CN106513890B - 一种电子封装微焊点的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种电子封装微焊点的制备方法，包括：在第一基底上依次制备第一金属焊盘、第一可焊层和微凸点；在第二基底上依次制备第二金属焊盘和第二可焊层；将微凸点和第二金属焊盘一一对准、接触放置，形成一个组合体，选择所需的回流曲线对组合体进行钎焊回流，依次经历预热区、回流区和冷却区，在冷却区内使第一金属焊盘和第二金属焊盘之间形成温度梯度，至微凸点由液态全部转变为固态形成微焊点。本发明能够实现微焊点钎料基体中的Sn晶粒取向可调控，形成的单一择优取向微焊点，与半导体和封装技术工艺有良好的兼容性，具有良好的抗电迁移和热迁移可靠性，能够实现第一基底和第二基底之间的互连，提高微焊点或者具有以上材料组织及结构特征的器件的服役寿命。
Description
技术领域
本发明属于电子制造领域，涉及一种电子封装微焊点的制备方法。
背景技术
随着电子封装器件不断追求多功能、高性能和小体积，要求电子封装技术能够实现更高的集成密度和更小的封装尺寸，承载供电、散热和机械支撑等作用的焊点的尺寸持续减小，使得Sn基微焊点的钎料基体仅由几个甚至单个β-Sn晶粒组成。而β-Sn晶粒为体心四方结构具有强烈的各向异性，例如，150℃时Cu、Ni和Ag等原子沿β-Sn晶粒c轴的扩散速率比沿a轴的扩散速率大43倍多。文献[M.L.Huang,et.al.Acta Mater,100:98-106,2015]和[W.N.Hsu,et.al.Acta Mater,81:141-150,2014]报道了Sn基微焊点的β-Sn晶粒取向对微焊点的抗电迁移和热迁移性能以及其导致的失效方式具有关键的作用。
目前，通过常规钎焊回流方法制备的Sn基微焊点中的β-Sn晶粒取向呈随机分布。然而，由于微焊点β-Sn晶粒取向的差别，导致相同成分微焊点在服役相同条件下的电迁移和热迁移失效时间差别巨大，使得电子封装器件中每个微焊点的服役性能均不一致，而整个器件的使用寿命恰恰是由其寿命最短的微焊点决定的。
为解决上述问题，专利[中国发明专利授权公共号：CN104416252，授权公告日：2016年8月10日]采用在钎料凝固过程中施加磁场的方法，制备出具有择优取向的焊点。优点是制备出具有择优取向的焊点可延长焊点或者具有以上材料组织的结构或器件的使用寿命，但缺点是所引入的磁场对电子器件造成磁化作用，容易在制造过程中改变器件的性能甚至损伤器件，带来不确定的可靠性问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种电子封装微焊点的制备方法，通过在钎焊回流冷却阶段在微焊点内形成一定的温度梯度，使凝固后钎料基体β-Sn晶粒的c轴方向趋于与界面平行，实现微焊点钎料基体β-Sn晶粒取向可调控。该方法可在传统的回流工艺下进行，与现有半导体及封装工艺具有良好的兼容性；所形成的择优取向微焊点具有良好的抗电迁移和热迁移可靠性；同一回流条件下电子封装器件中各个微焊点钎料基体具有相同单一择优取向，微焊点服役性能趋于一致，显著提高微焊点或者具有以上材料组织的器件的服役寿命。
为了达到上述目的，本发明的技术方案为：
一种电子封装微焊点的制备方法，包括以下步骤：
步骤一：提供第一基底，在所述第一基底上采用电镀、溅射、气相沉积或蒸镀等方法制备至少一个第一金属焊盘，在所述第一金属焊盘上采用电镀、溅射、气相沉积、蒸镀或植球后再回流等方法制备微凸点；提供第二基底，在所述第二基底上采用电镀、溅射、气相沉积或蒸镀等方法制备至少一个第二金属焊盘，在所述第二金属焊盘上采用电镀、溅射或化学沉积的方法制备第二可焊层；
所述第一金属焊盘和第二金属焊盘具有相同的材质，且具有相同的排布图形；
所述第一金属焊盘为单晶或者具有择优取向；
所述微凸点中Sn的质量分数大于等于95％；
所述微凸点的直径小于等于100微米；
步骤二：将微凸点和第二金属焊盘一一对准，并接触放置，形成一个组合体；
步骤三：选择所需的回流曲线对步骤二形成的组合体进行钎焊回流，所述回流曲线包括预热区(升温区)、回流区和冷却区；
所述回流区的峰值回流温度至少比微凸点的熔化温度高10℃；
在所述冷却区内，使第一金属焊盘的冷却速率高于第二金属焊盘的冷却速率，即在第一金属焊盘和第二金属焊盘之间形成温度梯度，且第一金属焊盘的温度低于第二金属焊盘的温度，直至微凸点由液态全部转变为固态形成微焊点；
