CN109041452A - 一种具有特定形貌金属间化合物层的焊点制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种具有特定形貌金属间化合物层的焊点制备方法，首先选择基板，并在金属焊盘上采用植球、点胶或印刷后再回流方法在焊盘上制备焊料凸焊点；在另一基板上采用电镀或溅射的方法制备至第二个金属焊盘，在第二个金属焊盘上制备可焊层。将焊料凸焊点和第二个金属焊盘上的可焊层相互对准，并接触放置形成组合体。对形成组合体加热至所需温度进行焊料回流，回流完成后在第一金属焊盘和凸焊点之间、可焊层与凸焊点之间均形成金属间化合物；在焊接过程控制焊点的体积V与接触基板面积A的比率V/A，可有效地控制回流过程中焊料基体内Cu的比率，从而实现在工业生产中很好地控制金属间化合物层形貌以保证焊点的可靠性。

Description

一种具有特定形貌金属间化合物层的焊点制备方法
技术领域
本发明涉及电子焊接制造技术领域，具体地说，涉及一种具有特定形貌金属间化合物层的焊点制备方法。
背景技术
在芯片集成工艺中，芯片与基板之间常通过焊点进行机械和电信号的连接。因为含铅焊料具有毒害性，目前在世界范围内正将含铅焊料替换为以锡银铜系为代表的无毒害无铅焊料。锡银铜系无铅焊料在熔融状态下和铜基板之间形成以Cu6Sn5为代表的金属间化合物层。在不同的回流温度和降温速率以及焊点尺寸下，金属间化合物层的形貌会有较大的差异。而相关实验研究表明，金属间化合物层的形貌会显著影响焊点可靠性；而如果可以找到控制金属间化合物层形貌的控制性因素并加以定量分析，就能在工业生产中很好地控制无铅焊点的金属间化合物层形貌以预测焊点的可靠性。
在无铅焊点中，焊料层内会有棒状Cu6Sn5和针状Ag3Sn生成，同时在界面层处，Cu6Sn5的形貌也会有扇贝状、多面状、棱柱状多种形貌出现。不同形貌的金属间化合物对焊点可靠性影响大不相同，如棱柱状Cu6Sn5虽然增加了焊点和基板之间的接触面积，但也产生了更多的裂纹萌生源头，而扇贝状的Cu6Sn5虽然表面积较小，但是表面光滑导致裂纹萌生源头较少。
现有的控制金属间化合物的方法主要是降低回流温度，减少针状Ag3Sn和棒状Cu6Sn5的生成，但对锡银铜系无铅焊而言，所需要的回流温度比含铅焊料要高，故而降低回流温度的范围受到限制。所以降低回流温度只能一定程度上减少不良金属间化合物的形成，所形成的焊点的可靠性依然会受到不良形态金属间化合物的影响。另外也有从减少回流时间的方法来降低不良形态金属间化合物的出现，但是减少回流时间同时也会影响到扇贝状金属间化合物的生长。
针对现有的控制无铅焊点金属间化合物形貌方法中存在的问题，亟需一种能综合考虑金属间聚合物形貌变化因素来控制金属间化合物生长形貌的方法。影响金属间化合物形貌变化的关键环节在降温过程中焊料基体内的Cu在金属间化合物层上的沉淀。焊料基体内的Cu越少，降温速率越快，均能显著减少不良形态金属间化合物的形成。但是在焊点实际回流工艺中加快降温速率受到设备本身的限制，故而考虑降低焊料基体内的Cu是更为合适的控制方式。
发明内容
为了避免现有技术存在的不足，本发明提出一种具有特定形貌金属间化合物层的焊点制备方法。该焊点制备方法在焊接过程控制焊点的体积V与接触基板面积A的比率V/A，可有效地控制回流过程中焊料基体内Cu的比率，从而实现在工业生产中很好地控制金属间化合物层形貌以保证焊点的可靠性。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:
一种具有特定形貌金属间化合物层的焊点制备方法，其特征在于包括以下步骤:
步骤1.选择第一基板，在金属焊盘上采用植球、点胶或印刷后再回流方法在焊盘上制备焊料凸焊点，其中:
