一种具有[100]择尤取向的全IMC微焊点的制备方法技术

本发明专利技术公开了一种具有[100]择尤取向的全IMC微焊点的制备方法，其包括如下步骤：步骤一，电镀，提供两块金属基底，所述金属基底的焊接面上沉积有厚度为20±2μm的Co‑P纳米晶薄膜，该Co‑P纳米晶薄膜中P的原子百分比为0.1~10at.%。步骤二，钎焊，将两块金属基底的焊接面对准，以纯Sn作为钎料，利用浸焊或回流焊在两块金属基底的焊接面之间制得Co‑P/Sn/Co‑P微互连结构。步骤三，时效处理，对制得的Co‑P/Sn/Co‑P微互连结构进行时效处理，时效温度为150~230℃，时效时间为20~200h，得到具有[100]择尤取向的全IMC微焊点其工艺流程简单，成本低廉，制得的微焊点是以[100]择尤取向的CoSn3晶粒为主体的全IMC结构，具有比Cu6Sn5全IMC结构韧性更优的力学性能。

A preparation method of all IMC micro solder joints with [100] preferred orientation

【技术实现步骤摘要】
一种具有[100]择尤取向的全IMC微焊点的制备方法
本专利技术涉及三维封装互连焊点的制备，具体涉及一种具有[100]择尤取向的全IMC微焊点的制备方法。
技术介绍
由于集成电路硅芯片技术的发展，微电子工业中封装技术从二维逐渐过渡到三维。微焊点尺寸的减小，会对微互连焊点的可靠性产生影响。微焊点在较高温度下长期服役，界面的金属间化合物IMC不断生成并长大，使IMC在整个微互连结构中所占的比例显著增大，甚至转化为仅含有数个晶粒的IMC结构。而在集成高密度化的趋势中，焊点承受的发热问题和温度梯度问题都越来越明显，焊点尺寸也不断减小，全IMC焊点已经成为电子封装微互连结构的趋势。目前，芯片的直接Cu/焊料/Cu互连仍存在许多问题，而Cu-Sn材料系统仍是主要的微互连。Cu6Sn5和Cu3Sn的IMC层形成于Cu-Sn微焊点的界面。此外，随着封装中焊点体积的显着减少，整个焊点中IMC层的比例持续增加，并且微互连两端之间的界面距离显着减小。在极端温度梯度作用下，两端相互作用越来越大，冷端界面IMC的生长速度通常明显快于热端，而热端金属基体的溶解度更高，导致Cu3Sn和Kirkendall空隙的比例更高。Cu3Sn具有比Cu6Sn5更脆的特点，因此当Cu-Sn微焊点形成全IMC焊点后，会明显降低微焊点的力学性能。近年来，由于Co和Co-P的金属性质稳定，Co和Co-P有望用作传统CuUBM的替代品。以前的研究表明，与铜基板上的焊点相比，Co基板和Co基表面显示出比其他中间层（如Ni-P）更好的润湿性和良好的热循环寿命。此外Co/Sn和Co-P/Sn界面在327℃以下的主要产物均为CoSn3，在327℃之上的研究产物为CoSn2，但CoSn2会在低于327℃时发生二级反应生成稳定CoSn3，研究表明CoSn3具有比Cu6Sn5更优的韧性。以前的工作表明，P含量的参与会使CoSn3的形成速度减缓，同时使CoSn3保持[100]晶向生长。因此推测全CoSn3的IMC焊点具有比全Cu6Sn5的IMC焊点更优的性能，且带有择尤取向的全CoSn3的IMC更易制备，通过研究不同择尤取向的全IMC焊点来控制制备性能更优的全IMC焊点具有重要研究意义。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种具有[100]择尤取向的全IMC微焊点的制备方法，其工艺流程简单，成本低廉，制得的微焊点是以[100]择尤取向的CoSn3晶粒为主体的全IMC结构，具有比Cu6Sn5全IMC结构韧性更优的力学性能。本专利技术所述的具有[100]择尤取向的全IMC微焊点的制备方法，其包括如下步骤：步骤一，电镀，提供两块金属基底，所述金属基底的焊接面上沉积有厚度为20±2μm的Co-P纳米晶薄膜，该Co-P纳米晶薄膜中P的原子百分比为0.1~10at.%。步骤二，钎焊，将两块金属基底的焊接面对准，以纯Sn作为钎料，利用浸焊或回流焊在两块金属基底的焊接面之间制得Co-P/Sn/Co-P微互连结构。步骤三，时效处理，对制得的Co-P/Sn/Co-P微互连结构进行时效处理，时效温度为150~230℃，时效时间为20~200h，得到具有[100]择尤取向的全IMC微焊点。进一步，所述步骤一中金属基底的焊接面上通过超声辅助电沉积、化学镀、蒸镀或溅射得到Co-P纳米晶薄膜，Co-P纳米晶薄膜的厚度通过电镀时间进行控制，P的原子百分比通过电镀液成分控制，过高的P含量将会影响CoSn3的生成速度，并可能生成其他种类的IMC，影响最终产物质量。进一步，所述步骤二中浸焊或回流焊的工艺参数为：焊接温度为230~320℃，焊接时间为10~90s，冷却方式为风冷或水冷。需要对钎焊工艺参数进行特殊限定，保证形成[100]择尤取向的CoSn3初晶。采用浸焊时，焊缝宽度由钢丝或云母片控制；采用回流焊时，焊缝宽度由钢丝、云母片、填充的锡膏或厚度合适的锡片控制。进一步，所述步骤二中浸焊或回流焊的焊缝高度≤三倍Co-P纳米晶薄膜厚度。