CN111715960A

CN111715960A - 一种单晶焊点及其制备方法、电子组件

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Publication number: CN111715960A
Application number: CN201910219240.3A
Authority: CN
Inventors: 张青科; 宋振纶; 胡方勤; 郑必长; 姜建军
Original assignee: Ningbo Institute of Material Technology and Engineering of CAS
Current assignee: Ningbo Institute of Material Technology and Engineering of CAS
Priority date: 2019-03-21
Filing date: 2019-03-21
Publication date: 2020-09-29
Anticipated expiration: 2039-03-21
Also published as: CN111715960B

Abstract

本发明涉及一种单晶焊点及其制备方法、电子组件，其中，单晶焊点的制备方法包括以下步骤：提供焊盘，所述焊盘表面形成有焊料层；提供单晶焊柱，将所述单晶焊柱置于上下两个焊盘之间，加热使所述焊料层熔化并与所述单晶焊柱之间发生溶解与扩散形成反应层，所述单晶焊柱通过所述反应层固定于所述焊盘上，得到单晶焊点。采用本发明提供的一种单晶焊点制备方法，通过单晶焊柱取向的选择使焊点具有屈服强度高、抗热疲劳和抗电迁移性能好等优点，综合可靠性高。

Description

一种单晶焊点及其制备方法、电子组件

技术领域

本发明涉及电子封装技术领域，特别是涉及一种单晶焊点及其制备方法、电子组件。

背景技术

电子元器件中的焊点不仅起电气连接的作用，同时也提供机械支撑的作用，故焊点可靠性一直是电子工业中的重要问题。热疲劳和电迁移是焊点失效的两个主要原因，而锡合金焊点的热疲劳与电迁移寿命均与焊点的晶粒取向强烈相关，因此，如何通过焊点的取向来把控焊点的热疲劳与电迁移成为技术难题。

发明内容

基于此，有必要针对锡焊点热疲劳和电迁移寿命的各向异性问题，提供一种单晶焊点的制备方法，包括以下步骤：

一种单晶焊点的制备方法，包括以下步骤：

提供焊盘，所述焊盘表面形成有焊料层；

提供单晶焊柱，将所述单晶焊柱置于上下两个焊盘之间，加热使所述焊料层熔化并与所述单晶焊柱之间发生溶解与扩散形成反应层，所述单晶焊柱通过所述反应层固定于所述焊盘上，得到单晶焊点。

在其中一个实施例中，所述单晶焊柱为圆柱形，其上下表面为(100)、(110)、(210)晶面或上述晶面的等价晶面中的任意一种。

在其中一个实施例中，所述单晶焊柱的厚度为200μm～1000μm。

在其中一个实施例中，所述焊料层的厚度为10μm～50μm。

在其中一个实施例中，所述单晶焊柱的组份包括锡以及银、铜或锌中的至少一种；所述焊料层包括金属层或者焊膏，其中，所述金属层包括锡、铋、铟中的至少一种，所述焊膏中的合金粉为锡铋合金、锡铟合金、锡铅合金中的一种。

在其中一个实施例中，所述加热的温度高于所述焊料层的液相线温度且低于单晶焊柱的固相线温度，所述加热的温度不高于200℃。

在其中一个实施例中，所述焊料层的液相线温度不高于183℃。

在其中一个实施例中，所述单晶焊柱的固相线温度不低于210℃。

本发明还提供一种单晶焊点，所述的制备方法得到，包括焊盘、单晶焊柱以及反应层，所述焊盘的数量为两个，两个焊盘均通过所述反应层固定于所述单晶焊柱的相对侧。

本发明还提供一种电子组件，所述电子组件包括基板、硅板以及所述的单晶焊点，所述基板和所述硅板固定于所述单晶焊点的相对侧。

本发明提供的单晶焊点及其制备方法、电子组件，由于单晶焊柱的晶面取向可选，所获得单晶焊点的取向可控。通过调控单晶焊点的晶粒取向降低取向因子，可抑制焊点在热应力作用下的塑性变形，提高疲劳寿命；同时所制备单晶焊点内的电流方向与β-Sn晶粒的c轴方向即[001]晶向垂直，可显著抑制电迁移。采用本发明方法获得的单晶焊点抗热疲劳和抗电迁移性能优越，综合可靠性高，该方法可用于航空航天、军工装备中服役环境苛刻的电子组件的软钎焊焊接。

