一种通过改变焊接参数改变Sn基钎料焊点重熔晶体取向的方法技术

本发明专利技术公开了一种通过改变焊接参数改变Sn基钎料焊点重熔晶体取向的方法，涉及材料制备与连接技术领域，以SABI钎料为原料，重熔温度为245℃～310℃，可应用于基体材料主要为Cu/Ni UBM的电子封装元器件的低温钎焊，通过工艺参数设定，得到的焊点晶体取向与普通钎料如SAC305的晶体取向不同，焊点内部晶向彼此交互交叉相互掺杂，且晶向碎且乱，形成交叉晶和多双孪晶，交叉晶和多双孪晶的存在使Sn基焊点的各向异性程度大大降低，性能均匀。性能均匀。性能均匀。

【技术实现步骤摘要】
一种通过改变焊接参数改变Sn基钎料焊点重熔晶体取向的方法


[0001]本专利技术涉及材料制备与连接
，特别是涉及一种通过改变焊接参数改变Sn基钎料焊点重熔晶体取向的方法。

技术介绍

[0002]随着微电子器件与微系统封装的小型化、高密度化及多用途化，微互连焊点所承载的热
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机械和电气负荷越来越重，因此对互连焊点可靠性的要求也越来越高。通常，无铅钎料互连焊点仅由一个或几个晶粒构成，表现出明显的各向异性，而且互连焊点在服役过程中常会发生再结晶行为。和常规再结晶不同钎料焊点中的再结晶过程伴随着金属间化合物(Intermetallic compounds，IMC)的聚集长大，会降低互连焊点局部再结晶区的力学性能，裂纹易于在弱化的再结晶区形核并扩展，进而导致互连焊点可靠性的下降。
[0003]绝大部分的无铅钎料都是Sn基合金，其中Sn含量一般为95wt.％以上，而且重熔制备的球栅阵列(Ball Grid Array，BGA)焊点往往仅由一个或几个β
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Sn晶粒所构成，β
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Sn为各向异性的体心四方(Body
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Centered Tetragonal，BCT)晶体结构，这就使得含有限数目晶粒的无铅钎料互连焊点表现出强烈的各向异性。由于不同取向的晶粒其热
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机械响应各异，因此晶粒取向的差异将会对互连焊点损伤的积累以及随后的失效模式造成不同程度的影响。
[0004]对于电子封装领域芯片等电子元器件之间的互联焊点所用钎料，一般选择使用Sn基钎料作为低温软钎焊的基础材料以获得优异的接头组织和力学性，由于钎料中被禁止使用Pb且Sn的体心立方结构导致焊点具有非常突出的各向异性，在焊点的整体性能中，形成非常不稳定的结构状态。在芯片焊点中存在大量焊点，若其中一个失效，则会导致整个电子元器件发生短路、断路故障，且焊点中的晶粒取向大多数为单晶或者孪晶。
[0005]针对Sn基钎料合金存在的以上问题，焊点的整体性能欠佳，有必要提供一种通过改变焊接参数改变Sn基钎料焊点重熔晶体取向的方法。