所述温度梯度定义为ΔT/Δd，所述ΔT为第二金属焊盘上表面与第一金属焊盘下表面之间的温度差，所述Δd为第二金属焊盘上表面与第一金属焊盘下表面之间的距离；
所述温度梯度的范围是不小于10℃/cm，作为优选地所述温度梯度的范围是20-250℃/cm；
所述第一金属焊盘的冷却速率不小于5℃/min；
所述第一金属焊盘和第二金属焊盘在钎焊回流后均有剩余；
所述钎焊回流结束后微焊点基体组织中的Sn晶粒具有单一择优取向特征；
所述在所述步骤一中第一金属焊盘和第二金属焊盘具有相同的材质，作为优选地所述焊盘的材质为Cu、Au、Ni、Pd和Ag中的一种，且具有相同的排布图形；所述的微凸点的材质为纯Sn或Sn基钎料。
在所述步骤一中，在制备微焊点之前，先在第一金属焊盘和第二金属焊盘上分别制备第一可焊层和第二可焊层，作为优选地所述第一可焊层和第二可焊层的材质为Ni、Au、Pd、Ag和OSP中的一种或几种；
所述第一可焊层与第一金属焊盘具有不同的材质，第二可焊层与第二金属焊盘具有不同的材质。
本发明的有益效果是：本发明通过在回流冷却区内钎料回流凝固阶段引入温度梯度，凝固后钎料基体β-Sn晶粒的c轴方向趋于与微焊点界面平行，实现微焊点钎料基体β-Sn晶粒取向可调控，形成的单一择优取向微焊点实现芯片与基板或芯片与芯片之间的互连，所形成的择优取向微焊点具有良好的抗电迁移和热迁移可靠性；同一回流条件下电子封装器件中各个微焊点钎料基体具有单一择优取向，微焊点服役性能趋于一致，提高微焊点或者具有以上材料组织的器件的服役寿命；整个制作过程方便，与半导体和封装技术工艺有良好的兼容性。
附图说明
图1为本发明步骤二中形成的组合体结构示意图；
图2为本发明制备的择优取向微焊点结构示意图；
图3为本发明实施例1、2和3的实验条件下与传统钎焊回流(等温时效)条件下的焊点微观形貌图；
图中：a1为传统钎焊回流条件；b1为实施例1；c1为实施例2；d1为实施例3；a2、b2、c2、d2分别为a1、b1、c1、d1对应钎料基体在温度梯度方向上的晶粒取向分布图；a3、b3、c3、d3分别为a1、b1、c1、d1对应的在温度梯度方向上的反极图；
10第一基底、20第一金属焊盘、30第二基底、40第二金属焊盘、50择优取向钎料基体；22第一可焊层、24微凸点、42第二可焊层、44焊剂。
具体实施方式
下面结合图1、图2和图3对本发明作进一步说明。
实施例1：
本发明的一种电子封装微焊点的制备方法可以通过下述工艺步骤实现：
步骤一：提供第一基底(10)，在所述基底(10)上电镀制备20×30个厚度为10μm的Cu第一焊盘(20)的阵列，在所制得的Cu第一焊盘(20)上溅射制备Ni/Au第一可焊层(22)，在所述Ni/Au第一可焊层(22)上植Sn3.0Ag0.5Cu钎料球并回流制得直径为30μm的Sn3.0Ag0.5Cu钎料微凸点(24)；提供第二基底(30)，在所述基底(30)上电镀制备20×30个厚度为50μm的Cu第二金属焊盘(40)的阵列，在所制得的Cu第二金属焊盘(40)上化学沉积OSP第二可焊层(42)；
步骤二：在OSP第二可焊层(42)的表面涂覆焊剂(44)；
步骤三：将Sn3.0Ag0.5Cu钎料微凸点(24)和OSP第二可焊层(42)一一对准，并接触放置，形成一个组合体；
步骤四：对步骤三形成的组合体加热至250℃进行钎焊回流，并在冷却过程中对Cu第一金属焊盘(20)一侧进行强制散热，使Cu第一金属焊盘(20)的冷却速率达到5℃/min，且使Cu第一金属焊盘(20)的温度低于Cu第二金属焊盘(40)的温度，即在Cu第一金属焊盘(20)和Cu第二金属焊盘(40)之间形成50℃/cm的温度梯度，直至微凸点Sn3.0Ag0.5Cu钎料全部转变为固态钎料(50)，制得择优取向互连微焊点。
如图3(b1)、(b2)和(b3)所示分别为本实施例中50℃/cm的温度梯度条件下凝固后焊点形貌图和钎料基体晶粒取向分布图及对应的反极图，从图中可以看出，焊点中形成了典型的织构，说明该方法能够改变焊点回流之后形成的组织取向。钎料基体(50)中Sn晶粒c轴与温度梯度之间的平均夹角为82°，与Cu第一金属焊盘(20)和Cu第二金属焊盘(40)的表面平均夹角8°,即钎料基体中Sn晶粒c轴趋于与界面平行，该取向的焊点具有更好的抗电迁移性能和更长的寿命，说明该方法能够提高焊点的可靠性。而传统钎焊回流(等温凝固)条件下凝固后钎料基体中Sn晶粒取向随机，如图3(a1)-(a3)所示，不同焊点内晶粒取向均不一致。
