一种择优取向织构焊点的制备方法
【专利摘要】本发明涉及一种择优取向织构焊点的制备方法，属于半导体器件制造工艺【技术领域】。该方法以锡基无铅焊料为原料，通过在凝固过程中施加磁场的方法，制备出具有择优取向的焊点或者具有以上材料组织的结构或器件，调整磁场方向可以改变择优取向从而影响其抗电迁移性能以及其他各向异性性能。本发明基于磁场与材料的物理交互作用，不同于以往焊点的制备方法，方法简单，可操作性强，可以大大延长焊点使用寿命，为微型器件制造提供了又一种切实可行的方法。
【专利说明】一种择优取向织构焊点的制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及金属材料制备和半导体器件制造工艺【技术领域】，具体涉及一种择优取向织构焊点的制备方法，可以实现材料和结构器件的定取向加工制备。
【背景技术】
[0002]锡基无铅焊点具有环境友好性，因此在电子封装产业得到广泛的关注和应用。Tu等研究发现，焊点的晶粒取向对于焊点的抗电迁移性能以及电迁移失效方式具有关键的作用。目前，在相同的条件下，相同成分的焊点电迁移失效时间差别巨大，就是由于其取向差别造成的。普通的回流方法制备的锡基无铅焊点目前都具有上述特点，而整个器件的使用寿命恰恰是由其寿命最短的焊点来决定的。所以，采用新的方法使所有的样品都具有相近的取向，并且使该取向偏向于抗电迁移性能好的方向，就具有了重要的研究意义。
【发明内容】
[0003]本发明的目的在于提供一种择优取向织构焊点的制备方法，该方法突破了制备焊点的传统方法，所制备的焊点具有与磁场相关的择优取向。
[0004]本发明的技术方案是:
[0005]一种择优取向织构焊点的制备方法，该方法以锡基无铅焊料为原材料，在对其进行回流焊的工艺过程中采用磁场辅助回流，锡基无铅焊料凝固后制得具有择优取向织构的焊点。具体包括如下步骤:
[0006](I)待焊接微电子产品采用锡基无铅焊料作为焊接原材料。
[0007](2)将待焊接微电子产品置于能够施加磁场的回流设备内，通过调整样品位置或磁场方向确定待制备焊点所需取向的位置；
[0008](3)根据各个温度区间的温度需求选取合适的回流温度曲线，然后使样品依次经过不同的温度区间，分别为助焊剂挥发区、回流区和凝固区间，在回流及凝固过程中施加磁场，冷却后得到所需要取向的焊点或结构。
[0009]步骤(I)中所述锡基无铅焊料为块状、薄膜、微米线、微米带、微米管、微米颗粒、纳米线、纳米带、纳米管或纳米颗粒等形状。
[0010]步骤(3)中施加磁场的方向及大小可调。
[0011]步骤(3)中回流温度区间为100-400°C，冷却速度为0.l_100K/min，施加磁场强度为 0.01-20T。
[0012]本发明中利用磁场辅助回流制备焊点的物理方法，解决了现有回流方法中存在取向复杂、失效时间差别巨大等问题。与目前广泛采用普通回流方法相比，本发明具有以下优占-
^ \\\.
[0013]1、本发明工艺简单，易于操作，可控性强。
[0014]2、本发明通过控制磁场可以制备具有特定择优取向的焊点，通过改变磁场方向可以获得具有不同方向织构的焊点。
[0015]3、利用本发明方法可以获得具有良好的抗电迁移性能的焊点。
[0016]4、本发明可以在不同的气氛实现具有特定取向焊点的可控制备，气氛可以是空气、真空、氮气等各种气氛。
【专利附图】
【附图说明】
[0017]图1是实施例中能够施加磁场的回流设备其施加磁场的装置结构示意图。
[0018]图2是实施例中能够施加磁场的回流设备其施加磁场的装置的侧视图。
[0019]图3是实施例中能够施加磁场的回流设备其施加磁场的装置的俯视图。
[0020]图中:1_强磁体；2_承载台；3-架体；4_放置支架；5_中心轴；6_样品台；7-固定螺母。
[0021]图4为实施例1中采用的模拟芯片结构；图中:11_模拟芯片；12_锡银铜焊料；13-基板。
[0022]图5为实施例1中采用的回流温度曲线。
[0023]图6为实施例1中利用锡银铜焊料制备的焊球扫描电镜成像。
[0024]图7(a)为实施例1中焊球在磁场方向上的取向分布图；图7 (b)为实施例1中焊球在磁场方向上的反极图。
[0025]图8为实施例2中制备的焊球电迁移后的扫描电镜成像。
[0026]图9为对比例I中未加磁场制备的焊球电迁移后的扫描电镜成像。
【具体实施方式】
[0027]下面结合附图及实施例对本发明作进一步详细说明。
[0028]以下实施例中所用能够施加磁场的回流设备包括施加磁场的装置和回流炉，所述施加磁场的装置一优选的结构如图1-3所示，该装置包括强磁体1、放置支架4、磁体固定架、中心轴5和样品台6 ;磁体固定架是由架体3和固设于架体3两端的承载台2组成，每个承载台2上各放置一个强磁体1，强磁体I利用自身的磁性固定在所放置的承载台2上，并在两个承载台2之间的空间形成匀强磁场；所述中心轴5与所述架体3转动连接，该设置使得磁体固定架可以绕中心轴5做任意角度的转动，调整好角度后，再通过固定螺母7将磁体固定架固定在中心轴5上。中心轴5的两端分别连接在放置支架4上(通过螺母固定或其他固定连接方式)，放置支架4使磁体固定架和整个装置所放置的平面保持一定距离，使其可以自由转动。所述样品台6焊接于中心轴5的中间位置，并处于匀强磁场中。
