极容易因为组织的恶化出现焊点性能的下降。降低MEMS器件的可靠性。
在探讨无铅钎料研究中，合金化是互连材料改性的主要手段。稀土元素、Co、Cu、Ni以及纳米金属、氧化物颗粒等，促进无铅钎料在单一方面甚至综合性能的改进。
国外比较代表性的专利为：美国专利US9211614B2，通过添加合金元素制备Bi-Al-Zn基无铅钎料，减小钎料固化过程中的残余应力，提高其强度和可靠性。主要的包含Ni、Bi、Al、Zn、Sn、P等元素，其中Zn元素含量控制在0.2％～14％，由于Zn元素极容易氧化，在服役期间焊点表面会出现大量的氧化渣，甚至出现ZnO须，直接降低了焊点的使用寿命。因此该种专利很难在工业中对于微小尺寸器件如MEMS的互连中使用。中国比较有代表性的专利为：(88～90％)Sn，(3～5％)Cu，(0.5～2％)Bi,(0.1～0.5％)Ni,(2～5％)RE(铼-铈),(0.005～0.01％)Ga,(0.005～0.01％)Ge[中国专利：ZL2013101150162]，该专利通过添加一定量的混合稀土铼和铈，优化Sn、Cu、Ni、Bi、RE含量，可以使抗拉强度和冲击特性得到改善。但是由于钎料中添加一定量的混合稀土元素铼和铈，并且最高含量达到2～5％，由于稀土元素易与Sn反应，形成大块的稀土相，在室温条件下即可萌生大量的锡须，引起器件相邻引脚短路。因此该系列钎料的应用范围极小。
发明内容
本发明提供一种MEMS器件三维封装互连材料，本发明微量的纳米PrSn3颗粒、纳米Cu6Sn5颗粒、亚微米Cu颗粒、Ag纳米线、Bi和余量的Sn，六者耦合作用可以显著提高MEMS器件互连的工艺性能和互连焊点的可靠性。在MEMS互连工艺中，能够保持较低的焊接温度，互连焊点在服役期间具有高的使用寿命，适用于电子行业的波峰焊、再流焊以及其他焊接方法的无铅互连材料，能满足MEMS一类电子元器件的高可靠性需求。主要解决以下关键性问题：优化含纳米PrSn3颗粒、纳米Cu6Sn5颗粒、亚微米Cu颗粒、Ag纳米线和Bi百分配比，获得具有高性能的互连材料。
本发明是以如下技术方案实现的：一种MEMS器件三维封装互连材料，其成分及质量百分比为：纳米PrSn3含量为0.05～0.5％，纳米Cu6Sn5含量为0.5～1.5％，亚微米Cu颗粒含量为0.05～0.5％，Ag纳米线为0.5～2.0％，Bi含量为40～60％，其余为Sn。
本发明可以采用生产钎料的常规冶炼方法得到。本发明优选采用的方法是：使用纳米PrSn3颗粒、纳米Cu6Sn5颗粒、亚微米Cu颗粒，Ag纳米线，预先将Sn/Bi粉末混合均匀，添加钎剂混合，制备膏状的互连材料，然后加入亚微米Cu颗粒和Ag纳米线，最后添加纳米PrSn3颗粒、纳米Cu6Sn5颗粒。采用高能超声搅拌制备成焊膏使用。
本发明的机理是：通过Sn和Bi形成低熔点的二元合金材料，在该合金体系中因为Bi的偏析，会形成不均匀的微观组织，进而降低材料的使用性能。通过添加纳米PrSn3颗粒和纳米Cu6Sn5颗粒，使Sn和Bi在熔融钎料中析出时依附在纳米PrSn3颗粒和纳米Cu6Sn5颗粒表面形核-长大，使Sn和Bi在基体组织中达到最大程度的均匀分布。添加Ag纳米线，在钎料内部形成加强筋的作用，在服役期间，焊点因为应力集中会发生一定的变形，Ag纳米线可以强化基体，具有抵抗变形的作用。添加亚微米Cu颗粒，在基体组织中会均匀的形成内部为Cu，表面与Sn反应为Cu6Sn5的颗粒，在服役期间可以起到颗粒强化的作用。六者耦合作用可以显著提高MEMS器件互连的工艺性能和互连焊点的可靠性。考虑到纳米颗粒、亚微米颗粒和Ag纳米线的团聚作用，故而控制纳米PrSn3含量为0.05～0.5％，纳米Cu6Sn5含量为0.5～1.5％，亚微米Cu颗粒含量为0.05～0.5％，Ag纳米线为0.5～2.0％，Bi含量为40～60％，其余为Sn。
