CN110666267A - 一种锡焊点合金化形成方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种锡焊点合金化形成方法。该方法是以焊盘材料为锡焊点合金形成合金化的金属来源，在回流过程中形成合金化处理，将焊锡合金的合金化与焊点形成过程中的回流制程合二为一，简化了制程。与铜形成焊点后，对该合金化方法形成的焊点进行石墨烯掺杂，使得钎焊接头处形成的金属间界面化合物的厚度更小，可提高焊点的可靠性，焊接形成的接头界面稳定，组织均匀细致，抗跌落性优异。

Description

一种锡焊点合金化形成方法
技术领域
本发明涉及复合材料、电子互连材料领域，具体涉及一种锡焊点合金化形成方法。
背景技术
石墨烯（Graphene)是科学家Geim、Novoselov等人在2004年发现的一种新型碳质材料，通过单层碳原子紧密堆积形成二维蜂窝状晶格结构，其结构非常稳定。它既是最薄的材料(厚度约为0.34 nm)，也是最硬的材料。热导率高达5150 W／(m•K)，是室温下纯金刚石的3倍。其载流子迁移率达15000 cm2／(v•s)，是迄今发现的电阻率最小的材料。正因为其具有独特的物理、化学和力学性能，使之为复合材料的开发提供了原动力。
一般的石墨烯-金属复合板材是通过将石墨烯和金属分别制成片状之后再通过胶粘复合成型的，该工艺复杂，而且二者之间存在胶粘剂，影响产品的导热性能。
同时，由于现今的电子器件逐步向小型化和多功能化转变，封装结构也由二维平面结构转变为三维芯片、封装体或其基板的堆叠。三维空间的堆叠使得焊料尺寸变小，溶质扩散距离变短。由Sn-Cu、Sn-Ag-Cu合金焊料与焊点下金属形成互连的焊料连接形式可以转而由纯锡与焊点下金属铜回流后形成Sn-Cu连接（见图1）。由于芯片或封装体在终产品成型过程中，会经过至少5次以上的回流过程。回流过程中使得焊点的结构不断变化，一般经过2次回流后，焊点的成分即基本为Sn-Cu共晶合金。且随着回流次数的增加，焊点形成的金属间化合物的生长会越来越快，界面化合物的厚度逐渐增长，不合理的增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，鉴于此，本发明拟对焊点合金的形成方式进行改进。
发明内容
本发明的目的在于解决现有技术中的不足，提供一种通过焊盘金属原子扩散，在回流过程中实现合金化的焊点形成方法，本发明还对合金化方法形成的焊点进行石墨烯掺杂以提高焊点的抗跌落性能。
本发明的技术方案为：一种锡焊点合金化形成方法，以焊盘材料为锡焊点合金形成合金化的Cu金属来源，同时对该合金化形成的焊点进行石墨烯掺杂，具体的步骤为：
（1）将石墨烯与金属锡粉预先研磨、按比例搅拌混合均匀，倒入压片模具；
（2）将盛有混合粉末的模具置于恒温加热台上，保持100℃，20 min；
（3）迅速使用压片机压制成片，将其剥离，得到锡-石墨烯复合片材；
（4）热处理压制好的复合片材；
（5）将该焊片在265℃下回流焊2 min。
进一步地，步骤1中用到的石墨烯为石墨烯粉体。
进一步地，步骤1中用到的石墨烯粉体的质量分数为0.1%-0.5%，金属锡粉的质量分数为99.5%-99.9%。
进一步地，步骤1中用到的金属锡粉选自包括Sn-Bi、Sn-In在内的锡基软钎料中的不包含焊盘金属的锡基焊料。
进一步地，步骤3中热处理的温度为180℃，热处理时间为2 h。
本发明的有益效果为：
1、本发明公开的合金焊点形成过程，通过焊点下金属完成焊点合金化，将焊锡合金的合金化与焊点形成过程中的回流制程合二为一，简化了工艺；
2、通过粉体混合压制成型的方法制备复合片材，工艺简便，而且片材中不含其他杂质；
3、相比于纯锡金属板，锡-石墨烯复合片材与焊盘金属回流焊后，钎焊接头处形成的金属间界面化合物的厚度更小，可提高焊点的可靠性，焊接形成的接头界面稳定，组织均匀细致，抗跌落性优异。
附图说明
图1为现有技术中微锡互连形成方法示意图；
图2为实施方式中利用焊盘进行合金化的示意图；
图3为实施例1中不同回流次数下的焊点组织示意图，其中A为回流1次情况下的焊点组织示意图，B为回流3次情况下的焊点组织示意图，C为回流5次情况下的焊点组织示意图；
图4为实施例1中不同回流次数下界面化合物厚度和焊点含铜量的数据统计表；
图5为实施例1获得的纯锡焊点界面示意图；
图6为实施例2获得的质量分数0.1%的石墨烯掺杂焊点界面示意图；
图7为实施例3获得的质量分数0.3%的石墨烯掺杂焊点界面示意图；
图8为实施例4获得的质量分数0.5%的石墨烯掺杂焊点界面示意图；
图9为实施例1-4所得的钎料复合焊接样的跌落性能测试结果统计表；
图10为实施例1-4所得的不同量的石墨烯掺杂锡焊点界面化合物厚度统计表。
具体实施方式
以下实施例进一步说明本发明的内容，但不应理解为对本发明的限制。在不背离本发明实质的情况下，对本发明方法、步骤或条件所作的修改和替换，均属于本发明的范围。
实施例1
一种锡焊点合金化形成方法
（1）将纯金属锡粉预先研磨、搅拌均匀，将其倒入压片模具；
（2）将盛有粉末的模具置于恒温加热台上，保持100℃，20 min；
（3）迅速使用压片机压制成片，将其剥离，得到原始纯锡片材；
（4）将压制好的片材进行热处理2 h；
（5）将该焊片在265℃下回流焊2 min，得到如图5所示焊点组织，该组织为Sn-Cu合金，表现为锡基体上分布的Cu6Sn5化合物颗粒。
形成焊点的纯金属锡，可以是锡基软钎料中的Sn-Bi、Sn-In等不包含焊盘金属的锡基焊料。
本实施方式所用的焊点形成方法如图2所示，即焊点形成过程与焊料合金化过程合二为一。以焊盘下金属为微合金化元素，在多次回流过程中，铜原子扩散进入焊点形成Sn-Cu连接，焊料合金的成分稳定。
随着回流次数的增加，合金焊点内的化合物密度增加、颗粒尺寸增大，焊点内的焊料得到弥散强化。但焊点界面化合物随着回流次数增多，出现界面化合物厚度增大的现象，结果见图4，界面化合物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和抗跌落性。
实施例2
为了在改变Sn-Cu焊点合金化方式的基础上，持续优化Sn-Cu焊点界面；本实施例采用石墨烯掺杂纯锡焊点的方法来提高焊点的界面稳定性和抗跌落性能。
该实施例公开一种利用0.1%石墨烯掺杂的金属复合片材进行的锡焊点合金化形成方法，具体步骤为：
（1）将质量分数0.1%的石墨烯与质量分数99.9%的金属锡粉预先研磨、搅拌混合均匀，将其倒入压片模具；
（2）将盛有混合粉末的模具置于恒温加热台上，保持100℃，20 min；
（3）迅速使用压片机压制成片，将其剥离，得到锡-石墨烯复合片材；
（4）将压制好的不同含量的复合片材在180℃下进行热处理2 h；
（5）将该焊片在265℃下回流焊2 min，得到较为健全的如图6所示的焊点组织。其化合物厚度和跌落性能见图9、图10。
实施例3
该实施例公开一种利用0.3%石墨烯掺杂的金属复合片材进行的锡焊点合金化形成方法，具体步骤为：
（1）将质量分数0.3%的石墨烯与质量分数99.7%的金属锡粉预先研磨、搅拌混合均匀，将其倒入压片模具；
（2）将盛有混合粉末的模具置于恒温加热台上，保持100℃，20 min；
（3）迅速使用压片机压制成片，将其剥离，得到锡-石墨烯复合片材；
（4）将压制好的不同含量的复合片材进行热处理2 h；
（5）将该焊片在265℃下回流焊2 min，得到如图7所示焊点组织。其化合物厚度和跌落性能见图9、图10。
实施例4
该实施例公开一种利用0.5%石墨烯掺杂的金属复合片材进行的锡焊点合金化形成方法，具体步骤为：
（1）将质量分数0.5%的石墨烯与质量分数99.5%的金属锡粉预先研磨、搅拌混合均匀，将其倒入压片模具；
（2）将盛有混合粉末的模具置于恒温加热台上，保持100℃，20 min；
（3）迅速使用压片机压制成片，将其剥离，得到锡-石墨烯复合片材；
（4）将压制好的不同含量的复合片材进行热处理2 h；
（5）将该焊片在265℃下回流焊2 min，得到如图8所示焊点组织。其化合物厚度和跌落性能见图9、图10。
从图9、图10可以看出添加石墨烯可以有效地抑制界面化合物的生长，从而提高焊点的抗跌落性能，虽然随着石墨烯含量的增加，界面化合物的厚度也随之增加，但均比纯锡焊点的界面层化合物厚度小。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征及优点。但是以上所述仅为本发明的具体实施例，本发明的技术特征并不局限于此，任何本领域的技术人员在不脱离本发明的技术方案下得出的其他实施方式均应涵盖在本发明的专利范围之中。

