一種擇優(yōu)取向織構焊點的制備方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種擇優(yōu)取向織構焊點的制備方法，屬于半導體器件制造工藝【技術領域】。該方法以錫基無鉛焊料為原料，通過在凝固過程中施加磁場的方法，制備出具有擇優(yōu)取向的焊點或者具有以上材料組織的結構或器件，調整磁場方向可以改變擇優(yōu)取向從而影響其抗電遷移性能以及其他各向異性性能。本發(fā)明基于磁場與材料的物理交互作用，不同于以往焊點的制備方法，方法簡單，可操作性強，可以大大延長焊點使用壽命，為微型器件制造提供了又一種切實可行的方法。
【專利說明】一種擇優(yōu)取向織構焊點的制備方法

【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及金屬材料制備和半導體器件制造工藝【技術領域】，具體涉及一種擇優(yōu)取向織構焊點的制備方法，可以實現材料和結構器件的定取向加工制備。

【背景技術】
[0002]錫基無鉛焊點具有環(huán)境友好性，因此在電子封裝產業(yè)得到廣泛的關注和應用。Tu等研究發(fā)現，焊點的晶粒取向對于焊點的抗電遷移性能以及電遷移失效方式具有關鍵的作用。目前，在相同的條件下，相同成分的焊點電遷移失效時間差別巨大，就是由于其取向差別造成的。普通的回流方法制備的錫基無鉛焊點目前都具有上述特點，而整個器件的使用壽命恰恰是由其壽命最短的焊點來決定的。所以，采用新的方法使所有的樣品都具有相近的取向，并且使該取向偏向于抗電遷移性能好的方向，就具有了重要的研究意義。


【發(fā)明內容】

[0003]本發(fā)明的目的在于提供一種擇優(yōu)取向織構焊點的制備方法，該方法突破了制備焊點的傳統方法，所制備的焊點具有與磁場相關的擇優(yōu)取向。
[0004]本發(fā)明的技術方案是:
[0005]一種擇優(yōu)取向織構焊點的制備方法，該方法以錫基無鉛焊料為原材料，在對其進行回流焊的工藝過程中采用磁場輔助回流，錫基無鉛焊料凝固后制得具有擇優(yōu)取向織構的焊點。具體包括如下步驟:
[0006](I)待焊接微電子產品采用錫基無鉛焊料作為焊接原材料。
[0007](2)將待焊接微電子產品置于能夠施加磁場的回流設備內，通過調整樣品位置或磁場方向確定待制備焊點所需取向的位置；
[0008](3)根據各個溫度區(qū)間的溫度需求選取合適的回流溫度曲線，然后使樣品依次經過不同的溫度區(qū)間，分別為助焊劑揮發(fā)區(qū)、回流區(qū)和凝固區(qū)間，在回流及凝固過程中施加磁場，冷卻后得到所需要取向的焊點或結構。
[0009]步驟(I)中所述錫基無鉛焊料為塊狀、薄膜、微米線、微米帶、微米管、微米顆粒、納米線、納米帶、納米管或納米顆粒等形狀。
[0010]步驟(3)中施加磁場的方向及大小可調。
[0011]步驟(3)中回流溫度區(qū)間為100-400°C，冷卻速度為0.l_100K/min，施加磁場強度為 0.01-20T。
[0012]本發(fā)明中利用磁場輔助回流制備焊點的物理方法，解決了現有回流方法中存在取向復雜、失效時間差別巨大等問題。與目前廣泛采用普通回流方法相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)占-
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[0013]1、本發(fā)明工藝簡單，易于操作，可控性強。
[0014]2、本發(fā)明通過控制磁場可以制備具有特定擇優(yōu)取向的焊點，通過改變磁場方向可以獲得具有不同方向織構的焊點。
[0015]3、利用本發(fā)明方法可以獲得具有良好的抗電遷移性能的焊點。
[0016]4、本發(fā)明可以在不同的氣氛實現具有特定取向焊點的可控制備，氣氛可以是空氣、真空、氮氣等各種氣氛。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0017]圖1是實施例中能夠施加磁場的回流設備其施加磁場的裝置結構示意圖。
[0018]圖2是實施例中能夠施加磁場的回流設備其施加磁場的裝置的側視圖。
[0019]圖3是實施例中能夠施加磁場的回流設備其施加磁場的裝置的俯視圖。
[0020]圖中:1_強磁體；2_承載臺；3-架體；4_放置支架；5_中心軸；6_樣品臺；7-固定螺母。
[0021]圖4為實施例1中采用的模擬芯片結構；圖中:11_模擬芯片；12_錫銀銅焊料；13-基板。
[0022]圖5為實施例1中采用的回流溫度曲線。
[0023]圖6為實施例1中利用錫銀銅焊料制備的焊球掃描電鏡成像。
[0024]圖7(a)為實施例1中焊球在磁場方向上的取向分布圖；圖7 (b)為實施例1中焊球在磁場方向上的反極圖。
[0025]圖8為實施例2中制備的焊球電遷移后的掃描電鏡成像。
[0026]圖9為對比例I中未加磁場制備的焊球電遷移后的掃描電鏡成像。

