CN110193642A - 一种调控焊锡接头晶粒取向及组织的焊接工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种调控焊锡接头晶粒取向及组织的焊接工艺，该工艺包括如下步骤：步骤一、通过物理、化学或电化学方法在PCB板焊盘位置沉积一层单晶金属材料或在晶圆表面生长单晶金属材料凸点；步骤二、去除在单晶金属材料表面的氧化物和有机污染物；步骤三、采用钎焊技术将锡基焊料焊接在单晶金属材料上，即制备出具有特定晶粒取向及组织的焊锡接头。本发明的焊接工艺，由于焊锡接头晶粒取向及组织得到了有效控制，其可靠性将得到极大提高。

Description

一种调控焊锡接头晶粒取向及组织的焊接工艺
技术领域
本发明涉及一种调控焊锡接头晶粒取向及组织的焊接工艺，属于电子封装技术领域。
背景技术
随着集成电路服役环境的复杂化，电子器件服役温度可达-40℃-180℃，且常需要承载较高的电流，甚至伴有剧烈的震动和冲击。焊锡接头作为电子互联中极为重要的组成部分，在机械连接和电信号传输上发挥着不可替代的作用，其往往面临着极为严重的电迁移、热迁移、热机疲劳和机械疲劳等失效，这会导致器件的整体失效。
研究发现，上述失效原因是与焊锡接头中βSn组织和晶粒取向相关。在传统焊接工艺当中，在焊接前，尽管对PCB板，尤其是焊盘位置进行了表面处理，包括热风整平(HASL)、有机涂覆(OSP)、化学银、化学镍金(ENIG)、电镀镍金、镍钯金(ENEPIG)等多种表面处理工艺，但是在焊接过程中，由于焊盘以铜基为主，所以主要生成的金属间化合物仍为扇贝状或屋脊状Cu6Sn5，其仅具有微弱的促进βSn形核的作用，因此形核所需的过冷度很大，导致凝固后的βSn晶粒取向随机且为单晶或环状孪晶组织，这就使得具有较差晶粒取向的焊锡接头很容易在电迁移、热迁移、热机疲劳或机械疲劳下过早失效。
有研究表明，当焊锡接头中的主要βSn晶粒有[001]晶向平行于电流方向时，电迁移现象最为严重，要比[001]晶向垂直于电流方向的焊锡接头服役寿命短至少100倍。当接头中的主要βSn晶粒有[001]Sn与基板平面平行或角度较小时，在热循环的作用下，疲劳裂纹会较快地产生于界面最薄弱的区域，而当接头中的βSn晶粒有[001]Sn与基板角度较大时，在热循环的作用下，疲劳裂纹的萌生速率就会相对较慢，因此焊锡接头的服役寿命也会相应得到提高。
然而，焊锡接头的实际服役环境是十分复杂的，其面临着由于电迁移、热迁移、热机疲劳和机械疲劳等多种原因所引起的失效，所以难以在具体工作环境下确定焊锡接头具有何种特定晶粒取向其服役寿命最长，尽管如此，通过控制晶粒取向的方法来提高焊锡接头的可靠性依然是行之有效的。一方面，用传统工艺制备的焊锡接头，其晶粒取向是随机的，由于电子器件当中往往包含着大量的焊锡接头，那么相比于晶粒取向得到控制的焊锡接头来说，用传统工艺制备的焊锡接头就更易具备较差晶粒取向，从而引起失效。另一方面，由于βSn晶粒具有各向异性，其热膨胀系数随晶向变化而变化，那么数目庞大且取向随机的焊锡接头就面临着很严重的热膨胀分布不均匀，极易造成应力集中，最终导致焊锡接头失效，而晶粒取向得到控制的焊锡接头，由于其取向得到了明显控制，那么应力集中问题将会得到极大缓解，焊锡接头及电子器件的可靠性也将会得到显著提高。
发明内容
本发明提供一种调控焊锡接头晶粒取向及组织的焊接工艺，通过引入单晶金属材料的方法来调控界面金属间化合物的取向和组织，进而调控在其上形核的βSn的晶粒取向和组织，从而得到晶粒取向及组织得到调控的焊锡接头，最终实现提高焊锡接头可靠性的目的。
为了实现上述目的，本发明通过以下技术方案实现：
本发明的一种调控焊锡接头晶粒取向及组织的焊接工艺，包括如下步骤：
步骤一、通过物理、化学或电化学方法在PCB板焊盘位置沉积一层单晶金属材料或在晶圆表面生长单晶金属材料凸点；
步骤二、去除在单晶金属材料表面的氧化物和有机污染物；
步骤三、采用钎焊技术将锡基焊料焊接在单晶金属材料上，即制备出具有特定晶粒取向及组织的焊锡接头；
所述步骤一中的在PCB板焊盘位置沉积一层单晶金属，其面积应覆盖整个焊盘，其厚度不能小于1um。
所述步骤一中的单晶金属材料为Co、Pd、Pt、Ir或Ni以及上述元素质量不小于10％的合金；
所述步骤一中的PCB板材质包括树脂材料、陶瓷材料、金属材料；
所述步骤三中的锡基焊料包括纯Sn，二元合金SnPb系列、SnAg系列、SnCu系列、SnBi系列、SnZn系列、SnAu系列或SnIn系列，三元合金SnAgCu系列、SnCuNi系列、SnAgBi系列、SnBiIn系列或SnAgIn系列，四元合金SnAgBiIn系列。
有益效果
1、本发明的一种调控焊锡接头晶粒取向及组织的焊接工艺步骤少，操作简单，实用性强。
2、本发明的一种调控焊锡接头晶粒取向及组织的焊接工艺，由于焊锡接头晶粒取向及组织得到了有效控制，其可靠性将得到极大提高。
附图说明
图1是Co单晶的极图；
图2是实施例1中界面金属间化合物CoSn3的极图；
图3是实施例1中焊锡接头βSn的极图；
图4是实施例2中焊锡接头βSn的极图；
图5是是实施例3中界面金属间化合物CoSn3的电子显微镜照片。
具体实施方式：
下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
实施例1
步骤一：在树脂基PCB板制作8个焊盘，每个焊盘位置均通过物理气相沉积的方法沉积一层10um厚的Co单晶，Co单晶的极图如图1所示；
步骤二：在每个沉积的Co单晶后的焊盘上均匀地涂覆一层助焊剂，将直径500μm，纯度为99.99％的焊锡球固定在单晶金属上；
步骤三：将加热板升温至300℃，升温速率为30℃/min，将树脂基PCB板平放在加热板上，保温100s后，将PCB板夹离加热板，冷却至室温，焊接完成。
对步骤三中焊接完成的PCB板中的10个焊锡接头分别进行电子背散射技术(EBSD)测试，第一个焊锡接头中界面金属间化合物CoSn3的极图如图2所示，该焊锡接头中βSn的极图如图3所示，结合图1、2和3，可以看出Co单晶金属、CoSn3、βSn三者之间存在固定的位向关系如下：另外7个焊锡接头中Co单晶金属、CoSn3、βSn的位向关系同上，上式表明Co的晶面族、CoSn3的{001}晶面族和βSn的{001}晶面族三者互相平行，Co的晶向族、CoSn3的<100>晶向族和βSn的<100>三者互相平行。因此可以看出焊锡接头中βSn的晶体取向受到Co单晶金属的晶体取向的影响，得到了有效的调控。另外，根据图3可以看出得到的焊锡接头为单晶，证明其组织同时得到了控制。
实施例2
步骤一：在树脂基PCB板5个焊盘位置通过物理气相沉积的方法沉积一层15um厚的Pd单晶；
步骤二：在沉积的Pd单晶上均匀地涂覆一层助焊剂，将直径500μm的SnAgCu焊锡球固定在单晶金属上；；
步骤三：将回流焊机升温至280℃，升温速率为40℃/min，将单晶基板放在回流焊机里，保温90s后，取出PCB板，随空气冷却至室温，焊接完成。
对步骤三中焊接完成的PCB板上的5个焊锡接头分别进行EBSD测试，其极图均如图4所示，测试结果表明所测焊锡接头为单晶，且βSn晶粒取向得到了明显控制。
实施例3
步骤一：在树脂基PCB板5个焊盘位置通过物理气相沉积的方法沉积一层15um厚的Co单晶；
步骤二：在沉积的Co单晶上均匀地涂覆一层助焊剂，将直径500μm，纯度为99.99％的焊锡球固定在单晶金属上；
步骤三：将回流焊机升温至300℃，升温速率为60℃/min，将树脂基PCB板放在回流焊机里，保温80s后，将PCB板取出，随空气冷却至室温，焊接完成。
实验结果的表征：如图5扫描电子显微镜(SEM)图片发现，由于受到Co单晶基板的影响，所测焊锡接头中金属间化合物有很明显的特定取向，其两个特定取向的夹角为90°。

