CN109813752A - 一种电子封装微焊点的可靠性评价方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电子封装微焊点的可靠性评价方法，其包括如下步骤：1）选取第一金属板和第二金属板，进行表面处理，然后采用钎焊对第一金属板和第二金属板的焊接面进行焊接；2）对焊接后的第一金属板和第二金属板进行切割制样；3）将试样竖直置于温度加载装置内，在试样的微焊点上、下两端形成温度梯度，待温度稳定时开始记录加载时间；4）将试样在步骤3）所述的温度梯度下加载不同时间，通过分析不同加载时间下金属间化合物的厚度变化情况，评价电子封装微焊点在该温度梯度区间下的可靠性。其能够获得稳定可控的温度梯度，其温度梯度范围较大，进而能够有效评价电子封装微焊点在极端温度梯度区间下的可靠性。

Description

一种电子封装微焊点的可靠性评价方法

技术领域

本发明涉及电子封装的可靠性，具体涉及一种电子封装微焊点的可靠性评价方法。

背景技术

在物联网、人工智能等大环境下，电子终端产品对高密度系统集成与优异性能的极度追求，促使诸如三维封装技术等多种芯片叠层解决方案的快速发展。而高阶电子系统产品，如服务工作站、便携式多媒体装置、数字影像装置等等，都强调运算速度和稳定性。此外，半导体技术已经进入纳米量级，可在IC芯片上制造更多的晶体管。同时，IC封装技术也朝着精密及微型化发展，在其发展趋势中，最大的障碍之一来自于热。热主要是晶体管等有源器件运算时所产生的，随着芯片中晶体管数量的增加，发热量也越来越大，在芯片面积不随之大幅增加的条件下，器件发热密度越来越高。

在温度的持续升高，散热条件不变的情况下，微焊点的两端产生巨大的温度梯度，当导电材料中存在较高的温度梯度时，原子将沿着温度梯度的反方向发生定向迁移即热迁移。从材料热力学和动力学观点看，金属原子的热迁移是在一定驱动力下发生的，由扩散控制的质量迁移过程，其机理是高温区的电子具有较高的散射能，驱动金属原子进行定向的扩散运动，产生金属原子的迁移。由于热迁移增强金属原子的定向扩散能力，并能引起元素的重新分布，严重时甚至长处厚重的脆性金属间化合物或者形成柯肯达尔孔洞，显著影响界面IMC的生长和微连接的可靠性。

针对电子封装中微焊点在巨大温度梯度下存在的热迁移问题，亟需一套设备和方法来模拟微焊点的实际工作状况，并进行基础研究。在微小接头两端施加巨大的温度梯度，研究不同温度梯度加载时间下微焊缝的组织结构及力学性能，研究界面金属间化合物的生长模式，是分析微焊点失效机理及可靠性的重要环节。

CN108663402A一种微型焊点热迁移测试结构及制备方法属于材料制备与连接领域。用于热迁移测试的焊盘采用“凸”字形，将焊盘用双面胶粘附于基板上，两个焊盘之间填入钎料焊膏，并焊接成钎料焊点，经过磨抛，获得可用于热迁移试验的焊点。焊点焊盘的一端采用陶瓷加热片进行加热，热电偶监测陶瓷加热片，用温度控制器控制温度，另一端保持室温状态,使得焊点两端存在温度差，实现稳定的温度梯度。通过设置温度控制器的温度，可控制焊点焊盘一端的温度，实现焊点两端温度差的准确控制，使焊点两侧具有可控的温度梯度，解决了微型尺寸焊点在热迁移测试过程中温度梯度难以实现并控制的难题，在焊点温度梯度可控的前提下获得具有可靠性的焊点热迁移数据，并进行评价。但其仅在焊点一端设置了加热装置，另一端保持室温状态，其能够加载的温度梯度范围有限，不能有效评价电子封装微焊点在极端温度梯度区间下的可靠性。

发明内容

本发明的目的是提供一种电子封装微焊点的可靠性评价方法，其能够获得稳定可控的温度梯度，其温度梯度范围较大，进而能够有效评价电子封装微焊点在极端温度梯度区间下的可靠性。

