一种可以在低温下快速形成高温焊点的锡基焊料/铜颗粒复合焊料的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明属无铅焊料合金及电子封装互连技术领域，特别涉及一种可以在低温下快 速形成高温焊点的锡基焊料/铜颗粒复合焊料及其制备方法。
【背景技术】
[0002] 目前，电子工业的发展对微电子系统提出了多功能化，高性能化、高密度化的要 求，互连焊点在持续微小化的同时耐热问题也日益突出。对于一些大功率的器件（如大 功率LED、功率SiC芯片、汽车电子器件等），当其工作时内部的芯片级互连焊点需要承受 200-300°C以上的高温，超过了绝大多数的无铅焊料的熔点（210-220°C左右）。根据软钎焊 互连方式的要求，焊点服役温度必须要低于焊料熔点，也就是说，要想提高焊点的服役温度 必须选用熔点更高的焊料，就需要提高焊接温度，然而过高的焊接温度又会造成元器件的 高温损伤和界面冶金层的过度消耗。此外，对于目前可用的高铅焊料和金锡合金焊料等高 熔点焊料来说，前者对人体和环境有严重的危害，其淘汰已是大势所趋，而后者价格成本又 太高。因此开发出成本低廉且环保的低温连接可高温应用的焊接材料已成为产业界和学术 界共同关注的热点问题。
[0003] 目前，国内外关于低温连接可高温应用焊接材料的开发应用主要集中于两个方 面：利用纳米技术制备纳米金属浆料进行低温烧结和利用瞬间液相扩散焊（TLP)技术制备 全金属间化合物（MC)互连焊点。第一种方案是根据纳米颗粒的热力学性质，当金属颗粒 直径下降到纳米级别时，表面活性提高，纳米尺寸下的金属颗粒可以在低于其块体金属熔 点的温度下实现固相烧结，而烧结后的接头又具有块体金属的熔点。此技术属于颗粒之间 的固相连接，焊点强度、导电导热性能都较差，为了提升焊接强度，需在焊接过程中施加一 定的压力（一般数兆帕至数十兆帕不等）和较长的保温时间（一般30分钟至1小时），但 是压力的施加不仅会影响自动化的实施而且还会危害芯片的安全。此外，该种材料制备工 艺复杂，成本高，不适用于大规模生产。
[0004] 第二个是利用瞬间液相扩散焊（TLP)连接技术，在正常软钎焊温度下使焊料层 (通常是锡基焊料）与焊盘材料（通常是铜焊盘）充分反应，完全转变为高熔点的金属间化 合物（MC)。对于Cu-Sn化合物来说，其熔点（415°C以上）要远高于锡基焊料合金（220°C 左右），因此所获得的接头可以承受更高的服役温度，以此实现低温连接高温服役的目的。 与纳米金属低温烧结技术相比，这种方法简单可行，材料成本低，不但具有较高的熔点，而 且还具有优秀的电迀移和热迀移抗性，是高温稳定性非常好的焊点。但是目前TLP工艺最 大的问题就是全MC焊点形成速度太慢，锡基焊料层只有在2 μ m以下的尺寸才能在正常的 软钎焊工艺范围内（260-280°C，几分钟）完全转变为化合物。对于目前绝大多数的芯片级 焊点，其高度仍在几十至几百微米的尺度范围，Li等人[Acta Materialia 59(2011) 1198 -1211]指出对于夹层厚度为25ym的Cu/Sn/Cu结构，需要在300°C的温度下反应1小时才 能完全转变为高熔点MC焊点结构，这样的反应效率很难应用于实际生产。
【发明内容】
[0005] 为解决现有技术的不足，发明人结合纳米金属浆料低温烧结和利用瞬间液相扩散 焊（TLP)冶金两种方案的优势，将锡基焊料与Cu以微小颗粒的形式在恰当的比例下均匀混 合，发明了一种锡基焊料/铜微颗粒复合焊料，该复合焊料利用锡基焊料低熔点、锡/铜良 好润湿反应特性，短时间内两者可以充分熔合、高效率的发生冶金反应，以此实现低温无压 条件下快速形成高熔点IMC焊点的目的，该复合焊料制备工艺简单，成本低廉，所获得的焊 点不但具有较高的熔点还具有较好的高温可靠性
[0006] 现有技术CN1931509A和CN101148006A分别公开了一种铜粉增强的锡基复合焊料 及其制备方法，虽然这两项专利中提到了向锡基焊料中加入铜粉，但是由于铜粉添加量较 少（重量比小于5% )，也未对添加 Cu颗粒的尺寸有过多要求，这两个专利焊料所制备的互 连焊点中高熔点物质过少，焊接完成后整个互连焊点不能通过高熔点物质实现互连，因此 所获得的焊点不能满足高温应用。