实施例2：
如图1、图2和图3所示，本发明的一种电子封装微焊点的制备方法可以通过下述具体工艺步骤实现：
步骤一：提供第一基底(10)，在所述基底(10)上电镀制备20×30个厚度为10μm的Cu第一焊盘(20)的阵列，在所制得的Cu第一焊盘(20)上溅射制备Ni/Au第一可焊层(22)，在所述Ni/Au第一可焊层(22)上植Sn3.0Ag0.5Cu钎料球并回流制得直径为100μm的Sn3.0Ag0.5Cu钎料微凸点(24)；提供第二基底(30)，在所述基底(30)上电镀制备20×30个厚度为50μm的Cu第二金属焊盘(40)的阵列，在所制得的Cu第二金属焊盘(40)上化学沉积OSP第二可焊层(42)；
步骤二：在OSP第二可焊层(42)的表面涂覆焊剂(44)；
步骤三：将Sn3.0Ag0.5Cu钎料微焊点(24)和OSP第二可焊层(42)一一对准，并接触放置，形成一个组合体；
步骤四：加热步骤三形成的组合体并加热至250℃进行钎焊回流，并在冷却过程中对Cu第一金属焊盘(20)一侧进行强制散热，使Cu第一金属焊盘(20)的冷却速率达到5℃/min，且使Cu第一金属焊盘(20)的温度低于Cu第二金属焊盘(40)的温度，即在Cu第一金属焊盘(20)和Cu第二金属焊盘(40)之间形成250℃/cm的温度梯度，直至微凸点Sn3.0Ag0.5Cu钎料全部转变为固态钎料(50)，制得择优取向互连微焊点。
如图3(c1)、(c2)和(c3)所示分别为本实施例中250℃/cm的温度梯度条件下凝固后焊点形貌图和钎料基体晶粒取向分布图及对应的反极图，从图中可以看出，焊点中形成了典型的织构，说明该方法能够改变焊点回流之后形成的组织取向。钎料基体(50)中Sn晶粒c轴与温度梯度之间的平均夹角为75°，与Cu第一金属焊盘(20)和Cu第二金属焊盘(40)的表面平均夹角15°,即钎料基体中Sn晶粒c轴趋于与界面平行。而传统钎焊回流(等温凝固)条件下凝固后钎料基体中Sn晶粒取向随机，如图3(a1)-(a3)所示，不同焊点内晶粒取向均不一致。
实施例3：
如图1、图2和图3所示，本发明的一种电子封装微焊点的制备方法可以通过下述具体工艺步骤实现：
步骤一：提供第一基底(10)，在所述基底(10)上电镀制备20×30个厚度为10μm的Cu第一焊盘(20)的阵列，在所制得的Cu第一焊盘(20)上溅射制备Ni/Au第一可焊层(22)，在所述Ni/Au第一可焊层(22)上植Sn3.0Ag0.5Cu钎料球并回流制得直径为100μm的Sn3.0Ag0.5Cu钎料微凸点(24)；提供第二基底(30)，在所述基底(30)上电镀制备20×30个厚度为60μm的Cu第二金属焊盘(40)的阵列，在所制得的Cu第二金属焊盘(40)上化学沉积OSP第二可焊层(42)；
步骤二：在OSP第二可焊层(42)的表面涂覆焊剂(44)；
步骤三：将Sn3.0Ag0.5Cu钎料微凸点(24)和OSP第二可焊层(42)一一对准，并接触放置，形成一个组合体；
步骤四：加热步骤三形成的组合体并加热至250℃进行钎焊回流，并在冷却过程中对Cu第一金属焊盘(20)一侧进行强制散热，使Cu第一金属焊盘(20)的冷却速率达到5℃/min，且使Cu第一金属焊盘(20)的温度低于Cu第二金属焊盘(40)的温度，即在Cu第一金属焊盘(20)和Cu第二金属焊盘(40)之间形成350℃/cm的温度梯度，直至微凸点Sn3.0Ag0.5Cu钎料全部转变为固态钎料(50)，制得择优取向互连微焊点。
如图3(d1)、(d2)和(d3)所示分别为本实施例中350℃/cm的温度梯度条件下凝固后焊点形貌图和钎料基体晶粒取向分布图及对应的反极图从图中可以看出，焊点中形成了典型的织构，说明该方法能够改变焊点回流之后形成的组织取向。钎料基体(50)中Sn晶粒c轴与温度梯度之间的平均夹角为77°，与Cu第一金属焊盘(20)和Cu第二金属焊盘(40)的表面平均夹角13°,即钎料基体中Sn晶粒c轴趋于与界面平行。而传统钎焊回流(等温凝固)条件下凝固后钎料基体中Sn晶粒取向随机，如图3(a1)-(a3)所示，不同焊点内晶粒取向均不一致。
