CN102275043A - 一种消除SnBi焊料与铜基底连接界面脆性的方法 - Google Patents
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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
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;
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。
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 (4)
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。
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