CN114597187A - 一种Cu-Sn基金属间化合物焊点及其制备方法 - Google Patents

一种Cu-Sn基金属间化合物焊点及其制备方法 Download PDF

Info

Publication number
CN114597187A
CN114597187A CN202210108676.7A CN202210108676A CN114597187A CN 114597187 A CN114597187 A CN 114597187A CN 202210108676 A CN202210108676 A CN 202210108676A CN 114597187 A CN114597187 A CN 114597187A
Authority
CN
China
Prior art keywords
solder
intermetallic compound
metal matrix
metal
xni
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN202210108676.7A
Other languages
English (en)
Inventor
赵宁
赖彦青
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Dalian University of Technology
Original Assignee
Dalian University of Technology
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Dalian University of Technology filed Critical Dalian University of Technology
Priority to CN202210108676.7A priority Critical patent/CN114597187A/zh
Publication of CN114597187A publication Critical patent/CN114597187A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K1/00—Soldering, e.g. brazing, or unsoldering
    • B23K1/012—Soldering with the use of hot gas
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K1/00—Soldering, e.g. brazing, or unsoldering
    • B23K1/19—Soldering, e.g. brazing, or unsoldering taking account of the properties of the materials to be soldered
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K35/00—Rods, electrodes, materials, or media, for use in soldering, welding, or cutting
    • B23K35/22—Rods, electrodes, materials, or media, for use in soldering, welding, or cutting characterised by the composition or nature of the material
    • B23K35/24—Selection of soldering or welding materials proper
    • B23K35/28—Selection of soldering or welding materials proper with the principal constituent melting at less than 950 degrees C
    • B23K35/282—Zn as the principal constituent
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C13/00—Alloys based on tin
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L24/00—Arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies; Methods or apparatus related thereto
    • H01L24/01—Means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected, e.g. chip-to-package, die-attach, "first-level" interconnects; Manufacturing methods related thereto
    • H01L24/10—Bump connectors ; Manufacturing methods related thereto
    • H01L24/11—Manufacturing methods
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L24/00—Arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies; Methods or apparatus related thereto
    • H01L24/01—Means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected, e.g. chip-to-package, die-attach, "first-level" interconnects; Manufacturing methods related thereto
    • H01L24/10—Bump connectors ; Manufacturing methods related thereto
    • H01L24/12—Structure, shape, material or disposition of the bump connectors prior to the connecting process
    • H01L24/13—Structure, shape, material or disposition of the bump connectors prior to the connecting process of an individual bump connector
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2224/00—Indexing scheme for arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies and methods related thereto as covered by H01L24/00
    • H01L2224/01—Means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected, e.g. chip-to-package, die-attach, "first-level" interconnects; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/10—Bump connectors; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/11—Manufacturing methods
    • H01L2224/114—Manufacturing methods by blanket deposition of the material of the bump connector
    • H01L2224/1141—Manufacturing methods by blanket deposition of the material of the bump connector in liquid form
    • H01L2224/11422—Manufacturing methods by blanket deposition of the material of the bump connector in liquid form by dipping, e.g. in a solder bath
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2224/00—Indexing scheme for arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies and methods related thereto as covered by H01L24/00
    • H01L2224/01—Means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected, e.g. chip-to-package, die-attach, "first-level" interconnects; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/10—Bump connectors; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/12—Structure, shape, material or disposition of the bump connectors prior to the connecting process
    • H01L2224/13—Structure, shape, material or disposition of the bump connectors prior to the connecting process of an individual bump connector
    • H01L2224/13001—Core members of the bump connector
    • H01L2224/13099—Material
    • H01L2224/131—Material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron [B], silicon [Si], germanium [Ge], arsenic [As], antimony [Sb], tellurium [Te] and polonium [Po], and alloys thereof
    • H01L2224/13138—Material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron [B], silicon [Si], germanium [Ge], arsenic [As], antimony [Sb], tellurium [Te] and polonium [Po], and alloys thereof the principal constituent melting at a temperature of greater than or equal to 950°C and less than 1550°C
    • H01L2224/13147—Copper [Cu] as principal constituent
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2224/00—Indexing scheme for arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies and methods related thereto as covered by H01L24/00
    • H01L2224/01—Means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected, e.g. chip-to-package, die-attach, "first-level" interconnects; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/10—Bump connectors; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/12—Structure, shape, material or disposition of the bump connectors prior to the connecting process
    • H01L2224/13—Structure, shape, material or disposition of the bump connectors prior to the connecting process of an individual bump connector
    • H01L2224/13001—Core members of the bump connector
    • H01L2224/13099—Material
    • H01L2224/131—Material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron [B], silicon [Si], germanium [Ge], arsenic [As], antimony [Sb], tellurium [Te] and polonium [Po], and alloys thereof
    • H01L2224/13138—Material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron [B], silicon [Si], germanium [Ge], arsenic [As], antimony [Sb], tellurium [Te] and polonium [Po], and alloys thereof the principal constituent melting at a temperature of greater than or equal to 950°C and less than 1550°C
    • H01L2224/13155—Nickel [Ni] as principal constituent

