CN110682021A - 一种抑制界面imc生长的微焊点的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种抑制界面IMC生长的微焊点的制备方法，其包括如下步骤：步骤一，沉积薄膜，提供两块金属基底，在所述金属基底的焊接面上沉积有Co‑P纳米晶薄膜，该Co‑P纳米晶薄膜中P的原子百分比为0.1~10at.%；步骤二，钎焊，将两块金属基底的焊接面对准，以纯Sn作为钎料，利用浸焊在两块金属基底的焊接面之间制得Co‑P/Sn/Ag微互连结构；步骤三，超声刻蚀处理，对制得的Co‑P/Sn/Co‑P微互连结构进行超声刻蚀处理，除去未反应的纯Sn钎料，在金属基底上得到Co‑P/CoSn3结构；步骤四，回流焊，将刻蚀后的Co‑P/CoSn3结构用SnAg锡膏连接，并进行回流焊，得到具有Co‑P/SnAg/Co‑P微互连结构的微焊点。其能够有效抑制使用过程中温度梯度造成的原子迁移，同时能够抑制界面IMC在热迁移下的继续生长，提高微焊点的可靠性。

Description

一种抑制界面IMC生长的微焊点的制备方法

技术领域

本发明涉及三维封装互连焊点的制备，具体涉及一种抑制界面IMC生长的微焊点的制备方法。

背景技术

微电子器件及产品的制造过程中，通过钎焊回流工艺实现芯片与封装载板或者封装载板与印刷电路板之间的连接是电子封装的核心技术之一。钎焊回流时，采用锡基钎料与芯片和封装载板上的基底发生钎焊反应，并在两侧基底上生成界面金属间化合物薄层，形成微焊点，实现芯片到封装载板的互连。微焊点由热端金属基底-金属间化合物-钎料-金属间化合物-冷端金属基底组成。

电子行业中，为了满足消费者对于电子产品的便携化、轻量化以及多功能化的需求，电子产品在宏观上不仅要趋向于小型化，在微观上还要使封装集成度越来越高，这必然要求互连焊点拥有更小的特征尺寸。目前封装技术已进入3D封装时代，这使得焊点的特征尺寸得以大大降低，同时使得电子器件的集成密度大大提高。使得基板发热问题越来越严重，界面IMC快速增长，生成较厚的脆性IMC层，严重影响到焊点的可靠性问题。此外，在散热不变或散热改良的条件下，微焊点的两端将形成巨大的温度梯度，温度梯度会诱发热迁移现象，使原子发生定向迁移，原子的大量迁移会改变材料的显微组织，从而影响其力学性能。尤其是焊点尺寸很小的情况下，这种影响更加严重，甚至会生长很厚的脆性IMC层，造成金属基底的溶解或者形成柯肯达尔孔洞等缺陷，严重影响焊点的可靠性。

近年来，许多研究者开始研究不同中间层对热迁移或热时效下界面IMC生长的影响，比较典型的有Ni-P、Co-P，以及由不同钎料制备的微互连结构对焊点热迁移或热时效的影响，具有代表性的钎料有Sn-Ag系钎料、Sn-Ag-Cu系钎料和Sn-Bi钎料。研究结果表明，与铜基板上的焊点相比，Co基板和Co基表面显示出比其他中间层（如Ni-P）更好的润湿性和良好的热循环寿命，且Co（Co-P）/Sn界面反应的稳定产物是CoSn3，CoSn3具有比Cu6Sn5更优的韧性。以前的工作表明，P含量的参与会使CoSn3的形成速度减缓，同时使CoSn3保持[100]晶向生长，该生长方向上的CoSn3晶粒对热迁移造成的原子扩散有很大抑制作用。

发明内容

本发明的目的是提供一种抑制界面IMC生长的微焊点的制备方法，其能够有效抑制使用过程中温度梯度造成的原子迁移，同时能够抑制界面IMC在热迁移下的继续生长，提高微焊点工作可靠性。