实施例4：
如图1和图2所示，本发明的一种电子封装微焊点的制备方法可以通过下述具体工艺步骤实现：
步骤一：提供第一基底(10)，在所述基底(10)上气相沉积制备40×30个厚度为1μm的Cu第一焊盘(20)的阵列，在所制得的Cu第一焊盘(20)上电镀制备Sn层并回流制得直径为20μm的Sn钎料微凸点(24)；提供第二基底(30)，在所述基底(30)上电镀制备40×30个厚度为30μm的Cu第二金属焊盘(40)的阵列，在所制得的Cu第二金属焊盘(40)上电镀制备Ni/Pd/Au第二可焊层(42)；
步骤二：在Ni/Pd/Au第二可焊层(42)的表面涂覆焊剂(44)；
步骤三：将Sn钎料微凸点(24)和Ni/Pd/Au第二可焊层(42)一一对准，并接触放置，形成一个组合体；
步骤四：加热步骤三形成的组合体并加热至280℃进行钎焊回流，并在冷却过程中对Cu第一金属焊盘(20)一侧进行强制散热，使Cu第一金属焊盘(20)的冷却速率达到10℃/min，且使Cu第一金属焊盘(20)的温度低于Cu第二金属焊盘(40)的温度，即在Cu第一金属焊盘(20)和Cu第二金属焊盘(40)之间形成20℃/cm的温度梯度，直至微凸点Sn3.0Ag0.5Cu钎料全部转变为固态钎料(50)，制得择优取向互连微焊点。温度梯度条件下凝固后钎料基体(50)中Sn晶粒c轴与温度梯度之间的平均夹角为65°，与Cu第一金属焊盘(20)和Cu第二金属焊盘(40)的表面平均夹角25°,即钎料基体中Sn晶粒c轴趋于与界面平行。
实施例5：
如图1和图2所示，本发明的一种电子封装微焊点的制备方法可以通过下述具体工艺步骤实现：
步骤一：提供第一基底(10)，在所述基底(10)上电镀制备30×30个厚度为5μm的Cu第一焊盘(20)的阵列，在所制得的Cu第一焊盘(20)上电镀制备AuSn层并回流制得直径为20μm的AuSn钎料微凸点(24)；提供第二基底(30)，在所述基底(30)上电镀制备30×30个厚度为35μm的Cu第二金属焊盘(40)的阵列，在所制得的Cu第二金属焊盘(40)上电镀制备Au第二可焊层(42)；
步骤二：在Au第二可焊层(42)的表面涂覆焊剂(44)；
步骤三：将AuSn钎料微凸点(24)和Au第二可焊层(42)一一对准，并接触放置，形成一个组合体；
步骤四：加热步骤三形成的组合体并加热至230℃进行钎焊回流，并在冷却过程中对Cu第一金属焊盘(20)一侧进行强制散热，使Cu第一金属焊盘(20)的冷却速率达到15℃/min，且使Cu第一金属焊盘(20)的温度低于Cu第二金属焊盘(40)的温度，即在Cu第一金属焊盘(20)和Cu第二金属焊盘(40)之间形成10℃/cm的温度梯度，直至微凸点AuSn钎料全部转变为固态钎料(50)，制得择优取向互连微焊点。温度梯度条件下凝固后钎料基体(50)中Sn晶粒c轴与温度梯度之间的平均夹角为88°，与Cu第一金属焊盘(20)和Cu第二金属焊盘(40)的表面平均夹角2°,即钎料基体中Sn晶粒c轴趋于与界面平行。
实施例6：
如图1和图2所示，本发明的一种电子封装微焊点的制备方法可以通过下述具体工艺步骤实现：
步骤一：提供第一基底(10)，在所述基底(10)上电镀制备40×30个厚度为2μm的Cu第一焊盘(20)的阵列，在所制得的Cu第一焊盘(20)上溅射制备Ni/Au第一可焊层(22)，在所述Ni/Au第一可焊层(22)上溅射SnCu钎料层并回流制得直径为3μm的SnCu钎料微凸点(24)；提供第二基底(30)，在所述基底(30)上电镀制备40×30个厚度为6μm的Cu第二金属焊盘(40)的阵列，在所制得的Cu第二金属焊盘(40)上化学沉积OSP第二可焊层(42)；
步骤二：在OSP第二可焊层(42)的表面涂覆焊剂(44)；
步骤三：将SnCu钎料微凸点(24)和OSP第二可焊层(42)一一对准，并接触放置，形成一个组合体；
步骤四：加热步骤三形成的组合体并加热至260℃进行钎焊回流，并在冷却过程中对Cu第一金属焊盘(20)一侧进行强制散热，使Cu第一金属焊盘(20)的冷却速率达到20℃/min，且使Cu第一金属焊盘(20)的温度低于Cu第二金属焊盘(40)的温度，在Cu第一金属焊盘(20)和Cu第二金属焊盘(40)之间形成100℃/cm的温度梯度，直至微凸点SnCu钎料全部转变为固态钎料(50)，制得择优取向互连微焊点。温度梯度条件下凝固后钎料基体(50)中Sn晶粒c轴与温度梯度之间的平均夹角为68°，与Cu第一金属焊盘(20)和Cu第二金属焊盘(40)的表面平均夹角22°,即钎料基体中Sn晶粒c轴趋于与界面平行。
