用于面阵列封装用铜基非晶焊球及其制备方法及封装方法与流程

本发明属于电子封装技术领域，尤其涉及一种用于面阵列封装用铜基非晶焊球及其制备方法及封装方法。

背景技术：

目前用于面积阵列封装的球形材料有：1）snpb球，但sn锡-铅钎料球对人体有害，目前很多国家都明令禁止锡铅钎料的使用。基于此，电子封装行业的锡-铜无铅钎料应运而生。2）含sn量高的无铅锡球，在焊接过程中，锡球会和锡膏熔为一体，将封装体和焊盘连在一起。常见的锡球的成分一般为sn/ag/cu或者添加石墨烯的sn-ag-cu复合钎料，有较脆的snbi，有sn-ag-bi-in，但in有微弱的放射性，也有snzn焊球等。这些焊球都是共晶合金球居多，焊球经熔化后，冷却凝固过程中焊点中或多或少出现应力。

现有技术中，制备bga焊球的技术按原理可分为：1）直接浇注法，但浇注工艺难保证球形度；2）切丝重熔法，但其对设备要求较高；3）焊膏印刷回流法，依靠回流熔化在焊盘上形成焊球，工艺复杂，设备昂贵，效率低下；4）切片重熔法与切丝重熔法类似；5）压电振动法，用此方法制备的焊球仍需精密筛分及选形操作，难度较大。

目前很多面积阵列封装结构体，都电镀有ubm层，即在硅片依次镀上cr层、cu层、ni层和au层，以提高润湿性以及焊点可靠性，但是制备方法复杂，成本高。

技术实现要素：

针对以上技术问题，本发明公开了一种用于面阵列封装用铜基非晶焊球及其制备方法及封装方法，拓展了面积阵列封装用焊球所使用的合金材料，提高互连焊点的性能，如抗高温和抗电迁移性能等。

对此，本发明采用的技术方案为：

一种用于面阵列封装用铜基非晶焊球，所述铜基非晶焊球为非晶球形cu46zr42al7y5粉末，在面阵列封装过程中，熔融sn通过扩散反应将非晶球形cu46zr42al7y5粉末与焊盘连接起来。

采用此技术方案，所用非晶球形cu46zr42al7y5粉末在连接过程中粉末并不熔化，粉末只在与熔融sn接触处发生扩散反应，形成焊盘-化合物层-非晶球形粉末-化合物层-焊盘的封装结构，采用该非晶焊球进行焊接，提高了互连焊点的性能，如抗高温和抗电迁移性能等。优选的，所述焊盘为铜焊盘，其中cu焊盘不需镀上阻焊层以及au层。

作为本发明的进一步改进，所述非晶球形cu46zr42al7y5粉末采用气雾化制粉的方法制备得到。

作为本发明的进一步改进，所述气雾化制粉采用垂直雾化的方式，使用惰性气体或者n2冲击熔融合金，熔融合金的流动方向与雾化气体的流动方向之间的角度为90度，冷却凝固成粉末。

本发明还公开了一种如上所述的用于面阵列封装用铜基非晶焊球的制备方法，其特征在于：

其包括以下步骤：

步骤a：在惰性气体或氮气保护下，按cu、zr、al和y的46:42:7:5的原子比感应熔炼cu块、zr块、al块和y块，得到母合金；

步骤b：然后把母合金分成小块，清洁表面；然后将分成小块的母合金进行气雾化制粉，然后对制备得到的气雾化的焊球粉末进行筛分。

作为本发明的进一步改进，步骤b中，所述气雾化制粉采用垂直雾化的方式，使用雾化气体惰性气体或n2冲击熔融合金，其中熔融合金的流动方向与雾化气体的流动方向之间的角度为90度，冷却凝固成粉末。

作为本发明的进一步改进，步骤b中，所述惰性气体或n2气的压力为0.15~0.8mpa，步骤a中，惰性气体或氮气的气体流量为0.1~1m³/h。其中，所述惰性气体优选为ar气。

作为本发明的进一步改进，步骤b中，采用60~600目的标准筛对粉末混合体筛分成60-65目、75-80目、90-100目、150-160目和325-400目的粉末。