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Electric Connection Of Electric Components To Printed Circuits (AREA)

Abstract

本发明提供一种Cu‑Sn基金属间化合物焊点及其制备方法，涉及3D封装芯片堆叠互连制造和高功率器件封装制造。选用Cu‑xNi合金为第一金属基体，纯Cu或Cu‑xNi合金为第二金属基体，纯Sn或Sn基钎料作为中间钎料层，构成Cu‑xNi/钎料/Cu或Cu‑xNi/钎料/Cu‑xNi结构组合体，随后将上述组合体在一定温度条件下进行钎焊回流反应，使钎料全部反应完并转化为以(Cu,Ni)6Sn5为主体的金属间化合物焊点，(Cu,Ni)6Sn5晶粒细小，晶粒取向杂乱、随机，且热稳定性良好。本发明具有成本低廉、工艺流程简单、与现有技术设备兼容性好，显著缩短键合时间等优点。

Description

一种Cu-Sn基金属间化合物焊点及其制备方法
技术领域
本发明涉及3D封装芯片堆叠互连制造或高功率器件封装制造技术领域，具体而言，尤其涉及一种Cu-Sn基金属间化合物焊点及其速制备方法。
背景技术
在电子器件小型化、高性能、低功耗和高集成度的发展趋势下，3D集成电路封装被认为是半导体行业中最有前途的封装技术，应用前景十分广阔。3D封装是在2D封装的基础上沿垂直方向逐层堆叠芯片，具有更高的互连密度、更小的互连尺寸和更快的数据传输速度。在2D封装中，焊点主要由金属基体-金属间化合物层-Sn基钎料-金属间化合物层-金属基体组成。通常，在钎焊回流过程中，常见的Cu金属基体与Sn基钎料之间发生冶金反应，形成以Cu6Sn5相为主体及Cu6Sn5/Cu界面上少量Cu3Sn为辅的界面Cu-Sn基金属间化合物层，但界面金属间化合物层生长较慢，钎焊回流后其厚度远小于Sn基钎料的厚度。
在3D封装中，互连结构尺寸的不断缩小，芯片间的互连焊点高度已缩短至数十微米甚至仅仅几个微米。此时，键合(作用等同于钎焊回流)后界面金属间化合物层占焊点的比例显著增大，在随后的服役条件下，界面Cu6Sn5金属间化合物会向Cu3Sn转化，Cu3Sn将成为界面金属间化合物的主体，这将使得Cu-Sn基金属间化合物层内和金属间化合物/Cu界面上产生柯肯达尔空洞，严重降低焊点的性能和可靠性；同时，残余的Sn基钎料容易在下一层级键合时再次熔化而影响键合效果。此外，在基于2D封装技术的高功率器件或高温服役器件，Sn基钎料焊点熔点较低，易发生软化甚至是熔化，无法满足长期高温服役要求。
为了解决以上技术难题，出现了金属间化合物焊点的技术方案，即在特定钎焊回流或键合条件下使界面反应充分进行，使Sn基钎料完全被消耗，转化为以金属间化合物为连接介质且具有更高熔点的焊点，即金属间化合物焊点。
目前，常见的制备金属间化合物焊点的方法主要有高温钎焊回流、热压键合、外场辅助(如超声、电流或温度梯度)钎焊回流或键合、纳米颗粒烧结等。然而，现有技术中，通常存在以下问题：1)工艺温度高、效率低、过程复杂、成本高、与现有半导体或封装技术工艺兼容性较差；2)Cu6Sn5相晶粒粗大，且易使焊点具有择优取向，导致物理和力学性能各向异性问题；3)Cu6Sn5相不可避免地会向Cu3Sn相转变，伴随着柯肯达尔孔洞形成。
因此，针对现有制备金属间化合物焊点技术中存在的问题，亟需开发一种新的金属间化合物焊点结构及其快速、简易、低成本制备方法。
发明内容
根据上述提出的现有制备金属间化合物焊点时，其工艺耗时长、温度高、过程复杂且制备的焊点晶粒粗大、容易形成孔洞等技术问题，而提供一种Cu-Sn基金属间化合物焊点及其速制备方法。本发明主要采用Cu-xNi合金作为金属基板，在回流过程中，合金基体的迅速熔解，大量Cu和Ni金属原子进入液态Sn基钎料中发生Cu-Ni交互作用，使液态钎料中Cu和Ni的浓度始终处于饱和状态，持续加速界面金属间化合物的生长，有效抑制了界面Cu3Sn型金属间化合物的生成，避免了服役过程中柯肯达尔空洞的形成，提高了焊点的可靠性，具有成本低廉，工艺流程简单，热稳定性好等优点。