附图说明

图1为本发明实施例1中单晶焊点的制备过程示意图，其中，图1(a)为切割焊料单晶得到焊料薄片的过程示意图，图1(b)为冲剪焊片得到单晶焊柱的过程示意图，图1(c)为单晶焊点的制备过程示意图；

图2为本发明实施例1中单晶焊柱的结构图；

图3为本发明实施例1所制备单晶焊点的取向检测图，图3(a)为单晶焊点轴向截面的形貌图，图3(b)为对应的EBSD取向图；

图4为本发明实施例3中单晶焊点的制备过程示意图。

具体实施方式

下面通过实施例对本发明进行进一步阐述。

本发明提供的一种单晶焊点的制备方法，包括以下步骤：

S1：提供单晶焊柱；

S2：提供焊盘，所述焊盘表面形成有焊料层；

S3：将所述单晶焊柱置于上下两个焊盘之间，加热使所述焊料层熔化并与所述单晶焊柱之间发生溶解与扩散形成反应层，所述单晶焊柱通过所述反应层固定于所述焊盘上，得到单晶焊点。

步骤S1中，所述单晶焊柱可通过以下步骤得到：

S11：提供焊料单晶；

S12：检测所述焊料单晶的取向；

S13：在所述取向中选择特定取向，并进行切割得到特定取向的焊片；

S14：对所述焊片冲剪得到单晶焊柱。

在步骤S11中，所述焊料单晶为块体结构，由焊料通过Bridgman方法定向凝固制备得到。

为满足钎焊的要求，所述焊料单晶的焊料为高熔点焊料，包括锡以及银、铜或锌中的至少一种，如Sn3.5Ag0.7Cu(wt％)焊料、Sn0.7Cu(wt％)焊料、Sn3.5Ag0.7Cu(wt％)焊料等锡基高熔点软焊料。

考虑到减少液态反应过程中单晶焊柱向低熔点焊料层中的溶解，所述焊料的固相线温度不低于210℃，优选地，不低于220℃。

在步骤S12中，采用电子背散射衍射(EBSD)检测所述焊料单晶的取向，即，焊料单晶中晶体的晶向。

在步骤S13中，采用激光或者机械切割焊料单晶，形成焊料薄片。通过特定取向切割得到的焊料薄片，焊料薄片上下表面为(100)、(110)、(210)晶面或上述晶面的等价晶面中的任意一种，也即，所述焊料薄片的表面为(100)、(110)、(210)、(100)的等价晶面、(110)的等价晶面或(210)的等价晶面中的任意一个。进一步地，焊料薄片上下表面的晶面取向一致。

在切割形成焊料薄片后，再对所述焊料薄片进行机械打磨抛光，以得到焊片。在机械打磨抛光过程中，应防止焊片发生变形。

考虑到焊点常用尺寸，所述焊片的厚度为200μm～1000μm，优选为300μm～600μm。

在步骤S14中，采用精密冲剪装置对所述焊片快速冲剪，得到单晶焊柱。所述单晶焊柱的组份与所述焊料的组分相同，包括锡以及银、铜或锌中的至少一种。

基于单晶焊柱由Sn3.5Ag0.7Cu(wt％)焊料、Sn0.7Cu(wt％)焊料、Sn3.5Ag0.7Cu(wt％)等的高熔点焊料熔铸成单晶、切成片，冲剪成的小柱子，故单晶焊柱的固相线温度与所述焊料的固相线温度一致，不低于210℃。

由于单晶焊柱由焊片剪切得到，单晶焊柱高度与焊片厚度一致，为200μm～1000μm，优选为300μm～600μm。

在步骤S2中，焊盘表面沉积有焊料层，进一步地，焊料层为低温焊料薄层，焊料层所采用的焊料为低温焊料，所述焊料层包括金属层或者焊膏；其中，所述金属层包括锡、铋、铟、铅中至少一种。

当焊料层为金属层时，如，纯锡层和纯铟层等，可采用物理气相沉积、电化学沉积等方式于基板表面沉积形成该金属层。

当焊料层为焊膏时，焊膏中的合金粉为锡铋合金、锡铟合金、锡铅合金中的一种，如，Sn58Bi(wt％)、Sn52In(wt％)等，可将焊膏直接涂覆于基板上。

所述焊料层的厚度范围为10μm～50μm，优选地，焊料层的厚度为单晶焊柱高度的1/20。

考虑到所用的低温焊料中，熔点最高的低温焊料为SnPb，SnPb的共晶温度是183℃，所述焊料层的液相线温度不高于183℃。

为便于将单晶焊柱焊接于焊盘上，所述焊盘可以为Cu层、Ni层中的至少一种。进一步地，所述焊盘包括第一焊盘和第二焊盘，第一焊盘和第二焊盘上，单晶焊柱位于第一焊盘和第二焊盘之间。

在步骤S3中，将所述单晶焊柱置于所述单晶焊柱置于上下两个焊盘之间，也即，第一焊盘和第二焊盘分布单晶焊柱的上下两侧便于焊接的操作性，该上下指的是，在焊接过程单晶焊柱所处的方位的上下两侧，在其他实施例中，也可以是其他方位，不影响焊接的进行即可。

两个焊盘表面均形成焊料层，所述焊料层表面上，单晶焊柱与焊料层表面接触形成一个接触面，为实现单晶焊柱的晶面取向特定，为了让电流方向与β-Sn晶粒的c轴垂直，以抑制电迁移，单晶焊柱在该接触面的对应晶面为(100)、(110)、(210)、(100)的等价晶面、(110)的等价晶面或(210)的等价晶面中的任意一个。

在加热进行焊接时，为保证焊料层熔化，而单晶焊柱不熔化，故加热的温度高于所述焊料层的液相线温度且低于单晶焊柱的固相线温度。考虑到减少单晶焊柱的在液态低温焊料中的溶解，所述加热的温度不高于200℃，优选地，不高于180℃。

可以理解，所述加热温度，也即焊接温度，相应地，焊接的峰值温度应不高于200℃，所以，焊接温度低，相应地，热影响小。

所以，在加热焊接过程中，焊料层熔化后与单晶焊柱重新凝固而形成连接，即发生瞬时液相(TLP)反应。在TLP反应中，单晶焊柱与焊料层相接触部分发生冶金反应，所述焊料层熔化并与所述单晶焊柱之间发生溶解与扩散形成反应层，也即使部分单晶焊柱溶入焊料层中，焊料层转为反应层，单晶焊柱通过所述反应层固定于所述焊盘上，得到单晶焊点。其中，单晶焊柱以及反应层连为一体成为焊接层，焊接层与焊盘固定连接形成单晶焊点。

可以理解，焊接反应后，得到的所述反应层的成分包括Sn和Bi。

进一步地，所述焊盘包括第一焊盘和第二焊盘，所述单晶焊柱通过反应层固定于所述第一焊盘和第二焊盘上，所述第一焊盘和所述第二焊盘固定于所述单晶焊柱的相对两侧。可以理解，第一焊盘和第二焊盘上分别沉积有焊料层，单晶焊柱先置于第一焊盘的焊料层上，再进行焊接得到预制品，将预制品与沉积有焊料层的第二焊盘进行焊接，得到单晶焊点。

本发明还提供一种单晶焊点，如所述的制备方法得到，包括焊盘以及固定于焊盘上的焊接层，所述焊接层包括单晶焊柱以及反应层，所述反应层固定于所述焊盘上。也即，单晶焊点包括单晶焊柱、反应层以及焊盘。

进一步地，所述焊盘包括第一焊盘和第二焊盘，所述第一焊盘和所述第二焊盘固定于所述单晶焊柱的相对侧。

本发明还提供一种电子组件，所述电子组件包括基板、硅板以及所述的单晶焊点，所述基板和所述硅板固定于所述单晶焊点的相对侧。可以理解，所述基板和硅板之间通过所述单晶焊点形成电气连接，所述基板或者硅板用于焊接单晶焊柱的一侧可预制待焊层，该待焊层为焊盘，基板上的焊盘与硅板上的焊盘之间通过焊接层形成电气连接。

在其中一个实施例中，电子组件制备过程为：1)在硅片表面制备圆形的待焊层，待焊层为“焊盘”，焊盘可以是单层的金属，也可以是多层金属，例如为Cu、Ni层；

2)在焊盘上涂焊料层，单晶焊柱置于焊料层上，加热使焊料层熔化，带焊料层凝固后将单晶焊柱连接到焊盘上，得到预制品；

3)将预制品翻转，倒扣到已制备好焊盘的基板上，基板上的焊盘具有焊料层，加热基板上的焊料层再次熔化，将预制品连接到基板的焊盘上，得到电子组件。

基于单晶焊柱形成的单晶焊点相应的电迁移表现出强烈的各向异性，电流方向与单晶焊柱取向呈一定夹角时电迁移速率极高，而呈另一夹角时电迁移则得到抑制；单晶焊点的屈服强度也与取向相关，取向因子较高时焊点的屈服强度低，反之屈服强度高。由于单晶焊柱的晶面取向特定，采用该单晶焊柱与焊料层经冶金反应后所获得的单晶焊点的取向可控，降低取向因子，从而抑制焊点在热应力作用下的塑性变形，提高疲劳寿命；同时通过调控单晶焊点晶粒取向与电流方向的关系，使电流方向与体心四方结构的β-Sn晶粒的c轴方向即[001]晶向垂直，将可显著抑制电迁移。因此，单晶焊点具有屈服强度高、抗热疲劳和抗电迁移性能好等优点。

本发明提供的单晶焊点及其制备方法、电子组件，通过控制焊料单晶的取向，得到具有特定晶面单晶焊柱，使得焊点的屈服强度高、抗电迁移以及抗热疲劳性能好，焊接温度低以及热影响小，且可用于服役环境苛刻的微电子器件或光电子器件的焊接，如用于航空航天、军工装备中电子设备的元器件，提高了电子组件的寿命。

实施例1

在真空炉中熔化Sn3.5Ag0.7Cu(wt％，SAC)焊料，熔炼温度600℃，采用Bridgman方法制备焊料单晶1(简称为SAC单晶)，焊料单晶为块状，采用EBSD检测焊料单晶取向，激光切割成焊料薄片，焊料薄片表面为β-Sn的(100)晶面，具体过程参照图1(a)所示，机械打磨抛光焊料薄片至厚度为500μm，形成焊片，注意控制打磨过程中的焊片的变形。通过采用精密冲剪装置，快速冲剪焊片制备单晶焊柱，具体过程如图1(b)所示，所得单晶焊柱形貌如图2所示，为圆柱状，该单晶焊柱11为锡银铜单晶焊柱。

如图3所示，焊接前在基板4以及硅板2(基板4以及硅板2上预制有作为焊盘的Cu层311、Ni层312)表面涂覆Sn58Bi(wt％)焊膏以形成焊料层32，其中Sn58Bi是共晶合金且熔点为138℃，焊料层32的厚度为20μm；回流焊接，将单晶焊柱11焊于焊盘上，峰值温度160℃，保温1分钟完成瞬时液相(TLP)反应，获得单晶焊点3，其中，单晶焊点3包括焊盘以及焊接层11a，焊接层11a包括单晶焊柱以及反应层，单晶焊柱为锡银铜单晶，反应层为富Bi界面层，厚度约30μm，具体过程如图1(c)所示的单晶焊点的制备过程的示意图。

单晶焊点的形貌图如图3(a)所示为单晶焊点轴向截面的形貌图，也即将圆柱的单晶焊柱沿轴向磨掉一半，得到剩余的圆柱，剩余的圆柱相应的底面为富Bi层；对剩余的圆柱进行取向检测，结果如图3(b)所示：单晶焊柱c轴取向与电流方向(单晶焊柱轴向)垂直，可以理解，图3(b)中的小三角红颜色(三角形内的A标记处)为(001)晶面，单晶焊柱为红颜色(A区域所示的红颜色)即表示单晶焊柱的c轴与纸面(屏幕)垂直，而电流方向与焊接界面方向(也即图3中单晶焊柱与焊料层表面接触的接触面)垂直，因此c轴与电流方向垂直，此时电迁移受到抑制。另外，该单晶焊点的剪切屈服强度为40MPa。

