CN108422116B - 通过添加Bi和In制备多晶结构无铅互连焊点的方法 - Google Patents

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Abstract

通过添加Bi和In制备多晶结构无铅互连焊点的方法，属于材料制备与连接领域，适用于制备具有多晶取向的无铅互连焊点，当焊点的重熔制备温度达到280℃时，多晶结构焊点比例达到100％，可以显著提高无铅互连焊点的服役可靠性。本发明的优点在于能够制备各种结构的无铅互连焊点，如对接、搭接和球栅阵列(Ball Grid Array,BGA)焊点封装结构等，保证得到的无铅互连焊点具备多晶结构；工艺简单，其重熔制备工艺与传统的无铅焊点无异；同时获得的无铅互连焊点能够满足实际应用的需求。

Description

通过添加Bi和In制备多晶结构无铅互连焊点的方法
技术领域
本发明为通过添加Bi和In制备多晶结构无铅互连焊点的方法，属于材料制备与连接领域，适用于制备具有多晶取向的无铅互连焊点，可以显著提高无铅互连焊点的服役可靠性。
背景技术
焊点在微电子器件中起到了机械连接和电信号传输等作用，是微电子封装不可或缺的组成部分。如今，一方面，微电子器件不断向微、轻、薄和多功能化方向发展；另一方面，封装空间减小，电流密度增大，芯片产热增加，焊点所处的工作环境变得前所未有的苛刻。而且，由于环境温度的变化和电源的频繁开关，不同封装材料间热膨胀系数的巨大差异导致焊点所承受的应力应变进一步增加。因此，焊点成为电子器件中的薄弱环节，电子器件的可靠性和使用寿命在很大程度上取决于焊点的可靠性。
传统的SnPb共晶钎料焊点往往呈现各向同性，这主要是由于Sn和Pb两相在SnPb焊点中的分布相对均匀，但是Pb有毒，欧盟指令已明确禁止使用，因此无铅钎料在近年来得到了发展。然而，与SnPb焊点不同，无铅互连焊点表现出强烈的各向异性，这是因为无铅互连焊点通常由单晶或有限个β-Sn晶粒构成，而β-Sn具有体心四方的晶体结构，其晶格常数为a＝b＝0.5632，c＝0.3182，c/a＝0.546，具有强烈的各向异性。因此，会严重影响无铅互连焊点的可靠性，焊点中每一个晶粒的晶体取向都与其可靠性密切相关。比如，在热循环过程中，如果焊点中β-Sn晶粒的c轴与焊盘所在平面接近平行，那么钎料与焊盘材料间的CTE失配较大，具有这种晶体取向的互连焊点将会更容易发生失效；再比如，在电迁移过程中，焊点中原子的扩散速率受到β-Sn晶粒的影响，原子沿β-Sn晶粒的c轴扩散速率要明显高于沿a轴或b轴，具有c轴与焊盘所在平面接近垂直晶体取向的焊点将会更容易发生失效。因此，在无铅焊点内部形成多晶结构，使其呈现各向同性，对提高连焊点的可靠性有非常重要的意义。
本发明采用在焊点重熔过程中添加Bi和In的制备方法，成功制备得到了多晶结构无铅互连焊点，这是由于添加了Bi和In，在焊点重熔过程中，其内部的形核核心增加，冷却凝固后在焊点内部形成了多种晶体取向。发明人通过后续的焊点可靠性实验发现，多晶焊点具有更加优良的服役可靠性，包括电迁移可靠性和热疲劳可靠性等，取得了超越传统的SnPb钎料的优良可靠性，这是由于SnAgBiIn钎料的机械性能较SnPb钎料优良，同时，两者都具有性能优异的多晶焊点结构，因此，多晶SnAgBiIn钎料焊点较SnPb钎料多晶焊点的服役可靠性显著提高。
发明内容
本发明的目的是针对无铅焊点单晶或孪晶结构可靠性明显低于多晶结构焊点的特点，制备出具有多晶结构的SnAgBiIn钎料焊点。多晶结构焊点的综合服役可靠性更加优良，比如，具有某一种取向的焊点具有优异的电迁移可靠性，而具有另一种取向的焊点具有优异的热疲劳可靠性，而多晶焊点的热疲劳或电迁移可靠性介于两者之间，且具有一致性。对于一个封装结构，焊点的数目多达成百上千，任何一个焊点的失效都会造成封装结构的整体失效，此时，多晶焊点相同服役条件下寿命一致的优点更为突出，同时具有多晶结构焊点的组件寿命预测更加一致和准确，可见，本发明制备的多晶结构无铅互连焊点可以显著提高焊点的综合性能和服役可靠性。
为了达到上述目的，本发明采用了如下技术方案。
通过添加Bi和In制备多晶结构无铅互连焊点的方法，焊点结构可以为对接、搭接和BGA封装组件，包括以下步骤：
(1)、根据实际需要进行焊盘或芯片的制作，并进行清除焊盘表面的氧化物和污染物；如采用硝酸水溶液等清除焊盘等表面的氧化物，采用丙酮或乙醇等清除焊盘等表面的污染物；
(2)、制作对接或搭接焊点时，准备SnAgBiIn或其复合钎料，为后续多晶结构焊点的重熔制备做准备；
制作球栅阵列(Ball Grid Array,BGA)焊点封装结构时，则需要首先将SnAgBiIn或其复合钎料制备成钎料球，然后采用重熔工艺回流曲线进行钎料球与焊盘或者芯片的重熔连接，冷却至室温，得到的带有凸点的焊盘或芯片，为后续具有多晶结构焊点封装组件的重熔制备做准备；
(3)、制作对接或搭接焊点时，在两个焊盘之间涂敷少量焊膏，采用一定的重熔工艺回流曲线，进行焊点的重熔制备，冷却至室温，得到相应的对接或搭接焊点；
制备BGA封装结构时，将已经制备得到的带有凸点的焊盘或芯片通过重熔工艺回流曲线焊接到空芯片或空焊盘上，进行焊点的重熔制备，冷却至室温，得到相应的BGA焊点；
所述焊盘采用Cu、Cu/Ni/Au、Cu/Cu6Sn5；
钎料是四元SnAgBiIn系列无铅钎料及其复合钎料，复合钎料如SnAgBiIn+Co、SnAgBiIn+Ni、SnAgBiIn+Cu、SnAgBiIn+SiC、SnAgBiIn+ZnO、SnAgBiIn+GaN；
