一种保证对接单晶焊点晶粒取向一致的方法与流程

本发明为一种保证对接单晶焊点晶粒取向一致的方法，属于材料制备与连接领域，适用于制备晶粒取向一致的微型钎焊对接接头，应用于微电子连接的力学、热学以及电学的可靠性研究。该工艺可以有效保证焊点的尺寸和晶粒取向，进而保证钎焊对接接头的可靠性测试数据的可比性。

背景技术：

焊点是微电子互连中不可或缺的组成部分，起到了机械连接和电信号传输的作用。目前，微电子封装空间减小，芯片产热加剧，一方面，在焊点形成或电子产品使用过程中钎料与焊盘金属化层之间反应所生成的界面金属间化合物(intermetalliccompounds,imcs)层占整个焊点的比重不断增加，其形貌、尺寸、晶体取向以及厚度等对焊点可靠性的影响也愈发严重，另一方面，焊点所承受的电流密度不断增加，在热力学与动力学因素的驱使下，重熔过程中液态钎料润湿于固态焊盘上形成的imcs会生长或溶解，造成焊点的失效，焊点的可靠性很大程度上决定了整个电子产品的可靠性和寿命。因此，如何控制界面imcs的反应行为就显得尤为重要，这就需要首先明确焊点形成及服役过程中的界面反应机理。

已有研究表明，重熔制备的sn基无铅互连焊点往往呈现单晶或孪晶结构，而β-sn的bct晶体结构具有各向异性(a＝0.5832，c＝0.3182，c/a＝0.546)，cu等原子在焊点中的扩散会由于β-sn不同的晶粒取向而呈现出强烈的各向异性，比如，在25℃，cu沿β-sn晶格c轴的扩散速率为2×10^-6cm²/s，是其沿a、b轴扩散速率的500倍，这种取向扩散行为将会对焊点的电迁移行为造成严重影响，具有c轴与电流方向平行的sn基钎料单晶焊点容易产生提前失效，其界面imcs的生长速度约为具有c轴与电流方向垂直的单晶焊点或孪晶焊点的10倍。目前，深刻理解并预测sn枝晶的生长模式是一个热力学难题，在完成互连后，每一个焊点都具有独特的晶体取向，因此不可避免的会有一些焊点由于β-sn晶粒的取向不利，在电子产品使用过程中提前失效，进而降低电子产品的使用寿命。可见，焊点的晶粒取向会严重影响其服役可靠性，因此，寻找一个合适的手段，获取具有相同晶粒取向的单晶焊点，进行其界面imcs重熔状态表征及拉伸、蠕变、时效、电迁移过程中界面imcs演变行为的研究，必将极大程度上提高对焊点界面反应行为的认识水平。

技术实现要素：

本发明的目的是克服微型钎焊对接接头晶粒取向不一致导致的可靠性数据不具可比性的特点，制作出焊点尺寸可控，晶粒取向一致的钎焊对接接头。同时期望可以通过进行晶体取向一致的对接单晶焊点的重熔状态、拉伸、蠕变、时效和电迁移过程中界面imcs演变行为的表征，得到具备可比性的一系列可靠性数据，最终达到评价钎焊对接接头可靠性的目的。

为了达到上述目的，本发明采用了如下技术方案。

一种保证对接单晶焊点晶粒取向一致的方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)，去除焊盘表面的氧化物和有机污染物，在基板上粘附双面胶，并将两个焊盘置于基板上，保证两焊盘的焊接面平行，并有一定的间距，以保证焊缝尺寸和宽度一致性，焊接面垂直基板；

(2)，将选用的钎料焊膏涂敷于两个焊盘的焊接面之间，进行重熔，然后冷却，得到相应的钎料对接接头；将钎料对接接头连同基板一起置于丙酮溶液中，以将钎料对接接头从基板上取下，得到具有一定晶粒取向的重熔制备的钎焊对接接头，不经镶嵌，直接研磨，以去除多余钎料，并对钎焊对接接头的可作为截面的表面进行抛光；

(3)，通过正交偏振光学显微镜(polarizedlightmicroscopy,plm)观察抛光了的钎焊对接接头表面截面，区分不同晶体取向的β-sn晶粒，选取在plm下呈现单一晶粒取向的钎焊对接接头；

