專利名稱：一種消除SnBi焊料與銅基連接的界面脆性方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于微電子互連的無鉛封裝領(lǐng)域，具體為一種利用銅合金消除SnBi/Cu連 接偶的界面脆性方法，采用合金化方法能夠抑制SnBi焊料的界面Bi偏聚并提高連接強(qiáng)度。
背景技術(shù)：
共晶SnBi具有低熔點(diǎn)、窄的凝固區(qū)，同時大量試驗表明，該合金具有高強(qiáng)度和良 好的抗蠕變性能，而被譽(yù)為一種很有前景的無鉛焊料。目前，在大多數(shù)連接體系中，焊料主 要是通過回流與銅反應(yīng)達(dá)到一種連接作用。然而對于SnBi焊料，焊接界面在長時間時效過 程中會發(fā)生Bi的偏聚，這種偏聚極大地惡化了 SnBi/銅焊點(diǎn)的力學(xué)性能，成為制約SnBi焊 料廣泛應(yīng)用的瓶頸問題。為了使SnBi合金未來能夠在電子封裝領(lǐng)域得到推廣，發(fā)展一種相 應(yīng)的處理技術(shù)十分必要。在抑制SnBi焊料時效脆性方面，之前的研究一種有效抑制Bi脆的方法是在銅基 底表面上鍍上一層Ag膜或Ni膜。然而，這種方法實(shí)際上是SnBi與Ag或者Ni的連接，并 沒有真正解決SnBi焊料與Cu基底連接的脆性問題，而且在一些特殊的表面上并不允許鍍 其他薄膜。因此，有必要開發(fā)出一種新的方法用以抑制SnBi與Cu焊點(diǎn)的時效脆性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種消除SnBi/Cu連接偶的界面脆性方法，解決SnBi焊料 與Cu基底連接的脆性問題，抑制SnBi與Cu焊點(diǎn)的時效脆性，把SnBi這種無鉛焊料推廣在 微電子互連領(lǐng)域。本發(fā)明的技術(shù)方案是一種消除SnBi焊料與銅基連接的界面脆性方法，在傳統(tǒng)的純銅基底中增加第二 合金元素，改傳統(tǒng)的純銅基底為銅合金基底。所述的消除SnBi焊料與銅基連接的界面脆性方法，在純銅基底中增加第二合金 元素的含量在2at% -30at%。所述的消除SnBi焊料與銅基連接的界面脆性方法，銅合金為銅鋁、銅銀、銅鋅或 銅錫合金。本發(fā)明的有益效果是1、本發(fā)明通過采用向銅基底中加入少量的合金元素，用以消除SnBi焊料與銅基 連接的界面脆性的方法，這種合金化方法能夠提高SnBi焊料的連接強(qiáng)度。2、本發(fā)明通過封裝基底合金化的方法改變了傳統(tǒng)的純銅基底，以防止純銅與SnBi 焊料連接在使用過程中，由于高溫時效產(chǎn)生界面Bi偏聚導(dǎo)致的界面脆性。3、本發(fā)明基底合金化可以通過向銅基底中加入極少量的第二合金元素抑制界面 Bi的偏聚，從而改善SnBi焊料在微電子封裝時的時效可靠性。4、采用本發(fā)明方法獲取焊點(diǎn)的連接強(qiáng)度受時效時間的影響較小，同時為推廣SnBi 等無鉛焊料的工業(yè)化應(yīng)用提供了一種理想的思路。


圖1為高溫時效后的界面微觀結(jié)構(gòu)。其中，(a)SnBi/Cu時效12. 5天；(b)SnBi/ Cu2. 5Ag 時效 12. 5 天；(c) SnBi/Cu2. 3A1 時效 13. 25 天；(d) SnBi/CuIOZn 時效 13. 25 天。圖2為在高溫下時效不同時間后的機(jī)械性能和斷裂行為。其中，(a)SnBi/Cu ； (b) SnBi/Cu-X合金中Cu3Sn占的比例。圖3為在高溫下時效不同時間后的斷裂側(cè)面形貌。其中，(a)SnBi/CU2.5Ag;(b) SnBi/Cu2. 3A1 原始態(tài)和時效 17 天；(c) SnBi/Cu3Sn 原始態(tài)和時效 17 天；(d) SnBi/Cu30Zn 原始態(tài)和時效17天。圖4為時效不同時間后的SnBi連接偶的疲勞性能。其中，(a)SnBi/Cu ； (b) SnBi/ Cu2. 5Ag ； (c)SnBi/CuIOZnο
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合實(shí)施例對本發(fā)明做進(jìn)一步描述。實(shí)施例11.材料準(zhǔn)備共晶SnBi焊料，Cu2. 5at% Ag和Cul8. 7at% Ag切割打磨；2.機(jī)械拋光；3.焊接在200°C下回流6分鐘空冷；4.時效放入恒溫干燥箱時效不同時間，時效溫度為120°C (由于共晶SnBi焊料 熔點(diǎn)為139°C，因此120°C為高溫時效)；5.性能測試樣品經(jīng)歷不同時效時間后取出打磨拋光，分別進(jìn)行拉伸和疲勞試驗。