CN107335879B - 一种面阵列的封装方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种面阵列的封装方法，其中，包括通过熔融锡将面阵列封装用的单相Cu6Sn5焊球与焊盘连接起来的；本发明采用单相Cu6Sn5球形粉末作为焊球，在连接过程中只通过扩散反应达到连接的目的，焊球的高度基本不发生变化，连接过程耗时短，参与反应的Sn量比较少，冷却比较均匀，产生的应力比较小，此外，Cu6Sn5焊球能提高焊点的抗电迁移性能以及抗高温性能，完成互连后焊球形状不发生明显变化；而且在进行封装时，所用的阵列不需镀上Ni层和和Au层，大大提高了制备阵列的效率，降低成本，节约资源。

Description

一种面阵列的封装方法
技术领域
本发明涉及电子封装技术领域，尤其涉及一种面阵列的封装方法。
背景技术
目前用于面阵列封装的球形材料大多为SnPb球，但由于锡-铅钎料对人体有一定的伤害，目前很多国家都命令禁止锡-铅钎料的使用；基于此，电子封装行业的锡-铜无铅钎料应运而生。
采用含锡量较高的无铅锡球，在焊接过程中，锡球会和锡膏熔为一体，从而实现将封装体和焊盘连在一起；目前常见的无铅锡球成分一般为Sn/Ag/Cu或者添加石墨烯的Sn-Ag-Cu复合钎料、还有较脆的SnBi、SnZn，以及含有微弱的放射性的Sn-Ag-Bi-In等；然而当采用现有的这些焊球进行封装时，在经过熔化处理后，进入冷却凝固过程中的焊点出现应力，并且形成的焊点抗高温和抗电迁移性能较差。
因此，现有技术还有待于改进和发展。
发明内容
鉴于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种面阵列的封装方法，旨在解决现有的无铅锡球在面阵列封装过程中形成的焊点抗高温和抗电迁移性能较差的问题。
本发明的技术方案如下：
一种面阵列的封装方法，其中，包括通过熔融锡将面阵列封装用的单相Cu6Sn5焊球与焊盘连接起来的步骤。
所述的面阵列的封装方法，其中，所述通过熔融锡将面阵列封装用的单相Cu6Sn5焊球与焊盘连接起来的步骤具体包括：
A、在第一焊盘阵列上涂覆一层焊锡膏或粘附一层含有助焊剂的锡箔；
B、在所述第一焊盘阵列的每个焊盘上均预植一个同样目数范围下的Cu6Sn5焊球；
C、将另一涂覆有焊锡膏或粘附有助焊剂锡箔的第二焊盘阵列与所述第一焊盘阵列对齐，并用夹具压紧，形成焊盘-焊锡膏/锡箔-Cu6Sn5焊球-焊锡膏/锡箔-焊盘结构；
D、在230-250℃的条件下对所述焊盘-焊锡膏/锡箔-Cu6Sn5焊球-焊锡膏/锡箔-焊盘结构进行回流处理，冷却后取出所述夹具，制得封装结构体。
所述的面阵列的封装方法，其中，所述回流处理时间为3-10min。
所述的面阵列的封装方法，其中，所述第一焊盘阵列和第二焊盘阵列的材料均为铜。
所述的面阵列的封装方法，其中，所述Cu6Sn5焊球为通过气雾化制粉的方法制备得到的Cu6Sn5单相球形粉。
所述的面阵列的封装方法，其中，所述单相Cu6Sn5焊球的具体制备步骤包括：
A1、在惰性气体保护下，按Cu和Sn的原子比为6:5，感应熔炼Cu块和Sn块得到母合金；
B1、将所述母合金切割成小块，对切成小块的母合金进行气雾化制粉；
C1、在惰性气体的保护下，对所述焊球粉末进行180-220℃的加热处理，处理3-5h后得到单相的Cu6Sn5焊球粉末。
所述的面阵列的封装方法，其中，所述步骤B1具体为：采用垂直雾化的方式，使用惰性气体冲击熔融的母合金，其中熔融母合金的流动方向与雾化气体的流动方向之间的角度为90°，冷却凝固成粉末。
