CN114226901B - 一种多双孪晶组和细小晶粒构成的多晶结构焊点生成方法 - Google Patents

一种多双孪晶组和细小晶粒构成的多晶结构焊点生成方法 Download PDF

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Abstract

本申请公开了一种多双孪晶组和细小晶粒构成的多晶结构焊点生成方法，包括：对预制的多系焊球进行处理，得到备用焊球；对PCB板进行焊前预处理，得到备用PCB板；对备用焊球进行第一次焊接处理，使备用焊球与备用PCB板上的铜结合，得到凸焊点；对凸焊点进行去锡操作，得到IMC焊盘；对IMC焊盘和备用焊球进行第二次焊接处理，得到IMC凸焊点；对IMC凸焊点进行第三次焊接处理，得到多晶结构焊点。本申请通过形成多双孪晶组和细小晶粒构成的多晶结构焊点，降低焊点内部Sn取向不利的现象，延长焊点可靠性和使用寿命。本申请方法工艺简单，成本低廉，制作出焊点尺寸可控。

Description

一种多双孪晶组和细小晶粒构成的多晶结构焊点生成方法
技术领域
本申请属于材料制备与连接技术领域，具体涉及一种多双孪晶组和细小晶粒构成的多晶结构焊点生成方法。
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。
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。已有研究表明，焊点重熔后通常由单晶或孪晶构成，并且Sn基焊料中Sn的孪晶结构由3个互成60°夹角的Sn晶粒构成，双孪晶主要有5或6个Sn晶粒构成的且相邻晶粒夹角为60°。因此有必要寻找一个合适的手段，获得由双孪晶组和细小晶粒构成的多晶结构焊点。
发明内容
本申请提出了一种多双孪晶组和细小晶粒构成的多晶结构焊点生成方法，形成多双孪晶组和细小晶粒构成的多晶结构焊点，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：
一种多双孪晶组和细小晶粒构成的多晶结构焊点生成方法，包括如下步骤：
使用有机溶剂对预制的多系焊球进行处理，得到备用焊球；
对PCB板进行焊前预处理，得到备用PCB板；
对所述备用焊球进行第一次焊接处理，使所述备用焊球与所述备用PCB板上的铜结合，得到凸焊点；
对所述凸焊点进行去锡操作，得到IMC焊盘；
对所述IMC焊盘和所述备用焊球进行第二次焊接处理，得到IMC凸焊点；
对所述IMC凸焊点进行第三次焊接处理，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，所述有机溶剂包括丙酮和乙醇。
优选的，对所述PCB板进行所述焊前预处理的方法包括：在超声波环境下，使用有机溶剂清洗所述PCB板，并在所述PCB板表面涂覆助焊剂。
优选的，所述IMC焊盘为金属间化合物Cu6Sn5。
优选的，所述去锡操作的方法包括：使用硝酸醇溶液对所述凸焊点进行腐蚀处理，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，所述第一次焊接处理、所述第二次焊接处理和第三次焊接处理的温度均为220-270摄氏度。
本申请的有益效果为：
本申请公开了一种多双孪晶组和细小晶粒构成的多晶结构焊点生成方法，通过焊球在预制的IMC焊盘进行重熔、冷却，形成多双孪晶组和细小晶粒构成的多晶结构焊点，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，延长焊点可靠性和使用寿命。本申请方法工艺简单，成本低廉，制作出的焊点尺寸可控。
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多双孪晶组和细小晶粒构成的多晶结构焊点生成方法流程示意图；
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制作的由多双孪晶组和细小晶粒构成的多晶结构焊点的EBSD数据。
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.对预制的多系焊球进行处理，得到备用焊球。
在本实施例中，使用88Sn-3.5Ag-0.5Bi-8In焊料制作备用焊球。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，在本实施例中，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，作为待焊接的备用焊球。
S2.对PCB板进行焊前预处理，得到备用PCB板。
在本实施例中，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(ALPHA POP707，下同)，作为备用PCB板。
S3.对备用焊球进行第一次焊接处理，使备用焊球与备用PCB板上的铜结合，得到凸焊点。
将前述制取的备用焊球放在PCB板表面的铜片上并用热风焊设备加热使备用焊球重熔并与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，得到凸焊点。
S4.对凸焊点进行去锡操作，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，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IMC焊盘和备用焊球进行第二次焊接处理，得到IMC凸焊点。
在本实施例中，在前述中制取的PCB板铜片上仅剩IMC的焊盘表面涂覆助焊剂，再取前面制取的备用焊球放在IMC焊盘上，并用热风焊设备进行焊球第二次焊接处理，通过加热使备用焊球重熔并与IMC焊盘结合，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IMC凸焊点。
S6.对IMC凸焊点进行第三次焊接处理，得到多晶结构焊点。
将冷却后的IMC凸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进行第三次焊接处理，加热使备用焊球重熔，并保证与IMC焊盘和PCB板结合，在本实施例中，重熔温度为245℃，重熔时间为30s，设备冷却30s，至此得到多晶结构焊点，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作的由多双孪晶组和细小晶粒构成的多晶结构焊点的EBSD数据，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。
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IMC焊盘，都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 (8)

1.一种多双孪晶组和细小晶粒构成的多晶结构焊点生成方法，其特征在于，包括如下步骤：
使用有机溶剂对预制的多系焊球进行处理，得到备用焊球；
对PCB板进行焊前预处理，得到备用PCB板；
对所述备用焊球进行第一次焊接处理，使所述备用焊球与所述备用PCB板上的铜结合，得到凸焊点；
对所述凸焊点进行去锡操作，得到IMC焊盘；所述去锡操作的方法包括：使用硝酸醇溶液对所述凸焊点进行腐蚀处理，得到IMC焊盘；
对所述IMC焊盘表面涂覆助焊剂，再提取前面制取的备用焊球进行第二次焊接处理，得到IMC焊点；
将所述IMC凸焊点倒置与已涂覆好助焊剂的PCB板平行且完全对齐放置，进行第三次焊接处理，加热使备用焊球重熔，并保证与IMC焊盘和PCB板结合，得到多晶结构焊点；
在220℃、245℃和270℃焊接条件下，制作的IMC焊盘，都能呈现多晶结构，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。
2.根据权利要求1所述的多双孪晶组和细小晶粒构成的多晶结构焊点生成方法，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所述的多双孪晶组和细小晶粒构成的多晶结构焊点生成方法，其特征在于，所述有机溶剂包括丙酮和乙醇。
4.根据权利要求1所述的多双孪晶组和细小晶粒构成的多晶结构焊点生成方法，其特征在于，对所述PCB板进行所述焊前预处理的方法包括：在超声波环境下，使用有机溶剂清洗所述PCB板，并在所述PCB板表面涂覆助焊剂。
5.根据权利要求1所述的多双孪晶组和细小晶粒构成的多晶结构焊点生成方法，其特征在于，所述IMC焊盘为金属间化合物。
6.根据权利要求5所述的多双孪晶组和细小晶粒构成的多晶结构焊点生成方法，其特征在于，所述去锡操作的方法包括：使用硝酸醇溶液对所述凸焊点进行腐蚀处理，得到所述IMC焊盘。
7.根据权利要求6所述的多双孪晶组和细小晶粒构成的多晶结构焊点生成方法，其特征在于，所述硝酸醇溶液为硝酸-乙醇-水溶液。
8.根据权利要求1所述的多双孪晶组和细小晶粒构成的多晶结构焊点生成方法，其特征在于，所述第一次焊接处理、所述第二次焊接处理和第三次焊接处理的温度均为220-270摄氏度。
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