本发明所述的抑制界面IMC生长的微焊点的制备方法，其包括如下步骤：

步骤一，沉积薄膜，提供两块金属基底，在所述金属基底的焊接面上沉积有Co-P纳米晶薄膜，该Co-P纳米晶薄膜中P的原子百分比为0.1~10at.%；

步骤二，钎焊，将两块金属基底的焊接面对准，以纯Sn作为钎料，利用浸焊在两块金属基底的焊接面之间制得Co-P/Sn/Ag微互连结构；

步骤三，超声刻蚀处理，对制得的Co-P/Sn/Co-P微互连结构进行超声刻蚀处理，除去未反应的纯Sn钎料，在金属基底上得到Co-P/CoSn3结构；

步骤四，回流焊，将刻蚀后的Co-P/CoSn3结构用SnAg锡膏连接，并进行回流焊，得到具有Co-P/SnAg/Co-P微互连结构的微焊点。

进一步，所述步骤一中金属基底的焊接面上通过超声辅助电沉积、化学镀、蒸镀或溅射得到Co-P纳米晶薄膜，Co-P纳米晶薄膜的厚度通过沉积时间进行控制，P的原子百分比通过沉积原料或镀液成分控制。

进一步，所述步骤二中浸焊的工艺参数为：焊接温度为235~330℃，焊接时间为10~90s，冷却方式为空冷或风冷。

进一步，所述步骤三中超声刻蚀处理所用刻蚀溶液为混合溶液，其中溶质为盐酸、硝酸或二者的混合物，溶剂为甲醇、乙醇或去离子水的一种。

进一步，所述步骤四的SnAg锡膏中Ag的含量为0.3~3.5wt.%。

进一步，所述步骤四中回流焊时间为4~6min，回流焊最高温度不超过330℃。

进一步，所述热端金属基底和冷端金属基底的材质为Cu、Ni、Co、Ag和Au中的一种。

本发明与现有技术相比具有如下有益效果：

1、本发明通过金属基底的焊接面上设置Co-P纳米晶薄膜，两块金属基底通过锡基钎料连接得到具有Co-P/Sn/Co-P微互连结构的微焊点，Co-P纳米晶薄膜与Sn发生润湿反应快速冷却后，会形成以CoSn3 [100]为择尤取向的致密的单向晶粒层，且形成的CoSn3晶粒均垂直于Co-P纳米晶薄膜表面，即垂直于焊缝，该生长方向上的CoSn3晶粒对热迁移造成的原子扩散有很大抑制作用。通过超声刻蚀除去未反应的纯Sn钎料，并采用SnAg锡膏重新将两块金属基底连接起来，SnAg锡膏中生长的Ag3Sn相也会抑制温度梯度造成的原子迁移。因此通过[100]择尤取向的CoSn3晶粒和钎料中的Ag3Sn晶粒可以抑制温度梯度造成的原子迁移，同时Ag3Sn层会阻碍Co原子与钎料中的Sn原子的反应，便会抑制初生CoSn3的继续长大，从而有效抑制界面CoSn3在热迁移下的继续生长，提高了微焊点的工作可靠性。

