CN109396768A - 施加瞬时脉冲电场制备微型多晶焊点的方法 - Google Patents

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郭福
田雨
王乙舒
马立民
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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Abstract

施加瞬时脉冲电场制备微型多晶焊点的方法，属于材料制备与连接领域，适用于在瞬时脉冲电场条件下制备微型线性对接多晶焊点，采用一维线性铜棒作为焊盘，将其用双面胶固定于模具上，并用模具上的导电压片对其进行固定，在两个铜棒之间填入无铅钎料焊膏，在两根铜棒分别接入瞬时脉冲电源的两端，采用无铅焊接系统对焊缝处进行焊接，制备微型线性对接多晶焊点，经过磨抛，获得焊点表面的显微组织特征，并可进行进一步的电学，力学及热学可靠性研究。该方法能够保证焊点在焊接过程中稳定处于电场环境，在电流作用下可形成多个晶粒焊点，能缓解由于Sn基焊点各向异性导致的元器件的失效问题，同时该实验平台的搭建大大降低了制备成本，工艺简单可行。

Description

施加瞬时脉冲电场制备微型多晶焊点的方法
技术领域
本发明为施加瞬时脉冲电场制备微型多晶焊点，属于材料制备与连接领域，具体涉及为在瞬时脉冲电场中微型线性对接多晶焊点的制备方法及参数的选择。
背景技术
随着微电子技术的快速发展，电子封装产品逐渐实现小型化和多功能化，封装密度不断提高。焊点是微电子互连中不可或缺的组成部分，起到了机械连接，电信号传输和散热的作用。电子产品在实际服役的环境中要承受高温，高电流密度及热疲劳可靠性的挑战。因此，单个焊点的破坏往往导致整个封装结构的失效，焊点的可靠性受到广泛的关注。
钎料的无铅化推动了Sn基无铅钎料的发展，其中Sn含量一般高于90wt.％，因而Sn的性质在很大程度上决定了无铅钎料焊点的服役可靠性。Sn具有体心四方晶体结构，导致Sn晶粒在力学，热学和电学等性能上均呈现出不同程度的各项异性。而无铅焊点通常由一个或三个Sn晶粒构成，因此焊点在服役工作期间易受到晶粒取向的影响。目前，在焊接过程中控制Sn枝晶的生长模式仍在努力探索中，通常焊接过程中焊点中晶体取向的形成具有随机性。研究表明，当Sn晶粒中c轴平行于电流方向时，界面金属间化合物的电流应力作用下的生长速度约为c轴垂直于电流方向的10倍。由于在实际应用的电子产品中，一个焊点的失效将会导致整个器件的失效，因此，弱化焊点在电流应力下Sn晶粒的各向异性作用具有重要的研究意义。
研究表明，将脉冲电流作用于Sn-Pb合金的凝固过程可以细化合金的凝固组织，减小晶界偏聚，能够有效控制凝固组织，减小柱状晶，增大等轴晶区，从而能够细化晶粒。在Sn基无铅焊点中，当焊点晶体取向为多晶时，电流通过焊点时表现为各向同性特征，各个Sn晶粒中的各向异性与周围Sn晶粒相互抵消，从而达到弱化焊点中电迁移行为的各向异性。
目前，关于在瞬时脉冲电场中形成多晶取向的微型线性对接焊点的相关研究相对匮乏，大多集中于对大量金属液的孕育处理。在本专利中，搭建了一种在瞬时脉冲电场作用下形成微型线性对接多晶焊点的实验平台，即施加瞬时脉冲电场制备微型多晶焊点。
发明内容
本发明的目的是在瞬时脉冲电场作用下制备多晶取向的微型线性对接焊点，搭建实验平台，提供一种制作成本低廉，安装方便，操作便利，可实现焊点的尺寸在一定范围内变动的实验操作平台，能够有效实现脉冲电流作用下焊点的制备，能够在简易操作的条件下调整加载在微型焊点两端的脉冲电压及频率，保证焊点质量，制备多晶焊点。
为了达到上述目的，本发明采用了如下技术方案。
施加瞬时脉冲电场制备微型多晶焊点，其特征在于，包括以下步骤：
1.采用线切割的方式获得一维线性铜棒，用砂纸将铜棒两端打磨平整，保证焊接平面的尺寸、形状和平整度；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.焊接平台搭建
2.1焊接所用模具主体部分采用长方体绝缘基板，尺寸为55mm*40mm*10mm，在平面尺寸55mm*40mm的绝缘基板平面两端电镀一层导电物质，电镀层宽度均为25mm，中间非电镀区宽度为5mm，并在非电镀区粘附双面胶；
2.2将两根铜棒黏附在双面胶上，两铜棒之间留有焊缝，将导电压片分别放置于两根铜棒远离焊缝的两端，对铜棒进行固定，同时保证铜棒与导电压片之间为接触式导电关系，用螺栓对导电压片进行固定，确保两根铜棒位于同一水平线上，同时留有焊缝；
2.3将无铅焊膏填充到两根铜棒焊接平面之间的焊缝中，将模具及固定好的样品置于无铅焊台上，并分别在铜棒两端接入电源两端电极，接通脉冲电源，并调整脉冲电源的电压及频率，同时对焊缝处进行焊接，保证焊点能够在通电条件下焊接，随后冷却。
3.将粘在模具上焊接完成的一维线性焊点浸泡在丙酮溶液中超声清洗，从而将一维线性对接焊点从模具上取下，用2000#砂纸磨除焊缝四面多余钎料，对焊点指定观察面进行抛光，获取焊点观察面的电子背散射衍射数据和显微组织特征。
所述绝缘基板能够耐受重熔温度并且不导电，为酚醛塑料板；
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中绝缘基板上镀层所用材料为导电性良好材料，可选择镀锡层，镀铜层；
步骤2中导电压片所用材料为导电良好材料，且应具备一定得强度，可选择铜片，银片，金片等导电性良好的金属片；
步骤2中焊接温度高于钎料熔点，温度范围应在230℃-320℃；
步骤2中脉冲电源的电压选择范围为为10V-80V；
步骤2中脉冲电源的频率选择范围为5Hz-25Hz；
步骤2中的冷却，选择空冷，风冷，水冷或油冷的冷却方式。
本发明的有点在于，首先能够有效控制所需要一维线性焊点的尺寸，保证焊点质量；焊接平台的搭建使得操作工艺简单，可以简易切换脉冲电源接入的不同的电压和频率，大大降低了制备成本，省略了复杂的工艺步骤，能够短时间内快速获得瞬时脉冲电场条件下焊接的微型线性对接多晶焊点；同时获得的焊点能够满足力学，电学和热学测试的各种要求，对其可靠性进行准确评价。
附图说明
图1焊接焊点的实施图(a)俯视图(b)侧视图(c)正视图
图2脉冲电源电压10V，频率5Hz时焊点的显微组织
图3脉冲电源电压10V，频率5Hz时焊点的晶体取向
图4脉冲电源电压10V，频率10Hz时焊点的显微组织
图5脉冲电源电压10V，频率10Hz时焊点的晶体取向
具体实施方式
下面结合实例对本发明作进一步说明，但本发明并不限于一下实施例。
实例1：以下内容结合图1-3具体阐述本发明的实施方式。
1.采用线切割方式将纯度大于99.99wt.％.的铜切割成尺寸为800μm×800μm×20mm的铜棒；
2.用2000号砂纸对实验用铜棒进行打磨；
3.将打磨好的铜棒放入丙酮溶液和体积分数为30vol.％的硝酸水溶液中分别超声清洗8分钟，去除铜棒表面的有机污染物及氧化物，随后将铜棒取出放入乙醇溶液中清洗并烘干；
4.在模具的非导电镀层区域粘附双面胶，将两根铜棒固定于绝缘基板上，同时将压片分别放置于两根铜棒远离焊缝的两端，对铜棒进行固定，并用螺栓对压片进行固定，确保两根铜棒位于同一水平线上，并在焊接过程中保证两铜棒焊接平面之间留有焊缝；
5.将无铅焊膏填充到两根铜棒焊接平面之间的焊缝中，将模具及固定好的样品置于无铅焊台上，并分别在铜棒两端接入脉冲电源的两个电极，电压为10V,频率为5Hz，对焊缝处进行焊接，同时接通电源，使得焊点能够在通电条件下焊接，随后冷却。
6.将焊接完成的样品连同基板以通放入丙酮溶液中超声清洗，随后取下样品，不经镶嵌，用2000#砂纸磨除焊缝四面多余钎料，对焊点指定观察面进行抛光，结合图3，获取焊点观察面显微组织特征。
实例2：以下具体阐述本发明的实施方式，以下内容结合图4和图5阐述本发明的实施方式。实例2与实例1的实施步骤1-4基本相同，具体实施方式如下：
1.将无铅焊膏填充到两根铜棒焊接平面之间的焊缝中，将模具及固定好的样品置于无铅焊台上，并分别在铜棒两端接入脉冲电源的两个电极，电压为10V，频率为10Hz，对焊缝处进行焊接，同时接通电源，使得焊点能够在通电条件下焊接，随后冷却。
2.将焊接完成的样品连同基板以通放入丙酮溶液中超声清洗，随后取向样品，不经镶嵌，用2000#砂纸磨除焊缝四面多余钎料，对焊点指定观察面进行抛光，结合图3，获取焊点观察面显微组织特征。

