CN112658526A - 一种用于控制界面处金属间化合物生长的低熔点焊料 - Google Patents
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Abstract
本发明属于合金材料技术领域，应用于电子器件产品封装，具体涉及一种用于控制界面处金属间化合物生长的低熔点焊料。以所述焊料的总质量为100％计，所述焊料的组成及其质量百分数为Bi：30‑58％；In：0‑30％；Zn：0.8‑2.0％；余量为Sn。所述焊料在保证了焊料润湿性能和力学性能的前提下，大幅度降低了焊料的熔点及界面处金属间化合物的厚度。
Description
技术领域
本发明属于合金材料技术领域，具体涉及一种用于控制界面处金属间化合物生长的低熔点焊料。
背景技术
得益于技术进步与市场需求，微电子工业在过去几十年内迅速发展成为规模最大的工业行业。正如摩尔定律预测的那样，当价格不变时，集成电路上可容纳的元器件数目，约每隔18-24个月便会增加一倍，性能也将提升一倍。然而，近些年由于晶体管尺寸已经接近其物理和成本极限，半导体工业发展逐渐偏离了摩尔定律。同时结合了芯片制造技术和封装技术的三维集成电路(3D IC)由于其高性能、小尺寸和低功耗的特点成为延续摩尔定律最有前景的工艺。3D IC即是将多块芯片进行垂直堆叠的架构。为了实现这种架构，需要多种不同熔点的焊料共同工作；高温焊料有熔点为280℃的Sn70Au合金，回流温度300℃左右；中温焊料有熔点为217℃的SAC305合金，回流温度在240℃左右。至于低温焊料有熔点为139℃的SnBi共晶焊料。因此，开发高可靠性具有系列熔点的低温焊料对3D IC具有重要意义。
此外，先进封装中的微凸点技术，相比于工业上已经能成熟应用的C4焊点，其最显著的特点在于尺寸极小。C4焊点中焊球尺寸通常在100μm左右，而微凸点通常为5-20μm；比起C4焊点，微凸点焊球尺寸缩小了10倍，体积将会缩小1000倍。在相同的回流时间下微凸点中金属间化合物体积占比将远远高于C4焊点。金属间化合物由于其硬而脆的力学性质会给焊点可靠性带来严重影响，然而，现阶段还没有能用于工业生产回流温度在180℃以下且焊点界面处金属间化合物较薄的低温焊料。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种用于控制界面处金属间化合物生长的低熔点焊料及其制备方法。通过向SnBi合金中添加适量的In元素与Zn元素形成SnBiInZn四元合金，不仅降低了焊料的熔点，而且有效控制了焊点界面处金属间化合物(IMC)的生长，界面处金属间化合物厚度比起常规焊料SAC305缩小了近10倍。
为实现上述目的，本发明的技术方案如下。
一种用于控制界面处金属间化合物生长的低熔点焊料，以所述焊料的总质量为100％计，所述焊料的组成及其质量百分数为Bi：30-58％；In：0-30％；Zn：0.8-2.0％；余量为Sn。
优选的，所述焊料中Sn的质量分数为15-43％。
优选的，所述焊料中Sn的质量分数为30-43％。
优选的，所述焊料中Zn的质量分数为0.8-1％。
优选的，所述焊料中Sn的质量分数为30-43％，所述焊料中Zn的质量分数为0.8-1％。
本申请所述焊料可采用本领域中常规制备焊料的方法制备得到。
有益效果
(1)本发明所述焊料在保证了焊料润湿性能和力学性能的前提下，大幅度降低了焊料的熔点及界面处金属间化合物的厚度，大幅度降低了焊料在使用时的回流温度。所述焊料熔点低、生成的金属间化合物极薄的性质由焊料成分决定。
(2)本发明中涉及的SnBiInZn焊料由于Zn元素含量较低，使Cu-Zn界面反应极慢，生成的金属间化合物大幅度减少。Zn含量太低，Cu会优先与Sn反应而起不到抑制金属间化合物的作用；Zn含量太高，界面反应速率增快，也不能起到抑制界面处金属间化合物生长的作用。
附图说明
图1为实施例1所述焊料的差热分析(DTA)曲线；
图2为实施例1所述焊料的扫描电子显微镜(SEM)图；
图3为实施例1所述焊料进行回流试验后的SEM图；
图4为实施例1所述焊料进行回流试验后的局部放大SEM图；
图5为对比例1所述焊料进行回流试验后的SEM图；
图6为对比例2所述焊料进行回流试验后的SEM图.