所述四元SnAgBiIn系列无铅钎料成分中Bi的添加量为0.5-15(wt.％)，In的添加量为0.5-15(wt.％)，添加的Bi粉和In粉的直径均为0.1μm-10μm；
所述步骤(2)和(3)中的重熔，温度范围选自200℃到500℃；
所述步骤(2)和(3)中的冷却，均选自随炉冷却、空冷、风冷、水冷或油冷的冷却方式。
对制备获得的无铅互连焊点进行镶嵌、研磨和抛光，以获取电子背散射衍射(Electron Backscattered Diffraction,EBSD)数据，并分析数据。
本发明的优点在于能够制备各种结构的无铅互连焊点，如对接、搭接和BGA焊点封装结构等，保证得到的无铅互连焊点具备多晶结构，随着重熔温度升高，多晶结构焊点比例增加，当焊点的重熔制备温度达到280℃时，多晶结构焊点比例达到100％；工艺简单，其重熔制备工艺与传统的无铅焊点无异；同时获得的无铅互连焊点能够满足实际应用的需求。
附图说明
图1：具有Cu焊盘线性焊点的图片
图2：呈现单晶结构的Sn3.5Ag钎料线性焊点的EBSD数据
(a)EBSD取向分布图；(b)晶界分布图；(c)(001)和(100)极图；(d)取向差分布图；
图3：呈现孪晶结构的Sn3.5Ag钎料线性焊点的EBSD数据
(a)EBSD取向分布图；(b)晶界分布图；(c)(001)和(100)极图；(d)取向差分布图；
图4：实施例1具有多晶结构的Sn3.0Ag3.0Bi3.0In钎料线性焊点的EBSD数据
(a)EBSD取向分布图；(b)晶界分布图；(c)(001)和(100)极图；(d)取向差分布图；
图5：图4所示具有多晶结构的Sn3.0Ag3.0Bi3.0In钎料线性焊点的电迁移SEM图片
(a)0h；(b)168h；(c)336h；(d)504h；
图6：图4所示具有多晶结构的Sn3.0Ag3.0Bi3.0In钎料线性焊点电迁移条件下界面金属间化合物厚度变化情况
图7：具有单晶结构的Sn3.0Ag3.0Bi3.0In钎料线性焊点的EBSD数据
(a)EBSD取向分布图；(b)(001)和(100)极图；(c)取向差分布图；
图8：图7所示具有单晶结构的Sn3.0Ag3.0Bi3.0In钎料线性焊点的电迁移SEM图片
(a)0h；(b)168h；(c)336h；(d)504h；
图9：图7所示具有单晶结构的Sn3.0Ag3.0Bi3.0In钎料线性焊点电迁移条件下界面金属间化合物厚度变化情况。
具体的实施方式
以下内容结合具体实施例对本发明作进一步说明书，但本发明并不限于以下实施例。
实施例1：图1和4具体阐述本发明的实施方式，并结合图5、6、7、8和9说明多晶焊点结构的电迁移可靠性优于单晶焊点。
截面尺寸为400μm×400μm，厚度为300μm，呈现多晶结构的Cu/Sn3.0Ag3.0Bi3.0In(wt.％)/Cu线性焊点的制作。
1、铜焊盘采用线切割制作，其尺寸为400μm×400μm×10mm，其纯度为99.99wt.％，将焊盘放入配制好的体积分数为30％的HNO3水溶液中浸泡30s，以去除其表面的氧化物，然后将焊盘放入丙酮溶液浸泡60s，以去除其表面的污染物，然后烘干备用；
2、将双面胶粘贴在印刷电路板(Printed circuit boards,PCB)边沿，PCB的尺寸为10mm×10mm×2mm，材料为FR-4，将待焊铜焊盘粘附与双面胶上，保证焊盘互相平行且间距为300μm；
3、钎料采用日本千住金属工业株式会社提供的Sn3.0Ag3.0Bi3.0In钎料膏，钎料膏之前存放于冰箱，使用前需要提前2小时从冰箱取出并进行充分搅拌，以便恢复其粘度和活性，采用棉签将一定量的钎料膏涂敷于两个铜焊盘之间；
4、通过使用指定的重熔工艺回流曲线(重熔温度245℃并在217℃以上保持60s)，空冷凝固，得到线性焊点，其中，多晶结构焊点比例为70％，其余焊点为单晶或孪晶结构，热风重熔设备为美国PACE公司的热风返修工作台(ST-325)；
5、将线性焊点连同PCB板放入丙酮溶液，将线性焊点取下，图1为得到的线性焊点图片，然后对其指定横截面进行研磨和抛光，借助EBSD观察对接焊点的晶粒取向，其EBSD数据如图4所示，可见，重熔制备的Cu/Sn3.0Ag3.0Bi3.0In/Cu对接焊点具有多晶结构；
6、将具有多晶结构的Cu/Sn3.0Ag3.0Bi3.0In/Cu对接焊点在1×104A/cm2的电流密度下进行电迁移实验，图5和图6分别为图4所示具有多晶结构的Sn3.0Ag3.0Bi3.0In钎料线性焊点的电迁移SEM图片和电迁移条件下界面金属间化合物厚度变化情况；图8和图9分别为图7所示具有单晶结构的Sn3.0Ag3.0Bi3.0In钎料线性焊点的电迁移SEM图片和电迁移条件下界面金属间化合物厚度变化情况，可见，具有单晶结构的焊点无论是钎料焊点内部还是焊点界面的金属间化合物变化情况均较具有多晶结构的焊点剧烈，因此，具有多晶结构的Sn3.0Ag3.0Bi3.0In钎料线性焊点的电迁移可靠性优于具有单晶结构的Sn3.0Ag3.0Bi3.0In钎料线性焊点。
实施例2
如果将实施例1的重熔温度改为230℃时，得到线性焊点，其中，多晶结构焊点比例为60％，其余焊点为单晶或孪晶结构。
实施例3
如果将实施例1的重熔温度改为280℃时，得到线性焊点，其中，多晶结构焊点比例为100％，其余焊点为单晶或孪晶结构。