如圖Ia所示，從高溫時效后的SnBi/Cu界面微觀結(jié)構(gòu)可以看出，SnBi焊料與Cu基 底連接存在界面脆性。如圖2a和圖4a所示，高溫時效后的SnBi/Cu界面的機(jī)械性能有所 下降，發(fā)現(xiàn)斷裂脆性斷裂。相比銅與SnBi焊點(diǎn)的連接性能，經(jīng)過高溫時效后，SnBi/銅界面 并沒有Bi顆粒的偏聚，見圖lb。而且本實(shí)施例獲得的焊點(diǎn)性能隨著時效時間的增加沒有 明顯的下降趨勢(見圖2b)，時效時間超過7天后的拉伸和疲勞斷口均沒有發(fā)現(xiàn)脆性斷裂。 而且，發(fā)現(xiàn)疲勞性能有一定的改善，見圖3a和圖4b。實(shí)施例21.材料準(zhǔn)備共晶SnBi焊料，Cu2. 3at% Al切割打磨；2.機(jī)械拋光；3.焊接在200°C下回流6分鐘空冷；4.時效放入恒溫干燥箱時效不同時間，時效溫度為120°C (由于共晶SnBi焊料 熔點(diǎn)為139°C，因此120°C為高溫時效)；5.性能測試?yán)鞓悠方?jīng)歷不同時效時間后取出打磨拋光，進(jìn)行拉伸試驗。相比與SnBi/銅焊點(diǎn)的連接性能，經(jīng)過高溫時效后，界面并沒有Bi顆粒的偏聚，見 圖lc。而且，本實(shí)施例獲得的焊點(diǎn)性能隨著時效時間的增加沒有明顯的下降趨勢，時效時間 超過7天后的拉伸斷口沒有發(fā)現(xiàn)脆性斷裂，見圖3b。實(shí)施例3
1.材料準(zhǔn)備共晶SnBi焊料，Cu3at% Sn切割打磨；2.機(jī)械拋光；3.焊接在200°C下回流6分鐘空冷；4.時效放入恒溫干燥箱時效不同時間，時效溫度為120°C (由于共晶SnBi焊料 熔點(diǎn)為139°C，因此120°C為高溫時效)；5.性能測試?yán)鞓悠方?jīng)歷不同時效時間后取出打磨拋光，進(jìn)行拉伸試驗。相比與SnBi/銅焊點(diǎn)的連接性能，本實(shí)施例獲得的焊點(diǎn)性能隨著時效時間的增加 沒有明顯的下降趨勢，時效時間超過7天后的拉伸斷口沒有發(fā)現(xiàn)脆性斷裂，見圖3c。實(shí)施例41.材料準(zhǔn)備共晶SnBi焊料，CulOat% Zn和Cu30at% Zn切割打磨；2.機(jī)械拋光；3.焊接在200°C下回流6分鐘空冷；4.時效放入恒溫干燥箱時效不同時間，時效溫度為120°C (由于共晶SnBi焊料 熔點(diǎn)為139°C，因此120°C為高溫時效)；5.性能測試?yán)鞓悠方?jīng)歷不同時效時間后取出打磨拋光，分別進(jìn)行拉伸和疲勞試驗。相比與SnBi/銅焊點(diǎn)的連接性能，經(jīng)過高溫時效后，界面并沒有Bi顆粒的偏聚，見 圖Id。而且本實(shí)施例獲得的焊點(diǎn)性能隨著時效時間的增加沒有明顯的下降趨勢，時效時間 超過7天后的拉伸疲勞斷口沒有發(fā)現(xiàn)脆性斷裂，見圖3d。而且發(fā)現(xiàn)疲勞性能有一定的改善， 見圖4c。
權(quán)利要求
一種消除SnBi焊料與銅基連接的界面脆性方法，其特征在于在傳統(tǒng)的純銅基底中增加第二合金元素，改傳統(tǒng)的純銅基底為銅合金基底。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的消除SnBi焊料與銅基連接的界面脆性方法，其特征在于在 純銅基底中增加第二合金元素的含量在2at% -30at%。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的消除SnBi焊料與銅基連接的界面脆性方法，其特征在于銅 合金為銅鋁、銅銀、銅鋅或銅錫合金。
全文摘要
本發(fā)明屬于微電子互連的無鉛封裝領(lǐng)域，具體為一種利用銅合金消除SnBi/Cu連接偶的界面脆性方法，解決SnBi焊料與Cu基底連接的脆性問題。本發(fā)明采用向銅基底中加入少量的合金元素，用以消除SnBi焊料與銅基連接的界面脆性，能夠提高SnBi焊料的連接強(qiáng)度。這種封裝基底合金化的方法改變了傳統(tǒng)的純銅基底，防止純銅與SnBi焊料連接在使用過程中，由于高溫時效產(chǎn)生界面Bi偏聚導(dǎo)致的界面脆性。通過向銅基底中加入極少量的第二合金元素抑制界面Bi的偏聚，從而改善SnBi焊料在微電子封裝時的時效可靠性，獲取焊點(diǎn)的連接強(qiáng)度受時效時間的影響較小，同時為推廣SnBi等無鉛焊料的工業(yè)化應(yīng)用提供了一種理想的思路。
文檔編號B23K31/02GK101987400SQ200910012839
公開日2011年3月23日 申請日期2009年7月31日 優(yōu)先權(quán)日2009年7月31日
發(fā)明者張哲峰, 張青科, 鄒鶴飛 申請人:中國科學(xué)院金屬研究所