本发明采用的技术手段如下：
一种Cu-Sn基金属间化合物焊点，其特征在于，包括：
第一金属基体为Cu-xNi合金，第二金属基体为纯Cu或Cu-xNi合金，以及连接所述第一金属基体和所述第二金属基体的Cu-Sn基金属间化合物；所述Cu-Sn基金属间化合物以(Cu,Ni)6Sn5相为主体，且含有位于(Cu,Ni)6Sn5/第一金属基体和(Cu,Ni)6Sn5/第二金属基体界面上的少量的Cu3Sn相；其中，所述Cu-xNi合金中，Ni元素的质量百分比为2-20％。
进一步地，所述第一金属基体和第二金属基体均为Cu-xNi合金时，Ni元素的含量相同。
进一步地，所述(Cu,Ni)6Sn5相中，Ni的原子百分含量小于20％。
进一步地，所述(Cu,Ni)6Sn5相中固溶有Ag、In、Bi、Au、Pd、Zn元素中的一种或多种。
进一步地，所述(Cu,Ni)6Sn5相具有晶粒细小，晶粒取向杂乱、随机，无择优取向的特征，所述(Cu,Ni)6Sn5相的平均晶粒尺寸小于10μm。
本发明还公开了一种上述的Cu-Sn基金属间化合物焊点的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一：提供第一金属基体Cu-xNi合金，在所述第一金属基体上制作钎料层或钎料凸点，所述钎料层或钎料凸点为纯Sn或Sn与Ag、Cu、In、Bi、Zn、Ni元素中的一种或多种组成的Sn基钎料，所述Sn基钎料中Sn的质量百分比不小于90％；所述钎料层或钎料凸点的高度低于300μm；
步骤二：提供第二金属基体纯Cu或Cu-xNi合金，将所述钎料层或钎料凸点与所述第二金属基体对准并接触，形成一个组合体；
步骤三：将步骤二中的组合体加热至设定温度使所述钎料层或钎料凸点熔化，进行钎焊回流，同时对组合体施加一定压力，直至熔融钎料完全反应完并转化为Cu-Sn基金属间化合物，形成Cu-Sn基金属间化合物焊点；
所述Cu-Sn基金属间化合物在第一和第二金属基体上同时生长；
所述第一金属基体和第二金属基体在钎焊回流结束后均有剩余。
进一步地，在步骤二形成组合体前，在所述第二金属基体上制作可焊层；在步骤二中将所述钎料层或钎料凸点与可焊层对准并接触，形成一个组合体；所述可焊层由Sn、Ag、Au、Pd、Ni、OSP中的一种或几种构成。
进一步地，在步骤二形成组合体前，在所述第二金属基体或可焊层上涂覆助焊剂。
进一步地，步骤三钎焊回流时，设置的所述压力小于1Mpa；所述熔融钎料中的最高温度小于300℃；对组合体施加电流，所述电流的方向由第二金属基体指向第一金属基体。
作为优选，在回流过程中可对组合体施加超声、电流、电磁场、温度梯度等物理场。在施加物理场的条件下，金属基体和钎料的材质、焊点的高度、物理场、回流温度是影响金属间化合物的生长速率和性能的最主要因素，其它条件影响较小。因此，本发明不限于上述技术方案中的结构。
进一步地，在步骤三钎焊回流时，使第二金属基体的温度低于第一金属基体，进而在熔融钎料中形成温度梯度，所述温度梯度小于500℃/cm。
较现有技术相比，本发明具有以下优点：
本发明可解决现有工艺技术制备3D封装和高功率器件封装中金属间化合物焊点或凸点中存在制备效率低、无法在高温环境下服役、生成的Cu6Sn5相晶粒粗大各向异性突出及热稳定性不佳等技术难题。
本发明的方案是选用Cu-xNi合金为第一金属基体，纯Cu或Cu-xNi合金为第二金属基体，纯Sn或Sn基钎料作为中间钎料层，构成Cu-xNi/钎料/Cu或Cu-xNi/钎料/Cu-xNi结构组合体，随后将上述组合体在一定温度条件下进行钎焊回流反应，使钎料全部反应完并转化为以(Cu,Ni)6Sn5为主体的金属间化合物焊点。