Claims (4)

1.一种调控焊锡接头晶粒取向及组织的焊接工艺，其特征是包括如下步骤：
步骤一、通过物理、化学或电化学方法在PCB板焊盘位置沉积一层单晶金属材料或在晶圆表面生长单晶金属材料凸点；
步骤二、去除在单晶金属材料表面的氧化物和有机污染物；
步骤三、采用钎焊技术将锡基焊料焊接在单晶金属材料上，即制备出具有特定晶粒取向及组织的焊锡接头；
所述步骤一中的在PCB板焊盘位置沉积一层单晶金属，其面积应覆盖整个焊盘，其厚度不能小于1um。
2.如权利要求1所述的一种调控焊锡接头晶粒取向及组织的焊接工艺，其特征是：所述步骤一中的单晶金属材料为Co、Pd、Pt、Ir或Ni以及上述元素质量不小于10％的合金。
3.如权利要求1所述的一种调控焊锡接头晶粒取向及组织的焊接工艺，其特征是：所述步骤一中的PCB板材质包括树脂材料、陶瓷材料、金属材料。
4.如权利要求1所述的一种调控焊锡接头晶粒取向及组织的焊接工艺，其特征是：所述步骤三中的锡基焊料包括纯Sn，二元合金SnPb系列、SnAg系列、SnCu系列、SnBi系列、SnZn系列、SnAu系列、SnIn系列、三元合金SnAgCu系列、SnCuNi系列、SnAgBi系列、SnBiIn系列或SnAgIn系列或四元合金SnAgBiIn系列。
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