一种可以在低温下快速形成高温焊点的锡基焊料/铜颗粒复合焊料

摘要

本发明提供了一种可以在低温下快速形成高温焊点的锡基焊料/铜颗粒复合焊料，它是由锡基焊料粉、铜颗粒粉以及助焊膏组成。其中，锡基焊料粉与铜颗粒粉的重量比例在5：2至2：3之间，剩余助焊膏的重量比为4％-20％，优选锡基焊料粉的粒径尺寸为5μm-60μm，铜颗粒粉为0.1μm-10μm。该复合焊料利用锡基焊料低熔点、锡-铜良好润湿反应特性，可以在低温无压条件下短时间内形成高熔点金属间化合物(IMC)互连焊点，适用于服役过程中产生高温或者在高温条件下服役的电子器件引线互连。本发明工艺简单，成本低廉，实用性强，解决了目前芯片封装材料成本高，焊接时间长，焊接温度高的问题。

说明书

技术领域

本发明属无铅焊料合金及电子封装互连技术领域，特别涉及一种可以 在低温下快速形成高温焊点的锡基焊料/铜颗粒复合焊料及其制备方法。

背景技术

目前，电子工业的发展对微电子系统提出了多功能化，高性能化、高 密度化的要求，互连焊点在持续微小化的同时耐热问题也日益突出。对于 一些大功率的器件(如大功率LED、功率SiC芯片、汽车电子器件等)，当 其工作时内部的芯片级互连焊点需要承受200-300℃以上的高温，超过了 绝大多数的无铅焊料的熔点(210-220℃左右)。根据软钎焊互连方式的 要求，焊点服役温度必须要低于焊料熔点，也就是说，要想提高焊点的服 役温度必须选用熔点更高的焊料，就需要提高焊接温度，然而过高的焊接 温度又会造成元器件的高温损伤和界面冶金层的过度消耗。此外，对于目 前可用的高铅焊料和金锡合金焊料等高熔点焊料来说，前者对人体和环境 有严重的危害，其淘汰已是大势所趋，而后者价格成本又太高。因此开发 出成本低廉且环保的低温连接可高温应用的焊接材料已成为产业界和学术 界共同关注的热点问题。

目前，国内外关于低温连接可高温应用焊接材料的开发应用主要集中 于两个方面：利用纳米技术制备纳米金属浆料进行低温烧结和利用瞬间液 相扩散焊(TLP)技术制备全金属间化合物(IMC)互连焊点。第一种方 案是根据纳米颗粒的热力学性质，当金属颗粒直径下降到纳米级别时，表 面活性提高，纳米尺寸下的金属颗粒可以在低于其块体金属熔点的温度下 实现固相烧结，而烧结后的接头又具有块体金属的熔点。此技术属于颗粒 之间的固相连接，焊点强度、导电导热性能都较差，为了提升焊接强度， 需在焊接过程中施加一定的压力(一般数兆帕至数十兆帕不等)和较长的 保温时间(一般30分钟至1小时)，但是压力的施加不仅会影响自动化 的实施而且还会危害芯片的安全。此外，该种材料制备工艺复杂，成本 高，不适用于大规模生产。

第二个是利用瞬间液相扩散焊(TLP)连接技术，在正常软钎焊温度 下使焊料层(通常是锡基焊料)与焊盘材料(通常是铜焊盘)充分反应， 完全转变为高熔点的金属间化合物(IMC)。对于Cu-Sn化合物来说， 其熔点(415℃以上)要远高于锡基焊料合金(220℃左右)，因此所获得 的接头可以承受更高的服役温度，以此实现低温连接高温服役的目的。与 纳米金属低温烧结技术相比，这种方法简单可行，材料成本低，不但具有 较高的熔点，而且还具有优秀的电迁移和热迁移抗性，是高温稳定性非常 好的焊点。但是目前TLP工艺最大的问题就是全IMC焊点形成速度太 慢，锡基焊料层只有在2μm以下的尺寸才能在正常的软钎焊工艺范围内 (260-280℃，几分钟)完全转变为化合物。对于目前绝大多数的芯片级 焊点，其高度仍在几十至几百微米的尺度范围，Li等人[Acta Materialia 59 (2011)1198–1211]指出对于夹层厚度为25μm的Cu/Sn/Cu结构，需要在 300℃的温度下反应1小时才能完全转变为高熔点IMC焊点结构，这样的 反应效率很难应用于实际生产。

