一种高电迁移无铅复合钎料

本发明属于材料制备与连接，具体涉及一种高电迁移无铅复合钎料。

背景技术：

1、焊点是微电子互连中不可或缺的组成部分，起到了机械连接和电信号传输的作用。目前，微电子封装尺寸趋于小型化，芯片产热加剧，焊点所承受的电流密度不断增加，在高电流密度条件下，流动的电子与金属原子之间碰撞产生动量交换而引起的原子定向运动，在电子风力的作用下，金属原子由焊点负极向正极移动，发生质量迁移。已有研究表明，当焊点通过的电流密度达到电迁移发生的门槛值(104a/cm2)时，电迁移会导致大量原子从阴极扩散到阳极，在阴极形成空洞，进而萌生微裂纹导致焊点开裂失效。另外，由于连接焊点的热膨胀系数与pcb板不相匹配，应力和应变主要集中在焊点处，因此在使用过程中会出现电子微裂纹。sn-ag-cu系列由于较好的可焊性、可靠性并且成本较低而引起广泛关注。但当钎料中的银含量过高时，焊点基体里会存在大量的ag3sn化合物，这种大的硬质颗粒会显著地影响焊点的力学性能，因此焊点的可靠性会大幅降低。同时，由于ag含量较高也会使焊点的成本提高，降低了实际应用的可能性。sac305具有较好的综合力学性能以及良好的可靠性而被广泛使用。但是相比于snpb钎料而言，sac305的润湿性能较差，并且它本身具有较高的表面张力和较高的熔点。

2、另一种改善焊点性能的方法就是添加增强颗粒。在之前的研究中，许多人将sic、cnts等无机物添加到焊点中。这种无机物在焊点的基体中可以起到第二相强化的效果，提高焊点的强度硬度。但是在使用过程中会出现无机物和金属不相容的情况，增强颗粒因此会被排斥到界面，从而无法产生预期效果。

技术实现思路

1、为解决现有技术中的上述问题，本发明提供了一种高电迁移无铅复合钎料，通过将核壳结构的增强颗粒cu@ag添加到sac305无铅钎料形成复合钎料，可以有效改善焊点的微观组织，提高元器件应用过程中的可靠性。

2、为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：

3、本发明提供了一种高电迁移无铅复合钎料，包括重量比为1∶(60～200)的cu@ag颗粒和sac305粉末。

4、进一步地，所述cu@ag颗粒为核壳结构，制备方法包括以下步骤：

5、s1：将硫酸铵加入乙二醇中，加热后加入氨水溶解，向所得溶液中加入cu粉并超声处理；

6、s2：向超声处理所得溶液中加入柠檬酸钠，完全溶解后添加聚乙烯吡咯烷酮(pvp)，加热搅拌直至完全溶解，冷却；加入乙醇对冷却后的溶液进行清洗，清洗完成后加水，再次加热并搅拌，然后加入银氨溶液搅拌后静置，离心清洗并干燥得到所述cu@ag颗粒。

7、进一步地，步骤s1中，所述硫酸铵与乙二醇的质量体积比为1g:(10～20)ml，所述加热至60℃，所述氨水的浓度为28wt％，所述氨水与乙二醇的体积比为1:20，所述cu粉与所述硫酸铵的质量比为1.5:1。

8、进一步地，步骤s2中，所述柠檬酸钠与所述超声处理所得溶液的质量体积比为1g:100ml，所述聚乙烯吡咯烷酮与步骤s1中所述乙二醇的质量体积比为1g:10ml，所述聚乙烯吡咯烷酮由k＝30的聚乙烯吡咯烷酮与k＝90的聚乙烯吡咯烷酮等质量混合而成，所述加热与所述再次加热均加热至50～70℃，所述银氨溶液加入后所得溶液中氢氧化二氨合银的浓度为0.1～0.2mol/l。