Claims (5)

1.一种锡焊点合金化形成方法，其特征在于，以焊盘材料为锡焊点合金形成合金化的Cu金属来源，同时对该合金化形成的焊点进行石墨烯掺杂，具体的步骤为：
（1）将石墨烯与金属锡粉预先研磨、按比例搅拌混合均匀，倒入压片模具；
（2）将盛有混合粉末的模具置于恒温加热台上，保持100℃，20 min；
（3）迅速使用压片机压制成片，将其剥离，得到锡-石墨烯复合片材；
（4）热处理压制好的复合片材；
（5）将该焊片在265℃下回流焊2 min。
2.如权利要求1所述的一种锡焊点合金化形成方法，其特征在于，步骤1中用到的石墨烯为石墨烯粉体。
3.如权利要求2所述的一种锡焊点合金化形成方法，其特征在于，步骤1中用到的石墨烯粉体的质量分数为0.1%-0.5%，金属锡粉的质量分数为99.5%-99.9%。
4.如权利要求1所述的一种锡焊点合金化形成方法，其特征在于，步骤1中用到的金属锡粉选自包括Sn-Bi、Sn-In在内的锡基软钎料中的不包含焊盘金属的锡基焊料。
5. 如权利要求1所述的一种锡焊点合金化形成方法，其特征在于，步骤3中热处理的温度为180℃，热处理时间为2 h。
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