一种适用于层叠封装的低温Sn基复合钎料体系的构建方法

摘要

一种适用于层叠封装的低温Sn基复合钎料体系的构建方法。本发明属于PoP用钎料领域。本发明是为了解决现有焊料无法满足层叠封装过程中多道次回流焊对于键合温度变化的多种熔点焊料需求的技术问题。本发明的方法：步骤1：将两种Sn基钎料按不同配比混装，测量不同配比下复合钎料的熔点；步骤2：将步骤1的结果和两种Sn基钎料各自的熔点数据进行拟合，得到拟合曲线及方程；步骤3：根据热力学计算对步骤2的拟合结果进行验证，从而完成适用于层叠封装的低温Sn基复合钎料体系的构建，并按照步骤2得到的拟合曲线及方程所对应的配比关系构建适用于层叠封装的低温Sn基复合钎料体系。

说明书

技术领域

本发明属于PoP用钎料领域，具体涉及一种适用于层叠封装的低温Sn基复合钎料体系的构建方法。

背景技术

随着封装技术的不断发展，封装密度不断提高，封装工艺窗口越来越窄，封装结构越来越复杂，因而对互连焊点的要求越来越高，目前常用的商用焊料性能越发不能满足需求。作为一种先进封装技术，PoP封装需要在已植球的芯片上进行二次回流实现连接，因此，PoP多道次回流时连接温度要逐渐降低。基于上述因素，对于焊料进行优化以提高其性能是焊料发展的一个重要方向，对于PoP来说，低温键合技术是其关键发展方向和制约因素。

对焊料进行优化目前主要有两种途径：焊料微合金化和相颗粒掺杂。焊料微合金化是通过机械混合等方法将微米、纳米级的金属或非金属颗粒(如：Ti、Fe、Ni、Sb、Ga、Al、Bi、Co、稀土元素、B等)混合进常见的焊料(SnAgCu305、Sn58Bi等)中，以提高焊点性能。掺杂颗粒在焊料内部形成金属间化合物、在焊料内部作为异质形核位点降低晶粒尺寸，细化焊料组织，同时增加位错密度；掺杂元素钉扎在晶界内部或者溶解在基体晶格中使晶格发生畸变以阻碍位错迁移；掺杂元素还能抑制焊点与焊盘间金属间化合物生长。基于上述机理，焊料微合金化可以改善材料性能，但是由于掺杂元素含量较低，对焊点材料的力学性能和熔点影响较小；掺杂元素过量会降低焊点性能；可掺杂元素较多，增强机理和增强所需含量复杂，不易产业化。

增强相颗粒掺杂是将细小的掺杂颗粒作为增强相均匀的分布在焊料组织内，对焊料组织和性能产生影响。微小尺寸的颗粒能够均匀的分散在集体中而不发生偏聚，关于颗粒掺杂增强的应用多为纳米颗粒。根据增强颗粒材料种类主要分为化合物颗粒、碳材料颗粒以及金属颗粒几种增强方式。氧化物、陶瓷、二维碳材料等第二相添加颗粒均通过细化组织和晶粒，提高晶界密度和位错密度实现晶界强化和位错强化，同时第二相颗粒作为强化相与基体复合会产生第二相强化的效果。金属颗粒增强多是通过新添加的金属颗粒与Sn反应生成新的金属间化合物相实现颗粒增强，少数金属添加(Fe、Co等)会发生未完全固溶、未完全生成金属间化合物或者发生微观偏聚等实现颗粒增强。目前颗粒掺杂改性主要存在一下缺点，一方面，第二相颗粒的过量添加会导致添加颗粒偏聚引起性能下降的问题，另一反面，增强相颗粒掺杂无法调节焊料的熔点。

对于低温连接技术，常见有使用低温钎料、金属纳米颗粒烧结，对于低温钎料来说，是由于不同成分的合金熔点不同实现连接，但是目前工业界最常用的仍为SAC305钎料，其他多种不同成分的合金钎料有性能缺陷(SnBi共晶钎料较脆，不耐冲击载荷；SnIn合金钎料较软，易发生变形)。而对于基于金属材料(Ag、Cu等)的纳米颗粒烧结，由于纳米颗粒表面能较大，在低于其熔点的情况下就会发生扩散，形成连接，实现高温连接低温服役，但是纳米颗粒成本高、易氧化、连接过程中需加压、连接强度低等缺陷限制了其应用。

发明内容

本发明是为了解决现有焊料无法满足层叠封装(package on package，PoP)过程中多道次回流焊对于键合温度变化的多种熔点焊料需求的技术问题，而提供一种适用于层叠封装的低温Sn基复合钎料体系的构建方法。

本发明的一种适用于层叠封装的低温Sn基复合钎料体系的构建方法按以下步骤进行：

步骤1：将两种Sn基钎料按不同配比混装，然后加热至形成复合焊点，测量不同配比下复合钎料的熔点；

步骤2：将步骤1得到的不同配比下复合钎料的熔点数据和两种Sn基钎料各自的熔点数据进行拟合，得到复合钎料熔点随配比变化的拟合曲线及方程；

步骤3：根据热力学计算对步骤2的拟合结果进行验证，从而完成适用于层叠封装的低温Sn基复合钎料体系的构建，并按照步骤2得到的拟合曲线及方程所对应的配比关系构建适用于层叠封装的低温Sn基复合钎料体系。

