一种用于减少锡铋焊点金属间化合物形成的方法技术

本发明专利技术公开了一种用于减少锡铋焊点金属间化合物形成的一种方法，具体步骤：一是制作PCB基板或衬底元件；二是采用金属表面镀层工艺在步骤一所述PCB基板或衬底元件的Cu焊盘上镀上一层厚度为5‑10um的钎料；三是在步骤二所述PCB基板或衬底元件的Cu焊盘的镀层上以锡铋焊料的回流温度曲线在回流设备中焊上一层厚度为10‑200um的焊料；四是将步骤三所述PCB基板或衬底元件与另一元件作回流焊接处理，即得到微互连焊点结构。本发明专利技术能明显减小锡铋焊料与Cu焊盘互连焊点间的金属间化合物的厚度，从而减少因过厚金属间化合物的生成而导致的危害，从而提高整个电子产品的寿命。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于半导体器件制造工艺领域和微电子互连封装领域，具体涉及一种用于减少锡铋焊点金属间化合物形成的方法。
技术介绍
随着如今对环境保护意识的增强，铅被列为了对人体和环境伤害最大的化学物质，所以现电子封装要以无铅焊料为主。目前公认的无铅焊料为:以Sn为基体，加入Ag、Cu、Sb、Bi等合金元素。锡铋钎料以其优异的性能和低廉的价格，成为微电子互连封装中主要的焊接材料。传统Sn-58Bi共晶钎料熔点是138℃，温度曲线的提升会带来的是金属间化合物生长迅猛及焊料易氧化等很多问题。在电子封装中普遍存在焊盘与焊料反应生成的金属间化合物的问题。钎料和焊盘间形成的金属间化合物是其机械连接和散热的基础，适当的金属间化合物的形成可实现钎料和基板之间良好的冶金结合。回流焊接过程中，锡铋焊料与Cu发生界面反应生成金属间化合物，金属间化合物的出现表明锡铋焊料与Cu基体结合良好。但金属间化合物具有本征脆性，是微裂纹萌生源，且其许多热物理性能，例如热膨胀系数，弹性模量，导电导热系数等都是和各类的钎料与基体材料有一定的差距。此外在在焊点的时效过程和产品服役过程中，新的金属间化合物也可能生成，脆性中间相的出现会改变原始的界面组织结构，会直接影响焊点界面处的性能，从而影响到电子封装的可靠性。一般Cu焊板与焊料锡铋界面处形成Cu6Sn5化合物，界面金属间化合物的生长是由Cu元素的原子扩散机制控制的。一般随着时效时间的延长，在Cu焊板与锡铋焊料界面还会生长出Cu3Sn化合物，也会出现Bi的偏聚和kirkendall(柯肯达尔)空洞现象。所产生的Cu-Sn化合物是脆性物质，当形成较厚的Cu-Sn化合物时，会大大的降低焊接处的使用性能，受到较大的应力时会造成焊点互连处的脆性断裂。因此，延长接头服役寿命的关键是控制界面金属间化合物和时效过程的生长。为改善钎焊接头的稳定性，进行了大量的对互连焊点界面IMC层结构的研究。因为金属间化合物在室温下生长很缓慢，为了缩短实验时间，人们普遍采用高温时效老化的方法来模拟服役条件下金属间化合物的形成。无铅焊料被加热到熔点以上，焊料融化后经助焊剂净化的金属表面进行润湿、扩散、冶金结合，最后在焊料与金属表面之间形成金属间化合物层，冷却后形成焊点。形成良好焊点的关键不仅在于焊接界面的良好的润湿性，还包括形成合适厚度的金属间化合物。焊点的基本作用是电气连接和机械连接，一个焊点的破坏往往会导致整个封装结构的失效，焊点的可靠性对整个器件的寿命起着关键的作用，因此控制金属间化合物增加可提高焊点的可靠性。通常控制金属间化合物生长是通过控制焊点的热暴露的程度和焊盘镀镍的方法，但因为焊点必须要经过多次的回流工艺导致的热循环，会导致增加热暴露的程度，控制焊点热暴露的方法不太实际，焊盘镀镍的成本较高且会对焊点机械性能有影响。因此，为避免上述方法的缺点和过厚的金属间化合物所带来的缺陷，本专利技术人提出了在焊盘上镀层的方法来减少金属间化合物形成的方法。
技术实现思路
本专利技术目的是为了克服现有技术的缺点，提供一种用于减少锡铋焊点金属间化合物形成的方法。本专利技术能明显减小锡铋焊料与Cu焊盘互连焊点间的金属间化合物的厚度，从而减少因过厚金属间化合物的生成而导致的危害。为达到上述目的，本专利技术采用如下技术方案：一种用于减少锡铋焊点间金属间化合物形成的方法，包括如下步骤：(1)制作PCB基板或衬底元件；(2)采用金属表面镀层工艺在步骤(1)所述PCB基板或衬底元件的Cu焊盘上镀上一层厚度为5-10um的钎料；(3)在步骤(2)所述PCB基板或衬底元件的Cu焊盘的镀层上以锡铋焊料的回流温度曲线在回流设备中焊上一层厚度为10-200um的焊料；(4)将步骤(3)所述PCB基板或衬底元件与另一元件作回流焊接处理，即得到微互连焊点结构。进一步，步骤(1)所述制作PCB基板或衬底元件的工艺流程，包括选材、曝光、显影、刻蚀和脱模。进一步，所述PCB基板的材料为DBC陶瓷基板、绝缘金属基板、玻璃布基板或柔性基板中的任意一种。进一步，所述衬底元件的材料为半导体芯片、硅芯片、高分子或玻璃中的任意一种。进一步，步骤(2)所述金属表面镀层工艺为电镀、化学镀、热喷镀或热浸镀中的任意一种。