由于β-sn具有各向异性的bct晶体结构，光束入射到抛光的β-sn晶体表面时，会分解为两束光而沿不同方向折射而发生双折射现象。由于不同取向的晶粒在正交偏振光学显微镜(polarizedlightmicroscopy,plm)下对比度显著不同，因此通过plm观察抛光了的钎焊对接接头截面，可以区分不同晶体取向的β-sn晶粒，选取在plm下呈现单一晶粒取向的钎焊对接接头；

(4)，对通过plm观察所得的钎料对接单晶接头进行线切割，得到与步骤(3)重熔制备的钎焊对接接头具有相同晶粒取向的多个微型钎焊对接接头，对得到的微型钎焊对接接头进行精抛，以获取电子背散射衍射(electronbackscattereddiffraction,ebsd)数据。

本发明的钎料焊膏为所sn基的二元合金、三元合金或四元合金；优选是二元合金sncu系列、snag系列、snzn系列、snbi系列或snin系列，三元合金snagcu系列、snagbi系列或snagin系列，四元snagbiin系列无铅钎料。

所述基板能够耐受重熔温度和电迁移温度并且不导电，采用印刷电路板等；

所述焊盘采用cu、cu/ni/au，cu/cu6sn5；

所述步骤(2)中的重熔，温度范围选择200℃到700℃；步骤(2)中的冷却，选择随炉冷却、空冷、风冷、水冷或油冷的冷却方式。

适用于制备晶粒取向一致的微型钎焊对接接头，应用于微电子连接的力学、热学以及电学的可靠性研究。本发明的优点在于能够控制钎焊对接接头的尺寸，保证对接接头晶体取向一致性；工艺简单，成本低廉；同时获得的对接接头能够满足拉伸，蠕变，时效，电迁移测试的各种要求，并且其可靠性测试数据具有可比性。本发明的关键步骤在于选取在正交偏振光学显微镜(polarizedlightmicroscopy,plm)下呈现单一晶粒取向的重熔制备的钎焊对接接头，并对其进行线切割，以制备取向一致的微型钎焊对接接头。

本发明的优点在于能够控制钎焊对接接头的尺寸，保证对接接头晶体取向一致性；工艺简单，成本低廉；同时获得的对接接头能够满足拉伸、蠕变、时效、电迁移测试的各种要求，获取具备可比性的焊点可靠性数据，进而获得准确的焊点可靠性评价。

附图说明

图1：线切割获得的微型钎焊对接接头照片；

图2：两个微型钎焊对接接头取向分布图。

具体的实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步说明，但本发明并不限于以下实施例。

实施例1

以下内容结合图1、2具体阐述本发明的实施方式。钎料焊膏一般保存在冰箱中，需要提前4-8h从冰箱取出放在室温环境中以恢复焊膏的粘度，使用之前还需要进行充分搅拌。

晶粒取向一致的，截面尺寸为300μm×300μm，焊缝宽度为200μm的cu/sn3.5ag/cu对接单晶接头的制作。

1、cu焊盘准备：用线切割方式制作铜焊盘，其尺寸为500μm×10mm×20mm；

2、将纯度大于99.99wt.％，尺寸为500μm×10mm×20mm的cu片放入配制好的30％hno3水溶液中浸泡几分钟，去除cu焊盘表面氧化物和污染物，接着将其放入丙酮中进一步超声清洗，清洗完毕烘干备用；

3、在10mm×10mm×1.5mm的印刷电路板(printedcircuitboards,pcb)上粘附双面胶，并将两个cu焊盘置于其上，间距为200μm，同时注意保证焊盘间距为200μm，并且保证cu焊盘的平行性；

4、然后采用细的纸棉签将搅拌好的sn3.5ag钎料焊膏涂敷于两个cu焊盘之间，采用热风返修工作台(美国pacest325)进行重熔实验，重熔温度设定为245℃，重熔时间设定为50s，空冷，得到sn3.5ag钎料对接接头；

5、将样品连同pcb一起置于丙酮溶液，将线性焊点由pcb取下，不经镶嵌，直接研磨，去除多余钎料，得到cu/sn3.5ag/cu对接接头；

6、进行指定截面的研磨抛光，借助plm观察重熔制备的钎焊对接接头晶粒取向，选取在plm下呈现单晶焊点的对接接头；

7、对选取的单晶焊点对接接头进行线切割，对得到的微型钎焊对接接头进行研磨，去除多余钎料，并对其指定截面进行精抛，最终得到线性焊点截面尺寸为300μm×300μm，焊点厚度为200μm，如图1所示；

8、获取精抛截面的ebsd数据，确定钎焊对接接头是否为晶粒取向一致的单晶焊点。