发明内容

为解决现有技术的不足，发明人结合纳米金属浆料低温烧结和利用瞬 间液相扩散焊(TLP)冶金两种方案的优势，将锡基焊料与Cu以微小颗 粒的形式在恰当的比例下均匀混合，发明了一种锡基焊料/铜微颗粒复合 焊料，该复合焊料利用锡基焊料低熔点、锡/铜良好润湿反应特性，短时 间内两者可以充分熔合、高效率的发生冶金反应，以此实现低温无压条件 下快速形成高熔点IMC焊点的目的，该复合焊料制备工艺简单，成本低 廉，所获得的焊点不但具有较高的熔点还具有较好的高温可靠性

现有技术CN1931509A和CN101148006A分别公开了一种铜粉增强 的锡基复合焊料及其制备方法，虽然这两项专利中提到了向锡基焊料中加 入铜粉，但是由于铜粉添加量较少(重量比小于5％)，也未对添加Cu 颗粒的尺寸有过多要求，这两个专利焊料所制备的互连焊点中高熔点物质 过少，焊接完成后整个互连焊点不能通过高熔点物质实现互连，因此所获 得的焊点不能满足高温应用。

然而，本发明在大量的实验基础上，向锡基焊料粉中添加合适量的铜 颗粒粉末，并对所添加铜粉的粒径有较高的要求，因此本发明所提出的焊 料可以实现短时间内形成高温焊点的目的。

以上所述优异特点的复合焊料通过以下技术方案实现：

一种可以在低温下快速形成高熔点焊点的锡基钎料/铜颗粒复合焊 料，是由锡基焊料粉、铜微颗粒粉以及助焊膏所组成，其中，锡基焊料粉 与铜颗粒粉的重量比例在5：2-2：3之间，助焊膏为复合焊料总重量的 4％-20％。优选的，所述复合焊料中锡基焊料粉与铜颗粒粉的重量比例为 4：2-1：1之间，助焊膏为复合焊料总重量的8％-12％。

如果锡基焊料粉与铜颗粒粉的重量比例超过5：2，则所形成焊点内 高熔点物质过少，互连焊点不能通过高熔点物质连接，因此所获焊点高温 下可靠性过差；如果锡基焊料粉与铜颗粒粉的重量比例小于2：3，则焊 点中起到连接成形作用的低熔点锡基焊料过少，造成焊点成形不良，互连 焊点连接强度差。

复合焊料中锡基焊料粉为熔化范围在110℃-250℃之间的锡基焊料合 金粉，其中锡含量超过42wt％，均可得到本发明相应特点的复合焊料。

特别是，所述锡基焊料粉优选为SnAgCuNi焊料合金粉，其中，Sn 含量0wt％-100wt％，Ag含量0wt％-5wt％，Cu含量0wt％-3wt％，Ni含量 0wt％-1wt％，其中，Sn、Ag、Cu、Ni的百分比之和为100％，均可得到 本发明相应特点的复合焊料。其中，特别优选SnAgCuNi中的锡含量超过 90wt％。

本发明中wt％指的是重量含量百分比。

所述复合焊料中锡基焊料粉尺寸优选为5μm-60μm，特别优选5μ m-45μm；铜颗粒粉尺寸优选为0.1-10μm，特别优选0.5-5μm。

如果锡基焊料粉尺寸小于5μm或铜颗粒小于0.1μm，则焊点成形不 良，互连焊点连接强度较差；如果锡基焊料粉末尺寸超过60μm或铜颗 粒尺寸超过10μm，则互连焊点微观组织不均匀，出现很多锡基焊料和 铜的富集区，互连焊点不能通过高熔点物质连接在一起，高温可靠性差。

所述复合焊料中的助焊膏为松香基助焊膏，可通过市售途径获得。

本发明进一步提供前述复合焊料膏的制备方法，该方法包括：

将助焊膏在20-40℃下的容器中均匀搅拌30分钟，然后将锡基焊料粉 与铜颗粒粉同时缓慢的加入进助焊膏中，继续搅拌30分钟至2小时，使 上述两种颗粒粉末均匀悬浮分布于焊剂载体中，形成稳定的膏状流体。