[0029]所述架体3为两个，样品台6设于两个架体3之间。
[0030]上述施加磁场的装置通过夹具将该装置的放置支架固定在回流炉的传送带上，强磁体放于磁体固定架的两个承载台上，将磁体固定架绕中心轴转动至所需角度，使样品台上的样品(锡基无铅焊料)处于所需方向的磁场中，然后通过紧固螺丝将支架和中心轴固定。
[0031]施加磁场的装置置于回流炉中，为样品在回流过程中提供强磁场，改变样品回流之后的组织结构，提高可靠性。
[0032]实施例1
[0033](I)选择以锡银铜焊料(锡银铜焊球)连接的模拟芯片作为原材料基体，焊球直径约为300 μ m，模拟芯片如图4所示，中间圆球状部分为锡银铜焊料12，本实施例中为Sn3.0Ag0.5Cu的焊球，锡银铜焊料12的上部连接芯片11，锡银铜焊料的下部连接基板(PCB板)13。
[0034](2)选择能够施加磁场的回流炉作为样品制备设备，将基体材料放入炉内，设定回流温度曲线，焊剂挥发区间温度为180°C，回流区间温度为240°C ;凝固区间温度为180°C，冷却速度为22.5K/min，图5为实施例1中采用的回流温度曲线。整个过程中样品置于施加的磁场中，磁场强度为0.3T，方向如图4所示垂直于PCB板和芯片，制备得到焊球(焊点)，图6为焊球的垂直截面图。
[0035]将所得到的焊球处理后，对其晶体取向进行分析，图7为z轴方向对应的EBSD反极图，从反极图中可以看出，焊球中形成了典型的织构，说明该方法能够改变焊点回流之后形成的组织取向；对其取向进行分析，可以看出该焊球织构垂直于c轴方向，该取向的焊点具有更好的抗电迁移性能和更长的寿命，说明该方法能够提高焊点的可靠性。
[0036]实施例2
[0037](I)选用实施例1中的模拟芯片作为原材料基体，制作样品。
[0038](2)样品制作方法与实施例1中类似，焊剂挥发区间温度为180°C，回流区间温度为240°C ;凝固区间温度为180°C，冷却速度为22.5K/min,整个过程中施加磁场，磁场强度为0.5T，冷却之后得到模拟芯片。
[0039](3)对经磁场回流得到的模拟芯片进行通电，电流密度lOKA/cm2，通电时间200h，通电完成，横剖之后在扫描电镜下观察，施加磁场的样品如图8所示，没有观察到明显的极性效应，证明该焊点具有良好的抗电迁移性能。
[0040]选择以锡铜焊料、锡铋焊料或锡铟焊料连接的模拟芯片作为原材料基体，按照上述方法在能够施加磁场的回流炉中进行样品制备，回流温度曲线根据具体的焊料进行设定，磁场强度为0.3T，方向垂直于PCB板和芯片，对所得焊球取向进行分析，织构同样垂直于c轴方向，该焊点具有更好的抗电迁移性能和更长的寿命。
[0041]对比例I
[0042]与实施例2不同之处在于，回流焊过程中不对样品施加磁场。对所得模拟芯片进行通电，未加磁场样品如图9所示，样品中发生了明显的极性效应以及化合物的剥离。
[0043]以上提供的实施例仅仅是解释说明的方式，不应认为是对本发明的范围限制，任何根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变的方法，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
【权利要求】
1.一种择优取向织构焊点的制备方法，其特征在于:该方法以锡基无铅焊料为原材料，在对其进行回流焊的工艺过程中采用磁场辅助回流，锡基无铅焊料凝固后制得具有择优取向织构的焊点。
2.根据权利要求1所述的择优取向织构焊点的制备方法，其特征在于:该方法包括如下步骤: (1)待焊接微电子产品采用锡基无铅焊料作为焊接原材料。 (2)将待焊接微电子产品置于能够施加磁场的回流设备内，通过调整样品位置或磁场方向确定待制备焊点所需取向的位置； (3)根据各个温度区间的温度需求选取合适的回流温度曲线，然后使样品依次经过不同的温度区间，分别为助焊剂挥发区、回流区和凝固区间，在回流及凝固过程中同时施加磁场，冷却后得到所需要取向的焊点或结构。
3.根据权利要求2所述的择优取向织构焊点的制备方法，其特征在于:步骤(I)中所述锡基无铅焊料为块状、薄膜、微米线、微米带、微米管、微米颗粒、纳米线、纳米带、纳米管或纳米颗粒形状。
4.根据权利要求2所述的择优取向织构焊点的制备方法，其特征在于:步骤(3)中施加磁场的方向及大小可调。
5.根据权利要求2所述的择优取向织构焊点的制备方法，其特征在于:步骤(3)中回流温度区间为100-400°C，冷却速度为0.l-100K/min，施加磁场强度为0.01-20T。
【文档编号】B23K1/008GK104416252SQ201310383142
【公开日】2015年3月18日 申请日期:2013年8月28日 优先权日:2013年8月28日
【发明者】陈建强, 郭敬东, 刘开朗, 尚建库 申请人:中国科学院金属研究所