本发明以Cu-xNi合金作为金属基板，在回流过程中，Cu-xNi合金基体的迅速熔解，大量Cu和Ni金属原子进入液态Sn基钎料中发生Cu-Ni交互作用，使液态钎料中Cu和Ni的浓度始终处于饱和状态，持续加速界面金属间化合物的生长。选择Cu-xNi合金作为第一金属基体和Sn基钎料，形成(Cu,Ni)6Sn5三元化合物，抑制了界面Cu3Sn型金属间化合物的生成，避免了服役过程中柯肯达尔空洞的形成，因此提高了焊点的可靠性。此外生成的(Cu,Ni)6Sn5为细小晶粒且晶粒取向杂乱、随机、无择优取向，从而提高焊点的力学性能和可靠性。形成的全金属间化合物焊点熔化温度超过415℃，具有较高的热稳定性。
综上，应用本发明的技术方案具有成本低廉、采用传统的回流方式和温度进行键合，避免对器件的热损伤，工艺流程简单，与现有键合设备兼容性好、显著缩短钎焊回流时间、热稳定性好、生产效率高，可以实现低温键合高温服役等优点，可广泛用于3D封装和高功率器件封装中金属间化合物焊点或凸点的制备领域。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，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为本发明第一金属基体上制备钎料凸点的示意图。
图2为本发明第一金属基体上制备钎料层的示意图。
图3为本发明制备的Cu-Sn基金属间化合物焊点结构示意图。
图4为实施例3中Cu-8Ni/Sn/Cu焊点钎焊回流后所得焊点EBSD图。
图5为实施例5中Cu-14Ni/Sn/Cu焊点钎焊回流后所得焊点EBSD图。
图6为实施例7中Cu-5Ni/Sn/Cu-5Ni焊点回流后所得背散射电子图。
图中：10、第一金属基体；20、Sn基钎料凸点；22、Sn基钎料层；30、第二金属基体；31、可焊层；32、助焊剂；40、金属间化合物层。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明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发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
实施例1
步骤一：如图1所示，提供第一金属基体10为Cu-4Ni合金，所述第一金属基体10上电镀纯Sn然后回流得到高度20μm的Sn基钎料凸点20；提供第二金属基体30为纯Cu，在第二金属基体30上化学沉积OSP可焊层31，并在可焊层31的表面涂覆助焊剂32；
步骤二：将Sn基钎料凸点20与可焊层31一并对准并接触，形成一个钎焊结构组合体；
步骤三：将步骤二中的组合体加热至250℃进行钎焊回流，同时对组合体施加0.2MPa压力，直至熔融Sn基钎料层完全被消耗，生成界面Cu-Sn基金属间化合物40(如图3所示)，得到Cu-Sn基金属间化合物焊点。
实施例2
步骤一：如图2所示，提供第一金属基体10为Cu-6Ni合金，所述第一金属基体10上电镀10μm厚度的Sn基钎料层22，所述Sn基钎料层22为SnAgCu钎料层；提供第二金属基体30为纯Cu，在第二金属基体30上电镀Au可焊层31，并在Au可焊层31的表面涂覆助焊剂32；
步骤二：将SnAgCu钎料层22与Au可焊层31一并对准并接触，形成一个钎焊结构组合体；
步骤三：将步骤二中的组合体中第一金属基体Cu-6Ni合金定为热端，使第二金属基体30Cu的温度低于第一金属基体10，进而在熔融SnAgCu钎料中形成300℃/cm的温度梯度，平均温度为260℃。在温度梯度辅助下进行回流，Sn钎料层逐渐被完全消耗，生成Cu-Sn基金属间化合物焊点。
实施例3
步骤一：提供第一金属基体10为Cu-8Ni合金，所述第一金属基体10上电镀纯Sn然后回流得到高度35μm的Sn钎料层22；提供第二金属基体30为纯Cu，并在第二金属基体30纯Cu的表面涂覆助焊剂32；
步骤二：将纯Sn钎料层22与第二金属基体30纯Cu一并对准并接触，形成一个钎焊结构组合体；
