CN106392365A - Mems器件3d封装互连钎料 - Google Patents

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张亮
刘志权
郭永环
吉予彤
龙伟民
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    • B23K35/22—Rods, electrodes, materials, or media, for use in soldering, welding, or cutting characterised by the composition or nature of the material
    • B23K35/24—Selection of soldering or welding materials proper
    • B23K35/26—Selection of soldering or welding materials proper with the principal constituent melting at less than 400 degrees C
    • B23K35/262—Sn as the principal constituent

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Abstract

本发明公开了一种用于MEMS器件3D封装互连钎料，属于MEMS互连钎料领域。该互连钎料的纳米Ag含量为0.01～4.0％，纳米Al含量为0.01～0.8％，纳米Zn颗粒含量为6～10％，Ni修饰碳纳米管为0.5～3.0％，其余为Sn。使用Sn颗粒、纳米Ag颗粒、纳米Al颗粒、纳米Zn颗粒，Ni修饰碳纳米管，预先将Sn和纳米Zn混合均匀，然后加热熔化，最后加入纳米Ag颗粒、纳米Al颗粒和Ni修饰碳纳米管，采用中频炉进行冶炼互连材料，钎料熔化中采用熔盐防止钎料氧化，然后浇铸成棒材，然后通过挤压、拉拔即得到所需要的钎料丝材。也可将颗粒直接混合钎剂制备成焊膏使用。本互连钎料具有较高的性能，可用于MEMS器件的互连。