[0007] 然而，本发明在大量的实验基础上，向锡基焊料粉中添加合适量的铜颗粒粉末，并 对所添加铜粉的粒径有较高的要求，因此本发明所提出的焊料可以实现短时间内形成高温 焊点的目的。
[0008] 以上所述优异特点的复合焊料通过以下技术方案实现：
[0009] 一种可以在低温下快速形成高熔点焊点的锡基钎料/铜颗粒复合焊料，是由锡 基焊料粉、铜微颗粒粉以及助焊膏所组成，其中，锡基焊料粉与铜颗粒粉的重量比例在5: 2-2:3之间，助焊膏为复合焊料总重量的4% -20%。优选的，所述复合焊料中锡基焊料粉 与铜颗粒粉的重量比例为4 :2-1 :1之间，助焊膏为复合焊料总重量的8% -12%。
[0010] 如果锡基焊料粉与铜颗粒粉的重量比例超过5 :2,则所形成焊点内高熔点物质过 少，互连焊点不能通过高熔点物质连接，因此所获焊点高温下可靠性过差；如果锡基焊料粉 与铜颗粒粉的重量比例小于2 :3,则焊点中起到连接成形作用的低熔点锡基焊料过少，造 成焊点成形不良，互连焊点连接强度差。
[0011] 复合焊料中锡基焊料粉为熔化范围在ll〇°C -250°C之间的锡基焊料合金粉，其中 锡含量超过42wt%，均可得到本发明相应特点的复合焊料。
[0012] 特别是，所述锡基焊料粉优选为SnAgCuNi焊料合金粉，其中，Sn含量 Owt % -IOOwt %，Ag 含量 Owt % _5wt %，Cu 含量 Owt % _3wt %，Ni 含量 Owt % -Iwt %，其中， Sn、Ag、Cu、Ni的百分比之和为100%，均可得到本发明相应特点的复合焊料。其中，特别优 选SnAgCuNi中的锡含量超过90wt %。
[0013] 本发明中Wt %指的是重量含量百分比。
[0014] 所述复合焊料中锡基焊料粉尺寸优选为5 μ m-60 μ m，特别优选5 μ m-45 μ m ;铜颗 粒粉尺寸优选为〇· 1-10 μ m，特别优选0· 5-5 μ m。
[0015] 如果锡基焊料粉尺寸小于5 μ m或铜颗粒小于0. 1 μ m，则焊点成形不良，互连焊点 连接强度较差；如果锡基焊料粉末尺寸超过60 μ m或铜颗粒尺寸超过10 μ m，则互连焊点微 观组织不均匀，出现很多锡基焊料和铜的富集区，互连焊点不能通过高熔点物质连接在一 起，高温可靠性差。
[0016] 所述复合焊料中的助焊膏为松香基助焊膏，可通过市售途径获得。
[0017] 本发明进一步提供前述复合焊料膏的制备方法，该方法包括：
[0018] 将助焊膏在20_40°C下的容器中均匀搅拌30分钟，然后将锡基焊料粉与铜颗粒粉 同时缓慢的加入进助焊膏中，继续搅拌30分钟至2小时，使上述两种颗粒粉末均匀悬浮分 布于焊剂载体中，形成稳定的膏状流体。
[0019] 将锡基焊料粉与铜颗粒粉加入进助焊膏中的速度均优选为10g/min-50g/min。
[0020] 本发明技术方案相对于现有技术CN1931509A和CN101148006A分别公开了一种铜 粉增强的锡基复合焊料及其制备方法，虽然这两项专利中提到了向锡基焊料中加入铜粉， 但是由于铜粉添加量较少（重量比小于5% )，也未对添加 Cu颗粒的尺寸有过多要求，这两 个专利焊料所制备的焊点中高熔点物质过少，整个焊点不能通过高熔点物质实现互连，因 此所获得的焊点不能满足高温应用。本发明在大量的实验基础上，向锡基焊料中添加大量 的铜颗粒粉末，并对所添加 Cu粉的粒径有较高的要求，因此本发明所提出的焊料可以实现 短时间内形成高温焊点的目的。
[0021] 本发明与现有技术对比的有益效果是：
[0022] 1.本发明以传统的锡基焊料粉以及铜颗粒粉为原料，原料通用性强，制备工艺简 单，相比目芯片封装中使用的导电银胶，纳米银衆，本发明适应性强的同时成本低廉；
[0023] 2.本发明的锡基焊料/铜颗粒复合焊料使用工艺简单，可以在低温条件下快速 实现互连，并且焊接过程中不需要施加压力，可以在略高于锡基焊料熔点的温度（250°C左 右）下短时间（2-3分钟）内形成高熔点（415°C以上）焊点，适合于大规模生产。相比于目 前使用的纳米银浆烧结，导电银胶粘接以及TLP连接（30分钟至1小时），焊接时间大大缩 短；
[0024] 3.本发明所形成焊点的高温机械可靠性优良，所形成的焊点结构为多晶型网格状 焊点，与传统焊料所形成的焊点相比，该复合焊料所形成的焊点内晶粒小而均匀，可以有效 地避免由于个