纳米IMC增强SnCu钎料工艺及组织性能研究

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随着电子封装技术的不断发展,各式各样的芯片的应用领域不断被拓宽,在某些对芯片应用领域服役温度要求高的领域,如汽车电子,深空探测等领域,传统的Sn基钎料无法在较高温度服役,而其它高温钎料如纳米颗粒烧结虽然可以低温烧结高温服役,但是其无法避免出现烧结孔洞等缺点,而且纳米颗粒存在其自身的问题,如纳米Cu颗粒烧结过程容易氧化而纳米Ag颗粒抗电迁移能力差,成本高度,瞬时液相连接虽然可以制备全IMC(金属间化合物)接头,但其耗时久,不适合大批量生产,因而,寻找一种新的适用于高温服役的钎料很有必要。本文致力于制备一种新型的纳米金属间化合物增强的SnCu复合钎料,它比传统钎料具有更高的服役温度,能够且经济适用性强,市场广泛,适用于高温封装。本文首先对Sn5Cu和Sn10Cu纳米颗粒进行表征而后将两种粉体通过机械混合(可加入SAC305粉体)的方式配置成Sn5Cu、Sn5Cu+20wt%SAC305、Sn10Cu以及Sn10Cu+20wt%SAC305四种复合钎料,对复合钎料基本性能进行探究。其次,将复合钎料制备成600微米焊点,与SAC305钎料制备的焊点进行对比,探究四种钎料各自合适的回流工艺参数。并探究钎料制备接头力学性能。最后,本文将对5种焊点(SAC305钎料作为对比样)进行120℃、150℃、180℃老化试验,探究焊点高温服役可靠性,并探究焊点界面IMCs层演变规律。研究结果如下:两种SnCu粉体内IMCs相均为Cu6Sn5相。制备的四种复合钎料流动性能、印刷性能良好。Sn5Cu钎料在219.56℃开始熔化,在354.19℃钎料完全熔化;Sn5Cu+20wt%SAC305钎料在209.39℃开始熔化,在221.18℃钎料完全熔化;Sn10Cu钎料在226.53℃开始熔化,在474.01℃钎料完全熔化;Sn10Cu+20wt%SAC305钎料在210.85℃开始熔化,在428.64℃钎料完全熔化。SnCu钎料回流过程气孔问题严重,对于Sn5Cu钎料和Sn5Cu+20wt%SAC305钎料在300℃下加热1 min就能很好的改善气孔问题;Sn10Cu+20wt%SAC305钎料在360℃下加热30 s时能较好解决气孔问题;而对于Sn10Cu钎料,400℃下气孔问题仍不能很好的解决。试验发现在低温下焊点内金属间化合物的形貌主要以块状为主,高温下存在复杂结构的IMC相。在回流时间为30、45、60、75 s下探究钎料接头力学性能,试验发现4种钎料制备的剪切试样内存在大量气孔,但在合理工艺参数下,其剪切强度值可以达到25 MPa以上,部分试样剪切强度接近40 MPa。对钎料焊点进行120℃、150℃、180℃老化,5种钎料焊点(含对比样SAC305)在120℃、150℃下老化到600 h,均未出现明显氧化。在180℃下老化,四种复合钎料服役可靠性均高于SAC305。计算老化过程界面IMCs层生长因子,发现SnCu粉体和SAC305粉体的比例改变,能显著影响界面IMCs层生长因子,这是因为焊点界面IMCs层的生长速率由三个部分决定:(1)Cu焊盘中铜元素与界面Sn基体反应速率;(2)焊点中铜元素对界面反应的影响;(3)焊点内IMC融入界面的影响。调节服役温度、钎料中粉体比例能有望成为调控界面反应层速率的有效措施。
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