采用竖直碳纳米管纤维阵列提高焊点热疲劳抗性的方法与流程

本发明涉及一种使用竖直碳纳米管纤维阵列(VACNF)提高焊点热疲劳抗性的方法。该方法可用于使用焊点作为互连材料的电子产品中。

背景技术：

集成电路产业在过去50年中高速发展。就像摩尔预测的那样，单个芯片上晶体管的密度几乎每两年就可以翻倍。集成电路的高速发展自然也会带动电子封装产业的发展，因为集成电路芯片需要电子封装为其提供导电导热通路并且抵挡外界环境的冲击。

自上世纪60年代起，为了满足电子产品不断的小型化与多功能化需求，电子产品的封装结构与所用材料日新月异。目前世界上比较先进的封装结构，如芯片尺度封装、晶圆级别封装、三维堆叠(3D)封装等，均已具有很高的封装密度，其内部互连结构的尺寸已经达到了微米级甚至纳米级。在此种情况下，传统的互连技术已渐渐无法满足高密度封装的需要，发展新型的互连技术势在必行。

由焊料形成的焊点在电子产品中担负着传输信号、散热以及机械支撑的作用。一个产品中可以存在数以万计的焊点，一个焊点的失效便会对整个产品产生灾难性的后果。

随着电子产品小型化、轻量化、密集化发展趋势，芯片封装及表面贴装中焊点的尺寸必将减小。据国际半导体技术蓝图组织预测，电子产品内部的焊点尺寸在未来十年中会下降至100μm以下。而韩国三星公司的研究表明，当焊点尺寸小于170μm时，焊点的热疲劳可靠性会明显降低。焊点热疲劳裂纹通常会沿焊点与器件界面扩展，最终导致焊点失效。因此，延缓界面处热疲劳裂纹的扩展可有效提升焊点的热疲劳抗性。

目前，常用的方法是在传统焊料中加入纳米颗粒(平均粒径<100nm)。通过纳米颗粒自身或纳米颗粒催生的微细结构延缓疲劳裂纹的扩展，以达到提高热疲劳抗性的作用。但此种方法在实际应用中还面临着一些瓶颈。首先，纳米颗粒易团聚，在焊料基材中不易均匀分散，影响强化效果；其次，纳米颗粒与焊料体系兼容性差。金属纳米颗粒在长时间高温环境中易与基材反应或自身晶粒生长从而失去强化效果。而非金属纳米颗粒由于重量轻，在熔融焊料内无约束，极易在焊接过程中被助焊剂排出焊点，失去强化效果；最后，纳米颗粒分布于整个焊点之中，阻碍了焊接过程中助焊剂的排出，增加了内部的孔隙率，反而提升了热疲劳失效的风险。

综上所述，目前用于提高焊点热疲劳可靠性的纳米材料面临的问题为不易均匀分散、纳米颗粒易在焊接过程中流失以及强化位置针对性不强三个问题。

技术实现要素：

本发明的目的是，针对目前纳米材料在提升焊点热疲劳抗性方面的问题，设计了一种采用竖直纳米纤维阵列作为强化层提升焊点热疲劳抗性的方法。该方法的技术特点是使用竖直纳米纤维阵列作为焊点与元器件之间的强化层提升焊点的热疲劳抗性。

