一种电子封装微焊点的制备方法技术

本发明专利技术涉及一种电子封装微焊点的制备方法，包括：在第一基底上依次制备第一金属焊盘、第一可焊层和微凸点；在第二基底上依次制备第二金属焊盘和第二可焊层；将微凸点和第二金属焊盘一一对准、接触放置，形成一个组合体，选择所需的回流曲线对组合体进行钎焊回流，依次经历预热区、回流区和冷却区，在冷却区内使第一金属焊盘和第二金属焊盘之间形成温度梯度，至微凸点由液态全部转变为固态形成微焊点。本发明专利技术能够实现微焊点钎料基体中的Sn晶粒取向可调控，形成的单一择优取向微焊点，与半导体和封装技术工艺有良好的兼容性，具有良好的抗电迁移和热迁移可靠性，能够实现第一基底和第二基底之间的互连，提高微焊点或者具有以上材料组织及结构特征的器件的服役寿命。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于电子制造领域，涉及一种电子封装微焊点的制备方法。
技术介绍
随着电子封装器件不断追求多功能、高性能和小体积，要求电子封装技术能够实现更高的集成密度和更小的封装尺寸，承载供电、散热和机械支撑等作用的焊点的尺寸持续减小，使得Sn基微焊点的钎料基体仅由几个甚至单个β-Sn晶粒组成。而β-Sn晶粒为体心四方结构具有强烈的各向异性，例如，150℃时Cu、Ni和Ag等原子沿β-Sn晶粒c轴的扩散速率比沿a轴的扩散速率大43倍多。文献[M.L.Huang,et.al.ActaMater,100:98-106,2015]和[W.N.Hsu,et.al.ActaMater,81:141-150,2014]报道了Sn基微焊点的β-Sn晶粒取向对微焊点的抗电迁移和热迁移性能以及其导致的失效方式具有关键的作用。目前，通过常规钎焊回流方法制备的Sn基微焊点中的β-Sn晶粒取向呈随机分布。然而，由于微焊点β-Sn晶粒取向的差别，导致相同成分微焊点在服役相同条件下的电迁移和热迁移失效时间差别巨大，使得电子封装器件中每个微焊点的服役性能均不一致，而整个器件的使用寿命恰恰是由其寿命最短的微焊点决定的。为解决上述问题，专利[中国专利技术专利授权公共号：CN104416252，授权公告日：2016年8月10日]采用在钎料凝固过程中施加磁场的方法，制备出具有择优取向的焊点。优点是制备出具有择优取向的焊点可延长焊点或者具有以上材料组织的结构或器件的使用寿命，但缺点是所引入的磁场对电子器件造成磁化作用，容易在制造过程中改变器件的性能甚至损伤器件，带来不确定的可靠性问题。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种电子封装微焊点的制备方法，通过在钎焊回流冷却阶段在微焊点内形成一定的温度梯度，使凝固后钎料基体β-Sn晶粒的c轴方向趋于与界面平行，实现微焊点钎料基体β-Sn晶粒取向可调控。该方法可在传统的回流工艺下进行，与现有半导体及封装工艺具有良好的兼容性；所形成的择优取向微焊点具有良好的抗电迁移和热迁移可靠性；同一回流条件下电子封装器件中各个微焊点钎料基体具有相同单一择优取向，微焊点服役性能趋于一致，显著提高微焊点或者具有以上材料组织的器件的服役寿命。为了达到上述目的，本专利技术的技术方案为：一种电子封装微焊点的制备方法，包括以下步骤：步骤一：提供第一基底，在所述第一基底上采用电镀、溅射、气相沉积或蒸镀等方法制备至少一个第一金属焊盘，在所述第一金属焊盘上采用电镀、溅射、气相沉积、蒸镀或植球后再回流等方法制备微凸点；提供第二基底，在所述第二基底上采用电镀、溅射、气相沉积或蒸镀等方法制备至少一个第二金属焊盘，在所述第二金属焊盘上采用电镀、溅射或化学沉积的方法制备第二可焊层；所述第一金属焊盘和第二金属焊盘具有相同的材质，且具有相同的排布图形；所述第一金属焊盘为单晶或者具有择优取向；所述微凸点中Sn的质量分数大于等于95％；所述微凸点的直径小于等于100微米；步骤二：将微凸点和第二金属焊盘一一对准