进一步，所述步骤三中时效温度和时效时间根据具体情况进行合理调整；且时效温度越高，时效时间越短；时效温度越低，时效时间越长。时效温度不得超过Sn的熔点232℃，防止焊点坍塌或变形，得不到特定取向的全IMC结构的微焊点。时效温度不得低于150℃，防止Co-P/Sn界面反应能量不充足或者反应缓慢得不到全IMC的微焊点。进一步，所述金属基底的材质为Cu、Au、Ag、Al和Ni中的一种。Co-P纳米晶薄膜与Sn发生润湿反应快速冷却后，会形成以CoSn3[100]为择尤取向的致密的单向晶粒层，且形成的CoSn3晶粒均垂直于Co-P纳米晶薄膜表面，即垂直于焊缝。而在接下来的时效过程中，由于P元素的参与，Co-P/Sn界面反应的机制为Sn向IMC层的扩散，在此情况下，CoSn3的生长方式主要为初始晶粒的继续长大，保持着晶向为[100]的优选方向，直到Sn消耗光形成全IMC微焊点。本专利技术与现有技术相比具有如下有益效果：1、本专利技术采用常用金属材料作为金属基底，Co-P纳米晶薄膜沉积于金属基底的焊接面上，通过控制钎焊工艺参数和时效参数，得到[100]择尤取向的CoSn3晶粒为主体的全IMC结构，具有比Cu6Sn5全IMC结构韧性更优的力学性能，并且无需采用具有特定晶粒取向的金属基底，大大节约了制备成本。2、本专利技术的制备过程主要为电镀、钎焊和时效处理三个部分，对设备要求较低，原料简单易得，可加工性高，便于批量化制造。3、本专利技术制得的CoSn3在275℃以稳定相存在，比Sn的熔点高出45℃，提高了焊点的服役温度，更加符合绝缘栅双极型晶体管等功率器件的封装使用要求。附图说明图1是本专利技术Co-P纳米晶薄膜的结构示意图；图2是本专利技术钎焊前的组合体示意图；图3是本专利技术钎焊后的组合体示意图；图4是本专利技术时效后的微焊点结构示意图；图5时本专利技术的CoSn3晶粒取向示意图。图中，1—金属基底，2—Co-P纳米晶薄膜，3—钎料，4—CoSn3金属间化合物。具体实施方式下面结合附图和具体实施例对本专利技术作详细说明。一种具有[100]择尤取向的全IMC微焊点的制备方法，其包括如下步骤：步骤一，电镀，提供两块材质为Cu的金属基底，首先对金属基底进行预处理，打磨抛光，酸洗去除金属基底表面的氧化膜，在金属基底侧面焊接导电线，并在每个表面涂覆阻焊油。然后采用超声辅助电沉积工艺在金属基底的焊接面上沉积有厚度为20±2μm的Co-P纳米晶薄膜，参见图1，该Co-P纳米晶薄膜中P的原子百分比为5at.%，两块金属基底的电镀时间均为10min，Co-P纳米晶薄膜的厚度均控制在20±2μm。步骤二，钎焊，将电镀后的两块金属基底轻微抛光去除毛刺，在Co-P纳米晶薄膜上涂覆助焊膏，参见图2，采用夹具将两块金属基底的焊接面对准固定，两块金属基底之间用厚度为100μm的云母片隔开，形成组合体。然后以纯Sn作为钎料，将所述组合体在焊接温度为320℃的条本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种具有[100]择尤取向的全IMC微焊点的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：/n步骤一，电镀，提供两块金属基底，所述金属基底的焊接面上沉积有厚度为20±2μm的Co-P纳米晶薄膜，该Co-P纳米晶薄膜中P的原子百分比为0.1~10at.%；/n步骤二，钎焊，将两块金属基底的焊接面对准，以纯Sn作为钎料，利用浸焊或回流焊在两块金属基底的焊接面之间制得Co-P/Sn/Co-P微互连结构；/n步骤三，时效处理，对制得的Co-P/Sn/Co-P微互连结构进行时效处理，时效温度为150~230℃，时效时间为20~200h，得到具有[100]择尤取向的全IMC微焊点。/n

【技术特征摘要】
1.一种具有[100]择尤取向的全IMC微焊点的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一，电镀，提供两块金属基底，所述金属基底的焊接面上沉积有厚度为20±2μm的Co-P纳米晶薄膜，该Co-P纳米晶薄膜中P的原子百分比为0.1~10at.%；
步骤二，钎焊，将两块金属基底的焊接面对准，以纯Sn作为钎料，利用浸焊或回流焊在两块金属基底的焊接面之间制得Co-P/Sn/Co-P微互连结构；
步骤三，时效处理，对制得的Co-P/Sn/Co-P微互连结构进行时效处理，时效温度为150~230℃，时效时间为20~200h，得到具有[100]择尤取向的全IMC微焊点。


2.根据权利要求1所述的具有[100]择尤取向的全IMC微焊点的制备方法，其特征在于：所述步骤一中金属基底的焊接面上通过超声辅助电沉积、化学镀、蒸镀或溅射得到Co-P纳米晶薄膜。
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【专利技术属性】
技术研发人员：杨栋华，杜飞，冉藤，秦浩桐，翟翔，樊涛，张春红，甘贵生，
申请(专利权)人：重庆理工大学，
类型：发明
国别省市：重庆;50