CN114211069A - 一种基于imc焊盘的多晶结构焊点制取方法 - Google Patents

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Abstract

本申请公开了一种基于IMC焊盘的多晶结构焊点制取方法，包括：获取多系焊球和待焊电路板；对多系焊球和待焊电路板进行焊球焊接操作，得到PCB凸焊点；对PCB凸焊点进行老化处理，得到改性凸焊点；对改性凸焊点进行腐蚀处理，得到IMC焊盘；对多系焊球和IMC焊盘进行焊球焊接操作，得到多晶结构焊点。本申请通过预制IMC焊盘形成多晶结构焊点，可以改善Sn基钎料焊点中由于Sn的各向异性降低焊点可靠性的情况，避免在电子产品使用过程中提前失效，进而提高电子产品的使用寿命。

Description

一种基于IMC焊盘的多晶结构焊点制取方法
技术领域
本申请属于材料制备与连接技术领域，具体涉及一种基于IMC焊盘的多晶结构焊点制取方法。
背景技术
焊点在微电子互连中起到机械连接和电信号传输的作用，目前微电子封装空间减小，元器件数量增多，元器件产热加剧；而且，焊点承受的电流密度不断增加，在热力学和动力学因素的驱动下，焊料中形成的IMCs会生长或溶解，造成焊点的失效，从而影响电子产品的使用寿命和可靠性。目前微电子互连中使用的焊料主要为Sn基焊料(含Sn量80％以上)，Sn的晶体结构主要影响焊点的可靠性。
已有研究表明，重熔制备的Sn基无铅互连焊点往往呈现单晶或孪晶结构，而β-Sn的BCT晶体结构具有各向异性(a＝b＝0.5832，c＝0.3182，c/a＝0.546)，Cu等原子在焊点中的扩散会由于β-Sn不同的晶粒取向而呈现出强烈的各向异性，比如，在25℃，Cu沿β-Sn晶格c轴的扩散速率为2×10-6cm2/s，是其沿a、b轴扩散速率的500倍，这种取向扩散行为将会对焊点的电迁移行为造成严重影响，具有c轴与电流方向平行的Sn基钎料单晶焊点容易产生提前失效，其界面IMCs的生长速度约为具有c轴与电流方向垂直的单晶焊点或孪晶焊点的10倍。目前，深刻理解并预测Sn枝晶的生长模式是一个热力学难题，在完成互连后，每一个焊点都具有独特的晶体取向，因此不可避免的会有一些焊点由于β-Sn晶粒的取向不利，在电子产品使用过程中提前失效，进而降低电子产品的使用寿命。可见，焊点的晶粒取向会严重影响其服役可靠性，因此，寻找一个合适的手段，获得具有不同晶粒取向的多晶焊点，必将提高焊点的可靠性和使用寿命。
发明内容
本申请提出了一种基于IMC焊盘的多晶结构焊点制取方法，通过预制需要厚度的IMC焊盘，以改变Sn晶体取向，形成多晶结构焊点，降低Sn各向异性对焊点可靠性和使用寿命的影响。
为实现上述目的，本申请提供了如下方案：
一种基于IMC焊盘的多晶结构焊点制取方法，包括如下步骤：
获取多系焊球和待焊电路板；
对所述多系焊球和所述待焊电路板进行焊球焊接操作，得到PCB凸焊点；
对所述PCB凸焊点进行老化处理，得到改性凸焊点；
对所述改性凸焊点进行腐蚀处理，得到IMC焊盘；
对所述多系焊球和所述IMC焊盘进行焊球焊接操作，得到多晶结构焊点。
优选的，所述多系焊球由Sn-Ag-Bi-In系焊料制作。
优选的，获取所述多系焊球的方法还包括：
在超声波环境下，使用有机溶剂对所述多系焊球进行清洁处理。
优选的，所述有机溶剂包括丙酮和乙醇。
优选的，获取所述待焊电路板的方法包括：在超声波环境下，使用有机溶剂清洗用于焊接的电路板表面，并在所述电路板表面涂覆助焊剂，得到所述待焊电路板。
优选的，所述老化处理的方法包括：按照预设温度和预设时间对所述PCB凸焊点进行环境焊接操作，得到所述改性凸焊点。
优选的，所述腐蚀处理的方法包括：使用硝酸醇溶液对所述改性凸焊点进行腐蚀，得到所述IMC焊盘。
优选的，所述硝酸醇溶液为硝酸-乙醇-水溶液。
优选的，所述焊球焊接操作的温度条件为220-270摄氏度。
本申请的有益效果为：
本申请公开了一种基于IMC焊盘的多晶结构焊点制取方法，通过预制IMC焊盘形成多晶结构焊点，可以改善Sn基钎料焊点中由于Sn的各向异性降低焊点可靠性的情况。本申请方法工艺简单，成本低廉。
附图说明
为了更清楚地说明本申请的技术方案，下面对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本申请实施例一种基于IMC焊盘的多晶结构焊点制取方法流程示意图；
图2为采用本申请实施例的方法制取的多晶结构焊点的金相照片；
图3为采用本实施例方法经10天老化处理制取的IMC尺寸照片；
图4为采用本实施例方法经10天老化处理制取的多晶结构焊点取向分布图；
图5为采用本实施例方法经30天老化处理制取的IMC尺寸照片；
图6为采用本实施例方法经30天老化处理制取的多晶结构焊点取向分布图；
图7为采用本实施例方法不经老化处理制取的IMC尺寸照片；
图8为采用本实施例方法不经老化处理制取的多晶结构焊点取向分布图。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