与已有技术相比，本发明的有益效果在于：本互连材料具有高的力学性能和使用寿命。
附图说明
图1是不同成分钎料合金(表1)焊点的拉伸力。
图2是SnBi、SnBi-PrSn3、SnBi-PrSn3-Cu6Sn5、SnBi-PrSn3-Cu6Sn5-Cu和SnBi-PrSn3-Cu6Sn5-Cu-Ag使用寿命。
具体实施方式
下面结合实施例进一步说明本发明及效果。
下述16个实施例所使用的材料为：使用纳米PrSn3颗粒、纳米Cu6Sn5颗粒、亚微米Cu颗粒，Ag纳米线，预先将Sn/Bi粉末混合均匀，添加钎剂混合，制备膏状的互连材料，然后加入亚微米Cu颗粒和Ag纳米线，最后添加纳米PrSn3颗粒、纳米Cu6Sn5颗粒。采用高能超声搅拌制备成焊膏使用。
实施例1
MEMS器件三维封装互连材料成分为：纳米PrSn3颗粒0.05％，纳米Cu6Sn5颗粒0.5％，亚微米Cu颗粒0.05％，Ag纳米线0.5％，Bi58％，余量为Sn。
钎料主要性能检测：固相线温度在139℃左右，液相线温度在161℃左右(考虑了试验误差)，具有优良的性能。
实施例2
MEMS器件三维封装互连材料成分为：纳米PrSn3颗粒0.1％，纳米Cu6Sn5颗粒0.5％，亚微米Cu颗粒0.1％，Ag纳米线0.5％，Bi58％，余量为Sn。
钎料主要性能检测：固相线温度在139.1℃左右，液相线温度在159.8℃左右(考虑了试验误差)，具有优良的性能。
实施例3
MEMS器件三维封装互连材料成分为：纳米PrSn3颗粒0.15％，纳米Cu6Sn5颗粒0.7％，亚微米Cu颗粒0.5％，Ag纳米线0.5％，Bi58％，余量为Sn。
钎料主要性能检测：固相线温度在140.5℃左右，液相线温度在162℃左右(考虑了试验误差)，具有优良的性能。
实施例4
MEMS器件三维封装互连材料成分为：纳米PrSn3颗粒0.2％，纳米Cu6Sn5颗粒0.5％，亚微米Cu颗粒0.05％，Ag纳米线0.5％，Bi58％，余量为Sn。
钎料主要性能检测：固相线温度在138.9℃左右，液相线温度在160℃左右(考虑了试验误差)，具有优良的性能。
实施例5
MEMS器件三维封装互连材料成分为：纳米PrSn3颗粒0.5％，纳米Cu6Sn5颗粒1.5％，亚微米Cu颗粒0.5％，Ag纳米线2.0％，Bi40％，余量为Sn。
钎料主要性能检测：固相线温度在139.3℃左右，液相线温度在190℃左右(考虑了试验误差)，具有优良的性能。
实施例6
MEMS器件三维封装互连材料成分为：纳米PrSn3颗粒0.4％，纳米Cu6Sn5颗粒1.3％，亚微米Cu颗粒0.4％，Ag纳米线1.8％，Bi40％，余量为Sn。
钎料主要性能检测：固相线温度在139.4℃左右，液相线温度在186℃左右(考虑了试验误差)，具有优良的性能。
实施例7
MEMS器件三维封装互连材料成分为：纳米PrSn3颗粒0.45％，纳米Cu6Sn5颗粒1.2％，亚微米Cu颗粒0.45％，Ag纳米线1.7％，Bi40％，余量为Sn。
钎料主要性能检测：固相线温度在139℃左右，液相线温度在186.1℃左右(考虑了试验误差)，具有优良的性能。
实施例8
MEMS器件三维封装互连材料成分为：纳米PrSn3颗粒0.1％，纳米Cu6Sn5颗粒0.5％，亚微米Cu颗粒0.1％，Ag纳米线0.5％，Bi40％，余量为Sn。
钎料主要性能检测：固相线温度在138.9℃左右，液相线温度在185℃左右(考虑了试验误差)，具有优良的性能。
实施例9
MEMS器件三维封装互连材料成分为：纳米PrSn3颗粒0.05％，纳米Cu6Sn5颗粒1.0％，亚微米Cu颗粒0.07％，Ag纳米线1.0％，Bi60％，余量为Sn。
