CN102275043A

CN102275043A - 一种消除SnBi焊料与铜基底连接界面脆性的方法

Info

Publication number: CN102275043A
Application number: CN2010101966995A
Authority: CN
Inventors: 张青科; 邹鹤飞; 张哲峰
Original assignee: Institute of Metal Research of CAS
Current assignee: Institute of Metal Research of CAS
Priority date: 2010-06-10
Filing date: 2010-06-10
Publication date: 2011-12-14

Abstract

本发明属于微电子互连无铅封装领域，具体为一种利用铜银合金消除SnBi/Cu连接偶界面脆性的方法，这种方法消除了传统的纯铜基底与SnBi焊料连接在使用过程中由于热时效产生的界面Bi偏聚导致的界面脆性，解决了SnBi焊料在Cu基底上使用的时效不可靠问题。通过向Cu基底中加入少量的Ag(0.6-2at％)，减少了界面Cu₃Sn化合物的生成而降低了Bi原子的析出量，同时也增加了Bi在基体中的溶解度；通过适当降低回流温度减少了Bi在化合物中的固溶度，进而减少了Bi原子的析出量。二者共同作用达到了抑制Bi在界面上偏聚的效果，消除了界面的时效脆性，从而改善了SnBi焊料在微电子封装时的可靠性，为推广SnBi等无铅焊料的工业化应用提供了一种理想的思路。

Description

一种消除SnBi焊料与铜基底连接界面脆性的方法

技术领域：

本发明属于微电子互连无铅封装领域，具体为一种消除SnBi/Cu连接偶的界面脆性的方法，采用基体合金化的方法并控制回流反应过程，抑制SnBi焊料的界面Bi偏聚，消除时效脆性并提高连接强度。

背景技术：

SnBi共晶合金具有低熔点、窄的凝固区，同时大量试验表明，该合金具有高强度和良好的抗蠕变性能，因此被誉为是一种很有前景的无铅焊料。目前，在大多数连接体系中，焊料主要是通过回流与铜反应进行连接。然而对于SnBi焊料，焊接界面在长期时效过程后会发生Bi原子在界面的偏聚，这种偏聚极大地恶化了SnBi/Cu焊点的力学性能，成为制约SnBi焊料广泛应用的瓶颈问题。为了使SnBi合金未来能够在电子封装领域得到推广，发展一种消除SnBi焊料界面时效脆性的处理技术十分必要。

之前的一种有效抑制Bi脆的方法是在铜基底表面上镀上一层Ag膜或Ni膜，但是这种方法实际上是SnBi与Ag或Ni的连接，并没有真正解决SnBi焊料与Cu基底连接的脆性问题，而且在一些特殊的表面上并不允许镀其他薄膜。因此，有必要开发出一种新的方法用以抑制SnBi焊料与Cu焊点的时效脆性。

发明内容：

本发明的目的在于提供一种消除SnBi焊料与铜基底连接界面脆性的方法，解决了SnBi焊料在Cu基底上使用的时效不可靠问题。本发明可消除SnBi/Cu连接偶界面的Bi偏聚，抑制SnBi焊料与Cu焊点的时效脆性，把SnBi无铅焊料推广在微电子互连领域。

本发明技术方案：

一种消除SnBi焊料与铜基底连接界面脆性的方法，在传统的纯铜基底中增加Ag元素，改传统的纯铜基底为铜银合金基底。

所述的消除SnBi焊料与铜基底连接界面脆性的方法，铜银合金基底中，Ag元素的含量在0.6at％-2at％。

所述的消除SnBi焊料与铜基底连接界面脆性的方法，SnBi焊料与铜银合金基底的连接，采用在180-200℃下回流5-10分钟，空冷。

所述的消除SnBi焊料与铜基底连接界面脆性的方法，SnBi焊料与铜银合金基底连接后，放入恒温干燥箱时效，温度为120℃，时间10-25天。

本发明的有益效果：

1、本发明通过将铜基底合金化，改变了SnBi/Cu连接偶界面组织和连接性能。采用向Cu基底中加入少量的Ag元素(0.6-2at％)的方法，抑制界面Cu₃Sn的生成、减少Bi原子的析出量，同时合金化增加了Bi在基体中的溶解度，从而达到消除界面Bi偏聚、抑制SnBi/Cu连接界面在长期时效后的脆性的效果。

