复合柱状软焊材料及其制备方法与应用

1.本发明涉及焊接和电子封装技术领域，尤其涉及一种复合柱状软焊材料及其制备方法与应用，特别是用于服役环境苛刻的微电子器件或光电子器件的焊接领域。


背景技术：

2.软钎焊技术在电子封装中应用广泛，电子元器件中的焊点不仅起通电的作用，同时也提供机械支撑。热疲劳和电迁移是焊点失效的主要原因，如何提高焊点的可靠性一直是电子工业中面临的重要问题。尤其是航空航天、军工装备等领域，对于焊点可靠性的要求更高。
3.随着焊点尺寸的减小，锡焊点经常形成单晶，单晶焊点的塑性变形与电迁移表现出强烈的各向异性。例如，电流方向与晶粒取向呈一定夹角时电迁移速率极高，而呈另一夹角时电迁移则得到抑制；单晶焊点屈服强度也与取向相关，取向因子较高时焊点屈服强度低，反之屈服强度高。
4.例如，在由大量焊点组成的bga阵列中，一些取向的单晶焊点率先发生破坏，寿命低于多晶焊点，严重降低器件寿命。
5.如能够获得取向可控的单晶焊点，则可通过焊点取向的选择，使其同时具备良好的抗电迁移和抗塑性变形性能，进而显著提高电子设备的整体寿命与可靠性。


技术实现要素：

6.针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种复合柱状软焊材料及其制备方法与应用。
7.为实现前述发明目的，本发明采用的技术方案包括：
8.第一方面，本发明提供一种复合柱状软焊材料，包括单晶焊柱以及覆设于所述单晶焊柱相背两端面的焊料薄层；
9.所述单晶焊柱与焊料薄层的接触面为特定取向面，且所述焊料薄层的熔点低于所述单晶焊柱的熔点。
10.第二方面，本发明还提供一种取向可控的复合柱状软焊材料的制备方法，包括：
11.提供单晶块体，并获得所述单晶块体的取向，所述单晶块体由第一软焊材料构成；
12.1)沿所述单晶块体的特定取向面切割所述单晶块体，获得焊料片；
13.2)使熔点低于所述第一软焊材料的第二软焊材料覆设于所述焊料片的两面，形成复合材料组合体；
14.3)沿厚度方向对所述复合材料组合体进行挤压处理，获得复合材料前体；
15.4)沿所述复合材料前体的厚度方向剪切所述复合材料前体，从所述复合材料前体中分离获得复合柱状软焊材料。
16.第三方面，本发明还提供一种电子器件的焊接方法，包括：
17.提供上述复合柱状软焊材料；
18.利用所述复合柱状软焊材料对电子器件的待焊接区域进行焊接。
19.基于上述技术方案，与现有技术相比，本发明的有益效果至少包括：
20.本发明提供的软焊材料的焊接温度低，应用于电子器件的焊接时，可以获得屈服强度高、抗电迁移性能好的单晶焊点，所述单晶焊点的强度可达160mpa，电迁移速率降低90％以上；通过焊点取向的选择，使其同时具备良好的抗电迁移和抗塑性变形性能，进而显著提高电子设备的整体寿命与可靠性。
21.上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够使本领域技术人员能够更清楚地了解本技术的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合详细附图说明如后。
附图说明
22.图1是本发明一典型实施案例提供的一种复合柱状软焊材料的制备流程示意图；
23.图2是本发明一典型实施案例提供的一种复合柱状软焊材料的电镜形貌照片。
具体实施方式
24.鉴于现有技术中的不足，本案发明人经长期研究和大量实践，得以提出本发明的技术方案。如下将对该技术方案、其实施过程及原理等作进一步的解释说明。
25.在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述的方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。
