一种消除ＳｎＢｉ焊料与铜基连接的界面脆性方法技术

本发明专利技术属于微电子互连的无铅封装领域，具体为一种利用铜合金消除ＳｎＢｉ／Ｃｕ连接偶的界面脆性方法，解决ＳｎＢｉ焊料与Ｃｕ基底连接的脆性问题。本发明专利技术采用向铜基底中加入少量的合金元素，用以消除ＳｎＢｉ焊料与铜基连接的界面脆性，能够提高ＳｎＢｉ焊料的连接强度。这种封装基底合金化的方法改变了传统的纯铜基底，防止纯铜与ＳｎＢｉ焊料连接在使用过程中，由于高温时效产生界面Ｂｉ偏聚导致的界面脆性。通过向铜基底中加入极少量的第二合金元素抑制界面Ｂｉ的偏聚，从而改善ＳｎＢｉ焊料在微电子封装时的时效可靠性，获取焊点的连接强度受时效时间的影响较小，同时为推广ＳｎＢｉ等无铅焊料的工业化应用提供了一种理想的思路。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于微电子互连的无铅封装领域，具体为一种利用铜合金消除SnBi/Cu连 接偶的界面脆性方法，采用合金化方法能够抑制SnBi焊料的界面Bi偏聚并提高连接强度。
技术介绍
共晶SnBi具有低熔点、窄的凝固区，同时大量试验表明，该合金具有高强度和良 好的抗蠕变性能，而被誉为一种很有前景的无铅焊料。目前，在大多数连接体系中，焊料主 要是通过回流与铜反应达到一种连接作用。然而对于SnBi焊料，焊接界面在长时间时效过 程中会发生Bi的偏聚，这种偏聚极大地恶化了 SnBi/铜焊点的力学性能，成为制约SnBi焊 料广泛应用的瓶颈问题。为了使SnBi合金未来能够在电子封装领域得到推广，发展一种相 应的处理技术十分必要。在抑制SnBi焊料时效脆性方面，之前的研究一种有效抑制Bi脆的方法是在铜基 底表面上镀上一层Ag膜或Ni膜。然而，这种方法实际上是SnBi与Ag或者Ni的连接，并 没有真正解决SnBi焊料与Cu基底连接的脆性问题，而且在一些特殊的表面上并不允许镀 其他薄膜。因此，有必要开发出一种新的方法用以抑制SnBi与Cu焊点的时效脆性。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种消除SnBi/Cu连接偶的界面脆性方法，解决SnBi焊料 与Cu基底连接的脆性问题，抑制SnBi与Cu焊点的时效脆性，把SnBi这种无铅焊料推广在 微电子互连领域。本专利技术的技术方案是，在传统的纯铜基底中增加第二 合金元素，改传统的纯铜基底为铜合金基底。所述的消除SnBi焊料与铜基连接的界面脆性方法，在纯铜基底中增加第二合金 元素的含量在2at% -30at%。所述的消除SnBi焊料与铜基连接的界面脆性方法，铜合金为铜铝、铜银、铜锌或 铜锡合金。本专利技术的有益效果是1、本专利技术通过采用向铜基底中加入少量的合金元素，用以消除SnBi焊料与铜基 连接的界面脆性的方法，这种合金化方法能够提高SnBi焊料的连接强度。2、本专利技术通过封装基底合金化的方法改变了传统的纯铜基底，以防止纯铜与SnBi 焊料连接在使用过程中，由于高温时效产生界面Bi偏聚导致的界面脆性。3、本专利技术基底合金化可以通过向铜基底中加入极少量的第二合金元素抑制界面 Bi的偏聚，从而改善SnBi焊料在微电子封装时的时效可靠性。4、采用本专利技术方法获取焊点的连接强度受时效时间的影响较小，同时为推广SnBi 等无铅焊料的工业化应用提供了一种理想的思路。附图说明图1为高温时效后的界面微观结构。其中，(a)SnBi/Cu时效12. 5天；(b)SnBi/ Cu2. 5Ag 时效 12. 5 天；(c) SnBi/Cu2. 3A1 时效 13. 25 天；(d) SnBi/CuIOZn 时效 13. 25 天。图2为在高温下时效不同时间后的机械性能和断裂行为。其中，(a)SnBi/Cu ； (b) SnBi/Cu-X合金中Cu3Sn占的比例。图3为在高温下时效不同时间后的断裂侧面形貌。其中，(a)SnBi/CU2.5Ag;(b) SnBi/Cu2. 3A1 原始态和时效 17 天；(c) SnBi/Cu3Sn 原始态和时效 17 天；(d) SnBi/Cu30Zn 原始态和时效17天。图4为时效不同时间后的SnBi连接偶的疲劳性能。其中，(a)SnBi/Cu ； (b) SnBi/ Cu2. 5Ag ； (c)SnBi/CuIOZnο具体实施例方式下面结合实施例对本专利技术做进一步描述。