2、本发明通过适当降低回流温度，减少了液态反应过程中Bi在界面化合物中的固溶量，进而减少了时效过程中Bi的析出量。从而使添加更少量的Ag既可达到消除界面Bi偏聚的效果，并且推迟了由于界面化合物厚度增加而造成的界面连接强度的下降，改善了SnBi焊料在微电子封装时的可靠性。

3、采用本发明方法获取的焊点长期时效后不会出现脆性，且其连接强度受时效时间影响较小。该方法为推广SnBi等含Bi无铅焊料的工业化应用，提供了一种理想的思路。

附图说明：

图1为200℃回流焊接，120℃时效不同时间后的界面微观结构。其中，(a)SnBi/Cu时效10天；(b)SnBi/Cu时效13天；(c)SnBi/Cu1.5Ag时效16天；(d)SnBi/Cu1.5Ag时效25天。

图2为200℃回流焊接，120℃时效不同时间的SnBi/Cu和SnBi/Cu1.5Ag的连接强度和断裂行为。

图3为180℃回流焊接，120℃时效不同时间后的界面微观结构。其中，(a)SnBi/Cu时效15天；(b)SnBi/Cu时效25天；(c)SnBi/Cu0.6Ag时效25天；(d)SnBi/Cu1.5Ag时效25天。

图4为180℃回流焊接，120℃时效不同时间的SnBi/Cu和SnBi/Cu1.5Ag的连接强度和断裂行为。

具体实施方式：

下面结合实施例对本发明做进一步描述。

实施例1

1.材料准备：共晶SnBi焊料，Cu和Cu1.5at％Ag切割打磨；

2.机械抛光；

3.焊接：在200℃下回流8分钟，空冷；

4.时效：放入恒温干燥箱时效不同时间，时效温度为120℃(由于共晶SnBi焊料熔点为139℃，因此120℃为高温时效)；

5.测试：样品时效不同时间后取出打磨抛光，分别进行界面组织观察和拉伸强度测试。

如图1a和b所示，时效一定时间后的SnBi/Cu界面出现Bi偏聚颗粒，其连接强度急剧下降，断裂发生在化合物与Cu界面(见图2)，表明SnBi焊料与Cu基底连接存在明显的界面脆性。而时效更长时间后的SnBi/Cu1.5Ag界面仍未发现Bi偏聚颗粒，如图1c和d所示；其连接性能随着时效时间的增加也没有明显的下降趋势，断裂发生在焊料内部(图2)。上述结果表明，在Cu基体中加入1.5at％的Ag即可消除200℃回流焊接的SnBi/Cu连接的界面Bi偏聚和时效脆性。

实施例2

1.材料准备：共晶SnBi焊料，Cu、Cu0.6at％Ag和Cu1.5at％Ag切割打磨；

2.机械抛光；

3.焊接：在180℃下回流8分钟，空冷；

与SnBi/Cu焊点相比，经过高温时效后，SnBi/Cu0.6Ag和SnBi/Cu1.5Ag界面仍然没有Bi偏聚颗粒出现，如图3所示。而且SnBi/Cu1.5Ag焊点的连接强度随时效时间的增加没有明显的下降，早期甚至有所上升，时效25天后的拉伸断口仍没有发现脆性断裂(见图4)。上述结果表明，在Cu基体中加入0.6at％的Ag即可消除180℃焊接界面的Bi偏聚，且较低的焊接温度可推迟由于界面化合物增长造成的强度下降。

Claims

1.一种消除SnBi焊料与铜基底连接界面脆性的方法，其特征在于：在传统的纯铜基底中增加Ag元素，改传统的纯铜基底为铜银合金基底。

2.根据权利要求1所述的消除SnBi焊料与铜基底连接界面脆性的方法，其特征在于：铜银合金基底中，Ag元素的含量在0.6at％-2at％。

3.根据权利要求1所述的消除SnBi焊料与铜基底连接界面脆性的方法，其特征在于：SnBi焊料与铜银合金基底的连接，采用在180-200℃下回流5-10分钟，空冷。

4.根据权利要求3所述的消除SnBi焊料与铜基底连接界面脆性的方法，其特征在于：SnBi焊料与铜银合金基底连接后，放入恒温干燥箱时效，温度为120℃，时间10-25天。