26.而且，诸如“第一”和“第二”、“1)”和“2)”等之类的关系术语仅仅用来将一个与另一个具有相同名称的部件或方法步骤区分开来，而不一定要求或者暗示这些部件或方法步骤之间存在任何这种实际的关系或者顺序。
27.本发明面向焊点电流密度大、载荷高的微电子器件或光电子器件，如用于航空航天、军工装备电子设备的元器件，针对其对焊点的高可靠性要求，提供一种高低温复合柱状三明治软焊材料，替代常规焊球用于回流焊，可显著提高焊点抗电迁移和抗疲劳损伤的性能。
28.参见图1和图2，本发明实施例提供一种复合柱状软焊材料，包括单晶焊柱以及覆设于所述单晶焊柱相背两端面的焊料薄层。
29.所述单晶焊柱与焊料薄层的接触面为特定取向面，且所述焊料薄层的熔点低于所述单晶焊柱的熔点。
30.其中，所述单晶焊柱的取向是可以依据下述的制备方法进行调节的，该调节使得单晶焊柱与薄层之间的分界面(即上述接触面)可以选择为一个预先设定的特定取向面，这使得焊料的整体取向是可控的；在焊接过程中，柱状的单晶焊柱的主要作用是作为焊点主体实现焊点的高屈服强度和低电迁移速率，两个端面上的焊料薄层的主要作用是进行焊接冶金反应。
31.作为一些典型的应用示例，所述复合柱状软焊材料为高低温复合柱状软焊材料，包含中间部分的锡基高熔点焊料单晶焊柱和上下两端的锡基低熔点焊料薄层，其制造流程优选可以包括定向凝固、取向检测、切割、加压复合、低速挤压和精密冲剪，以获得上述包含
特定取向单晶焊柱的柱状高低温复合三明治焊料。
32.在一些实施方案中，所述单晶焊柱可以为锡基焊料。
33.在一些实施方案中，所述单晶焊柱还可以包括银元素和/或铜元素。
34.在一些实施方案中，所述单晶焊柱的液相线温度可以高于220℃。
35.在一些实施方案中，所述焊料薄层可以为锡基焊料。
36.在一些实施方案中，所述焊料薄层还可以包括铋元素和/或铟元素。
37.在一些实施方案中，所述焊料薄层的液相线温度可以在140℃以下。
38.在一些实施方案中，所述特定取向面可以包括β-sn的(100)晶面或其等效晶面、(110)晶面或其等效晶面以及(210)晶面或其等效晶面中的任意一种。
39.在一些实施方案中，所述焊料薄层的厚度可以在0.5mm以下。其中，所述高度是指所述单晶焊柱两个所述接触面(即上下接触面)之间的距离
40.继续参见图1，本发明实施例还提供一种取向可控的复合柱状软焊材料的制备方法，包括如下的步骤：
41.提供单晶块体，并获得所述单晶块体的取向，所述单晶块体由第一软焊材料构成。
42.1)沿所述单晶块体的特定取向面切割所述单晶块体，获得焊料片。
43.2)使熔点低于所述第一软焊材料的第二软焊材料覆设于所述焊料片的两面，形成复合材料组合体。
44.3)沿厚度方向对所述复合材料组合体进行挤压处理，获得复合材料前体。
45.4)沿所述复合材料前体的厚度方向剪切所述复合材料前体，从所述复合材料前体中分离获得复合柱状软焊材料。
46.在一些实施方案中，步骤1)具体可以包括：
47.依据所述单晶块体的取向，获得切割方向。
48.沿所述切割方向切割所述单晶块体，获得焊料片前体。
49.对所述焊料片前体的切割面进行磨光，获得所述焊料片。
50.在一些实施方案中，所述焊料片的厚度为0.5-2mm。
51.在一些实施方案中，步骤2)具体可以包括：
52.使所述第二软焊材料贴合于所述焊料片的两面，并进行加压扩散处理，获得所述复合材料组合体。
53.在一些实施方案中，所述加压扩散处理的压强低于10mpa，温度在120℃以下，时间为0.1-2h。
54.在一些实施方案中，所述第二软焊材料的厚度为0.05-0.5mm。
55.在一些实施方案中，步骤3)中，所述挤压处理的温度可以在30℃以上，应变速率可以在1
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以下，塑性变形量可以在50％以下。
