一种基于亚稳态条件下锡基焊点的制备工艺的制作方法

本发明涉及电子封装与互连技术领域，特别是涉及一种基于亚稳态条件下锡基焊点的制备工艺。

背景技术：

随着多功能电子产品小型化的不断发展，芯片越来越小，越来越强大，电子元件的使用条件也变得越来越复杂；因此，在当前电子产品发展趋势下，研究热循环和热老化对微连接界面的形成，生长和力学性能的影响是非常有必要的；由于含铅焊料对环境的破坏性影响以及对于人体的严重危害，人们反对使用含铅焊料的呼声越来越大；因此无铅焊料合金的研发及应用受到了学者的广泛关注；采用sn-3.0cu-0.5ag(sac305)焊料具有良好的热疲劳和可焊性，并已广泛应用于微电子封装，其中sac305焊料合金已被广泛认为是一种具有代表性的无铅焊料，再由于铜具有低成本，可用性和良好的可焊性等优点，在市场上得到了广泛的运用。

然而由于sac305焊料合金的焊点接头在固态时效条件下封装焊点界面化合物生长速率缓慢，焊接残余应力的释放缓慢及焊接层较薄等缺点导致焊点力学性能不佳以及焊点不可靠；在液态时效处理过程中，由于时效处理过程中温度较高，容易形成比较厚的界面化合物(imc)层，较厚的界面化合物(imc)层可能会导致电子产品中焊点发生断裂，最终导致电子产品失效，同时焊点界面化合物生长速率较快且在冷却过程中会形成新的残余应力，使得电子产品的使用寿命较短；而基于亚稳液态条件下制备sac305/cu封装焊点的工艺方法较好解决了上述问题，同时在亚稳液态钎料的冷却过程中采用氮气保护气体并协同采用合适的冷却速率(3℃/min)较好的解决了再次冷却过程中残余应力的产生。

技术实现要素：

为了克服现有技术的缺陷，本发明所要解决的技术问题在于提出一种基于亚稳态条件下锡基焊点的制备工艺，电子封装钎料sac305与铜基板在焊接过程中出现浸焊界面化合物(imc)过薄或过厚导致的连接性能较差，焊点不可靠等问题。在焊料重新融化后的降温过程中使用差热分析设备(sta449f5)检测温度的变化，当熔融sac305在设备中匀速降温至201℃-217℃之间时，在设备中未检测到放热峰，即表明焊料在此温度区间内并没有出现凝固现象，因此可以认定该温度范围为sac305的亚稳液态区间。对于浸焊后的较薄界面化合物通过亚稳液态时效处理工艺可以使得焊接界面化合物(imc)生长到一个合适的厚度，从而提高其力学性能及可靠性，并且在固-液焊接过程中采用低于焊料熔点的焊接温度，在焊接过程中，焊料仍然保持液态，方式独特新颖，具有较好的实用性。

为达此目的，本发明采用以下技术方案：

本发明提供了一种基于亚稳态条件下锡基焊点的制备工艺，具体制备方法如下：

(1)选用纯紫铜片为原材料，并切割成规格尺寸为30mm×30mm×0.5mm形成铜基板，采用金刚石膏对所述铜基板表面进行打磨抛光后进行超声波清洗，清洗完成后将铜基板浸入助焊剂中保持5s后取出备用；

(2)将熔锡炉中的sac305钎料加热并保持250℃熔融状态，采用浸焊的方式将步骤(1)中的所述铜基板浸入250℃熔融的所述sac305钎料中保持3s形成sac305/cu反应偶，然后在空气中自然冷却至室温，再将所述sac305/cu反应偶置于差热分析设备且处于氮气环境下al2o3坩埚中，所述差热分析设备中经由程序控制先以5℃/min的升温速率至250℃使所述sac305钎料重新熔化，待所述sac305钎料熔化完成后，然后所述差热分析设备中经由程序控制以3℃/min的降温速率降至所述sac305钎料处于亚稳液态温度201℃-217℃内，并保持201℃-217℃的亚稳液态温度区间进行时效处理120min，之后控制所述差热分析设备匀速降温至室温后得到锡基封装焊点。

优选地，在所述差热分析设备中经由程序控制先以5℃/min的升温速率至250℃使所述sac305钎料重新熔化，然后立即以3℃/min的降温速率降至209℃，之后在该温度下进行时效处理得到锡基封装焊点，在此过程中应在充有氮气的环境下进行，测得209℃亚稳液态状态下所述sac305/cu焊点界面化合物的生长速率为8.65×10^-15m²s^-1，30min后的所述sac305/cu焊点界面化合物厚度为10.69μm，并且所述sac305/cu焊点界面化合物呈扇贝状。

优选地，所述助焊剂是包括zno，nh4cl，hcl，h2o，c3h3coh，活性剂。

优选地，所述铜基板为纯度为99.99％的紫铜片。

本发明的有益效果为：

1、亚稳液态条件下sac305/cu封装焊点厚度适中，有效的解决了固态与液态焊料焊接时出现的界面化合物过薄或者过厚的情形，与铜基板之间的界面润湿性更好，提高了焊点的力学性能与可靠性。

2、在焊接过程中使用差热分析设备(sta449f5)，温度控制均由设备程序控制，操作简单且稳定，操作过程中充入保护气体，在亚稳液态条件下sac305/cu封装焊点界面化合物生长均处于保护气体中，成分稳定，不易夹杂，有效提高了焊点的力学性能与焊点可靠性。

3、由于温度上升与下降受程序控制，温度波动小，焊点接头的焊接残余应力小，在再次冷却过程中产生的后续残余应力也小，后期服役过程中连接处裂纹出现较少，具有较高的可靠性。

4、在固-液焊接过程中的大部分时间内，与传统的焊接温度需要高于熔点不同，焊接温度是低于焊料熔点，方式新颖独特，具有较好实用性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为亚稳态时的回流温度曲线设置图；

图2为sac305钎料的简单回流dsc曲线图；

图3为铜基板与sac305钎料的焊点在环境扫描电镜下的截面示意图；

图4为铜基板与sac305钎料的焊点在固态(209℃)时效处理60min后的界面示意图；

图5为铜基板与sac305钎料的焊点在固态(209℃)时效处理120min后的界面示意图；

图6为铜基板与sac305钎料的焊点在固态(209℃)时效处理180min后的界面示意图；

图7为铜基板与sac305钎料的焊点在亚稳液态(209℃)时效处理60min后的界面示意图；

图8为铜基板与sac305钎料的焊点在亚稳液态(209℃)时效处理120min后的界面示意图；

图9为铜基板与sac305钎料的焊点在亚稳液态(209℃)时效处理180min后的界面示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本发明进一步详细说明。

一种基于亚稳态条件下锡基焊点的制备工艺，具体制备方法如下：

(1)选用纯紫铜片为原材料，并切割成规格尺寸为30mm×30mm×0.5mm形成铜基板，采用金刚石膏对铜基板表面进行打磨抛光后进行超声波清洗，清洗完成后将铜基板浸入助焊剂中保持5s后取出备用；

(2)将熔锡炉中的sac305钎料加热并保持250℃熔融状态，采用浸焊的方式将步骤(1)中的铜基板浸入250℃熔融的sac305钎料中保持3s形成sac305/cu反应偶，然后在空气中自然冷却至室温，再将sac305/cu反应偶置于差热分析设备且处于氮气环境下al2o3坩埚中，差热分析设备中经由程序控制先以5℃/min的升温速率至250℃使sac305钎料重新熔化，待sac305钎料熔化完成后，然后差热分析设备中经由程序控制以3℃/min的降温速率降至sac305钎料处于亚稳液态温度201℃-217℃内，并保持201℃-217℃的亚稳液态温度区间进行时效处理120min，之后控制差热分析设备匀速降温至室温后得到锡基封装焊点。

进一步地，在差热分析设备中经由程序控制先以5℃/min的升温速率至250℃使sac305钎料重新熔化，然后立即以3℃/min的降温速率降至209℃，之后在该温度下进行时效处理得到锡基封装焊点，在此过程中应在充有氮气的环境下进行，测得209℃亚稳液态状态下sac305/cu焊点界面化合物的生长速率为8.65×10^-15m²s^-1，30min后的sac305/cu焊点界面化合物厚度为10.69μm，并且sac305/cu焊点界面化合物呈扇贝状。

进一步地，助焊剂是包括zno，nh4cl，hcl，h2o，c3h3coh，活性剂。

进一步地，铜基板为纯度为99.99％的紫铜片。

以上实施，具体来说，一种基于亚稳态条件下锡基焊点的制备工艺，具体制备方法如下：选用纯紫铜片为原材料，并切割成规格尺寸为30mm×30mm×0.5mm形成铜基板，其中铜基板为度为99.99％的紫铜片，将铜基板使用金刚石膏打磨抛光，超声波清洗后，再浸入助焊剂中5s然后取出备用，助焊剂的主要成分包括zno，nh4cl，hcl，h2o，c3h3coh，活性剂等物质，助焊剂能够去除表面氧化物，降低材质表面张力，当助焊剂覆盖在熔融sac305/cu的表面时，可降低液态焊料的表面张力，使润湿性能明显得到提高。之后将熔锡炉(规格为cm508)中的sac305钎料加热并保持250℃熔融状态，采用浸焊的方式将中的铜基板浸入250℃熔融的sac305钎料中保持3s形成sac305/cu反应偶，然后在空气中自然冷却至室温，再将sac305/cu反应偶置于差热分析设备(规格为sta449f5)且处于氮气环境下al2o3坩埚中，差热分析设备中经由程序控制先以5℃/min的升温速率至250℃使sac305钎料重新熔化，待sac305钎料熔化完成后，然后差热分析设备中经由程序控制以3℃/min的降温速率降至sac305钎料处于亚稳液态温度201℃-217℃内，并保持201℃-217℃的亚稳液态温度区间进行时效处理120min，之后控制差热分析设备匀速降温至室温后得到锡基封装焊点。需要补充的是，钎料也可为sn系、sn-ag系、sn-ag-cu系等市面上常见的无铅钎料。

以下结合实施例对本发明的特征和性能作进一步的详细描述。

实施例1

本实施例提供一种基于亚稳态条件下锡基焊点的制备工艺，其制备方法主要包括以下步骤：

将打磨抛光后的铜基板浸入助焊剂5s取出备用，然后在熔锡炉(规格为cm508)中设定峰值温度250℃并在炉中熔化sac305钎料，再将备用的铜基板浸入250℃熔融的液态sac305钎料中，浸焊3s后，取出并置于差热分析设备(规格为sta449f5)的al2o3坩埚中，通入氮气保护气体后，通过设定的温度-时间(如图1所示)曲线加热至250℃使sac305熔化然后冷却至205℃，进行亚稳液态时效处理120min得到亚稳液态条件下的锡基封装焊点。

实施例2

将打磨抛光后的铜基板浸入助焊剂5s取出备用，然后在熔锡炉(规格为cm508)中设定峰值温度250℃并在炉中熔化sac305钎料，再将备用的铜基板浸入250℃熔融的液态sac305钎料中，浸焊3s后，取出并置于差热分析设备(规格为sta449f5)的al2o3坩埚中，通入氮气保护气体后，通过设定的温度-时间曲线加热至250℃使sac305熔化然后冷却至209℃，进行亚稳液态时效处理120min得到亚稳液态条件下的锡基封装焊点。sac305钎料依旧处于亚稳液态条件下，与实施例1形成对比样。

实施例3

将打磨抛光后的铜基板浸入助焊剂5s取出备用，然后在熔锡炉(规格为cm508)中设定峰值温度250℃并在炉中熔化sac305钎料，再将备用的铜基板浸入250℃熔融的液态sac305钎料中，浸焊3s后，取出并置于差热分析设备(规格为sta449f5)的al2o3坩埚中，通入氮气保护气体后，通过设定的温度-时间曲线加热至250℃使sac305熔化然后冷却至213℃，进行亚稳液态时效处理120min得到亚稳液态条件下的锡基封装焊点。sac305钎料依旧处于亚稳液态条件下，与实施例1形成对比样与实施例1形成对比样。

具体来说，通过在sac305钎料重新融化后的降温过程中使用差热分析设备检测温度的变化，当熔融sac305钎料在差热分析设备中匀速降温至201℃-217℃之间时，在差热分析设备中未检测到放热峰，即表明sac305钎料在此温度区间201℃-217℃内并没有出现凝固现象，因此可以认定201℃-217℃范围为sac305钎料的亚稳液态区间；对于浸焊后的较薄界面化合物通过亚稳液态时效处理工艺可以使得焊接界面化合物(imc)生长到一个合适的厚度，从而提高其力学性能及可靠性，并且在固-液焊接过程中采用低于焊料熔点的焊接温度，在焊接过程中，焊料仍然保持液态的方式。

下面结合检测数据和经过扫描电镜检测的焊点界面示意图进行分析，其中表1为纯铜基板与sac305钎料的焊点分别在固态(209℃)和亚稳液态(209℃)时效处理30min，60min，120min，180min后金属间界面化合物厚度。

表1:不同时效处理后的金属间界面化合物厚

其中图2为sac305钎料的简单回流dsc曲线图；图3为铜基板与sac305钎料的焊点在环境扫描电镜下的截面示意图；并按图2所示的进行回流后，经过扫描电镜扫描后形成图3的对比样，从图3也可以确定，经过回流后的界面只有扇贝状的cu6sn5imc形成，图4-图9展示了铜基板与sac305钎料的焊点分别在固态(209℃)和亚稳液态(209℃)时效处理60min，120min，180min后的界面示意图，如图4所示，在相同温度不同时效时间内，固态时效处理60min图中可以观察到平坦的cu6sn5和断续的cu3sn双层结构；亚稳液态时效处理60min，imc层(cu6sn5和cu3sn层)的厚度层大于固态时效处理60min的厚度层，同时cu6sn5和铜基板之间的薄状cu3sn层厚于固态时效处理60min的厚度，并且焊点中出现块状cu6sn5嵌入钎料中，如图3所示，对比回流后的样品，钎料中和界面中的cu6sn5化合物都变得更大且厚；随着等温时效时间的增长，imc层(cu6sn5和cu3sn层)的厚度在209℃时效下逐渐增加，在经过亚稳液态120min和180min时效处理后，原本层状均匀的imc层和平坦的铜基板都变得极其不平坦且imc形成了起伏的椭圆山峰状，这种椭圆峰状的imc表面因为大焊点提供了充足的cu原子，在时效过程中钎料能够源源不断的提供cu原子与sn反应且在已生成的cu6sn5表面堆积，这种表面堆积的本质是因为cu原子在cu6sn5表面异质形核。

结合表1以及图4的对比可知，在经过亚稳液态120min后sac305/cu封装焊点厚度适中(11.27μm)，有效的解决了固态与液态焊料焊接时出现的界面化合物过薄或者过厚的情形，能够在低于熔点的稳定下形成合适厚度界面化合物imc层，使得铜基板之间的界面润湿性更好，提高了焊点的力学性能与可靠性，避免了电子产品中焊点发生断裂；在焊接过程中使用差热分析设备(sta449f5)，温度控制均由设备程序控制，操作简单且稳定，操作过程中充入氮气保护气体，在亚稳液态条件下sac305/cu封装焊点界面化合物生长均处于保护气体中，成分稳定，不易夹杂，有效提高了焊点的力学性能与焊点可靠性；同时由于温度上升与下降受程序控制，温度波动小，焊点接头的焊接残余应力小，在再次冷却过程中产生的后续残余应力也小，后期服役过程中连接处裂纹出现较少，具有较高的可靠性。在固-液焊接过程中的大部分时间内，与传统的焊接温度需要高于熔点不同，焊接温度是低于焊料熔点，方式新颖独特，具有较好实用性。

本发明是通过优选实施例进行描述的，本领域技术人员知悉，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以对这些特征和实施例进行各种改变或等效替换。本发明不受此处所公开的具体实施例的限制，其他落入本申请的权利要求内的实施例都属于本发明保护的范围。