Description

MEMS器件3D封装互连钎料
技术领域
本发明涉及一种用于MEMS器件3D封装互连钎料，属于MEMS互连钎料领域。本互连钎料主要用于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
微系统或微电子机械系统(MEMS)是20世纪80年代末发展起来的一种新兴技术，结合了机械可动结构和大规模、低成本微电子加工的优点,在微小尺度上实现了与外界电、热、光、声、磁、流信号的相互作用。其系统尺寸在几毫米乃至更小，其内部结构一般在微米甚至纳米量级。因此在MEMS封装过程中的互连焊点的尺寸也更为细小，由于焊点数量众多，单一焊点的失效直接会导致MEMS器件的失效，因此焊点的高可靠性成为MEMS封装中较为关键的环节。
SnPb钎料是一种传统的互连材料，由于其较低的熔化温度和较高的可靠性成为业界最为关注的互连材料，但是Pb毒性引起了国际社会的广为关注，欧盟、美国、日本和中国纷纷出台政策禁止Pb的应用。在传统的SnPb钎料替代的研究中，SnAgCu、SnAg、SnCu、SnZn和SnBi五个钎料系成为业界研究者关注的焦点，SnZn钎料的熔化温度和传统的SnPb钎料最为接近，对于SnZn钎料而言，在进行大尺寸的互连焊点时，焊点的性能能够满足一般电子器件的使用要求，但是对于MEMS一类器件而言，焊点的尺寸较小，焊点在服役期间出现抗蠕变性能较低、金属间化合物厚度较大等缺点，直接降低了焊点的可靠性，因此有必要针对MEMS一类器件研究新型的SnZn基钎料满足MEMS器件封装工艺互连性能。
为了促进无铅钎料的性能，达到一定程度的改性，国际研究者主要采取添加合金元素的方法，例如Cu、Pr、Ce、Nd、Ga等。
国外比较代表性的专利为：美国专利US20060204397A1，通过优化Sn、(6～10％)Zn、(0.0015～0.03％)Mg、(0.001～0.006％)Al的含量，可以提高无铅钎料的润湿性和抗氧化性，对于Mg最高添加量为0.003％，最低添加量为0.0015％，Al最高添加量为0.006％，最低添加量为0.001％，这无疑给钎料的制备工艺带来巨大的困难，难以控制添加元素的痕量。中国比较有代表性的专利为：(6.0～10.5％)Zn，(0.05～0.5％)Pr，(0.005～0.05％)Ga,(0.001～0.01％)Te,其余为Sn[中国专利：ZL201210346558.6]，该专利通过添加一定量的Pr、Ga、Te、Zn，优化Sn、Pr、Ga、Te、Zn含量，可以获得良好的润湿性能和焊点(钎缝)力学性能。但是由于钎料中添加一定量的稀土元素Pr，并且最高含量达到0.5％，目前已有的文献证明0.5％的稀土元素足以引起在钎料或者焊点表面生长锡须，导致器件相邻引脚短路的危险，因此对于含稀土SnZn系钎料的应用存在明显的局限性。
发明内容
本发明提供一种MEMS器件3D封装互连钎料，本发明采用Sn颗粒、纳米Ag颗粒、纳米Al颗粒、纳米Zn颗粒，Ni修饰碳纳米管，五者耦合作用可以显著提高MEMS器件互连的工艺性能和SnZn焊点的可靠性。在MEMS期间封装工艺实施过程中，保证新型互连钎料具有良好的润湿性、抗氧化性和较低的熔化温度，另外在服役期间具有较高的使用寿命，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Sn颗粒、纳米Ag颗粒、纳米Al颗粒、纳米Zn颗粒，Ni修饰碳纳米管百分配比，获得具有高性能的无铅钎料。
本发明是以如下技术方案实现的：一种用于MEMS器件互连的无铅钎料，其成分及质量百分比为：纳米Ag含量为0.01～4.0％，纳米Al含量为0.01～0.8％，纳米Zn颗粒含量为6～10％，Ni修饰碳纳米管为0.5～3.0％，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Sn颗粒、纳米Ag颗粒、纳米Al颗粒、纳米Zn颗粒，Ni修饰碳纳米管，预先将Sn和纳米Zn混合均匀，然后加热熔化，最后加入纳米Ag颗粒、纳米Al颗粒和Ni修饰碳纳米管，采用中频炉进行冶炼互连材料，钎料熔化中采用熔盐防止钎料氧化，然后浇铸成棒材，然后通过挤压、拉拔即得到所需要的钎料丝材。也可将颗粒直接混合钎剂制备成焊膏使用。
本发明的机理是：Sn-Zn二元共晶合金，熔化温度超过199℃，工业中的焊接温度低于250℃，形成的焊点组织中为Sn基体和富Zn相，Zn易于氧化，在焊接过程中易于出现润湿性差和氧化严重，另外在服役期间，由于富Zn相组织粗大，导致焊点使用寿命较低。在Sn中混合纳米Zn，有利于保证在Sn基体中出现细小的富Zn相，减小钎料的氧化性能。纳米Al颗粒的添加可以保证在钎料熔化过程中易于富集在钎料表面，增强其抗氧化特性和润湿性铺展性能。纳米Ag颗粒的添加，易于在钎料内部形成Ag-Zn化合物，减小Zn氧化的可能性，提高钎料的润湿性和抗氧化性，另外，Ag-Zn化合物颗粒扮演“石子”角色，Ni修饰碳纳米管扮演“钢筋”角色，在无铅焊点内部形成“钢筋混凝土”结构，有利于提高焊点在服役期间的可靠性。当Sn颗粒、纳米Ag颗粒、纳米Al颗粒、纳米Zn颗粒，Ni修饰碳纳米管应用于MEMS封装时，即可以保证在焊接过程中具有良好的润湿性和抗氧化特性，同时可以保证焊点在服役期间具有较高的可靠性。考虑到纳米颗粒和Ni修饰碳纳米管的团聚作用，故而控制纳米Ag含量为0.01～4.0％，纳米Al含量为0.01～0.8％，纳米Zn颗粒含量为6～10％，Ni修饰碳纳米管为0.5～3.0％，其余为Sn。
与已有技术相比，本发明的有益效果在于：本互连钎料具有优越的润湿性、抗氧化特性、较高的力学性能和使用寿命，使用寿命提高幅度为SnZn的近5倍。
附图说明
图1是SnZn、SnZnAg、SnZnAgAl和SnZnAgAl-NiCNT拉伸力。