实施例7：
如图1和图2所示，本发明的一种电子封装微焊点的制备方法可以通过下述具体工艺步骤实现：
步骤一：提供第一基底(10)，在所述基底(10)上电镀制备50×50个厚度为20μm的Ag第一焊盘(20)的阵列，在所制得的Ag第一焊盘(20)上电镀SnAg钎料层并回流制得直径为20μm的SnAg钎料微凸点(24)；提供第二基底(30)，在所述基底(30)上电镀制备50×50个厚度为70μm的Ag第二金属焊盘(40)的阵列，在所制得的Ag第二金属焊盘(40)上电镀制备Pd/Au第二可焊层(42)；
步骤二：在Pd/Au第二可焊层(42)的表面涂覆焊剂(44)；
步骤三：将SnAg钎料微凸点(24)和Pd/Au第二可焊层(42)一一对准，并接触放置，形成一个组合体；
步骤四：加热步骤三形成的组合体并加热至260℃进行钎焊回流，并在冷却过程中对Ag第一金属焊盘(20)一侧进行强制散热，使Ag第一金属焊盘(20)的冷却速率达到25℃/min，且使Ag第一金属焊盘(20)的温度低于Ag第二金属焊盘(40)的温度，即在Ag第一金属焊盘(20)和Ag第二金属焊盘(40)之间形成150℃/cm的温度梯度，直至微凸点SnAg钎料全部转变为固态钎料(50)，制得择优取向互连微焊点。温度梯度条件下凝固后钎料基体(50)中Sn晶粒c轴与温度梯度之间的平均夹角为73°，与Ag第一金属焊盘(20)和Ag第二金属焊盘(40)的表面平均夹角17°,即钎料基体中Sn晶粒c轴趋于与界面平行。
实施例8：
如图1和图2所示，本发明的一种电子封装微焊点的制备方法可以通过下述具体工艺步骤实现：
步骤一：提供第一基底(10)，在所述基底(10)上电镀制备40×30个厚度为10μm的Cu第一焊盘(20)的阵列，在所制得的Cu第一焊盘(20)上溅射制备Ni/Au第一可焊层(22)，在所述Ni/Au第一可焊层(22)上植SnBi钎料球并回流制得直径为100μm的SnBi钎料微凸点(24)；提供基底(30)，在所述第二基底(30)上电镀制备40×30个厚度为80μm的Cu第二金属焊盘(40)的阵列，在所制得的Cu第二金属焊盘(40)上电镀Au第二可焊层(42)；
步骤二：在Au第二可焊层(42)的表面涂覆焊剂(44)；
步骤三：将SnBi钎料微凸点(24)和Au第二可焊层(42)一一对准，并接触放置，形成一个组合体；
步骤四：加热步骤三形成的组合体并加热至180℃进行钎焊回流，并在冷却过程中对Cu第一金属焊盘(20)一侧进行强制散热，使Cu第一金属焊盘(20)的冷却速率达到30℃/min，且使Cu第一金属焊盘(20)的温度低于Cu第二金属焊盘(40)的温度，在Cu第一金属焊盘(20)和Cu第二金属焊盘(40)之间形成200℃/cm的温度梯度，直至微凸点SnBi钎料全部转变为固态钎料(50)，制得择优取向互连微焊点。温度梯度条件下凝固后钎料基体(50)中Sn晶粒c轴与温度梯度之间的平均夹角为80°，与Cu第一金属焊盘(20)和Cu第二金属焊盘(40)的表面平均夹角10°,即钎料基体中Sn晶粒c轴趋于与界面平行。
实施例9：
如图1和图2所示，本发明的一种电子封装微焊点的制备方法可以通过下述具体工艺步骤实现：
步骤一：提供第一基底(10)，在所述基底(10)上电镀制备40×30个厚度为10μm的Cu第一焊盘(20)的阵列，在所制得的Cu第一焊盘(20)上溅射制备Ni/Au第一可焊层(22)，在所述Ni/Au第一可焊层(22)上植SnPb钎料球并回流制得直径为80μm的SnPb钎料微凸点(24)；提供第二基底(30)，在所述基底(30)上电镀制备40×30个厚度为100μm的Cu第二金属焊盘(40)的阵列，在所制得的Cu第二金属焊盘(40)上电镀Au第二可焊层(42)；
步骤二：在Au第二可焊层(42)的表面涂覆焊剂(44)；
步骤三：将SnPb钎料微凸点(24)和Au第二可焊层(42)一一对准，并接触放置，形成一个组合体；
