CN110026705A - 一种增强Sn基钎料/Kovar合金互连焊点可靠性的镀层及其制备工艺 - Google Patents

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江雄心
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    • C25D3/02—Electroplating: Baths therefor from solutions
    • C25D3/38—Electroplating: Baths therefor from solutions of copper

Abstract

本发明公开了一种增强Sn基焊料/Kovar钎焊焊点可靠性的镀层及其制备工艺，属于电子封装与互联技术领域。选用表面电镀Ni/Au双镀层的Kovar合金作为基板，本发明是在该合金基板表面电镀一层Cu薄膜，制备表面镀Cu薄膜的Au/Ni/Kovar合金基板。镀层的制备方法：在40℃的水浴条件下，将平整的Kovar合金基板作为电镀阴极，纯铜板作为电镀阳极通入直流电流进行电镀，在阴极表面形成铜镀层。本发明具有工艺流程简单，工艺参数容易控制等优势，电镀Cu工艺有效地提高了Sn基焊料/Kovar合金互连焊点的可靠性。

Description

一种增强Sn基钎料/Kovar合金互连焊点可靠性的镀层及其制 备工艺
技术领域
本发明涉及一种金属表面镀层及其制备方法，具体地说是一种增强Sn基钎料/Kovar合金互连焊点可靠性的镀层及其制备工艺，属于电子封装与互连技术领域。
背景技术
在微电子封装与组装工业中，为了满足人类日益增长的生活需求，电子系统在向多功能化、高性能化、低功率损耗以及体积小等发展。在如今科技进步日新月异的今天，对钎焊焊点的应用越来越多，这是就造成了一个问题，焊点无法满足现在物质生活的要求。许多应用中，单一材料的单一优异性能根本无法满足日益增长的物质需要，这时就提出了一种能结合两种不同的材料特性的方法，分别将它们独特的性能连接结合起来，形成一个同时拥有两种材料优异特性的互连产物，以此满足各个领域对材料性能不同的要求。
Al2O3陶瓷因其具有强度高、硬度高、耐高温、抗腐蚀、耐磨以及绝缘性好等优异的特性，在航空、航天、军工、电子领域获得广泛的应用。但是，陶瓷材料固有的硬性和脆性使其难以加工与制造，需要与金属连接起来，实现与金属性能上的互补，以期获得兼具陶瓷和金属各自优异性能的陶瓷-金属复合构件，从而更好地发挥Al2O3陶瓷在作为结构材料及电绝缘材料方面的优越性能。由于Kovar合金在20～450℃范围内其热膨胀性与一些高硅硼玻璃和高Al2O3陶瓷的热膨胀性比较吻合匹配，将Al2O3陶瓷与Kovar合金相互结合，可获得兼具陶瓷和金属各自优异性能的Al2O3陶瓷一金属复合构建，这种结合两种材料优异性能的符合构建在电子封装、航空设备和机械工程等领域具有广泛的应用。
之前关于Kovar的研究主要是在研究其与陶瓷板钎焊连接，对于其钎焊焊点界面反应及性能的研究还是略显不足；对于锡基焊料/Kovar焊点界面反应及其力学性能的研究更是极其匮乏。在电子封装领域，为了提高Kovar合金的耐腐蚀性，可焊性及抗氧化性，通常在回流反应之前，对Kovar合金基板进行电镀Ni/Au双层处理。
根据前期实验发现，对比Sn基焊料与Cu基板回流之后形成的焊点的剪切强度，Sn基焊料与Kovar合金回流反应之后焊点的剪切强度极低，约10～20MPa。相较于Sn基焊料与Cu或Ni基板回流之后的焊点界面，在对Sn基钎料/Kovar回流焊点界面进行详细地观察后发现：该焊点界面的Au和Sn形成了非常快速的扩散系统，剧烈的回流反应在焊点界面进行，大量的金属间化合物(比如Au5Sn，AuSn，AuSn2和AuSn4等)在焊点界面及焊料基体中生成。由于金属间化合物的脆性，可以推测过量的金属间化合物在焊点连接界面生成是削弱焊点的力学性能的重要因素。根据以前报道可知：IMC的脆性确实是恶化焊点力学性能的一个重要原因。
发明内容
本发明旨在提供一种作为Sn基钎料/Kovar焊点界面反应阻挡层及保护层的电镀Cu薄膜及其制备工艺，以降低焊料与基板中各种元素之间的扩散速度，抑制焊点界面金属间化合物的过度形成，从而提高其力学性能及可靠性。
本发明解决技术问题采用如下技术方案：
一种增强Sn基钎料/Kovar合金互连焊点可靠性的镀层，选用表面电镀Ni/Au双镀层的Kovar合金作为基板，采用电镀工艺，在其表面电镀一层Cu薄膜。
进一步地优选，Ni层厚度为4μm，Ni层的Au层镀层厚度为2μm。
一种增强Sn基钎料/Kovar合金互连焊点可靠性的镀层的制备工艺，包括以下步骤：
步骤一：配制电镀液。所述的电镀液的配制是将硫酸铜、硫酸、盐酸和PEG混合溶于水中并搅拌均匀。电镀液中硫酸铜为150g/L，硫酸为120g/L，盐酸为0.3g/L，PEG为0.1g/L。
步骤二：基板表面电镀铜薄膜工艺。选用表面电镀Ni/Au双镀层的Kovar合金作为基板，纯铜板作为阳极，步骤一中所配制的溶液用作电镀液，通入直流电流；电流密度为2A/dm2；电镀温度为38～40℃。
