[發明專利]通過施加電流制備多晶結構無鉛互連焊點的方法

有效

• 申請號: 201810102951.8
• 申請日: 2018-02-01
• 公開（公告）號: CN108422117B
• 公開（公告）日: 2021-04-16
• 發明（設計）人: 漢晶;郭福
• 申請（專利權）人: 北京工業大學
• 主分類號: B23K28/00
• 分類號: B23K28/00
• 代理公司: 北京思海天達知識產權代理有限公司 11203
• 代理人: 張立改

通過施加電流制備多晶結構無鉛互連焊點的方法，屬于材料制備與連接領域，適用于制備具有多晶取向的無鉛互連焊點，制作的焊點多晶比例達到100％，可以顯著提高無鉛互連焊點的服役可靠性。本發明的優點在于能夠制備各種結構的無鉛互連焊點，如對接、搭接和球柵陣列(Ball Grid Array,BGA)焊點封裝結構等，保證得到的無鉛互連焊點具備多晶結構；工藝簡單，成本低廉，除了在重熔制備過程中通電之外與傳統的焊點制備工藝無異；同時獲得的無鉛互連焊點能夠滿足實際應用的需求。

技術領域

本發明為通過施加電流制備多晶結構無鉛互連焊點的方法，屬于材料制備與連接領域，適用于制備具有多晶取向的無鉛互連焊點，通過本發明制作的焊點多晶比例達到100％，可以顯著提高無鉛互連焊點的服役可靠性。

背景技術

焊點在微電子器件中起到了機械連接和電信號傳輸等作用，是微電子封裝不可或缺的組成部分。如今，一方面，微電子器件不斷向微、輕、薄和多功能化方向發展；另一方面，封裝空間減小，電流密度增大，芯片產熱增加，焊點所處的工作環境變得前所未有的苛刻。而且，由于環境溫度的變化和電源的頻繁開關，不同封裝材料間熱膨脹系數的巨大差異導致焊點所承受的應力應變進一步增加。因此，焊點成為電子器件中的薄弱環節，電子器件的可靠性和使用壽命在很大程度上取決于焊點的可靠性。

傳統的SnPb共晶釬料焊點往往呈現各向同性，這主要是由于Sn和Pb兩相在SnPb焊點中的分布相對均勻，但是Pb有毒，歐盟指令已明確禁止使用，因此無鉛釬料在近年來得到了發展。然而，與SnPb焊點不同，無鉛互連焊點表現出強烈的各向異性，這是因為無鉛互連焊點通常由單晶或有限個β-Sn晶粒構成，而β-Sn具有體心四方的晶體結構，其晶格常數為a＝b＝0.5632，c＝0.3182，c/a＝0.546，具有強烈的各向異性。因此，會嚴重影響無鉛互連焊點的可靠性，焊點中每一個晶粒的晶體取向都與其可靠性密切相關。比如，在熱循環過程中，如果焊點中β-Sn晶粒的c軸與焊盤所在平面接近平行，那么釬料與焊盤材料間的CTE失配較大，具有這種晶體取向的互連焊點將會更容易發生失效；再比如，在電遷移過程中，焊點中原子的擴散速率受到β-Sn晶粒的影響，原子沿β-Sn晶粒的c軸擴散速率要明顯高于沿a軸或b軸，具有c軸與焊盤所在平面接近垂直晶體取向的焊點將會更容易發生失效。因此，在無鉛焊點內部形成多晶結構，使其呈現各向同性，對提高連焊點的可靠性有非常重要的意義。

本發明在焊點重熔過程中采用對焊點施加電流的制備方法，成功制備得到了無鉛多晶焊點，這是由于在電流的作用下，焊點重熔過程中，其內部的形核核心增加，凝固后在焊點內部形成了多種晶體取向。發明人通過后續的可靠性實驗發現，多晶焊點具有更加優良的服役可靠性，包括電遷移可靠性和熱疲勞可靠性等，取得了超越傳統的SnPb釬料的優良可靠性，這是由于無鉛釬料如SnAgCu的機械性能較SnPb釬料優良，同時，兩者都具有性能優異的多晶焊點結構，因此，多晶無鉛釬料焊點如SnAgCu較SnPb釬料多晶焊點的服役可靠性顯著提高。

發明內容

本發明的目的是針對無鉛焊點單晶或孿晶結構可靠性明顯低于多晶結構焊點的特點，制備出具有多晶結構的無鉛互連焊點。多晶結構焊點的綜合服役可靠性更加優良，比如，具有某一種取向的焊點具有優異的電遷移可靠性，而具有另一種取向的焊點具有優異的熱疲勞可靠性，而多晶焊點的熱疲勞或電遷移可靠性介于兩者之間，且具有一致性。對于一個封裝結構，焊點的數目多達成百上千，任何一個焊點的失效都會造成封裝結構的整體失效，此時，多晶焊點相同服役條件下壽命一致的優點更為突出，同時具有多晶結構焊點的組件壽命預測更加一致和準確，可見，本發明制備的多晶結構無鉛互連焊點可以顯著提高焊點的綜合性能和服役可靠性。

為了達到上述目的，本發明采用了如下技術方案。

一種通過施加電流制備多晶結構無鉛互連焊點的方法，焊點結構可以為對接、搭接和BGA封裝組件等，具體包括以下步驟：

(1)、根據實際需要進行焊盤或芯片的制作，并進行清除焊盤表面的氧化物和污染物；如采用硝酸水溶液等清除焊盤等表面的氧化物，采用丙酮或乙醇等清除焊盤等表面的污染物；