CN113714677B - 一种可实现CSP器件高强度互连的Sn基钎料 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种可实现CSP器件高强度互连的Sn基钎料,其成分包括Al纳米线、Cu亚微米颗粒、Bi和Sn。本发明添加Al纳米线,可形成类似网状的结构分布在焊点内部组织中,可将富Bi和富Sn晶粒紧紧缠绕在一起,Cu亚微米颗粒会与基体Sn反应形成Cu6Sn5金属间化合物颗粒,部分颗粒会聚集在富Bi和富Sn晶粒晶界处,具有钉扎Al纳米线的作用,进而可实现Al纳米线和Cu6Sn5金属间化合物颗粒耦合强化焊点;另外在焊点界面区域,部分Al纳米线和Cu6Sn5金属间化合物颗粒会富集在界面层区域、阻止界面金属间化合物的快速生长,因此焊点在服役期间仍然保持较高的强度和使用寿命,可满足CSP器件的高可靠性需求。

Description

一种可实现CSP器件高强度互连的Sn基钎料
技术领域
本发明涉及一种Sn基钎料,具体是一种可实现CSP器件高强度互连的Sn基钎料,属于芯片级封装技术领域。
背景技术
CSP(Chip Scale Package)即芯片级封装,是最新一代的内存芯片封装技术,CSP封装可以让芯片面积与封装面积之比超过1:1.14,已经相当接近1:1的理想情况,绝对尺寸也仅有32平方毫米,约为普通的BGA(Ball Grid Array Package球栅阵列封装)的1/3,仅仅相当于TSOP(Thin Small Outline Package薄型小尺寸封装)内存芯片面积的1/6,与BGA封装相比,同等空间下CSP封装可以将存储容量提高三倍。封装体积小是CSP产品的主要特点。由于封装结构的变化,相对QFP(Quad Flat Package方型扁平式封装)器件和BGA器件,CSP器件的焊点数量明显增加,以40mm×40mm封装为例,CSP器件的焊点可以达到1000个。但CSP器件在服役期间,由于服役环境的变化,焊点阵列(特别是拐角焊点)极易成为应力集中区,进而萌生裂纹、出现早期失效,从而导致整个CSP器件甚至整个电子设备的失效。因此利用高性能的钎料实现CSP器件的高可靠性是满足CSP器件高性能要求的前提。
在早期的CSP器件互连中,主要采用传统有毒的Sn-37Pb钎料,但是由于Pb的毒性,欧盟、美国、日本等国家的企业纷纷禁止Pb的使用,随后取而代之的是Sn-Ag-Cu钎料的大规模应用。在业界应用较为广泛的Sn-Ag-Cu成分为Sn-3.0Ag-0.5Cu、Sn-3.8Ag-0.7Cu和Sn-3.9Ag-0.7Cu。由于Sn-Ag-Cu钎料所含的Ag较高,在焊点内部容易形成粗大的Ag3Sn金属间化合物,焊点界面区域出现明显的Cu6Sn5和Cu3Sn两层金属间化合物,这三种金属间化合物均为脆性相,因此在服役期间,环境温度急剧变化的情况下,金属间化合物附近容易成为应力集中区、萌生裂纹,进而导致焊点的失效。
为解决上述问题,现有技术中出现主要采取添加合金元素或者纳米颗粒以提高钎料和焊点性能的系列Sn基无铅钎料,选择的元素通常有:Bi、In、Sb、Nd、Ga、Ni、Se等。如美国专利US20210001433A1公开的Sn基无铅钎料包括(2.0~4.0%)Ag、(0.3~0.7%)Cu、(1.2~2.0%)Bi、(0.5~2.1%)In、(3.0~4.0%)Sb、(0.01~0.05%)Ni、(0.001~0.01%)Co,其余为Sn,通过优化合金元素的含量,证实焊点的抗热疲劳性能得到一定的提高,另外可以抑制裂纹的扩展以及空洞的形成,但对于常规SMT(Surface Mounted Technology表面贴装技术)焊点而言,由于所添加的合金元素较少,在回流焊过程中均已参加反应,因此在服役期间焊点内部均表现为Sn基体和金属间化合物颗粒,焊点在服役期间可靠性并未有太大的改善,与传统的Sn-Ag-Cu焊点的组织相类似,因此对CSP一类可靠性需求的电子器件应用空间较小。再如中国专利ZL201811096803.6公开的Sn基无铅钎料包括(0.5~1.0%)Cu、(0.05~0.35%)Ni、(0.003~0.008%)Se、(0.01~0.03%)Zr、(0.4~0.6%)Ga、(0.04~0.06%)Nd,其余为Sn,针对钎料润湿性、焊点界面厚度以及锡须进行了研究,通过添加一定量的Nd、Zr、Se和Ga,实现具有良好的润湿性,能有效地抑制焊点界面金属间化合物的生长,以及抑制锡须的生长,但并没有记载添加的元素具有可提高钎料的力学性能和焊点性能的效果。
