CN114211070A - 一种Sn基钎料焊点重熔晶体取向制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及钎焊技术领域，具体涉及一种Sn基钎料焊点重熔晶体取向制备方法，具体提供一种Sn/Ag/Bi/In钎料，其成份及重量百分比为：Ag：3.5，Bi：0.5，In：8.0，Sn：余量；所述钎料为膏状钎料；本发明钎料中的合金元素增多，可使Sn基钎料焊点的熔点降低至193～209℃，能够在更低的温度参数下进行软钎焊，保证芯片焊接损耗率更低；本发明钎料在重熔后形成焊点，Sn焊点的硬度的各向异性影响降低，焊点的力学性能提高，强度变得均匀。

Description

一种Sn基钎料焊点重熔晶体取向制备方法
技术领域
本发明涉及钎焊技术领域，具体涉及一种Sn基钎料焊点重熔晶体取向制备方法。
背景技术
对于电子封装领域芯片等电子元器件之间的互联焊点所用钎料，一般选择使用Sn基钎料作为低温软钎焊的基础材料，以获得优异的接头组织和力学性能，由于钎料中被禁止使用Pb且Sn的体心立方结构，导致焊点具有非常突出的各向异性，在焊点的整体性能中，形成非常不稳定的结构状态。在芯片焊点中存在大量焊点，若其中一个失效，则会导致整个电子元器件发生短路断路等故障。焊点中的晶粒取向大多数为单晶或者孪晶，一些学者通过改变钎焊工艺或者钎料中的元素比例以获得双孪晶等其他不同的晶粒取向，单一焊点的晶粒取向的多样性可以使焊点的各向异性导致的影响降低。但是却存在焊点在通电过程中的电迁移损伤行为。
针对Sn基钎料合金存在的以上问题，选择熔点低且形成的焊点为多晶取向，最有利于延长焊点寿命，提高焊点可靠性。考虑到钎料合金中化合物以及降熔问题，本发明提出了适用性广、熔点低且晶粒取向交叉生长的Sn/Ag/Bi/In钎料合金的钎焊参数工艺方法。
发明内容
基于上述内容，本发明提供一种Sn基钎料焊点重熔晶体取向制备方法。通过向钎料中掺杂适量的Ag、Bi、In得到了一种适用性广、熔点低且重熔焊点取向交叉掺杂的Sn/Ag/Bi/In钎料合金。本发明为一种Sn基钎料焊点重熔晶体取向制备方法，属于材料制备与连接领域。该工艺可以通过对焊接参数的调节，进而可以改变焊点重熔晶体取向。
一种Sn/Ag/Bi/In钎料，其成份及重量百分比为：Ag：3.5，Bi：0.5，In：8.0，Sn：余量。
Ag的导电性好，有一定的抗氧化性，Bi和In可降低钎料的过冷度，降低熔点，提高钎料焊点的机械性能，包括抑制金属间化合物的大量生长，含量太多，会导致金属间化合物强度较低，会降低焊点的机械性能。
进一步地，所述钎料为膏状钎料。
进一步地，所述Sn/Ag/Bi/In钎料在0～10℃环境保存。
本发明的技术方案之二，上述的Sn/Ag/Bi/In钎料的在焊接电子封装元器件中的应用。
进一步地，包括以下步骤：将上述Sn/Ag/Bi/In钎料填充于电子元器件上的两个焊盘之间，采用回流焊或者热风焊进行焊接。
进一步地，两个焊盘间隔为300-400μm。
进一步地，所述回流焊条件：5℃/s升温到150℃→1℃/s升温到190℃→12℃/s升温到焊接温度T→保温→10℃/s在回流焊炉中冷却至室温；保温时间为30～40s。
进一步地，所述焊接温度T为310℃。
进一步地，所述热风焊条件：5℃/s升温到150℃→1℃/s升温到190℃→12℃/s升温到焊接温度T→保温→在空气中冷却至室温；保温时间为30～40s。
进一步地，所述焊接温度T为310℃。
因为元素含量In导致过冷度降低，重熔温度在245摄氏度下是交叉晶，升温后，在310形成多双孪晶。