2、本发明制得的Co-P/SnAg/Co-P微焊点具有较薄的IMC层和Ag3Sn分布均匀的钎料层，具有良好的可靠性。

3、本发明的制备方法工艺流程简单，对设备要求较低，原料简单易得，成本低廉。

4、本发明采用常用金属材料作为金属基底，可广泛应用于各种电子封装互连结构研究。

附图说明

图1为本发明金属基底上Co-P纳米晶薄膜的结构示意图；

图2为本发明钎焊前的组合体示意图；

图3为本发明钎焊后的组合体示意图；

图4为本发明刻蚀处理后的组合体示意图；

图5为本发明回流焊后的组合体示意图；

图6为本发明热迁移作用后的微焊点结构示意图。

图中，1—金属基底，2—Co-P纳米晶薄膜，3—纯Sn钎料，4—CoSn3金属间化合物，5—SnAg锡膏，6—Ag3Sn金属间化合物。

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。

实施例一，一种抑制界面IMC生长的微焊点的制备方法，其包括如下步骤：

步骤一，沉积薄膜，提供两块材质为Cu的金属基底1，首先对金属基底1进行预处理，打磨抛光，酸洗去除金属基底1表面的氧化膜，在金属基底1侧面焊接导电线，并在每个表面涂覆阻焊油。参见图1，采用超声辅助电沉积工艺在所述金属基底1的焊接面上沉积Co-P纳米晶薄膜2，该Co-P纳米晶薄膜2中P的原子百分比为8at.%，P的原子百分比通过电镀液成分控制。两块金属基底1的电镀时间均为10min，Co-P纳米晶薄膜2的厚度均控制在15~20μm。

步骤二，钎焊，将电镀后得到的Co-P纳米晶薄膜2进行表面处理，机械抛光或振动抛光，去除电镀带来的毛刺等缺陷，在Co-P纳米晶薄膜2上涂覆助焊膏。参见图2，采用夹具将两块金属基底1的焊接面对准固定，两块金属基底1之间用厚度为100μm的云母片隔开，形成组合体。然后以纯Sn作为钎料，将所述组合体在焊接温度为320℃的条件下预热15s，再浸焊45s后取出组合体进行风冷。参见图3，在Co-P纳米晶薄膜2和纯Sn钎料3界面生长具有[100]择尤取向的CoSn3金属间化合物4，即得到Co-P/Sn/Co-P微互连结构。

步骤三，超声刻蚀处理，采用硝酸、盐酸和甲醇配制超声刻蚀液，所述硝酸、盐酸和甲醇的体积比为5:2:93，在超声辅助作用下，快速除去未反应的纯Sn钎料3。参见图4，在两块金属基底上分别得到Co-P/CoSn3结构。

步骤四，回流焊，将刻蚀后的Co-P/CoSn3结构用SnAg锡膏连接，SnAg锡膏中Ag的含量为1wt.%，用夹具控制焊缝高度为100μm，形成组合体。利用回流焊机对组合体进行钎焊回流，回流时间为5min，回流最高温度为280℃，回流后冷却方式为空冷，参见图5，得到具有Co-P/SnAg/Co-P微互连结构的微焊点，SnAg锡膏5中生成Ag3Sn金属间化合物6，通过[100]择尤取向的CoSn3晶粒和钎料中的Ag3Sn晶粒可以抑制温度梯度造成的原子迁移，同时Ag3Sn层会阻碍Co原子与钎料中的Sn原子的反应，便会抑制初生CoSn3的继续长大，从而有效抑制界面CoSn3在热迁移下的继续生长，提高了微焊点的工作可靠性。

对制得的具有Co-P/SnAg/Co-P微互连结构的微焊点进行温度梯度加载，在1620℃/cm温度梯度下加载100h，对比相同实验条件下的Co-P/Sn/Co-P结构，参见图6，发现在Ag3Sn的阻碍作用下，Co-P/SnAg/Co-P结构的界面CoSn3生长明显受到抑制。

实施例二，一种抑制界面IMC生长的微焊点的制备方法，其包括如下步骤：

步骤一，电镀，提供两块材质为Cu的金属基底，首先对金属基底进行预处理，打磨抛光，酸洗去除金属基底表面的氧化膜，在金属基底侧面焊接导电线，并在每个表面涂覆阻焊油。再采用超声辅助电沉积工艺在所述金属基底的焊接面上沉积Co-P纳米晶薄膜，该Co-P纳米晶薄膜中P的原子百分比为10at.%，P的原子百分比通过电镀液成分控制。两块金属基底的电镀时间均为8min，Co-P纳米晶薄膜的厚度均控制在10~20μm。

步骤二，钎焊，将电镀后得到的Co-P纳米晶薄膜进行表面处理，机械抛光或振动抛光，去除电镀带来的毛刺等缺陷，在Co-P纳米晶薄膜上涂覆助焊膏。再采用夹具将两块金属基底的焊接面对准固定，两块金属基底之间用厚度为70μm的云母片隔开，形成组合体。然后以纯Sn作为钎料，将所述组合体在焊接温度为320℃的条件下预热15s，再浸焊45s后取出组合体进行风冷，在Co-P纳米晶薄膜和纯Sn钎料界面生长具有[100]择尤取向的CoSn3金属间化合物，即得到Co-P/Sn/Co-P微互连结构。