实施例11.材料准备共晶SnBi焊料，Cu2. 5at% Ag和Cul8. 7at% Ag切割打磨；2.机械抛光；3.焊接在200°C下回流6分钟空冷；4.时效放入恒温干燥箱时效不同时间，时效温度为120°C (由于共晶SnBi焊料 熔点为139°C，因此120°C为高温时效)；5.性能测试样品经历不同时效时间后取出打磨抛光，分别进行拉伸和疲劳试验。如图Ia所示，从高温时效后的SnBi/Cu界面微观结构可以看出，SnBi焊料与Cu基 底连接存在界面脆性。如图2a和图4a所示，高温时效后的SnBi/Cu界面的机械性能有所 下降，发现断裂脆性断裂。相比铜与SnBi焊点的连接性能，经过高温时效后，SnBi/铜界面 并没有Bi颗粒的偏聚，见图lb。而且本实施例获得的焊点性能随着时效时间的增加没有 明显的下降趋势(见图2b)，时效时间超过7天后的拉伸和疲劳断口均没有发现脆性断裂。 而且，发现疲劳性能有一定的改善，见图3a和图4b。实施例21.材料准备共晶SnBi焊料，Cu2. 3at% Al切割打磨；2.机械抛光；3.焊接在200°C下回流6分钟空冷；4.时效放入恒温干燥箱时效不同时间，时效温度为120°C (由于共晶SnBi焊料 熔点为139°C，因此120°C为高温时效)；5.性能测试拉伸样品经历不同时效时间后取出打磨抛光，进行拉伸试验。相比与SnBi/铜焊点的连接性能，经过高温时效后，界面并没有Bi颗粒的偏聚，见 图lc。而且，本实施例获得的焊点性能随着时效时间的增加没有明显的下降趋势，时效时间 超过7天后的拉伸断口没有发现脆性断裂，见图3b。实施例31.材料准备共晶SnBi焊料，Cu3at% Sn切割打磨；2.机械抛光；3.焊接在200°C下回流6分钟空冷；4.时效放入恒温干燥箱时效不同时间，时效温度为120°C (由于共晶SnBi焊料 熔点为139°C，因此120°C为高温时效)；5.性能测试拉伸样品经历不同时效时间后取出打磨抛光，进行拉伸试验。相比与SnBi/铜焊点的连接性能，本实施例获得的焊点性能随着时效时间的增加 没有明显的下降趋势，时效时间超过7天后的拉伸断口没有发现脆性断裂，见图3c。实施例41.材料准备共晶SnBi焊料，CulOat% Zn和Cu30at% Zn切割打磨；2.机械抛光；3.焊接在200°C下回流6分钟空冷；4.时效放入恒温干燥箱时效不同时间，时效温度为120°C (由于共晶SnBi焊料 熔点为139°C，因此120°C为高温时效)；5.性能测试拉伸样品经历不同时效时间后取出打磨抛光，分别进行拉伸和疲劳试验。相比与SnBi/铜焊点的连接性能，经过高温时效后，界面并没有Bi颗粒的偏聚，见 图Id。而且本实施例获得的焊点性能随着时效时间的增加没有明显的下降趋势，时效时间 超过7天后的拉伸疲劳断口没有发现脆性断裂，见图3d。而且发现疲劳性能有一定的改善， 见图4c。权利要求，其特征在于在传统的纯铜基底中增加第二合金元素，改传统的纯铜基底为铜合金基底。2.根据权利要求1所述的消除SnBi焊料与铜基连接的界面脆性方法，其特征在于在 纯铜基底中增加第二合金元素的含量在2at% -30at%。3.根据权利要求1所述的消除SnBi焊料与铜基连接的界面脆性方法，其特征在于铜 合金为铜铝、铜银、铜锌或铜锡合金。全文摘要本专利技术属于微电子互连的无铅封装领域，具体为一种利用铜合金消除SnBi/Cu连接偶的界面脆性方法，解决SnBi焊料与Cu基底连接的脆性问题。本专利技术采用向铜基底中加入少量的合金元素，用以消除SnBi焊料与铜基连接的界面脆性，能够提高SnBi焊料的连接强度。这种封装基底合金化的方法改变了传统的纯铜基底，防止纯铜与SnBi焊料连接在使用过程中，由于高温时效产生界面Bi偏聚导致的界面脆性。通过向铜基底中加本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种消除ＳｎＢｉ焊料与铜基连接的界面脆性方法，其特征在于：在传统的纯铜基底中增加第二合金元素，改传统的纯铜基底为铜合金基底。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：邹鹤飞，张青科，张哲峰，
申请(专利权)人：中国科学院金属研究所，
类型：发明
国别省市：89[中国|沈阳]