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步详细的说明。
以下实施例和对比例中：
(1)焊料熔点测试：对实施例和对比例中所述焊料进行差热分析(DTA)得到其熔点。
(2)扫描电子显微镜(SEM)测试：所用扫描电子显微镜型号为Hitachi S-4800。
(3)金属间化合物厚度测试：在比所述焊料熔点高40℃的条件下，将实施例和对比例所述焊料在铜片上回流5分钟后，通过SEM测试所形成的界面金属间化合物厚度。
(4)润湿性能测试：以回流后样品的润湿角表征焊料的润湿性能。具体测试方法为：在比所述焊料熔点高40℃的温度下，将实施例和对比例所述焊料在铜片上回流5分钟，通过SEM图片测试焊点润湿角。
(5)力学性能测试：以焊点抗剪切强度表征焊料的力学性能。具体测试方法为：用分析天平称取5±0.5mg焊料，在直径为1mm的圆形铜焊盘上回流5min，回流温度为焊料熔点之上40℃。再用PTR-1100进行剪切测试，剪切速率为0.5mm/s。
(6)以下各实施例及对比例中焊料的各组分含量、焊料的熔点及界面金属间化合物的厚度如表1所示。
实施例1
按照表1将称好的纯度为99.9％的Sn、Bi、In和Zn金属块原料放入感应熔炼炉的水冷铜坩埚内，关闭炉门并抽真空，使炉腔内真空度为1.0×10-3MPa，然后向炉腔充入0.3MPa的高纯氩气，之后采用感应加热对原料进行熔炼，使各组分充分混合均匀。熔炼完成后立即进行吸铸，利用高纯氩气压力使熔融态的合金进入水冷铜模进行快冷。待其完全冷却后取出样品，得到一种用于控制界面处金属间化合物生长的低熔点焊料。
实施例2
按照表1将称好的纯度为99.9％的Sn、Bi和Zn金属块原料放入刚玉坩埚，按照质量比1:1.3称取LiCl和KCl。马弗炉升温至750℃，再将配好的LiCl和KCl混合后放入马弗炉保温20min，把熔化后的熔融盐倒入装有金属原料的刚玉坩埚，使其覆盖金属表面。把坩埚放入马弗炉保温，每隔15min搅拌一次，2h后取出，在空气中冷却至室温,，得到一种用于控制界面处金属间化合物生长的低熔点焊料。
实施例3
按照表1称量原料后，采用与实施例1相同的方法制备得到一种用于控制界面处金属间化合物生长的低熔点焊料。
实施例4
按照表1称量原料后，采用与实施例1相同的方法制备得到一种用于控制界面处金属间化合物生长的低熔点焊料。
实施例5
按照表1称量原料后，采用与实施例1相同的方法制备得到一种用于控制界面处金属间化合物生长的低熔点焊料。
实施例6
按照表1称量原料后，采用与实施例1相同的方法制备得到一种用于控制界面处金属间化合物生长的低熔点焊料。
实施例7
按照表1称量原料后，采用与实施例1相同的方法制备得到一种用于控制界面处金属间化合物生长的低熔点焊料。
对比例1
按照表1称量原料后，采用与实施例1相同的方法制备得到一种焊料。
对比例2
按照表1称量原料后，采用与实施例1相同的方法制备得到一种焊料。
对比例3
本对比例为现有焊料Sn3.5Ag。
对比例4
本对比例为现有焊料SAC305。
实施例1所述焊料的DTA曲线如图1所示，所述焊料熔点为82.9℃。
实施例1所述焊料的SEM结果如图2所示，结果表明焊料内部各相分布均匀，未出现Bi相粗化和偏聚的现象。
实施例2-实施例7所述焊料的SEM结果表明，所述焊料内部各相分布均匀，均未出现Bi相粗化和偏聚的现象。
实施例1所述焊料在120℃下回流5min后的SEM结果如图3所示，其局部放大图如图4所示，对比例1所述焊料在120℃下回流5min后的SEM结果如图5所示，从图中可看出，实施例1所述焊料与铜反应后生成的金属间化合物的厚度更薄，在实际使用中对铜膜消耗更少，可靠性更高。