本发明所述的电子封装微焊点的可靠性评价方法，其包括如下步骤：

1）选取第一金属板和第二金属板，进行表面处理，然后采用钎焊对第一金属板和第二金属板的焊接面进行焊接，在第一金属板和钎料接触处、第二金属板和钎料接触处形成金属间化合物；

2）对焊接后的第一金属板和第二金属板进行切割制样，得到具有微焊点的试样，试样为多层结构，从上至下依次包括第一金属板、金属间化合物、钎料填充物、金属间化合物和第二金属板；

3）将试样竖直置于温度加载装置内，在试样的微焊点上、下两端形成温度梯度，待温度稳定时开始记录加载时间；温度梯度的定义为ΔT/L，所述ΔT为钎料填充层两端的温度差，所述L为钎料填充层的厚度；

4）将试样在步骤3）所述的温度梯度下加载不同时间，通过分析不同加载时间下金属间化合物的厚度变化情况，评价电子封装微焊点在该温度梯度区间下的可靠性。

进一步，所述步骤3）中的温度加载装置包括恒温加热系统、试样装夹系统、制冷系统和温度控制系统，所述试样装夹系统置于恒温加热系统上，制冷系统设于试样装夹系统上方，恒温加热系统和制冷系统均与温度控制系统连接，由温度控制系统控制恒温加热系统和制冷系统的温度。

进一步，所述试样装夹系统包括装夹板和设于装夹板上的垫片，所述装夹板上设有多个与试样对应配合的装夹槽，装夹板和垫片的材质为云母、水泥石棉板或玻璃纤维中的一种。

进一步，所述制冷系统包括制冷片和制冷器，所述制冷器为继电器制冷、循环冷却水制冷、压缩机制冷和液氮制冷的一种。

进一步，所述温度加载装置对焊点施加的温度梯度为3000~10000K/cm。

进一步，所述步骤1）中的第一金属板和第二金属板的材质为纯Cu、纯Co或纯Ni，钎料为Sn、Sn-Ag-Cu、Sn-Bi和Sn-Zn中的一种。

进一步，所述步骤1）中的第一金属板和第二金属板为带有Co-P或Ni-P中间层的纯铜衬底，钎料为Sn、Sn-Ag-Cu、Sn-Bi和Sn-Zn中的一种。

进一步，所述步骤1）中钎焊为浸焊或超声辅助焊，钎焊的焊缝宽度为10~200μm。

进一步，所述步骤2）中切割制样的试样高度为1~20mm。

本发明采用第一金属板和第二金属板制备微焊点，在微焊点两端施加极端温度梯度，诱发大量的金属原子从微焊点热端金属板溶解到液态钎料中，并向微焊点冷端快速扩散，产生金属原子的定向迁移，在微焊点冷端金属板上快速形成金属间化合物。微焊点的制备稳定可靠，制得的微焊点焊缝平整，界面的金属间化合物厚度一致。温度梯度加载装置及试样尺寸结构设计使得微焊点两端的温度梯度能够达到3000K/cm以上，并且在长时间的温度梯度加载作用下，试样的位置稳定、接触良好。随着温度梯度加载时间的增加，冷端和热端金属间化合物的生长存在显著的差异，进而通过分析不同加载时间下金属间化合物的厚度变化情况，有效评价电子封装微焊点在该温度梯度区间下的可靠性。

附图说明

图1是本发明温度梯度加载装置的结构示意图；

图2是本发明钎料填充截面示意图；

图3是本发明微焊点的截面示意图；

图4是本发明实施例一中金属间化合物在不同加载时间下的厚度变化示意图；

图5是本发明实施例二中金属间化合物在不同加载时间下的厚度变化示意图。

图中，1—第一金属板，2—第二金属板，3—钎料填充物，4—金属间化合物；

10—试样，11—恒温加热系统，12—制冷系统，13—装夹板，14—垫片。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作详细说明。