将锡基焊料粉与铜颗粒粉加入进助焊膏中的速度均优选为10g/min- 50g/min。

本发明技术方案相对于现有技术CN1931509A和CN101148006A分 别公开了一种铜粉增强的锡基复合焊料及其制备方法，虽然这两项专利中 提到了向锡基焊料中加入铜粉，但是由于铜粉添加量较少(重量比小于 5％)，也未对添加Cu颗粒的尺寸有过多要求，这两个专利焊料所制备的 焊点中高熔点物质过少，整个焊点不能通过高熔点物质实现互连，因此所 获得的焊点不能满足高温应用。本发明在大量的实验基础上，向锡基焊料 中添加大量的铜颗粒粉末，并对所添加Cu粉的粒径有较高的要求，因此 本发明所提出的焊料可以实现短时间内形成高温焊点的目的。

本发明与现有技术对比的有益效果是：

1.本发明以传统的锡基焊料粉以及铜颗粒粉为原料，原料通用性 强，制备工艺简单，相比目芯片封装中使用的导电银胶，纳米银浆，本发 明适应性强的同时成本低廉；

2.本发明的锡基焊料/铜颗粒复合焊料使用工艺简单，可以在低温条 件下快速实现互连，并且焊接过程中不需要施加压力，可以在略高于锡基 焊料熔点的温度(250℃左右)下短时间(2-3分钟)内形成高熔点 (415℃以上)焊点，适合于大规模生产。相比于目前使用的纳米银浆烧 结，导电银胶粘接以及TLP连接(30分钟至1小时)，焊接时间大大缩 短；

3.本发明所形成焊点的高温机械可靠性优良，所形成的焊点结构为 多晶型网格状焊点，与传统焊料所形成的焊点相比，该复合焊料所形成的 焊点内晶粒小而均匀，可以有效地避免由于个别焊点晶粒取向不利的原因 导致的焊点的提前失效。

附图说明

图1是实施例一中所形成焊点界面处SEM微观组织图；

图2是实施例一中焊点内Cu₆Sn₅化合物的EBSD晶体取向图。

图3是实施例二中所形成焊点界面处SEM微观组织图；

图4是实施例二中焊点内Cu₆Sn₅化合物的EBSD晶体取向图。

图5是实施例三中所形成焊点界面处SEM微观组织图；

图6是实施例三中焊点内Cu₆Sn₅化合物的EBSD晶体取向图。

图7是实施例四中所形成焊点界面处SEM微观组织图；

图8是实施例四中焊点内Cu₆Sn₅化合物的EBSD晶体取向图。

图9是实对比例一中所形成焊点界面处SEM微观组织图。

图10是实对比例二中所形成焊点界面处SEM微观组织图。

具体实施方式

下面结合具体事例对本发明作进一步详细说明，但是本发明的内容不 局限于实施例。

实施例一：

本实施例的锡基焊料/铜颗粒复合焊料，由市售5号Sn3.0Ag0.5Cu (即Sn96.5wt％：Ag3.0wt％：Cu0.5wt％)的锡基焊料粉(尺寸15μm-25 μm)，铜微颗粒粉(尺寸1μm-2.5μm)，助焊膏(“YIKST”牌CR135松 香型助焊膏)组成，总质量为50g，其组成部分以质量分数计为：

锡基焊料粉             56％

铜颗粒粉               34％

助焊膏                 10％

首先将市售松香型助焊膏在30r(转)/min(分钟)的转速下机械搅 拌30min(分钟)，然后将锡基焊料粉与铜颗粒粉同时缓慢的加入进助焊 膏中，添加速度为10g/min，继续搅拌1小时得到混合均匀的混合型锡基 焊料/铜颗粒复合焊料膏。

