專利名稱：一種消除SnBi焊料與銅基底連接界面脆性的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于微電子互連無鉛封裝領(lǐng)域，具體為一種消除SnBi/Cu連接偶的界面脆性的方法，采用基體合金化的方法并控制回流反應(yīng)過程，抑制SnBi焊料的界面Bi偏聚，消除時(shí)效脆性并提高連接強(qiáng)度。
背景技術(shù)：
SnBi共晶合金具有低熔點(diǎn)、窄的凝固區(qū)，同時(shí)大量試驗(yàn)表明，該合金具有高強(qiáng)度和良好的抗蠕變性能，因此被譽(yù)為是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)進(jìn)行連接。然而對于SnBi焊料，焊接界面在長期時(shí)效過程后會(huì)發(fā)生Bi原子在界面的偏聚，這種偏聚極大地惡化了 SnBi/Cu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)展一種消除SnBi焊料界面時(shí)效脆性的處理技術(shù)十分必要。之前的一種有效抑制Bi脆的方法是在銅基底表面上鍍上一層Ag膜或M膜，但是這種方法實(shí)際上是SnBi與Ag或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焊料與Cu焊點(diǎn)的時(shí)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焊料與銅基底連接界面脆性的方法，解決了 SnBi焊料在Cu基底上使用的時(shí)效不可靠問題。本發(fā)明可消除SnBi/Cu連接偶界面的Bi 偏聚，抑制SnBi焊料與Cu焊點(diǎn)的時(shí)效脆性，把SnBi無鉛焊料推廣在微電子互連領(lǐng)域。本發(fā)明技術(shù)方案一種消除SnBi焊料與銅基底連接界面脆性的方法，在傳統(tǒng)的純銅基底中增加Ag 元素，改傳統(tǒng)的純銅基底為銅銀合金基底。所述的消除SnBi焊料與銅基底連接界面脆性的方法，銅銀合金基底中，Ag元素的含量在 0. 6at% _2at%。所述的消除SnBi焊料與銅基底連接界面脆性的方法，SnBi焊料與銅銀合金基底的連接，采用在180-200°C下回流5-10分鐘，空冷。所述的消除SnBi焊料與銅基底連接界面脆性的方法，SnBi焊料與銅銀合金基底連接后，放入恒溫干燥箱時(shí)效，溫度為120°C，時(shí)間10-25天。本發(fā)明的有益效果1、本發(fā)明通過將銅基底合金化，改變了 SnBi/Cu連接偶界面組織和連接性能。采用向Cu基底中加入少量的Ag元素(0.6-2at%)的方法，抑制界面Cu3Sn的生成、減少Bi 原子的析出量，同時(shí)合金化增加了 Bi在基體中的溶解度，從而達(dá)到消除界面Bi偏聚、抑制 SnBi/Cu連接界面在長期時(shí)效后的脆性的效果。2、本發(fā)明通過適當(dāng)降低回流溫度，減少了液態(tài)反應(yīng)過程中Bi在界面化合物中的固溶量，進(jìn)而減少了時(shí)效過程中Bi的析出量。從而使添加更少量的Ag既可達(dá)到消除界面 Bi偏聚的效果，并且推遲了由于界面化合物厚度增加而造成的界面連接強(qiáng)度的下降，改善了 SnBi焊料在微電子封裝時(shí)的可靠性。3、采用本發(fā)明方法獲取的焊點(diǎn)長期時(shí)效后不會(huì)出現(xiàn)脆性，且其連接強(qiáng)度受時(shí)效時(shí)間影響較小。該方法為推廣SnBi等含Bi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200°C回流焊接，120°C時(shí)效不同時(shí)間后的界面微觀結(jié)構(gòu)。其中，(a)SnBi/ Cu 時(shí)效 10 天；(b) SnBi/Cu 時(shí)效 13 天；(c) SnBi/Cul. 5Ag 時(shí)效 16 天；(d) SnBi/Cul. 5Ag 時(shí)效25天。圖2為200°C回流焊接，120°C時(shí)效不同時(shí)間的SnBi/Cu和SnBi/Cul. 5Ag的連接強(qiáng)
度和斷裂行為。圖3為180°C回流焊接，120°C時(shí)效不同時(shí)間后的界面微觀結(jié)構(gòu)。其中，(a)SnBi/ Cu 時(shí)效 15 天；(b) SnBi/Cu 時(shí)效 25 天;(c) SnBi/CuO. 6Ag 時(shí)效 25 天；(d) SnBi/Cul. 5Ag 時(shí)效25天。圖4為180°C回流焊接，120°C時(shí)效不同時(shí)間的SnBi/Cu和SnBi/Cul. 5Ag的連接強(qiáng)度和斷裂行為。