56.在一些实施方案中，将所述复合材料前体剪切为多个柱状体。
57.在一些实施方案中，所述柱状体的径向宽度为0.1-1mm。
58.其中，所述的径向宽度是指所述柱状软焊材料径向(以其厚度方向为轴向)的最大尺寸，例如如果其横截面为圆形，则所述径向宽度即其直径，若为椭圆形，其径向宽度为其最大直径，若为矩形，则所述的径向宽度是指其对角线长度等等。
59.基于上述技术方案，作为一些典型的应用示例，上述软焊材料的制备方法可以采
用如下的步骤得以实施：
60.首先在真空炉中熔化锡基高熔点软焊料(即所述第一软焊材料)，采用bridgman方法制备单晶块体，检测其取向，确定切割方向，采用电火花线切割成焊料片，焊料片表面为β-sn的(100)、(110)、(210)晶面或等效晶面，打磨抛光至焊片厚度为0.5-2mm；在单晶焊片的上下表面贴合厚度0.05-0.5mm的低熔点焊料薄层(即所述第二软焊材料)，加压扩散实现界面结合，而后经过一定变形量的低应变速率挤压，降低复合焊料片厚度，通过控制应变速率和总变形量避免挤压过程中再结晶。最后采用精密冲剪装置进行精密冲剪，获得包含特定取向单晶焊柱的高低温复合三明治软焊料(即所述复合柱状软焊材料)。
61.本发明实施例还提供一种电子器件的焊接方法，包括如下的步骤：
62.提供上述任一实施方案所述的复合柱状软焊材料。
63.利用所述复合柱状软焊材料对电子器件的待焊接区域进行焊接。
64.在一些实施方案中，当进行正装焊接时，所述复合柱状软焊材料中的两面的焊料薄层具有相同的熔点。
65.在一些实施方案中，当进行倒装焊接时，两面所述焊料薄的熔点差异在10℃以上。
66.在一些实施方案中，所述倒装焊接具体包括如下的步骤：
67.在第一温度下，使所述复合柱状软焊材料焊接于第一电子器件的待焊接表面。
68.使所述第一电子器件翻转，所述待焊接表面朝下，在第二温度下，使所述复合柱状软焊材料焊接所述第一电子器件和第二电子器件。
69.其中，所述第一温度低于第二温度。
70.在一些实施方案中，所述第一电子器件的耐热性高于所述第二电子器件。
71.基于上述技术方案，作为一些具体的应用示例，上述焊接方法可以采用如下的步骤得以实施：
72.电子元器件焊接时，如采用正装焊接，则第一软焊材料的上下表面贴附相同的第二软焊材料，复合柱状软焊材料直接固定在上下两个电子元件的焊盘之间，一次回流焊接；如采用倒装焊接，则第一软焊材料的上下表面贴附的第二软焊材料熔点差别需在10℃以上，首先在较低温度下，将复合柱状软焊材料先焊接固定在较耐热的器件上，而后翻转，然后在较高温度下倒装焊接。其中，倒装焊接技术是指ic芯片面朝下，与封装外壳或布线基板直接互连的一种技术。又称倒扣焊技术。
73.以下通过若干实施例并结合附图进一步详细说明本发明的技术方案。然而，所选的实施例仅用于说明本发明，而不限制本发明的范围。
74.如无特殊说明，本发明实施例所采用的原材料、化学试剂以及分析测试方法及设备均为常规获得的。
75.实施例1
76.本实施例示例一种复合柱状软焊材料的制备方法，具体如下所示：
77.在氩气保护炉中熔化sn-3.5ag-0.7cu(wt％)焊料，熔炼温度500℃，采用bridgman方法制备焊料单晶块体，采用ebsd检测其取向。
78.沿一定的切割方向将上述单晶块体利用电火花线切割成厚度2.0mm的焊料薄片，薄片表面为β-sn的(100)晶面，机械打磨抛光至焊片厚度为1.0mm，注意控制打磨过程中的焊料变形。
79.在单晶焊片的上下表面贴合厚度0.1mm的sn-52in(wt％)焊料薄层，加压1mpa，温度30℃，扩散2小时实现界面结合，形成复合材料组合体。
80.在60℃下将得到的复合材料组合体挤压至0.6mm厚，挤压速率为5
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，得到复合材料前体。