发明内容
针对上述问题,本发明提供一种可实现CSP器件高强度互连的Sn基钎料,能够实现显著提高CSP器件互连的强度,且具有良好的润湿性、焊点高力学性能和高疲劳寿命,能够满足CSP器件的高可靠性需求,特别适用于CSP一类电子器件的波峰焊、回流焊以及其他钎焊方法。
为实现上述目的,本可实现CSP器件高强度互连的Sn基钎料的成分包括Al纳米线、Cu亚微米颗粒、Bi和Sn,各成分的质量百分比为:Al纳米线含量为0.2~3.0%,Cu亚微米颗粒含量为1.0~15.0%,Bi含量为50~60%,其余为Sn。
作为本发明的进一步改进方案,Al纳米线和Cu亚微米颗粒的添加量比例为1:5。
作为本发明的一种实施方式,本可实现CSP器件高强度互连的Sn基钎料的成分及质量百分比为:Al纳米线含量为2.3%,Cu亚微米颗粒含量为11.5%,Bi含量为50%,其余为Sn。
作为本发明的一种实施方式,本可实现CSP器件高强度互连的Sn基钎料的成分及质量百分比为:Al纳米线含量为0.2%,Cu亚微米颗粒含量为1.0%,Bi含量为57%,余量为Sn。
作为本发明的一种实施方式,本可实现CSP器件高强度互连的Sn基钎料的成分及质量百分比为:Al纳米线含量为0.6%,Cu亚微米颗粒含量为3.0%,Bi含量为55%,余量为Sn。
一种可实现CSP器件高强度互连的Sn基钎料的制备方法,先将Sn锭和Bi锭按照比例混合熔化,然后加入Cu亚微米颗粒,最后加入Al纳米线,采用中频炉进行冶炼,钎料熔化后表面覆盖Fe2O3纳米颗粒,然后浇铸成棒材,最后通过挤压、拉拔得到钎料丝材。
与现有技术相比,本可实现CSP器件高强度互连的Sn基钎料中Bi含量为50~60%,主要是为降低钎料的熔化温度,可控制在150℃左右,由于焊后焊点内部主要由富Bi和富Sn相组成,在长时间服役过程中富Bi和富Sn界面、焊点界面均为整个焊点的薄弱区域,添加Al纳米线会形成类似网状的结构分布在焊点内部组织中,纳米线会将富Bi和富Sn晶粒紧紧缠绕在一起,Cu亚微米颗粒会与基体Sn反应形成Cu6Sn5金属间化合物颗粒,部分颗粒会聚集在富Bi和富Sn晶粒晶界处,具有钉扎Al纳米线的作用,Al纳米线和Cu6Sn5金属间化合物颗粒耦合强化焊点;另外在焊点界面区域,部分Al纳米线和Cu6Sn5金属间化合物颗粒会富集在界面层区域,阻止界面金属间化合物的快速生长,特别是在服役期间,富集带来的抑制作用具有明显的持续性,因此焊点在服役期间仍然保持较高的强度和使用寿命,且具有良好的润湿性和焊点高力学性能,能够满足CSP器件的高可靠性需求,特别适用于CSP一类电子器件的波峰焊、回流焊以及其他钎焊方法。
附图说明
图1是本发明的改性机理示意图;
图2是本发明在其他成分不变的情况下、不同Al纳米线含量的9组实验例的剪切性能示图;
图3是本发明在其他成分不变的情况下、不同Al纳米线含量的9组实验例中Al纳米线含量最低的第2组实验例(Sn-50Bi-11.5Cu-0.2Al)与不含Al纳米线和Cu亚微米颗粒的无铅钎料(Sn-58Bi)在焊点服役期间的剪切性能示图。
具体实施方式
本可实现CSP器件高强度互连的Sn基钎料采用微量的Al纳米线、Cu亚微米颗粒、Bi和Sn四者耦合,能够实现显著提高CSP器件互连的强度。
本发明的机理:为了实现CSP器件高强度互连,利用Al纳米线、Cu亚微米颗粒、Bi和Sn四者耦合作用强化焊点,简单的改性机理示意图如图1所示,Bi含量为50~60%,主要是为降低钎料的熔化温度,可控制在150℃左右,由于焊后焊点内部主要由富Bi和富Sn相组成,在长时间服役过程中富Bi和富Sn界面、焊点界面均为整个焊点的薄弱区域,添加Al纳米线会形成类似网状的结构分布在焊点内部组织中,纳米线会将富Bi和富Sn晶粒紧紧缠绕在一起,Cu亚微米颗粒会与基体Sn反应形成Cu6Sn5金属间化合物颗粒,部分颗粒会聚集在富Bi和富Sn晶粒晶界处,具有钉扎Al纳米线的作用,Al纳米线和Cu6Sn5金属间化合物颗粒耦合强化焊点;另外在焊点界面区域,部分Al纳米线和Cu6Sn5金属间化合物颗粒会富集在界面层区域,阻止界面金属间化合物的快速生长,特别是在服役期间,富集带来的抑制作用具有明显的持续性,因此焊点在服役期间仍然保持较高的强度和使用寿命。考虑到Al纳米线和Cu亚微米颗粒的耦合作用,最大限度发挥强化作用,其中Al纳米线和Cu亚微米颗粒的添加量比例控制为1:5。