步骤三，超声刻蚀处理，采用硝酸、盐酸和甲醇配制超声刻蚀液，所述硝酸、盐酸和甲醇的体积比为5:2:93，在超声辅助作用下，快速除去未反应的纯Sn钎料，在两块金属基底上分别得到Co-P/CoSn3结构。

步骤四，回流焊，将刻蚀后的Co-P/CoSn3结构用SnAg锡膏连接，SnAg锡膏中Ag的含量为3.5wt.%，用夹具控制焊缝高度为70μm，形成组合体。利用回流焊机对组合体进行钎焊回流，回流时间为5min，回流最高温度为290℃，回流后冷却方式为空冷，得到具有Co-P/SnAg/Co-P微互连结构的微焊点。

对制得的具有Co-P/SnAg/Co-P微互连结构的微焊点进行热时效处理，在温度为220℃的条件下加载50h，对比相同实验条件下的Co-P/Sn/Co-P结构，发现在Ag3Sn的阻碍作用下，Co-P/SnAg/Co-P结构的界面CoSn3生长明显受到抑制。

本发明的保护范围并不限于上述的实施例，显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变形而不脱离本发明的范围和精神。倘若这些改动和变形属于本发明权利要求及其等同技术的范围内，则本发明的意图也包含这些改动和变形在内。

Claims (7)

1.一种抑制界面IMC生长的微焊点的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一，沉积薄膜，提供两块金属基底，在所述金属基底的焊接面上沉积有Co-P纳米晶薄膜，该Co-P纳米晶薄膜中P的原子百分比为0.1~10at.%；

步骤二，钎焊，将两块金属基底的焊接面对准，以纯Sn作为钎料，利用浸焊在两块金属基底的焊接面之间制得Co-P/Sn/Ag微互连结构；

步骤三，超声刻蚀处理，对制得的Co-P/Sn/Co-P微互连结构进行超声刻蚀处理，除去未反应的纯Sn钎料，在金属基底上得到Co-P/CoSn3结构；

步骤四，回流焊，将刻蚀后的Co-P/CoSn3结构用SnAg锡膏连接，并进行回流焊，得到具有Co-P/SnAg/Co-P微互连结构的微焊点。

2.根据权利要求1所述的抑制界面IMC生长的微焊点的制备方法，其特征在于：所述步骤一中金属基底的焊接面上通过超声辅助电沉积、化学镀、蒸镀或溅射得到Co-P纳米晶薄膜，Co-P纳米晶薄膜的厚度通过沉积时间进行控制，P的原子百分比通过沉积原料或镀液成分控制。

3.根据权利要求1或2所述的抑制界面IMC生长的微焊点的制备方法，其特征在于，所述步骤二中浸焊的工艺参数为：焊接温度为235~330℃，焊接时间为10~90s，冷却方式为空冷或风冷。

4.根据权利要求1或2所述的抑制界面IMC生长的微焊点的制备方法，其特征在于：所述步骤三中超声刻蚀处理所用刻蚀溶液为混合溶液，其中溶质为盐酸、硝酸或二者的混合物，溶剂为甲醇、乙醇或去离子水的一种。

5.根据权利要求1或2所述的抑制界面IMC生长的微焊点的制备方法，其特征在于：所述步骤四的SnAg锡膏中Ag的含量为0.3~3.5wt.%。

6.根据权利要求1或2所述的抑制界面IMC生长的微焊点的制备方法，其特征在于：所述步骤四中回流焊时间为4~6min，回流焊最高温度不超过330℃。

7.根据权利要求1或2所述的抑制界面IMC生长的微焊点的制备方法，其特征在于：所述热端金属基底和冷端金属基底的材质为Cu、Ni、Co、Ag和Au中的一种。

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