步骤四：加热步骤三形成的组合体并加热至180℃进行钎焊回流，并在冷却过程中对Cu第一金属焊盘(20)一侧进行强制散热，使Cu第一金属焊盘(20)的冷却速率达到35℃/min，且使Cu第一金属焊盘(20)的温度低于Cu第二金属焊盘(40)的温度，在Cu第一金属焊盘(20)和Cu第二金属焊盘(40)之间形成280℃/cm的温度梯度，直至微凸点SnPb钎料全部转变为固态钎料(50)，制得择优取向互连微焊点。温度梯度条件下凝固后钎料基体(50)中Sn晶粒c轴与温度梯度之间的平均夹角为84°，与Cu第一金属焊盘(20)和Cu第二金属焊盘(40)的表面平均夹角6°,即钎料基体中Sn晶粒c轴趋于与界面平行。
实施例10：
如图1和图2所示，本发明的一种电子封装微焊点的制备方法可以通过下述具体工艺步骤实现：
步骤一：提供第一基底(10)，在所述基底(10)上溅射制备40×30个厚度为1μm的Cu第一焊盘(20)的阵列，在所制得的Cu第一焊盘(20)上溅射制备Sn层并回流制得直径为1μm的Sn钎料微凸点(24)；提供第二基底(30)，在所述基底(30)上溅射制备40×30个厚度为2μm的Cu第二金属焊盘(40)的阵列，在所制得的Cu第二金属焊盘(40)上溅射制备Ni/Pd/Au第二可焊层(42)；
步骤二：在Ni/Pd/Au第二可焊层(42)的表面涂覆焊剂(44)；
步骤三：将Sn钎料微凸点(24)和Ni/Pd/Au第二可焊层(42)一一对准，并接触放置，形成一个组合体；
步骤四：加热步骤三形成的组合体并加热至260℃进行钎焊回流，并在冷却过程中对Cu第一金属焊盘(20)一侧进行强制散热，使Cu第一金属焊盘(20)的冷却速率达到40℃/min，且使Cu第一金属焊盘(20)的温度低于Cu第二金属焊盘(40)的温度，即在Cu第一金属焊盘(20)和Cu第二金属焊盘(40)之间形成320℃/cm的温度梯度，直至微凸点Sn3.0Ag0.5Cu钎料全部转变为固态钎料(50)，制得择优取向互连微焊点。温度梯度条件下凝固后钎料基体(50)中Sn晶粒c轴与温度梯度之间的平均夹角为71°，与Cu第一金属焊盘(20)和Cu第二金属焊盘(40)的表面平均夹角19°,即钎料基体中Sn晶粒c轴趋于与界面平行。
实施例11：
如图1和图2，本发明的一种电子封装微焊点的制备方法可以通过下述具体工艺步骤实现：
步骤一：提供第一基底(10)，在所述基底(10)上电镀制备50×50个厚度为20μm的Ag第一焊盘(20)的阵列，在所制得的Ag第一焊盘(20)上电镀Sn和Ag钎料层并回流制得直径为30μm的SnAg钎料微凸点(24)；提供第二基底(30)，在所述基底(30)上电镀制备50×50个厚度为50μm的Ag第二金属焊盘(40)的阵列，在所制得的Ag第二金属焊盘(40)上电镀制备Pd/Au第二可焊层(42)；
步骤二：在Pd/Au第二可焊层(42)的表面涂覆焊剂(44)；
步骤三：将SnAg钎料微凸点(24)和Pd/Au第二可焊层(42)一一对准，并接触放置，形成一个组合体；
步骤四：加热步骤三形成的组合体并加热至260℃进行钎焊回流，并在冷却过程中对Ag第一金属焊盘(20)一侧进行强制散热，使Ag第一金属焊盘(20)的冷却速率达到45℃/min，且使Ag第一金属焊盘(20)的温度低于Ag第二金属焊盘(40)的温度，即在Ag第一金属焊盘(20)和Ag第二金属焊盘(40)之间形成390℃/cm的温度梯度，直至微凸点SnAg钎料全部转变为固态钎料(50)，制得择优取向互连微焊点。温度梯度条件下凝固后钎料基体(50)中Sn晶粒c轴与温度梯度之间的平均夹角为86°，与Ag第一金属焊盘(20)和Ag第二金属焊盘(40)的表面平均夹角4°,即钎料基体中Sn晶粒c轴趋于与界面平行。
实施例12：
如图1和图2所示，本发明的一种电子封装微焊点的制备方法可以通过下述具体工艺步骤实现：
步骤一：提供第一基底(10)，在所述基底(10)上电镀制备50×50个厚度为10μm的Ni第一焊盘(20)的阵列，在所制得的Ni第一焊盘(20)上电镀Sn并回流制得直径为20μm的Sn钎料微凸点(24)；提供第二基底(30)，在所述基底(30)上溅射制备50×50个厚度为40μm的Ni第二金属焊盘(40)的阵列，在所制得的Ni第二金属焊盘(40)上溅射制备Au第二可焊层(42)；
步骤二：在Au第二可焊层(42)的表面涂覆焊剂(44)；
步骤三：将In钎料微凸点(24)和Au第二可焊层(42)一一对准，并接触放置，形成一个组合体；