进一步，步骤(2)所述钎料为Sn基钎料。进一步，步骤(3)所述焊料为锡铋焊料。进一步，步骤(2)所述钎料和步骤(3)所述焊料，当所述钎料采用Sn基钎料和所述焊料采用锡铋焊料时，则采用Sn基钎料镀层的熔点温度比锡铋焊料焊接温度高20℃-100℃。进一步，所述锡铋焊料回流曲线的设定由锡铋焊料的熔点温度决定，其最低回流温度大于锡铋钎料的熔点温度138℃。本专利技术的优点和有益效果主要体现如下：1、本专利技术在Cu焊盘添加Sn基钎料镀层经过回流处理后形成微互连焊点结构。随着时效时间的延长，金属间化合物的厚度变得更厚。在时效时间为0-10天内，SnBi/Cu界面处生长的金属间化合物厚度与SnBi/Sn基钎料/Cu界面处生长的金属间化合物厚度大致相同。在时效20天后，SnBi/Sn基钎料/Cu界面处生长的金属间化合物厚度较SnBi/Cu界面处生长的金属间化合物厚度减少了33％-54％。在时效30天后，SnBi/Sn基钎料/Cu界面处生长的金属间化合物厚度较SnBi/Cu界面处生长的金属间化合物厚度减少50％-70％，由此表明添加Sn基钎料能明显的抑制金属间化合物的生长。因为随着IMC的生长，IMC层与焊料界面处的应力不断的增大，当应力增大达到一定量时会导致焊点的失效，从而可能导致整个器件的失效。2、本专利技术能明显减小锡铋焊料与Cu焊盘互连焊点间的金属间化合物的厚度，从而减少因过厚金属间化合物的生成而导致的危害。3、本专利技术能明显提高锡铋焊料形成的微互连焊点间的可靠性，从而进一步提高整个电子产品的寿命。附图说明图1是描述锡铋钎料与镀层Cu焊盘之间形成的互连焊点的流程示意图。图2是在36um厚的Cu焊盘上镀上5um钎料的剖面扫描电子显微镜的图像(SEM)。图3是描述衬底上含有镀层Sn0.7Cu钎料的Cu焊盘在峰值温度160℃下回流30s后，形成Sn58Bi/Sn0.7Cu/Cu界面图像。(a)-(d)分别是在120℃下时效0天，10天，20天，30天Sn58Bi/Sn0.7Cu/Cu界面的扫描电子显微镜的图像。图4是描述衬底上含有镀层为Sn1.2Cu钎料的Cu焊盘在峰值温度160℃下回流30s后，形成Sn58Bi/Sn1.2Cu/Cu界面图像。(a)-(d)分别是在120℃下时效0天，10天，20天，30天Sn58Bi/Sn1.2Cu/Cu界面的扫描电子显微镜的图像。图5是描述衬底上含有镀层为Sn3.0Ag0.5Cu钎料的Cu焊盘在峰值温度160℃下回流30s后，形成Sn58Bi/Sn3.0Ag0.5Cu/Cu界面图像。(a)-(d)分别是在120℃下时效0天，10天，20天，30天Sn58Bi/Sn3.0Ag0.5Cu/Cu界面的扫描电子显微镜的图像。图6是描述衬底上含有镀层为Sn4.0Ag0.5Cu钎料的Cu焊盘在峰值温度160℃下回流30s后，形成Sn58Bi/Sn4.0Ag0.5Cu/Cu界面图像。(a)-(d)分别是在120℃下时效0天，10天，20天，30本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于减少锡铋焊点金属间化合物形成的方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)制作PCB基板或衬底元件；(2)采用金属表面镀层工艺在步骤(1)所述PCB基板或衬底元件的Cu焊盘上镀上一层厚度为5‑10um的钎料；(3)在步骤(2)所述PCB基板或衬底元件的Cu焊盘的镀层上以锡铋焊料的回流温度曲线在回流设备中焊上一层厚度为10‑200um的焊料；(4)将步骤(3)所述PCB基板或衬底元件与另一元件作回流焊接处理，即得到微互连焊点结构。

【技术特征摘要】
1.一种用于减少锡铋焊点金属间化合物形成的方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)制作PCB基板或衬底元件；(2)采用金属表面镀层工艺在步骤(1)所述PCB基板或衬底元件的Cu焊盘上镀上一层厚度为5-10um的钎料；(3)在步骤(2)所述PCB基板或衬底元件的Cu焊盘的镀层上以锡铋焊料的回流温度曲线在回流设备中焊上一层厚度为10-200um的焊料；(4)将步骤(3)所述PCB基板或衬底元件与另一元件作回流焊接处理，即得到微互连焊点结构。2.根据权利要求1所述的减少锡铋焊点金属间化合物形成的方法，其特征在于：所述PCB基板的材料为DBC陶瓷基板、绝缘金属基板、玻璃布基板或柔性基板中的任意一种。3.根据权利要求1所述的减少锡铋焊点金属间化合物形成的方法，其特征在于：所述衬底元件的材料为半导体芯片、硅芯片、高分子或玻璃中的任意一种。4.根据权...

【专利技术属性】
技术研发人员：王凤江，李东洋，
申请(专利权)人：江苏科技大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32