为达到上述目的，本发明提供了一种采用竖直碳纳米管纤维阵列提高焊点热疲劳抗性的方法，该方法包含：

步骤1，在生长基板上生长竖直碳纳米纤维阵列；

步骤2，使用离子溅射法在竖直碳纳米纤维阵列中的每根纤维表面先后镀Ti金属层和Au金属层；

步骤3，将竖直碳纳米纤维阵列镀有Au金属层的一端置于元器件镀金焊盘表面，加热，并施加压力，使得Au-Au键合；

步骤4，待竖直碳纳米纤维阵列及焊盘冷却至室温后，移除生长基板，将竖直碳纳米纤维阵列转移到元器件镀金焊盘上；

步骤5，使用表面贴装技术将带有碳纳米纤维阵列强化层的元器件焊接在印制电路板焊盘上。

较佳地，步骤1中，所述的竖直碳纳米纤维阵列中碳纳米纤维的直径为25nm～100nm，长度为5μm～15μm，碳纳米纤维之间的间距为200nm～500nm。

较佳地，步骤1中，竖直碳纳米纤维阵列是通过化学气相沉积法生长在生长基板上。

较佳地，步骤3中，加热温度为300-350℃，压强为10-15MPa，时间为5-10min。

较佳地，所述的步骤5还包含：

步骤5.1，将焊膏点或印刷在印制电路板焊盘上；

步骤5.2，将带有碳纳米纤维强化层的元器件贴在印制电路板的焊盘上；

步骤5.3，使用回流焊工艺在元器件镀金焊盘和印制电路板焊盘之间形成焊点。

较佳地，所述的焊膏选择Sn-Ag系、Sn-Bi系、Sn-In系、Sn-Cu系、Sn-Zn系、Sn-Au系、Sn-Pb系合金中的一种。

较佳地，步骤5中，所述的元器件为能承受300℃以上高温的元器件。

较佳地，所述的元器件选择Si、GaAs、GaN、及陶瓷的裸芯片或塑封元器件。

纳米纤维结构稳定，且高温及化学稳定性高。作为强化材料，使用化学气相沉积法生长的纳米纤维阵列的各纤维之间无团聚，分散一致性高。纤维通过Au-Au键合法转移到器件端焊盘表面后，可固定在焊盘表面，不易在焊接过程中流失。由纤维阵列形成的强化层集中在焊点与元器件界面处，而焊点的疲劳裂纹多在此处扩展，因此强化针对性强，不会影响焊点其他区域的成分和结构。本发明的方法适用于使用焊点作为互连材料的电子产品中。

附图说明

图1为本发明采用Au-Au键合法转移到焊盘表面竖直碳纳米纤维阵列的SEM(扫描电镜，scanning electron microscope)图。

图2为本发明将芯片撬开后在焊点与芯片界面处观察到的碳纳米纤维阵列的SEM图。

图3为本发明的热疲劳测试Weibull分布结果。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式作进一步地说明。

本发明通过竖直碳纳米纤维阵列提高焊点的热疲劳抗性，具体的工艺步骤如下：

步骤1，使用化学气相沉积法在生长基板上制备的竖直碳纳米纤维阵列，其中，碳纳米纤维的平均直径为40nm，最大直径为100nm，平均长度为10μm，纤维间平均间距为200nm。

步骤2，使用离子溅射法在碳纳米纤维表面先后镀Ti金属镀层及Au金属镀层。其中，Ti层厚度为20nm，Au层厚度为100nm。

步骤3，将竖直碳纳米纤维阵列镀有金属镀层的一端置于硅芯片镀金焊盘表面，加热温度为300-350℃(优选为300℃)，压强为10-15MPa(优选10MPa为)，时间为5-10min(优选为5min)，使Au-Au键合。

步骤4，将生长基板和焊盘温度降至室温，将生长基板移除，竖直碳纳米纤维阵列可转移至硅芯片焊盘表面，如图1所示。

步骤5，使用点胶机将Sn-3.0Ag-0.5Cu焊膏点在FR-4印制电路板焊盘上；

步骤6，使用贴片机将带有碳纳米纤维强化层的硅芯片贴在FR-4印制电路板上；

步骤7，使用Sn-3.0Ag-0.5Cu焊膏回流焊接曲线在硅芯片焊盘和FR-4印制电路板焊盘之间形成焊点，峰值温度240℃，液相线以上回流时间60s；升温速率1℃/s，冷却速率3℃/s。

焊接完成后，使用工具将硅芯片从FR-4印制电路板焊盘上撬下可在焊点和硅芯片间观察到竖直碳纳米纤维阵列强化层，如图2所示。

焊点形成后进行了温度循环测试。

测试条件：温度的范围为-40℃到115℃。升温和降温速率均为31℃/min。

测试结果：含强化层的样品特征寿命为568周，不含强化层的样品特征寿命为402周。使用竖直碳纳米纤维阵列强化层后，焊点的热疲劳抗性提升了40％以上，如图3所示。

综上所述，本发明提供了一种提高焊点热疲劳抗性的方法。通过使用本专利中的竖直碳纳米纤维阵列强化层，焊点的热疲劳抗性可大幅度提高。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。