CN109030235A - 力热电耦合条件下微型焊点的制备及测试方法 - Google Patents

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Abstract

力热电耦合条件下微型焊点的制备及测试方法，属于材料制备与连接领域。在两个铜棒之间填入Sn基无铅钎料焊膏，采用无铅焊接系统对其进行焊接，经过磨抛，获得一维线性对接焊点；在远离焊点的铜棒两端涂覆一层阻焊层，通过拉伸机控制系统，调节加载在焊点上的应力载荷；在靠近焊点两侧的铜棒上控制电源的正负极从而控制通过焊点的电流方向，维持焊点的通电状态，通过调节通过焊点电流的大小，根据焊点截面面积，能够控制通过焊点的电流密度；此外，通过调节拉伸机箱体内的环境温度，可实现对焊点服役环境温度控制。该方法能够有效控制焊点的一维线性特征，能够同时实现力热电耦合条件下对焊点的测试，并可以同时控制应力载荷，电流密度和服役环境温度。

Description

力热电耦合条件下微型焊点的制备及测试方法
技术领域
本发明为力热电三场耦合条件下焊点的制备及测试方法，属于材料制备于连接领域，适用于制备三场耦合测试用一维线性对接焊点，应用于焊点的电学，力学及热学综合可靠性的研究。该方法能够有效控制焊点的尺寸，焊缝宽度以及焊点的一维线性特征，同时确保焊接质量，实现钎焊对接接头的简便，批量制备，能够同时实现力热电耦合条件下对焊点的测试，并可以同时控制应力载荷，电流密度和服役环境温度，解决了微型焊点难以实现多场耦合的难题。
背景技术
随着电子产品朝着微型化，高密度化和多功能化的方向发展，对芯片的尺寸和功能提出了更高的要求，因此芯片的尺寸越来越小，封装密度越来越高，与之互连的焊点尺寸也随之减小。焊点作为电子封装中重要的连接结构，其在二级封装中起到结构支撑，电气连接和热量耗散等多重作用，是影响整个电子封装系统可靠性的重要环节之一。因此微电子连接的力学，热学以及电学的可靠性研究显得尤为重要。欧盟在RoHS指令和WEEE指令中明确提出在电子产品中禁止使用Pb元素，推动了钎料无铅化的发展，激起了学术界对无铅钎料焊点可靠性的广泛研究。无铅焊点的可靠性将会直接影响电子产品的服役寿命。电子封装由最早的通孔插装发展到先进的系统级封装，封装芯片的尺寸越来越小，封装密度越来越高，与之互连的焊点尺寸也随之减小，导致单个焊点所承载的力学、热学以及电学载荷越来越严峻，对焊点的可靠性服役提出了新的挑战。
目前针对无铅焊点可靠性问题的研究主要集中在蠕变，热疲劳或电迁移等单个可靠性问题上，而关于多场耦合的研究起步较晚，并且以针对两场耦合场下焊点可靠性的研究为主，但文献发表数量较少，因此对于用于多场耦合研究的焊点结构的研究也较为有限。随着焊点尺寸越来越小，多个可靠性因素之间交互作用越来越明显，因此，多场耦合下的可靠性研究更具有实际意义。然而，研究者通常对单一可靠性研究方面设计特定的焊点接头形式，但对于多场耦合尤其是用于力，热，电三场耦合可靠性测试的焊点接头形式的研究非常有限，因此，用于力热电三场耦合场中焊点的制备具有重要意义。本发明基于现有的用于耦合场可靠性测试的微型焊点测试方法中存在的问题，设计了操作简单，可实现力热电三场耦合用的微型焊点，可控制通过焊点的电流密度。
发明内容
本发明针对微型焊点难以实现力热电三场耦合测试，制备出应力载荷，电流密度和服役环境温度可控的力热电耦合条件下的可靠性测试方法。在远离焊点的铜棒两端涂覆一层阻焊层，将焊点放入拉伸机，通过拉伸机控制系统，调节加载在焊点上的应力载荷；在靠近焊点两侧的铜棒上控制电源的正负极从而控制通过焊点的电流方向，维持焊点的通电状态，通过调节通过焊点电流的大小，根据焊点截面面积，能够控制通过焊点的电流密度；此外，通过调节拉伸机箱体内的环境温度，可实现对焊点低温或高温服役条件下的控制目的。同时期望通过对焊点的焊接过程和力热电条件下焊点显微组织演变行为进行表征，得到SEM，EBSD和EDS等一系列可靠性数据，最终达到深入评价力热电耦合条件下焊点可靠性的目的。
为了达到上述目的，本发明采用了如下技术方案。
力热电耦合条件下焊点的制备及测试方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)焊接焊点采用的铜基板由线切割制备，获得一维线性铜棒，用砂纸将铜棒两端打磨平整，分别用丙酮溶液和硝酸水溶液清洗铜棒，去除铜棒表面的有机污染物和氧化物，最终将铜棒放入乙醇溶液中清洗并烘干；
(2)在基板上粘附双面胶，将两铜棒固定于基板上，将Sn基无铅钎料填充到两个铜棒焊接平面之间的焊缝中，将填充好钎料的样品置于无铅焊台上焊接，随后冷却，获得一维线性对接焊点；将粘在基板上焊接完成的对接焊点浸泡在丙酮溶液中超声清洗，将焊点四面多余钎料磨除，焊点采用非镶嵌方法磨抛，将焊点固定在光滑平整的铝片上，焊点指定观察面在外，并对其进行抛光，随后将铝片连同焊点放入丙酮溶液中超声清洗，得到可用于进行力热电耦合场测试的焊点；
(3)力热电耦合条件下焊点的测试方法
(3.1)将焊点焊盘的两端(即远离焊点的两端)涂覆一层绝缘物质，确保与拉伸机夹头接触位置的完全绝缘，将焊点放入拉伸机内，使得焊点处于受到拉力的状态，通过拉伸机控制系统调节焊点收到的应力载荷；