采用上述方法，一次就能制备出适合几种不同中心距的面积阵列封装用焊球，所述方法工艺简单，对设备要求不高，自行设计制造的简易气雾化设备即可满足要求，极大地提高了制备焊球的效率，降低面积阵列封装用焊球的生产成本，非常适用于工业生产。

详细的，所述非晶态cu46zr42al7y5焊球的制备方法为：

在ar气保护下，按46:42:7:5的原子比感应熔炼纯度为99.9%以上的cu块、zr块、al块和y块3次得到母合金，使母合金的成分趋于均匀。然后把母合金线切割成合格尺寸的小块，用水砂纸磨抛表面氧化膜，冷吹风吹干。在气雾化过程中，雾化采用垂直雾化方式，即熔融合金与雾化气体之间的角度为90度，使用ar气或者n2冲击熔融合金，细液滴冷却凝固成粉末，得到已经过初步筛分的粉末混合体，这是因为粉末在一体式气雾化装置中作平抛运动而得到初步筛分，从而提高了筛分效率，其中ar气或者n2的雾化压力为0.2mpa、保护熔融合金的气体流量0.8m³/h。再用60~600目的标准筛对粉末混合体筛分成60-65目、75-80目、90-100目、150-160目和325-400目的粉末，得到四种球径相差不大的非晶态焊球粉末。

采用该制备方法得到的非晶态焊球粉末还可以用于3d打印中。

本发明还公开了一种面阵列的封装方法，其特征在于：其采用如上所述的用于面阵列封装用铜基非晶焊球进行封装。

作为本发明的进一步改进，在面阵列封装过程中，所述非晶球形cu46zr42al7y5粉末为不熔化的固体状态，所述非晶球形cu46zr42al7y5粉末在与熔融sn接触处发生扩散反应，形成焊盘-化合物层-球形粉末-化合物层-焊盘的封装结构。

作为本发明的进一步改进，所述的面阵列的封装方法包括以下步骤：

步骤s1，在焊盘上涂覆一层焊sn膏或者粘附一层含有助焊剂的15~25微米的sn箔；其中，焊盘上不需电镀阻焊层。

步骤s2，在放大镜观察下，在sn膏或涂有助焊剂的sn箔上预植cu46zr42al7y5非晶焊球，每个焊盘均预植一个同样目数范围下的cu46zr42al7y5非晶焊球粉末，再将另一涂覆了sn膏层或粘附有含有助焊剂的sn箔的阵列与已预植焊球的阵列对中，使中心距相同，利用夹具压紧，使每两个焊盘间的结构为焊盘-焊sn膏-cu46zr42al7y5球形粉末-焊sn膏-焊盘、或者焊盘-sn箔-cu46zr42al7y5球形粉末-sn箔-焊盘；

步骤s3，在240℃下回流3-10min后冷却后取出封装体。

进一步的，所述焊盘为cu焊盘。

采用上述技术方案，当预封装结构体，即已用夹具夹紧的cu焊盘-焊sn膏-cu46zr42al7y5球形粉末-焊sn膏-cu焊盘，或者cu焊盘-sn箔-cu46zr42al7y5球形粉末-sn箔-cu焊盘，置于管式炉中回流时，焊sn膏或者sn箔随即熔化，由于非晶态cu46zr42al7y5焊球与cu焊盘是点接触，在接触点周围焊球与cu焊盘有一狭小的间隙，此狭小间隙对熔融sn提供毛细管力，熔融sn出现毛细现象。与此同时，对cu46zr42al7y5焊球而言，焊球与熔融sn接触的部位及其附近，cu和sn反应生成cu6sn5化合物层，熔融sn也会和cu焊盘上的部分cu反应生成cu6sn5化合物层，当熔融sn耗尽时达到连接的目的，该过程只持续几分钟即可完成。

作为本发明的进一步改进，步骤s3中，冷却到150度后取出封装体。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

第一，采用本发明的技术方案，采用铜基cu46zr42al7y5非晶焊球实现面积阵列封装互连，该材料在互连过程中并不熔化，在连接过程中只通过扩散反应达到连接的目的，焊球高度基本不发生变化，连接过程耗时短，所用焊盘并不需要镀上阻焊层和au层，完成互连后焊球形状不发生明显变化，提高了抗高温和抗电迁移性能。

第二，采用本发明的技术方案，在连接过程以及后期老化过程中焊球的成分依然为非晶球，化学成分相对稳定、均匀，即化学稳定性好，其成分较均匀，具有各向同性，能提其抗电迁移性能。同时，用此粉末制备的焊点，用于高温领域可靠性好。而且，所用的阵列不需镀上ni层和和au层，大大提高了制备阵列焊点的效率，降低成本，节约资源。

第三，采用本发明技术方案的气雾法制粉制备的铜基cu46zr42al7y5焊球，具有很好的分散性和球形度，表面氧化物少，在用于焊点连接时，只需简单用稀酸腐蚀5-10s或不用进行表面处理，简化制造工艺；而且所用气雾法制粉工艺简单，对设备要求不高，自行设计制造的简易气雾化设备即可满足要求，极大地提高了制备焊球的效率，降低面积阵列封装用焊球的生产成本，非常适用于工业生产。

附图说明

图1为实施例1经过气雾化后制得的cu-zr-al-y非晶态合金粉末的sem图。

图2为实施例1经过气雾化后制得的cu-zr-al-y非晶态合金粉末的x射线衍射图谱。

图3是实施例l最终获得的封装结构体及各层物相的成分分析图。

图4为实施例1最终获得的封装结构体及各层物相的结构示意图。

具体实施方式

下面对本发明的较优的实施例作进一步的详细说明。

实施例1

用天平称取39.1g纯度为99.99%的cu、53.6g纯度为99.9%的zr、1.6g纯度为99.99%的al和5.8g纯度为99.9%的y，表面用水砂纸稍微打磨，去除部分氧化膜，冷风烘干后置于熔炼坩埚中，往熔炼坩埚中通入流量为0.1m³/h的ar气或者氮气，在感应线圈作用下，铜和锡熔化成合金，反复熔炼合金3次，冷却到室温后，停止通气，取出合金，切割成10*10*20mm以内的小块合金，置于垂直气雾化喷嘴中，氮气或者氩气保护下感应加热至熔融状态，氮气或者氩气冲击由于氮气或者氩气压力作用下从喷嘴中喷出的熔融合金，实现气雾化制粉，得到经过初步筛分的粉末混合体，再用60-65目、75-80目、90-100目、150-160目和325-400目的标准样筛层层筛选4次，得到适用于不同中心距的焊球。再通过xrd表征手段分析每种球径范围的粉末，即为非晶态cu-zr-al-y焊球，如图1和图2所示。由图1可见，得到的cu-zr-al-y粉末均为球状。由图2可见，粉末的衍射峰为宽化峰，说明得到的粉末为非晶态粉末。

取出60-65目的非晶态cu46zr42al7y5焊球，用15%的稀盐酸腐蚀10s，烘干，取出两cu焊盘阵列，在cu焊盘的阵列上涂敷一薄层焊sn膏，在放大镜的观察下，用镊子夹取一颗非晶态cu46zr42al7y5焊球预植于涂有焊sn膏的焊盘中间，重复此操作把每个焊盘都放置一颗非晶态cu46zr42al7y5焊球，通过夹具使另一涂敷有焊sn膏的cu焊盘阵列的中心距与预植有非晶态cu46zr42al7y5焊球的阵列的中心距相同，并用夹具夹紧，得到封装结构胚体，将夹紧封装结构胚体的夹具置于240℃的管式马弗炉中回流6min，后随炉冷却到150℃再取出夹具，将封装结构体取下即可，最终获得的封装结构体及各层物相的成分分析图如图3所示，最终获得的封装结构体及各层物相示意图如图4所示。由图3和图4可见，焊盘附近的区域，cu和sn的原子比接近6:5，可以推断非晶焊球与焊盘间的间隙层的物相为cu6sn5化合物层，而非晶焊球中cu、zr、al和y的原子比接近27:59:6:8，铜的比例明显低于非晶焊球中铜的比例，说明焊球中的部分cu已扩散到焊球外，也说明焊盘上的sn通过毛细管力，与cu46zr42al7y5焊球和cu焊盘作用：非晶焊球与熔融sn接触的部位及其附近，cu和sn反应生成cu6sn5化合物层，熔融sn也会和cu焊盘上的部分cu反应生成cu6sn5化合物层，最终，所用非晶球形cu46zr42al7y5粉末在连接过程中粉末并不熔化，粉末只在与熔融sn接触处发生扩散反应，形成焊盘-化合物层-非晶球形粉末-化合物层-焊盘的封装结构。

经测得其初始抗剪切力为10n，所得封装结构体经260摄氏度热处理48h后，封装结构体的组织稍微弱化，其抗剪切力变为9n，说明封装结构体具有较高的抗高温性能。电流密度为5*10⁴a/cm²，工作温度为200摄氏度时，连续工作60h或更长时间后阴极出现柯肯达尔孔洞，阳极的化合物层稍微增厚，抗剪切力变为7n，工作80h或更长时间后出现显微裂纹。

实施例2

用天平称取39.1g纯度为99.99%的cu，53.6g纯度为99.9%的zr，1.6g纯度为99.99%的al和5.8g纯度为99.9%的y，表面用水砂纸稍微打磨，去除部分氧化膜，冷风烘干后置于熔炼坩埚中，往熔炼坩埚中通入流量为0.1m³/h的ar气或者氮气，在感应线圈作用下，铜和锡熔化成合金，反复熔炼合金3次，冷却到室温后，停止通气，取出合金，切割成10*10*20mm以内的小块合金，置于垂直气雾化喷嘴中，氮气或者氩气保护下感应加热至熔融状态，氮气或者氩气冲击由于氮气或者氩气压力作用下从喷嘴中喷出的熔融合金，实现气雾化制粉，得到经过初步筛分的粉末混合体，再用60-65目、75-80目、90-100目、150-160目和325-400目的标准样筛层层筛选4次，得到适用于不同中心距的焊球。再通过xrd表征手段分析每种球径范围的粉末，即为非晶态cu-zr-al-y焊球。取出75-80目的非晶态cu46zr42al7y5焊球，取出两cu焊盘阵列，在cu焊盘的阵列上涂敷一薄层焊sn膏，在放大镜的观察下，用镊子夹取一颗非晶态cu46zr42al7y5焊球预植于涂有焊sn膏的焊盘中间，重复此操作把每个焊盘都放置一颗非晶态cu46zr42al7y5焊球，通过夹具使另一涂敷有焊sn膏的cu焊盘阵列的中心距与预植有非晶态cu46zr42al7y5焊球的阵列的中心距相同，并用夹具夹紧，得到封装结构胚体，将夹紧封装结构胚体的夹具置于240℃的管式马弗炉中回流6min，后随炉冷却到150℃再取出夹具，将封装结构体取下即可。

经测得其初始抗剪切力为9n，所得封装结构体经260摄氏度热处理48h后，封装结构体的组织稍微弱化，其抗剪切力变为8n，说明封装结构体具有较高的抗高温性能。电流密度为5*10⁴a/cm²，工作温度为200摄氏度时，连续工作55h或更长时间后阴极出现柯肯达尔孔洞，阳极的化合物层稍微增厚，抗剪切力变为7n，工作75h或更长时间后出现显微裂纹。

实施例3

用天平称取33.6g纯度为99.99%的cu，58g纯度为99.9%的zr，2.5纯度为99.99%的al和5.9g纯度为99.9%的y，表面用水砂纸稍微打磨，去除部分氧化膜，冷风烘干后置于熔炼坩埚中，往熔炼坩埚中通入流量为0.1m³/h的ar气或者氮气，在感应线圈作用下，铜和锡熔化成合金，反复熔炼合金3次，冷却到室温后，停止通气，取出合金，切割成10*10*20mm以内的小块合金，置于垂直气雾化喷嘴中，氮气或者氩气保护下感应加热至熔融状态，氮气或者氩气冲击由于氮气或者氩气压力作用下从喷嘴中喷出的熔融合金，实现气雾化制粉，得到经过初步筛分的粉末混合体，再用75-80目、90-100目、150-160目和325-400目的标准样筛层层筛选4次，得到适用于不同中心距的焊球。再通过xrd表征手段分析每种球径范围的粉末，即为非晶态cu-zr-al-y焊球。取出75-80目的非晶态cu-zr-al-y焊球，取出两cu焊盘阵列，在cu焊盘的阵列上先涂敷少量助焊剂，再将与cu焊盘差不多大小的sn箔粘附到助焊剂上后在sn箔上面涂敷更少量助焊剂，在放大镜的观察下，用镊子夹取一颗非晶态cu-zr-al-y焊球预植于涂有助焊剂的sn箔中间，重复此操作把每个焊盘都放置一颗非晶态cu-zr-al-y焊球，通过夹具使另一粘附有sn箔的cu焊盘阵列的中心距与预植有非晶态cu-zr-al-y焊球的阵列的中心距相同，并用夹具夹紧，得到封装结构胚体，将夹紧封装结构胚体的夹具置于240℃的管式马弗炉中回流8min，后随炉冷却到150℃再取出夹具，将封装结构体取下即可。

经检测其初始抗剪切强度为7n，所得封装结构体经260摄氏度热处理48h后，封装结构体的组织不发生明显变化，其抗剪切力仍为7n，说明封装结构体具有较高的抗高温性能。电流密度为5*10⁴a/cm²，工作温度为200摄氏度时，连续工作50h或更长时间后阴极出现柯肯达尔孔洞，阳极化合物稍微增厚，抗剪切力变为5n，工作74h或更长时间后才出现显微裂纹。

实施例4

用天平称取39.1g纯度为99.99%的cu、53.6g纯度为99.9%的zr、1.6g纯度为99.99%的al和5.8g纯度为99.9%的y，表面用水砂纸稍微打磨，去除部分氧化膜，冷风烘干后置于熔炼坩埚中，往熔炼坩埚中通入流量为0.1m³/h的ar气或者氮气，在感应线圈作用下，铜和锡熔化成合金，反复熔炼合金3次，冷却到室温后，停止通气，取出合金，切割成10*10*20mm以内的小块合金，置于垂直气雾化喷嘴中，技喷嘴的出口方向与雾化气体的出口方向垂直，即熔融合金的流动方向与雾化气体的流动方向之间的角度为90度，氮气或者氩气保护下感应加热至熔融状态，氮气或者氩气冲击由于氮气或者氩气压力作用下从喷嘴中喷出的熔融合金，实现气雾化制粉，得到经过初步筛分的粉末混合体，再用75-80目、90-100目、150-160目、325-400目和600-900目的标准样筛层层筛选4次，得到球径相差不大的非晶粉末。

取出600-900目的非晶粉末，经3d打印技术制备成工件后，延伸率达到8%，显微硬度达到1.2gpa左右，抗拉强度为450mpa，弹性模量达40gpa左右。采用本气雾化制粉方法制备得到的非晶粉末还可以用于3d打印中。

对比例1

用sac305焊料球作为焊球，经过回流试验后测得其初始剪切力在13n左右；在200摄氏度老化48h后，其剪切力变为6n，说明其抗高温性能较差；电流密度为5*10⁴a/cm²，工作温度为150摄氏度时，连续工作48h左右阴极出现柯肯达尔孔洞，此外在阳极侧的化合物层增厚明显，剪切力降为4n，性能下降。

对比例2

用目前市场上切丝重熔法获得的sn63pb27焊料球作为焊球，经过回流试验后测得其初始剪切力在14n左右；在150摄氏度老化48h后，其剪切力变为7n，说明其抗高温性能较差；电流密度为1.6*10⁴a/cm²，工作温度为100摄氏度时，连续工作40h左右阴极出现柯肯达尔孔洞，此外在阳极侧的化合物层增厚，剪切力降为6n，性能下降。

通过上述实施例1~4和对比例1~2的测试数据可见，本发明采用非晶本发明的粉末球形粉末作为焊球，提高了面阵列封装焊点的耐高温性能和抗电迁移性能。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。