对比例2所述焊料在260℃下回流5min后的SEM结果如图6所示，其金属间化合物的厚度为1.8μm。
实施例和对比例所述焊料的熔点及回流后形成的金属间化合物厚度结果如表2所示。
表2
| 润湿角(°) | 抗剪切强度(MPa) | 熔点(℃) | 界面金属间化合物厚度(μm) | |
| 实施例1 | 39.4 | 23.6 | 82.9 | 0.366 |
| 实施例2 | 32.3 | 58.3 | 138.6 | 0.351 |
| 实施例3 | 32.8 | 24.0 | 83.0 | 0.499 |
| 实施例4 | 42.9 | 17.0 | 76.5 | 0.375 |
| 实施例5 | 55.0 | 21.6 | 115.9 | 0.374 |
| 实施例6 | 43.3 | 26.0 | 124.5 | 0.502 |
| 实施例7 | 65.8 | 16.3 | 81.4 | 0.476 |
| 对比例1 | - | - | 82.6 | 2.005 |
| 对比例2 | - | - | 218 | 1.80 |
| 对比例3 | - | - | 221 | 3.638 |
| 对比例4 | - | - | 217 | 4.072 |
综上所述，发明包括但不限于以上实施例，凡是在本发明的精神和原则之下进行的任何等同替换或局部改进，都将视为在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种用于控制界面处金属间化合物生长的低熔点焊料，其特征在于：以所述焊料的总质量为100％计，所述焊料的组成及其质量百分数为Bi：30-58％；In：0-30％；Zn：0.8-2.0％；余量为Sn。
2.如权利要求1所述的一种用于控制界面处金属间化合物生长的低熔点焊料，其特征在于：所述焊料中Sn的质量分数为15-43％。
3.如权利要求1所述的一种用于控制界面处金属间化合物生长的低熔点焊料，其特征在于：所述焊料中Sn的质量分数为30-43％。
4.如权利要求1所述的一种用于控制界面处金属间化合物生长的低熔点焊料，其特征在于：所述焊料中Zn的质量分数为0.8-1％。
5.如权利要求1所述的一种用于控制界面处金属间化合物生长的低熔点焊料，其特征在于：所述焊料中Sn的质量分数为30-43％，所述焊料中Zn的质量分数为0.8-1％。
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|---|---|---|---|---|
| JP2001276996A (ja) * | 1994-09-29 | 2001-10-09 | Fujitsu Ltd | はんだ合金及びはんだ粉末及びはんだペースト及びプリント配線板及び電子部品及びはんだ付け方法及びはんだ付け装置 |
| CN101700605A (zh) * | 2009-11-13 | 2010-05-05 | 苏州优诺电子材料科技有限公司 | 低熔点无铅焊料合金 |
| CN108971793A (zh) * | 2018-08-24 | 2018-12-11 | 云南科威液态金属谷研发有限公司 | 一种低温无铅焊料 |
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Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 徐艳坤等: "Sn-Zn基低温无铅钎料合金的表面性质研究", 《自然科学进展》 * |
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