步骤三：制备不同厚度Cu薄膜的基板。通过控制电镀时间，制备表面电镀不同厚度Cu薄膜的Kovar合金基板。
本发明的工作机制，第一：利用电镀的方法将Cu薄膜镀于Kovar合金基板表面，制成表面镀Cu薄膜的Kovar合金基板，因为镀于基板表面的Cu层，在该焊点进行回流反应时，会率先和Sn基焊料发生钎焊反应，从而提前在Kovar合金基板表面生成一层致密的Cu6Sn5薄层，Cu6Sn5层能极大降低焊料与基板中各种元素之间的扩散速度，所以减少了该焊点界面过度脆性IMC的形成，提高了焊点的剪切强度；其二：在进行电镀Cu工艺时，设计较为广泛的电镀条件，制作表面附有不同厚度的Cu镀层的Kovar合金基板，随后将其与Sn基焊料回流反应制成剪切试样，测试其力学性能，并且得出焊点性能最好时的电镀工艺参数。通过以上措施，电镀Cu层将提高互连焊点界面微观结构的稳定性，更好的保护Kovar合金基板，以此提高焊点的可靠性。
本发明的有益效果：
1、电镀液配方简单，容易配制，电镀可在40℃左右进行，镀液成分稳定。
2、电镀Cu薄膜厚度可通过电镀时间控制，得到所需的最佳效果。
3、电镀工艺不需要进行活化敏化，降低污染，操作简单，降低成本。
4、表面电镀Cu薄膜的基板与钎料回流反应后焊点界面金属间化合物生成明显被抑制，焊点可靠性明显得到增强。
附图说明
图1为电镀Cu薄膜的Kovar合金基板的横截面扫描电镜图。其中Cu薄膜的厚度分别为(a)0μm，(b)1.1μm，(c)3.3μm，(d)4.3μm，(e)7.1μm。
图2为本发明实施例1所得到的未镀Cu基板与Sn-37Pb焊膏回流反应焊点的界面结构。
图3为本发明实施例3所得到的镀Cu基板与Sn-37Pb焊膏回流反应焊点的界面结构。
图4为本发明实施例5所得到的镀Cu基板与Sn-37Pb焊膏回流反应焊点的界面结构。
具体实施方式
实施例1
一种增强Sn基钎料/Kovar合金互连焊点可靠性的基板镀铜层及其制备工艺。选用表面电镀Ni/Au双镀层的Kovar合金作为基板，Ni层厚度为4μm，Ni层上的Au层镀层厚度为2μm。在其表面再电镀一层Cu薄膜，电镀时间约为0分钟。
电镀溶液的配制是将硫酸铜、硫酸、盐酸和PEG混合溶于水中并搅拌均匀。电镀液中硫酸铜为150g/L，硫酸为120g/L，盐酸为0.3g/L，PEG为0.1g/L。电镀的操作中是以表面电镀Ni/Au双镀层的Kovar合金基板为阴极，纯铜板作为阳极，通入直流电流；电流密度为2A/dm2；电镀温度为38～40℃。
实施例2
本实施例的方法同实施例1，不同的是电镀时间为2分钟。
实施例3
本实施例的方法同实施例1，不同的是电镀时间为5分钟。
实施例4
本实施例的方法同实施例1，不同的是电镀时间为10分钟。
实施例5
本实施例的方法同实施例1，不同的是电镀时间为15分钟。
将本发明实施例1-5所制得的基板与Sn基钎料在250℃的回流焊炉中回流5分钟。将本发明实施例1-5所制得的基板和焊点进行测试，测量基板镀Cu薄膜厚度，测试焊点的剪切强度，具体见表1、图1。
表1
电镀Cu薄膜厚度(μm) 剪切强度(MPa)
实施例1 0 16.36
实施例2 1.1 26.13
实施例3 3.3 34.87
实施例4 4.3 30.81
实施例5 7.1 29.69
从上表可以看出，Kovar表面电镀Cu薄膜的厚度随着电镀时间的延长不断增加。对比表面未进行电镀Cu处理的Kovar基板，表面电镀Cu薄膜的Kovar基板与钎料回流反应形成的焊点的可靠性得到明显增强。此外，随着表面电镀Cu薄膜的厚度不断增加，该焊点剪切强度呈现先增强后降低的变化规律，并且于电镀Cu薄膜时间为5min(即电镀Cu薄膜厚度为3.3μm)时，该焊点剪切强度达到了最高。
图2、3、4分别为发明实施例1、3、5所得到的镀Cu薄膜的Kovar基板与Sn-37Pb焊膏回流反应焊点的界面结构。如图2所示，表面未镀Cu薄膜的Kovar基板在与Sn-37Pb焊膏回流反应后，得到的焊点界面的钎料基体中出现大量的金属间化合物，包括：AuSn，AuSn2，AuSn4等。此外，在钎料与基板之间形成的金属间化合物主要是一层AuSn。Kovar基板表面在经过镀Cu薄膜处理之后，其与Sn-37Pb焊料回流反应后得到的焊点界面如图3、4所示。图3展示了镀Cu薄膜厚度为3.3μm的Kovar基板与Sn-37Pb钎料回流反应后得到的焊点界面。对比与图2，明显可以发现：一层薄薄的Cu层残留在Kovar基板的Au层表面；钎料与基板之间的金属间化合物层由AuSn转变为(Au，Cu)Sn，表明镀Cu薄膜及Au层皆与钎料发生反应；此外，钎料基体中的化合物的量显著减少。图4展示了镀Cu薄膜厚度为7.1μm的Kovar基板与Sn-37Pb钎料回流反应后得到的焊点界面。相较于图3，残留在界面的镀Cu薄膜变得更厚，焊点界面的金属间化合物层厚度反而变薄；在钎料基体中，回流过程生成的化合物更少。
以上所述仅表达了本发明的优选实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形、改进及替代，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (4)