下面结合实施例对本发明进行具体说明。下述16个实施例所使用的材料为Sn锭、Bi锭、Cu亚微米颗粒和Al纳米线,预先将Sn锭和Bi锭按照一定比例混合熔化,然后加入Cu亚微米颗粒,最后加入Al纳米线,采用中频炉进行冶炼无铅钎料,钎料熔化后表面覆盖Fe2O3纳米颗粒防止钎料氧化,然后浇铸成棒材,最后通过挤压、拉拔即得到所需要的钎料丝材。
实施例1:
本发明Sn基钎料的成分及质量百分比为:Al纳米线含量为0.2%,Cu亚微米颗粒含量为1.0%,Bi含量为57%,余量为Sn。
钎料温度性能检测:考虑试验误差的前提下,固相线温度在138.2℃左右,液相线温度在140℃左右。
实施例2:
本发明Sn基钎料的成分及质量百分比为:Al纳米线含量为0.3%,Cu亚微米颗粒含量为1.5%,Bi含量为57%,余量为Sn。
钎料温度性能检测:考虑试验误差的前提下,固相线温度在138.3℃左右,液相线温度在140.5℃左右。
实施例3:
本发明Sn基钎料的成分及质量百分比为:Al纳米线含量为0.4%,Cu亚微米颗粒含量为2.0%,Bi含量为56%,余量为Sn。
钎料温度性能检测:考虑试验误差的前提下,固相线温度在138.4℃左右,液相线温度在140.7℃左右。
实施例4:
本发明Sn基钎料的成分及质量百分比为:Al纳米线含量为0.4%,Cu亚微米颗粒含量为2.0%,Bi含量为58%,余量为Sn。
钎料温度性能检测:考虑试验误差的前提下,固相线温度在138.4℃左右,液相线温度在140.9℃左右。
实施例5:
本发明Sn基钎料的成分及质量百分比为:Al纳米线含量为0.5%,Cu亚微米颗粒含量为2.5%,Bi含量为58%,余量为Sn。
钎料温度性能检测:考虑试验误差的前提下,固相线温度在138.5℃左右,液相线温度在141.1℃左右。
实施例6:
本发明Sn基钎料的成分及质量百分比为:Al纳米线含量为0.6%,Cu亚微米颗粒含量为3.0%,Bi含量为55%,余量为Sn。
钎料温度性能检测:考虑试验误差的前提下,固相线温度在138℃左右,液相线温度在140.1℃左右。
实施例7:
本发明Sn基钎料的成分及质量百分比为:Al纳米线含量为0.7%,Cu亚微米颗粒含量为3.5%,Bi含量为58%,余量为Sn。
钎料温度性能检测:考虑试验误差的前提下,固相线温度在139.4℃左右,液相线温度在142℃左右。
实施例8:
本发明Sn基钎料的成分及质量百分比为:Al纳米线含量为0.8%,Cu亚微米颗粒含量为4.0%,Bi含量为60%,余量为Sn。
钎料温度性能检测:考虑试验误差的前提下,固相线温度在140℃左右,液相线温度在145℃左右。
实施例9:
本发明Sn基钎料的成分及质量百分比为:Al纳米线含量为0.9%,Cu亚微米颗粒含量为4.5%,Bi含量为58%,余量为Sn。
钎料温度性能检测:考虑试验误差的前提下,固相线温度在140.1℃左右,液相线温度在145.1℃左右。
实施例10:
本发明Sn基钎料的成分及质量百分比为:Al纳米线含量为1.0%,Cu亚微米颗粒含量为5.0%,Bi含量为59%,余量为Sn。
钎料温度性能检测:考虑试验误差的前提下,固相线温度在140.2℃左右,液相线温度在146℃左右。
实施例11:
本发明Sn基钎料的成分及质量百分比为:Al纳米线含量为1.1%,Cu亚微米颗粒含量为5.5%,Bi含量为50%,余量为Sn。
钎料温度性能检测:考虑试验误差的前提下,固相线温度在145℃左右,液相线温度在155.1℃左右。
实施例12:
本发明Sn基钎料的成分及质量百分比为:Al纳米线含量为0.6%,Cu亚微米颗粒含量为3.0%,Bi含量为50%,余量为Sn。