【具體實施方式】
[0027]下面結合附圖及實施例對本發(fā)明作進一步詳細說明。
[0028]以下實施例中所用能夠施加磁場的回流設備包括施加磁場的裝置和回流爐，所述施加磁場的裝置一優(yōu)選的結構如圖1-3所示，該裝置包括強磁體1、放置支架4、磁體固定架、中心軸5和樣品臺6 ;磁體固定架是由架體3和固設于架體3兩端的承載臺2組成，每個承載臺2上各放置一個強磁體1，強磁體I利用自身的磁性固定在所放置的承載臺2上，并在兩個承載臺2之間的空間形成勻強磁場；所述中心軸5與所述架體3轉動連接，該設置使得磁體固定架可以繞中心軸5做任意角度的轉動，調整好角度后，再通過固定螺母7將磁體固定架固定在中心軸5上。中心軸5的兩端分別連接在放置支架4上(通過螺母固定或其他固定連接方式)，放置支架4使磁體固定架和整個裝置所放置的平面保持一定距離，使其可以自由轉動。所述樣品臺6焊接于中心軸5的中間位置，并處于勻強磁場中。
[0029]所述架體3為兩個，樣品臺6設于兩個架體3之間。
[0030]上述施加磁場的裝置通過夾具將該裝置的放置支架固定在回流爐的傳送帶上，強磁體放于磁體固定架的兩個承載臺上，將磁體固定架繞中心軸轉動至所需角度，使樣品臺上的樣品(錫基無鉛焊料)處于所需方向的磁場中，然后通過緊固螺絲將支架和中心軸固定。
[0031]施加磁場的裝置置于回流爐中，為樣品在回流過程中提供強磁場，改變樣品回流之后的組織結構，提高可靠性。
[0032]實施例1
[0033](I)選擇以錫銀銅焊料(錫銀銅焊球)連接的模擬芯片作為原材料基體，焊球直徑約為300 μ m，模擬芯片如圖4所示，中間圓球狀部分為錫銀銅焊料12，本實施例中為Sn3.0Ag0.5Cu的焊球，錫銀銅焊料12的上部連接芯片11，錫銀銅焊料的下部連接基板(PCB板)13。
[0034](2)選擇能夠施加磁場的回流爐作為樣品制備設備，將基體材料放入爐內，設定回流溫度曲線，焊劑揮發(fā)區(qū)間溫度為180°C，回流區(qū)間溫度為240°C ;凝固區(qū)間溫度為180°C，冷卻速度為22.5K/min，圖5為實施例1中采用的回流溫度曲線。整個過程中樣品置于施加的磁場中，磁場強度為0.3T，方向如圖4所示垂直于PCB板和芯片，制備得到焊球(焊點)，圖6為焊球的垂直截面圖。
[0035]將所得到的焊球處理后，對其晶體取向進行分析，圖7為z軸方向對應的EBSD反極圖，從反極圖中可以看出，焊球中形成了典型的織構，說明該方法能夠改變焊點回流之后形成的組織取向；對其取向進行分析，可以看出該焊球織構垂直于c軸方向，該取向的焊點具有更好的抗電遷移性能和更長的壽命，說明該方法能夠提高焊點的可靠性。
[0036]實施例2
[0037](I)選用實施例1中的模擬芯片作為原材料基體，制作樣品。
[0038](2)樣品制作方法與實施例1中類似，焊劑揮發(fā)區(qū)間溫度為180°C，回流區(qū)間溫度為240°C ;凝固區(qū)間溫度為180°C，冷卻速度為22.5K/min,整個過程中施加磁場，磁場強度為0.5T，冷卻之后得到模擬芯片。