所述的面阵列的封装方法，其中，所述惰性气体的压力为0.1-0.5MPa。
所述的面阵列的封装方法，其中，所述惰性气体的流量为0.15-0.6 m3/h。
所述的面阵列的封装方法，其中，所述步骤B1还包括：采用75-600目标准筛对粉末混合体筛分成75-80目、90-100目、150-160目和325-400目的粉末。
有益效果：本发明提供一种面阵列的封装方法，采用单相Cu6Sn5球形粉末作为焊球，在连接过程中只通过扩散反应达到连接的目的，焊球的高度基本不发生变化，连接过程耗时短，参与反应的Sn量比较少，冷却比较均匀，产生的应力比较小，此外，Cu6Sn5焊球能提高焊点的抗电迁移性能以及抗高温性能，完成互连后焊球形状不发生明显变化；而且在进行封装时，所用的阵列不需镀上Ni层和和Au层，大大提高了制备阵列的效率，降低成本，节约资源。
附图说明
图1为本发明一种面阵列的封装方法较佳实施例的具体流程图。
图2为经过气雾化后制得的Cu-Sn合金粉末的SEM图。
图3为经过气雾化后制得的Cu-Sn合金粉末的X射线衍射图谱。
图4为经过180℃热处理后得到的Cu6Sn5化合物球的SEM图。
图5为经过180℃热处理后得到的Cu6Sn5化合物球的X射线衍射图谱。
图6为用Cu6Sn5化合物焊球得到的封装结构体的界面分析图及机理分析图。
图7为最终获得的封装结构体及各层物相示意图。
具体实施方式
本发明提供一种面阵列的封装方法，为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明提供的面阵列封装方法，其中包括通过熔融锡将面阵列封装用的单相Cu6Sn5焊球与焊盘连接起来的步骤。
具体来说，本发明采用的单相球形Cu6Sn5为高熔点高含铜量的互连焊球，采用该焊球进行焊接，能够有效提高互连焊点的性能，如抗高温和抗电迁移性能等；应用此材料实现面阵列封装互连，在互连过程中并不熔化，所用焊盘并不需要镀上阻焊层和Au层，完成互连后焊球形状不发生明显变化。
进一步地，在本发明中，如图1所示，所述通过熔融锡将面阵列封装用的单相Cu6Sn5焊球与焊盘连接起来的步骤具体包括：
S10、在第一焊盘阵列上涂覆一层焊锡膏或粘附一层含有助焊剂的锡箔；
S20、在所述第一焊盘阵列的每个焊盘上均预植一个同样目数范围下的Cu6Sn5焊球；
S30、将另一涂覆有焊锡膏或粘附有助焊剂锡箔的第二焊盘阵列与所述第一焊盘阵列对齐，并用夹具压紧，形成焊盘-焊锡膏/锡箔-Cu6Sn5焊球-焊锡膏/锡箔-焊盘结构；
S40、在230-250℃的条件下对所述焊盘-焊锡膏/锡箔-Cu6Sn5焊球-焊锡膏/锡箔-焊盘结构进行回流处理，冷却后取出所述夹具，制得封装结构体。
具体来说，本发明所采用的第一焊盘阵列和第二焊盘阵列的材料均为铜，当把所述焊盘-焊锡膏/锡箔-Cu6Sn5焊球-焊锡膏/锡箔-焊盘结构放进管式炉中回流时，焊Sn膏或者Sn箔随即熔化，由于Cu6Sn5焊球与Cu焊盘是点接触，在接触点周围Cu6Sn5焊球与Cu焊盘之间有一狭小的间隙，此狭小间隙对熔融Sn提供毛细管力，熔融Sn出现毛细现象；
与此同时，对于Cu6Sn5化合物焊球，刚开始时在熔融Sn处，Cu原子浓度很低，而Cu6Sn5焊球和Cu焊盘中的Cu原子浓度极高，化合物球中Cu原子的扩散速度比Sn原子扩散速度快，如此，Cu6Sn5中的Cu原子扩散到与熔融Sn交界处进而反应生成Cu6Sn5化合物层，当然，熔融Sn与Cu焊盘交界处的Cu也反应生成Cu6Sn5化合物层，当熔融Sn耗尽时达到连接的目的，该过程只持续几分钟即可完成，而且完成互连后的Cu6Sn5焊球形状不发生明显变化，还能提高互连焊点的耐高温性能和抗电迁移性能。