技术实现思路

[0006]针对Sn基钎料合金存在的以上问题，本专利技术选择熔点低且形成的焊点为多晶取向的成分，有利于延长焊点寿命，提高焊点可靠性。考虑到钎料合金中化合物以及降熔问题，本专利技术提出了适用性广、熔点低且重熔焊点取向交叉掺杂的SABI钎料合金的钎焊参数工艺方法，通过改变焊接参数改变Sn基钎料焊点重熔晶体取向。
[0007]为实现上述目的，本专利技术提供了如下方案：
[0008]本专利技术提供一种通过改变焊接参数改变Sn基钎料焊点重熔晶体取向的方法，以SABI钎料为原料，重熔温度为245℃～310℃。
[0009]进一步地，室温升温到150℃时升温速率为5℃/s，150℃升温到190℃时升温速率为1℃/s，190℃升温到重熔温度时升温速率为12℃/s，保温，在回流焊炉中冷却至室温。
[0010]进一步地，保温时间为40s。
[0011]本专利技术还提供一种由所述方法制备得到的Sn基钎料焊点重熔晶体，熔点为195℃～209℃，晶粒取向为交叉晶或多双栾晶：整体取向错杂交互，孪晶交叉生长，弥散分布，且有其他细小晶粒取向弥散分布。
[0012]本专利技术还提供所述Sn基钎料焊点重熔晶体在电子封装元器件之间钎焊方面的应用。
[0013]本专利技术提供所述Sn基钎料焊点重熔晶体在电子封装元器件之间钎焊方面的应用，包括以下步骤：将焊盘的间隔固定为300μm～400μm范围，采用高温回流炉焊接，将电子封装元器件焊接到一起。
[0014]优选地，焊接条件均为在正常大气压和室温下进行。
[0015]优选地，所述SABI钎料为Sn/Ag/Bi/In钎料，其成分及重量百分比为：Ag 3.5，Bi 0.5，In 8.0，Sn余量。所述SABI钎料为膏状钎料，且长存放于0～10℃的环境中。
[0016]现有技术中应用范围最广的钎料为SAC305，晶体取向多为单晶或者孪晶，有着很强的各向异性，对硬度性能和电迁移性能有不利影响，重熔温度过高会导致材料耐热疲劳性减退、有可能导致GRN360抑制残渣、表面龟裂的效果，所以一般Sn基钎料的重熔温度不超过260℃。但是，本专利技术采用重熔温度为245℃～310℃对SnAgBiIn钎料进行焊接，会形成交叉晶或者多双孪晶，多晶或者晶粒取向混乱交互掺杂的晶粒取向在硬度和电迁移有着正面的效果，交叉晶和多双孪晶的存在使Sn基焊点的各向异性程度大大降低，性能均匀。
[0017]本专利技术通过改变焊接参数以及特定钎料的选取，以获得多双孪晶、交叉晶等其他不同的晶粒取向，焊点中晶粒取向的多样性可以使焊点的各向异性导致的影响降低。本专利技术中Sn基钎料的成分重量百分比优选为：Sn88.0wt％；Ag3.5wt％；Bi0.5wt％；In8.0wt％。Sn基钎料可应用于基体材料主要为Cu/Ni UBM的电子封装元器件的低温钎焊。本专利技术Sn基钎料中In合金成分较高，Bi和In能够降低Sn基钎料的过冷度，且在焊点内部弥散分布，在重熔过程中，焊点内部形核率增加，重熔温度从245℃提高到310℃，焊点晶粒取向从交叉晶转变为多双孪晶，通过对焊接参数的调节，进而可以改变焊点重熔晶体取向。在设定参数下重熔得到的焊点整体取向错杂交互，孪晶交叉生长,且有其他细小晶粒取向弥散分布，称这种晶粒取向为“交叉晶”。在设定参数下重熔得到的焊点整体取向错杂交互，孪晶交叉生长弥散分布，在焊点的极图上可以找到多个双孪晶，称这种晶粒取向为“多双孪晶”。本专利技术得到的焊点晶体取向与普通钎料(如SAC305)的晶体取向不同，“交叉晶”和“多双孪晶”的存在使Sn基焊点的各向异性程度大大降低，性能均匀。
[0018]本专利技术公开了以下技术效果：
[0019]1)本专利技术Sn基钎料中的合金元素增多，不含有毒有害元素Pb，且能够增强互联焊点的抗电迁移性能，能够大大提高焊点可靠性，延长焊点寿命，使Sn基钎料焊点的熔点降低，能够在更低的温度参数下进行软钎焊，保证芯片焊接损耗率更低；
[0020]2)本专利技术Sn基钎料在重熔后形成焊点，Sn焊点的硬度的各向异性影响降低，焊点的力学性能提高，强度变得均匀；
[0021]3)普通钎料在重熔形成焊点后，焊点的晶粒取向基本均为单晶或孪晶，但是本专利技术重熔温度从245℃提高到310℃，焊点晶粒取向从交叉晶转变为多双孪晶，通过对焊接参数的调节，进而可以改变焊点重熔晶体取向。在设定参数下重熔得到的焊点整体取向错杂
交互，孪晶交叉生长,且有其他细小晶粒取向弥散分布，称这种晶粒取向为“交叉晶”。在设定参数下重熔得到的焊点整体取向错杂交互，孪晶交叉生长弥散分布，在焊点的极图上可以找到多个双孪晶，称这种晶粒取向为“多双孪晶”，在一定程度上能够抑制焊点在通电过程中的电迁移损伤行为；
[0022]4)本专利技术能够控制温度参数，可以获得不同的晶体取向以及晶体结构以适应不同的应用环境；工艺简单，操作方便；同时获得的对接接头本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种通过改变焊接参数改变Sn基钎料焊点重熔晶体取向的方法，其特征在于，以SABI钎料为原料，重熔温度为245℃～310℃。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，室温升温到150℃时升温速率为5℃/s，150℃升温到190℃时升温速率为1℃/s，190℃升温到重熔温度时升温速率为12℃/s，保温，在回流焊炉中冷却至室温...

【专利技术属性】
技术研发人员：汉晶，曹恒，郭福，马立民，晋学轮，孟洲，吕伊铭，贾强，周炜，籍晓亮，
申请(专利权)人：北京工业大学，
类型：发明
国别省市：