钎料温度性能检测:考虑试验误差的前提下,固相线温度在148℃左右,液相线温度在150.2℃左右。
实施例13:
本发明Sn基钎料的成分及质量百分比为:Al纳米线含量为0.2%,Cu亚微米颗粒含量为1.0%,Bi含量为56%,余量为Sn。
钎料温度性能检测:考虑试验误差的前提下,固相线温度在137.5℃左右,液相线温度在140.1℃左右。
实施例14:
本发明Sn基钎料的成分及质量百分比为:Al纳米线含量为2.0%,Cu亚微米颗粒含量为10.0%,Bi含量为50%,余量为Sn。
钎料温度性能检测:考虑试验误差的前提下,固相线温度在188℃左右,液相线温度在190.1℃左右。
实施例15:
本发明Sn基钎料的成分及质量百分比为:Al纳米线含量为3.0%,Cu亚微米颗粒含量为15%,Bi含量为59%,余量为Sn。
钎料温度性能检测:考虑试验误差的前提下,固相线温度在188.9℃左右,液相线温度在200℃左右。
实施例16:
本发明Sn基钎料的成分及质量百分比为:Al纳米线含量为3.0%,Cu亚微米颗粒含量为15%,Bi含量为60%,余量为Sn。
钎料温度性能检测:考虑试验误差的前提下,固相线温度在190.5℃左右,液相线温度在200.1℃左右。
上述16个实施例中,实施例1虽然Al纳米线含量仅为0.2%,但与不含Al纳米线和Cu亚微米颗粒的无铅钎料Sn-Bi对比,焊点剪切强度仍提高38.9%,具有优良的性能;实施例6的固相线温度和液相线温度均相对于其他实施例为低,可以获得较低熔化温度、实现降低焊接温度。
另外,在其他成分不变的情况下,不同Al纳米线含量焊点的剪切强度有所不同,选用如下表1所示的9组典型含Al纳米线、Cu亚微米颗粒、Bi和Sn的本发明无铅钎料实验例,9组实验例的焊点剪切性能如图2所示,由图2可见,Al纳米线含量为2.3%的第7组实验例的焊点剪切性能达到最大值。
表1典型含Al纳米线、Cu亚微米颗粒、Bi和Sn的9组实验例合金成分
Figure BDA0003236758010000081
为验证本发明无铅钎料在服役期间具有优良的焊点剪切性能和较高的疲劳寿命,选取表1中Al纳米线含量最低的第2组本发明无铅钎料实验例(Sn-50Bi-11.5Cu-0.2Al)对比不含Al纳米线和Cu亚微米颗粒的无铅钎料(Sn-58Bi)进行热循环实验,模拟焊点服役期间的工况,二者在焊点服役期间的剪切性能如图3所示,由图3可见,本发明Al纳米线含量最低的第2组实验例(Sn-50Bi-11.5Cu-0.2Al)的焊点剪切性能也明显大于不含Al纳米线和Cu亚微米颗粒的无铅钎料(Sn-58Bi)的焊点剪切性能,即,本发明的Al纳米线、Cu亚微米颗粒、Bi和Sn四者耦合可以显著提高焊点剪切强度。

Claims (5)

1.一种可实现CSP器件高强度互连的Sn基钎料,其特征在于,其成分包括Al纳米线、Cu亚微米颗粒、Bi和Sn,各成分的质量百分比为:Al纳米线含量为0.2~3.0%,Cu亚微米颗粒含量为1.0~15.0%,Bi含量为50~60%,其余为Sn,Al纳米线和Cu亚微米颗粒的添加量比例为1:5。
2.根据权利要求1所述的可实现CSP器件高强度互连的Sn基钎料,其特征在于,其成分及质量百分比为:Al纳米线含量为2.3%, Cu亚微米颗粒含量为11.5%,Bi含量为50%,其余为Sn。
3.根据权利要求1所述的可实现CSP器件高强度互连的Sn基钎料,其特征在于,Al纳米线含量为0.2%,Cu亚微米颗粒含量为1.0%,Bi含量为57%,余量为Sn。
4.根据权利要求1所述的可实现CSP器件高强度互连的Sn基钎料,其特征在于,Al纳米线含量为0.6%,Cu亚微米颗粒含量为3.0%,Bi含量为55%,余量为Sn。
5.一种如权利要求1所述的可实现CSP器件高强度互连的Sn基钎料的制备方法,其特征在于,先将Sn锭和Bi锭按照比例混合熔化,然后加入Cu亚微米颗粒,最后加入Al纳米线,采用中频炉进行冶炼,钎料熔化后表面覆盖Fe2O3纳米颗粒,然后浇铸成棒材,最后通过挤压、拉拔得到钎料丝材。
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