本发明采用150℃和190℃两个升温阶段，主要作用是润湿钎料金属合金，使钎料能够更好的铺展到铜垫上，并且使钎料中的抗氧化剂(Ag)等发挥作用，更利于反应的进行。这两个温度层层递进，根据现有的回流曲线调整直至到达焊接温度，钎料熔化，发生金属间反应，冷却后得到焊点。
进一步地，所述回流焊或者热风焊在常压、室温下进行。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
1)本发明钎料中的合金元素增多，可制备特定的晶体取向，使Sn基钎料焊点的熔点降低至193～209℃，能够在更低的温度参数下进行软钎焊，保证芯片焊接损耗率更低；
2)本发明钎料在重熔后形成焊点，Sn焊点的硬度的各向异性影响降低，焊点的力学性能提高，强度变得均匀；
3)普通钎料在重熔形成焊点后，焊点的晶粒取向基本均为单晶或孪晶，但是本发明钎料中In合金成分较高，Bi和In能够降低Sn基钎料的过冷度，且在焊点内部弥散分布，在重熔过程中，焊点内部形核率增加。通过工艺参数设定对焊点重熔并对其初始状态进行EBSD表征，得到的焊点晶体取向与普通钎料如SAC305的晶体取向单晶或者孪晶不同，钎料在设定参数下重熔形核后，快速成长过程中释放的结晶潜热不足以熔化周围的晶粒，未被熔化的晶粒与原始形核晶粒交叉生长，最终得到既有双孪晶也有其他大量很碎很乱的不同取向的晶粒，从而得到的焊点整体取向错杂交互，孪晶交叉生长,且有其他细小晶粒取向弥散分布，在焊点的极图上可以找到多个双孪晶，称这种晶粒取向为“多双孪晶”，在一定程度上能够抑制焊点在通电过程中的电迁移损伤行为。
4)本发明钎料不含有毒有害元素Pb，且能够增强互联焊点的抗电迁移性能，能够大大提高焊点可靠性，延长焊点寿命。
附图说明
图1是本发明实施例1在310℃下重熔焊点的横截面进行EBSD测试结果图，其中(a)为晶向图，(b)为晶界分布图，(c)为取向差直方图，(d)为{001}和{100}极图。
图2是本发明实施例1中图1(a)中大量晶向对应的双孪晶匹配图。
图3是钎料SAC305所制备的Sn球在横截面上的晶粒取向不同组合所代表的硬度图。
图4是实施例1的Sn/Ag/Bi/In钎料所制备的Sn球在横截面上的晶粒取向不同组合所代表的硬度。
图5是实施例1的Sn/Ag/Bi/In钎料所制备的Sn球在横截面上的晶粒取向不同组合所代表的硬度。
具体实施方式
现详细说明本发明的多种示例性实施方式，该详细说明不应认为是对本发明的限制，而应理解为是对本发明的某些方面、特性和实施方案的更详细的描述。
应理解本发明中所述的术语仅仅是为描述特别的实施方式，并非用于限制本发明。另外，对于本发明中的数值范围，应理解为还具体公开了该范围的上限和下限之间的每个中间值。在任何陈述值或陈述范围内的中间值以及任何其他陈述值或在所述范围内的中间值之间的每个较小的范围也包括在本发明内。这些较小范围的上限和下限可独立地包括或排除在范围内。
除非另有说明，否则本文使用的所有技术和科学术语具有本发明所述领域的常规技术人员通常理解的相同含义。虽然本发明仅描述了优选的方法和材料，但是在本发明的实施或测试中也可以使用与本文所述相似或等同的任何方法和材料。本说明书中提到的所有文献通过引用并入，用以公开和描述与所述文献相关的方法和/或材料。在与任何并入的文献冲突时，以本说明书的内容为准。
在不背离本发明的范围或精神的情况下，可对本发明说明书的具体实施方式做多种改进和变化，这对本领域技术人员而言是显而易见的。由本发明的说明书得到的其他实施方式对技术人员而言是显而易见得的。本发明说明书和实施例仅是示例性的。
关于本文中所使用的“包含”、“包括”、“具有”、“含有”等等，均为开放性的用语，即意指包含但不限于。
表1钎料实施例