步骤四：加热步骤三形成的组合体并加热至260℃进行钎焊回流，并在冷却过程中对Ni第一金属焊盘(20)一侧进行强制散热，使Ni第一金属焊盘(20)的冷却速率达到50℃/min，且使Ni第一金属焊盘(20)的温度低于Ni第二金属焊盘(40)的温度，在Ni第一金属焊盘(20)和Ni第二金属焊盘(40)之间形成450℃/cm的温度梯度，直至微凸点Sn钎料全部转变为固态钎料(50)，制得择优取向互连微焊点。温度梯度条件下凝固后钎料基体(50)中Sn晶粒c轴与温度梯度之间的平均夹角为90°，与Ni第一金属焊盘(20)和Ni第二金属焊盘(40)的表面平均夹角0°,即钎料基体中Sn晶粒c轴趋于与界面平行。
实施例13：
如图1和图2所示，本发明的一种电子封装微焊点的制备方法可以通过下述具体工艺步骤实现：
步骤一：提供第一基底(10)，在所述基底(10)上蒸镀制备50×50个厚度为2μm的Ag第一焊盘(20)的阵列，在所制得的Ag第一焊盘(20)上电镀Sn并回流制得直径为5μm的Sn钎料微凸点(24)；提供第二基底(30)，在所述基底(30)上电镀制备50×50个厚度为20μm的Ag第二金属焊盘(40)的阵列，在所制得的Ag第二金属焊盘(40)上电镀制备Pd/Au第二可焊层(42)；
步骤二：在Pd/Au第二可焊层(42)的表面涂覆焊剂(44)；
步骤三：将Sn钎料微凸点(24)和Pd/Au第二可焊层(42)一一对准，并接触放置，形成一个组合体；
步骤四：加热步骤三形成的组合体并加热至260℃进行钎焊回流，并在冷却过程中对Ag第一金属焊盘(20)一侧进行强制散热，使Ag第一金属焊盘(20)的冷却速率达到60℃/min，且使Ag第一金属焊盘(20)的温度达到260℃且低于Ag第二金属焊盘(40)的温度，即在Ag第一金属焊盘(20)和Ag第二金属焊盘(40)之间形成350℃/cm的温度梯度，直至微凸点Sn钎料全部转变为固态钎料(50)，制得择优取向互连微焊点。温度梯度条件下凝固后钎料基体(50)中Sn晶粒c轴与温度梯度之间的平均夹角为79°，与Ag第一金属焊盘(20)和Ag第二金属焊盘(40)的表面平均夹角11°,即钎料基体中Sn晶粒c轴趋于与界面平行。
实施例14：
如图1和图2所示，本发明的一种电子封装微焊点的制备方法可以通过下述具体工艺步骤实现：
步骤一：提供第一基底(10)，在所述基底(10)上溅射制备50×50个厚度为1μm的Ni第一焊盘(20)的阵列，在所制得的Ni第一焊盘(20)上溅射制备Ag第一可焊层(22)，在所述Ag第一可焊层(22)上电镀Sn并回流制得直径为1μm的Sn钎料微凸点(24)；提供第二基底(30)，在所述基底(30)上溅射制备50×50个厚度为4μm的Ni第二金属焊盘(40)的阵列，在所制得的Ni第二金属焊盘(40)上溅射制备Ag第二可焊层(42)；
步骤二：在Ag第二可焊层(42)的表面涂覆焊剂(44)；
步骤三：将Sn钎料微凸点(24)和Ag第二可焊层(42)一一对准，并接触放置，形成一个组合体；
步骤四：加热步骤三形成的组合体并加热至260℃进行钎焊回流，并在冷却过程中对Ni第一金属焊盘(20)一侧进行强制散热，使Ni第一金属焊盘(20)的冷却速率达到65℃/min，且使Ni第一金属焊盘(20)的温度达到260℃且低于Ni第二金属焊盘(40)的温度，在Ni第一金属焊盘(20)和Ni第二金属焊盘(40)之间形成495℃/cm的温度梯度，直至微凸点Sn钎料全部转变为固态钎料(50)，制得择优取向互连微焊点。温度梯度条件下凝固后钎料基体(50)中Sn晶粒c轴与温度梯度之间的平均夹角为85°，与Ni第一金属焊盘(20)和Ni第二金属焊盘(40)的表面平均夹角5°,即钎料基体中Sn晶粒c轴趋于与界面平行。
上述实施例是对本发明所作的进一步详细说明，并不用以限制本发明，所用材料和工艺条件仅限于上述实施例，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种电子封装微焊点的制备方法，其特征在于以下步骤：
步骤一：提供第一基底(10)，在所述第一基底(10)上制备至少一个第一金属焊盘(20)，在所述第一金属焊盘(20)上制备微凸点(24)；提供第二基底(30)，在所述第二基底(30)上制备至少一个第二金属焊盘(40)；