实施例一，一种电子封装微焊点的可靠性评价方法，其包括如下步骤。

1）选取材质为纯Co的第一金属板和第二金属板，参见图2，第一金属板1的厚度为7.2mm，第二金属板2的厚度为3.6mm，在此需要说明的是，第一金属板1和第二金属板2的厚度还能够相同，而将第二金属板2的厚度设置成小于第一金属板1，使得微焊点尽可能靠近热端，具有更高的能力，更容易发生热迁移；再在第一金属板1和第二金属板2相对的焊接面上涂覆助焊剂，将第一金属板1和第二金属板2的焊接面对准，使用厚度为70μm的云母片隔开第一金属板1和第二金属板2，在温度为320℃的条件下进行浸焊，钎料的材质为纯Sn。参见图3，在第一金属板1和钎料接触处、第二金属板2和钎料接触处形成金属间化合物4，在两层金属间化合物之间形成钎料填充物3。

2）对焊接后的第一金属板1和第二金属板2进行切割制样，得到具有微焊点的试样10，该试样10为长方体，长度为2mm，宽度为2mm，高度为3.6mm+0.07mm+7.2mm；

3）参见图1，温度加载装置包括恒温加热系统11、试样装夹系统、制冷系统12和温度控制系统，所述试样装夹系统置于恒温加热系统11上，制冷系统12设于试样装夹系统上方，恒温加热系统11和制冷系统12均与温度控制系统连接，由温度控制系统控制恒温加热系统11和制冷系统12的温度。所述试样装夹系统包括装夹板13和设于装夹板13上的垫片14，所述装夹板13上设有多个与试样10对应配合的装夹槽，装夹板13和垫片14的材质为云母、水泥石棉板或玻璃纤维中的一种。所述制冷系统12包括制冷片和制冷器，所述制冷器为继电器制冷、循环冷却水制冷、压缩机制冷和液氮制冷的一种。

将恒温加热系统11设定并稳定至220℃，在恒温加热系统11表面涂上导热膏并粘上纯铜薄板，将试样10竖直置于试样装夹系统的装夹板13的装夹槽内，第二金属板2位于下方，使用石棉片封住，防止试样10在实验过程中倒塌或歪曲，然后将固定有试样10的试样装夹系统置于恒温加热系统11的纯铜薄板上，第二金属板2底面与纯铜薄板贴合，再将制冷系统12置于试样装夹系统上方，第一金属板1的顶面与制冷片贴合，打开制冷器电源并将温度设定为0℃，在试样10的微焊点上、下两端形成温度梯度，温度稳定时微焊点冷端和热端的温度实测为34℃、220℃，开始记录加载时间。

4）将试样在步骤3）所述的温度梯度下加载1h、2h、4h、8h和12h，通过ANSYS模拟得到微焊点两端温度梯度为276.4K/cm，使用扫描电子显微镜观察试样界面金属间化合物的变化情况。参见图4，微焊点冷端界面金属间化合物和热端界面金属间化合物的变化趋势基本一致，该微焊点的可靠性较好。

实施例二，一种电子封装微焊点的可靠性评价方法，其包括如下步骤。

1）选取材质为纯Cu的第一金属板和第二金属板，第一金属板的厚度为7.2mm，第二金属板的厚度为3.6mm，然后采用电镀、电沉积或溅射的方法在第一金属板和第二金属板上制备材质为Co-3.5at%P的第一金属层和第二金属层，再在第一金属层和第二金属板相对的焊接面上涂覆助焊剂，将第一金属层和第二金属层的焊接面对准，使用厚度为70μm的云母片隔开第一金属层和第二金属层，在温度为320℃的条件下进行浸焊，钎料的材质为纯Sn，在第一金属层和钎料接触处、第二金属层和钎料接触处形成金属间化合物，在两层金属间化合物之间形成钎料填充物。

2）对焊接后的第一金属板和第二金属板进行切割制样，得到具有微焊点的试样，该试样为长方体，长度2mm，宽度2mm，高度3.6mm+0.01mm+0.07mm+0.01mm+7.2mm，参见图3，切割制得的试样10为多层结构，从上至下依次包括7.2mm厚的第一金属板、0.01mm厚的金属间化合物、0.07mm厚的钎料填充物、0.01mm厚的金属间化合物和3.6mm厚的第二金属板。