进一步地，本发明优选回流处理的时间为3-10min，当处理时间小于3min时，则可能导致反应未完全，即熔融的Sn未完全与铜发生反应，导致封装效果不佳；当处理时间大于10min时，则降低了封装效率，故本发明优选回流处理时间为3-10min。
更进一步，本发明所采用的Cu6Sn5焊球为通过气雾化制粉的方法制备得到的Cu6Sn5单相球形粉，其制备步骤具体包括：
S100、在惰性气体保护下，按Cu和Sn的原子比为6:5，感应熔炼Cu块和Sn块得到母合金；
具体地说，在惰性气体（Ar气或者N2）的保护下，按6:5的原子比感应熔炼纯度为99.9%以上的Cu和Sn块3次得到母合金，使母合金的成分趋于均匀。
S200、将所述母合金切割成小块，对切成小块的母合金进行气雾化制粉；
具体地说，把母合金切割成合格尺寸的小块，用水砂纸磨抛表面氧化膜，冷吹风吹干；在气雾化过程中，雾化采用垂直雾化方式，即熔融合金与雾化气体之间的角度为90度，使用Ar气或者N2冲击熔融合金，细液滴冷却凝固成粉末，得到已经过初步筛分的粉末混合体，这是因为粉末在一体式气雾化装置中作平抛运动而得到初步筛分，从而提高了筛分效率，其中Ar气或者N2的雾化压力为0.1-0.5MPa、保护熔融合金的气体流量0.15-0.6 m3/h。
进一步，再用75~600目的标准筛对粉末混合体筛分成75-80目、90-100目、150-160目和325-400目的粉末，得到四种球径相差不大的球形粉末。
S300、在惰性气体的保护下，对所述焊球粉末进行180-220℃的加热处理，处理3-5h后得到单相的Cu6Sn5焊球粉末。
具体来说，将所得焊球粉末进行热处理，即得到球径分布均匀的单相球形Cu6Sn5化合物粉末，其中热处理工艺是在Ar气或者N2保护下，在180℃~220℃下保温3-5h。气雾化后制得的Cu-Sn合金粉末球形度和分散性都比较理想，而且球径相差不大，适合作为面阵列封装焊球，但是粉末呈Cu6Sn5、Cu10Sn3、Cu3Sn和Sn的多相混合结构，存在偏析现象，需经过进一步处理。
在Ar气保护下，优选对不同球径的粉末在180℃进行4小时的热处理。将得到的上述热处理后的粉末通过XRD表征手段分析，该热处理后的粉末即为单相Cu6Sn5焊球。也就是说，经过热处理后，焊球的球形度和分散性依然保持良好，而且XRD衍射峰上只呈现Cu6Sn5相的特征峰，没有其他物相的特征峰，说明成分得到了均一化，热处理后的粉末为单相Cu6Sn5焊球。
下面通过具体实施例对本发明一种面阵列的封装方法做进一步的解释说明：
实施例1
用天平称取39.1 g纯度为99.9%的铜和 60.9g纯度为99.9%的锡，表面用水砂纸稍微打磨，去除部分氧化膜，冷风烘干后置于熔炼坩埚中，往熔炼坩埚中通入流量为0.1m3/h的Ar气或者氮气，在感应线圈作用下，铜和锡熔化成合金，反复熔炼合金3次，冷却到室温后，停止通气；
取出合金，切割成10*10*20mm以内的小块合金，置于垂直气雾化喷嘴中，氮气或者氩气保护下感应加热至熔融状态，氮气或者氩气冲击由于氮气或者氩气压力作用下从喷嘴中喷出的熔融合金，实现气雾化制粉，得到经过初步筛分的粉末混合体，再用75-80目、90-100目、150-160目和325-400目的标准样筛层层筛选4次，得到适用于不同中心距的焊球。
