CN112183010B - 一种基于imc厚度控制的再流焊工艺参数可靠性的设计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了基于IMC厚度控制的再流焊工艺参数可靠性的设计方法，包括：确定回流焊的工艺参数，包括：第一工艺参数和第二工艺参数；基于所述回流焊的第一工艺参数完成正交实验，得到正交实验结果；基于所述第一工艺参数对样品对进行焊接，得到镶样样品；确定镶样样品的IMC的实际厚度；基于所述正交实验结果得到所述工艺参数与IMC的厚度的关系式；基于所述第二工艺参数以及所述第一工艺参数与IMC的厚度的关系式，得到IMC的理论厚度；通过所述IMC的实际厚度与所述IMC的理论厚度对所述第二工艺参数进行优化，输出优化的工艺参数。本发明提供了一种将IMC厚度和工艺参数连接起来的方法，建立工艺参数与IMC厚度的关系式。根据关系式可以得到较为准确的工艺参数设置条件。

Description

一种基于IMC厚度控制的再流焊工艺参数可靠性的设计方法
技术领域
本发明属于微电子封装领域，具体涉及一种基于IMC厚度控制的再流焊工艺参数可靠性的设计方法。
背景技术
Cu-Sn焊接广泛用于电子产品，由于界面化学反应和扩散，在焊料和Cu焊盘之间形成金属间化合物IMC。IMC主要由Cu6Sn5和Cu3Sn组成，层厚度为
Figure GDA0002796713860000011
许多研究表明，适当厚度的IMC层将极大的提高焊点的可靠性，并且界面强度在很大程度上取决于界面之间IMC的形成和生长。由于不同材料之间的热膨胀系数不匹配，容易产生裂纹，并且降低了焊点的疲劳寿命。随着电子封装技术的发展，焊点的尺寸已从数百微米减小到数十微米甚至几微米。尺寸减小引起的IMC结构、成分和形态的变化对焊点的力学性能、界面强度、疲劳寿命等产生更大的影响。
从电子产品再流焊接工艺可靠性机理出发，影响再流焊接工艺可靠性因子很多，如焊接材料、印刷工艺、贴装工艺等，行业内已经具备极其丰富的经验来控制焊接材料、印刷工艺、贴装工艺等非再流焊接工艺对可靠性造成的影响。本发明仅考虑与再流焊接工艺自身相关的可靠性影响因子，即再流焊接工艺炉温曲线设置相关的影响因子。
航天产品常用的再流传热曲线一般由四个部分组成，即前三个加热区(预热区、保温区、再流区)和最后一个冷却区。
预热区，用来将印制板的温度从周围环境温度提升到所需的活性温度，破坏金属氧化膜使焊料合金粉表面清洁，有利于焊料的浸润和焊点合金的生成。
保温区，占整个加热通道的33％～50％，作用是将印制板在相当稳定的温度下受热，允许不同质量的元件的温度趋于一致，减少它们之间的温差，并允许助焊剂活性化，将焊盘、焊料球及元件引脚上的氧化物除去。
再流区的作用是防止焊料或金属继续氧化、增加焊料的流动性、进一步提高焊料和焊盘之间的浸润能力、并将印制板装配的温度从活性温度提高到所推荐的峰值温度。
冷却区使得熔化的焊料从液态转变为固态。此温区的冷却速率和焊点质量息息相关，较快的冷却速率有助于形成紧密的焊点，焊点质量高，结合完整性好。过慢的冷却速率将产生过多的金属化合物，焊点疲劳寿命下降；过快的冷却速率将会引起元件、基板和焊点之间的热不匹配，导致焊点脱落。
目前，对再流焊工艺参数与IMC厚度之间的研究主要是在各个不同的温区，对这些温区共同作用的结果尚未给出明确的研究结果。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种基于IMC厚度控制的再流焊工艺参数可靠性的设计方法，用于解决现有技术的至少一个缺陷。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种基于IMC厚度控制的再流焊工艺参数可靠性的设计方法，包括：
确定回流焊的工艺参数，包括：第一工艺参数和第二工艺参数；
基于所述回流焊的第一工艺参数完成正交实验，得到正交实验结果；
基于所述第一工艺参数对样品对进行焊接，得到镶样样品；
确定镶样样品的IMC的实际厚度；
基于所述正交实验结果得到所述工艺参数与IMC的厚度的关系式；
基于所述第二工艺参数以及所述第一工艺参数与IMC的厚度的关系式，得到IMC的理论厚度；
通过所述IMC的实际厚度与所述IMC的理论厚度对所述第二工艺参数进行优化，输出优化的工艺参数。
可选地，所述回流焊的工艺参数包括：回流温度、回流时间、保温温度、保温时间、冷却温度、预热温度、预热时间、冷却时间、冷却速率。
可选地，每个工艺参数至少包括3个水平。