Claims (8)

1.施加瞬时脉冲电场制备微型多晶焊点，其特征在于，包括以下步骤：
(1)采用线切割的方式获得一维线性铜棒，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)焊接平台搭建
2.1焊接所用模具主体部分采用长方体绝缘基板，在绝缘基板平面两端电镀一层导电物质，中间为非电镀区宽度，并在非电镀区粘附双面胶；
2.2将两根铜棒黏附在双面胶上，两铜棒之间留有焊缝，将导电压片分别放置于两根铜棒远离焊缝的两端，对铜棒进行固定，同时保证铜棒与导电压片之间为接触式导电关系，用螺栓对导电压片进行固定，确保两根铜棒位于同一水平线上，同时留有焊缝；
2.3将无铅焊膏填充到两根铜棒焊接平面之间的焊缝中，将模具及固定好的样品置于无铅焊台上，并分别在铜棒两端接入电源两端电极，接通脉冲电源，并调整脉冲电源的电压及频率，同时对焊缝处进行焊接，随后冷却；
3)将粘在模具上焊接完成的一维线性焊点浸泡在丙酮溶液中超声清洗，从而将一维线性对接焊点从模具上取下，磨除焊缝四面多余钎料。
2.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(2)绝缘基板采用酚醛树脂板。
3.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(2)中绝缘基板上镀层为镀锡层或镀铜层。
4.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(2)中导电压片为铜片，银片，或金片。
5.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(2)中无铅钎料为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。
6.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(2)中脉冲电源的电压选择范围为10V-80V。
7.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(2)中脉冲电源的频率选择范围为5Hz-25Hz。
8.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(2)中焊接温度高于钎料熔点，温度范围应在230℃-320℃。
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