金属焊盘为Cu、Ni、Ag、或Au中的一种；
制备凸焊点的焊料为纯Sn或Sn-Ag、Sn-Cu、Au-Sn合金中的一种；
凸焊点的体积与焊接面积比率为设定值；
步骤2.选择第二基板，在第二基板上采用电镀或溅射的方法制备至少第二个金属焊盘，在第二个金属焊盘上制备可焊层；
步骤3.将焊料凸焊点和第二个金属焊盘上的可焊层相互对准，并接触放置形成组合体；
步骤4.对步骤3中形成组合体加热至所需温度进行焊料回流，回流完成后在第一金属焊盘和凸焊点之间、可焊层与凸焊点之间均形成金属间化合物；
其中:凸焊点的体积与焊接面积比率定义为V/A，V为凸焊点，A为凸焊点与第一金属焊盘的接触面积；
焊料回流所需温度和时间根据焊料种类选取；当所选制备凸焊点的焊料为Sn3.0Ag0.5Cu无铅焊料时，回流温度选为245℃；
V/A大小根据焊料种类和焊接温度进行选择，对于Sn3.0Ag0.5Cu无铅焊料，在245℃下回流焊5min条件下，当V/A小于100μm则焊点金属间化合物为扇贝状；
V/A大小根据焊料种类和焊接温度进行选择，对于Sn3.0Ag0.5Cu无铅焊料，在245℃下回流焊5min条件下，当V/A介于150μm-300μm之间则焊点金属间化合物为多面状；
V/A大小根据焊料种类和焊接温度进行选择，对于Sn3.0Ag0.5Cu无铅焊料，在245℃下回流焊5min条件下，当V/A介于500μm-1000μm之间则焊点金属间化合物为棱柱状。
有益效果
本发明提出的一种具有特定形貌金属间化合物层的焊点制备方法，首先选择基板，在金属焊盘上采用植球、点胶或印刷后再回流方法在焊盘上制备焊料凸焊点；在另一基板上采用电镀或溅射的方法制备至第二个金属焊盘，在第二个金属焊盘上制备可焊层。将焊料凸焊点和第二个金属焊盘上的可焊层相互对准，并接触放置形成组合体。对形成组合体加热至所需温度进行焊料回流，回流完成后在第一金属焊盘和凸焊点之间、可焊层与凸焊点之间均形成金属间化合物；在焊接过程控制焊点的体积V与接触基板面积A的比率V/A，可有效地控制回流过程中焊料基体内Cu的比率，从而实现在工业生产中很好地控制金属间化合物层形貌以保证焊点的可靠性。
附图说明
下面结合附图和实施方式对本发明一种具有特定形貌金属间化合物层的焊点制备方法作进一步详细说明。
图1为制备的铜基板/特定形貌金属间化合物层/焊料层结构焊点示意图。
图2为本发明中V/A为36μm尺寸焊点的金属间化合物层的形貌图。
图3为本发明中V/A为166μm尺寸焊点的金属间化合物层的形貌图。
图4为本发明中V/A为585μm尺寸焊点的金属间化合物层的形貌图。
图中
1.焊料 2.铜基板 3.扇贝状金属间化合物 4.多面状金属间化合物 5.棱柱状金属间化合物
具体实施方式
本实施例是一种具有特定形貌金属间化合物层的焊点制备方法。该焊点制备方法在焊接过程控制焊点的体积V与接触基板面积A的比率V/A，可有效地控制回流过程中焊料基体内Cu的比率，实现控制金属间化合物形貌的目的。
参阅图1～图4，应用具有特定形貌金属间化合物层的焊点制备方法对某种材料进行制备，具体步骤为:
第一步.确定材料并选择第一基板，在金属焊盘上采用植球、点胶或印刷后再回流方法在焊盘上制备焊料凸焊点，其中:金属焊盘为Cu、Ni、Ag、或Au中的一种；制备凸焊点的焊料为纯Sn或Sn-Ag、Sn-Cu、Au-Sn合金中的一种；凸焊点的体积与焊接面积比率为设定值。
第二步.选择第二基板，在第二基板上采用电镀或溅射的方法制备至少第二个金属焊盘，在第二个金属焊盘上制备可焊层。
第三步.将焊料凸焊点和第二个金属焊盘上的可焊层相互对准，并接触放置形成组合体。
