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一种多次回流过程中调控微焊点Sn晶粒取向的方法

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本发明提供一种多次回流过程中调控微焊点Sn晶粒取向的方法，其特征在于：采用预设的回流工艺将由第一基底与第二基底之间具有钎料微凸点的第一金属焊盘和第二金属焊盘形成的组合体结构进行两次或两次以上钎焊回流，每次钎焊回流后钎料全部凝固形成微焊点，使得微焊点中的Sn晶粒具有择优取向或织构特征。本发明通过在钎焊第二次回流时改变相应的工艺参数，实现微焊点钎料基体Sn晶粒取向调控，形成择优取向微焊点实现第一基底和第二基底之间的互连，制作过程方便，与半导体和封装技术中的多次钎焊回流工艺有良好的兼容性，所形成的择优取向微焊点具有良好的抗电迁移和热迁移可靠性，提高微焊点或者具有以上材料组织及结构特征器件的服役寿命。

著录项

公开/公告号CN112338306A

专利类型发明专利
公开/公告日2021-02-09

原文格式PDF
申请/专利权人大连理工大学;
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申请/专利号CN202011192808.6
发明设计人赵宁;乔媛媛;马海涛;
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申请日2020-10-30
分类号B23K1/00(20060101);B23K3/08(20060101);B23K101/40(20060101);
代理机构21212 大连东方专利代理有限责任公司;
代理人徐华燊;李洪福
地址 116024 辽宁省大连市高新园区凌工路2号
入库时间 2023-06-19 09:51:02

说明书

技术领域

本发明涉及电子制造技术领域，具体而言，尤其涉及一种多次回流过程中调控微焊点Sn晶粒取向的方法。

背景技术

随着电子封装器件不断向着多功能、高性能和小体积发展，电子封装技术也由2D封装向3D封装发展，特点是轻、薄、小、高密度、高速和低成本。在微型化发展趋势下，承载供电、散热和机械支撑等作用的微焊点的尺寸持续减小，微焊点通常以Sn基钎料作为连接材料，因此，钎焊回流后Sn基钎料微焊点中仅形成几个甚至单个β-Sn晶粒。β-Sn为金属Sn的一种同素异构体，晶体结构为体心四方结构

在电子封装结构中通常包含大量的微焊点，传统互连工艺下Sn晶粒取向极为随机，导致包含有限Sn晶粒的微焊点因Sn晶粒取向的不同而具有不同的服役性能，并且在3D等先进电子封装中形成的微焊点需要经历多次回流过程，每次回流后形成的Sn晶粒的取向很难控制，不同回流之间的Sn晶粒在晶粒取向、晶粒数量等组织特征上缺乏连续性和一致性，而整个电子封装结构或器件的寿命通常由性能较差的微焊点所决定。因此，Sn晶粒的这种各向异性问题，严重地影响电子封装器件的服役性能和可靠性。

为解决上述问题，目前对于Sn晶粒取向的调控方法主要有：预制形核基体、调节钎料成分、添加外场。Sn在预制的特定金属间化合物晶面上形核，会获得特别好的晶格匹配关系，但是需要挑选出数微米量级的金属间化合物晶体片结合到焊盘上，在工艺上难于实现；调节钎料成分，提高Ag含量，以Ag原子促使Sn晶粒形貌向孪生转变的研究仅仅针对几种钎料成分展开，缺少Ag、Cu溶质浓度及耦合作用对Sn晶粒形核生长的机制研究，且增加材料成本；通过添加温度场、磁场会促使Sn晶粒沿着特定的方向生长，制备出具有择优取向的凸点可延长凸点或者具有以上材料组织的结构或器件的使用寿命，但是所引入的磁场对电子器件造成磁化作用，容易在制造过程中改变器件的性能甚至损伤器件，带来不确定的可靠性问题。更重要的是，上述技术方案始终无法解决同一个微焊点的Sn晶粒组织特征在不同回流工艺之间缺乏连续性和一致性的问题。

因此，有必要研发一种方法用以解决在多次回流过程中调控微焊点Sn晶粒取向连续、稳定的问题。

发明内容

根据上述提出微焊点的Sn晶粒组织在不同回流工艺之间缺乏连续性和一致性的技术问题，而提供一种多次回流过程中调控微焊点Sn晶粒取向的方法。本发明主要通过第一次钎焊回流凝固时在微焊点内形成强织构组织，也就是凝固后钎料基体中的Sn晶粒具有择优取向(或织构)特征，从而实现微焊点Sn晶粒取向在不同回流工艺之间具有连续性和一致性。此回流方法与现有半导体及封装工艺具有良好的兼容性；所形成的微焊点具有相同或相似的择优取向组织，且所述择优取向组织在多次回流后得以保留，使得微焊点在经历多次回流后，依然具有良好的抗电迁移和热迁移可靠性，且服役性能趋于一致，进而可以显著提高微焊点或者具有以上材料组织特征的器件的服役寿命。