Claims (1)

1.通过添加Bi和In制备多晶结构无铅互连焊点的方法，其特征在于，截面尺寸为400μm×400μm，厚度为300μm，呈现多晶结构的Cu/Sn3.0Ag3.0Bi3.0In(wt.％)/Cu线性焊点的制作；包括以下步骤：
（1）、铜焊盘采用线切割制作，其尺寸为400μm×400μm×10mm，其纯度为99.99wt.％，焊盘采用Cu、Cu/Ni/Au、Cu/Cu6Sn5；将焊盘放入配制好的体积分数为30％的HNO3水溶液中浸泡30s，以去除其表面的氧化物，然后将焊盘放入丙酮溶液浸泡60s，以去除其表面的污染物，然后烘干备用；
（2）、将双面胶粘贴在印刷电路板PCB边沿，PCB的尺寸为10mm×10mm×2mm，材料为FR-4，将待焊铜焊盘粘附于双面胶上，保证焊盘互相平行且间距为300μm；
（3）、钎料是四元SnAgBiIn系列无铅钎料及其复合钎料,四元SnAgBiIn系列无铅钎料成分中添加的Bi粉和In粉的直径均为0.1μm-10μm，钎料采用Sn3.0Ag3.0Bi3.0In钎料膏，钎料膏之前存放于冰箱，使用前需要提前2小时从冰箱取出并进行充分搅拌，以便恢复其粘度和活性，采用棉签将一定量的钎料膏涂敷于两个铜焊盘之间；
（4）、通过使用指定的重熔工艺回流曲线,重熔温度280℃并在217℃以上保持60s，空冷凝固，得到线性焊点，其中，多晶结构焊点比例为100％。
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