步骤三：将步骤二中的组合体加热至240℃进行钎焊回流，同时对组合体施加0.5MPa压力，直至熔融Sn钎料层完全被消耗，全部生成界面Cu-Sn基金属间化合物，得到Cu-Sn基金属间化合物焊点。如图4所示，在第一金属基体Cu-8Ni合金和第二金属基体纯Cu间生成了晶粒尺寸细小且无择优取向的(Cu,Ni)6Sn5全金属间化合物焊点。
实施例4
步骤一：提供第一金属基体10为Cu-10Ni合金，所述第一金属基体10上电镀15μm厚度的SnAg钎料层22；提供第二金属基体30为纯Cu，并在第二金属基体30纯Cu的表面涂覆助焊剂32；
步骤二：将SnAg钎料层22与第二金属基体30纯Cu一并对准并接触，形成一个钎焊结构组合体；
步骤三：将步骤二中的组合体中第一金属基体Cu-10Ni合金定为阴极，第二金属基体Cu为阳极，进而在熔融SnAg钎料中形成5×103A/cm2的电流密度，平均温度为270℃。在电迁移作用下进行回流，Sn钎料层逐渐被完全消耗，生成Cu-Sn基金属间化合物焊点。
实施例5
步骤一：提供第一金属基体10为Cu-14Ni合金，所述第一金属基体10上电镀纯Sn钎料然后回流得到高度40μm的Sn钎料凸点20；提供第二金属基体30为纯Cu，在第二金属基体30上电镀Ni/Pd/Au可焊层31，并在Ni/Pd/Au可焊层31的表面涂覆助焊剂32；
步骤二：将Sn钎料凸点20与Ni/Pd/Au可焊层31一并对准并接触，形成一个钎焊结构组合体；
步骤三：将步骤二中的组合体加热至280℃进行钎焊回流，同时对组合体施加0.6MPa压力，直至熔融纯Sn钎料层完全被消耗，全部生成界面Cu-Sn基金属间化合物，得到Cu-Sn基金属间化合物焊点。如图5所示，在第一金属基体Cu-14Ni合金和第二金属基体纯Cu间同样生成了晶粒尺寸细小且无择优取向的(Cu,Ni)6Sn5全金属间化合物焊点。改变第一金属基体中Ni的含量并未明显改变生成(Cu,Ni)6Sn5晶粒尺寸与择优取向。
实施例6
步骤一：提供第一金属基体10为Cu-20Ni合金，所述第一金属基体上电镀20μm厚Sn钎料层22；提供第二金属基体30为纯Cu；
步骤二：将Sn钎料层22与第二金属基体30为纯Cu一并对准并接触，形成一个钎焊结构组合体；
步骤三：将步骤二中的组合体加热至260℃进行钎焊回流，同时对组合体施加0.05MPa压力，直至熔融Sn钎料层完全被消耗，全部生成界面Cu-Sn基金属间化合物，得到Cu-Sn基金属间化合物焊点。
实施例7
步骤一：提供第一金属基体10为Cu-5Ni合金，所述第一金属基体10上电镀20μm厚度的纯Sn钎料层22；提供第二金属基体30为Cu-5Ni合金，在第二金属基体上化学沉积OSP可焊层31，并在OSP可焊层31的表面涂覆助焊剂32；
步骤二：将Sn钎料层22与OSP可焊层31一并对准并接触，形成一个钎焊结构组合体；
步骤三：将步骤二中的组合体加热至240℃进行钎焊回流，同时对组合体施加0.25MPa压力，直至熔融Sn钎料层完全被消耗，全部生成界面Cu-Sn基金属间化合物。如图6所示，Cu-Sn基金属间化合物焊点全部由致密的(Cu,Ni)6Sn5金属间化合物组成。
实施例8
步骤一：提供第一金属基体10为Cu-10Ni合金，所述第一金属基体上电镀25μm厚度的纯SnAg钎料层22；提供第二金属基体30为Cu-10Ni合金，在第二金属基体30上电镀Au可焊层31，并在电镀Au可焊层31的表面涂覆助焊剂32；
步骤二：将SnAg钎料层22与电镀Au可焊层31一并对准并接触，形成一个钎焊结构组合体；
步骤三：将步骤二中的组合体中第一金属基体Cu-10Ni合金定为热端，使第二金属基体Cu-10Ni的温度低于第一金属基体，进而在熔融SnAg钎料中形成500℃/cm的温度梯度，平均温度为270℃。在温度梯度辅助下进行回流，SnAg钎料层逐渐被完全消耗，生成Cu-Sn基金属间化合物焊点。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种Cu-Sn基金属间化合物焊点，其特征在于，包括：