81.最后采用精密冲剪装置对复合材料前体进行精密冲剪，获得包含单晶焊柱的高低温复合三明治软焊材料，单晶焊柱的(100)晶面平行于表面，其形貌如图2所示。
82.实施例2
83.本实施例示例实施例1中制备的复合柱状软焊材料在电子元件倒装焊接中的应用，具体如下所示：
84.(1)在硅片表面制备cu焊盘；
85.(2)在焊盘上涂膏状焊剂，将(100)晶面平行于表面的单晶焊柱粘在焊剂层上固定，短时加热使低温焊料层熔化，待焊料层凝固后可将单晶焊柱连接到焊盘上，得到预制品；
86.(3)将预制品翻转，倒扣到焊盘已涂焊剂的基板上，加热基板上的焊料层再次熔化，将预制品连接到基板的焊盘上，得到单晶焊点，其剪切强度达到60mpa，同等电流作用下界面化合物生长速率降低90％。
87.实施例3
88.本实施例示例实施例1中制备的复合柱状软焊材料在电子元件正装焊接中的应用，具体如下所示：
89.(1)在硅片和基板表面制备cu焊盘；
90.(2)在焊盘上涂膏状焊剂，将(110)晶面平行于表面的单晶焊柱夹持在硅片和基板的焊盘中间，短时加热使低温焊料层熔化，待焊料层凝固后可将单晶焊柱连接到焊盘上，得到单晶焊点；
91.(3)单晶焊点剪切强度达到65mpa，同等电流作用下界面化合物生长速率降低85％。
92.实施例4
93.本实施例示例一种复合柱状软焊材料的制备方法，具体如下所示：
94.在氩气保护炉中熔化sn-0.7cu(wt％)焊料，熔炼温度500℃，采用bridgman方法制备焊料单晶块体，采用ebsd检测其取向。
95.沿一定的切割方向将上述单晶块体利用电火花线切割成厚度1.8mm的焊料薄片，薄片表面为β-sn的(110)晶面，机械打磨抛光至焊片厚度为1.2mm，注意控制打磨过程中的焊料变形。
96.在单晶焊片的上下表面贴合厚度0.15mm的sn-58bi(wt％)焊料薄层，加压0.5mpa，温度20℃，扩散1小时实现界面结合，形成复合材料组合体。
97.在60℃下将得到的对复合材料前体挤压至0.8mm厚，挤压速率1
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得到复合材料前体。
98.最后采用精密冲剪装置进行精密冲剪，获得包含单晶焊柱的高低温复合三明治软焊料，单晶焊柱的(110)晶面平行于表面。
99.实施例5
100.本实施例示例一种复合柱状软焊材料的制备方法，具体如下所示：
101.在氩气保护炉中熔化sn-4.0ag(wt％)焊料，熔炼温度500℃，采用bridgman方法制备焊料单晶块体，采用ebsd检测其取向。
102.沿一定的切割方向将上述单晶块体利用电火花线切割成厚度2.4mm的焊料薄片，薄片表面为β-sn的(210)晶面，机械打磨抛光至焊片厚度为1.4mm，注意控制打磨过程中的焊料变形。
103.在单晶焊片的上表面贴合厚度0.1mm的sn-52in(wt％)焊料薄层，下表面贴合厚度0.1mm的sn58bi(wt％)焊料薄层；加压1mpa，温度25℃，扩散1.5小时，形成复合材料组合体。
104.在60℃下将得到的对复合材料前体挤压至0.8mm厚，挤压速率6
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s-1
得到复合材料前体。
105.最后采用精密冲剪装置进行精密冲剪，获得包含单晶焊柱的高低温复合三明治软焊料，单晶焊柱的(210)晶面平行于表面。
106.基于上述实施例，可以明确，本发明提供的复合柱状软焊材料具有可控的焊柱取向，能够通过焊点取向的选择，使其同时具备良好的抗电迁移和抗塑性变形性能，进而显著提高电子设备的整体寿命与可靠性。
107.应当理解，上述实施例仅为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。