经过气雾化后制得的Cu-Sn合金粉末的SEM图如图2所示，经过气雾化后制得的Cu-Sn合金粉末的X射线衍射图谱如图3所示，通过图2和图3可见，气雾化后制得的Cu-Sn合金粉末球形度和分散性都比较理想，而且球径相差不大，适合作为面阵列封装焊球，但是粉末呈Cu6Sn5、Cu10Sn3、Cu3Sn和Sn的多相混合结构，存在偏析现象，需经过进一步处理。
在Ar气保护下，对不同球径的粉末在180℃进行4小时的热处理；将得到的上述热处理后的粉末通过XRD表征手段分析，该热处理后的粉末即为单相Cu6Sn5焊球。经过180℃热处理后得到的Cu6Sn5化合物球的SEM图如图4所示，经过180℃热处理后得到的Cu6Sn5化合物球的X射线衍射图谱如图5所示。从图上可见，经过热处理后，焊球的球形度和分散性依然保持良好，而且XRD衍射峰上只呈现Cu6Sn5相的特征峰，没有其他物相的特征峰，说明成分得到了均一化，热处理后的粉末为单相Cu6Sn5焊球。
取出75-80目的Cu6Sn5焊球，并取出两Cu焊盘阵列，在Cu焊盘的阵列上涂敷一薄层焊Sn膏，在放大镜的观察下，用镊子夹取一颗Cu6Sn5焊球预植于涂有焊Sn膏的焊盘中间，重复此操作把每个焊盘都放置一颗Cu6Sn5焊球，通过夹具使另一涂敷有焊Sn膏的Cu焊盘阵列的中心距与预植有Cu6Sn5焊球的阵列的中心距相同，并用夹具夹紧，得到封装结构胚体，将夹紧封装结构胚体的夹具置于240℃的管式马弗炉中回流5min，后随炉冷却到150℃再取出夹具，将封装结构体取下即可。
试验后测得其初始剪切力为12N左右，所得封装结构体经250摄氏度热处理48h后，化合物焊球稍微弱化，其剪切力变为11N，说明封装结构体具有较好的抗高温性能。电流密度为5*104A/cm2，工作温度为200摄氏度时，连续工作48h或更长时间后阴极出现柯肯达尔孔洞，阳极的化合物层稍微增厚，剪切力变为9N，工作70h或更长时间后出现显微裂纹。图6为用Cu6Sn5化合物焊球得到的封装结构体的界面分析图及机理分析图，最终获得的封装结构体及各层物相示意图如图7所示，如图6和图7可见，在焊盘附近的区域，相称度一样，Cu和Sn的原子比接近6:5，可以推断Cu6Sn5焊球与焊盘间的间隙层的物相为Cu6Sn5化合物层，而Cu6Sn5焊球中Cu和Sn原子比接近2:5，低于6:5，说明焊球中的部分Cu已扩散到焊球外，可见，Cu6Sn5化合物焊球中的Cu原子扩散到与熔融Sn交界处进而反应生成Cu6Sn5化合物层，熔融Sn与Cu焊盘交界处的Cu也反应生成也反应生成Cu6Sn5化合物层。
实施例2
将分析天平称取35.0 g纯度为99.9%的铜和54.5 g纯度为99.9%的锡，表面用水砂纸稍微打磨，去除部分氧化膜，冷风烘干后置于熔炼坩埚中，往熔炼坩埚中通入流量为0.1m3/h的Ar气或者氮气，在感应线圈作用下，铜和锡熔化成合金，反复熔炼合金4次，冷却到室温后，停止通气;
取出合金，切割成10*10*20mm以内的小块合金，置于垂直气雾化喷嘴中，氮气或者氩气冲击由于氮气或者氩气压力作用下从喷嘴中喷出的熔融合金，实现气雾化制粉，用75-80目、90-100目、150-160目和325-400目的标准样筛层层筛选4次，得到不同球径的粉末;
在Ar气保护下，对不同球径的粉末在220℃进行4小时的热处理，再通过XRD表征手段分析热处理后的粉末即为单相Cu6Sn5焊球。取出325-400目的Cu6Sn5焊球，取出两Cu焊盘阵列，在Cu焊盘的阵列上先涂敷少量助焊剂，再将与Cu焊盘差不多大小的Sn箔粘附到助焊剂上后在Sn箔上面再涂敷更少量助焊剂，在放大镜的观察下，用镊子夹取一颗Cu6Sn5焊球预植于涂有助焊剂的Sn箔中间，重复此操作把每个焊盘都放置一颗Cu6Sn5焊球，通过夹具使另一粘附有Sn箔的Cu焊盘阵列的中心距与预植有Cu6Sn5焊球的阵列的中心距相同，并用夹具夹紧，得到封装结构胚体，将夹紧封装结构胚体的夹具置于240℃的管式马弗炉中回流4min，后随炉冷却到150℃再取出夹具，将封装结构体取下即可。