3）将恒温加热系统设定并稳定至220℃，在恒温加热系统表面涂上导热膏并粘上纯铜薄板，将试样竖直置于试样装夹系统的装夹板的装夹槽内，第二金属板位于下方，使用石棉片封住，防止试样在实验过程中倒塌或歪曲，然后将固定有试样的试样装夹系统置于恒温加热系统的纯铜薄板上，第二金属板底面与纯铜薄板贴合，再将制冷系统置于试样装夹系统上方，第一金属板的顶面与制冷片贴合，打开制冷器电源并将温度设定为0℃，在试样的微焊点上、下两端形成温度梯度，温度稳定时微焊点冷端和热端的温度实测为34℃、220℃，开始记录加载时间。

4）将试样在步骤3）所述的温度梯度下加载1h、2h、4h、8h和12h，通过ANSYS模拟得到微焊点两端温度梯度为1222K/cm，使用扫描电子显微镜观察试样界面金属间化合物的变化情况。参见图5，微焊点冷端界面金属间化合物和热端界面金属间化合物的变化趋势差异较大，冷端界面金属间化合物的生长速度明显大于热端，该微焊点的可靠性较差。

Claims (9)

1.一种电子封装微焊点的可靠性评价方法，其特征在于：包括如下步骤：

1）选取第一金属板和第二金属板，进行表面处理，然后采用钎焊对第一金属板和第二金属板的焊接面进行焊接，在第一金属板和钎料接触处、第二金属板和钎料接触处形成金属间化合物；

2）对焊接后的第一金属板和第二金属板进行切割制样，得到具有微焊点的试样，试样为多层结构，从上至下依次包括第一金属板、金属间化合物、钎料填充物、金属间化合物和第二金属板；

3）将试样竖直置于温度加载装置内，在试样的微焊点上、下两端形成温度梯度，待温度稳定时开始记录加载时间；

4）将试样在步骤3）所述的温度梯度下加载不同时间，通过分析不同加载时间下金属间化合物的厚度变化情况，评价电子封装微焊点在该温度梯度区间下的可靠性。

2.根据权利要求1所述的电子封装微焊点的可靠性评价方法，其特征在于：所述步骤3）中的温度加载装置包括恒温加热系统、试样装夹系统、制冷系统和温度控制系统，所述试样装夹系统置于恒温加热系统上，制冷系统设于试样装夹系统上方，恒温加热系统和制冷系统均与温度控制系统连接，由温度控制系统控制恒温加热系统和制冷系统的温度。

3.根据权利要求2所述的电子封装微焊点的可靠性评价方法，其特征在于：所述试样装夹系统包括装夹板和设于装夹板上的垫片，所述装夹板上设有多个与试样对应配合的装夹槽，装夹板和垫片的材质为云母、水泥石棉板或玻璃纤维中的一种。

4.根据权利要求2所述的电子封装微焊点的可靠性评价方法，其特征在于：所述制冷系统包括制冷片和制冷器，所述制冷器为继电器制冷、循环冷却水制冷、压缩机制冷和液氮制冷的一种。

5.根据权利要求2所述的电子封装微焊点的可靠性评价方法，其特征在于：所述温度加载装置对焊点施加的温度梯度为3000~10000K/cm。

6.根据权利要求1或2所述的电子封装微焊点的可靠性评价方法，其特征在于：所述步骤1）中的第一金属板和第二金属板的材质为纯Cu、纯Co或纯Ni，钎料为Sn、Sn-Ag-Cu、Sn-Bi和Sn-Zn中的一种。

7.根据权利要求1或2所述的电子封装微焊点的可靠性评价方法，其特征在于：所述步骤1）中的第一金属板和第二金属板为带有Co-P或Ni-P中间层的纯铜衬底，钎料为Sn、Sn-Ag-Cu、Sn-Bi和Sn-Zn中的一种。

8.根据权利要求1或2所述的电子封装微焊点的可靠性评价方法，其特征在于：所述步骤1）中钎焊为浸焊或超声辅助焊，钎焊的焊缝宽度为10~200μm。

9.根据权利要求1或2所述的电子封装微焊点的可靠性评价方法，其特征在于：所述步骤2）中切割制样的试样高度为1~20mm。