第四步.对第三步中形成组合体加热至所需温度进行焊料回流，回流完成后在第一金属焊盘和凸焊点之间、可焊层与凸焊点之间均形成金属间化合物；其中:凸焊点的体积与焊接面积比率定义为V/A，V为凸焊点，A为凸焊点与第一金属焊盘的接触面积；焊料回流所需温度和时间根据焊料种类选取；当所选制备凸焊点的焊料为Sn3.0Ag0.5Cu无铅焊料时，回流温度选为245℃。
V/A大小根据焊料种类和焊接温度进行选择，对于Sn3.0Ag0.5Cu无铅焊料，在245℃下回流焊5min条件下，当V/A小于100μm则焊点金属间化合物为扇贝状；
V/A大小根据焊料种类和焊接温度进行选择，对于Sn3.0Ag0.5Cu无铅焊料，在245℃下回流焊5min条件下，当V/A介于150μm-300μm之间则焊点金属间化合物为多面状；
V/A大小根据焊料种类和焊接温度进行选择，对于Sn3.0Ag0.5Cu无铅焊料，在245℃下回流焊5min条件下，当V/A介于500μm-1000μm之间则焊点金属间化合物为棱柱状。
本实施例应用具有特定形貌金属间化合物层的焊点制备方法进行制备“铜基板/特定形貌金属间化合物层/焊料层”结构焊点:首先取一块铜基板，用无水酒精清洗铜基板表面，在铜基板表面涂抹助焊剂，取一定厚度的Sn3.0Ag0.5Cu薄片置于铜基板表面，将铜基板连带Sn3.0Ag0.5Cu焊料薄片放入回流焊机，设置回流温度曲线为245℃回流5min进行焊接。
根据焊料厚度来控制焊点的V/A，当V/A小于100μm则焊点金属间化合物为扇贝状，当V/A介于150μm-300μm之间则焊点金属间化合物为多面状，当V/A介于500μm-1000μm之间则焊点金属间化合物为棱柱状；在焊接过程控制焊点的体积V与接触基板面积A的比率V/A，可有效地控制回流过程中焊料基体内Cu的比率，从而实现在工业生产中很好地控制金属间化合物层形貌以保证焊点的可靠性。

Claims (1)

1.一种具有特定形貌金属间化合物层的焊点制备方法，其特征在于包括以下步骤:
步骤1.选择第一基板，在金属焊盘上采用植球、点胶或印刷后再回流方法在焊盘上制备焊料凸焊点，其中:
金属焊盘为Cu、Ni、Ag、或Au中的一种；
制备凸焊点的焊料为纯Sn或Sn-Ag、Sn-Cu、Au-Sn合金中的一种；
凸焊点的体积与焊接面积比率为设定值；
步骤2.选择第二基板，在第二基板上采用电镀或溅射的方法制备至少第二个金属焊盘，在第二个金属焊盘上制备可焊层；
步骤3.将焊料凸焊点和第二个金属焊盘上的可焊层相互对准，并接触放置形成组合体；
步骤4.对步骤3中形成组合体加热至所需温度进行焊料回流，回流完成后在第一金属焊盘和凸焊点之间、可焊层与凸焊点之间均形成金属间化合物；
其中:凸焊点的体积与焊接面积比率定义为V/A，V为凸焊点，A为凸焊点与第一金属焊盘的接触面积；
焊料回流所需温度和时间根据焊料种类选取；当所选制备凸焊点的焊料为Sn3.0Ag0.5Cu无铅焊料时，回流温度选为245℃；
V/A大小根据焊料种类和焊接温度进行选择，对于Sn3.0Ag0.5Cu无铅焊料，在245℃下回流焊5min条件下，当V/A小于100μm则焊点金属间化合物为扇贝状；
V/A大小根据焊料种类和焊接温度进行选择，对于Sn3.0Ag0.5Cu无铅焊料，在245℃下回流焊5min条件下，当V/A介于150μm-300μm之间则焊点金属间化合物为多面状；
V/A大小根据焊料种类和焊接温度进行选择，对于Sn3.0Ag0.5Cu无铅焊料，在245℃下回流焊5min条件下，当V/A介于500μm-1000μm之间则焊点金属间化合物为棱柱状。
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