钎料主要性能检测：固相线温度在139.1℃左右，液相线温度在171℃左右(考虑了试验误差)，具有优良的性能。
实施例10
MEMS器件三维封装互连材料成分为：纳米PrSn3颗粒0.1％，纳米Cu6Sn5颗粒1.0％，亚微米Cu颗粒0.1％，Ag纳米线1.0％，Bi60％，余量为Sn。
钎料主要性能检测：固相线温度在139.3℃左右，液相线温度在172℃左右(考虑了试验误差)，具有优良的性能。
实施例11
MEMS器件三维封装互连材料成分为：纳米PrSn3颗粒0.2％，纳米Cu6Sn5颗粒1.5％，亚微米Cu颗粒0.2％，Ag纳米线1.5％，Bi60％，余量为Sn。
钎料主要性能检测：固相线温度在139.3℃左右，液相线温度在172.8℃左右(考虑了试验误差)，具有优良的性能。
实施例12
MEMS器件三维封装互连材料成分为：纳米PrSn3颗粒0.5％，纳米Cu6Sn5颗粒1.5％，亚微米Cu颗粒0.5％，Ag纳米线2.0％，Bi60％，余量为Sn。
钎料主要性能检测：固相线温度在140℃左右，液相线温度在174℃左右(考虑了试验误差)，具有优良的性能。
实施例13
MEMS器件三维封装互连材料成分为：纳米PrSn3颗粒0.05％，纳米Cu6Sn5颗粒0.55％，亚微米Cu颗粒0.05％，Ag纳米线0.55％，Bi45％，余量为Sn。
钎料主要性能检测：固相线温度在139.2℃左右，液相线温度在177℃左右(考虑了试验误差)，具有优良的性能。
实施例14
MEMS器件三维封装互连材料成分为：纳米PrSn3颗粒0.07％，纳米Cu6Sn5颗粒1.0％，亚微米Cu颗粒0.1％，Ag纳米线0.9％，Bi45％，余量为Sn。
钎料主要性能检测：固相线温度在139.3℃左右，液相线温度在176.9℃左右(考虑了试验误差)，具有优良的性能。
实施例15
MEMS器件三维封装互连材料成分为：纳米PrSn3颗粒0.3％，纳米Cu6Sn5颗粒1.0％，亚微米Cu颗粒0.2％，Ag纳米线1.0％，Bi45％，余量为Sn。
钎料主要性能检测：固相线温度在139.5℃左右，液相线温度在177.5℃左右(考虑了试验误差)，具有优良的性能。
实施例16
MEMS器件三维封装互连材料成分为：纳米PrSn3颗粒0.4％，纳米Cu6Sn5颗粒1.5％，亚微米Cu颗粒0.5％，Ag纳米线2.0％，Bi45％，余量为Sn。
钎料主要性能检测：固相线温度在139.4℃左右，液相线温度在177.2℃左右(考虑了试验误差)，具有优良的性能。
实验例：在其他成分不变的情况下，不同Ag纳米线含量钎料合金的使用寿命。
实验如表1所示6个实验例。其实验结果见图1和图2。
表1：典型含纳米PrSn3，纳米Cu6Sn5，微米Cu，Ag纳米线，Bi的互连钎料合金成分
结论：添加含纳米PrSn3、纳米Cu6Sn5、亚微米Cu、Ag纳米线和Bi可以显著提高互连材料的使用寿命，为SnBi的9倍以上。

Claims (2)

1.一种MEMS器件三维封装互连材料，其特征在于：其成分及质量百分比为：纳米PrSn3含量为0.05～0.5％，纳米Cu6Sn5含量为0.5～1.5％，亚微米Cu颗粒含量为0.05～0.5％，Ag纳米线为0.5～2.0％，Bi含量为40～60％，其余为Sn。
2.一种用于权利要求1所述的MEMS器件互连的无铅钎料的制备方法，其特征在于：使用纳米PrSn3颗粒、纳米Cu6Sn5颗粒、亚微米Cu颗粒，Ag纳米线，预先将Sn/Bi粉末混合均匀，添加钎剂混合，制备膏状的互连材料，然后加入亚微米Cu颗粒和Ag纳米线，最后添加纳米PrSn3颗粒、纳米Cu6Sn5颗粒。采用高能超声搅拌制备成焊膏使用。
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