可选地，通过热电偶测量温度。
可选地，所述确定镶样样品的IMC的实际厚度，包括：
获取所述镶样样品在电子显微镜下的IMC的形貌照片；
基于所述IMC的形貌照片得到IMC层区域的面积S、此区域的宽度L；
根据镶样样品在电子显微镜下的IMC的形貌照片得到IMC的实际厚度h＝S/L。
可选地，通过PS测量得到IMC层区域的面积S、此区域的宽度L。
可选地，所述正交实验为均匀正交或非均匀正交。
可选地，所述基于所述正交实验结果得到所述工艺参数与IMC的厚度的关系式，包括：
对所述正交实验结果进行回归分析，得到所述工艺参数与IMC厚度的关系式。
如上所述，本发明的一种基于IMC厚度控制的再流焊工艺参数可靠性的设计方法，具有以下有益效果：
本发明不仅将回流区的工艺参数(温度和时间)考虑为影响IMC厚度的影响因子，同时将保温区、冷却区的工艺参数一并作为影响IMC厚度的影响因子考虑在本发明中。将这些影响因子作为正交实验的因素，每种因素设置三种不同的的水平，来设计实验，经方差分析和回归分析，最终得到再流焊接工艺参数与IMC厚度之间的关系式。
本发明提供了一种将IMC和工艺参数连接起来的方法，建立工艺参数与IMC厚度的关系式。根据关系式可以得到较为准确的工艺参数设置条件，同时也为后续的力学特性、疲劳寿命等的计算提供了便利的联结点。
附图说明
图1为本发明一实施例一种基于IMC厚度控制的再流焊工艺参数可靠性的设计方法的流程图；
图2为本发明一实施例采用的三明治扩散偶的互连结构示意图。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
如图1所示，本实施例提供一种基于IMC厚度控制的再流焊工艺参数可靠性的设计方法，包括：
S11确定回流焊的工艺参数，包括：第一工艺参数和第二工艺参数；
S12基于所述回流焊的第一工艺参数完成正交实验，得到正交实验结果；
S13基于所述第一工艺参数对样品对进行焊接，得到镶样样品；
S14确定镶样样品的IMC的实际厚度；
S15基于所述正交实验结果得到所述工艺参数与IMC的厚度的关系式；
S16基于所述第二工艺参数以及所述第一工艺参数与IMC的厚度的关系式，得到IMC的理论厚度；
S17通过所述IMC的实际厚度与所述IMC的理论厚度对所述第二工艺参数进行优化，输出优化的工艺参数。
在一实施例中，镶样样品可以采用如图2所示的三明治扩散偶的互连结构，图中单位为mm。钎料跟铜板之间区域全部焊合。
在一实施例中，所述回流焊的工艺参数包括：回流温度、回流时间、保温温度、保温时间、冷却温度、预热温度、预热时间、冷却时间、冷却速率。其中，每个工艺参数至少括3个水平，而正交实验可以是均与匀正交实验，也可以是非均匀正交实验。
以下例子是采用实际生产生活中的焊点进行的一次正交实验，回流炉有十个温区，此次实验将温区1、2，温区4、5、6设为同一温度，其他温区各自分开设置温度，这样此次实验就有7水平、3因素和1水平、2因素混合构成，如表1所示。根据正交表L18(21·37)设计了18组实验。
表1正交实验水平、因素表
Figure GDA0002796713860000041
对上述实验结果进行正交分析发现温区9对IMC厚度的影响最大，其次是温区7、温区1、2和温区4、5、6。
在一实施例中，通过热电偶测量温度。其中，热电偶除了测量焊点的温度，需要在空气中支撑起一个热电偶测得炉腔的温度。
在一实施例中，所述确定镶样样品的IMC的实际厚度，包括：
获取所述镶样样品在电子显微镜下的IMC的形貌照片；
基于此IMC的形貌照片得到IMC层区域的面积S、此区域的宽度L；
根据镶样样品在电子显微镜下的IMC的形貌照片的比例尺得到IMC的实际厚度h＝S/L。
其中，通过对焊接完成的焊点结构进行镶嵌，切割，打磨，抛光等步骤，得到镶样样品，在电子显微镜下得到IMC的形貌照片，通过EDS测得IMC的成分分析。
将得到的电镜照片在PS下测量得到IMC层区域的面积S、此区域的宽度L，根据SEM照片给出的比例尺得到IMC的厚度h＝S/L。
在一实施例中，所述基于所述正交实验结果得到所述工艺参数与IMC的厚度的关系式，包括：
对所述正交实验结果进行回归分析，得到所述工艺参数与IMC厚度的关系式。
本发明提供了一种将IMC和工艺参数连接起来的方法，建立工艺参数与IMC厚度的关系式。根据关系式可以得到较为准确的工艺参数设置条件，同时也为后续的力学特性、疲劳寿命等的计算提供了便利的联结点。