将锡基焊料/铜颗粒复合焊料膏涂敷在电镀裸铜焊盘上，形成铜焊盘/ 复合焊料膏/铜焊盘的三明治结构，置于在250℃热板上加热3分钟。图1 是实施例一中所形成焊点SEM微观组织图，其中灰色部分1是Cu₆Sn₅化 合物，黑色部分2是空洞，白色部分3是锡基焊料；图2为上述焊点中 Cu₆Sn₅的EBSD晶体取向图，表明Cu₆Sn₅的化合物在焊点中的分布情 况，可以看出焊点中Cu₆Sn₅化合物呈现出多晶型网格状结构，且整个焊 点被网格状Cu₆Sn₅化合物连接在一起。表一所示为高熔点IMC在焊点中 所占的比例，可以看出反应3分钟后，焊点中高熔点IMC的比例高达 70％。

实施例二：

本实施例的锡基焊料/铜颗粒复合焊料，由市售6号Sn3.0Ag0.5Cu (即Sn96.5wt％：Ag3.0wt％：Cu0.5wt％)的锡基焊料粉(5-15μm)，铜颗 粒粉(1-2.5μm)，助焊膏(“YIKST”牌CR138松香型助焊膏)组成，总 质量为50g，其组成部分以质量分数计为：

锡基钎料粉             54％

铜颗粒粉               36％

助焊膏                 10％

首先将市售松香型助焊膏在30r(转)/min(分钟)的转速下机械搅 拌30min(分钟)，然后将锡基焊料粉与铜颗粒粉同时缓慢的加入进助焊 膏中，添加速度为10g/min，继续搅拌1小时得到混合均匀的混合型锡基 焊料/铜颗粒复合焊料膏。

将锡基焊料/铜颗粒复合焊料涂敷在电镀裸铜焊盘上，形成铜焊盘/复 合焊料膏/铜焊盘的三明治结构，置于在250℃热板上加热3分钟后。图3 是实施例二中所形成焊点SEM微观组织图，其中灰色部分4是Cu₆Sn₅化 合物，黑色部分5是空洞，白色部分6是Sn；图4为上述焊点中Cu₆Sn₅的EBSD晶体取向图，表明Cu₆Sn₅的化合物在焊点中的分布情况，可以 看出焊点中Cu₆Sn₅化合物呈现出多晶型网格状结构，且整个焊点被网格 状Cu₆Sn₅化合物连接在一起。表一所示为高熔点IMC在焊点中所占的比 例，可以看出反应3分钟后，焊点中高熔点IMC的比例高达72％。

实施例三：

本实施例的锡基焊料/铜颗粒复合焊料，由市售4号Sn0.7Cu(即 Sn99.3wt％：Cu0.7wt％)焊料粉(20-38μm)，铜颗粒粉(1-2.5μm)，助焊膏 (“YIKST”牌JM01松香型助焊膏)组成，总质量为50g，其组成部分 以质量分数计为：

锡基焊料粉               50％

铜颗粒粉                 38％

助焊膏                   12％

首先将市售松香型助焊膏在30r/min的转速下机械搅拌30min，然后 将锡基焊料粉与铜颗粒粉同时缓慢的加入进助焊膏中，添加速度为 30g/min，继续搅拌1小时得到混合均匀的混合型焊料膏。

将锡基焊料/铜颗粒复合焊料涂敷在电镀裸铜焊盘上，形成铜焊盘/复 合焊料膏/铜焊盘的三明治结构，置于在250℃热板上加热3分钟后。图5 是实施例三中所形成焊点SEM微观组织图，其中灰色部分7是Cu₆Sn₅化 合物，黑色部分8是空洞，白色部分9是锡基焊料；图6为上述焊点中 Cu₆Sn₅的EBSD晶体取向图，表明Cu₆Sn₅的化合物在焊点中的分布情 况，可以看出焊点中Cu₆Sn₅化合物呈现出多晶型网格状结构。表一所示 为高熔点IMC在焊点中所占的比例，可以看出反应3分钟后，焊点中高 熔点IMC的比例高达73％。

实施例四：

本实施例的锡基钎料/铜颗粒复合焊料，由市售3号Sn0.5Ag0.7Cu (即Sn98.8wt％：Ag0.5wt％：Cu0.7wt％)的锡基焊料粉(25-45μm)，铜 颗粒粉(2.5-5μm)，助焊膏(“YIKST”牌JM02松香型助焊膏)组成，总 质量为50g，其组成部分以质量分数计为：