9、硫酸铵会对cu改性，然后柠檬酸钠会再次敏化，最终与pvp反应形成cu-pvp膜，能够让后来的ag附着上来。

10、进一步地，所述sac305粉末的制备方法包括以下步骤：

11、(1)向sac305焊膏中加入丙酮，超声振动后取出上层悬浊液；

12、(2)向剩余的焊膏中加入乙醇，继续超声振动，结束后取出上清液；

13、(3)重复步骤(1)和步骤(2)的操作，直至超声振动后上层溶液清澈；

14、(4)将得到的固体进行干燥，去除其中的合金片，即得所述sac305粉末。

15、进一步地，所述乙醇的浓度为95vol.％。

16、进一步地，所述超声振动过程中进行间歇搅拌。

17、本发明还提供了一种高电迁移无铅复合钎料的制备方法，将重量比为1∶(60～200)的cu@ag颗粒和sac305粉末混合均匀即得。

18、本发明还提供了上述所述的高电迁移无铅复合钎料在电子封装连接接头材料中的应用。

19、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

20、本发明制备了一种新型的核壳结构cu@ag增强颗粒，并将其添加到无铅钎料中形成新型的复合焊点，使复合焊点具有良好的抗电迁移性能。制备阶段的氨水与超声震动能保证铜颗粒分散均匀，去除表面的氧化层，柠檬酸钠的添加提高cu颗粒表面的活性。本发明将合金添加到焊点中，熔融过程中焊点基体与合金反应形成金属间化合物从而达到改善性能的目的；钎料合金粉末制备阶段的丙酮与乙醇重复超声使得无铅钎料的助焊剂全部剥离，同时保证烘干完毕后的合金表层金属薄片不影响最终制得复合焊点的质量。此外，该新型复合钎料在通电过程中通过sn晶粒c轴与电流方向的夹角也能看出电迁移性能的改善，并且在使用过程中发现增强颗粒能够起到局部细化的作用，还能减小界面金属间化合物层的厚度，是实际应用过程的又一选择。

21、本发明制备的新的cu@ag核壳结构材料进一步提高了增强颗粒的作用。cu作为核心被包裹在ag壳之中。ag由于性质稳定，不仅能起到保护作用，而且它作为壳层添加到钎料中能降低成本。

22、本发明提供的无铅复合钎料适用于电子封装连接的接头使用，可应用于微电子连接的力学、热学以及电学的可靠性试验研究。

技术特征：

1.一种高电迁移无铅复合钎料，其特征在于，包括重量比为1∶(60～200)的cu@ag颗粒和sac305粉末。

2.根据权利要求1所述的高电迁移无铅复合钎料，其特征在于，所述cu@ag颗粒为核壳结构，制备方法包括以下步骤：

3.根据权利要求2所述的高电迁移无铅复合钎料，其特征在于，步骤s1中，所述硫酸铵与乙二醇的质量体积比为1g:(20～40)ml，所述加热至60℃，所述氨水的浓度为28wt％，所述氨水与乙二醇的体积比为1:20，所述cu粉与所述硫酸铵的质量比为1.5:1。

4.根据权利要求2所述的高电迁移无铅复合钎料，其特征在于，步骤s2中，所述柠檬酸钠与所述超声处理所得溶液的质量体积比为1g:100ml，所述聚乙烯吡咯烷酮与步骤s1中所述乙二醇的质量体积比为1g:10ml，所述聚乙烯吡咯烷酮由k＝30的聚乙烯吡咯烷酮与k＝90的聚乙烯吡咯烷酮等质量混合而成，所述加热与所述再次加热均加热至50～70℃，所述银氨溶液加入后所得溶液中氢氧化二氨合银的浓度为0.1～0.2mol/l。

5.根据权利要求1所述的高电迁移无铅复合钎料，其特征在于，所述sac305粉末的制备方法包括以下步骤：

6.根据权利要求5所述的高电迁移无铅复合钎料，其特征在于，所述乙醇的浓度为95vol.％。

7.根据权利要求5所述的高电迁移无铅复合钎料，其特征在于，所述超声振动过程中进行间歇搅拌。

8.一种权利要求1-7任一项所述的复合钎料的制备方法，其特征在于，将重量比为1∶(60～200)的cu@ag颗粒和sac305粉末混合均匀即得。

9.权利要求1～7任一项所述的高电迁移无铅复合钎料在电子封装连接接头材料中的应用。

技术总结
本发明公开了一种高电迁移无铅复合钎料，属于材料制备与连接技术领域，所述无铅复合钎料包括重量比为1∶(60～200)的Cu@Ag颗粒和SAC305粉末；本发明制备了一种新型的核壳结构Cu@Ag增强颗粒，并将其添加到无铅钎料中形成新型的复合焊点，使复合焊点具有良好的抗电迁移性能；增强颗粒能够起到局部细化的作用，还能减小界面金属间化合物层的厚度，是实际应用过程的又一选择；本发明制备的新的Cu@Ag核壳结构材料进一步提高了增强颗粒的作用，Cu作为核心被包裹在Ag壳之中，Ag由于性质稳定，不仅能起到保护作用，而且它作为壳层添加到钎料中能降低成本；本发明提供的无铅复合钎料适用于电子封装连接的接头使用。

技术研发人员：汉晶,晋学轮,郭福,马立民,李腾,贾强,王乙舒
受保护的技术使用者：北京工业大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13