所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为了描述的方便和简洁，仅以上述各功能单元、模块的划分进行举例说明，实际应用中，可以根据需要而将上述功能分配由不同的功能单元、模块完成，即将所述装置的内部结构划分成不同的功能单元或模块，以完成以上描述的全部或者部分功能。实施例中的各功能单元、模块可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中，上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。另外，各功能单元、模块的具体名称也只是为了便于相互区分，并不用于限制本申请的保护范围。上述系统中单元、模块的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。
本领域普通技术人员可以意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、或者计算机软件和电子硬件的结合来实现。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。
所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。
所述集成的模块/单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明实现上述实施例方法中的全部或部分流程，也可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的计算机程序可存储于一计算机可读存储介质中，该计算机程序在被处理器执行时，可实现上述各个方法实施例的步骤。其中，所述计算机程序包括计算机程序代码，所述计算机程序代码可以为源代码形式、对象代码形式、可执行文件或某些中间形式等。所述计算机可读介质可以包括:能够携带所述计算机程序代码的任何实体或装置、记录介质、U盘、移动硬盘、磁碟、光盘、计算机存储器、只读存储器(ROM,Read-Only Memory)、随机存取存储器((RAM,Random Access Memory)、电载波信号、电信信号以及软件分发介质等。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (7)

1.一种基于IMC厚度控制的再流焊工艺参数可靠性的设计方法，其特征在于，包括：
确定回流焊的工艺参数，包括：第一工艺参数和第二工艺参数；
基于所述回流焊的第一工艺参数完成正交实验，得到正交实验结果；
基于所述第一工艺参数对样品对进行焊接，得到镶样样品；
确定镶样样品的IMC的实际厚度；
基于所述正交实验结果得到所述工艺参数与IMC的厚度的关系式；
基于所述第二工艺参数以及所述第一工艺参数与IMC的厚度的关系式，得到IMC的理论厚度；
通过所述IMC的实际厚度与所述IMC的理论厚度对所述第二工艺参数进行优化，输出优化的工艺参数；
所述回流焊的工艺参数包括：回流温度、回流时间、保温温度、保温时间、冷却温度、预热温度、预热时间、冷却时间、冷却速率。
2.根据权利要求1所述的基于IMC厚度控制的再流焊工艺参数可靠性的设计方法，其特征在于，每个工艺参数至少包括3个水平。
3.根据权利要求1所述的基于IMC厚度控制的再流焊工艺参数可靠性的设计方法，其特征在于，通过热电偶测量温度。
4.根据权利要求1所述的基于IMC厚度控制的再流焊工艺参数可靠性的设计方法，其特征在于，所述确定镶样样品的IMC的实际厚度，包括：
获取所述镶样样品在电子显微镜下的IMC的形貌照片；
基于所述IMC的形貌照片得到IMC层区域的面积S、此区域的宽度L；
根据镶样样品在电子显微镜下的IMC的形貌照片得到IMC的实际厚度h＝S/L。
5.根据权利要求4所述的基于IMC厚度控制的再流焊工艺参数可靠性的设计方法，其特征在于，通过PS测量得到IMC层区域的面积S、此区域的宽度L。
6.根据权利要求1所述的基于IMC厚度控制的再流焊工艺参数可靠性的设计方法，其特征在于，所述正交实验为均匀正交或非均匀正交。
7.根据权利要求1所述的基于IMC厚度控制的再流焊工艺参数可靠性的设计方法，其特征在于，所述基于所述正交实验结果得到所述工艺参数与IMC的厚度的关系式，包括：
对所述正交实验结果进行回归分析，得到所述工艺参数与IMC厚度的关系式。
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