[0039](3)對經磁場回流得到的模擬芯片進行通電，電流密度lOKA/cm2，通電時間200h，通電完成，橫剖之后在掃描電鏡下觀察，施加磁場的樣品如圖8所示，沒有觀察到明顯的極性效應，證明該焊點具有良好的抗電遷移性能。
[0040]選擇以錫銅焊料、錫鉍焊料或錫銦焊料連接的模擬芯片作為原材料基體，按照上述方法在能夠施加磁場的回流爐中進行樣品制備，回流溫度曲線根據具體的焊料進行設定，磁場強度為0.3T，方向垂直于PCB板和芯片，對所得焊球取向進行分析，織構同樣垂直于c軸方向，該焊點具有更好的抗電遷移性能和更長的壽命。
[0041]對比例I
[0042]與實施例2不同之處在于，回流焊過程中不對樣品施加磁場。對所得模擬芯片進行通電，未加磁場樣品如圖9所示，樣品中發(fā)生了明顯的極性效應以及化合物的剝離。
[0043]以上提供的實施例僅僅是解釋說明的方式，不應認為是對本發(fā)明的范圍限制，任何根據本發(fā)明的技術方案及其發(fā)明構思加以等同替換或改變的方法，都應涵蓋在本發(fā)明的保護范圍之內。
【權利要求】
1.一種擇優(yōu)取向織構焊點的制備方法，其特征在于:該方法以錫基無鉛焊料為原材料，在對其進行回流焊的工藝過程中采用磁場輔助回流，錫基無鉛焊料凝固后制得具有擇優(yōu)取向織構的焊點。
2.根據權利要求1所述的擇優(yōu)取向織構焊點的制備方法，其特征在于:該方法包括如下步驟: (1)待焊接微電子產品采用錫基無鉛焊料作為焊接原材料。 (2)將待焊接微電子產品置于能夠施加磁場的回流設備內，通過調整樣品位置或磁場方向確定待制備焊點所需取向的位置； (3)根據各個溫度區(qū)間的溫度需求選取合適的回流溫度曲線，然后使樣品依次經過不同的溫度區(qū)間，分別為助焊劑揮發(fā)區(qū)、回流區(qū)和凝固區(qū)間，在回流及凝固過程中同時施加磁場，冷卻后得到所需要取向的焊點或結構。
3.根據權利要求2所述的擇優(yōu)取向織構焊點的制備方法，其特征在于:步驟(I)中所述錫基無鉛焊料為塊狀、薄膜、微米線、微米帶、微米管、微米顆粒、納米線、納米帶、納米管或納米顆粒形狀。
4.根據權利要求2所述的擇優(yōu)取向織構焊點的制備方法，其特征在于:步驟(3)中施加磁場的方向及大小可調。
5.根據權利要求2所述的擇優(yōu)取向織構焊點的制備方法，其特征在于:步驟(3)中回流溫度區(qū)間為100-400°C，冷卻速度為0.l-100K/min，施加磁場強度為0.01-20T。
【文檔編號】B23K1/008GK104416252SQ201310383142
【公開日】2015年3月18日 申請日期:2013年8月28日 優(yōu)先權日:2013年8月28日
【發(fā)明者】陳建強, 郭敬東, 劉開朗, 尚建庫 申請人:中國科學院金屬研究所