，并接触放置，形成一个组合体；步骤三：选择所需的回流曲线对步骤二形成的组合体进行钎焊回流，所述回流曲线包括预热区(升温区)、回流区和冷却区；所述回流区的峰值回流温度至少比微凸点的熔化温度高10℃；在所述冷却区内，使第一金属焊盘的冷却速率高于第二金属焊盘的冷却速率，即在第一金属焊盘和第二金属焊盘之间形成温度梯度，且第一金属焊盘的温度低于第二金属焊盘的温度，直至微凸点由液态全部转变为固态形成微焊点；所述温度梯度定义为ΔT/Δd，所述ΔT为第二金属焊盘上表面与第一金属焊盘下表面之间的温度差，所述Δd为第二金属焊盘上表面与第一金属焊盘下表面之间的距离；所述温度梯度的范围是不小于10℃/cm，作为优选地所述温度梯度的范围是20-250℃/cm；所述第一金属焊盘的冷却速率不小于5℃/min；所述第一金属焊盘和第二金属焊盘在钎焊回流后均有剩余；所述钎焊回流结束后微焊点基体组织中的Sn晶粒具有单一择优取向特征；所述在所述步骤一中第一金属焊盘和第二金属焊盘具有相同的材质，作为优选地所述焊盘的材质为Cu、Au、Ni、Pd和Ag中的一种，且具有相同的排布图形；所述的微凸点的材质为纯Sn或Sn基钎料。在所述步骤一中，在制备微焊点之前，先在第一金属焊盘和第二金属焊盘上分别制备第一可焊层和第二可焊层，作为优选地所述第一可焊层和第二可焊层的材质为Ni、Au、Pd、Ag和OSP中的一种或几种；所述第一可焊层与第一金属焊盘具有不同的材质，第二可焊层与第二金属焊盘具有不同的材质。本专利技术的有益效果是：本专利技术通过在回流冷却区内钎料回流凝固阶段引入温度梯度，凝固后钎料基体β-Sn晶粒的c轴方向趋于与微焊点界面平行，实现微焊点钎料基体β-Sn晶粒取向可调控，形成的单一择优取向微焊点实现芯片与基板或芯片与芯片之间的互连，所形成的择优取向微焊点具有良好的抗电迁移和热迁移可靠性；同一回流条件下电子封装器件中各个微焊点钎料基体具有单一择优取向，微焊点服役性能趋于一致，提高微焊点或者具有以上材料组织的器件的服役寿命；整个制作过程方便，与半导体和封装技术工艺有良好的兼容性。附图说明图1为本专利技术步骤二中形成的组合体结构示意图；图2为本专利技术制备的择优取向微焊点结构示意图；图3为本专利技术实施例1、2和3的实验条件下与传统钎焊回流(等温时效)条件下的焊点微观形貌图；图中：a1为传统钎焊回流条件；b1为实施例1；c1为实施例2；d1为实施例3；a2、b2、c2、d2分别为a1、b1、c1、d1对应钎料基体在温度梯度方向上的晶粒取向分布图；a3、b3、c3、d3分别为a1、b1、c1、d1对应的在温度梯度方向上的反极图；10第一基底、20第一金属焊盘、30第二基底、40第二金属焊盘、50择优取向钎料基体；22第一可焊层、24微凸点、42第二可焊层、44焊剂。具体实施方式下面结合图1、图2和图3对本专利技术作进一步说明。实施例1：本专利技术的一种电子封装微焊点的制备方法可以通过下述工艺步骤实现：步骤一：提供第一基底(10)，在所述基底(10)上电镀制备20×30个厚度为10μm的Cu第一焊盘(20)的阵列，在所制得的Cu第一焊盘(20)上溅射制备Ni/Au第一可焊层(22)，在所述Ni/Au第一可焊层(22)上植Sn3.0Ag0.5Cu钎料球并回流制得直径为30μm的Sn3.0Ag0.5Cu钎料微凸点(24)；提供第二基底(30)，在所述基底(30)上电镀制备20×30个厚度为50μm的Cu第二金属焊盘(40)的阵列，在所制得的Cu第二金属焊盘(40)上化学沉积OSP第二可焊层(42)；步骤二：在OSP第二可焊层(42)的表面涂覆焊剂(44)；步骤三：将Sn3.0Ag0.5Cu钎料微凸点(24)和OSP第二可焊层(42)一一对准，并接触放置，形成一个组合体；步骤四：对步骤三形成的组合体加热至250℃进行钎焊回流，并在冷却过程中对Cu第一金属焊盘(20)一侧进行强制散热，使Cu第一金属焊盘(20)的冷却速率达到5℃/min，