试验后测得其初始剪切力为11N左右，所得封装结构体经250摄氏度热处理48h后，化合物焊球没明显变化，其剪切力仍为11N，说明封装结构体具有较高的抗高温性能。电流密度为5*104A/cm2，工作温度为200摄氏度时，连续工作50h或更长时间后阴极出现柯肯达尔孔洞，阳极化合物层稍微增厚，剪切力为9N，工作70h或更长时间后出现显微裂纹。
实施例3
用天平称取39.1 g纯度为99.9%的铜和 60.9g纯度为99.9%的锡，表面用水砂纸稍微打磨，去除部分氧化膜，冷风烘干后置于熔炼坩埚中，往熔炼坩埚中通入流量为0.1m3/h的Ar气或者氮气，在感应线圈作用下，铜和锡熔化成合金，反复熔炼合金3次，冷却到室温后，停止通气，取出合金；
切割成10*10*20mm以内的小块合金，置于垂直气雾化喷嘴中，氮气或者氩气保护下感应加热至熔融状态，氮气或者氩气冲击由于氮气或者氩气压力作用下从喷嘴中喷出的熔融合金，其中，熔融合金的流动方向与氮气或者氩气气体的流动方向之间的角度为90度，实现气雾化制粉。经过初步筛分的粉末混合体，再用75-80目、90-100目、150-160目和大于1800目的标准样筛层层筛选4次，得到适用于不同中心距的焊球;
在Ar气保护下，对不同球径的粉末在180℃进行4小时的热处理，再通过XRD表征手段分析热处理后的粉末即为单相Cu6Sn5焊球。取出75-80目的Cu6Sn5粉末，取出两Cu焊盘阵列，在Cu焊盘的阵列上涂敷一薄层焊Sn-0.7Cu膏，在放大镜的观察下，用镊子夹取一颗Cu6Sn5焊球预植于涂有焊Sn膏的焊盘中间，重复此操作把每个焊盘都放置一颗Cu6Sn5焊球，通过夹具使另一涂敷有焊Sn-0.7Cu膏的Cu焊盘阵列的中心距与预植有Cu6Sn5焊球的阵列的中心距相同，并用夹具夹紧，得到封装结构胚体，进行回流实验，得到封装结构体。
测得其初始剪切力为15N，优于Sn-0.7Cu焊球的13N；在200摄氏度老化48h后，其剪切力降低为10N左右；电流密度为5*104A/cm2，工作温度为150摄氏度时，连续工作48h左右阴极出现柯肯达尔孔洞，阳极侧化合物稍微增厚，剪切力为8N，工作65h或更长时间后出现显微裂纹。
对比例1
用SAC305气雾化焊料球作为焊球，经过回流试验后测得其初始剪切力在13N左右；在200摄氏度老化48h后，其剪切力变为6N，说明其抗高温性能较差；电流密度为5*104A/cm2，工作温度为150摄氏度时，连续工作48h左右阴极出现柯肯达尔孔洞，此外在阳极侧的化合物层增厚明显，剪切力降为4N，性能下降。
对比例2
用Sn-3.8Ag-0.7Cu气雾化焊料球作为焊球，经过回流试验后测得其初始剪切力在14N左右；在200摄氏度老化48h后，其剪切力变为8N，说明其抗高温性能较差；电流密度为5*104A/cm2，工作温度为150摄氏度时，连续工作50h左右阴极出现柯肯达尔孔洞，此外在阳极侧的化合物层增厚，剪切力降为6N，性能下降。
通过上述实施例1-3和对比例1-2的测试数据可见，本发明采用单相Cu6Sn5球形粉末作为焊球，提高了面阵列封装焊点的耐高温性能和抗电迁移性能。