为使本申请的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本申请作进一步详细的说明。
如图1所示，为本申请实施例一种基于IMC焊盘的多晶结构焊点制取方法流程示意图，包括如下步骤：
S1.获取多系焊球和待焊电路板；
在本实施例中，使用88Sn-3.5Ag-0.5Bi-8In焊料制作多系焊球。Sn-Ag-Bi-In系钎料焊膏一般低温保存，使用前需在室温环境中自然升温，以恢复焊膏的粘度，同时还需要进行充分搅拌。在本实施例中，将88Sn-3.5Ag-0.5Bi-8In焊料通过漏网漏印在玻璃板上，漏网尺寸为700μm，该漏网尺寸可根据实际需要调整，以制作出不同尺寸的多晶结构焊点。
在本实施例中，使用热风焊设备(美国PACE ST325，下同)将漏印后的焊料加热形成尺寸为700μm的焊球，重熔温度为245℃，重熔时间为30s，随炉冷却30s。为了保证焊球表面纯净，在本实施例中，进一步的，先后使用丙酮和乙醇在超声波清洗机中清洗焊球。此时的焊球，可能在尺寸上并不完全符合要求，所以，本实施例通过体视显微镜挑选出满足尺寸要求的焊球，作为待焊接的多系焊球。
对于待焊接的印制电路板(Printed circuit board，以下简称PCB板)，同样的用乙醇在超声清洗机内将其表面清洗干净，并涂覆一层助焊剂，作为待焊电路板。
S2对多系焊球和待焊电路板进行焊球焊接操作，得到PCB凸焊点；
将前述制取的多系焊球放在PCB板表面的铜片上并用热风焊设备加热使焊球重熔并与PCB板上的铜片结合，在本实施例中，重熔温度为245℃，重熔时间为30s，随炉冷却30s，得到PCB凸焊点。
S3对PCB凸焊点进行老化处理，得到改性凸焊点。
老化处理的原理是加快Cu-Sn间原子扩散，加快形成Cu6Sn5金属间化合物，并利于其长大。通过老化时间的延长，得到的IMC焊盘上IMC的厚度增加。厚度增加的IMC焊盘更利于形成多晶结构焊点。老化处理过程中，环境温度要小于焊料熔点。
在本实施例中，将前述得到到PCB凸焊点放入恒温加热炉中保温10天，炉内温度为150℃，对其进行老化处理，得到改性凸焊点。
S4对改性凸焊点进行腐蚀处理，得到IMC焊盘；
在本实施例中，使用硝酸-乙醇-水溶液(体积比1:1:8)的硝酸醇溶液对制取的凸焊点进行腐蚀处理，并通过金相显微镜实时观察，以保证腐蚀完所有Sn，并只保留Cu-Sn界面处的IMCs(Intermetallic compound，金属间化合物，简称IMC)，得到IMC焊盘。
S5对多系焊球和IMC焊盘进行焊球焊接操作，得到多晶结构焊点。
在本实施例中，在前述中制取的PCB板铜片上仅剩IMC的焊盘(以下简称IMC焊盘)表面涂覆助焊剂，再取多系焊球放在IMC焊盘上并用热风焊设备进行焊球焊接操作，通过加热使多系焊球重熔并与IMC焊盘结合，重熔温度为245℃，重熔时间为30s，随炉冷却30s。
将冷却后的焊点倒置与已涂覆好助焊剂的PCB板平行且完全对齐放置，再次使用热风焊设备加热使多系焊球重熔，并保证与IMC焊盘和PCB板结合，重熔温度为245℃，重熔时间为30s，设备冷却30s，得到多晶结构焊点，该焊点的金相照片如图2所示。
进一步的，本实施例为了保证焊点表面无氧化物影响，且为了提高焊点视觉效果，对前述得到的多晶结构焊点进行研磨至中间最大截面，并进行精抛。
进一步的，在本实施例中，为了验证前述得到的焊点的结构，通过获取精抛截面的EBSD数据，可以确定前述焊点的确为多双孪晶组和细小晶粒构成的多晶结构焊点。图3为采用本实施例方法制取的IMC尺寸照片，图4为采用本实施例方法制取的多晶结构焊点取向分布图，通过数据显示，可以确认本实施例制取的焊点的确为多双孪晶组和细小晶粒构成的多晶结构焊点，且显著改善了Sn基钎料焊点中Sn的各向异性。
作为对比，本申请实施例还用同样的方制取了经热环境老化处理30天得到的IMC尺寸和多晶结构焊点取向分布图，分别如图5和图6所示。
进一步的，本申请实施例还用同样的方制取了不经热环境老化处理的IMC尺寸和多晶结构焊点取向分布图，分别如图7和图8所示。
可以看出，经过老化处理，可以更好的控制IMC焊盘尺寸，并且更好的改善Sn基钎料焊点中Sn的各向异性。
为了验证本申请技术方案的效果，本实施例还制作了500μm及1000μm两种尺寸规格的备用焊球，并且对焊接温度进行调整，结果显示，在220℃、245℃和270℃度焊接条件下，制作的不同尺寸的IMC焊盘，经过不同的时长的老化处理过程，均能呈现明显的多晶结构，均能够显著改善Sn基钎料焊点中由于Sn的各向异性而降低焊点可靠性和使用寿命的情况。
以上所述的实施例仅是对本申请优选方式进行的描述，并非对本申请的范围进行限定，在不脱离本申请设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本申请的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本申请权利要求书确定的保护范围内。