本发明采用的技术手段如下：

一种多次回流过程中调控微焊点Sn晶粒取向的方法，其特征在于：采用预设的回流工艺将由第一基底与第二基底之间具有钎料微凸点的第一金属焊盘和第二金属焊盘形成的组合体结构进行两次或两次以上钎焊回流，每次钎焊回流后钎料全部凝固，形成微焊点，并使得微焊点中的Sn晶粒具有择优取向或织构特征，其中，预设的回流工艺至少包括在温度梯度下回流、在磁场作用下回流、在电流作用下回流以及在一定冷速下回流中的一种。

上述的第一基底和第二基底为芯片、转接板、封装基板和电路板中的一种。

进一步地，具体包括如下步骤：

步骤一：提供第一基底，在所述第一基底上制备至少一个第一金属焊盘，在所述第一金属焊盘上制备钎料微凸点，所述钎料微凸点为二元或多元的Sn基钎料；提供第二基底，在所述第二基底上制备至少一个第二金属焊盘；所述第一金属焊盘和第二金属焊盘具有相同的材质或异种的材质，且具有相同的排布图形；

步骤二：将所述钎料微凸点和第二金属焊盘一一对准，并接触放置，形成一个组合体；

步骤三：对步骤二形成的组合体结构在所述预设的回流工艺下进行第一次钎焊回流，直至液态钎料全部转变为固态钎料，并在界面形成金属间化合物层；所述第一金属焊盘和第二金属焊盘在钎焊回流后均有剩余；

所述第一次钎焊回流结束后，Sn基钎料将第一金属焊盘和第二金属焊盘连接在一起形成微焊点，且微焊点中的Sn晶粒具有择优取向或织构特征；

步骤四：选择所需的回流曲线对步骤三形成的微焊点进行第二次钎焊回流，所述回流曲线包括预热区、回流区和冷却区3个部分；

在所述第二次钎焊回流的整个过程中，使第一金属焊盘、第二金属焊盘以及钎料微凸点具有相同的温度，直至钎料微凸点由固态熔化为液态再全部凝固为固态；所述回流区的峰值回流温度比Sn基钎料的熔点高，且所述回流区在Sn基钎料的熔点以上保温一定时间后在冷却区冷却；

所述第一金属焊盘和第二金属焊盘在第二次钎焊回流后均有剩余；

所述第二次钎焊回流结束后，Sn基钎料再一次将第一金属焊盘和第二金属焊盘连接在一起形成微焊点，且微焊点中的Sn晶粒具有择优取向或织构特征。

进一步地，包括如下步骤：

步骤五：通过重复步骤四所述的操作流程，对步骤四形成的微焊点进行第N次钎焊回流，所述N不超过5，通常为3次较优；

所述第N次钎焊回流结束后，Sn基钎料再一次将第一金属焊盘和第二金属焊盘连接在一起形成微焊点，且微焊点中的Sn晶粒具有择优取向或织构特征。

所述第一金属焊盘和第二金属焊盘在第N次钎焊回流后仍有剩余。

进一步地，所述第一金属焊盘和第二金属焊盘具有相同的材质或异种的材质，为Cu、Ni、Co、Pt、Pd、Au和Ag中的一种或多种，所述第一金属焊盘和第二金属焊盘为单晶、孪晶或者多晶。

进一步地，所述第一金属焊盘和第二金属焊盘的厚度为2～100μm；所述钎料微凸点的厚度为1～500μm。

进一步地，所述钎料微凸点由Sn与Ag、Cu、Zn、In、Bi、Ni、Ge、Ga、Au、P、稀土元素中的一种或多种组成的二元或多元Sn基钎料组成，且Sn的质量分数大于90％。

进一步地，在步骤一中，在制备钎料微凸点之前，采用电镀、化学镀、溅射、气相沉积或蒸镀方法先在第一金属焊盘和第二金属焊盘上分别制备第一可焊层和第二可焊层；

所述第一可焊层和第二可焊层的材质为Cu、Ni、Ni-P、Co、Pt、Pd、Au、Ag和OSP中的一种或几种，所述第一可焊层与第一金属焊盘具有不同的材质，第二可焊层与第二金属焊盘具有不同的材质。