进一步限定，步骤1中所述两种Sn基钎料为两种不同熔点且互溶的钎料。

进一步限定，步骤1中所述两种Sn基钎料为SAC305和Sn-58Bi。

进一步限定，步骤1中所述两种Sn基钎料配比的比值在0-1之间任意取值。

进一步限定，步骤1中所述两种Sn基钎料的混装形式为焊膏焊球连接或层片状堆叠。

进一步限定，步骤1中所述测量不同配比下复合钎料的熔点的方法为DSC测试。

进一步限定，步骤2中所述进行拟合的熔点数据个数≥5个。

进一步限定，步骤2中采用Origin软件进行数据拟合。

进一步限定，步骤3中采用Thermo-Calc、Pandat或JMatPro热力学计算软件对步骤2的拟合结果进行验证。

本发明相比现有技术的优点如下：

本发明提供了一种基于Sn基焊料混装设计覆盖一定温度区间(两种用于混装的焊料的熔点区间)的复合焊料体系的的方法，根据拟合所得温度曲线及组织、强度测试结果，可结合PoP熔点需求进行焊料配比选择，并进行焊料性能预测，实现覆盖一定温度范围熔点的焊料体系设计，从而解决层叠封装(package on package，PoP)过程中对于多道次回流焊的不同熔点焊料需求。

附图说明

图1为实施例1的复合钎料体系混装过程示意图；

图2为实施例1的复合钎料体系的DSC曲线图；

图3为实施例1的复合钎料熔点随配比变化的拟合曲线图；

图4为实施例1步骤3拟合结果验证曲线图；

图5为实施例2的焊点截面组织形貌；其中图5a为w(SnBi)＝0.25、图5b为w(SnBi)＝0.333、图5c为w(SnBi)＝0.5、图5d为w(SnBi)＝0.667、图5e为w(SnBi)＝0.833；

图6为实施例2的焊点/焊盘进行界面组织形貌；其中图6a为w(SnBi)＝0.25、图6b为w(SnBi)＝0.333、图6c为w(SnBi)＝0.5、图6d为w(SnBi)＝0.667、图6e为w(SnBi)＝0.833；

图7为实施例2的焊点剪切测试断口形貌；其中区域A-Solder断裂区、区域B-IMC断裂区、区域C-Solder-IMC断裂区。

具体实施方式

实施例1：本实施例的一种适用于层叠封装的低温Sn基复合钎料体系的构建方法按以下步骤进行：

步骤1：将Sn-3Ag-0.5Cu(SAC305)焊膏和Sn-58Bi(SnBi)焊球按w(SnBi)＝0.5、0.333、0.25这三种配比进行混装(混装过程示意图如图1所示)，然后加热至形成复合焊点，采用DSC测试测量三种配比下复合钎料的熔点；其中加热至SnBi熔点以上后SnBi熔化，SAC305焊球向液态钎料中固液扩散，当加热峰值温度高于该复合钎料的熔点时保温，形成均匀的Sn-Ag-Cu-Bi焊点；DSC测试结果如图2所示，w(SnBi)为0.5时焊料熔点为182℃，w(SnBi)为0.333时焊料熔点为192℃，w(SnBi)为0.25时焊料熔点为200℃，第一个相同温度的吸热峰为Sn-Bi体系的共晶温度；

步骤2：将步骤1得到的三种配比下复合钎料的熔点数据和两种Sn基钎料各自的熔点数据(纯SAC305焊料熔点218℃，纯Sn-58Bi焊料熔点139℃)采用Origin软件进行拟合，得到复合钎料熔点随配比变化的拟合曲线(如图3所示)及方程T＝218.6-78.3w(SnBi)；

步骤3：采用JMatPro热力学计算软件根据热力学计算对步骤2的拟合结果进行验证，取w(SnBi)＝0.25、0.333、0.5、0.667、0.833，将计算结果与步骤2的拟合结果对比(对比结果如图4所示)，结果吻合，从而完成适用于层叠封装的低温Sn基复合钎料体系的构建，并按照步骤2得到的拟合曲线及方程所对应的配比关系构建适用于层叠封装的低温Sn基复合钎料体系。

实施例2：采用实施例1构建的复合钎料体系，复合钎料体系中SnBi的质量分数w(SnBi)＝0.25、0.333、0.5、0.667、0.833，将复合钎料体系混装在Cu表面，然后进行熔化焊以实现焊点与Cu的连接，所述熔化焊的处理过程为：先由室温升温至240℃，保温50s，然后再由240℃降温至室温，其中以由室温升温至138℃时为第一节点，以由240℃降温至138℃时为第二节点，两个节点间共用时320s，得到五种配比下的复合钎料焊点。

对实施例2的焊点进行研磨抛光后在扫描电子显微镜下进行组织观察，得到焊点整体截面组织形貌如图5所示，白色为白色Bi相，灰色区域为Sn相，少量Ag

对实施例2的焊点/焊盘进行界面组织分析，如图6所示，界面反应金属间化合物主要为Cu6Sn5，呈扇贝状，随着SnBi含量增加，Bi相形貌逐渐由颗粒状占比较多转变为共晶网状组织占比较多，由图像可以发现，随着Bi相的增加，IMC的形貌逐渐由波动较大变得平缓，金属间化合物生长受到抑制效应增强。

对实施例2的焊点进行剪切测试，测试参数为剪切速度100μm/s，剪切高度150μm。除w(SnBi)＝0.25、0.333、0.5、0.667、0.833以外，另增加纯SnBi焊料(w(SnBi)＝1时)焊点做对比。结果显示在w(SnBi)＝0.5时剪切强度最大达到62.1MPa。断口对比可以发现，w(SnBi)＝0时焊点断裂在焊料内部，断口形貌如图7，当掺杂SnBi后，断口处出现在IMC处断裂和在焊料内断裂同时出现的情况，随着SnBi含量增加，在IMC处断裂面积逐渐减小。