CN109175572A - 一种双相基板与无铅钎料的焊点及其制备工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种双相非均质基板无铅锡基焊点及制备工艺，属于电子封装与互连技术领域，选用纯度为99.99％的Cu和Co按照一定比例配制进行真空感应熔炼，两种金属充分熔合后制备得到Cu‑Co合金双相基板，选用Sn3.0Ag0.5Cu钎料球，将其放置在制备好的Cu‑Co合金双相基板上形成一个组合体，随后把组合体放入回流焊炉中在所需的温度290℃下进行钎焊回流，使钎料与基板充分反应形成界面化合物，得到非均质基板无铅锡基焊点。本发明具有工艺流程简单、工艺参数容易控制等优势，所制备的双相非均质基板无铅锡基焊点界面化合物生长受到非常有效的抑制作用。

Description

一种双相基板与无铅钎料的焊点及其制备工艺
技术领域
本发明涉及一种无铅焊点及其制备工艺，具体地说是一种双相Cu-Co合金基板与无铅钎料的焊点及其制备工艺，属于电子封装与互联技术领域。
背景技术
在电子封装领域中，广泛应用的含铅钎料已经成为铅污染的重要因素之一。含铅钎料在焊接的时候，因为熔点较高，有很多铅蒸汽会在焊接的时候逸出，会轻易被操作人员吸入，诱发铅中毒，危害身体健康。此外，一些钎焊设备在使用过程中，会产生很多含有铅的焊料废渣，而这些废料如果不能被很好地处理，将严重污染人类的生态环境。随着科技快速地发展与创新，电子封装技术应用在各个行业，这就需要钎料的工艺性能要有更高水平来满足。人们对消费性电子产品的功能多样性以及便携性的不断追求，迫使研发人员不断地增加产品的功能，同时又尽量减小产品的体积和重量，这就对电子封装技术的发展和改良提出了新的需求。
在电子工业中，铜是应用最广泛的金属基材之一。然而，大量的研究表明，无铅焊料与Cu基体之间的界面反应在焊接和时效后更加剧烈，导致Cu基体的大量消耗，焊点形成较厚的金属间化合物。研究表明：随着时效温度上升以及服役时间的增长，界面化合物IMC层的生长越来越快，界面化合物IMC层的厚度也在逐渐增长。为了研究钎焊点缺陷的产生生及生长、电子元件焊接点的可靠性，研究金属间化合物在钎焊和服役过程中的形态和生长速率是至关重要的，因为IMC层不合理生长会使钎焊接头的热疲劳寿命减小从而影响拉伸强度和断裂韧性，最终降低焊点的可靠性。
因此，厚金属间化合物(IMC)的形成可能会影响焊点的可靠性。为了解决上述问题，相关研究表明在无铅焊料中加入了Ag，Ga，Fe，Co，Ti等微量元素，以提高无铅焊点界面IMC的力学性能。此外，还有一些研究表明，金属基底的合金化也可以有效地抑制金属间化合物的生长。研究表明，在铜基板中加入Ni，Zn等元素可以抑制界面化合物的生长。其中，Co及其基体合金由于其良好的润湿性和低溶解性，近年来被认为是扩散阻挡层和润湿层的替代材料。
因此，本发明采用无铅钎料和一定比例配制Cu-Co合金基板来制备无铅焊点。在铜基板中加入钴元素合金化后，由于无铅钎料中的Sn原子和基板中Cu、Co原子反应速度的差异，会形成不平整的界面，靠近基板一侧的金属间化合物出现凹凸不平的表面形貌。通过实验发现基板合金化可以降低基板材料的消耗速度，抑制无铅焊点界面的IMC层的生长，达到提高焊点可靠性的效果。
发明内容
本发明旨在提供一种Cu-Co双相基板与无铅钎料焊点的制备工艺,通过真空感应熔炼制备不同质量比例的Cu-Co双相合金基板，使用回流焊与无铅钎料进行钎焊制备焊点。本发明探索Cu-Co双相基板代替目前普遍使用的纯铜基板的可能性，基板合金化可以降低钎焊界面反应速率，减少基板材料的消耗量，抑制金属间化合物的生长，改善无铅焊点的界面结构，从而提高无铅焊点的力学性能和可靠性。
本发明所述双相基板与无铅钎料的焊点制备工艺采用如下技术方案：
步骤一
将金属Cu和金属Co使用电子天平按一定比例配制。随后一起放入耐高温石英试管中，置于真空感应熔炼炉进行熔炼，待合金熔融状态均匀化以后，在炉中冷却到室温，再将试管取出，在空气中冷却到室温。所述双相基板在真空熔炼中充分混合。双相基板进行打磨抛光处理，准备使用无铅钎料进行回流焊制备焊点。
步骤二
将无铅钎料球放置在处理好的双相基板上，形成一个组合体，将组合体放入预热好的回流焊炉进行回流焊接，制备得到双相非均质基板无铅锡基焊点。
所述的一种双相基板与无铅钎料焊点的制备工艺，其特征在于：步骤一中所述金属Cu和金属Co成分均为99.99％并且按一定的质量比使用电子天平进行称量。使用真空熔炼炉进行熔炼。所述熔炼过程要求严格真空，且通有保护气体。真空熔炼炉加热温度在1500℃。
所述的一种双相基板与无铅钎料焊点的制备工艺，其特征在于：步骤二中所述回流焊温度控制在290℃，时间为10分钟。在回流焊的过程中通有N2作为保护气。所使用的无铅钎料为Sn3.0Ag0.5Cu钎料。制得双相基板与无铅钎料焊点。
本发明的有益效果：
1、Cu-Co双相合金基板制备的操作简单易行，合金成分易配制，真空感应熔炼出的合金基板均匀致密，质量好。
2、相比使用纯Cu基板，Cu-Co双相合金基板与无铅钎料回流焊后，钎焊接头处形成的的金属间界面化合物厚度更小，且时效处理后界面化合物生长也更为缓慢。即基板合金化显著抑制界面化合物的生长。
3、由于无铅钎料与合金基板中不同相的反应速率存在差异，钎焊接头处形成了不平整的金属间化合物，界面呈现不平整的形状。实验中Cu/SAC305/Cu接头剪切强度为61.35MPa，而Cu/SAC305/Cu-50Co接头剪切强度为84.94MPa。基板合金化提高了接头焊点的稳定性和力学性能。
4、相对于纯Cu基板与无铅钎料所形成接头的焊点的剪切强度，Cu-Co非均质合金基板与无铅钎料所形成接头的焊点剪切强度有显著提高。使用非均质合金基板可以增强钎焊接头的可靠性。
附图说明
图1为本发明实施例1所得到的Cu-30Co双相合金基板组织形貌示意图。
图2为本发明实施例2所得到的Cu-50Co双相合金基板组织形貌示意图。
图3为三种焊点横截面电镜扫面图。其中三种基板界面化合物的厚度分别为6.94μm,2.24μm,1.97μm。
具体实施方式
实施例1
一种双相非均质基板无铅锡基焊点制备工艺。制备Cu-30Co双相合金基板。选用纯度为99.99％的铜和钴金属作为双相基板制备的原料，按质量比配制并使用电子天平称量质量比为Cu:Co＝7:3的纯铜和纯钴，然后将两种金属一起放入耐高温石英试管中，置于真空感应熔炼中，在通有保护气体情况下进行熔炼。真空熔炼炉加热到1500℃左右，待合金变成熔融状态出现沸腾，等金属均匀混合后，在炉中冷却到室温，再将试管取出，得到双相非均质基板。
将制备好的Cu-30Co双相合金基板进行表面打磨抛光处理，然后使用丙酮和酒精清洗。将SAC305钎料球放置在处理好的Cu-30Co双相合金基板上，形成一个组合体，随后将组合体一起放进回流焊炉中，并且通有N2作为保护气，在290℃温度下进行焊接10分钟。制得双相合金基板无铅锡基焊点即SAC/Cu-30Co焊点。
由图3(b)可以看出，SAC/Cu-30Co焊点制成后，金属间化合物呈现出不平整的形貌；
实施例2
本实施例的方法同实施例1,不同的是Cu-Co双相合金配制质量比为Cu:Co＝1:1，即制备Cu-50Co双相非均质基板。
实施例3
本实施例的方法同实施例1,不同的是Cu-Co双相合金配制质量比为Cu:Co＝3:7。即制备Cu-70Co双相非均质基板。
实施例4
本实施例的方法同实施例1,不同的是钎料选用纯度为99.99％Sn钎料球，与Cu-30Co双相基板进行钎焊制得Sn/Cu-30Co焊点。
实施例5
本实施例的方法同实施例1,不同的是Cu-Co双相合金配制质量比为Cu:Co＝1:1，钎料选用的是纯度为99.99％Sn钎料球，与Cu-50Co双相基板进行钎焊制得Sn/Cu-50Co焊点。
实施例6
本实施例的方法同实施例1,不同的是Cu-Co双相合金配制质量比为Cu:Co＝3:7，钎料选用的是纯度为99.99％Sn钎料球，与Cu-70Co双相基板进行钎焊制得Sn/Cu-70Co焊点。
实施例7
本实施例的方法同实施例1,不同的是采用的基板为纯铜基板，其余同实施例1。
将本发明实施例1-7所制得的焊点和基板进行测试，测量其基板界面化合物的厚度，测试其相应的剪切强度，具体见表1、说明书附图3。
表1

Claims (4)

1.一种双相基板与无铅钎料的焊点，其特征在于：所述双相基板为Cu-Co以质量比为7:3或1:1熔炼而成，所述焊点为Cu-Co合金非均质双相基板与无铅锡基钎料形成的焊点，焊点为SAC/Cu-30Co钎焊接头焊点或SAC/Cu-50Co钎焊接头焊点；焊点在焊接过程中会形成厚度为2-8μm的界面化合物，焊点靠近双相基板一侧出现不平整的形貌。
2.根据权利要求1所述一种双相基板与无铅钎料的焊点，其特征在于，具体制备工艺为：
步骤一
将金属Cu和金属Co使用电子天平按比例配制，随后一起放入耐高温石英试管中，置于真空感应熔炼炉进行熔炼，待合金熔融状态均匀化以后，在炉中冷却到室温，再将试管取出，在空气中冷却到室温，双相基板在真空熔炼中充分混合，将双相基板进行打磨抛光处理，准备使用无铅锡基钎料进行回流焊制备焊点；
步骤二
将无铅钎料球放置在处理好的双相基板上，形成一个组合体，将组合体放入预热好的回流焊炉进行回流焊接，制备得到双相非均质基板无铅锡基焊点。
3.根据权利要求2所述的一种双相基板与无铅钎料焊点的制备工艺，其特征在于：步骤一中所述金属Cu和金属Co成分均为99.99％，使用真空熔炼炉进行熔炼，所述熔炼过程要求严格真空，且通有N2作为保护气体，真空熔炼炉加热温度在1500℃。
4.根据权利要求1或2所述的一种双相基板与无铅钎料焊点的制备工艺，其特征在于：步骤二中所述回流焊温度控制在290℃，时间为10分钟；在回流焊的过程中通有N2作为保护气；所使用的无铅钎料为Sn3.0Ag0.5Cu钎料。
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