Figure BDA0003451849610000041
实施例1
(1)一种Sn/Ag/Bi/In钎料，按照表1成分选取钎料，具体的，其成份及重量百分比为：Ag：3.5，Bi：0.5，In：8.0，Sn：余量；置于5℃环境下保存。
(2)将步骤(1)制备的Sn/Ag/Bi/In钎料从冷藏室去除，静置在空气中1h(5℃低温储藏，钎料成分容易凝固，流动性不好，因此需要静置至室温提高钎料流动性)；将焊盘表面打磨抛光处理并固定且焊盘间距为400μm；将钎料填充两焊盘之间，采用热风焊钎焊工艺如下：5℃/s升温到150℃→1℃/s升温到190℃→12℃/s升温到310℃→保温→在空气中冷却至室温；保温时间为40s。
图1为本实施例钎料在310℃下重熔焊点的横截面进行EBSD测试结果图，其中(a)为晶向图，(b)为晶界分布图，(c)为取向差直方图，(d)为极图，晶向图和晶界分布图的比例尺为100μm。图1表明，焊点横截面由相互掺杂交叉的主晶向以及弥散分布的细小晶粒取向组成，且每种晶向的面积细小；
图2为图1(a)中大量晶向对应的双孪晶匹配图，在图2中，线框为焊点中不同取向相互匹配结果。由图可知，此焊点的所有的晶粒取向均可呈现双孪晶取向关系。即在310℃下本钎料可成形为“多双孪晶”焊点。
图3代表目前应用范围很广的钎料SAC305所制备的Sn球在横截面上的晶粒取向不同组合所代表的硬度；
图4和图5代表实施例1所提及的Sn/Ag/Bi/In钎料所制备的Sn球在横截面上的晶粒取向不同组合所代表的硬度；
通过观察不同钎料Sn球的硬度，可以发现图3中的钎料SAC305的硬度范围在10.4667-16.5HV之间，硬度波动范围相对很大。在图4和图5中Sn/Ag/Bi/In钎料所制备的Sn球的硬度范围在20.1-24.7HV，硬度波动范围差异小，且整体硬度远大于SAC305钎料。因此，可以表明Sn/Ag/Bi/In钎料所制备的焊点的“多双孪晶”晶体取向的各向异性对硬度的影响较小，整体硬度波动较小，即硬度性能远高于SAC305。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种Sn/Ag/Bi/In钎料，其特征在于，其成份及重量百分比为：Ag：3.5，Bi：0.5，In：8.0，Sn：余量。
2.根据权利要求1所述的Sn/Ag/Bi/In钎料，其特征在于，所述钎料为膏状钎料。
3.根据权利要求1所述的Sn/Ag/Bi/In钎料，其特征在于，所述Sn/Ag/Bi/In钎料在0～10℃环境保存。
4.一种根据权利要求1-3任一项所述的Sn/Ag/Bi/In钎料的在焊接电子封装元器件中的应用。
5.根据权利要求4所述的应用，其特征在于，包括以下步骤：将权利要求1-2任一项所述的Sn/Ag/Bi/In钎料填充于电子元器件上的两个焊盘之间，采用回流焊或者热风焊进行焊接。
6.根据权利要求5所述的应用，其特征在于，两个焊盘间隔为300-400μm。
7.根据权利要求5所述的所述的应用，其特征在于，所述回流焊条件：5℃/s升温到150℃，然后1℃/s升温到190℃，然后12℃/s升温到焊接温度T，然后保温，然后10℃/s在回流焊炉中冷却至室温；保温时间为30～40s。
8.根据权利要求5所述的所述的应用，其特征在于，所述热风焊条件：5℃/s升温到150℃，然后1℃/s升温到190℃，然后12℃/s升温到焊接温度T，然后保温，然后在空气中冷却至室温；保温时间为30～40s。
9.根据权利要求5所述的所述的应用，其特征在于，所述回流焊或者热风焊在常压、室温下进行。
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