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，Cu和Cul. 5at% Ag切割打磨；2.機(jī)械拋光；3.焊接在200°C下回流8分鐘，空冷；4.時(shí)效放入恒溫干燥箱時(shí)效不同時(shí)間，時(shí)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(shí)效)；5.測試樣品時(shí)效不同時(shí)間后取出打磨拋光，分別進(jìn)行界面組織觀察和拉伸強(qiáng)度測試。如圖Ia和b所示，時(shí)效一定時(shí)間后的SnBi/Cu界面出現(xiàn)Bi偏聚顆粒，其連接強(qiáng)度急劇下降，斷裂發(fā)生在化合物與Cu界面(見圖幻，表明SnBi焊料與Cu基底連接存在明顯的界面脆性。而時(shí)效更長時(shí)間后的SnBi/Cul. 5Ag界面仍未發(fā)現(xiàn)Bi偏聚顆粒，如圖Ic和d 所示；其連接性能隨著時(shí)效時(shí)間的增加也沒有明顯的下降趨勢，斷裂發(fā)生在焊料內(nèi)部(圖 2)。上述結(jié)果表明，在Cu基體中加入1. 5at%的Ag即可消除200°C回流焊接的SnBi/Cu連接的界面Bi偏聚和時(shí)效脆性。實(shí)施例21.材料準(zhǔn)備共晶SnBi焊料，Cu、CuO. 6at% Ag和Cul. 5at% Ag切割打磨；2.機(jī)械拋光；3.焊接在180°C下回流8分鐘，空冷；4.時(shí)效放入恒溫干燥箱時(shí)效不同時(shí)間，時(shí)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(shí)效)；5.測試樣品時(shí)效不同時(shí)間后取出打磨拋光，分別進(jìn)行界面組織觀察和拉伸強(qiáng)度測試。與SnBi/Cu焊點(diǎn)相比，經(jīng)過高溫時(shí)效后，SnBi/CuO. 6Ag和SnBi/Cul. 5Ag界面仍然沒有Bi偏聚顆粒出現(xiàn)，如圖3所示。而且SnBi/Cul. 5Ag焊點(diǎn)的連接強(qiáng)度隨時(shí)效時(shí)間的增加沒有明顯的下降，早期甚至有所上升，時(shí)效25天后的拉伸斷口仍沒有發(fā)現(xiàn)脆性斷裂(見圖4)。上述結(jié)果表明，在Cu基體中加入0. 6at%的Ag即可消除180°C焊接界面的Bi偏聚， 且較低的焊接溫度可推遲由于界面化合物增長造成的強(qiáng)度下降。
權(quán)利要求
1.一種消除SnBi焊料與銅基底連接界面脆性的方法，其特征在于在傳統(tǒng)的純銅基底中增加Ag元素，改傳統(tǒng)的純銅基底為銅銀合金基底。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的消除SnBi焊料與銅基底連接界面脆性的方法，其特征在于 銅銀合金基底中，Ag元素的含量在0. 6at % -2at %。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的消除SnBi焊料與銅基底連接界面脆性的方法，其特征在于 SnBi焊料與銅銀合金基底的連接，采用在180-200°C下回流5_10分鐘，空冷。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的消除SnBi焊料與銅基底連接界面脆性的方法，其特征在于 SnBi焊料與銅銀合金基底連接后，放入恒溫干燥箱時(shí)效，溫度為120°C，時(shí)間10-25天。
全文摘要
本發(fā)明屬于微電子互連無鉛封裝領(lǐng)域，具體為一種利用銅銀合金消除SnBi/Cu連接偶界面脆性的方法，這種方法消除了傳統(tǒng)的純銅基底與SnBi焊料連接在使用過程中由于熱時(shí)效產(chǎn)生的界面Bi偏聚導(dǎo)致的界面脆性，解決了SnBi焊料在Cu基底上使用的時(shí)效不可靠問題。通過向Cu基底中加入少量的Ag(0.6-2at％)，減少了界面Cu3Sn化合物的生成而降低了Bi原子的析出量，同時(shí)也增加了Bi在基體中的溶解度；通過適當(dāng)降低回流溫度減少了Bi在化合物中的固溶度，進(jìn)而減少了Bi原子的析出量。二者共同作用達(dá)到了抑制Bi在界面上偏聚的效果，消除了界面的時(shí)效脆性，從而改善了SnBi焊料在微電子封裝時(shí)的可靠性，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(hào)C22C9/00GK102275043SQ201010196699
公開日2011年12月14日 申請日期2010年6月10日 優(yōu)先權(quán)日2010年6月10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