所述第一金属焊盘(20)和第二金属焊盘(40)具有相同的材质，且具有相同的排布图形；
所述第一金属焊盘(20)为单晶或者具有择优取向；
所述微凸点(24)中Sn的质量分数不小于95％；
所述微凸点(24)的直径不大于100微米；
步骤二：将微凸点(24)和第二金属焊盘(40)一一对准，并接触放置，形成一个组合体；
步骤三：选择所需的回流曲线对步骤二形成的组合体进行钎焊回流，所述回流曲线包括预热区、回流区和冷却区；
所述回流区的峰值回流温度至少比微凸点(24)的熔化温度高10℃；
在所述冷却区内，使第一金属焊盘(20)的冷却速率高于第二金属焊盘(40)的冷却速率，即在第一金属焊盘(20)和第二金属焊盘(40)之间形成温度梯度，且第一金属焊盘(20)的温度低于第二金属焊盘(40)的温度，直至微凸点(24)由液态全部转变为固态形成微焊点；
所述温度梯度的范围是不小于10℃/cm；
所述第一金属焊盘(20)的冷却速率不小于5℃/min；
所述第一金属焊盘(20)和第二金属焊盘(40)在钎焊回流后均有剩余；
所述钎焊回流结束后微焊点基体组织中的Sn晶粒具有择优取向特征。
2.根据权利要求1所述的一种电子封装微焊点的制备方法，其特征在于，所述的具有择优取向的Sn晶粒的c轴与温度梯度之间的夹角为65-90°，Sn晶粒的c轴与第一金属焊盘(20)和第二金属焊盘(40)的表面夹角相同,夹角大小为0-25°。
3.根据权利要求1或2所述的一种电子封装微焊点的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤一中，在制备微凸点(24)之前，先在第一金属焊盘(20)和第二金属焊盘(40)上分别制备第一可焊层(22)和第二可焊层(42)；
所述第一可焊层(22)与第一金属焊盘(20)具有不同的材质，第二可焊层(42)与第二金属焊盘(40)具有不同的材质。
4.根据权利要求1或2所述的一种电子封装微焊点的制备方法，其特征在于，所述的步骤三中施加温度梯度的大小和方向均可调。
5.根据权利要求3所述的一种电子封装微焊点的制备方法，其特征在于，所述的步骤三中施加温度梯度的大小和方向均可调。
6.根据权利要求1或2或5所述的一种电子封装微焊点的制备方法，其特征在于，所述温度梯度的范围优选20-250℃/cm。
7.根据权利要求3所述的一种电子封装微焊点的制备方法，其特征在于，所述温度梯度的范围优选20-250℃/cm。
8.根据权利要求4所述的一种电子封装微焊点的制备方法，其特征在于，所述温度梯度的范围优选20-250℃/cm。
9.根据权利要求1或2或8所述的一种电子封装微焊点的制备方法，其特征在于，所述的第一金属焊盘(20)和第二金属焊盘(40)的材质为Cu、Au、Ni、Pd和Ag中的一种；所述的微凸点的材质为纯Sn或Sn基钎料。
10.根据权利要求5或7所述的一种电子封装微焊点的制备方法，其特征在于，所述的第一金属焊盘(20)和第二金属焊盘(40)的材质为Cu、Au、Ni、Pd和Ag中的一种；所述的微凸点的材质为纯Sn或Sn基钎料；所述的第一可焊层和第二可焊层的材质为Ni、Au、Pd、Ag和OSP中的一种或几种；所述第一可焊层与第一金属焊盘具有不同的材质，第二可焊层与第二金属焊盘具有不同的材质。
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Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| In situ study on the effect of thermomigration on intermetallic compounds growth in liquid-solid interfacial reaction;Lin Qu等;《JOURNAL OF APPLIED PHYSICS》;20140527;第115卷;第204907-1页摘要，第204907-3页第1-2段，第204907-4页第1段，图1,4,5 |
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| CN106513890A (zh) | 2017-03-22 |
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