第一金属基体为Cu-xNi合金，第二金属基体为纯Cu或Cu-xNi合金，以及连接所述第一金属基体和所述第二金属基体的Cu-Sn基金属间化合物；所述Cu-Sn基金属间化合物以(Cu,Ni)6Sn5相为主体，且含有位于(Cu,Ni)6Sn5/第一金属基体和(Cu,Ni)6Sn5/第二金属基体界面上的少量的Cu3Sn相；其中，所述Cu-xNi合金中，Ni元素的质量百分比为2-20％。
2.根据权利要求1所述的Cu-Sn基金属间化合物焊点，其特征在于，所述第一金属基体和第二金属基体均为Cu-xNi合金时，Ni元素的含量相同。
3.根据权利要求1所述的Cu-Sn基金属间化合物焊点，其特征在于，所述(Cu,Ni)6Sn5相中，Ni的原子百分含量小于20％。
4.根据权利要求1所述的Cu-Sn基金属间化合物焊点，其特征在于，所述(Cu,Ni)6Sn5相中固溶有Ag、In、Bi、Au、Pd、Zn元素中的一种或多种。
5.根据权利要求1所述的Cu-Sn基金属间化合物焊点，其特征在于，所述(Cu,Ni)6Sn5相的平均晶粒尺寸小于10μm。
6.一种如权利要求1-5任意权利要求所述的Cu-Sn基金属间化合物焊点的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一：提供第一金属基体Cu-xNi合金，在所述第一金属基体上制作钎料层或钎料凸点，所述钎料层或钎料凸点为纯Sn或Sn与Ag、Cu、In、Bi、Zn、Ni元素中的一种或多种组成的Sn基钎料，所述Sn基钎料中Sn的质量百分比不小于90％；所述钎料层或钎料凸点的高度低于300μm；
步骤二：提供第二金属基体纯Cu或Cu-xNi合金，将所述钎料层或钎料凸点与所述第二金属基体对准并接触，形成一个组合体；
步骤三：将步骤二中的组合体加热至设定温度使所述钎料层或钎料凸点熔化，进行钎焊回流，同时对组合体施加一定压力，直至熔融钎料完全反应完并转化为Cu-Sn基金属间化合物，形成Cu-Sn基金属间化合物焊点；
所述Cu-Sn基金属间化合物在第一和第二金属基体上同时生长；
所述第一金属基体和第二金属基体在钎焊回流结束后均有剩余。
7.根据权利要求6所述的Cu-Sn基金属间化合物焊点的制备方法，其特征在于，在步骤二形成组合体前，在所述第二金属基体上制作可焊层；在步骤二中将所述钎料层或钎料凸点与可焊层对准并接触，形成一个组合体；所述可焊层由Sn、Ag、Au、Pd、Ni、OSP中的一种或几种构成。
8.根据权利要求7所述的Cu-Sn基金属间化合物焊点的制备方法，其特征在于，在步骤二形成组合体前，在所述第二金属基体或可焊层上涂覆助焊剂。
9.根据权利要求6所述的Cu-Sn基金属间化合物焊点的制备方法，其特征在于，步骤三钎焊回流时，设置的所述压力小于1Mpa；所述熔融钎料中的最高温度小于300℃；对组合体施加电流，所述电流的方向由第二金属基体指向第一金属基体，同时对组合体施加超声或电磁场。
10.根据权利要求6所述的Cu-Sn基金属间化合物焊点的制备方法，其特征在于，在步骤三钎焊回流时，使第二金属基体的温度低于第一金属基体，进而在熔融钎料中形成温度梯度，所述温度梯度小于500℃/cm。
CN202210108676.7A 2022-01-28 2022-01-28 一种Cu-Sn基金属间化合物焊点及其制备方法 Pending CN114597187A (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202210108676.7A CN114597187A (zh) 2022-01-28 2022-01-28 一种Cu-Sn基金属间化合物焊点及其制备方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202210108676.7A CN114597187A (zh) 2022-01-28 2022-01-28 一种Cu-Sn基金属间化合物焊点及其制备方法