1.一种增强Sn基钎料/Kovar合金互连焊点可靠性的镀层，其特征在于：选用表面电镀Ni/Au双镀层的Kovar合金作为基板，采用电镀工艺，在其表面电镀一层Cu薄膜。
2.根据权利要求1所述的一种增强Sn基钎料/Kovar合金互连焊点可靠性的镀层，其特征在于：Kovar基板上的Ni层厚度为4μm，Ni层上的Au层镀层厚度为2μm。
3.一种增强Sn基钎料/Kovar合金互连焊点可靠性的镀层的制备工艺，其特征在于：包括以下步骤：
步骤一：配制电镀液，所述的电镀液的配制是将硫酸铜、硫酸、盐酸和PEG混合溶于水中并搅拌均匀；
步骤二：基板表面电镀铜薄膜工艺。选用表面电镀Ni/Au双镀层的Kovar合金作为基板，纯铜板作为阳极，步骤一中所配制的溶液用作电镀液，通入直流电流；电流密度为2A/dm2；电镀温度为38～40℃；
步骤三：制备不同厚度Cu薄膜的基板，通过控制电镀时间，制备表面电镀不同厚度Cu薄膜的Kovar合金基板。
4.根据权利要求3所述的增强Sn基钎料/Kovar合金互连焊点可靠性的镀层的制备工艺，其特征在于：所述电镀液中硫酸铜为150g/L，硫酸为120g/L，盐酸为0.3g/L，PEG为0.1g/L。
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