进一步地，在步骤四、五中，钎焊回流的整个过程中，使第一金属焊盘、第一可焊层、第二金属焊盘、第二可焊层以及钎料微凸点具有相同的温度，直至Sn基钎料由固态熔化为液态再全部凝固为固态。

进一步地，所述步骤四中，所述回流区的峰值回流温度最多与Sn基钎料熔点的差值不高于45℃；所述回流区在Sn基钎料的熔点以上的保温时间不少于5s；所述冷却区的冷却速率不超过20℃/s。

进一步地，所述金属间化合物为Cu-Sn、Cu-Zn、Cu-In、Cu-Ga、Ni-Sn、Co-Sn、Pt-Sn、Pd-Sn、Au-Sn和Ag-Sn中的一种或几种。

本发明提供一种电子封装微焊点多次回流过程中调控Sn晶粒取向的方法，其步骤包括：在第一基底上依次制备第一金属焊盘、第一可焊层和钎料微凸点，在第二基底上依次制备第二金属焊盘和第二可焊层，在第二可焊层的表面涂覆助焊剂，将钎料微凸点和第二可焊层一一对准、接触放置，形成一个组合体，将组合体进行多次回流处理。在第一次回流时的钎料凝固阶段通过工艺控制使微凸点具有强烈的织构特征，在第二次回流时运用不同的工艺参数使其仍然具有强烈的织构特征。

较现有技术相比，本发明具有以下优点：

本发明通过钎焊初次回流凝固阶段引入温度场、磁场、电场或采用不同的冷却速度，使得凝固后钎料基体Sn晶粒具有织构特征，通过在钎焊第二次回流时改变相应的工艺参数，使得凝固后钎料基体Sn晶粒仍具有强烈的织构特征，在后续的多次回流期间，仍然使微焊点具有织构特征，实现微焊点钎料基体Sn晶粒取向调控，从而形成具有择优取向特征的Sn基钎料微焊点，实现芯片与芯片、芯片与转接板、芯片与基板、转接板与基板或基板与电路板之间的连接。

本发明整个制作过程方便，与半导体和封装技术工艺有良好的兼容性，所形成的择优取向微焊点具有良好的抗电迁移和热迁移可靠性，同一回流条件下电子封装器件中各个微焊点钎料基体均具有择优取向，微焊点服役性能表现出良好的一致性，提高了微焊点或者具有以上材料组织及结构特征的器件的服役寿命。

基于上述理由本发明可在电子制造领域广泛推广。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明一种多次回流过程中调控微焊点Sn晶粒取向的方法中制备组合体结构的示意图。

图2为本发明一种多次回流过程中调控微焊点Sn晶粒取向的方法中制备微焊点结构的示意图。

图3为本发明一种多次回流过程中调控微焊点Sn晶粒取向的方法制备初次回流后具有析出相的择优取向微焊点的示意图。

图4为本发明图3中制备的微焊点晶粒再次回流后形成的具有析出相的择优取向微焊点的示意图。

图5为本发明实施例1条件下钎料基体晶粒取向分布对比图，图中，a1为第一次回流后的SEM图，b1为第二次回流后的SEM图，c1为第三次回流后的SEM图；a2为a1对应的Sn晶粒反极图，b2为b1对应的Sn晶粒反极图，c2为c1对应的Sn晶粒反极图；(a3-a5)为a1对应EBSD图谱，(b3-b5)为b1对应EBSD图谱，(c3-c5)为c1对应EBSD图谱。

图6为本发明实施例2条件下钎料基体晶粒取向分布对比图，图中，a1为第一次回流后的SEM图，b1为第二次回流后的SEM图，c1为第三次回流后的SEM图；a2为a1对应的Sn晶粒反极图，b2为b1对应的Sn晶粒反极图，c2为c1对应的Sn晶粒反极图；(a3-a5)为a1对应EBSD图谱，(b3-b5)为b1对应EBSD图谱，(c3-c5)为c1对应EBSD图谱。

图中：1、第一基底；2、第一金属焊盘；3、第一可焊层；4、第二基底；5、第二金属焊盘；6、第二可焊层；7、钎料微凸点；8、助焊剂；9、钎料基体；9-1、第一次回流后的择优取向Sn钎料基体；9-2、第二次回流后的择优取向Sn钎料基体；10-1、第一次回流后的析出相；10-2、第二次回流后的析出相。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当清楚，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员己知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

在本发明的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制：方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。

为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其位器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。

此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。

实施例1

如图1-5所示，本发明的一种多次回流过程中调控微焊点Sn晶粒取向的方法可以通过下述具体工艺步骤实现：

步骤一：提供第一基底1，在所述第一基底1上电镀制备20×30个厚度为50μm的Cu第一金属焊盘2的阵列，在所制得的Cu第一金属焊盘2上溅射制备Ni/Au第一可焊层3，在所述Ni/Au第一可焊层3上植SnAgCu钎料球并回流制得厚度为100μm的SnAgCu钎料微凸点7；提供第二基底4，在所述第二基底4上电镀制备20×30个厚度为50μm的Cu第二金属焊盘5的阵列，在所制得的Cu第二金属焊盘5上化学沉积OSP(Organic SolderabilityPreservatives)第二可焊层6；在OSP第二可焊层6的表面涂覆松香助焊剂8；

步骤二：将SnAgCu钎料微凸点7和OSP第二可焊层6一一对准，并接触放置，形成一个组合体；

步骤三：对步骤二形成的组合体结构加热使其在200℃/cm的温度梯度下凝固，直至SnAgCu钎料基体9全部转变为固态钎料，即第一次回流后的择优取向Sn钎料基体9-1和Ag

步骤四：对步骤三获得的择优取向的微焊点结构直接加热升温到235℃保温5s，所述整个回流过程中，Cu第一金属焊盘2、Cu第二金属焊盘5以及SnAgCu钎料基体9的温度是相同的，然后以1℃/s的冷却速度进行冷却，直至SnAgCu钎料基体9由固态熔化为液态再全部凝固为固态，即第二次回流后的择优取向Sn钎料基体9-2和Ag

步骤五：通过重复步骤四所述的操作流程，对步骤四形成的微焊点进行第3次钎焊回流，获得的互连微焊点钎料基体9中的Sn晶粒仍然具有择优取向(或织构)特征；

如附图5(a3-a5)所示，本实施例中200℃/cm的温度梯度条件下凝固后第一次回流后的择优取向Sn钎料基体9-1中的Sn晶粒具有强烈的织构特征。在235℃等温回流5s凝固后的第二次回流后的择优取向Sn钎料基体9-2中Sn晶粒取向仍然具有强烈的织构特征，如附图5(b3-b5)所示。而再次以同样的回流工艺进行回流后的微焊点钎料基体9中的Sn晶粒仍然能够保持强烈的织构特征，如附图5(c3-c5)所示。

实施例2

如图1-4和图6所示，本发明的一种多次回流过程中调控微焊点Sn晶粒取向的方法可以通过下述具体工艺步骤实现：

步骤一：提供第一基底1，在所述第一基底1上电镀制备20×30个厚度为10μm的Cu第一金属焊盘2的阵列，在所制得的Cu第一金属焊盘2上溅射制备Ni/Au第一可焊层3，在所述Ni/Au第一可焊层3上植SnAgCu钎料球并回流制得厚度为100μm的SnAgCu钎料微凸点7；提供第二基底4，在所述第二基底4上电镀制备20×30个厚度为50μm的Cu第二金属焊盘5的阵列，在所制得的Cu第二金属焊盘5上化学沉积OSP第二可焊层6；在OSP第二可焊层6的表面涂覆松香助焊剂8；

步骤二：将SnAgCu钎料微凸点7和OSP第二可焊层6一一对准，并接触放置，形成一个组合体；

步骤四：对步骤三获得的择优取向的微焊点结构直接加热升温到240℃保温120s，所述整个回流过程中，Cu第一金属焊盘2、Cu第二金属焊盘5以及SnAgCu钎料基体9的温度是相同的，然后以8℃/s的冷却速度进行冷却，直至SnAgCu钎料基体9由固态熔化为液态再全部凝固为固态，即第二次回流后的择优取向Sn钎料基体9-2和Ag

如附图6(a3-a5)所示，本实施例中200℃/cm的温度梯度条件下凝固后第一次回流后的择优取向Sn钎料基体9-1中的Sn晶粒具有强烈的织构特征。在240℃等温回流120s凝固后的第二次回流后的择优取向Sn钎料基体9-2中Sn晶粒取向仍然具有强烈的织构特征，如附图6(b3-b5)所示。而再次以同样的回流工艺进行回流后的微焊点钎料基体9中的Sn晶粒仍然能够保持强烈的织构特征，如附图6(c3-c5)所示。

实施例3