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN114597187A true CN114597187A (zh) 2022-06-07

Family

ID=81805615

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202210108676.7A Pending CN114597187A (zh) 2022-01-28 2022-01-28 一种Cu-Sn基金属间化合物焊点及其制备方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN114597187A (zh)

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP5099644B2 (ja) 電子部品、半導体パッケージ及び電子機器
TWI538762B (zh) 銲球凸塊與封裝結構及其形成方法
TWI395313B (zh) 銲球凸塊結構及其形成方法
TWI304006B (en) Tin/indium lead-free solders for low stress chip attachment
CN104690383B (zh) 一种全金属间化合物互连焊点的制备方法及结构
US20090091024A1 (en) Stable Gold Bump Solder Connections
KR100975652B1 (ko) 아연 및 아연합금을 이용한 비아 및 그의 형성 방법, 그를3차원 다중 칩 스택 패키지 제조 방법
CN103715178A (zh) 双相介金属互连结构及其制作方法
US7874475B2 (en) Method for the planar joining of components of semiconductor devices and a diffusion joining structure
CN110560815B (zh) 一种具有[100]择尤取向的全imc微焊点的制备方法
CN115411006A (zh) 一种基于纳米晶铜基体的微焊点及其制备方法
JP6729331B2 (ja) 電子装置及び電子装置の製造方法
CN103165480A (zh) 倒装芯片凸点的制备方法
KR20080068334A (ko) 주석 비아 또는 솔더 비아와 이의 접속부를 구비한 칩 스택패키지 및 그 제조방법
JP2010003878A (ja) 回路基板及びその製造方法
CN103151430B (zh) 纳米金属粒实现led的低温金属界面连接的制备方法
CN114597187A (zh) 一种Cu-Sn基金属间化合物焊点及其制备方法
EP1734569B1 (en) Process for producing semiconductor module
CN110744163B (zh) 一种抗热迁移微焊点结构及其制备方法
CN106735663B (zh) 一种全金属间化合物窄间距微焊点的制备方法及结构
TW201907522A (zh) 用於晶粒附著的焊料及方法
CN104979319B (zh) 一种实现3d封装芯片互连的记忆焊点
Daoud et al. Preform-based diffusion soldering for use under conventional soldering process parameters
KR100896127B1 (ko) 솔더가 코팅된 전해 도금 범프 및 이를 사용하는 플립칩접합 방법
CN115213514B (zh) 一种铜核金属间化合物焊点及制备方法

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination