CN117712035A - 一种用于解决基板翘曲问题的复合焊点低温互连方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及电子封装技术领域，且公开了一种用于解决基板翘曲问题的复合焊点低温互连方法，包括以下步骤：S1：在焊盘和芯片下表面涂覆混有复配组元的Sn‑58Bi焊料；S2：从下到上按照基板、SAC305焊球和芯片依次进行放置；S3：进行低温预焊接；S4：进行自然冷却形成预焊接复合焊点；S5：进行BGA植球回流工艺；S6：进行自然冷却形成二次焊接复合焊点，完成焊接。本发明利用两种不同焊料温度和性能差异构成复合结构并进行工艺设计，实现低温条件下的预焊接，有效减小了基板形变，改善了Sn‑58Bi焊料脆性和低延展性的问题。二次焊接是在BGA植球工艺过程中同步完成，减少了复合焊点单独进行二次焊接的工序，使整个互连方法更加节能高效。
Description
技术领域
本发明涉及电子封装技术领域，具体为一种用于解决基板翘曲问题的复合焊点低温互连方法。
背景技术
随着信息技术的不断发展，人工智能、5G通信、物联网等应用领域的需求也在不断提高。近年来，高性能、多功能的集成芯片普遍采用先进封装技术，旨在满足小型化、低功耗、多功能的应用需求。然而，随着尺寸微缩接近物理极限，以芯粒异质集成为核心的先进系统级封装技术成为集成电路发展的突破口。为了满足轻盈、微型以及优越电气性能的要求，如今的先进封装技术逐渐趋向于高密度。
然而，由于各种材料的热膨胀系数不同，它们在温度变化时收缩程度并不一致，这便会发生热失配，导致产品在上片回流后基板形变翘曲过大，尤其对于较大尺寸和高密度芯片影响更为明显。这可能导致焊点开裂，封装件之间接触不良，进而影响电子组件的性能。此外，翘曲问题还可能引起封装间隙的变化，进一步影响散热性能和电磁兼容性。在严重情况下，翘曲问题可能导致焊接失效、线路断裂和封装材料的损坏，最终影响封装的可靠性。由于在上片过程中，芯片与基板之间仅由焊点进行连接，此时互连结构没有任何加固或保护措施，在这种情况下是基板极易发生形变并影响封装的可靠性。
研究结果表明，回流温度是影响基板形变程度的决定性因素，当回流温度越高时，基板的最大形变量也会大幅增加。在封装过程中，采用传统的SAC305作为焊接材料时，回流温度需要达到217℃以上才能实现组件之间的连接，这必然会给产品带来严重的翘曲问题。
因此如何降低焊接温度，从而减小基板形变，缓解翘曲问题，是当前所需要解决的技术问题。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供了一种用于解决基板翘曲问题的复合焊点低温互连方法。
为实现上述的目的，本发明提供如下技术方案：
本发明要解决的技术问题是设计一种用于解决基板翘曲问题的复合焊点低温互连方法和结构，利用两种不同焊料温度和性能差异构成复合结构并进行工艺设计，实现低温条件下的预焊接，有效减小了基板形变。与此同时，该方法改善了Sn-58Bi焊料脆性和低延展性的问题，强化了焊点的力学性能，提高了封装结构的可靠性，解决现有的技术问题。
为解决上述技术问题，本发明的用于解决基板翘曲问题的复合焊点低温互连方法包括如下步骤：
步骤S1：分别在基板的焊盘和芯片的下表面涂覆一层混有复配组元的Sn-58Bi低温焊料；
步骤S2：从下到上按照基板、SAC305焊球和芯片的顺序依次进行放置；
步骤S3：进行低温预焊接，预焊接温度T1高于Sn-58Bi焊料的熔点，预焊接持续时间为80-100s，以确保Sn-58Bi焊料完全熔化并充分润湿SAC305焊球；
步骤S4：在室温环境中，让焊点自然冷却达到环境温度，形成预焊接复合焊点；
步骤S5：进行后续封装工艺，包括填底和封盖工艺；
步骤S6：进行BGA植球回流工艺，回流温度T2超过SAC305焊球的熔点；
步骤S7：在室温环境中，进行第二次自然冷却，形成二次焊接复合焊点，完成焊接。
进一步的，步骤S1中，将少量的复配组元（无机材料和稀土元素）与Sn-58Bi低温焊料均匀机械混合后，采用印刷钢网涂覆焊料，两处涂覆的焊料体积约为SAC305焊球体积的1/6-1/5，若焊料量过多，多余的Sn-58Bi在熔化后因表面张力的影响会形成小球状，从而对信号传输以及封装的可靠性带来不良影响，若焊料量过少，则会导致初步连接的不牢靠，影响整个焊接过程；B4C颗粒与陶瓷颗粒为焊点提供了更高的强度和良好的耐腐蚀性；Ce元素可以提高焊点的润湿性和抗氧化性能，从而改善焊接性能和质量；Re元素的加入可以增加焊点的高温强度和抗拉伸性能，从而提高焊接材料的强度和耐蠕变性能；
复配组元为无机材料和稀土元素混合；
其中，复配组元混入量质量分数为0.2 wt.%；
无机材料、稀土元素混合质量比为1:1；
无机材料包括B4C、陶瓷颗粒，B4C质量分数为0.07 wt.%，陶瓷颗粒质量分数为0.03wt.%；
稀土元素包括Ce和Re元素，两种元素的质量分数均为0.05 wt.%。
进一步的，步骤S3中，预焊接温度T1低于160℃。
进一步的，步骤S4中，第一次自然冷却的时间为90-120s，使复合焊点达到环境温度，为20-30℃。
进一步的，步骤S5中包括填底和封盖工艺，将填底材料填充在芯片与基板之间以平衡芯片和基板之间的热膨胀系数差异，基板上设置封装盖板，起到保护芯片和固定封装结构的作用，封装盖板通过基板胶与基板连接固定，封装盖板与芯片之间填充晶圆胶加固。
进一步的，步骤S7中，第二次自然冷却的时间为90-120s，同样使焊点达到环境温度，约为20-30℃。
本发明还提供一种芯片焊接结构，包括基板和芯片，所述芯片和基板之间采用前述的用于解决基板翘曲问题的复合焊点低温互连方法焊接。
与现有技术相比，本发明提供了一种用于解决基板翘曲问题的复合焊点低温互连方法，具备以下有益效果：
（1）上片过程中芯片与基板仅由焊点连接，在高温条件下极易产生大幅度的翘曲，影响封装的可靠性。利用混有复配组元的Sn-58Bi低温焊料与SAC305的复合形成复合焊点，在整个焊接过程中先在预焊接温度T1下实现预连接，从而降低上片过程中的回流温度，减小基板的形变程度，显著缓解了翘曲的问题。
（2）考虑Sn-58Bi焊料脆性和低延展性的问题，通过复合焊点的二次回流，SAC305焊球与Sn-58Bi焊料完全混合，复合焊点内部组织结构发生改变，其力学性能也随之得到提升。并且由于经历了填底、上盖等封装加固工艺，此时基板不再因高温产生大幅形变，实现了上一步工艺中预连接焊点的二次焊接。此外，在缓解基板翘曲的基础上二次焊接是在BGA植球工艺过程中同步完成，减少了复合焊点单独进行二次焊接的工序，使整个互连方法更加节能高效。
（3）本发明设计了一种复合焊点实现低温互连，采用两种常见的无铅焊接材料Sn-3.0Ag-0.5Cu焊球与Sn-58Bi焊料构成复合焊点，不仅具有廉价的制造成本，同时满足了环保与发展的需求，具有较好的经济效益和社会效益。
附图说明
下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步阐明。
图1为本发明的复合焊点低温互连方法的流程框图。
图2为本发明中低温互联复合焊点的制备分步图。
图3为本发明中基板焊盘与芯片下表面涂覆Sn-58Bi示意图。
图4为本发明中互连结构预焊接放置示意图。
图5为本发明中完成低温预焊接后互连结构示意图。
图6为本发明中完成填底封盖工艺后互连结构示意图。
图7为本发明中完成二次焊接后互连结构示意图。
图8为Sn-Bi的二元相图。
图9（a）为220 ℃回流温度下基板变形仿真图。
图9（b）为160 ℃回流温度下基板变形仿真图。
图10为本发明中预焊接与二次焊接焊点平均剪切强度对比图。
图11（a）为本发明中不同预焊接温度下预焊接焊点剪切强度对比图。
图11（b）为本发明中不同预焊接温度下二次焊接焊点剪切强度对比图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例，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。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。
实施例1
结合图1和图2，本实施例的用于解决基板4翘曲问题的复合焊点低温互连方法包括如下步骤：
步骤S1：采用合适尺寸的印刷钢网01分别在基板4的焊盘02和芯片1的下表面涂覆一层混有复配组元的Sn-58Bi低温焊料，如图3所示，本实施例中利用直径为0.6 mm、厚度为0.15 mm的印刷钢网01，印刷钢网01起到了控制焊膏的使用量并除去多余焊膏的作用，本实施例中，Sn-58Bi焊料2体积为SAC305焊球3体积的1/6-1/5，实施例中选择1/6；
复配组元为无机材料和稀土元素混合；
其中，复配组元混入量质量分数为为0.2 wt.%；
无机材料、稀土元素混合质量比为1:1；
无机材料包括B4C、陶瓷颗粒，B4C质量分数为0.07 wt.%，陶瓷颗粒质量分数为0.03wt.%；
稀土元素包括Ce和Re元素，两种元素的质量分数均为0.05 wt.%。
步骤S2：从下到上按照基板4、SAC305焊球3和芯片1的顺序依次进行放置，图4展示了互连结构预焊接的放置顺序。从下到上按照基板4、SAC305焊球3、芯片1的顺序进行放置，此时，整个互连结构从下到上的连接顺序为芯片1→Sn-58Bi焊料2→SAC305焊球3→Sn-Bi焊料→基板4。
步骤S3：进行低温预焊接，预焊接温度T1高于Sn-58Bi焊料2的熔点，预焊接温度T1低于160℃，Sn-58Bi焊料2具有较低的熔点，约为138 ℃至149 ℃。预焊接的回流温度只需要达到Sn-58Bi焊料2的熔点即可满足低温预焊接的条件，Sn-58Bi焊料2在预焊接的过程中被加热至熔点以上发生熔化，本实施例中，预焊接温度T1为160℃，预焊接持续时间为90 s，即可熔化Sn-58Bi焊料2从而润湿SAC焊球和基板4、SAC焊球和芯片1，完成低温预焊接后互连结构如图5所示。160℃的低温预焊接减小了基板4的形变程度，有效地在上片过程中为还未进行加固措施的互联结构降低了失效风险。
利用SnBi系列钎料合金低熔点的特性可以在较低的温度下实现组件之间的连接，此时复合焊点内部的结构由SAC305与Sn-58Bi两部分组成并有明显的分界面，焊点下方形成了典型的SnBi共晶网状结构，具有较高的脆性和低延展性。并且使用SnBi锡膏在降低回流温度的同时替代了常用的SnPb锡膏，减少了Pb元素对环境的危害。
步骤S4：在室温环境下进行第一次自然冷却，形成预焊接复合焊点51，实现芯片1的预焊接。第一次自然冷却的时间为90-120s本实施例中，选择冷却时间为100s。
步骤S5：进行后续封装工艺；在无引线封装（CSP）、球栅阵列（BGA）和芯片1级封装等器件中，常会进行填底加工，其目的是在芯片1和封装基板4之间填充一种Underfill胶，又称底部填充胶，其作为一种重要的集成电路封装电子胶黏剂，以提供机械支撑和保护，增强器件的可靠性。此外，还将进行LID上盖进一步提高封装密度和可靠性。
步骤S6：进行BGA植球回流工艺，回流温度T2超过SAC305焊球3的熔点，选择温度260 ℃；保证BGA植球工艺正常进行的同时实现复合焊点中两种焊料的完全混合。
在植球工艺过程中回流温度将会超过SAC305熔点，这不仅完成了BGA植球，同时SAC305焊球3和Sn-58Bi焊料2都完全熔化转变为液态，并完全混合，复合焊点的内部组织结构也发生显著改变，缩减了整个焊接流程。由于上一步加固措施的进行，二次焊接过程中的高温并不会使基板4发生翘曲形变。
由于印刷的Sn-58Bi焊料2体积仅为SAC305焊球3体积的1/6-1/5，在260 ℃二次回流过程中，SAC305焊球3和Sn-58Bi焊料2都完全熔化转变为液态并完全混合，分界面也随之消失。通过对涂覆的Sn-58Bi焊料2与SAC305焊球3的体积以及各元素含量的占比可以计算得到，此时，液态金属中Bi的浓度显著下降，约为9 wt.%。根据Sn-Bi相图，如图8可知当Bi质量分数为9 wt.%时，回流完成后在凝固过程中Bi完全固溶于β-Sn中。当温度下降到约90 ℃时，由于Bi在β-Sn中的溶解度下降，Bi在β-Sn固溶体中过饱和，开始从β-Sn中析出，复合焊点内部组织结构发生显著改变。
步骤S7：在室温环境下进行第二次自然冷却，形成二次焊接复合焊点52，完成焊接，就此整个复合焊点低温互连过程全部完成。本实施例中，第二次自然冷却的时间为90 -120s，本实施例选择120s，完成二次焊接后互连结构如图7所示，基板4底部形成BGA焊球10，基板4与芯片1之间通过二次焊接复合焊点52连接。冷却后复合焊点实现上一步工艺中预连接焊点的二次焊接，进而提高了焊点强度，完整的低温互连过程也就此完成。
本实施例优选地，步骤S3中，预焊接温度T1低于160℃，既可以避免温度过高导致基板4形变翘曲，也可以进一步节约能源。
本实施例优选地，步骤S5中包括填底和封盖工艺，将填底材料7填充在芯片1与基板4之间，基板4上设置封装盖板6，封装盖板6通过基板胶9与基板4连接固定，封装盖板6与芯片1之间填充晶圆胶8加固，完成填底封盖工艺后互联结构如图6所示。为了能够达到更好加固的效果，确保二次回流焊接时不再因高温使基板发生大幅翘曲形变，填底工艺在芯片和基板之间添加一层填充材料，以平衡芯片1和基板4之间的热膨胀系数差异，从而减少翘曲问题。封盖工艺使用封盖材料将芯片1密封在封装体内，起到保护芯片和固定封装结构的作用，可以降低基本翘曲问题，保障封装品质。此外，通过使用具有较高刚度的金属加固板来改善翘曲问题，相比传统的加固结构或方法，其产生的形变更小。
图9（a）与图9（b）分别是220 ℃与160 ℃回流温度下基板变形仿真图。从仿真结果中可以得到，220 ℃下基板的最大形变到达了122.32 μm，而160 ℃回流温度下最大形变仅为69.507 μm，减小了约43.2%。由此可见，降低回流温度可以显著减小基板形变程度，缓解翘曲问题。
图10是预焊接与二次焊接焊点平均剪切强度对比图。利用MFM1200L常规推拉力测试仪按照JBSD22-B117标准分别对预焊接与二次焊接焊点进行剪切强度测试。由于Sn-58Bi焊料脆性和低延展性的原因预焊接焊点的平均剪切强度为50.16 MPa，而完成二次焊接的焊点因其内部组织结构发生改变，平均剪切强度可达到62.249 MPa，提升了约24%。
该低温互连方法先是利用复合焊点中Sn-58Bi焊料的低温特性在较低的回流温度条件下完成预焊接，从而既满足了组件之间的连接需求，又通过降低回流温度有效缓解了基板易发生形变的问题，避免上片过程中组件失效的发生。在封装过程的后续工艺中，复合焊点完成二次焊接，因已完成了填底、加盖等加固工艺，此时高温无法使基板产生形变。复合焊点在植球过程中同步完成二次焊接，因其复合结构的原因内部组织发生显著的变化，导致焊点自身的力学性能也得到了大幅增强，这对提高封装结构的稳定性和安全性都具有很大意义。该方法不仅解决基板翘曲问题，同时提高了封装结构的稳定性，具有巨大的应用前景。
本实施例的芯片焊接结构包括基板和芯片，所述芯片和基板之间采用实施例1中的用于解决基板翘曲问题的复合焊点低温互连方法焊接。
实施例2
在实施例1基础上，预焊接温度设置为：180℃。
实施例3
在实施例1基础上，预焊接温度设置为：200℃。
实施例4
在实施例1基础上，预焊接温度设置为：220℃。
图11（a）和图11（b）分别对比了在不同的预焊接温度下，预焊接焊点与二次焊接焊点的剪切强度。从图11(a)中可以观察到，提高回流温度对预焊接焊点的剪切强度影响不大。由于焊点采用复合焊接的方式，试验样品的强度测试结果存在着一定的区间，但预焊接焊点的剪切强度总体保持在40-55 MPa之间，由此可见通过第一步低温焊接的复合焊点满足后续封装工艺的强度需求。当预焊接焊点完成260℃二次焊接后，整个焊点已经完全混合，其中的元素重新均匀分布。均匀分布的Ag3Sn使得焊点的剪切强度得到了显著的提升，平均剪切强度升至60 MPa左右。复合焊点表现出更强的力学性能。不同的预焊接温度对二次焊接后焊点的剪切强度影响不大，结果如图11(b)所示。
在以上的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是以上描述仅是本发明的较佳实施例而已，本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，因此本发明不受上面公开的具体实施的限制。同时任何熟悉本领域技术人员在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。
Claims (8)
1.一种用于解决基板翘曲问题的复合焊点低温互连方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤S1：分别在基板的焊盘和芯片的下表面涂覆一层混有复配组元的Sn-58Bi低温焊料；
步骤S2：从下到上按照基板、SAC305焊球和芯片的顺序依次进行放置；
步骤S3：进行低温预焊接，预焊接温度T1高于Sn-58Bi焊料的熔点，预焊接持续时间为80-100s；
步骤S4：在室温环境中，让焊点自然冷却达到环境温度，形成预焊接复合焊点；
步骤S5：进行后续封装工艺，包括填底和封盖工艺；
步骤S6：进行BGA植球回流工艺，回流温度T2超过SAC305焊球的熔点；
步骤S7：在室温环境中，进行第二次自然冷却，形成二次焊接复合焊点，完成焊接。
2.根据权利要求1所述的用于解决基板翘曲问题的复合焊点低温互连方法，其特征在于：步骤S1中，采用印刷钢网涂覆Sn-58Bi低温焊料，两处涂覆的Sn-58Bi焊料体积为SAC305焊球体积的1/6-1/5；
复配组元为无机材料和稀土元素混合；
其中，复配组元混入量质量分数为0.2 wt.%；
无机材料、稀土元素混合质量比为1:1；
无机材料包括B4C、陶瓷颗粒，B4C质量分数为0.07 wt.%，陶瓷颗粒质量分数为0.03wt.%；
稀土元素包括Ce和Re元素，两种元素的质量分数均为0.05 wt.%。
3.根据权利要求1所述的用于解决基板翘曲问题的复合焊点低温互连方法，其特征在于：步骤S3中，预焊接温度T1低于160℃。
4.根据权利要求1所述的用于解决基板翘曲问题的复合焊点低温互连方法，其特征在于：步骤S4中，第一次自然冷却的时间为90-120s，使复合焊点达到环境温度；
环境温度为20-30℃。
5.根据权利要求1所述的用于解决基板翘曲问题的复合焊点低温互连方法，其特征在于：步骤S5中包括填底和封盖工艺，将填底材料填充在芯片与基板之间以平衡芯片和基板之间的热膨胀系数差异，基板上设置封装盖板，封装盖板通过基板胶与基板连接固定，封装盖板与芯片之间填充晶圆胶加固。
6.根据权利要求1所述的用于解决基板翘曲问题的复合焊点低温互连方法，其特征在于：步骤S6中，完成T2温度回流后，形成含有Sn-Ag-Cu-Bi四种元素的复合焊点。
7.根据权利要求1所述的用于解决基板翘曲问题的复合焊点低温互连方法，其特征在于：步骤S7中，第二次自然冷却的时间为90-120s，同样使焊点达到20-30℃的环境温度。
8.一种芯片焊接结构，包括基板和芯片，其特征在于：所述芯片和基板之间采用如权利要求1-7中任一项所述的用于解决基板翘曲问题的复合焊点低温互连方法焊接。
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