锡基焊料粉               60％

铜颗粒粉                 32％

松香型助焊膏             8％

首先将市售松香型助焊膏在30r/min的转速下机械搅拌30min，然后 将锡基焊料粉与铜颗粒粉同时缓慢的加入进助焊膏中，添加速度为 40g/min，继续搅拌1小时得到混合均匀的混合型焊料膏。

将锡基焊料/铜颗粒复合焊料涂敷在电镀裸铜焊盘上，形成铜焊盘/复 合焊料膏/铜焊盘的三明治结构，置于在250℃热板上加热3分钟后。图7 是实施例四中所形成焊点SEM微观组织图，其中灰色部分10是Cu₆Sn₅化合物，黑色部分11是空洞，白色部分12是锡基焊料；图8为上述焊点 中Cu₆Sn₅的EBSD晶体取向图，表明Cu₆Sn₅的化合物在焊点中的分布情 况，可以看出焊点中Cu₆Sn₅化合物呈现出多晶型网格状结构。表一所示 为高熔点IMC在焊点中所占的比例，可以看出反应3分钟后，焊点中高 熔点IMC的比例高达68％。

实施例五：

本实施例的锡基钎料/铜颗粒复合焊料，由市售4号Sn1.0Ag0.5Cu (即Sn98.5wt％：Ag1.0wt％：Cu0.5wt％)的锡基焊料粉(20-38μm)，铜 颗粒粉(2.5-5μm)，助焊膏(“YIKST”牌CR32松香型助焊膏)组成，总 质量为50g，其组成部分以质量分数计为：

锡基焊料粉               52％

铜颗粒粉                 32％

松香型助焊膏             16％

首先将市售松香型助焊膏在30r/min的转速下机械搅拌30min，然后 将锡基焊料粉与铜颗粒粉同时缓慢的加入进助焊膏中，添加速度为 40g/min，继续搅拌1小时得到混合均匀的混合型焊料膏。

将锡基焊料/铜颗粒复合焊料涂敷在电镀裸铜焊盘上，形成铜焊盘/复 合焊料膏/铜焊盘的三明治结构，置于在250℃热板上加热3分钟后。表 一所示为高熔点IMC在焊点中所占的比例，反应3分钟后，焊点中高熔 点IMC的比例高达73％。

实施例六：

本实施例的锡基钎料/铜颗粒复合焊料，由市售4号Sn0.7Cu0.05Ni (即Sn99.25wt％：Cu0.7wt％：Ni0.05wt％)的锡基焊料粉末(20-38μm)， 铜颗粒粉(2.5-5μm)，助焊膏(“YIKST”牌CR38松香型助焊膏)组成， 总质量为50g，其组成部分以质量分数计为：

锡基焊料粉末             60％

铜颗粒粉末               34％

松香型助焊膏             6％

首先将市售松香型助焊膏在30r/min的转速下机械搅拌30min，然后 将锡基焊料粉与铜颗粒粉同时缓慢的加入进助焊膏中，添加速度为 40g/min，继续搅拌1小时得到混合均匀的混合型焊料膏。

将锡基焊料/铜颗粒复合焊料涂敷在电镀裸铜焊盘上，形成铜焊盘/复 合焊料膏/铜焊盘的三明治结构，置于在250℃热板上加热3分钟后。表 一所示为高熔点IMC在焊点中所占的比例，反应3分钟后，焊点中高熔 点IMC的比例高达68％。

实施例七：

本实施例的锡基钎料/铜颗粒复合焊料，由市售4号Sn0.3Ag0.7Cu (即Sn99wt％：Ag0.3wt％：Cu0.7wt％)的锡基焊料粉末(20-38μm)，铜 颗粒粉(1-2.5μm)，助焊膏(“YIKST”牌CR135松香型助焊膏)组成， 总质量为50g，其组成部分以质量分数计为：

锡基焊料粉末             63％

铜颗粒粉末               27％

松香型助焊膏             10％

首先将市售松香型助焊膏在30r/min的转速下机械搅拌30min，然后 将锡基焊料粉与铜颗粒粉同时缓慢的加入进助焊膏中，添加速度为 40g/min，继续搅拌1小时得到混合均匀的混合型焊料膏。