实施例2

在真空炉中熔化Sn0.7Cu(wt％)焊料，熔炼温度600℃，采用Bridgman方法制备焊料单晶，焊料单晶为块状，采用EBSD检测焊料单晶取向，机械切割成焊料薄片，焊料薄片表面为β-Sn的(110)晶面，机械打磨抛光至厚度为600μm，形成焊片，采用精密冲剪装置快速冲剪焊片制备单晶焊柱。

焊接前在基板以及硅板(基板以及硅板上预制有作为焊盘的Cu、Ni层)表面涂覆Sn52In(wt％)焊膏以形成焊料层，焊料层的厚度为20μm；回流焊接，峰值温度150℃，保温1分钟完成瞬时液相(TLP)反应，获得单晶焊点，单晶焊柱为锡铜单晶，反应层为富In界面层，富In界面层厚度约30μm，单晶焊点的剪切屈服强度为35MPa。

实施例3

在真空炉中熔化Sn3.5Ag0.7Cu(wt％)焊料，熔炼温度600℃，采用Bridgman方法制备焊料单晶，焊料单晶为块状，采用EBSD检测焊料单晶取向，激光切割成焊料薄片，焊料薄片表面为β-Sn的(100)晶面，机械打磨抛光至厚度为400μm，形成焊片，采用精密冲剪装置快速冲剪焊片制备单晶焊柱。

如图4所示，焊接前在基板4以及硅板2(基板4以及硅板2上预制有作为焊盘的Cu层311、Ni层312)表面依次电镀厚度各为10μm的纯锡层321和纯铟层322；回流焊接，将单晶焊柱11焊于焊盘上，峰值温度160℃，保温2分钟完成瞬时液相(TLP)反应，获得单晶焊点3，其中，单晶焊点3包括焊盘以及焊接层11a，焊接层11a包括单晶焊柱以及反应层，单晶焊柱为锡银铜单晶，反应层为富In界面层，富In界面层约20μm，具体过程参见图4所示的单晶焊点的制备过程示意图，单晶焊点的剪切屈服强度为39MPa。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，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和改进，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

1.一种单晶焊点的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

提供焊盘，所述焊盘表面形成有焊料层；

2.如权利要求1所述的单晶焊点的制备方法，其特征在于，所述单晶焊柱为圆柱形，其上下表面为(100)、(110)、(210)晶面或上述晶面的等价晶面中的任意一种。

3.如权利要求1所述的单晶焊点的制备方法，其特征在于，所述单晶焊柱的厚度为200μm～1000μm。

4.如权利要求1所述的单晶焊点的制备方法，其特征在于，所述焊料层的厚度为10μm～50μm。

5.如权利要求1所述的单晶焊点的制备方法，其特征在于，所述单晶焊柱的组份包括锡以及银、铜或锌中的至少一种；所述焊料层包括金属层或者焊膏，其中，所述金属层包括锡、铋、铟中的至少一种，所述焊膏中的合金粉为锡铋合金、锡铟合金、锡铅合金中的一种。

6.如权利要求1所述的单晶焊点的制备方法，其特征在于，所述加热的温度高于所述焊料层的液相线温度且低于单晶焊柱的固相线温度，所述加热的温度不高于200℃。

7.如权利要求6所述的单晶焊点的制备方法，其特征在于，所述焊料层的液相线温度不高于183℃。

8.如权利要求6所述的单晶焊点的制备方法，其特征在于，所述单晶焊柱的固相线温度不低于210℃。

9.一种单晶焊点，其特征在于，如权利要求1～8任一项所述的制备方法得到，包括焊盘、单晶焊柱以及反应层，所述焊盘的数量为两个，两个焊盘均通过所述反应层固定于所述单晶焊柱的相对侧。

10.一种电子组件，其特征在于，所述电子组件包括基板、硅板以及如权利要求9所述的单晶焊点，所述基板和所述硅板固定于所述单晶焊点的相对侧。