图2是SnZn、SnZnAg、SnZnAgAl和SnZnAgAl-NiCNT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：使用市售的Sn粉，纳米Ag，纳米Al，纳米Zn，Ni修饰碳纳米管。方法为：按照配比要求，预先将Sn和纳米Zn混合均匀，然后加热熔化，最后加入纳米Ag颗粒、纳米Al颗粒和Ni修饰碳纳米管，采用中频炉进行冶炼无铅钎料，钎料熔化中采用熔盐防止钎料氧化，然后浇铸成棒材，然后通过挤压、拉拔即得到所需要的钎料丝材。也可将颗粒直接混合钎剂制备成焊膏使用。
实施例1
MEMS器件3D封装互连钎料成分为：纳米Ag为0.01％，纳米Al为0.01％，纳米Zn为9％，Ni修饰碳纳米管为0.5％，余量为Sn。
钎料主要性能检测：固相线温度在187℃左右，液相线温度在194℃左右(考虑了试验误差)，具有优良的性能。
实施例2
MEMS器件3D封装互连钎料成分为：纳米Ag为4％，纳米Al为0.8％，纳米Zn为10％，Ni修饰碳纳米管为3.0％，余量为Sn。
钎料主要性能检测：固相线温度在193℃左右，液相线温度在204℃左右(考虑了试验误差)，具有优良的性能。
实施例3
MEMS器件3D封装互连钎料成分为：纳米Ag为0.01％，纳米Al为0.1％，纳米Zn为9％，Ni修饰碳纳米管为0.5％，余量为Sn。
钎料主要性能检测：固相线温度在188℃左右，液相线温度在195℃左右(考虑了试验误差)，具有优良的性能。
实施例4
MEMS器件3D封装互连钎料成分为：纳米Ag为0.02％，纳米Al为0.02％，纳米Zn为9％，Ni修饰碳纳米管为0.5％，余量为Sn。
钎料主要性能检测：固相线温度在188℃左右，液相线温度在194℃左右(考虑了试验误差)，具有优良的性能。
实施例5
MEMS器件3D封装互连钎料成分为：纳米Ag为0.05％，纳米Al为0.1％，纳米Zn为8％，Ni修饰碳纳米管为1％，余量为Sn。
钎料主要性能检测：固相线温度在189℃左右，液相线温度在196℃左右(考虑了试验误差)，具有优良的性能。
实施例6
MEMS器件3D封装互连钎料成分为：纳米Ag为0.05％，纳米Al为0.2％，纳米Zn为8％，Ni修饰碳纳米管为1％，余量为Sn。
钎料主要性能检测：固相线温度在190℃左右，液相线温度在197℃左右(考虑了试验误差)，具有优良的性能。
实施例7
MEMS器件3D封装互连钎料成分为：纳米Ag为1.0％，纳米Al为0.01％，纳米Zn为6％，Ni修饰碳纳米管为0.5％，余量为Sn。
钎料主要性能检测：固相线温度在195℃左右，液相线温度在208℃左右(考虑了试验误差)，具有优良的性能。
实施例8
MEMS器件3D封装互连钎料成分为：纳米Ag为1.0％，纳米Al为0.1％，纳米Zn为6％，Ni修饰碳纳米管为0.5％，余量为Sn。
钎料主要性能检测：固相线温度在196℃左右，液相线温度在208℃左右(考虑了试验误差)，具有优良的性能。
实施例9
MEMS器件3D封装互连钎料成分为：纳米Ag为2.0％，纳米Al为0.01％，纳米Zn为6.5％，Ni修饰碳纳米管为1.0％，余量为Sn。
钎料主要性能检测：固相线温度在196℃左右，液相线温度在209℃左右(考虑了试验误差)，具有优良的性能。
实施例10
MEMS器件3D封装互连钎料成分为：纳米Ag为0.01％，纳米Al为0.01％，纳米Zn为6％，Ni修饰碳纳米管为0.5％，余量为Sn。
钎料主要性能检测：固相线温度在193℃左右，液相线温度在206℃左右(考虑了试验误差)，具有优良的性能。
实施例11
MEMS器件3D封装互连钎料成分为：纳米Ag为1.0％，纳米Al为0.6％，纳米Zn为9.0％，Ni修饰碳纳米管为1.0％，余量为Sn。
钎料主要性能检测：固相线温度在188℃左右，液相线温度在195℃左右(考虑了试验误差)，具有优良的性能。
实施例12
MEMS器件3D封装互连钎料成分为：纳米Ag为2.0％，纳米Al为0.6％，纳米Zn为9.0％，Ni修饰碳纳米管为2.0％，余量为Sn。
钎料主要性能检测：固相线温度在189℃左右，液相线温度在196℃左右(考虑了试验误差)，具有优良的性能。
实施例13
MEMS器件3D封装互连钎料成分为：纳米Ag为2.0％，纳米Al为0.7％，纳米Zn为9.0％，Ni修饰碳纳米管为2.5％，余量为Sn。
钎料主要性能检测：固相线温度在189℃左右，液相线温度在196℃左右(考虑了试验误差)，具有优良的性能。
实施例14
MEMS器件3D封装互连钎料成分为：纳米Ag为0.01％，纳米Al为0.01％，纳米Zn为6％，Ni修饰碳纳米管为0.5％，余量为Sn。
钎料主要性能检测：固相线温度在196℃左右，液相线温度在209℃左右(考虑了试验误差)，具有优良的性能。
实施例15
MEMS器件3D封装互连钎料成分为：纳米Ag为3.0％，纳米Al为0.8％，纳米Zn为6.0％，Ni修饰碳纳米管为3.0％，余量为Sn。
钎料主要性能检测：固相线温度在196℃左右，液相线温度在209℃左右(考虑了试验误差)，具有优良的性能。
实施例16
MEMS器件3D封装互连钎料成分为：纳米Ag为2.8％，纳米Al为0.5％，纳米Zn为8.0％，Ni修饰碳纳米管为2.5％，余量为Sn。
钎料主要性能检测：固相线温度在191℃左右，液相线温度在209℃左右(考虑了试验误差)，具有优良的性能。
实验例：SnZn、SnZnAg、SnZnAgAl和SnZnAgAl-NiCNT合金的力学性能和使用寿命。
结论：添加微量Sn颗粒、纳米Ag颗粒、纳米Al颗粒、纳米Zn颗粒，Ni修饰碳纳米管可以显著提高SnZ n互连钎料使用寿命，提高幅度为SnZn的4.75倍。

Claims (1)

1.一种用于MEMS器件3D封装互连钎料，其特征在于：其成分及质量百分比为：纳米Ag含量为0.01～4.0％，纳米Al含量为0.01～0.8％，纳米Zn颗粒含量为6～10％，Ni修饰碳纳米管为0.5～3.0％，其余为Sn。
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