将锡基焊料/铜颗粒复合焊料涂敷在电镀裸铜焊盘上，形成铜焊盘/复 合焊料膏/铜焊盘的三明治结构，置于在250℃热板上加热3分钟后。表 一所示为高熔点IMC在焊点中所占的比例，反应3分钟后，焊点中高熔 点IMC的比例高达58％。

实施例八：

本实施例的锡基钎料/铜颗粒复合焊料，由市售4号Sn0.3Ag0.7Cu (即Sn99wt％：Ag0.3wt％：Cu0.7wt％)的锡基焊料粉末(20-38μm)，铜 颗粒粉(1-2.5μm)，助焊膏(“YIKST”牌CR135松香型助焊膏)组成， 总质量为50g，其组成部分以质量分数计为：

锡基焊料粉               43％

铜颗粒粉                 47％

松香型助焊膏             10％

首先将市售松香型助焊膏在30r/min的转速下机械搅拌30min，然后 将锡基焊料粉与铜颗粒粉同时缓慢的加入进助焊膏中，添加速度为 40g/min，继续搅拌1小时得到混合均匀的混合型焊料膏。

将锡基焊料/铜颗粒复合焊料涂敷在电镀裸铜焊盘上，形成铜焊盘/复 合焊料膏/铜焊盘的三明治结构，置于在250℃热板上加热3分钟后。表 一所示为高熔点IMC在焊点中所占的比例，反应3分钟后，焊点中高熔 点IMC的比例高达76％。

对比例一：

本对比例的锡基焊料/铜颗粒复合焊料膏，由市售4号Sn3.0Ag0.5Cu 的(即Sn96.5wt％：Ag3.0wt％：Cu0.5wt％)锡基焊料粉(20-38μm)，助 焊膏(“YIKST”牌CR138松香型助焊膏)组成，总质量为50g，其组 成部分以质量分数计为：

锡基焊料粉               89％

助焊膏                   11％

首先将松香型助焊膏在30r/min的转速下机械搅拌30min，然后将锡 基焊料粉缓慢的加入进助焊膏中，添加速度30g/min，继续搅拌1小时得 到混合均匀的焊料膏。

将锡基焊料/铜颗粒复合焊料涂敷在电镀裸铜焊盘上，形成铜焊盘/复 合焊料膏/铜焊盘的三明治结构，置于在250℃热板上加热3分钟后。图9 是对比中所形成焊点SEM微观组织图，其中13是Cu₆Sn₅化合物，14是 Sn。表1所示为Cu₆Sn₅化合物在焊点中所占的比例，可以看出反应3分 钟后，焊点内主要成分还是锡基钎料，Cu₆Sn₅转化率很小。

对比例二：

本实施例的锡基焊料/铜颗粒复合焊料，由市售4号Sn0.5Ag0.7Cu (即Sn98.8wt％：Ag0.5wt％：Cu0.7wt％)的锡基焊料粉(20-38μm)，铜 颗粒粉(1-2.5μm)，助焊膏(“YIKST”牌CR138松香型助焊膏)组成， 总质量为50g，其组成部分以质量分数计为：

锡基焊料粉                72％

铜颗粒粉                  20％

助焊膏                     8％

首先将市售松香型助焊膏在30r/min的转速下机械搅拌30min，然后 将锡基焊料粉与铜颗粒粉同时缓慢的加入进助焊膏中，添加速度为 30g/min，继续搅拌1小时得到混合均匀的混合型焊料膏。

将锡基焊料/铜颗粒复合焊料涂敷在电镀裸铜焊盘上，形成铜焊盘/复 合焊料膏/铜焊盘的三明治结构，置于在250℃热板上加热3分钟后。图 10是实施例四中所形成焊点SEM微观组织图，其中灰色部分15是CuSn 化合物，白色部分16是Sn。表一所示为高熔点IIMC在焊点中所占的比 例，可以看出反应3分钟后，焊点中高熔点IMC的比例30％左右，且焊 点并没有被高熔点IMC连接在一起。

表一，前述各实施例对比结果如下：

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说 明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术 领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若 干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。