(3.2)在焊点两侧未涂覆绝缘物质的位置(即靠近焊点的两侧)分别连接电源的正负极，使得焊点处于通电状态；同时，根据焊点截面面积大小及通电电流的大小，能够获得不同的电流密度；
(3.3)由于拉伸装置位于一个可加热的密闭箱体中，因此，可以通过控制箱体的温度，使焊点处于不同的服役温度下拉伸和通电。
所述基板能够耐受重熔温度并且不导电，为印刷电路板；
钎料焊膏为所有Sn基的二元合金，三元合金或四元合金；优选是二元合金SnCu系列、SnAg系列、SnZn系列、SnBi系列或SnIn系列，三元合金SnAgCu系列、SnAgBi系列或SnAgIn系列，四元SnAgBiIn系列无铅钎料；
所述步骤(2)中的冷却，选择空冷，风冷，水冷或油冷的冷却方式；
步骤(2)中的焊接，温度范围选择200℃到380℃；
步骤(2)中将焊点固定在铝片上，采用热熔胶固定焊点；
步骤(3)中，选择绿油作为绝缘物质；
本发明的有点在于能够实现可控的应力载荷，电流密度和服役环境温度的力热电耦合场下对焊点可靠性的测试。通过非镶嵌式磨样获得焊点截面尺寸，控制通过焊点电流的大小，从而获得可控的电流密度；过拉伸机控制系统，调节加载在焊点上的应力载荷；通过控制拉伸机外箱体的温度，可实现焊点分别在高温和低温下服役的可靠性测试。本发明焊点制备工艺简单，成本低廉，测试方法实施难度小，操作简单，能够控制加载在焊点上的应力载荷，电流密度和服役环境温度，同时实现力热电三场耦合条件下焊点服役的可靠性数据，并进行评价。
附图说明
图1热熔胶固定一维线性焊点示意图
图2一维线性焊点结构示意图(焊接截面尺寸为1.0mm×1.0mm)
图3一维线性焊点结构示意图(焊接截面尺寸为0.5mm×0.5mm)
图4力热电耦合场下焊点测试示意图
具体实施方式
下面结合实例对本发明作进一步说明，但本发明并不限于以下实施例。
实例1：低电流密度低温低应力载荷下一维线性对接焊点的测试方法
以下内容结合图1，图2和图4具体阐述低电流密度低温低应力载荷下一维线性对接焊点的测试方法
1.采用线切割方式将纯度大于99.99wt.％的铜切割成尺寸为2mm×2mm×20mm的一维线性铜棒，砂纸将铜棒两端打磨平整；
2.在丙酮溶液和浓度为30vol.％的硝酸水溶液中分别清洗铜棒8分钟，去除铜棒表面的有机污染物和氧化物，随后将铜棒放入乙醇溶液中清洗并烘干；
3.在基板上粘附双面胶，将两铜棒固定于基板上，将Sn基无铅钎料填充到两个铜棒焊接平面之间的焊缝中，保证填充饱满，将填充好钎料的样品置于无铅焊台上焊接，随后冷却，获得焊点；
4.将粘在基板上焊接完成的一维线性焊点浸泡在丙酮溶液中超声清洗，将焊点四面多余钎料磨除，在表面光滑平整的铝片上(结合图1)涂覆一薄层热熔胶，焊点指定观察面在外，将焊点固定在铝片上，并对其进行磨抛，随后将铝片连同焊点放入丙酮溶液中超声清洗，得到可用于进行力热电耦合场测试的一维线性对接焊点，焊点截面尺寸为1.0mm×1.0mm，结合图2，随后进行力热电耦合实验及相关的可靠性测试；
5.将焊点焊盘的两端(即远离焊点的两端)包覆一层绿油作为绝缘物质，确保与拉伸机夹头接触位置的完全绝缘，结合图3，将焊点放入拉伸机内，拉伸应力载荷设定为5MPa；
6.在焊点两侧未涂覆绝缘物质的位置(即靠近焊点的两侧)连接电源的正负极，通过焊点的电流大小为10A，使得焊点处于通电状态；同时，根据焊点截面面积及通电电流的大小，计算可得通过焊点的电流密度为1.0×103A/cm2；
7.由于拉伸装置位于一个可调节温度的密闭箱体中，将箱体内温度设定为50℃，则此时焊点属于低电流密度低温低应力载荷下可靠性的测试。
实例2：高电流密度高温高应力载荷下一维线性对接焊点的测试方法
以下内容结合图1，图3和图4具体阐述高电流密度高温高应力载荷下一维线性对接焊点的测试方法。实例2与实例1的实施步骤1-3基本相同，不在实例2中重复描述，不同之处在于焊点的截面尺寸，通过焊点的电流大小，以及加载在焊点上的应力载荷大小，具体实施步骤如下：
1.将粘在基板上焊接完成的一维线性焊点浸泡在丙酮溶液中超声清洗，将焊点四面多余钎料磨除，在表面光滑平整，厚度为0.5毫米的铝片上(结合图1)涂覆一薄层热熔胶，焊点指定观察面在外，将焊点固定在铝片上，并对其进行磨抛，随后将铝片连同焊点放入丙酮溶液中超声清洗，得到可用于进行力热电耦合场测试的一维线性对接焊点，焊点截面尺寸为0.5mm×0.5mm，随后进行力热电耦合实验及相关的可靠性测试，结合图3；
2.将焊点焊盘的两端(即远离焊点的两端)包覆一层绿油作为绝缘物质，确保与拉伸机夹头接触位置的完全绝缘，结合图3，将焊点放入拉伸机内，拉伸应力载荷设定为10MPa；
3.在焊点两侧未涂覆绝缘物质的位置(即靠近焊点的两侧)连接电源的正负极，通过焊点的电流大小为25A，使得焊点处于通电状态；同时，根据焊点截面面积及通电电流的大小，计算可得通过焊点的电流密度为1.0×104A/cm2；
4.调节密闭箱体的温度，将箱体内温度设定为125℃，则此时焊点属于高电流密度高温高应力载荷下可靠性的测试。
在耦合场测试中，电流密度要根据电流大小和焊点截面面积计算的，所以在样品制备这一块是一个难点，然后这个专利是一维对接焊点，拉伸的力是单向拉伸力，还有就是在焊点两侧涂覆绝缘层才能实现在拉伸机里力和电的耦合，不然很容易短路，最后是拉伸机外面的箱体要在向外引出导线的同时保持良好的密封性，保证焊点在测试过程中的稳定性，不会因为某一个原因导致焊点由其他原因引起失效。