Claims (9)

1.一种基于IMC焊盘的多晶结构焊点制取方法，其特征在于，包括如下步骤：
获取多系焊球和待焊电路板；
对所述多系焊球和所述待焊电路板进行焊球焊接操作，得到PCB凸焊点；
对所述PCB凸焊点进行老化处理，得到改性凸焊点；
对所述改性凸焊点进行腐蚀处理，得到IMC焊盘；
对所述多系焊球和所述IMC焊盘进行焊球焊接操作，得到多晶结构焊点。
2.根据权利要求1所述的基于IMC焊盘的多晶结构焊点制取方法，其特征在于，所述多系焊球由Sn-Ag-Bi-In系焊料制作。
3.根据权利要求2所述的基于IMC焊盘的多晶结构焊点制取方法，其特征在于，获取所述多系焊球的方法还包括：
在超声波环境下，使用有机溶剂对所述多系焊球进行清洁处理。
4.根据权利要求3所述的基于IMC焊盘的多晶结构焊点制取方法，其特征在于，所述有机溶剂包括丙酮和乙醇。
5.根据权利要求1所述的基于IMC焊盘的多晶结构焊点制取方法，其特征在于，获取所述待焊电路板的方法包括：在超声波环境下，使用有机溶剂清洗用于焊接的电路板表面，并在所述电路板表面涂覆助焊剂，得到所述待焊电路板。
6.根据权利要求1所述的基于IMC焊盘的多晶结构焊点制取方法，其特征在于，所述老化处理的方法包括：按照预设温度和预设时间对所述PCB凸焊点进行环境焊接操作，得到所述改性凸焊点。
7.根据权利要求1所述的基于IMC焊盘的多晶结构焊点制取方法，其特征在于，所述腐蚀处理的方法包括：使用硝酸醇溶液对所述改性凸焊点进行腐蚀，得到所述IMC焊盘。
8.根据权利要求7所述的基于IMC焊盘的多晶结构焊点制取方法，其特征在于，所述硝酸醇溶液为硝酸-乙醇-水溶液。
9.根据权利要求1所述的基于IMC焊盘的多晶结构焊点制取方法，其特征在于，所述焊球焊接操作的温度条件为220-270摄氏度。
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