综上所述，相对于现有技术，本发明提供了一种面阵列的封装方法具有以下优点：首先本发明采用单相Cu6Sn5球形粉末作为焊球，在连接过程中只通过扩散反应达到连接的目的，高度基本不发生变化，连接过程耗时短，参与反应的Sn量比较少，冷却比较均匀，产生的应力比较小，此外，化合物焊球能提高焊点的抗电迁移性能，完成互连后焊球形状不发生明显变化；而且在进行封装时，所用的阵列不需镀上Ni层和和Au层，大大提高了制备阵列的效率，降低成本，节约资源；
其次，在连接过程以及后期老化过程中焊球的成分依然为化合物球或者非晶球，化学成分相对稳定、均匀，即化学稳定性好，能提高服役时间以及电可靠性。同时，用此粉末制备的焊点，用于高温领域依然有其可靠性；
最后，本发明技术方案中的单相Cu6Sn5球形粉末采用垂直雾化制粉方式得到，其分散性及球形度都比较理想，在取得粉末时已经过初步筛分，后期筛分相对容易，制备方法简单；而且在制备过程中都处在Ar气氛或者N2气氛中，表面氧化物少，在用于焊点连接时不用进行表面处理，能简化制造工艺；本发明所用的气雾化法制备的焊球，一次就能制备出适合几种不同中心距的面积阵列封装用焊球，所述方法工艺简单，对设备要求不高，自行设计制造的简易气雾化设备即可满足要求，极大地提高了制备焊球的效率，降低面积阵列封装用焊球的生产成本，非常适用于工业生产。
应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (6)

1.一种面阵列的封装方法，其特征在于，包括通过熔融锡将面阵列封装用的单相Cu6Sn5焊球与焊盘连接起来的步骤；
所述单相Cu6Sn5焊球的具体制备步骤包括：
A1、在惰性气体保护下，按Cu和Sn的原子比为6:5，感应熔炼Cu块和Sn块得到母合金；
B1、将所述母合金切割成小块，对切成小块的母合金进行气雾化制粉；
C1、在惰性气体的保护下，对焊球粉末进行180-220℃的加热处理，处理3-5h后得到单相的Cu6Sn5焊球粉末；
所述通过熔融锡将面阵列封装用的Cu6Sn5焊球与焊盘连接起来的步骤具体包括：
A、在第一焊盘阵列上涂覆一层焊锡膏或粘附一层含有助焊剂的锡箔；
B、在所述第一焊盘阵列的每个焊盘上均预植一个同样目数范围下的Cu6Sn5焊球；
C、将另一涂覆有焊锡膏或粘附有助焊剂锡箔的第二焊盘阵列与所述第一焊盘阵列对齐，并用夹具压紧，形成焊盘-焊锡膏/锡箔-Cu6Sn5焊球-焊锡膏/锡箔-焊盘结构；
D、在230-250℃的条件下对所述焊盘-焊锡膏/锡箔-Cu6Sn5焊球-焊锡膏/锡箔-焊盘结构进行回流处理，冷却后取出所述夹具，制得封装结构体；
所述第一焊盘阵列和第二焊盘阵列的材料均为铜。
2.根据权利要求1所述的面阵列的封装方法，其特征在于，所述回流处理时间为3-10min。
3.根据权利要求1所述的面阵列的封装方法，其特征在于，所述步骤B1具体为：采用垂直雾化的方式，使用惰性气体冲击熔融的母合金，其中熔融母合金的流动方向与雾化气体的流动方向之间的角度为90°，冷却凝固成粉末。
4.根据权利要求3所述的面阵列的封装方法，其特征在于，所述步骤B1中，惰性气体的压力为0.1-0.5Mpa。
5.根据权利要求3所述的面阵列的封装方法，其特征在于，所述步骤B1中，惰性气体的流量为0.15-0.6m3/h。
6.根据权利要求3所述的面阵列的封装方法，其特征在于，所述步骤B1还包括：采用75-600目标准筛对粉末混合体筛分成75-80目、90-100目、150-160目和325-400目的粉末。
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