Claims (7)

1.力热电耦合条件下微型焊点的制备及测试方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)焊接焊点采用的铜基板由线切割制备，获得一维线性铜棒，用砂纸将铜棒两端打磨平整，分别用丙酮溶液和硝酸水溶液清洗铜棒，去除铜棒表面的有机污染物和氧化物，最终将铜棒放入乙醇溶液中清洗并烘干；
(2)在基板上粘附双面胶，将两铜棒固定于基板上，将Sn基无铅钎料填充到两个铜棒焊接平面之间的焊缝中，将填充好钎料的样品置于无铅焊台上焊接，随后冷却，获得一维线性对接焊点；将粘在基板上焊接完成的对接焊点浸泡在丙酮溶液中超声清洗，将焊点四面多余钎料磨除，焊点采用非镶嵌方法磨抛，将焊点固定在光滑平整的铝片上，焊点指定观察面在外，并对其进行抛光，随后将铝片连同焊点放入丙酮溶液中超声清洗，得到用于进行力热电耦合场测试的焊点；
(3)力热电耦合条件下焊点的测试方法
(3.1)将焊点焊盘的两端涂覆一层绝缘物质，确保与拉伸机夹头接触位置的完全绝缘，将焊点放入拉伸机内，使得焊点处于受到拉力的状态，通过拉伸机控制系统调节焊点收到的应力载荷；拉伸强度为3MPa-15MPa；
(3.2)在焊点两侧未涂覆绝缘物质的位置分别连接电源的正负极，使得焊点处于通电状态；同时，根据焊点截面面积大小及通电电流的大小，能够获得不同的电流密度；可控的电流密度范围为1×103A/cm2～1×104A/cm2；
(3.3)由于拉伸装置位于一个可加热的密闭箱体中，通过控制箱体的温度，使焊点处于不同的服役温度下拉伸和通电。
2.按照权利要求1所述方法，其特征在于，步骤(1)中所述基板能够耐受重熔温度并且不导电，为印刷电路板。
3.按照权利要求1所述方法，其特征在于，步骤(2)中Sn无铅钎料为为Sn基的SnCu系列、SnAg系列、SnZn系列、SnBi系列或SnIn系列，三元合金选自SnAgCu系列、SnAgBi系列或SnAgIn系列，四元合金选自SnAgBiIn系列无铅钎料。
4.按照权利要求1所述方法，其特征在于，步骤(2)中的无铅焊台，选无铅热风回流焊或电热风返修焊台。
5.按照权利要求1所述方法，其特征在于，步骤(2)中进行磨抛的焊点的固定方式采用热熔胶进行固定。
6.按照权利要求1所述方法，其特征在于，步骤(3)中涂覆的绝缘层采用绿油进行绝缘。
7.按照权利要求1所述方法，其特征在于，步骤(3)中可控的热环境温度为50℃-150℃。
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