且使Cu第一金属焊盘(20)的温度低于Cu第二金属焊盘(40)的温度，即在Cu第一金属焊盘(20)和Cu第二金属焊盘(40)之间形成50℃/cm的温度梯度，直至微凸点Sn3.0Ag0.5Cu钎料全部本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种电子封装微焊点的制备方法，其特征在于以下步骤：步骤一：提供第一基底(10)，在所述第一基底(10)上制备至少一个第一金属焊盘(20)，在所述第一金属焊盘(20)上制备微凸点(24)；提供第二基底(30)，在所述第二基底(30)上制备至少一个第二金属焊盘(40)；所述第一金属焊盘(20)和第二金属焊盘(40)具有相同的材质，且具有相同的排布图形；所述第一金属焊盘(20)为单晶或者具有择优取向；所述微凸点(24)中Sn的质量分数不小于95％；所述微凸点(24)的直径不大于100微米；步骤二：将微凸点(24)和第二金属焊盘(40)一一对准，并接触放置，形成一个组合体；步骤三：选择所需的回流曲线对步骤二形成的组合体进行钎焊回流，所述回流曲线包括预热区(升温区)、回流区和冷却区；所述回流区的峰值回流温度至少比微凸点(24)的熔化温度高10℃；在所述冷却区内，使第一金属焊盘(20)的冷却速率高于第二金属焊盘(40)的冷却速率，即在第一金属焊盘(20)和第二金属焊盘(40)之间形成温度梯度，且第一金属焊盘(20)的温度低于第二金属焊盘(40)的温度，直至微凸点(24)由液态全部转变为固态形成微焊点；所述温度梯度的范围是不小于10℃/cm；所述第一金属焊盘(20)的冷却速率不小于5℃/min；所述第一金属焊盘(20)和第二金属焊盘(40)在钎焊回流后均有剩余；所述钎焊回流结束后微焊点基体组织中的Sn晶粒具有择优取向特征。...

【技术特征摘要】
1.一种电子封装微焊点的制备方法，其特征在于以下步骤：步骤一：提供第一基底(10)，在所述第一基底(10)上制备至少一个第一金属焊盘(20)，在所述第一金属焊盘(20)上制备微凸点(24)；提供第二基底(30)，在所述第二基底(30)上制备至少一个第二金属焊盘(40)；所述第一金属焊盘(20)和第二金属焊盘(40)具有相同的材质，且具有相同的排布图形；所述第一金属焊盘(20)为单晶或者具有择优取向；所述微凸点(24)中Sn的质量分数不小于95％；所述微凸点(24)的直径不大于100微米；步骤二：将微凸点(24)和第二金属焊盘(40)一一对准，并接触放置，形成一个组合体；步骤三：选择所需的回流曲线对步骤二形成的组合体进行钎焊回流，所述回流曲线包括预热区(升温区)、回流区和冷却区；所述回流区的峰值回流温度至少比微凸点(24)的熔化温度高10℃；在所述冷却区内，使第一金属焊盘(20)的冷却速率高于第二金属焊盘(40)的冷却速率，即在第一金属焊盘(20)和第二金属焊盘(40)之间形成温度梯度，且第一金属焊盘(20)的温度低于第二金属焊盘(40)的温度，直至微凸点(24)由液态全部转变为固态形成微焊点；所述温度梯度的范围是不小于10℃/cm；所述第一金属焊盘(20)的冷却速率不小于5℃/min；所述第一金属焊盘(20)和第二金属焊盘(40)在钎焊回流后均有剩余；所述钎焊回流结束后微焊点基体组织中的Sn晶粒具有择优取向特征。2.根据权利要求1所述的一种电子封装微焊点的制备方法，其特征在于，所述的具有择优取向的Sn晶粒的c轴与温度梯度之间的夹角为65-90°，Sn晶粒的c轴与第一金属焊盘(20)和第二金属焊盘(40)的表面夹角相同,夹角大小为0-25°。3.根据权利要求1或2所述的一种电子封装微焊点的制备方法，其特征在于包括以下步骤：步骤一中，...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵宁，钟毅，董伟，黄明亮，马海涛，
申请(专利权)人：大连理工大学，
类型：发明
国别省市：辽宁;21